第三章卫星链路设计课件

卫星链路设计第三章卫星链路设计 1卫星链路设计21.1.传输方程传输方程2.2.基本卫星链路分析基本卫星链路分析3.3.卫星链路干扰分析卫星链路干扰分析 4.4.下行链路设计下行链路设计5.5.上行链路设计上行链路设计6.6.结合卫星链路中的结合卫星链路中的C/NC/N和和C/IC/I进行的链路设计进行的链路设计主主 要要 内内 容容卫星链路设计n为什么要进行卫星链路设计？为什么要进行卫星链路设计？n卫星通信网络一般由多个地球站通过一个或多个卫星组成。n用于互联的无线电链路要求：使得传递到目的地的信息必须具有允许使得传递到目的地的信息必须具有允许的保真度的保真度。3.1 概述概述p传递信息的质量、数量和实际限制，如经济和技术状态之间，要经过多次综合平衡。如要求以很高质量传递大量信息，可能会出现无法接受的高价格。p链路设计需要考虑：工作频率、传播效应、可以接受的卫星/地面终端的复杂性（影响到价格）、噪声影响、规章要求等。3卫星链路设计4n卫星链路的组成？卫星链路的组成？n图3-1绘出与链路设计有影响的、网络的主要组成部分，由信号的始发站到终点站，从无线电链路设计的目标来看，可以划分为三部分：q地球站地球站-卫星链路卫星链路(或上行链路或上行链路)q卫星卫星q卫星卫星-地球站地球站(或下行链路或下行链路)3.1 概述概述图3-1 完整卫星链路q链路中各部分都有它本身的特性。例如，当终点地球站是移动终端时，接收天线很小，导致接收载波电平很低。因此，在这种应用中，移动终端-卫星的链路设计是关键部位。q系统设计人员要考虑链路各部件的特性，使得链路总体性能最佳。卫星链路设计5n影响卫星系统设计的因素影响卫星系统设计的因素天线是限制通信系统容量和性能的一个重要因素天线是限制通信系统容量和性能的一个重要因素q天线影响卫星的总尺寸q总尺寸受运载工具的制约(天线孔径最大不超过3.5m)卫星重量的限制卫星重量的限制卫星越重，成本越高卫星越重，成本越高 其质量由两个因素决定：其质量由两个因素决定：q转发器的数量和输出功率：电能电池 q燃料（用于站点保持的能量）：占总重量的1/2 3.1 概述概述卫星链路设计n影响卫星系统设计的因素影响卫星系统设计的因素频段的选择频段的选择标称频率6/4GHz,14/11GHz,30/20GHz，另：见卫星常用频段表当前6/4GHz和14/11GHz的GEO卫星间隔是2，也是GEO卫星避免地面站上行链路干扰的最小间隔，因而，新设计的卫星只能采用30/20GHz频段。大气传播：降雨产生的大气传播：降雨产生的衰减衰减同频率有关。同频率有关。降雨衰减一般随频率的平方增加，当工作频率大于10GHz时，雨衰非常明显多址技术、调制、编码的选择多址技术、调制、编码的选择3.1 概述概述6卫星链路设计n链路设计指标：链路设计指标：q卫星链路：上行链路、下行链路q性能指标性能指标：数字链路：BER(比特误码率)模拟链路：S/N（信噪比）pBER或S/N是由接收机解调器输入端C/N决定的一般要求C/N6dB若C/N小于10dB，有必要纠错编码，模拟链路则需要宽带调制（如FM）qC/N估算3.1 概述概述7卫星链路设计nLEO（低地球轨道）（低地球轨道）与与MEO（中地球轨道）（中地球轨道）卫星卫星系统的制约因素系统的制约因素制约因素与制约因素与GEO（静止轨道）（静止轨道）卫星系统相似卫星系统相似需要更多的卫星覆盖服务区需要更多的卫星覆盖服务区地面终端地面终端采用低增益全向天线采用低增益全向天线 所以所以LEO、MEO卫星可能会采用多波束天线卫星可能会采用多波束天线n移动卫星链路设计移动卫星链路设计移移动动终终端端采采用用低低增增益益天天线线，并并且且天天线线的的RFRF频频率率尽尽可可能能低低（卫卫星星与与主主要地面站之间的通信链路一般是固定链路）。要地面站之间的通信链路一般是固定链路）。3.1 概述概述8卫星链路设计 3.1 概述概述9卫星链路设计n综上所述，卫星链路设计需要考虑综上所述，卫星链路设计需要考虑q上、下行链路所要达到的性能指标上、下行链路所要达到的性能指标nC/N，噪声由接收机输入端收到的RF噪声与接收机自身产生的噪声而合成n地面站总C/N同上、下链路都有关系q内容具体包括：内容具体包括：n电波传播特性（基本传输理论）电波传播特性（基本传输理论）n各地面站所采用频段上的降雨衰减情况各地面站所采用频段上的降雨衰减情况n卫星和地面站的特性参数（噪声温度、卫星和地面站的特性参数（噪声温度、G/T等）等）n多址方式多址方式3.1 概述概述10卫星链路设计3.2 基本基本传输理理论n 传输方程传输方程p 传输方程是设计无线电链路的基础。