李子龍，婁景藝，屈曉旭

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

摘　要：衛(wèi)星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強(qiáng)、覆蓋面積廣和通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，已成為艦船通信的重要手段。針對(duì)Ku頻段衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，提出了一種鏈路計(jì)算方法，并給出了岸基發(fā)送站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和接收系統(tǒng)的參數(shù)，通過(guò)實(shí)例分析，計(jì)算上行發(fā)送站的EIRP、接收站天線的方位、鏈路降雨衰減、鏈路載噪比及鏈路余量等，從而設(shè)計(jì)出合理的鏈路預(yù)算。

關(guān)鍵詞：Ku頻段；衛(wèi)星通信；鏈路計(jì)算；雨衰；載噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.007

Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算

李子龍，婁景藝，屈曉旭

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

摘要：衛(wèi)星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強(qiáng)、覆蓋面積廣和通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，已成為艦船通信的重要手段。針對(duì)Ku頻段衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，提出了一種鏈路計(jì)算方法，并給出了岸基發(fā)送站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和接收系統(tǒng)的參數(shù)，通過(guò)實(shí)例分析，計(jì)算上行發(fā)送站的EIRP、接收站天線的方位、鏈路降雨衰減、鏈路載噪比及鏈路余量等，從而設(shè)計(jì)出合理的鏈路預(yù)算。

關(guān)鍵詞：Ku頻段；衛(wèi)星通信；鏈路計(jì)算；雨衰；載噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.007

收稿日期：Received date:2015-02-01；Revised date：2015-04-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61302099)Foundation Item:National Natural Science Foundation(61302099)

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號(hào)：號(hào)：1002-0802(2015)06-0662-05

Abstract：For its large capacity, low cost, strong anti-interference ability, wide coverage, long communication distance and other excellent characteristics, satellite communication now becomes an important means of ship communication .Aiming at the characteristics of Ku-band satellite communication, this paper puts forward a method for link-budget calculation, gives the main parameters of shore-base transmitting station, satellite transponder and receiving system. Based on analysis of specific examples, EIRP of the up-going transmitting station, antenna azimuth of the receiving antenna, rain attenuation of the link, carriernoise ratio of the link margin are calculated. And finally a reasonable link budget is produced.

作者簡(jiǎn)介：

Calculation of Ku-Band Satellite Communication Link Budget

LI Zi-long，LOU Jing-yi, QU Xiao-xu

(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

Key words：Ku-band；satellite communication; link-budget calculation; rain attenuation; carriernoise ratio

0引言

在研究Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)，鏈路計(jì)算是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)時(shí)涉及以下幾點(diǎn)：(1)是上行發(fā)送站的EIRP，描述了射頻信號(hào)的發(fā)射能力，是高功放的輸出功率和天線增益的乘積，而且要考慮饋線損耗;(2)是降雨衰減，由于Ku頻段電磁波的波長(zhǎng)為十幾毫米，而雨滴的直徑為數(shù)毫米，其穿過(guò)雨區(qū)時(shí)會(huì)受到傳輸損耗，根據(jù)ITU-R雨衰模型，計(jì)算雨致衰減量;(3)是噪聲影響，衛(wèi)星通信接收的載波電平較低，因此對(duì)噪聲非常敏感，要分析各種噪聲源對(duì)通信系統(tǒng)的影響。

1鏈路損耗

1.1自由鏈路損耗、大氣衰減、天線未對(duì)準(zhǔn)衰減

自由鏈路損耗[1]指自由空間損耗，其與傳輸距離和頻率成正比為：

(1)

上行大氣層吸收衰減一般為L(zhǎng)au=0.14d B，下行大氣層吸收衰減一般為L(zhǎng)ad=0.12 dB。

天線未對(duì)準(zhǔn)衰減，指衛(wèi)星天線和地球站天線的偏軸衰減，一般為L(zhǎng)pu=0.5 dB。

1.2鏈路雨致衰減Lru

一般只計(jì)算一次，或只考慮下行鏈路，根據(jù)ITU—R的降雨衰減公式[2]：

(2)

