亚洲卫星公司链路计算

亚洲卫星公司链路计算软件使用介绍

姚凌峰客户服务经理

亚洲卫星公司北京办事处

2011中信卫星/亚洲卫星通信工程师资格认证培训

主要内容

链路计算要点回顾

亚洲卫星公司的链路计算软件－Satmaster

第　2页

链路计算要点回顾

链路计算的目的

链路计算所要遵守的原则

常用参数介绍

链路计算的一般步骤

第　3页

链路计算的目的

对新建卫星通信网络的配置提供建议

对原卫星通信网络新增站点的配置提供建议

对已建卫星通信网络的升级、改造提供建议

对已建卫星地面站设备的工作状态及系统验收提供依据为卫星通信网络中故障的定位提供依据

为卫星通信网的天线及电子设备入网认证提供依据

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第　5页

链路计算的所要遵守的原则

功带平衡的原则

使用转发器功率与转发器总功率的比值等于租用带宽与卫星转发器带宽的比值,即:

上、下行降雨不同时考虑的原则

适度保守的原则

转发器的总带宽

租用带宽

转发器的总功率使用转发器功率=

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链路计算的一般步骤

确定已知条件及所需计算的参数

建立卫星链路计算的数学模型

选择链路计算的基本方法

进行数学计算

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链路计算的实际应用范例

以亚洲3S 卫星C 波段转发器为例，假设发射站在上海6.2米天线。DVB 业务，信息速率为35.548Mbps ，QPSK ，FEC=3/4，

RS=(204,188)；单载波推满一个转发器；接收站位于北京，要求E b /N 0大于5.5dB 。请计算上行站需要的发射功率和1.2米天线接收时的链路余量。

第　8页

各种参数介绍

调制方式差错控制方式

卫星通信中的三种速率和两种带宽衡量卫星通信系统传输性能的唯一指标卫星链路中的常用术语卫星公司公布的常用卫星参数

第　9

页

调制方式

尽管新的调制方式不断出现，但目前地球站的数字通信设备中使用的调制方式仍主要是数字调相。相位调制的优点：1.恒包络

2.带宽利用率较高

3.相同的Eb/N 0条件下误码率较低

4.实现简单，成本相对较低现代卫星通信中常用的几种调制方式BPSK QPSK MSK OQPSK 16QAM 等。调制因子＝log 2(相位)

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差错控制方式（一）

前向纠错( FEC )原理

按一定规律在原信息序列中插入一定数量的不含信息量的数字序列（即监督码），使达到相同误比特率时所需要的Eb/N0值降低。类别

--卷积码-维特比译码(常用FEC 方式1/2,2/3,3/4,5/6, 7/8)

--Reed-Solomon 编码(简称RS 编码）与卷积码（维特比译码）构成双层级联码（如DVB 业务）

--TPC 编码(Turbo Product Coding):一种新型FEC 技术,可得到更高的编码增益或占用更少的带宽

卫星通信中的三种速率和两种带宽(一)

信息速率（Mbps、Kbps）：原始二进制信息比特流

传输速率（Mbps、Kbps）：信道中实际传输的比特流

符号速率（MSymbol/s、Ksps）：信道中实际传输的码元流噪声带宽及扩展因子

分配带宽及分配因子

传输速率= 信息速率/ （FEC编码率*R-S编码率）

符号速率= 信息速率/ （FEC编码率*R-S编码率*调制因子）噪声带宽= 符号速率*扩展因子(1.2)

分配带宽= 符号速率*分配因子(1.4)

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卫星通信中的三种速率和两种带宽(二)

举例：以DVB业务为例，假设信息速率为35.548Mbps，QPSK，FEC=3/4，RS=(204,188)

传输速率= 35.548×(4/3)×(204/188)=51.431Mbps

符号速率= 35.548×(4/3)×(204/188)×(1/2)

