卫星通信 chapter4_2011_链路预算_更新
卫星通信第四章.ppt
2d AdB
r
dB
卫星 A
卫星 B
干扰分析
邻星干扰：
上行干扰功率：
Iu EIRPGu
c 4du
fu
2
EIRP´：干扰信号在被干扰卫星A方向的EIRP
fu´：上行干扰频率
du´：被干扰卫星A和干扰地球站B1之间的上行距离
Gu´：被干扰卫星A的天线在地球站B1方向的增益
fu´≈fu， du´≈du
伴随的下行噪声功率：
N Pr EIRPs Gr C 1
(C / N )u
L N u
下行附加噪声功率:Nd=kTB
在接收地球站，总的噪声功率为：
N
EIRPs
Gr
C
1
kTB
L N u
基本链路分析
总载噪比计算：
整个卫星线路的载噪比：
C
EIRPs Gr / L
N EIRPs G (C / N )u1 / L kTB
干扰分析
载波噪声干扰比：
载波噪声干扰比：C/(N+I)=C/N´
C N
C N
1
C I
1
1
总的载波噪声干扰比：
C N
C 1 N
C
1
1
I
C 1
N
u
C N
1 d
1
所有的干扰都是高斯型的，且是彼此无关的广义平 稳随机过程
邻星干扰：
A
干扰分析
B
θ
A2
系统 A
第四章 卫星链路设计
卫星链路设计
传输方程 基本链路分析 干扰分析 大气损耗和降雨衰减 卫星通信系统的可用度
第一节 传输方程：
卫星链路 自由空间传播损耗 功率通量密度 接收信号功率
卫星通信系统中的链路预算分析
卫星通信系统中的链路预算分析在当今高度信息化的时代，卫星通信系统凭借其覆盖范围广、不受地理条件限制等优势，在通信领域中占据着重要的地位。
而链路预算分析则是卫星通信系统设计和性能评估的关键环节，它能够帮助我们确定系统是否能够满足预期的通信要求。
卫星通信系统的基本组成包括卫星、地球站以及连接它们的通信链路。
链路预算分析的主要目的就是评估在这些链路中，信号从发射端到接收端的传输过程中，其强度和质量的变化情况，从而判断通信的可行性和可靠性。
要进行链路预算分析，首先得了解几个关键的概念。
发射功率是指卫星或地球站发送信号时的功率大小。
这个功率值会直接影响信号的初始强度。
然而，信号在传输过程中会遭遇各种损耗，比如自由空间损耗。
自由空间损耗是由于信号在空间中传播时扩散导致的能量衰减，它与传输距离和信号频率密切相关。
传输距离越远、频率越高，自由空间损耗就越大。
除了自由空间损耗，还有大气损耗。
当信号穿过地球大气层时，会因为大气中的气体、水汽等因素而产生一定的衰减。
此外，还有天线增益和系统噪声等重要因素。
天线增益是指天线将信号集中或发散的能力，它可以增强或减弱信号的强度。
系统噪声则会干扰有用信号，影响接收端对信号的正确解调。
在计算链路预算时，我们需要将发射功率与各种增益相加，再减去各种损耗和噪声，从而得到接收端的可用信号功率。
如果这个功率高于接收灵敏度，即接收端能够正确解调信号的最小功率，那么通信链路就是可行的。
以一颗位于地球同步轨道的通信卫星为例。
假设卫星的发射功率为_____瓦，工作频率为_____GHz。
地球站的天线增益为_____dBi，卫星的天线增益为_____dBi。
自由空间损耗可以通过公式计算得出，大约为_____dB。
考虑到大气损耗约为_____dB，其他损耗（如馈线损耗、极化损耗等）共计_____dB。
系统噪声温度为_____K，噪声系数为_____dB。
通过一系列的计算，我们可以得到接收端的信号功率。
2011-9第4章-卫星通信系统2--链路传输工程课件
-- GR: 接收天线增益。
GR
4 A 2
4 2
Ae
(2-3)
是工作波长（m），其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)
PR
GT
PT
GR
4 d
2
(2-4) 11
例2：计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的 增益。（天线效率为0.55）
解：根据
G
4 A 2
4 f 2
C2
PR
PT GT GR Lf
其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；
Lf 为自由空间传播损耗。
Lf
4 d
2
4 df
c
2
(2-5)
d为传播Байду номын сангаас离，为工作波长，C为光速，f为工作频率。 Lf 通常用分
贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为：
[Lf ] 10 lg L f 92.44 20 lg d 20 lg f (dB) (2 8)
31
当信号的直射波分量被树木、输电线或高的地面障碍物所遮蔽时， 接收信号的强度r1(t)服从对数高斯条件下的Rician分布，相位服从[0,2] 的均匀分布，r1(t)可以表示为
r1 t yc (t) ac t 2 ys (t) as t 2 (2-12)
其中，yc(t)和ys(t)是互为正交的对数高斯过程，其特性由均值 和方差2 确定。
仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为： LR=γR·lR(θ) γR是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单 位dB／km；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ 时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨 强度的降雨衰减系数比(dB／km)，单位为km。
