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1、第四章第四章 卫星链路设计卫星链路设计本章节内容本章节内容基本传输理论基本传输理论系统噪声温度和系统噪声温度和G/T下行链路设计下行链路设计小型地面站卫星系统小型地面站卫星系统上行链路设计上行链路设计总体总体C/N的链路设计的链路设计系统设计实例系统设计实例链路设计的重要性链路设计的重要性在尽可能小的发射功率、接收天线尺寸下获得在尽可能小的发射功率、接收天线尺寸下获得相应的通信可靠性（指定的相应的通信可靠性（指定的BER值、值、S/N值）值）为为RF系统关键性器件如系统关键性器件如HPA、LNA提供设计依提供设计依据，为天线系统提出设计目标据，为天线系统提出设计目标考虑各种情况下链路的衰减情况

2、，给出合理的考虑各种情况下链路的衰减情况，给出合理的链路余量链路余量需要对通信系统的各个方面知识有较多了解！需要对通信系统的各个方面知识有较多了解！基本传输理论基本传输理论理想化信号源：各向同性源、物理上无法实现理想化信号源：各向同性源、物理上无法实现距离距离R处穿过球面通量密度为：处穿过球面通量密度为：22/4mWRPFt有向天线的增益有向天线的增益G()4/)()(0PPGP()：天线每单位立体角的辐射功率：天线每单位立体角的辐射功率P0：天线总辐射功率：天线总辐射功率G()：天线在角：天线在角方向上的增益方向上的增益立体角定义：球面某一区域面积立体角定义：球面某一区域面积/半径半径2，整

3、个球面角为，整个球面角为4Pt：发射机功率：发射机功率等效全向辐射功率（等效全向辐射功率（EIRP）设天线在最大辐射方向的角度为设天线在最大辐射方向的角度为=0（角的基准，天角的基准，天线视轴）线视轴）=则天线增益则天线增益=G()=G(0)发射机输出功率为发射机输出功率为Pt，天线损耗为，天线损耗为0，天线增益为，天线增益为Gt天线视轴方向上距离天线视轴方向上距离R处通量密度处通量密度Pt Gt：等效全向辐射功率：等效全向辐射功率 Equivalent Isotropically Radiated Power（EIRP）22/4mWRGPFttEIRP如果采用孔径面积为如果采用孔径面积为A

4、m2的理想接收天线，则接收功的理想接收天线，则接收功率为：率为：AWFPr入射通量密度入射通量密度F=Pt/4R2 W/m2，接收功率接收功率Pr=FA=PtA/4R2 W天线口径效率天线口径效率A实际天线是有损耗的，有效孔径实际天线是有损耗的，有效孔径系统噪声温度系统噪声温度TsTs：将接收机等效为无噪声接收机后，在输入端口增加的噪声：将接收机等效为无噪声接收机后，在输入端口增加的噪声源的噪声温度，包括放大器噪声、天线噪声源的噪声温度，包括放大器噪声、天线噪声设接收机设接收机RF输入端到解调器输入端总增益为输入端到解调器输入端总增益为Grx，最窄带宽为，最窄带宽为Bn Hz，则解调器输入端噪

5、声为：，则解调器输入端噪声为：Pno=kTsBnGrx(W)系统载噪比：系统载噪比：由由Ts、C/N=接收功率接收功率Pr，可以方便后续链路的计算，可以方便后续链路的计算C/N与接收机增益无关与接收机增益无关nsrrxnsrxrBkTPGBkTGPNC超外差接收机噪声温度超外差接收机噪声温度超外差接收机结构：超外差接收机结构：特点：改变频率方便，滤波器结构易实现，选择性好特点：改变频率方便，滤波器结构易实现，选择性好超外差接收机噪声温度超外差接收机噪声温度接收机等效噪声模型接收机等效噪声模型)(inRFnRFmIFnmmIFnIFIFnTTkBGGGBkTGGBkTGP超外差接收机噪声温度超外

6、差接收机噪声温度)/(/)(/)()/()()(mRFIFRFminRFnRFmIFinRFnRFnmmRFnIFRFmIFinRFnRFmIFnmmIFnIFIFnGGTGTTTkBGGGTTkBGBkTGGBkTGGGTTkBGGGBkTGGBkTGP若满足：若满足：nsRFmIFnBkTGGGP 则：则：)/(/)/(/RFmIFRFmRFinsRFmIFRFmRFinnnsGGTGTTTTGGTGTTTkBBkT若若LNA增益很高则噪声贡献主要来源于：增益很高则噪声贡献主要来源于：Ts=天线天线+LNA=Tin+TRF注意注意:式中所有量为比值不是式中所有量为比值不是dB!超外差接收机

