衛(wèi)星接收系統(tǒng)的工程設計(地球站)

第五章衛(wèi)星接收系統(tǒng)的工程設計與調(diào)試衛(wèi)星鏈路的計算方法數(shù)字衛(wèi)星鏈路的傳輸質(zhì)量鏈路方程：上行鏈路，下行鏈路，總鏈路衛(wèi)星接收站的工程設計衛(wèi)星接收天線的幾何參數(shù)衛(wèi)星接收機的輸入電平接收系統(tǒng)的噪聲溫度工程設計實例5.1衛(wèi)星鏈路的計算方法1、衛(wèi)星鏈路的計算，就是對信號傳輸質(zhì)量與各項技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系進行定量分析。2、在諸多技術(shù)參數(shù)中起著舉足輕重作用的是（1）廣播衛(wèi)星的等效全向輻射功率EIRP（2）衛(wèi)星接收天線的口徑。3、衛(wèi)星鏈路可分為上行鏈路和下行鏈路兩部分，兩個鏈路的性能指標串接之后就決定了整個衛(wèi)星鏈路的質(zhì)量，在實際工程問題中，由于上行鏈路的性能一般要優(yōu)于下行鏈路的性能，因此整個衛(wèi)星鏈路的傳輸質(zhì)量在很大程度上由下行鏈路來確定。5．1．2數(shù)字衛(wèi)星鏈路的傳輸質(zhì)量1、在數(shù)字衛(wèi)星鏈路中，由于存在著各種噪聲和干擾的影響，因此在衛(wèi)星接收機的解碼過程中就會出現(xiàn)誤碼，于是誤碼率(誤碼數(shù)與總碼數(shù)之比)就成為了傳輸質(zhì)量的判斷依據(jù)。誤碼率越小，則系統(tǒng)的性能就越好。2、誤碼率是Eb/N0的函數(shù)，數(shù)字衛(wèi)星鏈路的傳輸質(zhì)量是由系統(tǒng)的Eb/N0所決定的。在DVB-S系統(tǒng)中，誤比特率與Eb/N0門限之間的關(guān)系在表5—1中給出，該表是數(shù)字衛(wèi)星鏈路的計算依據(jù)。內(nèi)碼碼率RcRS譯碼后達到BER=10-10~10-11，維特比譯碼后BER=2×10-4所需的Eb/N0（dB）1/24.52/35.03/45.55/66.07/86.45．1．3鏈路方程衛(wèi)星鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩種，由于兩種鏈路的已知參數(shù)是不同的，因此上行鏈路方程和下行鏈路方程的形式略有區(qū)別。一、上行鏈路1、已知參數(shù)已知參數(shù)為：①衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和通量密度ψs，②衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的品質(zhì)因素G／T、③衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補償B0i。發(fā)射天線的增益，固態(tài)功放的輸出功率5．1．3鏈路方程2、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和通量密度是指，當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的行波管放大器處于剛剛飽和狀態(tài)時，上行信號電磁波在衛(wèi)星所在地點的功率通量密度，單位為dBw／m2。目前，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和通量密度的典型值在-70～-80dBw／m2的范圍內(nèi)。5．1．3鏈路方程3、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補償B0i衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補償與傳送節(jié)目的方式有關(guān)。（1）在轉(zhuǎn)發(fā)MCPC方式的數(shù)字衛(wèi)星信號時，由于在轉(zhuǎn)發(fā)器的工作帶寬之內(nèi)只有一個載波，故不存在交調(diào)干擾，為了充分利用功率，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率接近飽和狀態(tài)，也就是說，B0i≈0。（2）在轉(zhuǎn)發(fā)SCPC方式的數(shù)字衛(wèi)星信號時，在轉(zhuǎn)發(fā)器的工作帶寬之內(nèi)存在多個載波，此時就會出現(xiàn)交調(diào)干擾，為了減少交調(diào)干擾的影響，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率要比飽和時低幾個分貝；另外每一路載波都是轉(zhuǎn)發(fā)器的激勵信號，而轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入功率為各個輸入載波的功率之和，因此每一路載波的強度也要比單載波激勵時小一些?？紤]到上述的兩個原因，工作在單路單載波方式SCPC時，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補償大約在10dB左右。行波管的非線性