传输方程是设计无线电链路的基础。p 这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。11卫星链路设计12若采用有效孔径面积为Aem2的天线，实际天线的接收功率为:3.2 基本基本传输理理论（1）通量密度）通量密度假设自由空间中有一个各向同性发射源，在距离为R米处穿过球面的通量密度为卫星链路设计（2）链路方程）链路方程（计算无线电链路接收功率的关键表达式）（计算无线电链路接收功率的关键表达式）接收天线增益和面积的关系：可得：天线的接收功率：自由空间路径损耗Lp链路方程链路方程分贝表达式：3.2 基本基本传输理理论可得：13卫星链路设计dB的概念的概念n卫卫星星通通信信所所用用的的放放大大倍倍数数和和传传输输损损耗耗等等的的数数值值都都很很大大，不便于比较不便于比较n采用对数，可以将乘除运算简化为加减运算采用对数，可以将乘除运算简化为加减运算n以分贝形式表示的计算单位以分贝形式表示的计算单位q增益或损耗单位dB，q功率单位dBW或dBm，1W=0dBW，1mW=0dBm，0dBW=30dBmq带宽单位dBHz，1kHz=30dBHz，1MHz=60dBHz q天线增益单位dBi、温度单位dBk等14卫星链路设计 上式表示的是一种理想情况。实际中需考虑附加损耗。通常将链路方程链路方程表示为具有系统裕量的更一般的形式一般的形式：(冰、雨、雪、水蒸气、氧气等)(馈线、指向)(馈线、指向)3.2 基本基本传输理理论链路方程：链路方程：15卫星链路设计路径损耗路径损耗n自由空间的传输损耗自由空间的传输损耗n传输损耗与距离的平方成正比传输损耗与距离的平方成正比n传输损耗与信号频率的平方成正比传输损耗与信号频率的平方成正比n当传输距离为当传输距离为3 3万万6 6千公里时：千公里时：q信号频率为4GHz的自由空间传输损耗约为195.6dBq信号频率为6GHz的自由空间传输损耗约为199.1dBq信号频率为12GHz的自由空间传输损耗约为205.2dBq信号频率为14GHz的自由空间传输损耗约为206.5dB16卫星链路设计转发器的主要参数转发器的主要参数n卫星转发器的三个主要参数：卫星转发器的三个主要参数：G/TG/T：品质因数：品质因数SFDSFD：饱和通量密度：饱和通量密度EIRPEIRP：有效全向辐射功率：有效全向辐射功率17卫星链路设计转发器参数：转发器参数：G/Tnfigure of meritfigure of merit，即接收系统的品质因数，即接收系统的品质因数n接收天线增益接收天线增益G G与接收系统噪声温度与接收系统噪声温度T T之比值之比值n分贝单位为分贝单位为dB/kdB/kn计算公式为计算公式为 G/T=GG/T=GR R T TS SqGR为卫星天线的接收增益qTS为卫星接收系统的噪声温度18卫星链路设计转发器参数：转发器参数：SFDn饱和通量密度饱和通量密度(Saturable Flux Density,SFD)上行载波将转发器推到饱和时上行载波将转发器推到饱和时,在接收天线口面所达到的通量密度；在接收天线口面所达到的通量密度；换句话说，就是为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单换句话说，就是为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单位有效面积应输入的功率。位有效面积应输入的功率。n分贝单位为分贝单位为dBW/mdBW/m2 219卫星链路设计转发器参数：转发器参数：等效全向辐射功率等效全向辐射功率EIRPnEIRP (Effective Isotropic Radiated Power,)P Pt tG Gt tn地地球球站站或或卫卫星星的的天天线线发发射射的的功功率率P Pt t与与该该天天线线增增益益G Gt t的的乘积。乘积。n表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率。n分贝单位为dBW，为天线增益与功放输出功率之对数和。20卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/Tn载噪比载噪比（C/N）p就一定的信息比特率而言，欲达到要求的信息传输质量，需要在就一定的信息比特率而言，欲达到要求的信息传输质量，需要在信号调制类型和卫星链路的载噪比之间加以折衷。卫星链路的载信号调制类型和卫星链路的载噪比之间加以折衷。卫星链路的载噪比是本章讨论的重点。噪比是本章讨论的重点。p卫星离地面距离很远，所以信号强度一般很低，为了达到指定的载噪比，必须采用低噪声放大器+降低中频带宽。p常用GaAsFET管放大器噪声温度大约在30K-200K之间。21卫星链路设计223.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/T3.3.1 3.3.1 噪声温度（噪声温度（T T）n(1)意义意义q将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K K计。计。q等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内，给出相同功率时，所具有的绝对等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内，给出相同功率时，所具有的绝对温度。温度。q利用噪声温度（利用噪声温度（T T）可以确定接收系统中由有源和无源器件产生的热噪声的功率。）可以确定接收系统中由有源和无源器件产生的热噪声的功率。n(2)热噪声的功率谱密度热噪声的功率谱密度热噪声由大量自由电子在导体内部的热能随机运动产生。在很宽的频带内功率谱密度恒定，电阻及其得到的热噪声平均功率谱密度为 k=1.3910-23J/K=-228.6dB/K/Hz，玻尔兹曼常数；Tp=物理温度，单位为热力学温度开尔文（K）（T(K)=TC+273）卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/T3.3.1 3.3.1 噪声温度噪声温度n(3)噪声功率的表示噪声功率的表示通过带宽通过带宽Bn后，噪声功率为后，噪声功率为 n(4)(4)元件等效噪声温度元件等效噪声温度Tn注注：降低噪声功率的一些常用方法：降低接收机等效带宽（如：通过调整中频放大器的级数，提高选择性）选用低噪声元器件降低工作温度等低噪声元件低噪声元件=等效噪声温度为等效噪声温度为Tn的噪声源的噪声源+与元器件增益与元器件增益相同的无噪声放大器相同的无噪声放大器噪声功率噪声功率:低噪声功率对卫星通信尤为重要。Bn：噪声带宽，单位为Hz23卫星链路设计3.3.2 3.3.2 系统噪声温度的计算系统噪声温度的计算n一、地面站接收机的简化图一、地面站接收机的简化图超外差接收超外差接收超外差接收机有三个主要的子系超外差接收机有三个主要的子系统：统：前端（RF放大器、混频器和本地振荡器）中频放大器（IF放大器和滤波器）调制器和基带部分Pno有噪声器件单元有噪声器件单元=等效无噪声单元等效无噪声单元+输入端噪声发生器输入端噪声发生器图 接收机的等效电路图 超外差接收机的结构 24卫星链路设计n二、地面站接收机的噪声分析二、地面站接收机的噪声分析系统噪声温度系统噪声温度接收机的噪声模型天线输出端噪声温度IF放大器输出端总噪声功率Pno系统噪声解调器输入端噪声功率Pno25卫星链路设计n二、地面站接收机的噪声分析二、地面站接收机的噪声分析系统噪声温度系统噪声温度(续)PnoPno无噪接收机输入无噪接收机输入端的噪声温度端的噪声温度26卫星链路设计n二、地面站接收机的噪声分析二、地面站接收机的噪声分析系统噪声温度系统噪声温度(续)分析分析：系统噪声温度前端对系统噪声温度影响很大；当接收机前端RF放大器的增益很高时，IF放大器和后续各级所产生的噪声可以忽略。系统噪声温度可简化为天线噪声温度和LNA噪声温度之和，即Pno上述分析仅考虑所有噪声来自天线输出和接收机内部，除此之外，还有上述分析仅考虑所有噪声来自天线输出和接收机内部，除此之外，还有其他的噪声来源其他的噪声来源有损介质（有损波导和降雨等）有损介质（有损波导和降雨等）27卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/T3.3.3 3.3.3 噪声系数及其与噪声温度的关系噪声系数及其与噪声温度的关系n噪声系数噪声系数表示器件内部产生的噪声大小：n噪声系数与噪声温度的关系噪声系数与噪声温度的关系如何将噪声系数转换为噪声温度？