7、噪声温度超外差接收机噪声温度等效无噪声接收机模型等效无噪声接收机模型有损器件噪声模型有损器件噪声模型有损器件噪声模型可以用来表示降雨衰减等过程，雨衰的同有损器件噪声模型可以用来表示降雨衰减等过程，雨衰的同时会引入一定噪声，可以将噪声放置在天线输入端口处时会引入一定噪声，可以将噪声放置在天线输入端口处)1(lpnoGTT注意注意:Tp是器件物理温度，式中是器件物理温度，式中Gl为比值不是为比值不是dB!计算实例计算实例例例2：有一：有一4GHz接收机增益与噪声温度值如下：接收机增益与噪声温度值如下：Tin=25K，GRF=23dB，TRF=50K，GIF=30dB，TIF=1000K，Tm=50

8、0K设混频器设混频器Gm=0dB，计算系统噪声温度：，计算系统噪声温度：设混频器设混频器Gm=-10dB，计算噪声温度：，计算噪声温度：若采用若采用50dB增益的增益的LNA，计算噪声温度：，计算噪声温度：采用高增益采用高增益LNA可以有效降低系统噪声温度！可以有效降低系统噪声温度！KTs5.87)200/1000()200/500(5025KTs5.137)20/1000()200/500(5025RFinsTTKT1.75)10/1000()10/500(502545如果例子如果例子2中中LNA增益增益50dB。若天线与接收机之间有一段。若天线与接收机之间有一段2dB损损耗的波导，求系统噪

9、声温度，波导温度耗的波导，求系统噪声温度，波导温度300K。波导波导2dB衰减衰减=1.58=Gl=1/1.58=0.631波导对天线输出噪声进行衰减：波导对天线输出噪声进行衰减：接收机噪声温度：接收机噪声温度：天线输出端口噪声温度：天线输出端口噪声温度：KGTTlpwg7.110)631.01(300)1(KGTTlpin8.152563.0)1(KTs6.176)10/1000()10/500(507.1108.1545KGTls9.279631.0/6.176/6.176计算实例计算实例例题中的结论：例题中的结论：提高提高LNA增益可以降低系统噪声温度增益可以降低系统噪声温度天线端口与接

10、收机之间插入导波器件会显著恶化系统性能天线端口与接收机之间插入导波器件会显著恶化系统性能改良方法：改良方法：提高提高LNA增益，增益，Ku波段一般在波段一般在2030dB，C波段更高波段更高将接收机将接收机LNA与天线尽可能的靠近与天线尽可能的靠近Ku波段直播电视一般将波段直播电视一般将LNA，BPF，Mixer，IFA与天线馈源与天线馈源集成在一起，叫做集成在一起，叫做LNB（Low Noise Block）计算实例计算实例噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度噪声系数定义：噪声系数定义：噪声系数与噪声温度的关系：噪声系数与噪声温度的关系：T0：计算标准噪声系数的参考温度，通常：计算标准噪声系

11、数的参考温度，通常290K，NF是比值！是比值！不是不是dBoutinNSNSNF)/()/()1(0NFTTd噪声温度噪声温度K020406080100120150200290噪声系数噪声系数（dB）00.290.560.821.061.291.501.812.283.0噪声温度噪声温度K400600800100015002000 3000500010000噪声系数噪声系数（dB）3.84.95.86.57.99.010.512.615.5地面站地面站G/T计算噪声的链路方程表示为：计算噪声的链路方程表示为：给定卫星下：给定卫星下：C/N正比于正比于Gr/Ts，Gr/Ts简记为简记为G/T，

12、单位，单位dB/K例子例子3：地面站天线直径：地面站天线直径30m，效率，效率68%，接收信号频率为，接收信号频率为4150MHz，Ts=79K，天线指向卫星仰角，天线指向卫星仰角28，求，求G/T，若雨衰，若雨衰使得使得Ts=88K，重新计算，重新计算G/TsrnttnsrttTGRkBGPRBkTGGPNC224422)/(/4DAGAArmMHzf0723.0,4150dBG6.60,1016.1)0723.0/30(68.062KdBTGdBKTs/6.410.196.60/,0.19)79lg(10KdBTGKTs/2.414.196.60/,88下行链路设计下行链路设计设计目标：少