行波管的非線性（續(xù)）飽和點：輸出功率最大的點。線性區(qū)：從低端的熱噪聲極限至1dB壓縮點所限定的區(qū)域。1dB壓縮點：實際的功率轉(zhuǎn)移曲線比外插的直線低1dB的點。非線性效應多載波情況下，將產(chǎn)生互調(diào)/交調(diào)干擾。單載波情況下，包絡起伏將造成相位調(diào)制。輸入補償多載波工作時，對任何載波，飽和點附近的功率輸出小于單載波飽和點的值。為了降低互調(diào)/交調(diào)失真，行波管的工作點必須靠近曲線的線性部分。如圖。輸入補償：任何載波的工作點輸入電平與單載波飽和點輸入電平的dB差。輸出補償：輸出功率相應的下降值。輸入補償（續(xù)）輸出補償輸出補償與輸入補償?shù)年P(guān)系不是線性的。考慮輸出補償值的經(jīng)驗方法如圖所示。在線性區(qū)，輸入補償與輸出補償?shù)膁B變化比例是1：1。所以輸出補償比輸入補償小5dB，即BOo=BOi–5dB。例：BOi=11dB時，BOo=6dB。也有“7/11”經(jīng)驗法則：即BOi=11dB時，BOo=7dB。輸出補償（續(xù)）2．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．1等效全向輻射功率（EIRP）

反映了衛(wèi)星的輻射能力，僅與衛(wèi)星本身有關(guān)，與其他參數(shù)無關(guān)。表達式：EIRP=10lgPTWTA-Lt+Gt（單位：dBW）其中：PTWTA：行波管的輸出功率（行波管和一般晶體管類似，只是其工作在微波頻率波段上，輸出功率較大。）Lt：行波管至星載天線的功率損耗。Gt：衛(wèi)星星載天線的增益，是一相對值。C波段EIRP：30～40dBW；Ku波段EIRP：40～60dBW2/4/2023數(shù)字衛(wèi)星廣播142．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．2波束圖：將地面各點的EIRP標注到地圖上，稱為波束圖。一顆廣播衛(wèi)星的等效全向輻射功率是隨著接收地點而改變的，在工程上為了便于使用，通常將衛(wèi)星的等效全向輻射功率標注在地圖上，稱為衛(wèi)星的波束圖或稱為衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域。在進行衛(wèi)星線路工程設計的過程中，波束圖很重要，根據(jù)波束圖能夠確定接收地點的等效全向輻射功率，然后才可以進行以后的工程設計工作。2/4/2023數(shù)字衛(wèi)星廣播152．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．3品質(zhì)因素：（G/T）1、定義：品質(zhì)因素是衡量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器本身質(zhì)量的一項特性參數(shù)，反映了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收弱信號的能力。2、表達式：G/T=G-10lg（Ta+Tt）（單位：dB/K）其中G：衛(wèi)星星載天線在上行工作頻率（6或14GHz）時的增益（dB）Ta：星載天線的噪聲溫度（K）Tt：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的等效噪聲溫度（K）數(shù)字衛(wèi)星廣播2．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．4功率通量密度：（ψ）1、定義：衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波達到地面時的功率通量密度。反映了衛(wèi)星信號到達地面時的強度。2、表達式ψ=EIRP-20lgd-10lg（4π）-△L（單位：dBW/m2）其中d：衛(wèi)星至地面的距離（m）△L：附加損耗又稱大氣衰減（dB）數(shù)字衛(wèi)星廣播2.6.2功率傳輸公式衛(wèi)星鏈路計算的基本出發(fā)點就是弗里斯(Friis)功率傳輸公式。Pr：接收天線輸送給匹配負載的功率Pt：發(fā)射天線的輸入功率PrPt5．1．3鏈路方程4、上行地球站的等效全向輻射功率EIRPE與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和通量密度的關(guān)系為dU:上行地球站與衛(wèi)星之間的距離，單位為m5、噪聲功率Pn的表達式：k：玻爾茲曼常數(shù)；B：信道帶寬5．1．3鏈路方程6、模擬上行鏈路的載噪比:λ:衛(wèi)星上行信號的波長，單位為m7、數(shù)字衛(wèi)星上行鏈路的Eb/N0表達式：Rb：數(shù)字信號的碼率，單位：bit/s8、C/N與Eb/N05．1．3鏈路方程推導過程5．1．3鏈路方程衛(wèi)星鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩種，由于兩種鏈路的已知參數(shù)是不同的，因此上行鏈路方程和下行鏈路方程的形式略有區(qū)別。二、下行鏈路1、已知參數(shù)已知參數(shù)為：①衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的等效全向輻射功率EIRP，②接收點與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器間的距離d，③衛(wèi)星接收天線的增益G，④衛(wèi)星接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T。接收鏈路分析主要公式1、下行鏈路自由空間傳播損耗L0,D

