卫星通信链路总结.docx

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1、卫星通信链路总结目录前言11 .天线增益,等效辐射功率和接收功率12 .传输损耗33 .系统噪声温度34 .载噪比85 .上行链路96,下行链路107 .雨水衰减108 .联合载噪比119 .互调噪声12前言1 .空间链路狭义上分为上行链路和下行链路，如果不考虑卫星组网的情况，就是一颗卫星做中继，两个地面终端通信的场景。上行链路和下行链路都有很大的损耗，计算这些损耗和衰落，是设计卫星通信产品的重要指标。2 .整个通信过程可以大致理解为地面站一一卫星转发器一一地面站3 .接下来我们就从地面的发射机天线讲起，将整个链路讲清楚4 .在工程中，我们经常将数值转换为db的形式，在本文中口则为某数据的db

2、值例如天线增益G为104104,贝JG=101gG=40dBG=101gG=40dB1 .天线增益,等效辐射功率和接收功率为了提高天线定向辐射的能力，通信天线的定向性都很强，但计算中不容易。我们会引入线的增益的概念。假如现有一个定向天线，它的输出功率为PsP_s,增益为GG就意味着该天线等效为一个输出功率为PsGP.sG的各向同性天线。将天线等效为各向同性天线后，这个天线在空间中等距离球面的各点辐射相同。在发射天线和接收天线对准的情况下，等效全向天线的计算结果和原定向天线的计算结果相同。举例来说就是发射天线输出功率PsP-S,那么发射天线的等效全向辐射功率(11)E1RP=GtPsEIRP=G

3、JP_stag1-1发射天线辐射的电磁波强度至于距离有关，辐射功率通量密度(12)m=EIRP4r2Phi_m=fracEIRP4pir2tag1-2接收天线的增益GrG_r接收天线的有效面积(1-3)Se=2Gr4五S-e=frac1ambda2G_r4pitag1-3发射天线的接收功率(1-4)Pr=mSe=GtGrPs(入44r)2P_r=Phi_mS_e=G_tG_rP_s(frac1ambda4pir)2tag1-4用分贝的语言表示(1-5)EIRP=Gt+PsEIRP=G.t+P.stag1-5(1-6)Pr=EIRP+Grd10Ig(4r)2P_r=EIRP+G_r-101g(f

4、rac4pir1ambda)2tag1-6其中等号右边第三项被称为自由空间损耗FS1(1-7)FS1=201g(f)+201g(r)+201g4cFS1=201g(f)+201g(r)+201gfrac4pictag1-7其中频率单位为MHz,距离单位为km,FS1为比值无单位则光速单位为km*MHz=109ms1(P9ms,所以c=0.3km*MHzc=0.3km*MHz(1-7)的第三项(1-8)201g4c=201g4*3.140.3=32.4201gfrac4pic=201gfrac4*3.140.3=32.4tag1-8自由空间损耗FS1的计算(1-9)FS1=201gf+201gr

5、+32.4FS1=201gf+201gr+32.4tag1-9补充天线增益的计算公式，在卫星通信中，反射面天线的使用尤为广泛，近年来有向微带天线等体积更小，增益更大的阵列天线发展的趋势，但我们只在此介绍反射面天线的增益的计算公式(I-IO)G=(D)2=(fDc)2G=eta(fracpiD1ambda)2=eta(fracpifDc)2tag1-10参数表中频率比波长更常见,公式(1-10)中neta是孔径效率，有两个典型值，0.55和0.72.D是反射面口径当频率单位GHz,反射面口径单位m,光速单位m*GHz=109ms109ms,c=3IO-ImGHzc=3times1O-1mcdot

6、GHz将常数带入：(I-I1)G=(10.47fD)2G=eta(10.47fD)A2tag1-11根据(16)我们得到了一条链路的两端，计算出了最后接收功率。接收功率与发射功率，发射天线增益，接收天线增益，自由空间损耗有关,自由空间损耗的产生来源于电磁波传播，距离越远，接收到的能量越少但这个模型涵盖了通信链路可以说90%的能量传输过程，但还是过于简陋，还有各种各样的损耗和衰减，在需要精密建模的时候会用到2 .传输损耗传输损耗的主体是上文提到的FS1自由空间损耗，也有其他情况产生的损耗，比如馈线损耗RS1;天线指向损耗AP1,极化损耗，两相合并得到天线失调损耗AM1;固定大气损耗AA和电离层损

7、耗P1.噪声温度一节会更详细的介绍这些损耗。总体的传输损耗1OSS1计算1OSS=FS1+RS1+AM1+AA+P11OSS=FS1+RS1+AM1+AA+P13 .系统噪声温度系统噪声功率有明显的特征：噪声带宽大于有用信号的3dB带宽噪声带宽内噪声功率比较平坦多个噪声源的噪声温度可以直接相加(3-1)PN=kTNBNP_N=kT_NB_Ntag3-1)(3-2)N0=kTNN,0=kT-Ntag3-2噪声功率谱密度N0N.0噪声带宽内基本不变1 .天线噪声温度用TantT_ant表示，与频率，天线仰角有关2 .放大器噪声温度在卫星有效载荷一章中我们学过在卫星转发器中放大器是跟在卫星接收天线后