13、投入、多业务量设计目标：少投入、多业务量大型天线设计制造昂贵，大型天线设计制造昂贵，C/N留有太多裕量是一种浪留有太多裕量是一种浪费，若费，若Ku波段裕量波段裕量20dB，则天线尺寸是按，则天线尺寸是按3dB的链的链路裕量天线尺寸的路裕量天线尺寸的7倍倍对于一定的可靠性合理选择链路裕量对于一定的可靠性合理选择链路裕量 C波段雨衰少，可靠性达波段雨衰少，可靠性达99.99%(12dB)，适合语音信号，适合语音信号 Ku波段雨衰适中波段雨衰适中,可靠性可靠性0.1%-0.5%(1020dB)，电视直播，电视直播 Ka波段雨衰大，中断时间长，适合互联网业务等非实时信波段雨衰大，中断时间长，适合互联网

14、业务等非实时信道道链路预算链路预算链路预算简化链路预算简化C/N计算，将各种与卫星有关的参量都采用分贝计算，将各种与卫星有关的参量都采用分贝表示，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，一旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来复过程，一旦建立链路预算，任何参数变化都很容易计算出来卫星参数：卫星参数：转发器饱和输出功率：转发器饱和输出功率：20W天线中心轴方向增益：天线中心轴方向增益：20dB转发器带宽：转发器带宽：36MHz下行链路频带：下行链路频带：3.7GHz4.2GHz信号：信号：FM-TV模拟信号模拟信号FM-

15、TV信号带宽：信号带宽：30MHz接收机允许最小接收机允许最小C/N：9.5dB晴天晴天C波段波段GEO卫星（全球波束）卫星（全球波束）C波段地面站：波段地面站：下行链路频率：下行链路频率：4GHz天线中心轴方向增益：天线中心轴方向增益：49.7dB接收机接收机IF带宽：带宽：27MHz接收系统噪声温度：接收系统噪声温度：75K下行链路功率预算：下行链路功率预算：Pt=卫星转发器输出功率，卫星转发器输出功率，20W，13.0dBWBo=转发器输出补偿，转发器输出补偿，-2.0dBGt=卫星天线沿中心轴方向的增益，卫星天线沿中心轴方向的增益，20dBGr=地面站天线增益，地面站天线增益，49.7

16、dBLp=4GHz时自由空间路径损耗，时自由空间路径损耗，-196.5dBLant=卫星天线波束损耗上界，卫星天线波束损耗上界，-3.0dBLa=晴天大气损耗，晴天大气损耗，-0.2dBLm=其他损耗，其他损耗，-0.5dBPr=地面站接收功率，地面站接收功率，-119.5dBW下行链路噪声功率预算下行链路噪声功率预算k=波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，-228.6dBW/K/HzTs=系统噪声温度，系统噪声温度，75K，18.8dBKBn=噪声带宽，噪声带宽，27MHz，74.3dBHzN=接收机噪声功率，接收机噪声功率，-135.5dBWC/N=Pr(dB)-N(dB)=-119.5dBW-(

17、-135.5dBW)=16.0dB雨天雨天C频段下行链路预算频段下行链路预算Prea=晴天时地面站的接收功率晴天时地面站的接收功率-119.5dBWA=降雨衰减降雨衰减-1.0dBPrain=雨天时地面站接收功率雨天时地面站接收功率-120.5dBWNca=晴天时接收机的噪声功率晴天时接收机的噪声功率-135.5dBWNrain=降雨时造成的噪声温度增量降雨时造成的噪声温度增量 2.3dBNrain=降雨时接收机的噪声功率降雨时接收机的噪声功率-133.2dBW雨天雨天C/N=Prain Nrain=-120dBW-(-133.2dBW)=12.7dB链路预算链路预算链路预算实例，链路预算实例

18、，C波段波段GEO卫星卫星天线增益计算：全球波束覆盖，天线增益计算：全球波束覆盖，3dB波束宽度波束宽度17增益增益G=33000/172=114.2=20.6 dB，约为，约为20dB注意，中心区域高于边缘区域注意，中心区域高于边缘区域 3dB!边缘区域距离也更远，需边缘区域距离也更远，需单独计算单独计算转发器饱和功率，转发器饱和功率，20W=13dBW，由于输出存在各种波导接头，由于输出存在各种波导接头具有一定损耗，记转发器补偿为具有一定损耗，记转发器补偿为2dB，则实际发射功率为，则实际发射功率为11dBW。EIRP=11+dB天线增益天线增益=11+20=31dBW发射信号带宽发射信号

19、带宽30MHz，接收，接收27MHz（模拟（模拟FM-TV信号）信号）地面站天线直径地面站天线直径9m，4GHz增益为增益为49.7dB，天线效率？，天线效率？接收系统噪声温度接收系统噪声温度75K，G/T=49.7-10lg75=30.9 dB/KGEO卫星最长路径为卫星最长路径为40000km，如何得到的？，如何得到的？路径损耗：路径损耗：20lg(4R/)=196.5 dB额外的路径损耗晴天额外的路径损耗晴天/斜入射：斜入射：0.2dB其他损耗：其他损耗：0.5dB，如极化失配、天线指向偏差，如极化失配、天线指向偏差最低最低C/N为为9.5dB（FM解调门限），根据前面表格得到解调门限）