式中：d—星站距離，m；

λ—工作波長，m。接收鏈路分析主要公式（續(xù)）2、數(shù)字衛(wèi)星下行鏈路的Eb/N0，即下行鏈路方程

接收鏈路分析主要公式（續(xù)）式中：EIRPS—轉(zhuǎn)發(fā)器飽和等效全向輻射功率，dBW；BOo,S—轉(zhuǎn)發(fā)器輸出補償，稱為功率回退，dB；m—轉(zhuǎn)發(fā)器載波數(shù)；△LD—下行鏈路附加損耗，主要由降雨引起。單位：dB；L0—電波的擴散損耗，dB；k—玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K，10lgk=-228.6dBJ/K

5.2衛(wèi)星接收站的工程設計在衛(wèi)星接收站的工程設計過程中，主要的工作是要根據(jù)衛(wèi)星的等效全向輻射功率相對接收信號質(zhì)量的要求，（1）確定接收天線的直徑；（2）計算衛(wèi)星接收天線的幾何參數(shù)：仰角、方位角、極化角（3）衛(wèi)星接收機的輸入電平（4）整個衛(wèi)星接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度。5．2．1衛(wèi)星接收天線的幾何參數(shù)衛(wèi)星接收天線的幾何參數(shù)有天線的仰角EL、方位角AZ和極化角αp，以及接收地點與廣播衛(wèi)星之間的距離d。可以通過公式計算，也可以通過查曲線求得。工程上通常用查曲線的方法。5．2．1衛(wèi)星接收天線的幾何參數(shù)（1）、衛(wèi)星接收天線的仰角EL位置矢量R與地平面的夾角就是接收天線的仰角EL，（113頁，式5-18，或114頁，圖5-2）（2）、衛(wèi)星接收天線的方位角AZ位置矢量R在地平面上的投影與接收點正南方向的夾角，（114頁，式5-19，或114頁，圖5-2）2．6衛(wèi)星廣播中的電波傳播問題2．6．1極化1、極化方式：電磁波通過交變的磁場和電場向前傳輸，其中以電場方向表示極化方向。1）、線極化定義:當時間變化時，若電場矢量的方向始終平行于某一直線，這樣的電波就稱為線極化波(線極化)。數(shù)字衛(wèi)星廣播2．6．1極化

應用：廣播和通信領(lǐng)域中，大量地使用著線極化波．發(fā)射和接收線極化波的天線就稱為線極化天線。分類：線極化又可以根據(jù)極化方向分為：垂直極化和水平極化兩種方式。通常是以地平面為參考面，垂直于地面的線極化稱為垂直極化，而平行于地面的線極化則稱為水平極化。水平極化普遍應用于短波廣播、電視廣播、調(diào)頻廣播等領(lǐng)域，而垂直極化則普遍應用于中波廣播、移動通信等領(lǐng)域。2．6衛(wèi)星廣播中的電波傳播問題2．6．1極化1、極化方式：2）、圓極化定義：沿著電波傳播的方向看，圓極化波中電場矢量端點的運動軌跡為一個圓。分類：圓極化波也可以分為左旋圓極化和右旋圓極化兩種方式。順著波的傳播方向看去，若電場矢量順時針旋轉(zhuǎn)，就稱為右旋極化波；若電場矢量逆時針旋轉(zhuǎn)，就稱為左旋極化波。數(shù)字衛(wèi)星廣播2．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．7頻率復用