8、面的我们推定放大器的增益为G,噪声温度为Te,那么这两个连在一起形成的噪声怎么计算呢NoiseJnEnergy=RTantNoiseJnEnergy=kTeNoise_outEnergy=G(kTanHTe)图1.天线与低噪声放大器相连天线的输入噪声Nant=kTantN_ant=kT_ant放大器输入噪声N1NA=kT1NAN.1NA=kT,1NA输入噪声(3-3)Nin=k(Tant+T1NA)N_in=k(T_ant+T_1NA)tag(3-3)输出噪声(3-4)Nout=Gk(Tant+T1NA)N-out=Gk(Tant+T-1NA)tag3-4其实也可以从另一个角度理解：天线的噪声

9、温度和放大器的噪声温度可以直接相加得到系统的噪声温度。单级放大器的输入输出噪声非常简单，因为只涉及一个增益。多级放大器每一级噪声的放大倍数不一样了，分析就更加复杂。3,级联放大器噪声温度我们以二级放大器为例分析并推广到n级放大器级联的情况。每个放大器的输入输出不同，噪声温度也不尽相同图2.放大器级联Hooeout(ncfg-(Gi)(k1ant*Te计算过程：我们用Te代表放大器噪声温度(注意要从后往回推).我们的目标是求得级联放大器系统的系统噪声温度可以用的方法只有两个：噪声温度可以直接相加放大器会把噪声放大G倍G=G1G2G3.GnG=G_1G_2G_3.G_n计算时要注意输入和输出的区别

10、，同一级放大器的输入和输出成倍数关系，前一级的输出和后一级的输入相差一个后一级的单位频谱噪声能量二级输出和和二级输入(3-4)N0,out=G2N0,2N0zout=G_2N0,2tag3-4二级输入和一级输出(3-5)N0,2=G1N0,1+kTe2N_0,2=G_1N_0,1+kT_e2tag3-5一级输出(3-6)N04=k(Tant+Te1)N04=k(Tant+T-e1)tag3-6kT_e2N-0,2图3：输入与输出之间的关系如果用二级输入除以第一级放大器的增益：(3-7)G1k(Tant+Te1)+kTe2G1=k(Tant+Te1+Te2G1)=kTsfracG-1k(T-an

11、t+T,e1)+kT.e2G_1=k(T.ant+T-e1+fracT.e2G-1)=kT-Stag(3-7TsT_s被视作系统噪声温度关于级联噪声温度TsT-S的计算：二级输入：(3-8)N0,2=kTe2+G1k(Te1+Tant)N_0,2=kT_e2+G_1k(T_e1+T_ant)tag3-8(3-9)Ts=Te1+Tant+Te2G1T_s=T_e1+T_ant+fracT_e2G_1tag3-9三级输入：(3-10)N03=G2N012+kTe3=G2G1k(Te1+Tant)+G2kTe2+kTe3N-0,3=G_2N-0,2+kT.e3=G_2G-1k(T-e1+T-ant)

12、+G_2kT-e2+kT,e3tag3-10(3-11)Ts=Te1+Tant+Te2G1+Te3G1G2T.s=T-e1+T-ant+fracT.e2G_1+fracT.e3G.1G_2)tag3-11N级输入：(3-12)Ts=Te1+Tant+Te2G1+Te3G1G2+Te4G1G2G3+.+TenG1.GnT_s=T_e1+T_ant+fracT_e2G_1+fracT_e3G_1G_2)+fracT_e4G_1G_2G_3+.+fracT_enG_1.G_ntag3-124.噪声因子与噪声温度的关系一-般用TO=290KTJ)=290K代表室温，地面上的信号源在室温工作，因此可以求

13、出信号源的输出噪声kT0kTJ).假定有一个噪声温度为TeT_e,增益为GG的放大器，信号噪声通过同放大器的输出N0,outN,0,out)(3-13)N0,out=Gk(T0+Te)N0,out=Gk(T-0+T.e)tag3-13我们想去掉式子里的TeT_e,所以引入了噪声因子FF(3-14)N0,out=FGkT0N.0,out=FGkT-0tag3-14也就有(3-15)F=1+TeT0F=1+fracT_eT_0tag3-15)用F表示接收机噪声温度(3-16)Te=(F.)T0T_e=(F-1)T_0tag3-16对噪声因子取对数，得到噪声系数FF(3-17)F=101gFF=10

14、1gFtag3-175.吸收网络的噪声温度吸收网络主要有电阻，传输线，波导。微波中学过无耗传输线，但现实中并不存在。信号经过这些吸收网络一定会产生损耗11图4.有耗吸收网络电阻RTR.T产生的噪声kRTkR.T经过吸收网络衰减，还会额外加上吸收网络自身产生的热噪声上170很11_10闵(这里和放大器原理是一一样的)最后辐射出去。此刻电阻源和天线是匹配的，所以天线的噪声温度与电阻的噪声温度相同(3-18)Nradio=kTx=kTx1+kTnetN_radio=kT_x=frackT_x)1+kT_nettag3-18)这个式子可以解出11=fracT_xT_x-T_nettag3-19对于确定的吸收网络，1一般是固定的T_netJnput)=(1-frac11)T_xtag3-20T.neoutput=(1-1)T-xtag3-