20、，根据前面表格得到C/N=16.0dB，裕量，裕量6.5dB，雨天裕量较小，雨天裕量较小4GHz雨衰雨衰1dB，加上晴天损耗，加上晴天损耗0.2dB，总损耗，总损耗1.2dB（1.32）利用有耗噪声模型得到天电噪声：利用有耗噪声模型得到天电噪声：晴天晴天0.2dB损耗对应天电噪声损耗对应天电噪声13K，雨衰增加了，雨衰增加了66-13=53K，系统噪声系统噪声75K，雨衰，雨衰53K，雨衰将噪声提高到，雨衰将噪声提高到75+53=128K，即，即2.3dB，加上雨衰，加上雨衰1dB，则有了前面的雨衰噪声链路预算，则有了前面的雨衰噪声链路预算KTsky66)32.1/11(273链路预算实例，链

21、路预算实例，C波段波段GEO卫星卫星上例中最坏情况链路裕量上例中最坏情况链路裕量3.2dB，进一步优化减小为，进一步优化减小为2dB，多出，多出来来1.2dB可以用来将地面站天线尺寸减小：可以用来将地面站天线尺寸减小：1.2dB=1.32，天线尺，天线尺寸缩小寸缩小 倍即倍即9m天线减小到天线减小到7.8m如果采用如果采用QPSK数字调制，数字调制，27MHz带宽可以传输带宽可以传输54Mbps，但是，但是C/N下限下限14.6dB。雨天裕量。雨天裕量-1.9dB，需要增加天线尺寸，但是数，需要增加天线尺寸，但是数字调制字调制MPEG可以传输多路可以传输多路TV增加容量增加容量如果是部分地区覆

22、盖，发射天线增益提高如果是部分地区覆盖，发射天线增益提高+12dB，接收天线增，接收天线增益可以降低益可以降低-12dB=直径减小直径减小4倍（倍（2.25m）链路预算优化链路预算优化15.132.1直接广播电视（直接广播电视（DBS-TV）DBS-TV工作与工作与Ku波段，下行波段，下行12.2GHz-12.7GHz发射功率大：发射功率大：100W-200W用户天线直径小于用户天线直径小于1m降雨裕量较小降雨裕量较小 3dB 8dB牺牲可靠性换取小天线终端牺牲可靠性换取小天线终端接收天线波束宽、易受其他卫星干扰接收天线波束宽、易受其他卫星干扰=不同卫星频率间隔必须宽不同卫星频率间隔必须宽DB

23、S-TV链路预算实例链路预算实例DBS-TV终端接收的信号功率：终端接收的信号功率：转发器输出功率，转发器输出功率，160W，22.0 dBW天线波束中心增益，（天线波束中心增益，（5.52.5）34.3 dB12.2GHz，路径长度，路径长度38000km时的路径损耗，时的路径损耗，-205.7dB接收天线中心增益，接收天线中心增益，33.5dB波束边缘损耗，波束边缘损耗，-3.0dB晴天大气损耗，晴天大气损耗，-0.4dB其他损耗，其他损耗，-0.4dB接收功率，接收功率，C，-119.7dBWDBS-TV终端接收时噪声功率：终端接收时噪声功率：波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，k，-228.6

24、dBW/K/Hz晴天系统噪声温度，晴天系统噪声温度，145K，21.6dBK接收机噪声带宽，接收机噪声带宽，20MHz，73.0dBHz噪声功率，噪声功率，N，-134.0dBWDBS-TV终端终端C/N：晴天晴天C/N 14.3dB8.6dB门限以上链路预算门限以上链路预算 5.7dB可靠性可靠性99.7%DBS-TV链路预算实例链路预算实例雨衰时的系统噪声温度与雨衰时的系统噪声温度与C/N总的附加路径损耗总的附加路径损耗A：=Aca+Arain dBTsky=270（1-10-A/10）K，假定降雨时介质温度为，假定降雨时介质温度为270K实际并非所有噪声能量进入天线，引入耦合系数实际并非