1、目的充分利用寶貴的頻譜資源2、在兩種線極化波之間存在著所謂的“極化隔離”：具體說就是，水平線極化天線接收水平線極化波，而不接收垂直線極化波；反之，垂直線極化天線接收垂直線極化波，而不接收水平線極化波。這樣在同一頻率范圍之內(nèi)，我們同時使用水平線極化波和垂直線極化波來傳送兩路信號，兩者之間互相不干擾。數(shù)字衛(wèi)星廣播2．4廣播衛(wèi)星的電參數(shù)

2．4．7頻率復用區(qū)域性的衛(wèi)星廣播普遍采用線極化方式，其優(yōu)點是設備相對簡單，而缺點是接收天線調(diào)整賂微復雜一些。

兩種圓極化波之間也存在極化隔離，故我們可同時使用右旋圓極化波和左旋回極化波來傳送兩路信號。洲際性的衛(wèi)星廣播普遍采用圓極化方式，其優(yōu)點是接收天線調(diào)整相對簡單，而缺點是設備復雜一些。數(shù)字衛(wèi)星廣播（3）、衛(wèi)星接收天線的極化角αp接收點地平面與水平極化波電場平面之間的夾角。（4）查曲線法確定仰角、方位角和極化角給出的3個計算公式都比較復雜。而在工程設計過程之中，往往采用查曲線的方法來求出天線的仰角、方位角和極化角，這樣做的好處是計算方便、簡單易行，同時精度也足以滿足工程上的需要。圖5—2為接收天線仰角和方位角的曲線，其中橫坐標為接收地點與衛(wèi)星經(jīng)度差的絕對值，而縱坐標為接收地點的緯度，由這兩個參數(shù)就可以根據(jù)圖5—2來估算出天線仰角和方位角的數(shù)值，其誤差不超過2.5度。方位角仰角接收地點的緯度接收地點與衛(wèi)星經(jīng)度差的絕對值查表的具體步驟如下：①根據(jù)(5-16)式求出接收地點與衛(wèi)星的經(jīng)度差φ。注意：φ>0，表示衛(wèi)星在接收地點的西南方向上；φ=0，表示衛(wèi)星在接收地點的正南方向上：φ<0，表示衛(wèi)星在接收地點的東南方。②在圖5-2上找到代表接收地點緯度的橫線，并根據(jù)經(jīng)度差的絕對值在該線上標出相應衛(wèi)星的位置．如亞洲二號在圖5—2中的“1”點，亞太IA在“2”點，泛美四號在“3”點。

③根據(jù)每顆衛(wèi)星在圖中的位置，估計出具體的仰角和方位角數(shù)值，若細心一點的話，估計數(shù)值的誤差小于2.5度。④根據(jù)仰角的數(shù)值．從圖4-12（84頁）中找到對應的天線噪聲溫度的數(shù)值。⑤采用類似的方法在圖5-3（114頁）中標出衛(wèi)星的位置，然后估計出極化角的具體數(shù)值，估計數(shù)值的誤差不超過1.25度。查表的具體步驟如下（續(xù)）：(5)接收地點與同步衛(wèi)星間的距離d接收地點與同步衛(wèi)星間的距離也是由接收點經(jīng)緯度和衛(wèi)星位置所共同確定的，其計算公式為在地球上任何地點，衛(wèi)星天線到同步衛(wèi)星的距離的取值范圍是計算衛(wèi)星到接收地點間距離的目的是為了求出自由空間中電波的擴散損耗L0。將距離的實際數(shù)據(jù)代入(5—10)式，可以得到擴散損耗的取值范圍:在工程上C波段的電波擴散損耗可以按照196．2dB來計算，而Ku波段的電波擴散損耗可以按照205.8dB來計算，其誤差均不會超過0.67dB。

