a第8章衛(wèi)星通信系統(tǒng)及傳輸信道特性

1、1 胡慶胡慶 教授教授第第8章章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)及傳輸信道特性衛(wèi)星通信系統(tǒng)及傳輸信道特性2內(nèi)容提要內(nèi)容提要 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本概念及應(yīng)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本概念及應(yīng)用 衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理 衛(wèi)星通信傳輸線路特性衛(wèi)星通信傳輸線路特性 3圖8-1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖 4圖8-2 靜止衛(wèi)星配置的幾何關(guān)系圖8.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本概念及應(yīng)用 衛(wèi)星通信具有覆蓋面積大、受地理?xiàng)l件限制少、通信頻帶寬等特點(diǎn)，因此成為現(xiàn)代信息傳輸方式不可缺少的一種手段。衛(wèi)星通信應(yīng)用非常廣泛，幾乎可應(yīng)用于所有公用和專用通信中遠(yuǎn)距離的中繼傳輸中。58.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本組成衛(wèi)

2、星通信系統(tǒng)基本組成6圖8-3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本組成 衛(wèi)星通信的頻段分配衛(wèi)星通信的頻段分配 衛(wèi)星通信的使用頻段雖然也屬于微波頻段（300MHz300GHz），但由于衛(wèi)星通信電波傳播的中繼距離遠(yuǎn)，既受到對(duì)流層中的氧、雨、霧的吸收和散射衰減影響，又受到宇宙噪聲的影響，如圖8-4和圖8-5所示。 從電波傳播機(jī)理和傳播損耗來(lái)看，300MHz以下的電波不能穿過(guò)電離層，而10GHz以上的電波受大氣層的云、水蒸氣及雨的影響而造成的衰減較大。因此，衛(wèi)星通信所使用的工作頻段，應(yīng)選擇在微波波段的0.310GHz為宜。78.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述 88.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述圖8-

3、4 大氣吸收損耗與頻率關(guān)系 圖8-5 宇宙噪聲與頻率的關(guān)系 98.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述名 稱頻率范圍/GHz下行/上行載波頻率/GHz單向帶寬/MHzUHF波段0.310.2/0.4500800L波段121.5/1.6S波段242.5/2.6C波段484/6500700X波段8127/8Ku波段121812/14或11/145001000Ka波段274020/30高達(dá)3500表8-1 目前常用的衛(wèi)星通信頻段 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信的特點(diǎn) （1）通信距離遠(yuǎn)，且通信成本與通信距離無(wú)關(guān) 由圖8-2可見(jiàn)，利用一顆靜止衛(wèi)星進(jìn)行通信，其最大通信距離可達(dá)18 000km。而地球站的建站費(fèi)

4、用和維護(hù)費(fèi)用并不因地球站之間的距離遠(yuǎn)近，地理環(huán)境惡劣而有所變化。 （2）覆蓋面積大，可進(jìn)行多址通信 由于靜止衛(wèi)星離地面很高，衛(wèi)星天線波束的覆蓋區(qū)域很大，因而只要在衛(wèi)星天線波束覆蓋的區(qū)域內(nèi)，都可設(shè)置地球站，共用同一顆衛(wèi)星在這些地球站間進(jìn)行雙邊或多邊通信，或者說(shuō)多址通信；亦可同時(shí)在多處接收，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播，便于實(shí)現(xiàn)多方向多地點(diǎn)的多址連接，組網(wǎng)靈活。108.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述 （3）通信頻帶寬，傳輸容量大 由于衛(wèi)星通信可用頻段從150MHz30GHz，并且開(kāi)始開(kāi)發(fā)Q、V波段(3050GHz)。因而可用頻帶寬、傳輸容量大，目前，衛(wèi)星通信的傳輸帶寬可達(dá)500MHz，適應(yīng)的通信業(yè)務(wù)