25、所有噪声能量进入天线，引入耦合系数c：TA=cTsky K，c一般为一般为90%95%假设假设LNA增益足够大，增益足够大，Ts rain=TLNA+TA K假设假设LNA与天线馈源集成在一起，则与天线馈源集成在一起，则Nrain为：为：Tsca是晴天时系统的噪声温度是晴天时系统的噪声温度dBTTBkTBkTNscasrainnscansrainrainlg10lg10降雨时载波功率降雨时载波功率Crain为：为：Crain=Cca-AraindB降雨时降雨时C/N为：为：(C/N)dn rain=(C/N)dn ca-Arain-Nrain dB雨衰时的系统噪声温度与雨衰时的系统噪声温度与C

26、/N链路裕量如何被降雨抵消链路裕量如何被降雨抵消设设DBS-TV预算实例中有预算实例中有3dB雨衰雨衰加上晴天损耗加上晴天损耗0.4dB，一共，一共3.4dB，雨天电噪声为，雨天电噪声为晴天天电噪声晴天天电噪声天线噪声来源：固定噪声，温度可变噪声天线噪声来源：固定噪声，温度可变噪声KTskyrain147)101(27010/4.3KTca23)101(27004.0KTTTALNAsrain26914712110dBTTNscasrainrain7.2145/269lg10/lg10dBNCdnrain6.87.233.14)/(雨衰雨衰=Ts rain 上升上升=N上升，同时上升，同时C下

27、降下降C/N下降下降雨衰雨衰 dB不能简单的将雨衰从链路裕量中扣除！不能简单的将雨衰从链路裕量中扣除！实际情况中需反复计算才能得到对应雨衰的链实际情况中需反复计算才能得到对应雨衰的链路裕量减小值。路裕量减小值。链路裕量如何被降雨抵消链路裕量如何被降雨抵消上行链路设计上行链路设计地面站发射功率可变地面站发射功率可变,设计简单设计简单小型地面站功率小小型地面站功率小,特别是移动地面站特别是移动地面站,发射功率受到限制发射功率受到限制,因此因此C/N通常也是很低的通常也是很低的转发器的交调问题致使多载波信号输出时如转发器的交调问题致使多载波信号输出时如FDMA，功率一般，功率一般需要降需要降13dB

28、，有些甚至，有些甚至57dB，即使单载波也要降低功率，避，即使单载波也要降低功率，避免免AM-PM转换转换上行链路以通量密度作衡量标准，典型值上行链路以通量密度作衡量标准，典型值-100dBW/m2，发射功，发射功率率100W，天线直径，天线直径9m，C波段波段上行链路设计上行链路设计转发器的参数：转发器的参数：xpnupTBNC,)/()(dBWBTkNnxpxp转发器输入噪声功率：转发器输入噪声功率：)(dBWLLGGPPupprttrxp转发器输入信号功率：转发器输入信号功率：Lup：除路径损耗外的所有损耗：除路径损耗外的所有损耗转发器的转发器的C/N：)()/(lg10/dBNPBkT

29、PNCxprxpnsr)(/dBWNCNPrxp转发器输入信号功率：转发器输入信号功率：采用弯管转发器：采用弯管转发器：)(0dBWGBOPPxpsatrxp上行链路设计上行链路设计天线干扰问题：天线干扰问题：GEO卫星密集，小型化上行天线波束宽，对相卫星密集，小型化上行天线波束宽，对相邻卫星造成干扰邻卫星造成干扰上行链路天线旁瓣要求上行链路天线旁瓣要求总体总体C/N的链路设计的链路设计结合卫星结合卫星C/N设计设计对于同一载波对于同一载波C卫星链路中一般有两个卫星链路中一般有两个C/N，上行，上行C/N、下行、下行C/N对于两个对于两个C/N，估计，估计(C/N)0的经验规则：的经验规则：两

30、个两个C/N相等，则相等，则(C/N)0低低3dB 两个两个C/N相差相差10dB，则，则(C/N)0比较小的低比较小的低0.4dB 两个两个C/N相差相差20dB，则，则(C/N)0约等于较小的约等于较小的C/N，精度，精度0.1dB.)/(1)/(1)/(1/1)/(3210NCNCNCNC)(.),lg(10)/(.)/(.)/(1)/(32103213210WNNNNCdBWNCNNNCCNCNCNNCi总体总体C/N的链路设计的链路设计转发器的三种工作模式：转发器的三种工作模式：线性转发器：线性转发器：非线性转发器：非线性转发器：再生式转发器：再生式转发器：)(dBWGPPxpino

31、ut)(dBWGGPPxpinout)(dBWCPoutupNC)/(三种转发器对应上行：三种转发器对应上行：dBANCNCupairclearrainuplink_0_0)/()/(线性转发器：线性转发器：非线性转发器：非线性转发器：GdBdBANCNCupairclearrainuplink_0_0)/()/(带反馈的转发器：带反馈的转发器：dBNCNCairclearrainuplink_0_0)/()/(下行衰减下行衰减dnNC)/(dBNANCNCrainrainaircleardnraindn_)/()/(总载噪比：总载噪比：)/(1)/(1/1)/(_0upraindnNCNCN