【简说卫星链路预算】卫星中继数据链链路预算
简说卫星链路预算】卫星中继数据链链路预算链路预算的目的和作用卫星链路预算的目的和作用,简洁的讲就是关怀新用户经济合理地选配收发站的硬件配置,帮助老用户确认转变线路的可行性,给出合理性建议,即做到少花钱多办事、不多花冤枉钱。
什么时候需要链路预算下面以新用户组建卫星XX为例说明什么时候需要用到链路预算。
1、首先用户依据实际状况及需求选定XX络结构由于目前甚小口径终端VST的迅猛进展、普及,使得VST一词几乎成了卫星通信的代名词。
一般小于4.5m天线的地面站被认为是VST站,但在VSTXX中有时中心站HUB的配置又很高(天线:6m-20m),可能是大、中型站,因此也难怪人们提到卫星通信就自然地认为是VST系统。
VSTXX络有如下几种结构,通常XX络越冗杂,投入的本钱越高,租用的卫星带宽越多。
2、既已选定XX络结构,下面该选择通信卫星和工作频段了卫星的选择主要是看朝向卫星方向有无遮挡及卫星覆盖是否满足要求。
由于目前几大卫星制造商所制造的卫星从性能指标上基本相差不大,针对ZG区域的卫星覆盖也大同小异,且不同卫星的对比测试较难实现相同的测试条件,故即使测试,结果也并不能说明问题――孰优孰劣,因此说对卫星的选择很大一部分是由市场因素确定的。
工作频段的选择主要看业务形式。
C波段的主要优势就是不易受降水影响,缺点就是天线口径较大,Ku波段则正好相反。
故对通信保障要求严格,系统可用度要求高的业务应尽量选择C波段,如防洪、抢险、救灾等应急及机要通信,越是下雨越是需要保障通信。
对于系统可用度要求不高,但对于便携性、敏捷性要求高,如SNG、动中通等业务则宜选用Ku波段。
3、用户初步接触设备商提出要求,设备商提供组XX配置建议4、用户依据设备商建议向卫星公司提供相关信息,盼望其提供有关链路预算有关信息包括:、站址信息――发射、接收站的经纬度、海拔;B、载波信息――信息速率、调制方式、编码方式、接收门限、滚降系数等;C、用户期望信息――盼望的天线的尺寸、功放大小、占用带宽等。
卫星通信链路计算过程图文稿
卫星通信链路计算过程集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-卫星通信链路计算过程星通信载波的链路计算方法为，先分别计算上行和下行链路的载波功率与等效噪声温度比C/T或者载波与噪声功率比C/N、以及载波与干扰功率比C/I，再求出考虑干扰因素的系统载噪比C/(N+I)和载波的系统余量。
上下行C/T上行和下行C/T的计算公式分别为C/TU = EIRPE– LossU+ G/TSatC/TD = EIRPS– LossD+ G/TE/S式中的EIRPE 和EIRPS分别为载波的上行和下行EIRP，LossU和LossD分别为总的上行和下行传输衰耗，G/TSat 和G/TE/S分别为卫星转发器和地球站的接收系统品质因数。
上式中的数据均为对数形式。
C/N与C/T 的关系C/N与C/T的关系式为C/N = C/T – k – BWN = C/T + 228.6 – BWN式中的k为波兹曼常数，BWN为载波噪声带宽。
式中的数据均为对数形式。
C/I 与C/IM卫星通信载波需要考虑的干扰因素主要有，上行和下行反极化干扰C/I XP_U 和C/I XP_D 、以及上行和下行邻星干扰C/I AS_U 和C/I AS_D 。
此外，还需考虑转发器在多载波工作条件下的交调干扰 C/IM 。
C/N 与C/I 的合成由多项 C/N 和C/I 求取总的C/N 、C/I 、以及C/(N+I)的算式为 (C/N Total )-1= (C/N U )-1+ (C/N D )–1(C/I Total )-1 = (C/I XP_U )-1 + (C/I AS_U )–1 + (C/IM)-1 + (C/I XP_D )-1 + (C/I AS_D )-1(C/(N+I))-1 = (C/N Total )-1 + (C/I Total )–1 上述三个算式中的数据均为真数形式。
由多项C/N 和C/I 求取总的C/(N+I)的步骤也可为 (C/(N+I)U )-1 = (C/N U )-1 + (C/I XP_U )–1 + (C/I AS_U )–1(C/(N+I)D )-1 = (C/N D )-1 + (C/I XP_D )-1 + (C/I AS_D )-1 + (C/IM)-1 (C/(N+I))-1 = (C/(N+I)U )-1 + (C/(N+I)D )–1 上述两种不同计算步骤所得到的结果是相同的。
链路预算公式与说明