5、類型多。 （4）通信機(jī)動(dòng)靈活 不受地理?xiàng)l件的限制，只要設(shè)置地球站電路即可開(kāi)通（開(kāi)通電路迅速）。衛(wèi)星通信不僅能作為大型固定地球站之間的遠(yuǎn)距離通信而且還可以用于安裝在移動(dòng)中的汽車、飛機(jī)、船舶等地球站間進(jìn)行的通信，甚至能直接為個(gè)人終端提供通信服務(wù)。118.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述 （5）通信質(zhì)量好 由于衛(wèi)星通信的無(wú)線電波主要是在大氣層以上的宇宙空間中傳播，因而不易受自然條件干擾和陸地災(zāi)害的影響，可靠性高。 衛(wèi)星通信的不足之處在于： （1）信號(hào)傳輸時(shí)延大 衛(wèi)星通常位于距離地面幾百千米、幾千千米甚至上萬(wàn)千米的高空，雙向傳輸時(shí)時(shí)延可能達(dá)到秒級(jí)，對(duì)于實(shí)時(shí)交互性應(yīng)用會(huì)帶來(lái)明顯的中斷感。128.

6、1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述 （2）外界干擾或噪聲較多 雖然衛(wèi)星鏈路質(zhì)量相對(duì)較好，但由于其依然是無(wú)線鏈路，而且一般來(lái)說(shuō)通信距離非常遠(yuǎn)，顯然受到的外界干擾和噪聲也很多，主要包括宇宙噪聲、自然噪聲、太陽(yáng)噪聲等自然噪聲，也包括系統(tǒng)本身各組成部分噪聲、其他系統(tǒng)干擾、人為噪聲等，因此在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對(duì)于噪聲和干擾的消除或抑制依然是需要非常重視的。 （3）控制較為復(fù)雜 由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所有鏈路均是無(wú)線鏈路，而且衛(wèi)星的位置還可能處于不斷變化中，因此控制系統(tǒng)也較為復(fù)雜。138.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述8.1.2 衛(wèi)星通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用 衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中的應(yīng)用衛(wèi)星在數(shù)據(jù)

7、傳輸業(yè)務(wù)中的應(yīng)用14圖8-6 局域/城域網(wǎng)互聯(lián)中的衛(wèi)星 衛(wèi)星在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用衛(wèi)星在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 三類移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)：三類移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)： 第一類是低軌道（LEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如美國(guó)Motorola公司提出的“銥（Iridiun）”系統(tǒng)和美國(guó)Loral Qualcomm 公司提出的“全球星”（Globalstar）系統(tǒng)； 第二類是中軌道和（MEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如全球個(gè)人衛(wèi)星通信公司（ICO）提出的國(guó)際個(gè)人衛(wèi)星通信系統(tǒng)； 第三類是靜止軌道（GEO）移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如加拿大TMI與美國(guó)AMSC合作開(kāi)發(fā)的北美MSAT系統(tǒng)以及亞洲蜂窩系統(tǒng)（Aees）。158.1.2 衛(wèi)星

8、通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用 168.1.2 衛(wèi)星通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用圖8-7 Iridium衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本組成 178.1.2 衛(wèi)星通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用圖8-8 Globalstar系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星在視頻廣播業(yè)務(wù)傳輸中的應(yīng)用衛(wèi)星在視頻廣播業(yè)務(wù)傳輸中的應(yīng)用 目前，世界上運(yùn)行的GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中，有三分之二是用于電視和視頻廣播的。利用衛(wèi)星廣播系統(tǒng)傳送數(shù)字化視頻信號(hào)的方式有3種： 一是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的TV節(jié)目分配：數(shù)字視頻信號(hào)從演播室通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)傳送到地區(qū)廣播站或地區(qū)電纜TV系統(tǒng)接收站，從而完成節(jié)目的分配。通常所傳送的信號(hào)是寬帶的多路數(shù)據(jù)流。 二是點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸：用于數(shù)字視頻信號(hào)從實(shí)況直播現(xiàn)場(chǎng)到

9、演播室，或從一個(gè)演播室到另一個(gè)演播室的衛(wèi)星傳輸。 三是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的直接到戶（DTH）廣播方式：在衛(wèi)星直播系統(tǒng)中，家庭用戶用天線口徑為0.5m左右的接收機(jī)，可接收58路視頻信號(hào)。188.1.2 衛(wèi)星通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用 衛(wèi)星在電話等交互式業(yè)務(wù)傳輸中的應(yīng)用衛(wèi)星在電話等交互式業(yè)務(wù)傳輸中的應(yīng)用 電話業(yè)務(wù)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持的重要業(yè)務(wù)之一，但與地面光纜支持的PSTN電話網(wǎng)相比較，其經(jīng)濟(jì)性是考慮問(wèn)題的焦點(diǎn)。衛(wèi)星信道容量小、成本高，只有在地面網(wǎng)無(wú)法覆蓋（或建立相應(yīng)的地面投資極高而效益甚低）的鄉(xiāng)村地區(qū)的用戶才使用衛(wèi)星電話。 GEO衛(wèi)星離地面高，信號(hào)傳輸延時(shí)長(zhǎng)（約250 ms）。如果系統(tǒng)用來(lái)支持電話業(yè)務(wù)，會(huì)晤雙