32、C总体总体C/N的链路设计的链路设计卫星通信链路设计步骤卫星通信链路设计步骤确定系统的工作频段。通常利用比较设计来帮助选择频段确定系统的工作频段。通常利用比较设计来帮助选择频段确定卫星通信参数。估计未知参数确定卫星通信参数。估计未知参数确定发射地面站和接收地面站的参数确定发射地面站和接收地面站的参数从发射地面站开始，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算，从而确定转发器内的(C/N)up根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率建立接收地面站的下行功率和噪声计算。计算位于覆

33、盖区边建立接收地面站的下行功率和噪声计算。计算位于覆盖区边缘的地面站的缘的地面站的(C/N)up，(C/N)0计算基带信号的计算基带信号的S/N或或BER。确定链路裕量。确定链路裕量估计计算结果。并与规定性能比较，根据需要调整系统参数估计计算结果。并与规定性能比较，根据需要调整系统参数，直到获得合理的，直到获得合理的(C/N)0或或S/N或或BER。可能要反复多次。可能要反复多次确定链路工作要求的传输条件。分别计算出上行链路和下行链确定链路工作要求的传输条件。分别计算出上行链路和下行链路的中断时间路的中断时间若链路裕量不够，可以通过调整某些参数，对系统重新设计。若链路裕量不够，可以通过调整某些

34、参数，对系统重新设计。最后检验所有的参数是否都符合要求，以及设计是否可以按照最后检验所有的参数是否都符合要求，以及设计是否可以按照预算正常工作预算正常工作卫星通信链路设计步骤卫星通信链路设计步骤系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星Ku波段卫星参数波段卫星参数 位于对地静止轨道上位于对地静止轨道上73W且携带有且携带有28个个Ku频段转发器频段转发器 总总RF输出功率：输出功率：2.24KW 天线中心增益（发射与接收）：天线中心增益（发射与接收）：31dB 接收系统噪声温度：接收系统噪声温度：500K 转发器饱和输出功率：转发器饱和输出功率：Ku波段波段80W 转发器带宽：转发器带

35、宽：Ku波段波段54MHz信号：信号：传输码元速率为传输码元速率为43.2Msps的压缩数字视频信号的压缩数字视频信号 接收机内最小允许总载噪比接收机内最小允许总载噪比(C/N)0：9.5dBKu波段发射地面站波段发射地面站 天线直径天线直径5m 孔径效率孔径效率68%上行链路频率上行链路频率14.15GHz Ku波段转发器所要求的波段转发器所要求的(C/N)30dB 转发器转发器HPA输出补偿输出补偿1dB 上行链路混合损耗上行链路混合损耗0.3dB 位置：卫星接收天线的位置：卫星接收天线的-2dB等高线等高线Ku波段接收地面站波段接收地面站 下行链路频率下行链路频率11.45GHz 接收机

36、接收机IF噪声带宽噪声带宽43.2MHz 天电噪声温度天电噪声温度30K LNA噪声温度噪声温度110K 晴天时要求的总载噪比晴天时要求的总载噪比(C/N)0 17dB 下行链路混合损耗下行链路混合损耗0.2dB 位置：卫星发射天线的位置：卫星发射天线的-3dB等高线等高线系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星降雨衰减和传播因素降雨衰减和传播因素 晴天时晴天时Ku波段的衰减波段的衰减 上行链路上行链路14.15GHz 0.7dB 下行链路下行链路11.45GHz 0.5dB降雨衰减降雨衰减 上行链路上行链路每年每年0.01%的时间的时间6.0dB 下行链路下行链路每年每年0.01%

37、的时间的时间5.0dB系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星Ku频段上行链路设计频段上行链路设计 上行链路噪声功率预算上行链路噪声功率预算 k=波尔兹曼常数波尔兹曼常数-228.6dBW/K/Hz Ts=500K 27.0dBK B=43.2MHz 76.4dBHz N=转发器噪声功率转发器噪声功率-125.2dBW(C/N)up=30dB，转发器输入端的接收功率必须比噪声功率高，转发器输入端的接收功率必须比噪声功率高30dB。Pr=转发器输入端功率转发器输入端功率=-95.2dBW上行链路直径为上行链路直径为5m，孔径效率为，孔径效率为68%。14.15GHz时波长为时波长为2.

