通信衛(wèi)星鏈路計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1通信衛(wèi)星鏈路計(jì)算通信衛(wèi)星鏈路計(jì)算第1頁(yè)/共39頁(yè) 衛(wèi)星通信的顯著特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，電磁波在傳播時(shí)受到極大的衰減。僅自由空間損耗就達(dá)200db，地球站收到的信號(hào)通常只有幾個(gè)微瓦。因此衛(wèi)星通信中噪聲的影響是非常重要的問(wèn)題。 鏈路計(jì)算的目的：盡量有效地在兩個(gè)地球站之間提供可靠而高效的連接手段，為此，發(fā)送站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接受站時(shí)，必須具備足夠高的電平，而且不管對(duì)通信質(zhì)量的總噪聲影響如何，都要保證必須的業(yè)務(wù)質(zhì)量。鏈路所需的載噪比載噪比用 表示 。是隨特定的系統(tǒng)和系統(tǒng)的用途而異。載噪比涉及到發(fā)端功率，收發(fā)兩端天線增益，傳輸過(guò)程中的各種損耗、噪聲及干擾、氣象條件等因素。C T第2頁(yè)/共39頁(yè)衛(wèi)星鏈路

2、通常分為三大類，分別是：1. 固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)通信鏈路；2. 移動(dòng)通信衛(wèi)星鏈路；3. 星際衛(wèi)星鏈路。第3頁(yè)/共39頁(yè)衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算通常分為兩類，分別是：1，已知轉(zhuǎn)發(fā)器及地球站的基本參數(shù)，計(jì)算地球站能得到的載噪比及其應(yīng)發(fā)射的 。 系統(tǒng)容量的計(jì)算，即一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器能容納多少載波（話路），通常從功率角度和頻帶角度出發(fā)計(jì)算，兩種結(jié)果取最小者。功率角度：一般是按轉(zhuǎn)發(fā)器總的 及每個(gè)載波要求的 ；頻帶角度：按轉(zhuǎn)發(fā)器總的帶寬及每個(gè)載波要求占的帶寬。2，已知轉(zhuǎn)發(fā)器的基本參數(shù)以及根據(jù)接收機(jī)輸出信噪比 或 所提出的對(duì) 的要求（或由門限 以及門限備余量 所提出的對(duì) 的要求），確定地球站天線尺寸、接收機(jī)噪聲性能、發(fā)射功率等。

3、 EIRP. s mEIRPsEIRPS N0bE ntC NthC NEtC N第4頁(yè)/共39頁(yè)影響衛(wèi)星鏈路質(zhì)量的主要因素有如下幾個(gè)：1.自由空間傳播損耗；2.鏈路中各種噪聲；3.電離層的法拉第效應(yīng)；4.降雨損耗；5.多徑和陰影遮蔽效應(yīng)；6.多普勒頻移；7.各種交調(diào)干擾。第5頁(yè)/共39頁(yè)發(fā)射機(jī)接收機(jī)衛(wèi)星上行載噪比下行載噪比交調(diào)、干擾載噪比待發(fā)送信號(hào)接收信號(hào) 國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR）規(guī)定了利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為洲際通信的標(biāo)準(zhǔn)鏈路模型。鏈路模型：地球站-衛(wèi)星-地球站第6頁(yè)/共39頁(yè)通?？偟男l(wèi)星鏈路 由三部分合成的：1.上行鏈路 計(jì)算；2.下行鏈路 計(jì)算；3.交調(diào)、干擾鏈路 計(jì)算。其中 是真

4、值，而非dB值，計(jì)算時(shí)一定要注意。下邊分別對(duì)之進(jìn)行討論。tC TUC TDC TIC T衛(wèi)星鏈路計(jì)算1111UDItC TC TC TC TC T第7頁(yè)/共39頁(yè)在計(jì)算衛(wèi)星鏈路之前，先介紹幾個(gè)必要的因子：1. 天線增益G； sGEG：衛(wèi)星天線增益：地面站天線增益天線增益：222DGD：天線直徑：天線效率：天線接收的無(wú)線電波長(zhǎng)G定向天線輻射時(shí)，接受點(diǎn)收到的最大功率全向天線輻射時(shí)，接受點(diǎn)收到的最大功率第8頁(yè)/共39頁(yè)幾個(gè)關(guān)鍵因子介紹幾個(gè)關(guān)鍵因子介紹2，自由空間傳輸損耗（通信距離方程） 在衛(wèi)星通信中，電波主要是在大氣層以外的自由空間傳播，大氣層只占很小的一部分，因此首先研究的是自由空間傳播損耗，在此