表示10Log X 斜体 表示10X/10c=2.998e8 光速地球赤道半径 h=35793km 卫星离地面高度K=1.38×10-23J/K 波尔兹曼常数 为单位面积理想天线增益G 0Noise(K)=290×[Noise(dB)-1]D =()()f cos 222e e e e R h R h R R +-++ 天线与卫星的距离 Free space loss =32.4+20Log(D ×f ) 自由空间传输损耗（注：D 单位km ；f 单位MHz ）Symbol rate =Date rate /（M ×FEC code rate ） 符号率(MBaud)占用带宽(MHz) Spread factor=1.2噪声带宽(dB.Hz)Allocated transponder bandwidth = (Symbol rate ×Carrier spacing factor )+ Bandwidth allocation step size转发器分配带宽(MHz) 上行链路功放功率与天线选择：EIRP US = Free space loss U + Atmospheric absorption U + Tropospheric scintillation fading U +Mispoint loss U +SFD 上行饱和等效全向辐射功率dBWEIPR U = EIRP US -IBO载波在卫星天线口面上的通量密度dBW(PFD)Total HPA power required= EIRP U - Antenna gain - (Coupling loss)U 所需功放功率W （也可以固定功率来确定天线尺寸）(C/N 0)U =EIRPU -( Free space loss U + Atmospheric absorption U + Tropospheric scintillation fading U +Mispoint lossU (G/T)S(C/N)U = (C/N=SFD IBO (G/T)S - Noise bandwidthAntenna efficiency =Antenna gain ×c 2/(πRf)2 天线增益效率（注：c 单位m ；f 单位Hz ；R 单位m ）Antenna noise =⎰⎰πππ200sin ),(),(41f q q f q f q d d T R =⎰⎰Ωπ42),(),(1d A T B f q f q λ 以波长为单位，天线有效面积为权重的亮温度对全天空的积分≈15×Antenna efficiency+(1-Antenna efficiency )×[15×sin θ/(cos θ+sin θ)+(140+θ)×cos θ/(cos θ+sin θ)]G/T= Antenna gainEIRP D = EIRP S -OBO(C/No)D =EIRP D –(Free space loss D + Atmospheric absorption D + Tropospheric scintillation fading D + Mispoint loss D G/T(C/N)D =(C/No)D -Noise bandwidth=EIRP D –(Free space loss D + Atmospheric absorption D + Tropospheric scintillation fading D + Mispoint loss D G/T -Noise bandwidthC/(N+I)C/(N+I) = C/(No+Io) - Noise bandwidthEb/(No+Io)频谱仪读到的MARKE DELTA= C/(N+I) +1=(C+N+I)/(N+I)Es/N 0一、转发器参数SFD、G/T、EIRP、载波输入回退CIBO(Carrier InputBackoff)和载波输出回退COBO(Carrier Output Backoff)G/T 被称为figure of merit，即接收系统的品质因素。
卫星链路预算方法
自中央、各省广播电视节目上卫星传输以来，许多电视台都配置了车载式卫星上行站。
车载式卫星上行站是把采集到的视频和音频信号进行数字压缩处理后再进行卫星传送的电视采集系统，该系统尺寸、重量、造价都比固定上行站大大减小。
通信卫星传送同传统的微波传送方式相比，避免了城市高大建筑物的阻挡，打破了传统对应用地形和区域的限制，能更快，更方便地转播重要的以及突发性新闻事件。
固定式卫星上行站一般采用大口径的发射天线，链路有较大的余量，而车载式上行站，天线直径一般不大，又多采用Ku波段工作频率，链路余量不大，在不同的地点采用多大的发射和接收天线，进行链路预算就显得十分必要。
本文提供一个简单的使用Excel对链路进行预算的方法。
当今21世纪是信息时代，尤其是无纸化办公的推广，使得计算机应用广泛。
微软办公套件软件功能强大，涉及日常工作的方方面面，加上对系统要求不高，兼容性强，因此已经几乎是所有计算机的标准配置。
Excel就是微软办公套件中的制表软件，它具有兼容性强，操作简便等特点，目前已具有龙头制表软件的趋势，其他制表软件都要向它兼容。
因此我这次选用Excel来进行链路预算。
微软办公套件软件对于初学者来说，仅仅只有其中的宏概念不太好理解，但是此次并没有涉及宏，因此对于如何建立表格，如何设计计算公式等不再赘述，我们只是谈谈具体上下行链路的预算方法。
系统整体框图如下，为节省存储空间和传输带宽，我们要在电视节目源端进行信源编码，在传输之前进行信道编码。
编码：MPEG-2在系统和传送方面作了详细的规定，特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。
视频信号和音频信号输入至编码器，进行MPEG-2压缩编码，输出MPEG-2 DVB码流信号。
较常见的两种MPEG-2压缩编码方式为4：2：2和4：2：0。
