第3章 衛(wèi)星通信第課件

1、第三章第三章 衛(wèi)星通信鏈路設計衛(wèi)星通信鏈路設計 衛(wèi)星鏈路設計傳輸方程基本鏈路分析干擾分析大氣損耗和降雨衰減衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用度衛(wèi)星鏈路設計 第一節(jié) 傳輸方程： 衛(wèi)星鏈路 自由空間傳播損耗 功率通量密度接收信號功率傳輸方程衛(wèi)星鏈路：上行鏈路下行鏈路傳輸方程自由空間傳播損耗：222444dPdPPttrPtPrd圖 61 自由空間的傳播損耗2244cdfdPPLtr傳輸方程自由空間傳播損耗：w 當距離d以km為單位，頻率f以GHz為單位時：w 當距離d以km為單位，頻率f以MHz為單位時：)(lg20)(lg2045.92)(GHzfkmddBL)(lg20)(lg2045.32)(MHzfkmd

2、dBL傳輸方程功率通量密度：w 表示發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達接收點后，在單位面積內(nèi)的功率。 Pfd=PtGt/(4d2)=EIRP/(4d2) （W/m2） Pfd=EIRP（dBW)-10lg(4d2) (dBW/m2)w 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度：為使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作，在其接收天線的單位面積上應輸入的功率。它反映了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的靈敏程度。傳輸方程接收信號功率：24dGGPLGGPPrttrttr傳輸方程傳輸方程例：w 一顆衛(wèi)星在4GHz時通過一副18dB增益天線，發(fā)射25W功率。網(wǎng)絡中一個地球站，用一副直徑為12m的天線(=65%)來接收，試確定： (1) 地球站的接收天線增益； (2

3、)假定從衛(wèi)星到地球站的距離為40000km，求傳播損耗(3) 求這個地球站的功率通量密度； (4) 在地球站天線輸出處收到的功率。 (5) 如工作頻率改為11.5GHz，重復上述計算，并比較結(jié)果。傳輸方程分析：w 天線增益G隨著頻率的增加而增大，但是傳播損耗也增大，所以接收的功率通量密度和功率不變。結(jié)論：衛(wèi)星鏈路對頻率的變化是不敏感的：衛(wèi)星鏈路對頻率的變化是不敏感的w 從技術和經(jīng)濟因素，只對一定的頻率范圍感興趣。例如衛(wèi)星直播電視(DTH)，希望地球站的價格盡可能低，使用小口徑天線。高頻率衛(wèi)星上能得到高的EIRP；同時地面上也能使用小口徑高增益天線w 雖然衛(wèi)星鏈路對頻率變化是不敏感的，但是另一些

4、因素也會影響使用頻率的選擇衛(wèi)星鏈路設計基本鏈路分析：w 上行載噪比計算w 總載噪比計算w 其他損耗w 門限載噪比w 再生型轉(zhuǎn)發(fā)器計算基本鏈路分析上行載噪比計算：kBTGLEIRPkTBLGEIRPkTBLGGPNCrrtt1116 .228/)(BLTGEIRPdBNC基本鏈路分析上行載噪比計算：w 功率通量密度：w 用dB表示：w 載噪比：222444dEIRPdEIRPPfd24lg10LEIRPPfd6 .2284lg10/2BTGPNCfd基本鏈路分析上行載噪比計算：w 載波功率與等效功率譜密度的比值(C/no)： C/N=C/n0-B(dB)w 載波功率與等效噪聲溫度之比C/T： C

5、/N=C/T+228.6-B(dB) 6 .228/0LTGEIRPnCLTGEIRPTC/基本鏈路分析總載噪比計算：w 設衛(wèi)星上接收到的載噪比為(C/N)u，它被通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，重新發(fā)回地球。由衛(wèi)星天線轉(zhuǎn)發(fā)后的EIRP為EIRPs，載噪比為：C/N=(C/N)u，噪聲功率為 ：w 接收地球站收到的載波加噪聲為C(t)+N(t)+Nd(t) C(t)：上行載波功率經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的功率 N(t)：上行噪聲功率經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后的功率 Nd(t)：附加的均值為零的下行加性白噪聲 usNCEIRPN)/(基本鏈路分析總載噪比計算；w 地球站的接收功率：w 伴隨的下行噪聲功率：w 下行附加噪聲功率:Nd=kTB