设在标准噪声参考温度To 情况下：Td为器件内部产生的噪声温度；To是计算标准噪声系数的参考温度，通常取290K。28卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/T3.3.4 3.3.4 地面站地面站G/T根据链路方程，接收机输入端信号功率根据链路方程，接收机输入端信号功率接收机输出端信号功率接收机输出端信号功率29卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/Tn系统性能系统性能-C/N-C/Nq解调器输入端的载噪比为解调器输入端的载噪比为3.3.4 3.3.4 地面站地面站G/T因为接收机增益Grx相互抵消，接收机终端的C/N其实在接收机输入端就可以计算，并且与Ts有关。30卫星链路设计3.3 系系统噪声温度和噪声温度和G/T3.3.4 3.3.4 地面站地面站G/T利用链路方程，C/N可表示为：分析分析：C/NGr/Ts。提高Gr/Ts可以提高接收信噪比C/N，Gr/Ts简记为G/T。可利用G/T表示地面接收站或卫星接收机的性能。31卫星链路设计3.4 下行下行链路路设计n设计目标设计目标在规定的时间比例内达到最小的载噪比在规定的时间比例内达到最小的载噪比 一年内链路中断总时间达到0.50.01%链路裕量。以最小的成本获得最大的业务收入以最小的成本获得最大的业务收入下行链路的限制优秀的系统设计是用最少的成本使系统各部分达到最好的结合。如：克服降雨衰减与地面接收天线的直径的关系。n降雨衰减对卫星通信链路造成不良影响降雨衰减对卫星通信链路造成不良影响频率越高影响越严重；解决方法链路裕量。n各频段与降雨衰减、可靠性、链路中断与业务类型各频段与降雨衰减、可靠性、链路中断与业务类型频段降雨衰减可靠性链路中断业务类型C(6/4GHz)1/2dB（雨衰少）99.99%52min/年适合语音信号Ku(14/11GHz)雨衰适中99.599.9%840h/年适合电视直播Ka(30/20GHz)1020dB（雨衰大）99.99%中断时间长适合互联网接入等非实时业务32卫星链路设计3.4.1 3.4.1 链路预算链路预算n链路预算简化链路预算简化C/NC/N的计算，将各种与卫星有关的参量都采用的计算，将各种与卫星有关的参量都采用dBdB表示，表示，信号与噪声功率只要加减计算即可。链路设计是一个反复过程，一信号与噪声功率只要加减计算即可。链路设计是一个反复过程，一旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来。旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来。n链路预算常计算的是最差的情况，即链路链路预算常计算的是最差的情况，即链路C/NC/N最小的情况。引起链路情况变最小的情况。引起链路情况变差的因素有：差的因素有：地面站位于卫星覆盖区域边缘，接收信号功率比覆盖区中心低3dB卫星与地面站距离最远地面站仰角很低，大气衰减最大链路上产生最大降雨衰减天线指向误差、天线极化失谐、天线老化n接收信号载波功率接收信号载波功率(天线输出端天线输出端)n为位于天线输出端的噪声功率为位于天线输出端的噪声功率P Pn n为为3.4 下行下行链路路设计33卫星链路设计3.5 上行上行链路路设计n大多数情况下，上行链路设计较下行链路要简单些大多数情况下，上行链路设计较下行链路要简单些地面站可使用大功率发射机n但但存在其它问题存在其它问题：VSAT小型天线地面站发射功率小（5W），因此C/N通常也很低；卫星移动电话上行链路的C/N 通常是最低的（卫星电话手机发射功率严格限制在1W）；n卫星转发器是一种准线性放大器，其接收功率高低会直接决卫星转发器是一种准线性放大器，其接收功率高低会直接决定输出功率的大小定输出功率的大小为避免FDMA互调干扰或非线性调制发生PM-AM转换，地面站发射功率要精确控制。n地面站发射功率地面站发射功率:根据规定的转发器输入功率来设定根据规定的转发器输入功率来设定q利用链路方程计算转发器输入端功率地面站发射功率。