38、120cm=0.0212m，天线增益为：，天线增益为：dBDGt7.55)/(68.0lg102系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星自由空间路径损耗：自由空间路径损耗：上行链路功率预算上行链路功率预算Pt=地面站发射功率地面站发射功率 Pt dBWGt=地面站天线增益地面站天线增益55.7dBGr=卫星天线增益卫星天线增益31.0dBLp=自由空间路径损耗自由空间路径损耗-207.2dBLant=-2dB等高线上的等高线上的E/S-2.0dBLm=其他损耗其他损耗-1.0dBPr=转发器接收功率转发器接收功率 Pt-123.5dB满足满足(C/N)up=30dB条件的转发器输入功

39、率为条件的转发器输入功率为-95.2dBW，所以，所以 Pt-123.5dB=-95.2dBW，Pt=28.3dBW或或675W！dBRLp2.207)/4lg(102系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星Ku频段下行链路设计：频段下行链路设计：计算计算(C/N)dn，使之满足，使之满足(C/N)up=30dB时，时，(C/N)0=17dB因此：因此：下行链路噪声功率：下行链路噪声功率：k=波尔兹曼常数波尔兹曼常数-228.6dBW/K/HzTs=30+110K=140K 21.5dBKBn=43.2MHz 76.4dBHzN=转发器噪声功率转发器噪声功率-130.7dBW地面站接

40、收机输入端功率地面站接收机输入端功率updnNCNCNC)/(1)/(1)/(10dBNCNCdndn2.176.52)/(019.01000/150/1)/(1dBWdBdBWPr5.1132.177.130系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星路径损耗，已知路径损耗，已知14.15GHz时路径损耗为时路径损耗为207.2dB，则，则11.45GHz时路径损耗为：时路径损耗为：Lp=207.2-20lg(14.15/11.45)=205.4dB转发器输出功率补偿为转发器输出功率补偿为1dB，所以输出功率比，所以输出功率比19.0dB（80W）低低1dB，即，即Pt=19dBW-1

41、dB=18dBW下行链路功率预算下行链路功率预算 Pt=转发器发射功率转发器发射功率18.0 dBW Gt=卫星天线增益卫星天线增益31.0 dB Gr=地面站天线增益地面站天线增益Gr dB Lp=自由空间路径损耗自由空间路径损耗-205.4 dB La=-3dB等高线上的等高线上的E/S-3.0 dB Lm=其他损耗其他损耗-0.8 dB Pr=地面站接收功率地面站接收功率Gr-160.23 dB系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星满足满足(C/N)dn=17.2 dB，Pr=-113.5 dBW=Gr-160.2 dBGr=46.7 dB或或46774（比值）（比值）天线直

42、径（设天线孔径效率天线直径（设天线孔径效率65%）Gr=0.65(D/)2=46774，频率，频率11.45GHz时，波长时，波长2.62cm=0.0262m。则天线直径。则天线直径D=2.14m。Ku波段降雨影响：每年波段降雨影响：每年0.01%时间衰减时间衰减6dB上行链路：上行链路：(C/N)up=30dB，降雨衰减，降雨衰减6dB，则，则(C/N)up_rain=24dB，如果转发器不采用功率控制，下行功率降低，如果转发器不采用功率控制，下行功率降低18dBW-6dB=12dBW，(C/N)dn降低降低6dB，(C/N)0降低降低 6dB=11dB，则，则比最低门限高比最低门限高1.5

43、dB，所以上行链路裕量，所以上行链路裕量7.5dB系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星采用上行链路功率控制（采用上行链路功率控制（UPC），），3dB控制范围可以将控制范围可以将(C/N)0提提高到高到14dB，代价是地面站的发射功率巨大（，代价是地面站的发射功率巨大（1350W！），对其！），对其他卫星系统造成干扰他卫星系统造成干扰 采用提高天线增益的方法，提高采用提高天线增益的方法，提高EIRP，减小天线波束宽度，降低干扰，减小天线波束宽度，降低干扰下行链路衰减，天线噪声增量下行链路衰减，天线噪声增量 设设11.45GHz时雨衰时雨衰 5dB 的时间占全年的时间占全年0.01

44、%，天电噪声和天线噪声，天电噪声和天线噪声100%耦合，晴天大气衰减耦合，晴天大气衰减 0.5dB 晴天天电噪声温度：晴天天电噪声温度：270(1-10-0.05)=29.4K（与规范中（与规范中30K一致）一致）雨天噪声温度：雨天噪声温度：Tsky rain=T0(1-G)，G=10-5.5/10=0.282，Tsky rain=270(1-0.282)=194K Ts rain=194+110=304K 或或 24.8dBK，Ts clear=110+30=140K 噪声功率增量：噪声功率增量：N=10lg(304/140)=3.4dB(C/N)dn rain=17.2-3.4-5=8.8