6、w 在接收地球站，總的噪聲功率為：LGEIRPLGGPPrsrttr1)/(ursurNCLGEIRPNCPNkTBNCLGEIRPNurs1基本鏈路分析總載噪比計算：w 整個衛(wèi)星線路的載噪比：kTBLNCGEIRPLGEIRPNCusrs/)/(/1基本鏈路分析總載噪比計算：w 衛(wèi)星線路的基本方程：w 如果(C/N)u(C/N)d，則C/N(C/N)d，衛(wèi)星線路是下行線受限制，這是衛(wèi)星通信的常見情況w (C/N)u(C/N)d，則C/N(C/N)u，則認為衛(wèi)星線路是上行線受限制111duNCNCNC基本鏈路分析其他損耗：w BOi和BOow 天線指向損耗w 大氣層吸收損耗3210.30.51

7、.02345 （cm）0.010.11.010損耗（dB/km）圖 6-11 水蒸汽和氧氣的吸收損耗1：水蒸汽，10g/m3（在18時的相對濕度66）；2：氧，壓強為15cm水銀柱3：總的吸收損耗基本鏈路分析例：w 某Ku波段（14/12GHz）的衛(wèi)星系統(tǒng)，它以TDMA方式工作，采用QPSK調(diào)制，系統(tǒng)參量如下：根據(jù)這些參數(shù)，計算載噪比。w 載波調(diào)制參數(shù)：比特率：60Mbps 噪聲帶寬：36MHz 比特持續(xù)時間帶寬積:0.6w 衛(wèi)星參數(shù)：天線增益噪聲溫度比：1.6dB/K；衛(wèi)星飽和EIRP：44dBwTWTA輸入回退量：0dB；TWTA輸出回退量：0dBw 地球站參數(shù)天線直徑：7m; 發(fā)射天線增

8、益(14GHz)：57.6dB接收天線增益(12GHz)：56.3dB; 進入天線的載波功率：174W最大的上行和下行距離：37506km跟蹤損耗：1.2dB（上行）和0.9dB（下行）系統(tǒng)噪聲溫度：160k基本鏈路分析門限載噪比：w 為保證用戶接收到的話音、圖像和數(shù)據(jù)有必要的質(zhì)量，接收機所必須得到的最低載噪比。w 對于模擬制信號通常用信噪比(S/N)表示傳輸質(zhì)量的好壞w 對于數(shù)字通信，用誤碼率表示傳輸質(zhì)量。與所要求的誤碼率相對應的Eb/n0也稱門限電平，用(Eb/n0)th表示 C/n0=Eb/n0+R C/N=Eb/n0+R-B 基本鏈路分析再生型轉(zhuǎn)發(fā)器計算：w 很強的信號處理能力，發(fā)展方

9、向。w 鏈路的各個部分是彼此獨立的。因此誤比特率為edeueuededeuePPPPPPP)1 ()1 (衛(wèi)星鏈路設計第三節(jié) 干擾分析：w 載波噪聲干擾比w 鄰星干擾w 衛(wèi)星通信中常見的其他干擾干擾分析載波噪聲干擾比：w 載波噪聲干擾比：C/(N+I)=C/Nw 總的載波噪聲干擾比：w 所有的干擾都是高斯型的，且是彼此無關的廣義平穩(wěn)隨機過程111ICNCNC111111duNCNCICNCNC干擾分析鄰星干擾：A B 系統(tǒng) A 系統(tǒng) B 干擾分析鄰星干擾：w 國際上的有關章程規(guī)定，相對峰值歸一化(1或0dB)的副瓣包絡電平： lg2529cos2222BABAddddd)cos1 (2cos2

