第五章衛星接收系統的工程設計與調試衛星鏈路的計算方法數字衛星鏈路的傳輸質量鏈路方程：上行鏈路，下行鏈路，總鏈路衛星接收站的工程設計衛星接收天線的幾何參數衛星接收機的輸入電平接收系統的噪聲溫度工程設計實例5.1衛星鏈路的計算方法1、衛星鏈路的計算，就是對信號傳輸質量與各項技術參數之間的關系進行定量分析。2、在諸多技術參數中起著舉足輕重作用的是（1）廣播衛星的等效全向輻射功率EIRP（2）衛星接收天線的口徑。3、衛星鏈路可分為上行鏈路和下行鏈路兩部分，兩個鏈路的性能指標串接之后就決定了整個衛星鏈路的質量，在實際工程問題中，由于上行鏈路的性能一般要優于下行鏈路的性能，因此整個衛星鏈路的傳輸質量在很大程度上由下行鏈路來確定。5．1．2數字衛星鏈路的傳輸質量1、在數字衛星鏈路中，由于存在著各種噪聲和干擾的影響，因此在衛星接收機的解碼過程中就會出現誤碼，于是誤碼率(誤碼數與總碼數之比)就成為了傳輸質量的判斷依據。誤碼率越小，則系統的性能就越好。2、誤碼率是Eb/N0的函數，數字衛星鏈路的傳輸質量是由系統的Eb/N0所決定的。在DVB-S系統中，誤比特率與Eb/N0門限之間的關系在表5—1中給出，該表是數字衛星鏈路的計算依據。內碼碼率RcRS譯碼后達到BER=10-10~10-11，維特比譯碼后BER=2×10-4所需的Eb/N0（dB）1/24.52/35.03/45.55/66.07/86.45．1．3鏈路方程衛星鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩種，由于兩種鏈路的已知參數是不同的，因此上行鏈路方程和下行鏈路方程的形式略有區別。一、上行鏈路1、已知參數已知參數為：①衛星轉發器單載波飽和通量密度ψs，②衛星轉發器的品質因素G／T、③衛星轉發器的輸入補償B0i。發射天線的增益，固態功放的輸出功率5．1．3鏈路方程2、衛星轉發器單載波飽和通量密度是指，當衛星轉發器中的行波管放大器處于剛剛飽和狀態時，上行信號電磁波在衛星所在地點的功率通量密度，單位為dBw／m2。目前，衛星轉發器單載波飽和通量密度的典型值在-70～-80dBw／m2的范圍內。5．1．3鏈路方程3、衛星轉發器的輸入補償B0i衛星轉發器的輸入補償與傳送節目的方式有關。（1）在轉發MCPC方式的數字衛星信號時，由于在轉發器的工作帶寬之內只有一個載波，故不存在交調干擾，為了充分利用功率，轉發器的輸出功率接近飽和狀態，也就是說，B0i≈0。（2）在轉發SCPC方式的數字衛星信號時，在轉發器的工作帶寬之內存在多個載波，此時就會出現交調干擾，為了減少交調干擾的影響，轉發器的輸出功率要比飽和時低幾個分貝；另外每一路載波都是轉發器的激勵信號，而轉發器的輸入功率為各個輸入載波的功率之和，因此每一路載波的強度也要比單載波激勵時小一些。考慮到上述的兩個原因，工作在單路單載波方式SCPC時，衛星轉發器的輸入補償大約在10dB左右。行波管的非線性

行波管的非線性（續）飽和點：輸出功率最大的點。線性區：從低端的熱噪聲極限至1dB壓縮點所限定的區域。1dB壓縮點：實際的功率轉移曲線比外插的直線低1dB的點。非線性效應多載波情況下，將產生互調/交調干擾。單載波情況下，包絡起伏將造成相位調制。輸入補償多載波工作時，對任何載波，飽和點附近的功率輸出小于單載波飽和點的值。為了降低互調/交調失真，行波管的工作點必須靠近曲線的線性部分。如圖。輸入補償：任何載波的工作點輸入電平與單載波飽和點輸入電平的dB差。輸出補償：輸出功率相應的下降值。輸入補償（續）輸出補償輸出補償與輸入補償的關系不是線性的。考慮輸出補償值的經驗方法如圖所示。在線性區，輸入補償與輸出補償的dB變化比例是1：1。所以輸出補償比輸入補償小5dB，即BOo=BOi–5dB。例：BOi=11dB時，BOo=6dB。也有“7/11”經驗法則：即BOi=11dB時，BOo=7dB。輸出補償（續）2．4廣播衛星的電參數