10、方會(huì)有脫離接觸的感覺(jué)。另外，衛(wèi)星通信系統(tǒng)長(zhǎng)的傳播延時(shí)還會(huì)帶來(lái)回波干擾的問(wèn)題。198.1.2 衛(wèi)星通信的應(yīng)用衛(wèi)星通信的應(yīng)用 衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括空間段和地面段，空間段的組成包括通信衛(wèi)星（空間分系統(tǒng)）、跟蹤遙測(cè)與指令分系統(tǒng)（TT&C，Tracking,，Telemetry and Command Station）和衛(wèi)星控制中心（SCC，Satellite Control Center），地面段包括所有的地球站，又稱為地球站分系統(tǒng)。208.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作原理8.2.1 衛(wèi)星通信地面段衛(wèi)星通信地面段 地面段包括了支持用戶訪問(wèn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，并實(shí)現(xiàn)用戶間通信的所有地面設(shè)施。用戶可以是電話用戶、電視

11、觀眾和網(wǎng)絡(luò)信息供應(yīng)商等。衛(wèi)星地球站是地面段的主體，它提供與衛(wèi)星的連接鏈路，其硬件設(shè)備與相關(guān)協(xié)議均適合衛(wèi)星信道的傳輸。 地球站是衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的主要組成部分，所有的用戶終端將通過(guò)它接入衛(wèi)星通信線路。根據(jù)地球站的大小和用途不同，它的組成也有所不同。作為典型的標(biāo)準(zhǔn)地球站一般包括天線分系統(tǒng)、收、發(fā)信機(jī)分系統(tǒng)、信道終端設(shè)備分系統(tǒng)、信道控制分系統(tǒng)、終端接口設(shè)備和電源分系統(tǒng)六個(gè)分系統(tǒng)，如圖8-9所示。21 228.2.1 衛(wèi)星通信地面段衛(wèi)星通信地面段圖8-9 地球站的基本組成方框圖8.2.2 衛(wèi)星通信空間段衛(wèi)星通信空間段 空間段的組成包括通信衛(wèi)星、TT&C和SCC。 SCC（衛(wèi)星控制中心）的任務(wù)是對(duì)定

12、點(diǎn)的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開(kāi)通前、后進(jìn)行通信性能的監(jiān)測(cè)和控制，例如對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以保證正常通信。23 TCC（測(cè)控站）是受衛(wèi)星控制中心直接管轄的、衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的附屬部分。它與衛(wèi)星控制中心結(jié)合，其任務(wù)是：檢測(cè)和控制火箭并對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量；控制其準(zhǔn)確進(jìn)入靜止軌道上的指定位置；待衛(wèi)星正常運(yùn)行后，定期對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道修正和位置保持；測(cè)控衛(wèi)星的通信系統(tǒng)及其他部分的工作狀態(tài)，使其正常工作；必要時(shí)，控制衛(wèi)星的退役。 SCC和TCC構(gòu)成了衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)，一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)一般以衛(wèi)星控制中心為主體，加上分布在不同地區(qū)的多個(gè)測(cè)控站組成。248.2.2 衛(wèi)星