=25.71Msps

噪声带宽= 25.71Msps×1.2=30.859MHz

分配带宽= 25.71Msps×1.4=36.0MHz

第　12页

第　13页

衡量卫星通信系统传输性能的唯一指标

误比特率(P b )：传输每比特信息发生错误接收的概率值。--门限误比特率：通信系统正常工作时，所容许的最大误比特率。每比特能量对噪声谱密度的比值(Eb/N0)--Eb 是在一个信息比特持续期Tb 内的能量--N 0 是噪声功率谱密度

--Eb/ N 0 与C/N 和P b 分别有对应关系

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Eb/N0 与误比特率Pb

对于BPSK 和QPSK ，误比特率P b 可以表示为

21N E erfc P b b =

第　15页

Eb/N0 与载噪比C/N （一）

关系表达式

B 为载波噪声带宽，R b 为载波信息速率

C/N 越高，Eb/N0也越高，系统传输性能越好

将调制方式由QPSK 改成BPSK ，若达到同样的Eb/N0，要求的C/N 可以降低一半

b

b R B N C N E ??????=0第　16

页

Eb/N0 与载噪比C/N （二）

C/N 与E b /N 0关系的公式推导

b

b R B

N C N E ??????=02

.1)()(2.1)()(000（调制因子）码率码率＝（调制因子）码率码率????×?

???==

??????S R FEC N E R N S R FEC R E B

N R E N C b b b b b b 2.1)()(100（调制因子）码率码率???+??

?

???=??????S R FEC Lg N E N C b

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Eb/N0 与载噪比C/N （三）

举例：以DVB 业务为例，假设信息速率为35.548Mbps ，

QPSK ，FEC=3/4，RS=(204,188) Eb/N 0=5.5dB 请计算C ／N 的门限电平。

)

(1.66

.05.52

.12

204/1884/3105.52.1)()(100dB Lg

S R FEC Lg N E N C b =+=××+=???+??

?

???=??????（调制因子）码率码率第　18页

上行链路：地球站到通信卫星方向的传输链路下行链路：通信卫星到地球站方向的传输链路

分贝：最早分贝表示声音信号的強度或响度，也就是音量。零分貝的设定，是根据听力正常的年青人所能听到的最小声音所得到的。每增加10分贝等于信号強度(功率)增加10倍，增加20分贝增加100倍，30分分贝增加1000倍。微波通信借用声音分贝的概念其公式如下:载波噪声比(C/N)：平均的载波信号功率( C ) 与同一参考点处接收系统的噪声功率N 的比值，表示空间链路的传输性能卫星链路中的常用术语(一）

()P log 10dB ×=()

P Lg 10dB ×=

第　19页

卫星链路中的常用术语（二）

等效噪声温度( Te )

电子设备中因电子随机运动而产生的噪声称为热噪声。设备内部的噪声功率可以等效为由一个温度为Te 的热噪声源产生的功率，将Te 称为等效噪声温度。

kB

P T

N

e

=P N ：噪声功率(W)

K ：波尔兹曼常数，1.38×10-23(W·S/K ）B ：信道带宽(Hz)

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卫星链路中的常用术语(三）

接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值称为地球站的G/T

值，也称性能因数或品质因数。

实际接收机

计算系统噪声温度的参考点

实际天线

T

无噪声接收机

无噪声天线

~

噪声源

等效图中的噪声源是将天线、接收机的所有噪声全部集中起来的等效。其中，天线的噪声包括了天线本身的热噪声以及天线从外部接收的噪声。所以此噪声源可以理解为是整个接收线路上噪声的集中等效。

第　21

页

卫星链路中的常用术语(四）

波导

低噪放下变频器

Ta

11,e T L 2

2,e T G 3

e T e

T s

T 低噪放输入端测得的地球站系统等效噪声温度

2

32101a S )1(G T T L T L T T T T e e a e +

+?+=+=其中: T 0为馈线的环境温度

L 1为馈线的损耗

噪声系数[F]

)