2．4．1等效全向輻射功率（EIRP）

反映了衛星的輻射能力，僅與衛星本身有關，與其他參數無關。表達式：EIRP=10lgPTWTA-Lt+Gt（單位：dBW）其中：PTWTA：行波管的輸出功率（行波管和一般晶體管類似，只是其工作在微波頻率波段上，輸出功率較大。）Lt：行波管至星載天線的功率損耗。Gt：衛星星載天線的增益，是一相對值。C波段EIRP：30～40dBW；Ku波段EIRP：40～60dBW2/4/2023數字衛星廣播142．4廣播衛星的電參數

2．4．2波束圖：將地面各點的EIRP標注到地圖上，稱為波束圖。一顆廣播衛星的等效全向輻射功率是隨著接收地點而改變的，在工程上為了便于使用，通常將衛星的等效全向輻射功率標注在地圖上，稱為衛星的波束圖或稱為衛星的覆蓋區域。在進行衛星線路工程設計的過程中，波束圖很重要，根據波束圖能夠確定接收地點的等效全向輻射功率，然后才可以進行以后的工程設計工作。2/4/2023數字衛星廣播152．4廣播衛星的電參數

2．4．3品質因素：（G/T）1、定義：品質因素是衡量衛星轉發器本身質量的一項特性參數，反映了衛星轉發器接收弱信號的能力。2、表達式：G/T=G-10lg（Ta+Tt）（單位：dB/K）其中G：衛星星載天線在上行工作頻率（6或14GHz）時的增益（dB）Ta：星載天線的噪聲溫度（K）Tt：衛星轉發器的等效噪聲溫度（K）數字衛星廣播2．4廣播衛星的電參數

2．4．4功率通量密度：（ψ）1、定義：衛星發射出的電磁波達到地面時的功率通量密度。反映了衛星信號到達地面時的強度。2、表達式ψ=EIRP-20lgd-10lg（4π）-△L（單位：dBW/m2）其中d：衛星至地面的距離（m）△L：附加損耗又稱大氣衰減（dB）數字衛星廣播2.6.2功率傳輸公式衛星鏈路計算的基本出發點就是弗里斯(Friis)功率傳輸公式。Pr：接收天線輸送給匹配負載的功率Pt：發射天線的輸入功率PrPt5．1．3鏈路方程4、上行地球站的等效全向輻射功率EIRPE與衛星轉發器單載波飽和通量密度的關系為dU:上行地球站與衛星之間的距離，單位為m5、噪聲功率Pn的表達式：k：玻爾茲曼常數；B：信道帶寬5．1．3鏈路方程6、模擬上行鏈路的載噪比:λ:衛星上行信號的波長，單位為m7、數字衛星上行鏈路的Eb/N0表達式：Rb：數字信號的碼率，單位：bit/s8、C/N與Eb/N05．1．3鏈路方程推導過程5．1．3鏈路方程衛星鏈路分為上行鏈路和下行鏈路兩種，由于兩種鏈路的已知參數是不同的，因此上行鏈路方程和下行鏈路方程的形式略有區別。二、下行鏈路1、已知參數已知參數為：①衛星轉發器的等效全向輻射功率EIRP，②接收點與衛星轉發器間的距離d，③衛星接收天線的增益G，④衛星接收系統的等效噪聲溫度T。接收鏈路分析主要公式1、下行鏈路自由空間傳播損耗L0,D

式中：d—星站距離，m；

λ—工作波長，m。接收鏈路分析主要公式（續）2、數字衛星下行鏈路的Eb/N0，即下行鏈路方程

接收鏈路分析主要公式（續）式中：EIRPS—轉發器飽和等效全向輻射功率，dBW；BOo,S—轉發器輸出補償，稱為功率回退，dB；m—轉發器載波數；△LD—下行鏈路附加損耗，主要由降雨引起。單位：dB；L0—電波的擴散損耗，dB；k—玻爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K，10lgk=-228.6dBJ/K