(3)

可知，上行鏈路總損耗Lu=Lfu+Lau+Lpu。同理，下行鏈路總損耗Ld=Lfd+Lad+Lpd+Lrd。

2衛(wèi)星鏈路載噪比

2.1上行鏈路載溫比、載噪比與載溫比轉(zhuǎn)換

上行鏈路載溫比：

[C/T]u=Ws-IPBO+[G/T]s-10lg(4π/λu2),

IPBO=Ws-[EIRPe-Lu+10lg(4π/λu2)]

(4)

IPBO為每載波輸入回退，帶入上式得：

[C/T]u=EIRPe-Lu+[G/T]s

(5)

下行鏈路載溫比：

(6)

載噪比與載溫比轉(zhuǎn)換：

上行鏈路載噪比：

(7)

下行鏈路載噪比：

(8)

2.2總載噪比

2.2.1鄰近衛(wèi)星干擾

從地球站觀察，靜止軌道衛(wèi)星間存在角度一般不是很大，從地球站天線旁瓣進(jìn)入到鄰近的衛(wèi)星，從而產(chǎn)生功率干擾。Go為接收站天線旁瓣在干擾星方向的增益，一般設(shè)為19.05 dB。計(jì)算公式為：

(9)

2.2.2鄰近信道干擾

在衛(wèi)星信道中，大部分能量集中的帶寬1/Tb內(nèi)，實(shí)際上QPSK信號(hào)中采用0.6/Tb的信道濾波器進(jìn)行濾波，因此鄰近信道或鄰近轉(zhuǎn)發(fā)器的能量會(huì)產(chǎn)生功率干擾。計(jì)算公式為：

(10)

2.2.3正交極化干擾

天線有正交極化和正交圓極化方式，因此地球站天線和衛(wèi)星天線存在正交極化鑒別度，在一次收和一次發(fā)的過(guò)程中，極化鑒別度產(chǎn)生惡化造成衰減。計(jì)算公式為：

(11)

鏈路總載噪比:

(12)

其參數(shù)由衛(wèi)星公司給出,具體見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2.3鏈路余量

鏈路余量與鏈路的總載噪比和接收機(jī)的門(mén)限載噪比有關(guān)，通過(guò)鏈路余量來(lái)判斷能否滿足通信要求，一般余量要求達(dá)到1-2 dB。其計(jì)算公式如下：

(13)

(14)

帶入公式，得載波噪聲帶寬[4]為：

[Bn]=10lg(1.2·8·106/0.75/2)=68.06 dB

3接收天線的方位

接收天線的方位，在與衛(wèi)星通信時(shí)，必須計(jì)算接收天線的方位角、仰角和極化角，這不僅關(guān)系能否正常通信的問(wèn)題，還影響了鏈路的傳輸路徑損耗[5]。

天線方位角:

(15)

天線仰角:

(16)

天線極化角:

(17)

4實(shí)例驗(yàn)證

通過(guò)利用中衛(wèi)1號(hào)(中星5A)和岸基發(fā)射臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

4.1通信要求

(1)發(fā)射天線參數(shù)

1)全向輻射功率EIRPe：55.9 dBW

2)功放功率P：49 dBm

3)調(diào)制方式：QPSK

4)調(diào)制因子a：1/2

5)調(diào)制解調(diào)器門(mén)限Eb/N0：4 dB

6)誤碼率：Pe≤1×10-6

7)載波速率Rb：8 Mb/s

8)前向糾錯(cuò)編碼率FEC：3/4

(2)接收天線參數(shù)

1)天線功率200 W

2)天線尺寸2 m

3)天線效率η：0.5

4)指向損耗：0.5 dB

5)天線收增益Gr：34.9 dB

(3)Ku頻段衛(wèi)星參數(shù)(中衛(wèi)1號(hào))