110(290)1(290)1(10/][0?×=?×=?=F e F T F T 第　22页

卫星链路中的常用术语（五）

天线的俯仰方位角

]

)cos (cos 1151.0cos cos [

2

111φθφθφ??=?tg e ]sin [

1

1θφ

φtg tg a ?=;

, 12211a φφφφθφφφ－＝为卫星的轨道位置；为纬度；为地球站的经度，；为方位角为地球站天线的仰角其中：e φ

θφθcos cos 302.0023.16.42164cos cos h R R 2-)h R R (

1h)(R d 11E

E E

2E E E ?=++++=发射地球站到卫星的距离

的高度

为静止卫星距离星下点为地球的半径；；为地球站道卫星的距离；－＝为卫星的轨道位置；为纬度；为地球站的经度，其中：E E 12211h R d φφφφθφ

第　23页

卫星链路中的常用术语（六）

以亚洲3S 卫星为例，发射站位于上海，请计算发射站到卫星的直线距离是多少公里。

已知：卫星参数亚洲3S 卫星（105.5度）上海(121.5E,31.2N)

地球的半径R E ＝6378km ；卫星距地面的高度h E =35786.6km

)

(7.37111)5.1215.105(cos 2.31cos 302.0023.16.42164cos cos 302.0023.16.42164cos cos h R R 2-)h R R (

1h)(R d 11E

E E

2E E E km =°?°°×?=?=++++=φ

θφθ第　24

页

卫星链路中的常用术语（七）

自由空间损耗( L )

从通信卫星到地球站（或反之），无线电波须经很长距离的传播，只有很少一部分功率到达某一接收点。这种因自由空间距离而引起的功率损失程度的度量称为自由空间传输损耗。

通常用分贝来计算，即[ L ]= 92.45 + 20Lgd + 20Lgf

2

4?

?

????=c fd L π f : 射频频率

d : 自由空间传输距离c : 光速( 3×108米/秒)d 的单位：Km f 的单位：GHz

第　25

页

卫星链路中的常用术语（八）

卫星的通信频段

C 波段(标准) 上行: 5925 －6425MHz

下行: 3700 －4200MHz

C 波段(扩展) 上行: 5850 －5925MHz, 6425 －6725MHz

下行: 3400 －3700MHz

Ku 波段

上行: 14.00－14.50GHz

下行: 10.95 －11.20GHz, 11.47 －11.7GHz

12.20 －12.75GHz

Ka 波段

上行: 27.5 －30.0GHz 下行: 17.7 －20.2GHz

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卫星链路中的常用术语（九）

以亚洲3S 卫星为例，发射站位于上海，请计算C 波段转发器对应的自由空间损耗。

已知条件：发射站到卫星的距离为37111.7公里，上行频率约为：

6.0GHz ；下行频率约为3.775GHz

自由空间损耗的一般估算

6GHz -199.5 dB 4GHz –195.9 dB 14GHz -206.7 dB 12GHz –205.8 dB 30GHz -213.4 dB 20GHz –209.86dB

4

.19956.1539.9145.926

207.371112045.92202045.92][=++=++=++=Lg Lg Lgf Lgd L

第　27

页

卫星链路中的常用术语（十）

有效全向辐射功率( EIRP )：综合了发射天线定向辐射作用和发射机射频输出功率后的等效发射功率。

地球站的EIRP ：高功放的输出功率与天线增益的乘积，而且要考虑高功放输出口到天线馈源口连接波导的损耗，用( EIRP)E 表示。

()F

T

T E L G P EIRP =

地球站或卫星的发射机输出功率P T

馈线损耗L F

天线增益G T

用分贝数表示：[EIRP]E = 10LgP T +10LgG T -10LgL F

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链路计算的一般步骤

链路计算的一般步骤（建立链路计算的数学模型）

--建立卫星链路的通信模型

--确定链路计算的目的

--确定已知条件及所需计算的参数

--选择链路计算的方法(正推法和倒退法)、及原则

--进行数学计算

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建立推导数学模型(一)