5.2衛星接收站的工程設計在衛星接收站的工程設計過程中，主要的工作是要根據衛星的等效全向輻射功率相對接收信號質量的要求，（1）確定接收天線的直徑；（2）計算衛星接收天線的幾何參數：仰角、方位角、極化角（3）衛星接收機的輸入電平（4）整個衛星接收系統的等效噪聲溫度。5．2．1衛星接收天線的幾何參數衛星接收天線的幾何參數有天線的仰角EL、方位角AZ和極化角αp，以及接收地點與廣播衛星之間的距離d。可以通過公式計算，也可以通過查曲線求得。工程上通常用查曲線的方法。5．2．1衛星接收天線的幾何參數（1）、衛星接收天線的仰角EL位置矢量R與地平面的夾角就是接收天線的仰角EL，（113頁，式5-18，或114頁，圖5-2）（2）、衛星接收天線的方位角AZ位置矢量R在地平面上的投影與接收點正南方向的夾角，（114頁，式5-19，或114頁，圖5-2）2．6衛星廣播中的電波傳播問題2．6．1極化1、極化方式：電磁波通過交變的磁場和電場向前傳輸，其中以電場方向表示極化方向。1）、線極化定義:當時間變化時，若電場矢量的方向始終平行于某一直線，這樣的電波就稱為線極化波(線極化)。數字衛星廣播2．6．1極化

應用：廣播和通信領域中，大量地使用著線極化波．發射和接收線極化波的天線就稱為線極化天線。分類：線極化又可以根據極化方向分為：垂直極化和水平極化兩種方式。通常是以地平面為參考面，垂直于地面的線極化稱為垂直極化，而平行于地面的線極化則稱為水平極化。水平極化普遍應用于短波廣播、電視廣播、調頻廣播等領域，而垂直極化則普遍應用于中波廣播、移動通信等領域。2．6衛星廣播中的電波傳播問題2．6．1極化1、極化方式：2）、圓極化定義：沿著電波傳播的方向看，圓極化波中電場矢量端點的運動軌跡為一個圓。分類：圓極化波也可以分為左旋圓極化和右旋圓極化兩種方式。順著波的傳播方向看去，若電場矢量順時針旋轉，就稱為右旋極化波；若電場矢量逆時針旋轉，就稱為左旋極化波。數字衛星廣播2．4廣播衛星的電參數

2．4．7頻率復用

1、目的充分利用寶貴的頻譜資源2、在兩種線極化波之間存在著所謂的“極化隔離”：具體說就是，水平線極化天線接收水平線極化波，而不接收垂直線極化波；反之，垂直線極化天線接收垂直線極化波，而不接收水平線極化波。這樣在同一頻率范圍之內，我們同時使用水平線極化波和垂直線極化波來傳送兩路信號，兩者之間互相不干擾。數字衛星廣播2．4廣播衛星的電參數

2．4．7頻率復用區域性的衛星廣播普遍采用線極化方式，其優點是設備相對簡單，而缺點是接收天線調整賂微復雜一些。

兩種圓極化波之間也存在極化隔離，故我們可同時使用右旋圓極化波和左旋回極化波來傳送兩路信號。洲際性的衛星廣播普遍采用圓極化方式，其優點是接收天線調整相對簡單，而缺點是設備復雜一些。數字衛星廣播（3）、衛星接收天線的極化角αp接收點地平面與水平極化波電場平面之間的夾角。（4）查曲線法確定仰角、方位角和極化角給出的3個計算公式都比較復雜。而在工程設計過程之中，往往采用查曲線的方法來求出天線的仰角、方位角和極化角，這樣做的好處是計算方便、簡單易行，同時精度也足以滿足工程上的需要。圖5—2為接收天線仰角和方位角的曲線，其中橫坐標為接收地點與衛星經度差的絕對值，而縱坐標為接收地點的緯度，由這兩個參數就可以根據圖5—2來估算出天線仰角和方位角的數值，其誤差不超過2.5度。方位角仰角接收地點的緯度接收地點與衛星經度差的絕對值查表的具體步驟如下：①根據(5-16)式求出接收地點與衛星的經度差φ。注意：φ>0，表示衛星在接收地點的西南方向上；φ=0，表示衛星在接收地點的正南方向上：φ<0，表示衛星在接收地點的東南方。②在圖5-2上找到代表接收地點緯度的橫線，并根據經度差的絕對值在該線上標出相應衛星的位置．如亞洲二號在圖5—2中的“1”點，亞太IA在“2”點，泛美四號在“3”點。

③根據每顆衛星在圖中的位置，估計出具體的仰角和方位角數值，若細心一點的話，估計數值的誤差小于2.5度。④根據仰角的數值．從圖4-12（84頁）中找到對應的天線噪聲溫度的數值。⑤采用類似的方法在圖5-3（114頁）中標出衛星的位置，然后估計出極化角的具體數值，估計數值的誤差不超過1.25度。查表的具體步驟如下（續）：(5)接收地點與同步衛星間的距離d接收地點與同步衛星間的距離也是由接收點經緯度和衛星位置所共同確定的，其計算公式為在地球上任何地點，衛星天線到同步衛星的距離的取值范圍是計算衛星到接收地點間距離的目的是為了求出自由空間中電波的擴散損耗L0。將距離的實際數據代入(5—10)式，可以得到擴散損耗的取值范圍:在工程上C波段的電波擴散損耗可以按照196．2dB來計算，而Ku波段的電波擴散損耗可以按照205.8dB來計算，其誤差均不會超過0.67dB。