5、基礎(chǔ)上再考慮大氣層及其他損耗。自由空間損耗用下式計(jì)算：d:衛(wèi)星-地面站距離(m)； ：電磁波波長(zhǎng)(m)當(dāng)用d(km)、f(GHz)且用dB(即以10為底的對(duì)數(shù))表達(dá)時(shí):2244fddfLcf:電磁波頻率(Hz) ；c: 光速。單位：dB92.4520 lg20 lgfLdf 第9頁(yè)/共39頁(yè)幾個(gè)關(guān)鍵因子介紹幾個(gè)關(guān)鍵因子介紹3，有效全向輻射功率典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成圖如下圖所示：發(fā)射機(jī)地球站或通信衛(wèi)星接收機(jī)通信衛(wèi)星或地球站TPTGRG24TTRRTTRfP G GPP G GdL定義有效全向輻射功率為：寫成dB形式為：TTEIRPP GTTEIRPPGRPC第10頁(yè)/共39頁(yè) 因?yàn)榻邮諜C(jī)使用了高

6、增益天線和低噪聲放大器，內(nèi)部噪聲的影響相對(duì)很弱。因此外部噪聲就成了主要因素了。接收機(jī)的外部噪聲主要有以下幾個(gè)方面：天線噪聲。包括宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、天線損耗噪聲、天電噪聲、天線罩噪聲及天線副瓣收到的地面噪聲等。干擾噪聲。主要包括來(lái)自其他通信系統(tǒng)的干擾噪聲和人為干擾噪聲。上行鏈路噪聲和轉(zhuǎn)發(fā)器非線性產(chǎn)生的交調(diào)噪聲。內(nèi)部噪聲主要來(lái)自饋線、放大器和下變頻器等。因此輸入端的噪聲功率為tNk T B231.38 10/kJ K波爾茲曼常數(shù)：等效溫度：tT等效帶寬：B第11頁(yè)/共39頁(yè)1TTRftP G GCNLkT B寫成dB形式就是： 10lgRftEIRPGLkTB 10lgTTRftCPG

7、GLkT BN由于噪聲功率N是帶寬B的函數(shù)，缺乏一般性，對(duì)不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較，實(shí)際中經(jīng)常使用 表達(dá)載噪比。CT fCGEIRPLTTGT稱為品質(zhì)因子(1-01)第12頁(yè)/共39頁(yè) 0CCBNnCkBT第13頁(yè)/共39頁(yè)UC T由(1-01)公式的上行鏈路UC TsEfUUsatGCEIRPLTTEEIRPssatG TfUL地球站有效全向輻射功率衛(wèi)星天線品質(zhì)因子上行自由空間損耗注意：該公式計(jì)算的是單載波的情況通常在計(jì)算上行鏈路載噪比時(shí)，會(huì)使用到轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度是指當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時(shí)，其輸入端所需要的信號(hào)功率。用功率密度 表示，即單位面積上的有效全向輻射功率。s

8、W22224444EEEsPUEIRPEIRPEIRPWdLd或者以dB形式表達(dá)為第14頁(yè)/共39頁(yè)上行鏈路 計(jì)算UC T2410lgsEfUWEIRPL在FDMA系統(tǒng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通常要同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)載波。為了減小因交調(diào)產(chǎn)生的噪聲，需要使總的輸入信號(hào)功率從飽和點(diǎn)減小一定的數(shù)值，即進(jìn)行輸入補(bǔ)償，是轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性部分。用 表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波工作時(shí)的數(shù)值，則多載波工作時(shí)的數(shù)值應(yīng)為 ，所以，EsEIRPiEMEsEIRPEIRPBO 2410lgifUEMsEIRPWBOL最后就得到了多載波的載噪比 2410lgEMssatfUissatsUMCEIRPG TLWBOG TT第15頁(yè)/共39頁(yè)DCT