10、22222rrrdBABAddrdd2)cos1 (2arccos222 dA r dB 衛(wèi)星 A 衛(wèi)星 B 干擾分析鄰星干擾：w 上行干擾功率： EIRP：干擾信號在被干擾衛(wèi)星A方向的EIRP fu：上行干擾頻率 du：被干擾衛(wèi)星A和干擾地球站B1之間的上行距離 Gu：被干擾衛(wèi)星A的天線在地球站B1方向的增益 fufu， dudu24uuuufdcGPEIRI干擾分析鄰星干擾：w 從地球站A2到衛(wèi)星A的上行載波干擾比：w 用dB表示：w 用功率通量密度SFD表示：)()()()(/dBGdBGdBwPEIRdBwEIRPICuuuuuuGGDSFSFDICuuuGGmdBwDSFmdBwSF

11、DIC)/()/()/(22uuuuuuuuuGGPEIREIRPfdfdGGPEIREIRPIC干擾分析鄰星干擾：)(lg2529)()()(*dBdBGdBwEIRPdBwPEIRi)(lg2529)()/()/(2*2dBdBGmdBwSFDmdBwDSFi)()()lg2529()()()(/*dBGdBGdBGdBwEIRPdBwEIRPICuuiuuuiuGGdBGmdBwSFDmdBwSFDIC)lg2529()()/()/()/(2*2干擾分析鄰星干擾：w 從衛(wèi)星A到地球站A1的下行載波干擾比：w 鄰近衛(wèi)星引起的總載波干擾比：)lg2529()()()()/(dBGdBwPEI

12、RdBwEIRPICssd111duICICIC干擾分析衛(wèi)星通信中常見的其他干擾：w 地面微波系統(tǒng)的干擾w 正交極化干擾w 鄰道干擾w 共信道干擾w 碼間串擾衛(wèi)星通信中常見的其他干擾地面微波系統(tǒng)的干擾：w 分配給衛(wèi)星通信的6/4GHz同時用于地面微波線路w 地球站接收4GHz頻帶的信號，它對來自地面?zhèn)鬏數(shù)?GHz微波干擾也很敏感w 地球站以6GHz頻帶發(fā)射，對使用6GHz頻段接收的地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾w 地球站和地面微波系統(tǒng)間的相互干擾量是載波功率、載波譜密度和兩載波間頻率差值的函數(shù)衛(wèi)星通信中常見的其他干擾地面微波系統(tǒng)的干擾：w 國際上規(guī)定： 對于地面微波通信系統(tǒng)，要求在衛(wèi)星載波40kHz的帶

13、寬內(nèi)，其功率譜密度低于地球站接收功率譜密度25dB 進入地面微波系統(tǒng)的干擾功率基準為-154dBw/4kHz，并且干擾功率達到這個值的時間不許超過20%；或干擾功率基準為-131dBw/4kHz，且達到這個值的時間不超過0.01%衛(wèi)星通信中常見的其他干擾正交極化干擾：w 由于極化的不完全正交造成的干擾稱為交叉極化干擾(CPI)，即能量從一種極化狀態(tài)耦合到另一種極化狀態(tài)引起的干擾w 正交極化鑒別度的定義為對同一入射信號，收到的主極化功率對正交極化功率的比值w 衛(wèi)星線路的凈正交極化鑒別度，是地球站天線和衛(wèi)星天線在上行和下行線的組合效果。最小凈線路正交極化鑒別度： 111min)(21SeXXX衛(wèi)星