(5)接收地點與同步衛星間的距離d（續）5.2.5工程設計實例任務：以亞洲3S衛星C波段轉發器為例，進行上行和下行系統的鏈路計算。已知條件：發射端和接收端地點選擇濟南，設備參數：發射天線口徑為9米，固態功率放大器功率為200W，接收天線口徑為2.4米、2米、1.5米。亞洲3S衛星參數：（以濟南為例）轉發器帶寬：36MHz工作頻段：上行5845－6425MHz下行3625－4200MHz軌道位置：105.5E上/下行極化方式：線性雙極化飽和功率通量密度：ψS=－89.3dBW/m2（上行鏈路）衛星轉發器有效全向輻射功率：EIRPs=40.6dBW（下行鏈路）5.2.5工程設計實例濟南地理位置：經度117E，緯度36.65N(=36.65)，與衛星的經度差：=接收地點的經度-衛星的經度=117—105.5=11.5。天線仰角：45.78度，（113頁，式5-18，或114頁，圖5-2）方位角：18.82度（即南偏西18.82度，若為負數則衛星在接收地點的東南方），（114頁，式5-19，或114頁，圖5-2）衛星到地球站距離：du為37498Km。（115頁，式5-21）5.2.5工程設計實例上行系統鏈路計算：已知（1）衛星轉發器飽和通量密度ψS：-89.3dBW/m2（2）衛星轉發器的輸入補償BOi:6dB（3）衛星發射天線的增益G:53.1dB（或者已知固態功放的發射功率）任務：固態功放需要多大的發射功率，或者確定上行站需要多大直徑的天線。上行地球站的等效全向輻射功率EIRPE與衛星轉發器單載波飽和通量密度的關系為：5.2.5工程設計實例上行系統鏈路計算：考慮到在多載波情況下保持良好的線性，轉發器的輸入功率回退6dB左右：EIRPE=-89.3+162.48-6=67.18dBW由于租用的帶寬為BMHz，則分配到一個SCPC載波EIRP值為：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）,B為每路SCPC的帶寬如何確定B?5.2.5工程設計實例上行系統鏈路計算：租用轉發器帶寬B一路標清數字視頻壓縮后按照標準為:5Mbps一套立體聲電視伴音壓縮后標準為:0.256Mbps六套立體聲廣播壓縮后標準為：6×0.256=1.536Mbps；低速串行數據：0.0384Mbps；總信息速率:5+0.256+1.536+0.0384=6.8304Mbps.開銷為信息率的10%,則數據率為:6.8304×(1+0.1)=7.513Mbps傳輸速率Rb:取FEC=3/4,RS糾錯編碼為(204，188),則:Rb=7.513×4/3×204/188=10.87Mbps字符率(QPSK調制):10.87÷2=5.435Mbaud，取5.4Mbaud。占用帶寬(滾降系數為0.4):5.4×1.4=7.56MHz加保護帶后租用帶寬:7.56+0.16=7.72MHz，取7.7MHz5.2.5工程設計實例上行系統鏈路計算：EIRPES=EIRPE-10lg（36/B）=67.18-10lg（36/7.7）=67.18-6.7=60.48dBW上行站使用9米發射天線，增益為53.1dB@6.2GHz。天線發射端口功率P=EIRPES–G=60.48–53.1=7.38dBW考慮到功放到天線的饋線損耗約為2dB因此上行站固態功放的輸出功率應為9.38dBW，即8.67W。5.2.5工程設計實例下行系統鏈路計算：（1）衛星轉發器等效全向輻射功率EIRP（2）衛星接收天線的直徑、口面效率（3）衛星接收天線的品質因數G/T（4）下行鏈路的損耗任務：確定下行鏈路的Eb/N0，與DVB-S系統的誤碼性能要求對照，確定能否正確接收衛星信號。5.2.5工程設計實例下行系統鏈路計算：由于租用的帶寬為7.7MHz，則分配到一個SCPC載波的EIRP值為：40.6—10lg（36/7.7）=33.9dBW。考慮到在多載波情況下保持良好的線性，