13、通信空間段衛(wèi)星通信空間段 258.2.2 衛(wèi)星通信空間段衛(wèi)星通信空間段圖8-10 通信衛(wèi)星的組成方框圖 （1）通信分系統(tǒng) 衛(wèi)星上的通信分系統(tǒng)又稱為轉(zhuǎn)發(fā)器，它實(shí)際上是個(gè)提供衛(wèi)星發(fā)射天線和接收天線之間連接的設(shè)備，是構(gòu)成衛(wèi)星通信的中樞，其功能是使衛(wèi)星具有接收、處理并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的能力。轉(zhuǎn)發(fā)器是衛(wèi)星有效載荷的兩個(gè)主要組成部分之一，對(duì)它的基本要求是以最小的附加噪聲和失真、足夠的工作頻帶和輸出功率來(lái)為各地球站可靠且有效地轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)。268.2.2 衛(wèi)星通信空間段衛(wèi)星通信空間段 （2）天線分系統(tǒng) 天線分系統(tǒng)是衛(wèi)星有效載荷的另一個(gè)主要組成部分，它承擔(dān)了接收上行鏈路信號(hào)和發(fā)射下行鏈路信號(hào)的雙重任務(wù)。 衛(wèi)星天線分

14、為2類：遙測(cè)指令天線和通信天線。遙測(cè)指令天線通常使用全向天線，以便可靠地接收地面指令并向地面發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)和信標(biāo)。衛(wèi)星接收到的信標(biāo)信號(hào)送入姿態(tài)控制設(shè)備，使衛(wèi)星天線精確地指向地球站上的覆蓋區(qū)。通信天線是地面上許多地球站與維修商各種衛(wèi)星分系統(tǒng)之間的接口，其主要功能是提供成形的下行和上行天線波束，在工作頻段發(fā)送和接收信號(hào)。278.2.2 衛(wèi)星通信空間段衛(wèi)星通信空間段 （3）跟蹤遙測(cè)和指令分系統(tǒng)以及控制分系統(tǒng) 與地面的TCC和SCC一起工作，提供對(duì)衛(wèi)星的整體控制，其中也包括衛(wèi)星通過(guò)跟蹤設(shè)備為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標(biāo)、接收地面控制系統(tǒng)的各種指令、執(zhí)行姿態(tài)控制與位置控制等。 （4）電源分系統(tǒng) 是給星上設(shè)備提供

15、穩(wěn)定可靠的電源，主要采用太陽(yáng)能電池。當(dāng)有光照時(shí)，電源系統(tǒng)要能產(chǎn)生必須的電功率，滿足星上系統(tǒng)的運(yùn)行，并同時(shí)要保證有多余的能量用蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)衛(wèi)星處于發(fā)射狀態(tài)或者地球陰影區(qū)的時(shí)候，蓄電池可以提供充足的電源功率。288.2.2 衛(wèi)星通信空間段衛(wèi)星通信空間段8.2.3 衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程 29圖8-11 衛(wèi)星通信線路的組成 假如A地球站用戶要與B地球站用戶通電話。其通話過(guò)程是： A地球站用戶的電話信號(hào)經(jīng)地面通信線路送至A地球站終端，與其他用戶電話信號(hào)進(jìn)行復(fù)用合路，得到多路電話基帶信號(hào)（該信號(hào)少則幾十路，多則幾萬(wàn)路），再送至調(diào)制器對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)中頻信號(hào)，經(jīng)上變頻器

16、變成微波信號(hào)。308.2.3 衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程 然后，進(jìn)一步由微波功率放大器放大到足夠大的功率后，以雙工器由天線向衛(wèi)星發(fā)射出去。這個(gè)信號(hào)為上行線信號(hào)，其頻率f1稱為上行線頻率。 衛(wèi)星天線接收到A地球站發(fā)來(lái)的上行線微波信號(hào)，經(jīng)雙工器送到放大器放大，再經(jīng)變頻器變?yōu)閒2的微波信號(hào)（一般f2低于f1），經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器末級(jí)功率放大器放大到一定的電平之后，送到雙工器經(jīng)衛(wèi)星天線發(fā)向地球站，稱此微波信號(hào)為下行線路信號(hào)，f2為下行線頻率。318.2.3 衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程 B地球站收到衛(wèi)星下行線f2信號(hào)，經(jīng)雙工器進(jìn)入低噪聲放大器放大，又經(jīng)下變頻器變到中頻，然后送到