34卫星链路设计（1 1）利用链路方程计算转发器输入端功率）利用链路方程计算转发器输入端功率地面站发射功率地面站发射功率p 假设转发器规定的C/N为(C/N)upp 转发器输入端的噪声功率为:其中，Bn为噪声带宽，Txp(dBK)为转发器系统噪声温度其中，Gr(dB)为卫星天线在上行链路方向上的增益；Lp(dB)是路径损耗；Lup(dB)表除路径损耗以外的全部上行链路损耗。根据所确定的根据所确定的(C/N)up以及噪声功率以及噪声功率Nxp，求出输入端接，求出输入端接收功率收功率Prxp，再求出地面发射机的输出功率，再求出地面发射机的输出功率Pt。p 转发器的输入端的接收功率Prxp为p卫星接收机LNA输入端的(C/N)up值为3.5 上行上行链路路设计35卫星链路设计（2 2）上行链路对邻近卫星的干扰）上行链路对邻近卫星的干扰qGEO卫星密集，小型化上行天线波束宽，对相邻卫星造成干扰。q上行链路干扰是决定卫星间隔和对地静止轨道在各频段上容量的关键问题。q1983年FCC新规范：对6GHz地面站天线传输特性曲线提出严格控制，将卫星间隔减小到2o。3.5 上行上行链路路设计图上行链路天线旁瓣要求36卫星链路设计（3 3）上行链路功率控制）上行链路功率控制(UPC)(UPC)q降雨的影响：雨衰引起转发器上行降雨的影响：雨衰引起转发器上行C/NC/N降低降低利用上行链路功率控制(UPC)来解决，保持降雨时的C/N不便利用地面站对卫星的反馈信号进行监控，并观察下行链路上降雨衰减所产生的功率损失；例如闭环控制。上、下行链路采用不同频率，估计上行链路衰减时应该对下行链路衰减进行适当放大：3.5 上行上行链路路设计37卫星链路设计3.7 结合合卫星星链路中的路中的C/N和和C/I进行的行的链路路设计n典型双工卫星通信链路由四条独立的路径组成：q第一终端到卫星的发射上行链路及卫星到第二终端的发射下行链路q第二终端到卫星的发射上行链路及卫星到第一终端的发射下行链路n一条完整的卫星链路的性能由地面站解调器输入端的C/N决定。噪声或干扰来自于：接收机本身接收天线天电噪声卫星转发器采用相同频段的邻近卫星和地面发射机38卫星链路设计n链路总载噪比(C/N)0C/N和C/I相加的方法当链路中C/N（C/I）不止一个时：总载噪比的倒数等于各载噪比总载噪比的倒数等于各载噪比(C/N)i倒数之和倒数之和。其中C/N的值均为比值形式。dB形式为：n链路各C/N和C/I包括：q转发器中(C/N)up和地面接收机中(C/N)dnq卫星接收机和地面接收机中的C/I；(FDMA互调干扰、临近卫星及地面站的干扰等)3.7 结合合卫星星链路中的路中的C/N和和C/I进行的行的链路路设计39卫星链路设计n小结小结卫星通信链路的设计步骤卫星通信链路的设计步骤单工卫星通信链路的设计步骤归纳为以下十步：1 确定系统的工作频段；2 确定卫星的通信参数；3 确定发射地面站和接收地面站的参数；4 从发射地面站开始，建立上行链路预算和转发器噪声功率预算，从而确定转发器内的（C/N）up；5 根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率；6 建立接收地面站的下行链路功率和噪声预算。计算覆盖区边缘地面站的（C/N）up和（C/N）0；7 计算基带信道的S/N或BER。确定链路裕量；8 估计计算结果，并与规定性能进行比较。根据需要调整系统参数，直到获得合理的S/N或BER或(S/N)0；9 确定链路工作所要求的传输条件。分别计算出上行链路和下行链路的中断时间；10 若链裕量不够，可以通过调整某些参数，对系统重新设计。最后，检验所有的参数是否符合要求，以及设计是否可以按照预算正常工作。3.7 结合合卫星星链路中的路中的C/N和和C/I进行的行的链路路设计40卫星链路设计本章小本章小结n重点学习计算来自卫星的接收功率和接收机内噪声功率的方法q链路方程理想、实际；（掌握概念及物理意义：通量密度、天线增益、EIRP、路径损耗、附加损耗、裕量等）q噪声温度系统噪声温度用位于接收机输入端的单一噪声源表示接收系统所有噪声源；(掌握噪声温度的意义及物理意义）q噪声系数和噪声温度的关系qG/T描述接收系统的性能q利用接收载波功率和噪声功率计算接收系统载噪比n链路设计q下行链路设计：采用链路预算的方法计算下行链路C/N；q上行链路设计：利用链路方程计算上行链路C/N；n结合卫星链路中的C/N和C/I进行的链路设计q链路总(C/N)0的倒数等于各载噪比的倒数之和。q卫星通信链路的设计步骤41