1)上行頻率：14.0 GHz～14.5 GHz

2)下行頻率：12.2 GHz～12.7 GHz

3)經(jīng)度J：87.5°E

4)飽和EIRPs：55.39 dBW

6)輸入補(bǔ)償IBO：6 dB

7)輸出補(bǔ)償OBO：3 dB

8)轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度(SFD)：Ws=-87.82 dBW/m2

4.2鏈路計(jì)算

中國(guó)處于東經(jīng)75～135度，北緯18～55度之間，當(dāng)接收站位于我國(guó)東海某處(26°N、123°E)，其氣候區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，0℃等溫線高度H為4.8 km，海拔高度H0為0 km，上行頻率為13.7 GHz下行頻率為12.5 GHz，查表得a=0.017 8,b=1.208，p=0.01%點(diǎn)降雨量Rp=100 mm/h[7]。

表1　上行發(fā)送站最大EIRP值計(jì)算

因此，EIRP=P-Loss+G=49-3+40=86 dBW

表2　接收站e值計(jì)算

帶入公式(15)得，天線方位角A=58.4°；帶入公式(16)得，天線仰角E=40.4°；帶入公式(17)得，天線極化角P=50.0°

To為環(huán)境溫度(To==293K)：

表3　下行鏈路雨致衰減計(jì)算

由公式(3)，帶入數(shù)據(jù)得γp=0.8。由公式(2)，帶入數(shù)據(jù)得降雨衰減為：

。

帶入公式(12)(計(jì)算時(shí)不能直接帶入表中的值，要經(jīng)過(guò)公式dB=10lg()將dB值轉(zhuǎn)換為功率值)[8]，得：

5試驗(yàn)分析

晴天情況下，計(jì)算鏈路余量時(shí)，考慮了空間傳輸損耗、饋線天線罩損耗和部分噪聲干擾，但還有一些干擾未考慮，如地面微波干擾和HPA非線性產(chǎn)生的交調(diào)干擾等，故鏈路應(yīng)該存有一定的余量。當(dāng)岸基站的EIRPe設(shè)定63.5 dB時(shí)，鏈路余量為2.25 dB，可達(dá)到鏈路通信要求。

雨天情況下，計(jì)算鏈路余量時(shí)，由于Ku頻段受雨衰影響較大，故需考慮雨衰，設(shè)定接收站位于東海某一位置(26°N、123°E)，通過(guò)查找ITU—R規(guī)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)鏈路可用度為99.99%，p=0.01%點(diǎn)降雨量Rp=100 mm/h，計(jì)算雨衰為41 dB。當(dāng)岸基站的EIRPe設(shè)定為73.7 dB時(shí)，鏈路余量為1.17 dB，也可達(dá)到鏈路通信要求。另外，當(dāng)遇到雨量較大而余量不足時(shí)，可適當(dāng)提高岸基站的發(fā)射功率等，以滿足惡劣條件下的通信。

6結(jié)語(yǔ)

Ku頻段衛(wèi)星通信在設(shè)計(jì)鏈路時(shí)，要綜合考慮發(fā)送站的EIRP、接收天線的方位、降雨衰減、鏈路載噪比及鏈路余量等多種因素。本文給出了鏈路計(jì)算的完整公式和步驟，并通過(guò)實(shí)例分析，得出了該方法的可行性。通過(guò)Ku頻段衛(wèi)星的鏈路計(jì)算，能使用戶合理管理并利用鏈路和衛(wèi)星資源。在現(xiàn)實(shí)的通信條件下，還應(yīng)全面考慮其他干擾，力求是鏈路設(shè)計(jì)過(guò)程更加完善。

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李子龍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

婁景藝(1979—)，女，副教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、數(shù)字信號(hào)處理；

屈曉旭(1976—)，男，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字通信、無(wú)線通信。