17、解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出基帶信號(hào)，再由終端機(jī)的多路電話復(fù)用設(shè)備分離出各個(gè)話路信號(hào)，通過(guò)市內(nèi)通信線路將電話信號(hào)傳給用戶。這樣，A地球站用戶傳送給B地球站用戶的單向電話就完成了。同樣，B地球站用戶傳給A地球站用戶的單向電話，其過(guò)程與上述類似。328.2.3 衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程衛(wèi)星通信線路及工作過(guò)程8.2.4 通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道 衛(wèi)星軌道分類衛(wèi)星軌道分類 按衛(wèi)星軌道的傾角可分為赤道軌道、極軌道和傾斜軌道，如圖8-12所示。若衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面重合，即i=0則此衛(wèi)星軌道稱為赤道軌道，在赤道軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為赤道衛(wèi)星（一般為靜止衛(wèi)星）；若i=90，即衛(wèi)星軌道平面穿過(guò)地球的南北極，與

18、赤道平面垂直，則稱為極軌道；若0i90，即衛(wèi)星軌道平面傾斜于赤道平面，則稱為傾斜軌道。33 34圖8-12 傾角不同的衛(wèi)星軌道圖 圖8-13 衛(wèi)星軌道高度的劃分8.2.4 通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道 按衛(wèi)星離地面最大高度h的不同，可把衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星分為：低軌道（LEO，Low Earth Orbit），此時(shí)h5000km，此軌道上的衛(wèi)星稱為低軌衛(wèi)星，其運(yùn)行周期約為24h；中軌道（MEO，Medium Earth Orbit），此時(shí)5000kmh20000km，此軌道上的衛(wèi)星稱為中軌衛(wèi)星，其運(yùn)行周期約為412h；高軌道（HEO，Highly Elliptical Orbit），其軌道高度h

19、20000km，高軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期大于12h，如圖8-13所示。358.2.4 通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道 衛(wèi)星的攝動(dòng)衛(wèi)星的攝動(dòng) 在理想條件下的人造地球衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道如上所述，所謂理想條件是指把衛(wèi)星和地球都當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)考慮地球以外其他星體引力的情況。但是，實(shí)際上地球并不是一個(gè)理想的球體，對(duì)靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于地球結(jié)構(gòu)的不均勻和太陽(yáng)、月亮引力的影響等，將使衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開(kāi)普勒定律所確定的理想軌道的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為衛(wèi)星的攝動(dòng)。368.2.4 通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道 日凌與星蝕日凌與星蝕 當(dāng)太陽(yáng)、地球和衛(wèi)星運(yùn)行到一條直線上，并且衛(wèi)星處于地球站和太陽(yáng)之間時(shí)

20、，地球站的天線在對(duì)著衛(wèi)星的同時(shí)也就對(duì)準(zhǔn)了太陽(yáng)，因此在地球站接收衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)候，也會(huì)收到大量的頻譜很寬、功率較大的太陽(yáng)噪聲，該噪聲將對(duì)有用信號(hào)帶來(lái)干擾，使得接收信號(hào)的信噪比大大下降，甚至有可能完全淹沒(méi)有用信號(hào)，從而造成信號(hào)中斷，這種現(xiàn)象稱為日凌。378.2.4 通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道通信衛(wèi)星運(yùn)行軌道8.3 衛(wèi)星通信傳輸線路特性 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算388.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 衛(wèi)星通信線路和其他無(wú)線電通信線路一樣，通信質(zhì)量的好壞主要取決

21、于接收系統(tǒng)輸入端的信號(hào)載波功率和噪聲功率的比值，而不是單純地取決于信號(hào)載波功率的絕對(duì)值。因?yàn)樾l(wèi)星通信線路上無(wú)線電波經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離（如同步衛(wèi)星系統(tǒng)中單向傳輸距離可達(dá)35800km）的空間傳播后，信號(hào)功率衰減很大（通常達(dá)到200dB），到達(dá)地球站或衛(wèi)星接收天線時(shí)已十分微弱，同時(shí)在傳播過(guò)程中不可避免地會(huì)受到各種噪聲和干擾的影響。39 系統(tǒng)熱噪聲與等效噪聲溫度系統(tǒng)熱噪聲與等效噪聲溫度 通信系統(tǒng)由各個(gè)部件組成，它們完成信號(hào)的處理和傳輸功能。與此同時(shí)，只要傳導(dǎo)媒質(zhì)處于熱力學(xué)溫度的零度以上，其中帶電粒子就存在著隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生對(duì)有用信號(hào)形成干擾的噪聲。噪聲的大小以功率譜密度n0來(lái)量度，它與溫度有關(guān) n0=