45、dB，由于，由于(C/N)up=30dB，则，则(C/N)0=8.8dB系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星(C/N)0不满足解调器要求，所以需重新计算降雨衰减，当雨衰为不满足解调器要求，所以需重新计算降雨衰减，当雨衰为4.5dB时：时：Tsky rain=T0(1-10-(4.5+0.5)/10)=185K，N=10lg(110+185)/(110+30)=3.2dB，则，则C/Ndn rain=17.2 4.5 3.2=9.5dB，(C/N)0=9.5dB设计改进：为达到设计改进：为达到5dB降雨衰减要求，增加天线直径到降雨衰减要求，增加天线直径到2.4m，天线增益提高天线增

46、益提高20lg(2.40/2.14)=1.0dB。相应雨衰可以到。相应雨衰可以到5.5dB系统设计实例系统设计实例Ku波段波段GEO卫星卫星系统设计实例系统设计实例2LEO卫星个人通信系统卫星个人通信系统采用较低频段采用较低频段L波段（波段（1500MHz1600MHz）或）或S波段（波段（2460 MHz）卫星相对地面速度卫星相对地面速度7.7Km/s，单波束直径，单波束直径500km，接入时间小于，接入时间小于1min，采用波，采用波束自动切换保持通信连续束自动切换保持通信连续话音采用语音压扩技术，话音采用语音压扩技术，4800bps数据速率，前向数据速率，前向FEC卫星链路卫星链路4条：

47、输出上行链路，输出下行链路，输入上行链路，输入下行链路条：输出上行链路，输出下行链路，输入上行链路，输入下行链路LEO卫星个人通信系统卫星个人通信系统卫星参数卫星参数 饱和输出功率饱和输出功率10W 转发器带宽转发器带宽1MHz 移动终端上行链路频率移动终端上行链路频率1650MHz 移动终端下行链路频率移动终端下行链路频率1550MHz 网关站点上行链路频率网关站点上行链路频率14GHz 网关站点下行链路频率网关站点下行链路频率11.5GHz 14GHz上行链路天线增益上行链路天线增益3dB 11.5GHz下行链路天线增益下行链路天线增益3dB 卫星接收机系统噪声温度卫星接收机系统噪声温度5

48、00K 覆盖区最大距离覆盖区最大距离2200kmLEO卫星个人通信系统卫星个人通信系统移动终端参数：移动终端参数：发射机输出功率发射机输出功率0.5W 天线增益（发射与接收）天线增益（发射与接收）0dB 接收机系统噪声温度接收机系统噪声温度300K 发射比特速率发射比特速率4800bps 接收比特速率接收比特速率96kbps 规定最大比特误码率规定最大比特误码率10-4网关站点参数网关站点参数 发射机输出功率（最大值发射机输出功率（最大值/转发器）转发器）10W 天线增益（发射，天线增益（发射，14GHz）55dB 天线增益（接收，天线增益（接收，11.5GHz）53.5dB 接收系统噪声温度

49、（晴天）接收系统噪声温度（晴天）140K 发射比特速率（发射比特速率（FEC编码前）编码前）300kbps 接收比特速率（接收比特速率（FEC解码后）解码后）4800bps 规定最大比特误码率规定最大比特误码率10-4系统计算系统计算BER=10-4，S/N=1/4Pe=34dB，BPSK调制调制=Bn=比特速率，采用升余弦比特速率，采用升余弦=0.5的滤波器的滤波器=系统实际带宽系统实际带宽=7.2KHzBPSK解调器对应语音信道解调器对应语音信道S/N=34dB时的时的C/N理论值理论值8.4dB，实际上考虑滤，实际上考虑滤波器非理想等因素，波器非理想等因素，C/N最小值增加最小值增加0.

50、6dB裕量裕量=9dB上行链路功率预算（移动终端到卫星链路，输入链路）：上行链路功率预算（移动终端到卫星链路，输入链路）：手机单元的手机单元的EIRP PtGt-3dBW 接收天线增益（多波束）接收天线增益（多波束）Gr 23dB 1650MHz路损路损 Lp-163.6dB 其他损耗其他损耗 Lm-3.5dB 卫星端的接收功率卫星端的接收功率 Pr-147.1dBW转发器噪声功率计算转发器噪声功率计算 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 k-228.6dBW/K/Hz 系统噪声温度系统噪声温度 Ts 27dBK 噪声带宽噪声带宽 Bn 36.8dBHz 噪声功率噪声功率 N-164.8dBW系统计算系