9、與上行鏈路計(jì)算相似，求得單載波時(shí)的載噪比RsfDDDGCEIRPLTTsEIRPfDLRDGT轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率下行自由傳輸損耗地面站天線品質(zhì)因子同樣在FDMA系統(tǒng)下，轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率也有一定輸出補(bǔ)償。因此，多載波工作時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率為： RRSMfDSSofDDMDDGGCEIRPLEIRPBOLTTTSSEIRP轉(zhuǎn)發(fā)器在單載波飽和工作時(shí)的有效全向輻射功率第16頁(yè)/共39頁(yè)第17頁(yè)/共39頁(yè)上行、下行鏈路載噪比計(jì)算ESEIRP為使衛(wèi)星單載波飽和輸出所必須的地球站EIRP dBEMEIRP實(shí)際工作點(diǎn)，地球站EIRP總和的 dBiBO輸入補(bǔ)償；SSEIRP衛(wèi)星單載波飽和輸出EIRP

10、 dBSMEIRP實(shí)際工作點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星總的輸出EIRP dBSGT衛(wèi)星天線品質(zhì)因子EGT地球站天線品質(zhì)因子oBO輸出補(bǔ)償?shù)?8頁(yè)/共39頁(yè)上行、下行鏈路載噪比計(jì)算對(duì)于上行、下行鏈路載噪比計(jì)算公式可總結(jié)出如下的統(tǒng)一公式：fTTRTCGEIRPLTTT：發(fā)端R：收端第19頁(yè)/共39頁(yè)通常用實(shí)驗(yàn)的方法或計(jì)算機(jī)模擬的方法獲得載波公率與互調(diào)噪聲平均功率譜密度比 ，并用等效噪聲溫度折算，即0228.6IICCTn0ICnICT通常，輸入補(bǔ)償值的改變會(huì)影響上行、下行、交調(diào)干擾載噪比的值，下列圖清楚地表示它們地關(guān)系第20頁(yè)/共39頁(yè)一般通過(guò)輸入補(bǔ)償值根據(jù)這個(gè)圖得出交調(diào)干擾載噪比。第21頁(yè)/共39頁(yè) 門限載噪比

11、就是解調(diào)器輸出的被恢復(fù)的基帶信號(hào)質(zhì)量的最低要求值。 但是，任何衛(wèi)星通信系統(tǒng)建成之后，它的參數(shù)并不是一成不變的，它還會(huì)經(jīng)常地受到氣象條件、轉(zhuǎn)發(fā)器及地球站設(shè)備某些不穩(wěn)定因素的影響。因此，為了在這些因素變化后仍能正常工作，必須留有一定的余量。thCT tthCCETT第22頁(yè)/共39頁(yè) 在上行鏈路時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射會(huì)時(shí)刻受到監(jiān)控站的監(jiān)控，地球站也將隨時(shí)得到監(jiān)控站的指令，對(duì)發(fā)射功率加以調(diào)整。因此，上行鏈路電波的衰減對(duì)上行載噪比的影響較容易得到解決。 在下行鏈路時(shí)，特別是地球站使用高增益天線及低噪聲放大器時(shí)，下行鏈路本身的噪聲在正常工作時(shí)已不是很大，而降雨、降雪等氣象因素對(duì)下行鏈路就產(chǎn)生了顯著影響。故系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12、中的降雨余量備份是針對(duì)下行鏈路 提出的，而認(rèn)為降雨對(duì)上行鏈路 的影響不予考慮。DCTUCT第23頁(yè)/共39頁(yè)降雨余量降雨余量降雨余量的含義是：降雨時(shí)下行線路的 可容許惡化多少倍（用m倍表示）或說(shuō)應(yīng)有多大的余量才能使衛(wèi)星通信鏈路總的 仍保持在門限的水平上。降雨備余量為：DCTtCT111110lgthtDDCCCTTTMCT第24頁(yè)/共39頁(yè) 定義r為折算到地球站接收機(jī)輸入端的上行、互調(diào)干擾噪聲功率之和與下行噪聲功率之比。111tDUItDDDDCCTTTTTTrTTCT結(jié)合門限余量可得1mrEr其中/1010Mm 第25頁(yè)/共39頁(yè) 本節(jié)分別給出了國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模擬制和數(shù)字制兩種鏈路計(jì)算實(shí)

13、例。模擬制以SCPC-FM-FDM方式為例；數(shù)字制以SCPC-PSK-TDMA方式為例。第26頁(yè)/共39頁(yè)1，模擬制電話鏈路標(biāo)準(zhǔn)CCIR對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參考鏈路在傳輸電話和電視方面。對(duì)電話鏈路，在零相對(duì)電平點(diǎn)（即電話通路中試驗(yàn)者信號(hào)電平為0 dBm的點(diǎn)）所允許的噪聲功率作了如下建議：1)任一小時(shí)的平均噪聲功率不超過(guò)10000 pw(加權(quán)值);2)在一晝夜的20以上的時(shí)間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過(guò)l0 000 pw(加權(quán)值);3)在任一個(gè)月的0.3以上的時(shí)間中，每分鐘的平均噪聲功率不超過(guò)50 000 pw(加權(quán)值);4)在任一年的0.03以上的時(shí)間中，積分時(shí)間為5ms的噪聲功率不超過(guò)1