22、kT （8.1） 式中，k為玻爾茲曼常數(shù)；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。408.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 由于任何網(wǎng)絡(luò)總是具有有限的帶寬（用B表示），同時(shí)，這里假定網(wǎng)絡(luò)增益為A。輸出端的噪聲功率將由兩部分組成：一部分為由網(wǎng)絡(luò)輸入端的匹配電阻產(chǎn)生的噪聲所產(chǎn)生的輸出噪聲功率（記為Ni0），另一部分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對(duì)輸出噪聲的貢獻(xiàn)。于是總的輸出功率N0為 式中，T0是輸入匹配電阻的噪聲溫度，第一項(xiàng)是該電阻所產(chǎn)生噪聲在輸出端的數(shù)值，第二項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲在其輸出端的貢獻(xiàn)，Te稱為網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。418.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾0i00eNNNkT BA

23、 kTBA 接收系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲和外部噪聲接收系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲和外部噪聲 接收天線收到衛(wèi)星（或地球站）發(fā)來(lái)的信號(hào)的同時(shí)，還接收到大量的噪聲。接收系統(tǒng)的噪聲可分為來(lái)自各種噪聲源的外部噪聲和內(nèi)部噪聲，如圖8-14所示。428.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾圖8-14 地球站接收系統(tǒng)的噪聲來(lái)源 （1）宇宙噪聲 宇宙噪聲主要包括銀河系輻射噪聲、太陽(yáng)射電輻射噪聲和月球、其他行星射電輻射噪聲。頻率在1GHz以下時(shí)，銀河系輻射噪聲影響較大，故一般就將銀河系噪聲稱為宇宙噪聲。銀河系噪聲在銀河系中心指向上達(dá)到最大值，通常稱為指向熱空。 （2）大氣噪聲 大氣層對(duì)穿過(guò)它的電波，在吸收能量的同時(shí)，也產(chǎn)后

24、電磁輻射而形成噪聲，其中主要是水蒸氣及氧分子構(gòu)成的大氣噪聲。大氣噪聲是頻率的函數(shù)，在10GHz以上時(shí)顯著增加，此外，它又是仰角的函數(shù)，仰角越低，穿過(guò)大氣層的途徑越長(zhǎng)，大氣噪聲對(duì)天線噪聲溫度的貢獻(xiàn)越大。438.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 （3）降雨噪聲 降雨及云、霧在產(chǎn)生電波吸收衰減的同時(shí)，也產(chǎn)生噪聲，稱為降雨噪聲。其對(duì)天線噪聲溫度的作用與雨量、頻率、天線仰角有關(guān)。在4GHz、低仰角時(shí)，大雨對(duì)天線噪聲溫度的貢獻(xiàn)也達(dá)50100K，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。 （4）地面噪聲 由于衛(wèi)星天線對(duì)準(zhǔn)地球，因而地球熱噪聲也是等效噪聲溫度T的一個(gè)重要組成部分。地球站天線除由其旁瓣、后瓣接收

25、到直接由地球產(chǎn)生的熱輻射外，還可能接收到經(jīng)地面反射的其他輻射。448.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 （5）干擾噪聲 干擾噪聲包括來(lái)自其他同頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和同頻段的微波中繼通信系統(tǒng)的干擾噪聲和人為干擾噪聲。干擾噪聲的大小與干擾的頻率、干擾電波的傳播環(huán)境、收發(fā)天線的增益方向性圖函數(shù)等許多因素有關(guān)。其頻譜一般為非白噪聲，但不管這些干擾的頻譜如何分布，在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的工程計(jì)算和設(shè)計(jì)中，都可采用將它們轉(zhuǎn)化為等效噪聲溫度的辦法而同系統(tǒng)的其他噪聲同樣對(duì)待。458.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾 接收機(jī)輸入端的噪聲功率接收機(jī)輸入端的噪聲功率 天線接收到各種噪聲的大小可