14、通信中常見的其他干擾鄰道干擾：w 鄰道干擾(ACI)是一種來自相鄰或相近信道的干擾。產(chǎn)生鄰道干擾的主要原因： 相鄰信道間隔太小和濾波不完全 其它站的寄生發(fā)射衛(wèi)星通信中常見的其他干擾共信道干擾：w 為了充分利用衛(wèi)星的頻率資源，現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)很多采用頻率復用技術，即把已有頻段再使用一次 這種復用技術采用波束隔離的方法，即分別指向不同區(qū)域的兩個波束傳遞各自的信息，但使用相同的頻帶w 由于天線方向圖的旁瓣效應，兩個波束之間不可能完全隔離，因此會相互產(chǎn)生干擾衛(wèi)星通信中常見的干擾碼間串擾：w 不是來自外部源，而是信道內(nèi)部產(chǎn)生的。w 對于FDMA方式，存在交調(diào)干擾w 對于CDMA方式，存在多址干擾 衛(wèi)星鏈

15、路設計第四節(jié) 大氣損耗和降雨衰減：w 晴天的大氣損耗w 降雨衰減w 解決降雨衰減的方法大氣損耗和降雨衰減晴天的大氣損耗：w 電離層吸收損耗。頻率越低越嚴重。頻率高于0.3GHz時可忽略w 對流層對衛(wèi)星通信的影響。在頻率低于10GHz，仰角在5以上時影響可忽略3210.30.51.02345 （cm）0.010.11.010損耗（dB/km）圖 6-11 水蒸汽和氧氣的吸收損耗1：水蒸汽，10g/m3（在18時的相對濕度66）；2：氧，壓強為15cm水銀柱3：總的吸收損耗 0.01 0.1 0.5 頻率(GHZ) 電離層吸收損耗/dB 100 10 1 0.1 大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 降

16、雨衰減與兩個基本參量有關：降雨強度Rp(mm/h)，出現(xiàn)的時間概率(P%)w 根據(jù)多年的降雨統(tǒng)計資料，將全球劃分為極區(qū)、溫帶、熱帶、大陸性、海洋性、潮濕、干燥等8類地區(qū)，即A、B、C、H等w 由于世界各地降雨量、降雨概率差別很大，后來ITU又進行了雨區(qū)劃分，將全球分為A、B、C、Q等15個區(qū)域。我國各地屬于C、E、F、K、N五個區(qū)大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 中國0.01%時間百分比與降雨強度分布等值線圖大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 影響降雨衰減Lr(dB)的因素： 降雨區(qū)垂直高度H，仰角E或D（表面投影線長度） 雨量大小或工作頻率。w ITU推薦的降雨衰減計算公式為： ：雨區(qū)單位長度衰減

17、（dB/km） a、b：與工作頻率、雨點大小、極化方式等有關 Le：通過雨區(qū)的有效長度(km)。與降雨云層厚度、降雨區(qū)范圍、地球站天線仰角等數(shù)值有關。ebPrLaRL bpaR大氣損耗和降雨衰減降雨衰減：w 對系統(tǒng)噪聲溫度的影響w 降雨對C/N、C/I的影響w 降雨衰減引起的極化效應 大氣損耗和降雨衰減降雨衰減對系統(tǒng)噪聲溫度的影響：w 大大增加天線的噪聲溫度w 令Tr表示雨點溫度，Lr表示降雨衰減，那么帶寬B內(nèi)的有效噪聲功率就是kTrBw 通過衰減因子為Lr的雨區(qū)后，噪聲功率為kTrB/Lr。雨吸收的功率為kTrB(1-1/Lr)，因此由衰減因子Lr引起的噪聲溫度為w 由降雨引起的噪聲溫度的增

18、大并不會影響衛(wèi)星的系統(tǒng)噪聲溫度，因為它的天線總是對著290K的熱地球 )11 (rrLTT大氣損耗和降雨衰減降雨對C/N、C/I的影響：w 上行區(qū)下雨：衰減Lr,uw 下行區(qū)降雨：衰減Lr,d；G/T變?yōu)镚/(T+T)大氣損耗和降雨衰減降雨衰減引起的去極化效應：w 如果如射無線電波的極化面與雨滴長軸方向重合，則產(chǎn)生的相移與衰減最大w 如果與雨滴短軸方向重合，則產(chǎn)生的相移與衰減最小w 當一個線性極化波以夾角入射到此扁平的雨滴，通過雨滴后的電波就不再是線性極化而是變成有一定傾角的橢圓極化波了w 電波通過雨滴不僅損耗能量、并且產(chǎn)生交叉極化分量，導致XPD降低，進而C/I降低。大氣損耗和降雨衰減解決降