14、000 000pw(非加權(quán)值)。第27頁(yè)/共39頁(yè)項(xiàng)目IS-2IS-3IS-4上行鏈路噪聲1 5001 4101 130衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)互調(diào)噪聲1 6002 3402 160下行鏈路噪聲6 4004 2504 210地球站設(shè)備內(nèi)部噪聲5001 0001 500來(lái)自其他系統(tǒng)的噪聲-1 0001 000總計(jì)10 00010 00010 000IS- ，IS- , IS- 系統(tǒng)噪聲分配（pW0p）以零相對(duì)電平點(diǎn)10 000pW0p的噪聲功率，換算成噪聲電平為1000010 log5001pwdBmpm p 模擬制第28頁(yè)/共39頁(yè)模擬制模擬制衛(wèi)星鏈路計(jì)算的一般步驟為：1)根據(jù)輸出的要求信噪比計(jì)算所需的載

15、比 ；2)計(jì)算門限值 ；3)計(jì)算衛(wèi)星鏈路實(shí)際達(dá)到的 ;4)計(jì)算每一載波的 和 值；5)計(jì)算系統(tǒng)可容納的載波數(shù) n。thCTtCTtCTtCTEIRP第29頁(yè)/共39頁(yè)IS-衛(wèi)星的參數(shù)如下表：工作頻率6/4 GHz30 dB/K22.5 dBW3400 Hz-17.6dBW300 Hz-67.5dBW/m平方1000 Hz11 dB4800 Hz4.9 dB 2700 Hz ssEIRPsGTsWIBOoBOEGTHFLFrfrf衛(wèi)星鏈路噪聲取 7500 pW .f第30頁(yè)/共39頁(yè)IS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算1, 根據(jù)衛(wèi)星噪聲功率計(jì)算所需的tCT31201 1010log20log195.9

16、51.37500 10rtCSfdBNT又知壓擴(kuò)器對(duì)信噪比可改善17 dB，則51.320log195.9 17175.2()rttCfTCdBT 第31頁(yè)/共39頁(yè)IS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算2，計(jì)算門限值 thCT5log181.35log2700181.3179.3(/)thCfTdBW K 第32頁(yè)/共39頁(yè)IS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算3，衛(wèi)星鏈路實(shí)際的tCT多載波時(shí)，衛(wèi)星輸出飽和有效全向輻射功率為：17.6()SMSoEIRPEIRPBOdBW多載波時(shí)，衛(wèi)星飽和輸入的有效全向輻射功率為：2410log85.6()fEMSIUEIRPWBOLdBW92.4520lg20lg200.

17、642589?6fULdfdBdkmfGHz第33頁(yè)/共39頁(yè)上行、下行、互調(diào)載噪比22.54.9196.530149(/)fUMSSoRUC TEIRPBOLG TdBWK 2410log132.6(/)fUMEMSSISUC TEIRPLG TWBOG TdB K根據(jù)IS- 衛(wèi)星典型 曲線查得C TIMIBOC T135.4(/)IMdBW K 所以，總載噪比為：10101013.2614.913.5410log 10101010log 101010149.3(/)UMDMIMC TC TC TtMC TdBW KIS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算第34頁(yè)/共39頁(yè)4，每載波的EIRP 和 C

18、 T 值149.3( 175.2)25.9(/)tMTC TC TdBW K 因?yàn)?因此，地球站可少發(fā)25.9（dBW/K）,與此對(duì)應(yīng)的各 均降低25.9(dBW/K).降低后總的載噪比為：C T15.8517.4916.1310log 101010175.2(/)tC TdBW K相應(yīng)門限余量為： 175.2 179.34.1(/)tthEC TC TdBW K IS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算第35頁(yè)/共39頁(yè)5，系統(tǒng)可容納的載波數(shù)因?yàn)?25.9(/)389EMEIEMEIEIRPn EIRPnEIRPEIRPdBW Kn 所以該系統(tǒng)可容納389路電話。IS-衛(wèi)星鏈路計(jì)算衛(wèi)星鏈路計(jì)算第36頁(yè)/共39頁(yè)