《卫星通信与卫星网络》课件_第4章.pptxVIP

第4章卫星链路预算;

链路预算的主要任务通常有两类:

一是在选定卫星转发器和地球站设备的情况下,验证系统能否满足用户的使用要求;

二是在已知空间站或地球站部分参数的条件下,根据实

际应用的技术要求,确定对设备另一部分指标的要求,如地球站天线尺寸、接收机噪声性能等。

卫星通信系统从发端地球站到收端地球站的信息传输过程中,要经过上行链路、卫星转发器和下行链路。图4-1所示为卫星通信基本链路图。;

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上行链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平。下行链路信号的质量取决于收端地球站接收到的信号功率电平和地球站接

收系统的噪声功率电平。;

4.1基本传输理论;

如图4-2所示,假设发射机输出功率为Pt,采用无损天线,天线的增益为Gt,则天线视轴方向上距离R处的功率通量密度为;

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4.1.2天线增益

天线增益是指在给定方向上天线每单位立体角的辐射功率与全向天线在每单位立体角的平均辐射功率的比值。卫星通信系统中,实际应用的天线一般都是定向天线,在某方向上发射或者接收电磁波特别强,此辐射功率最大的方向称为天线的视轴方向,天线增益便是在视轴方向的增益值。;

实际的物理天线,在入射到天线孔径上的能量中,一部分能量会被反射到自由空间,另一部分能量会被有损耗元件(如馈源、支撑组件、副反射器等)吸收。综合考虑以上因素,假设天线是物理直径为D、孔径面积为A的理想天线,利用有效孔径Ae来说明效率降低的程度,则;

天线理论中,天线增益与面积之间有一基本关系式,其天线增益表示为

式中,λ是工作频率对应的波长,单位为m;ηA为天线效率,天线效率是指天线实际接收功率和输入到天线的功率之比。;

不同的天线其ηA值不同,一般的抛物面反射天线的天线效率通常为50%~75%,小型天线的ηA略小一些,大型卡赛格伦天线的ηA略大一些,喇叭天线的ηA则接近90%。因此结合图4-2,假设接收机的接收天线增益为Gr、接收面积为A、有效孔径面积为Ae,则地面站接收机的接收功率Pr可表示为;

4.1.3有效全向辐射功率

通常把地球发射天线或卫星天线在视轴方向上辐射的功率称为有效全向辐射功率(EIRP,EffectiveIsotropicRadiatedPower),它是天线发射功率Pt与天线增益Gt的乘积,具体表示如下:;

若考虑发射机与天线之间连接时在波导、滤波器和耦合器上产生的馈线损耗,发射端的馈线损耗用Lta表示,则式(4-6)可表示为

EIRP是卫星通信链路发射端唯一的品质因数指标。;

4.1.4-自由空间路径损耗

发射机发射信号时,信号由电磁波在自由空间无方向性地辐射,经过一定距离的传播,接收功率会因为辐射而受到损耗,这种损耗称为路径损耗。路径损耗定义为有效发射功率与接收功率之间的比值,用Lp来表示。综上所述,系统的接收功率便可表述如下:;

在通信系统中,通常用分贝来简化表达式,因此式(4-5)变为

式中,各项用分贝表示为;

4.1.5链路功率预算方程

式(4-9)是卫星通信链路的基本链路传输方程,此方程表示理想情况下的接收功率。然而在实际传输链路中还有其他附加损耗,包括大气损耗、馈线损耗和天线指向损耗等。大气损耗是电磁波在大气层中传输时,受到电离层自由电子和离子的吸收,对流层中氧气、水蒸气以及雨、雪等的吸收和散射,从而形成的损耗,用La来表示。发射端的馈线损耗用Lra表示,接收端的馈线损耗用Lra表示。综合考虑通信链路中的各种损耗,链路功率预算方程可表示为;

通常大多数卫星链路采用模拟传输中的频率调制方式,或者采用数字调制中的相位调制方式。这两种调制方式都不会影响系统中载波的幅度,因此利用式(4-5)计算出来的

收功率Pr等于载波功率C。;

4.2系统噪声;

4.2.2噪声温度

噪声温度是通信接收机中的一个非常重要的概念。在射频频段,噪声主要源于接收机中各种器件的电子随机热运动,我们通过噪声温度来确定每个器件引入的热噪声的多少,因此,噪声温度也是另一种量化噪声的方法。;

一个热噪声源得到的可用噪声功率表示为

其中,k=1.38×10-23J/K=-228.6dBW/(K·Hz),为玻耳兹曼常数;Tp为热噪声源的物理温度,单位是K;Bn为噪声带宽,单位是Hz;Pn是可测噪声功率,单位为W,只有当负载与噪声源的阻抗匹配时它才会传送到负载端;kTp表示噪声的功率谱密度,单位为W/Hz。;

噪声系数与噪声温度的转换关系如下:

式中,T0是计算标准噪声的参考温度,通常取290K。若噪声系数单位为分贝,则计算时需先进行单位转换。表4-1给出卫星通信链路中常用的噪声系数与噪声温度