相比较，4：2：2方式比4：2：0方式具有较高的图像质量，但信号码率也高，适用于须经多次编码的信号。
卫星通信 chapter4
与卫星的EIRP、地面站天线的有效面积和距离R有关
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基本传输理论（3）
天线增益和面积的关系：
Gr = 4πAe / λ
2
链路方程
PG t t Gr Pr = W 2 (4π R / λ )
Pt = 10W
Gt = 17 dB = 50
2 −14 2
F = Pt Gt /(4πR ) = 2.49 ×10 W / m
2
10m 有效面积为的天线接收到的功率为 Pr 2.49 ×10 W / m =
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= 205.3dB
Pr = 27.0 + 52.3 − 205.3 = −126.0dBW
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系统噪声温度和G/T －噪声温度（1）
噪声功率：
Pn = kTp Bn = k 玻尔兹曼常数 = 1.39 ×10−23 dBW / K / Hz Tp = 物理温度，单位是热力学温度(绝对0度＝－273度） Bn = 噪声带宽，单位为Hz
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概述（2）
LEO和MEO的制约因素
⇒ 与GEO的类似 ⇒ 需要更多的卫星覆盖 服务区 ⇒ 移动卫星终端使用低 增益全向天线
举例：海事卫星系统
⇒ C波段：卫星与中心站 间通信 ⇒ L波段：卫星与移动终 端间
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概述 天线增益 信道衰落与接收信号功率 噪声与干扰 链路预算
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概述
LEO和MEO的制约因素
与GEO的类似
需要更多的卫星覆盖 服务区
移动卫星终端使用低 增益全向天线
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dBi（分贝增益）：描述与全方向性天线相对增益的单位。
dBd（分贝增益）：描述与偶极子天线相对增益的单位。
一般认为，表示同一个增益时，用dBi表示比用dBd表示要大 2.15。
即： 0dBd=2.15 dBi 例如： GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可 以为15dBd（17dBi）。
总尺寸： • 受运载工具的制约 • 天线孔径最大不超过3.5m
频段： 6/4 GHz; 14/11GHz; 30/20GHz 大气传播:降雨产生的衰减 多址技术、调制、编码的选择
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d (m)
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与dB相关的单位
dB（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。 dB=10lg(功率比) dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。
dBm（分贝毫瓦）：
dBw（分贝瓦）：
描述功率绝对值的单位。
4 A 2
4 f 2 C2
A
G
4 6 109
3108 2
2
3 2
2
0 .5 5
G 1 0 lg G 4 2 .9 (d B )
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描述功率绝对值的单位。
相对于 1mw功率电平的绝对值。 相对于 1w功率电平的绝对值。
dBm=10lg(功率值/1mw)
dBw=10lg(功率值/1w)
1mw=0 dBm 20mw=13 dBm 40mw=16 dBm
1w=0 dBw=30dBm 2w=3 dBw=33dBm 40w=16 dBw=46dBm
• 需要提供的降雨衰减余量： – C波段，上行：1dB，下行：0.5dB – Ku波段：北京为4.5dB，广州为6.2dB – Ka波段：14~17dB
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链路可用度的选择： 指链路在长期运行时能保证规定质量的时间百分比。 不可用的原因：主要受降雨衰减的影响；较小程度上有日凌中断 现象，还有卫星转发器故障在内的硬件故障等。 如果一年中的时间百分比p中，误码率超出Pb门限值，则链路中断 。链路可用概率为： PAL 1 p%
举例：海事卫星系统 C波段：卫星与中心站 间通信
L波段：卫星与移动终 端间
固定卫 星业务 C波段
静止 卫星
下行上线行路4线Gh路z6Ghz
日本
北京
地面站30米碟型天线
美国
上下行行线线路路1.61G.5hGzhz
水移动卫星 业务 L波段
2米碟型天线
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卫星链路设计思路