(5)接收地點與同步衛(wèi)星間的距離d（續(xù)）5.2.5工程設計實例任務：以亞洲3S衛(wèi)星C波段轉(zhuǎn)發(fā)器為例，進行上行和下行系統(tǒng)的鏈路計算。已知條件：發(fā)射端和接收端地點選擇濟南，設備參數(shù)：發(fā)射天線口徑為9米，固態(tài)功率放大器功率為200W，接收天線口徑為2.4米、2米、1.5米。亞洲3S衛(wèi)星參數(shù)：（以濟南為例）轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬：36MHz工作頻段：上行5845－6425MHz下行3625－4200MHz軌道位置：105.5E上/下行極化方式：線性雙極化飽和功率通量密度：ψS=－89.3dBW/m2（上行鏈路）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率：EIRPs=40.6dBW（下行鏈路）5.2.5工程設計實例濟南地理位置：經(jīng)度117E，緯度36.65N(=36.65)，與衛(wèi)星的經(jīng)度差：=接收地點的經(jīng)度-衛(wèi)星的經(jīng)度=117—105.5=11.5。天線仰角：45.78度，（113頁，式5-18，或114頁，圖5-2）方位角：18.82度（即南偏西18.82度，若為負數(shù)則衛(wèi)星在接收地點的東南方），（114頁，式5-19，或114頁，圖5-2）衛(wèi)星到地球站距離：du為37498Km。（115頁，式5-21）5.2.5工程設計實例上行系統(tǒng)鏈路計算：已知（1）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度ψS：-89.3dBW/m2（2）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入補償BOi:6dB（3）衛(wèi)星發(fā)射天線的增益G:53.1dB（或者已知固態(tài)功放的發(fā)射功率）任務：固態(tài)功放需要多大的發(fā)射功率，或者確定上行站需要多大直徑的天線。上行地球站的等效全向輻射功率EIRPE與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和通量密度的關(guān)系為：5.2.5工程設計實例上行系統(tǒng)鏈路計算：考慮到在多載波情況下保持良好的線性，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入功率回退6dB左右：EIRPE=-89.3+162.48-6=67.18dBW由于租用的帶寬為BMHz，則分配到一個SCPC載波EIRP值為：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）,B為每路SCPC的帶寬如何確定B?5.2.5工程設計實例上行系統(tǒng)鏈路計算：租用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬B一路標清數(shù)字視頻壓縮后按照標準為:5Mbps一套立體聲電視伴音壓縮后標準為:0.256Mbps六套立體聲廣播壓縮后標準為：6×0.256=1.536Mbps；低速串行數(shù)據(jù)：0.0384Mbps；總信息速率:5+0.256+1.536+0.0384=6.8304Mbps.開銷為信息率的10%,則數(shù)據(jù)率為:6.8304×(1+0.1)=7.513Mbps傳輸速率Rb:取FEC=3/4,RS糾錯編碼為(204，188),則:Rb=7.513×4/3×204/188=10.87Mbps字符率(QPSK調(diào)制):10.87÷2=5.435Mbaud，取5.4Mbaud。占用帶寬(滾降系數(shù)為0.4):5.4×1.4=7.56MHz加保護帶后租用帶寬:7.56+0.16=7.72MHz，取7.7MHz5.2.5工程設計實例上行系統(tǒng)鏈路計算：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）=67.18-10lg（36/7.7）=67.18-6.7=60.48dBW上行站使用9米發(fā)射天線，增益為53.1dB@6.2GHz。天線發(fā)射端口功率P=EIRPES–G=60.48–53.1=7.38dBW考慮到功放到天線的饋線損耗約為2dB因此上行站固態(tài)功放的輸出功率應為9.38dBW，即8.67W。5.2.5工程設計實例下行系統(tǒng)鏈路計算：（1）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等效全向輻射功率EIRP（2）衛(wèi)星接收天線的直徑、口面效率（3）衛(wèi)星接收天線的品質(zhì)因數(shù)G/T（4）下行鏈路的損耗任務：確定下行鏈路的Eb/N0，與DVB-S系統(tǒng)的誤碼性能要求對照，確定能否正確接收衛(wèi)星信號。5.2.5工程設計實例下行系統(tǒng)鏈路計算：由于租用的帶寬為7.7MHz，則分配到一個SCPC載波的EIRP值為：40.6—10lg（36/7.7）=33.9dBW。考慮到在多載波情況下保持良好的線性，