C ＝P T *G T *G R /L

发射机输出功率P T

C/N ？

发射天线的发射增益为:G T

接收天线的接收增益为:G R

N=k*B*T

第　30页

建立推导数学模型(二)

A 发射机输出功率P T

LNA 增益为:G LNA

A 发射天线的发射增益为:G T

B 接收天线的接收增益为:G R

B 功放输出功率P T ’

功放增益G P ’

C/N ？

C 发射天线的发射增益为:G T ’

D 接收天线的接收增益为:G R ’

C ＝P T *G T *G R *G LNA *G P ’*G T ’*G R ’/(L 1*L 2)N=K*B*T

?

?

建立卫星链路计算的数学模型

转发器

上行C/N

下行C/N

发射机接收机

发射站接收站

第　31页

常用卫星参数（一）

卫星EIRP

经卫星发射天线后输出的卫星功率，用(EIRP)s表示。饱和(EIRP)s 的大小与星上行波管放大器的功率有关，用卫星EIRP等值线图表示，位于同一等值线上的地球站所对应的饱和(EIRP)s相同。

第　32页

第　33页

常用卫星参数（二）

天线增益与噪声温度比( G/T )

表示卫星或地球站的接收系统品质因数。G ：表示接收天线增益（

）

T ：表示地球站或卫星接收系统的等效噪声温度，接收天线与低噪声放大器的等效噪声温度为主要部分。

用分贝数表示为：[G/T ]= 10LgG –10LgT

2

λ4πΑ=η

G 第　34页

常用卫星参数（三）

功率通量密度( FD )

若发射天线在所有方向上作等量辐射，则称为全向辐射。当全向辐射功率P T 的传输距离为d ，则与电磁波传输方向垂直的单位球面面积上的功率：

)

/(422

m W d P FD T π=

称为功率通量密度。卫星通信中常用分贝数表示，单位dBW/m 2

第　35

页

常用卫星参数（四）

卫星饱和功率通量密度( SFD ) ：使卫星转发器输出功率饱和时对应的到达卫星接收天线口面的功率通量密度。

)/(422

m W d EIRP SFD u

E π=

地球站EIRP

卫星接收天线

SFD

空间传输距离du

饱和输出

［SFD ］＝［ERIP ］E －10Lg4πd u 2

dBW/m 2

TWTA

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常用卫星参数（五）

卫星饱和功率通量密度( SFD ) ：卫星转发器的灵敏度。他表示：为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收的单位有效面积上应输入的功率。

)

4(

10][][][2

λ

π

Lg L ERIP SFD u E +?=dBW/m 2

)

4(

10][][][2

λπ

Lg L SFD ERIP u E ?+=

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常用卫星参数（五）

以亚洲3S 卫星为例，发射站位于上海，请计算将一个C 波段转发器推饱和，所需的地面站ERIP 数值。

已知：上海所对应的3S 卫星参数为SFD=-90.3dBW/m 2

dBW

Lg L SFD ERIP u E 09.7201.374.1993.90)

4(

10][][][2

=?+?=?+=λ

π

)

4(

10][][][2

λπ

Lg L ERIP SFD u E +?=第　38页

转发器频率与计划分配

常用卫星参数（六）

第　39页

确定已知条件及所需计算的参数

确定卫星

卫星的轨道位置工作频率频率计划ERIP G/T SFD

确定地球站位置

设定地球站的经纬度，包括发射站和接收站确定载波参数

确定：同时发射载波的个数，每一个载波的调制特性，纠错方式，调制系数及E b /N 0的门限确定设备配置

确定：发射、接收天线的口径，上下行天线的差损数值，功放的额定输出功率，接收端LNA 或LNB 的噪声系数明确需计算的参数

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建立卫星链路计算的数学模型

转发器

发射机

接收机

发射站

接收站

上行C/N

下行C/N