19、雨衰減的方法：w 途徑分集w 上行功率控制w 加信道編碼糾錯衛(wèi)星鏈路設計衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實例：w 衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度w 衛(wèi)星鏈路設計思路w 鏈路設計實例衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實例衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度：w 如果一年中的時間百分比p中，誤碼率超出Pb門限值，則鏈路中斷。鏈路可用概率為：w 衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度：從發(fā)送地球站經(jīng)過衛(wèi)星，再到接收地球站的整個系統(tǒng)的可用度。 PA1：發(fā)送地球站的可用度 PA2：接收地球站的可用度 PAL：鏈路可用度 PAS：衛(wèi)星可用度w 通常用一年中有多少時間百分比衛(wèi)星鏈路處于正常工作狀態(tài)來表示它的可用度PAL，也采用它來表示衛(wèi)星系統(tǒng)可用度PA%1pPALASALAAAPPPPP21

20、衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度和實例衛(wèi)星鏈路設計思路：w 鏈路設計主要工作w 地球站對鏈路設計的影響w 衛(wèi)星對鏈路設計的影響w 信道對鏈路設計的影響w 鏈路可用度的選擇w 參數(shù)的選擇衛(wèi)星鏈路設計思路 鏈路設計主要工作有：w 選擇使用的頻段w 計算并合理分配噪聲w 確定用戶載波占用的衛(wèi)星功率、帶寬及占用比w 用戶載波占用的地球站功率w 地球站天線的尺寸和功率的大小 衛(wèi)星鏈路設計思路地球站對鏈路設計的影響：w 地理位置提供：降雨衰減的估計，衛(wèi)星視角，地球站方向衛(wèi)星的EIRP，地球站衛(wèi)星路徑損耗w 地球站EIRP提供：發(fā)送天線增益，發(fā)送功率w 接收天線增益與地球站的靈敏度有關w 系統(tǒng)噪聲溫度也與地球站的靈敏度有關

21、w 交調(diào)噪聲影響總的載噪比w 設備特性（解調(diào)器實現(xiàn)的余量、正交極化鑒別度、濾波器特性）規(guī)定的附加鏈路余量。衛(wèi)星鏈路設計思路衛(wèi)星對鏈路設計的影響：w 衛(wèi)星的位置關系到覆蓋區(qū)和地球站視角w 接收天線增益和輻射方向性圖關系到靈敏度和覆蓋面積w 轉(zhuǎn)發(fā)器增益和噪聲特性關系到衛(wèi)星的EIRPs和Gu/Tu值w 交調(diào)噪聲影響到地球站接收機上總的載波對噪聲功率比w 轉(zhuǎn)發(fā)器類型（透明或再生型）影響到系統(tǒng)的噪聲預算w 發(fā)射功率關系到衛(wèi)星發(fā)射的EIRP衛(wèi)星鏈路設計思路信道對鏈路設計的影響：w 工作頻率關系到路徑損耗和鏈路余量w 調(diào)制和編碼特性控制著要求的載噪比w 系統(tǒng)之間的噪聲影響著系統(tǒng)噪聲預算w 傳播特性控制著鏈路余量和調(diào)制與編碼方案的選擇衛(wèi)星鏈路設計思路鏈路可用度的選擇：w 指鏈路在長期運行時能保證規(guī)定質(zhì)量的時間百分比。它主要受降雨衰減的影響。其他原因，較小程度上有日凌中斷現(xiàn)象，還有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器故障在內(nèi)的硬件故障等。w 規(guī)定的鏈路可用度： 通信：99.7% 電視：99.3% 衛(wèi)星鏈路設計思路鏈路可用度的選擇：w 需要提供的降雨衰減余量： C波段，上行：1dB，下行：0.5dB