26、以用天線的等效噪聲溫度T來(lái)表示。由電子線路分析可知，當(dāng)接收機(jī)阻抗匹配時(shí)，接收機(jī)內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲，那么其接收到的噪聲功率僅決定于外部輸入噪聲的單邊功率譜密度。因此，由前面的介紹可得外部噪聲折算到接收機(jī)輸入端的噪聲功率為： （8.3） 式中，B為接收系統(tǒng)的等效帶寬。46N kTB8.3.1 衛(wèi)星線路的噪聲和干擾衛(wèi)星線路的噪聲和干擾8.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算 接收機(jī)輸入端的載波功率接收機(jī)輸入端的載波功率C 如不特殊說(shuō)明，把通信衛(wèi)星或地球站的接收機(jī)輸入端的載波功率稱為載波接收功率，記為C。如果把自由空間傳播損耗以外的其他損耗也考慮到一起，如圖8-

27、15所示，由式(5.7)變形可得 式中，47TTRRP G GCPLtpRar (dB)LLLLLL 用分貝值表示時(shí)為 式中， 式中，EIRP為發(fā)射系統(tǒng)的有效全向輻射功率（dBW）；GT為發(fā)射天線增益(dB)；GR為接收天線增益(dB)；Lp 為自由空間傳播損耗(dB)；La 為大氣引起的損耗(dB)；Lt為發(fā)射饋線的損耗(dB)；Lr接收饋線的損耗(dB)；LR為其他損耗(dB)。488.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算TTRtpRarRtpRar (dBW) EIRP (dB)CPGGLLLLLGLLLLLTTEIRP PG 例例8-1 在I

28、S-IV號(hào)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一個(gè)傳送1872路C波段模擬電話的調(diào)頻載波衛(wèi)星與地球站之間的發(fā)送和接收機(jī)接收，其衛(wèi)星有效全向輻射功率EIRP S =34.2dBW，接收天線增益GRS=16.7dB。又知道某地球站發(fā)射天線增益GTE63.1dB，發(fā)送饋線損耗LtE0.4 dB，發(fā)射機(jī)輸出功率PTE=3.9kW，地球站接收天線增益GRE=60.0dB，接收饋線損耗Lr E=0.05 dB。設(shè)LpU= 200.05 (dB), LpD = 196.53 (dB)，試計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CR S和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CR E。498.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比

29、C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算圖8-15 衛(wèi)星通信傳輸線路功率分配示意圖 解：由式（8.6），地球站有效全向輻射功率為 EIRP E =PT E+GTE=10lg3900+63.1=99 （dBW） 利用式（8.5），忽略La，LR及Lrs，則衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波功率 CR S = EIRP E+GRS-Lt E-LpU =99+16.7-0.4-200.05=-84.75（dBW） 利用式（8.5），忽略La、LR及Lts，則地球站接收機(jī)輸入端的載波功率 CR E = EIRP S+GRE-Lr E-LpD =34.2+60-0.05196.53=-102.38（dBW） 508.3.2

30、 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算 接收機(jī)輸入端的載噪比計(jì)算接收機(jī)輸入端的載噪比計(jì)算 由式（8.3）可知，接收機(jī)輸入端等效噪聲功率N為 式中，k為波爾茲曼常數(shù)，Tr為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，B為接收系統(tǒng)的等效帶寬，所以接收機(jī)輸入端的載噪比為 用分貝值表示，式（8-8）為，518.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算rNkT BTTRr1P G GCNLkT BTTRr1 10lg()PG GCNLkTB 進(jìn)一步可以寫為 為了方便起見(jiàn)，記為528.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值

31、的計(jì)算值的計(jì)算TTRtpaRrrRtPaRrr EIRP (dB)CPGGLLLLLkT BNGLLLLLkT BRr10lgEIRP GCCLkBNNTRrGGTT8.98.10 由式(8.9)可以看出，G/T值的大小，直接關(guān)系到衛(wèi)星接收性能的好壞，且還可以不必考慮帶寬，故把G/T稱為衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)，也稱為衛(wèi)星接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)。G/T值越大，C/N越大，衛(wèi)星接收機(jī)的性能越好。對(duì)于不同的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)G/T的要求有所不同。 衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面移動(dòng)終端天線增益通常1-2 dB，G/T值為（-22-23）dB/K左右。又因?yàn)?所以，將式（8.9）寫成常用形式538.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪

32、比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算值的計(jì)算 2310lg 1.38 10228.6(dBW/(K Hz)-k RrEIRP 228.6(dB)GCLBNT 上行和下行線路的載噪比的計(jì)算上行和下行線路的載噪比的計(jì)算 對(duì)于上行線路，若用 表示載噪比，有： 式中， 為地球站實(shí)際有效全向輻射功率；GRS為衛(wèi)星接收天線增益；L為上行線路傳輸損耗（以自由空間傳播損耗為主，同時(shí)包括收發(fā)系統(tǒng)饋線損耗，大氣、降雨、跟蹤誤差、極化失配等其他各種損耗）； 為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度； 為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的帶寬，k 為玻爾茲曼常數(shù)。548.3.2 衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比衛(wèi)星線路接收機(jī)載噪比C/N與與G/T值的計(jì)算

33、值的計(jì)算UCNgR SsatsatU (dB)CEIRPGLkT BNgEIRPsatTsatB 前面已經(jīng)得出了載噪比C/N的表示式，但是，它都是接收系統(tǒng)帶寬B的函數(shù)，因此缺乏一般性，對(duì)不同帶寬的接收系統(tǒng)，其性能不便于描述，若改用C/T值表示，即： 用分貝表示： 若考慮整個(gè)衛(wèi)星線路時(shí)，衛(wèi)星線路等效噪聲溫度T不僅要考慮接收系統(tǒng)下行線路的熱噪聲溫度TD，還包括上行線路噪聲溫度TU和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的交調(diào)噪聲溫度Ti，也就是式（8.16）中的T應(yīng)理解為是上述三部分噪聲之和，即： TTD+TU +Ti558.3.3 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算CCkBTN10 lg()CCkBTN CCkB

34、TN8.16 熱噪聲對(duì)上、下行線路熱噪聲對(duì)上、下行線路C/T值的影響值的影響（1）單載波上行線路的C/T值 根據(jù)式（8.16），可以求得C/TU為： 將式（8.13）代入式（8.17）可得：568.3.3 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算UUsat CCkBTN RSgUsatEIRPGCLTT （2）多載波上行線路的C/T值 在頻分多址的系統(tǒng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器常常要同時(shí)放大多個(gè)載波。為了減小因交擾調(diào)制所產(chǎn)生的噪聲，需要使總的輸入信號(hào)功率比單載波時(shí)的飽和值減小一些，即進(jìn)行輸入負(fù)補(bǔ)償，使轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性部分。這就要求各地球站所發(fā)射的有效全向輻射功率EIRP總和應(yīng)比單波工作使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和時(shí)對(duì)

35、應(yīng)地球站所發(fā)射的EIRP要小一個(gè)輸入補(bǔ)償值BOi。若用EIRPgs表示地球站在單波工作時(shí)的數(shù)值，那么多載波工作時(shí)的數(shù)值為： EIRPgM=EIRPgsBOi （8.19）578.3.3 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算 將式（8.19）代入式（8.18），與之相應(yīng)的C/TU值用C/TUM表示，即： 與上行線路類似，下行線路的C/T值為： 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射EIRP要減小一個(gè)補(bǔ)償值BOo若用EIRPSS表示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在單波工作時(shí)的數(shù)值，那么多載波工作時(shí)的數(shù)值為：EIRPSMEIRPSSBOo 588.3.3 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算 RSgMUMsatEIRPGCLTT8.20 RESMDMgEIRPGCLTT8.218.22 REoSSDMgEIRPGCBOLTT8.23 交調(diào)噪聲對(duì)交調(diào)噪聲對(duì)C/T值的影響值的影響 在采用FDMA方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，若轉(zhuǎn)發(fā)器中輸出行波管工作在大信號(hào)的非線性區(qū)時(shí)，將會(huì)在放大多個(gè)不同頻率的載波時(shí)產(chǎn)生交調(diào)噪聲，并象熱噪聲那樣會(huì)影響信息的傳輸質(zhì)量。 不難想象，當(dāng)輸出補(bǔ)償BOo的數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRPSM會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，這不但要影響到C/TDM值，還將影響載波功率與交調(diào)噪聲功率比值C/TIM值。其關(guān)系如圖8-16所示。598.3.3 衛(wèi)星傳輸線路的衛(wèi)星傳輸線路的C /T計(jì)算計(jì)算 對(duì)于交調(diào)