链路设计主要工作有 选择使用的频段 计算并合理分配噪声 确定用户载波占用的卫星功率、带宽及占用比 地球站天线的尺寸和功率的大小，站址的选择 通信参数的选择： • 多址、调制方式的选择 • 信道编码方式的选择 • 信道数和速率的选择 • 网络结构
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规定的链路可用度：
通信 电视
C波段 99.99% 99.95%
Ku波段 99.9% 99.5%
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天线增益公式
天线增益可以按下式进行计算：
G
4 A 2
4 2AePFra bibliotekge 4链路设计指标
性能目标：
数字系统：误比特误码率（BER）
模拟系统：信噪比（S/N)
BER或S/N都是由接收机解调器输入端的载噪比（C/N)决定的
一般要求C/N大于6dB
若C/N小于10dB：纠错编码技术
门限载噪比
为保证用户接收到的话音、图像和数据有必要的质量，接收机所
code
…
Source decode
MMCCmmoodduulalatitoionn CChhaannnneel leestsitmimaatitoionn CChhaannnneel lpprereddicictitoionn
SSyynncchhroronnizizaatitoionn
OOFFDDMM-C-CDDMMAA, , OOFFDDMMAA, , TTDDDD
第4章
卫星链路设计
《卫星通信》
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概述
制造和发射GEO的费用十分昂贵: 25000$ / 公斤 影响GEO卫星系统设计的因素：
质量： • 转发器的数量和输出功率:电能－>电池 • 燃料（用于站点保持）：占总质量的1/2
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基本传输理论（2）
若采用接收面积为A m2的理想天线，接收功率Pr为
Pr F A W
接收功率的损失：反射、吸收等
有效孔径面积 Ae AA
孔径效率 A
实际天线的接收功率为
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信道对链路设计的影响： 工作频率---关系到路径损耗和链路余量 调制和编码特性---控制着要求的载噪比 系统之间的噪声---影响着系统噪声预算 传播特性---控制着链路余量和调制与编码方案的选择
地球站或卫星的天线发射的功率P 与该天线增益G的乘积。 表明了定 向天线在最大辐射方向实际所辐射 的功率
EIRP=P·G，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)
噪声温度（T）
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计。噪声温度（T）与噪声系 数(NF）的关系为： NF=10lg(1+T/290)dB
SSppaacceeddivieversristiyty //mmuultlitpiplelexx
Channel decode
Demodu /Despread
Access/Duplex Multiple Ante
Radio 无线信 channel 道
慢衰落
10 20 30 d (m)
…
信道译 码技术
解调 技术
多址干扰 抑制技术
S/N
C/N 信道估计与均衡
时间/频率同步
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中星9号直播星EIRP等值线
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卫星链路设计的影响因素
地球站对链路设计的影响： 地理位置--- 关系到降雨衰减的估计，卫星视角，地球站方 向卫星的EIRP，地球站卫星路径损耗 地球站EIRP --- 关系到发送天线增益，发送功率 接收天线增益 系统噪声温度 交调噪声--- 关系到总的载噪比 设备特性（解调器实现的余量、正交极化鉴别度、滤波器 特性）规定的附加链路余量。
必须得到的最低载噪比。
混频滤波
基带处理
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C/N
S/N
BER
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卫星通信系统的主要技术参数
等效全向辐射功率(EIRP-Equivalent Isotropically Radiated Power)
4 f 2 A C2
式中，A是天线口面的有效面积(m2)，是工作波长（m）， 为天线效率，Ae为接收天线有效面积。
其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。 反射和吸收造成:抛物线反射天线50－75%
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C/N=Pr / N
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无线链路
信道编 调制