卫星链路

卫星通信名词

卫星通信系统中，信息传输中，一条传输链路包括发端地球站、上行链路、卫星转发器、下行链路、收端地球站。按照空间分布可以分为星地链路和星间链路。影响其通信性能的因素主要有：发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的损耗、传输过程中所引入的噪声与干扰、接收系统的天线增益和噪声等。因此，为了满足一定的通信容量和通信质量，有必要对接收系统输入端的信噪比提出一定的要求。

背景

按照国际电信联盟（ITU）定义的电信基本术语，无线线路（或称无线链路）是指由无线电发信机和无线电收信机提供的信道。卫星通信链路是无线链路中的一种，其基本组成是由一个地球站发射机到卫星转发器的上行链路，和卫星转发器到另一地球站接收机的下行链路。

由于从地球站发射的微波功率，经自由空间传播到卫星接收天线的过程，和从卫星转发器变频、放大后，经自由空间传播到接收地球站的过程，信号功率会有许多衰减，再加上卫星和地球站的接收系统又存在内部和外部噪声以及其他干扰，因此，决定一条卫星链路传输质量的主要指标时C/N、或S/N或C/T或Eb/N0。

基本分类

星地链路：由自由空间传播损耗和近地大气的各种影响所确定。

星间链路：只考虑自由空间传播损耗。

卫星通信的电波要经过对流层、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。

卫星通信系统链路的设计

1）卫星通信系统链路的要求：保证通信质量，使接收到的射频载波功率必须远大于噪声功率。

2）设计的主要内容：通过对解调前载波功率与等效噪声温度之比C/T的计算，设计通信链路。

3）传输方程：

传输方程时设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、与发射机到接收机之间距离的关系。

传输方程为：

C=PTGTGR(λ/4πd)

用分贝形式表示为：

C(dBW)= PT(dBW)+ GT(dB)+GR(dB)—20lg(4πd/λ)

4）接收机输入端的噪声功率

在卫星通信链路中，地球站接收到的信号是极其微弱的。特别是在地球站中，由于使用了高增益天线和低噪声放大器，使接收机内部的噪声影响相对减弱。因此外部噪声的影响已不可忽略，即其它各种外部噪声也应同时予以考虑。

地球站接收机的噪声来源于外部噪声和内部噪声。如图1所示。

工作频段主要考虑电离层的反射、吸收；对流层的吸收、散射损耗等因素与频率的关系。

目前，大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：

（1）UHF波段，400、0/2MHz

（2）L波段，1.6/1.5GHz

（3）C波段，6.0/4.0GHz

（4）X波段，8.0/7.0GHz

（5）Ku波段，14.0/12/0GHz；14.0/11/0GHz

（6）Ka波段，30/20GHz

链路计算

所谓链路计算，就是计算地球站接收机输入端处的C/N或S/N、或C/T或Eb/N0这是卫星通信链路设计或分析的基础。

链路计算要涉及到发射端的发射功率与天线增益；传输中的各种损耗；传输过程中引入的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素，这些因素中很多又与工作频率有关。

1.卫星链路计算目标

链路计算主要有以下4个目标：

1）选定通信卫星和工作频段；

2）选择系统所用的天线口径、调制和编码方式；

3）验证所设计线路的可行性与合理性；

4）对系统进行优化以保证系统略有余量，同时所占用的转发器功率资源与带宽资源相平衡。

2.链路计算

卫星链路计算流程如图1所示。根据输入参数计算链路余量，判断余量是否满足要求。若不满足则重新调整地面站的发射参数，增大发射功率或增大天线口径。

计算需要输入发射/接收地面站、卫星、载波和干扰5类参数。

（1）链路衰减

信号在传输过程中会发生各种损耗，在上行链路总衰减时需要考虑可能的衰减。衰减考虑过多可能造成链路设计时过多的余量，以致所需发射功率太大，造成发射站功放或天线的设计负担。考虑上行链路衰减主要包括以下几个方面：

1）自由空间衰减Lfu：

Lfu=20lg(4πdu/λu)=32.45+20lgFu+20lgdu （1）

2）上行大气损耗Lau：一般为0.1~0.2dB；

3）天线指向误差Lpu：一般为0.3~0.5dB；

4）上行链路雨衰Lru：雨天时需考虑，与上行频率和降雨强度等相关。

将上述衰减叠加得上行链路总衰减Lu，即：

Lu=Lfu+Lau+Lpu+Lru （2）

同理可得下行链路的总衰减Ld。

（2）卫星链路载噪比

卫星通信中，模拟系统的调制信号通常为频率调制，数字系统的调制信号通常为恒包络的数字键控信号。调频波各频率分量的功率总和等于未调载波的功率；数字键控信号的平均功率也等于其未调载波的功率。因此，用载波功率表示信号功率具有一般意义。而信号在传输过程中的各种噪声干扰用接收端的等效噪声温度表示，故衡量通信链路质量的信噪比在卫星通信中可以表示为载噪比或载温比。

1）上行载温比

[C/T]u=Ws-IPBO+[G/T]s-10lg(4π/λu)

2）下行载温比

[C/T]d=EIRPs—OPBO—Ld+[G/T]e

3）上下行载噪比

噪声N=kBT，由载温比可以计算得到载噪比：

[C/N]=[C/kBT]=[C/T]-[k]-[Bn]

其中，k为玻尔兹曼常数，Bn为噪声带宽。

4）总载噪比

因卫星具有开放性，因此卫星通信会存在一些干扰，因此计算卫星链路的总载噪比不仅需要考虑上下行链路的载噪比，还需要考虑各种干扰情况，给链路留出余量。若考虑所有意外情况，则过多的余量会导致配置花费过大，造成浪费。因此，只需考虑一些常见的干扰形式，主要包括以下3种干扰：

①上下行邻星干扰

相邻卫星的干扰与干扰星的位置和个数有关，在进行下行链路计算时还需考虑接收站天线的旁瓣特性。

②上下行多载波互调干扰

当卫星占用信道与重负荷的转发器临近时，需考虑邻近信道的影响。一般滴，在多载波工作模式下，该影响会与多载波形成的互调干扰连结在一起，而互调干扰占据主导地位。互调干扰是转发器多载波工作时，因输入输出非线性特性影响，故总输出功率比单载波工作时小，而且会产生新的频率，称为互调产物。虽然它不具有白噪声特性，但为了计算分析方便，引用了互调等效噪声温度的概念表示其影响。互调大小与转发器末级功率放大器的选择有关，且与功率放大器负载的占用程度有关。

③上下行交叉极化干扰

卫星转发器采用极化隔离进行频率重复使用，一般滴，地面站天线和卫星天线的极化隔离并非处于理想状态，故会引起交叉极化干扰。

5）链路余量

链路余量计算公式如下：

Margin=[C/N]total—[C/N]TH

[C/N]TH为接收机的门限载噪比，与所用设备、载波调制方式、前向纠错方式和要求的误比特率有关。

可通过判断链路余量是否大于0，判定该通信链路是否满足要求。

3.链路预算注意事项

在链路预算中用户应重点关心的结果为：

收发站天线大小及天线指向；

功放大小及余量；

载波分配带宽；