卫星通信信道链路全参数计算与模拟

综合课程设计

卫星通信信道链路参数计算与模拟

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一、课程设计内容及基本参数

1、 设计目的

近年来互联网和移动通信飞速发展，使得网络终端用户数量不断扩大、新业务不断增加，这对通信技术的发展提出了新的挑战。卫星通信系统以其全球覆盖性、固定的广播能力、按需灵活分配带宽以及支持移动终端等优点，逐渐成为一种向全球用户提供互联网络和移动通信网络服务的补充方案。

本学期我们学习了《微波与卫星通信技术》这门课程，对于卫星通信技术有了基本的了解。本课程设计基于已学的的基本理论，对卫星通信信道链路参数进行计算和模拟，从而掌握卫星通信信道链路参数计算的基本方法，了解影响卫星通信信道性能的因素。同时熟悉Matlab 编程仿真过程，利于今后的学习和研究。

2、 基本参数列表

表1 根据学号得到的系统参数3、 涉及公式

1） ITU 法计算雨衰值：

),()(βα

p p R L R K A =(dB) (1) 其中，p R 为降雨率，单位为mm/h ，β为仰角，可以通过以下经验公式获得 0779.041.1-?=f α (255.0≤≤f ) (2)

42

.251021.4f K ??=- (549.0≤≤f ) (3)

上式中频率f 的计算单位为GHz 。

雨衰距离：

14766.03]sin )108.1232.0(1041.7[),(---?-+?=ββp p

p R R R L (km) (4)

2)ITU 法计算氧、水蒸气分子吸收损耗值：

氧分子损耗率，对于57GHZ 以下的频段，可以按下式近似计算

3230226.09 4.81[7.1910]100.227(57) 1.50

f f f γ--=?++??+-+(dB/km) (5) 对流层氧气的等效高度0h 和水蒸气的等效高度可分别按如下公式确定：

06(57)h km

f GHz =<

因此，对于氧分子的吸收损耗为： 002h R O γ= (dB) (6) 水蒸气分子损耗率与频率和水蒸气密度

)/(3m g p w 有关，对于350GHz 以下频段，都可以用下式计算（dB/km)： 242223.610.68.9[0.050.0021]10(22.7)8.5(183.3)9.0(325.4)26.3

w w w p f p f f f γ-=++++???-+-+-+ (7) 对流层水蒸气等效高度w h 可按如下公式确定： ]4

)4.325(5.26)3.183(0.55)2.22(0.31[2220+-++-++-+=f f f h h w w (km) (350f GHz <) (8)

其中，0w h 取2.1km 。

同样，对于水蒸气分子的吸收损耗为：

w w O H h R γ=2 (dB) (9)

3)给出经纬度，计算卫星于地面距离及仰角β;

同步卫星的经度s θ，地心角θ定义为从地心点看卫星与卫星终端之间的夹角，卫星终端所在地的经度和纬度（L L φθ,）,卫星距地球中心的距离近似为42164.2r km =,地球的平均赤道半径为6378.155e R km =。

)cos(cos cos S L L θθφθ-= (10)

θcos 222r R r R d e e -+= (11)

如图1所示，A 为卫星，B 为地心，C 为地球站，仰角为地球站与卫星连线与水平

面之间的夹角，利用余弦定理可得地心角与仰角之间关系：

图1 卫星与地球站的三角关系图

222cos 2e d r R rd

?+-= (12) 90β?θ=-- (13)

4）路径损耗

f d L s l

g 20lg 204.92++= (dB) (14) 其中，d 的单位为km, f 的单位为GHz ，公式中符号取10lg[*],下面的公式中都取对数计算。

5)品质因素

2200

[][][][][][][][][]b s b O H O E Q L L k R A R R EIRP N =+++++++- (dB/K) (15) 其中，k 为玻尔兹曼常数，0L 为其他损耗。

6)天线的增益

[][]G Q T =+ (dB) (16)

其中T 为接收天线的等效噪声温度。

7)天线的口径

D λπ

= (17) 其中，λ为电磁波传输的波长，η为天线效率。

二、 计算部分

1、 计算卫星到地面站的距离

)cos(cos cos

S L L θθφθ-= 带入数值后可得

cos 0.964

15.5θθ==? θcos 222r R r R d

e e -+= 因42164.2r km =且6378.155e R km =

故36058.61d km = (1)

2、 计算地面站对准卫星时的仰角

222cos

2e d r R rd

?+-=, 90β?θ=-- 2.771.8?β=?=? (2)

3、 计算下行链路的路径损耗

2f GHz = []92.420l g 20l g 189s L d f d B =++= (3)

4、 计算下行链路的降雨、氧气和水蒸气的吸收损耗

由经验公式求得0779.041.1-?=f α 1.3359=，42.251021.4f K ??=-42.25310-=? 已知12/p R mm h =,可得(,) 3.73p L R km β=

得到雨衰值),()(βα

p p R L R K A =0.0232dB = (4) 氧分子吸收损耗值计算

-30 5.79810γ=?

002h R O γ=0.0348dB = (5) 水分子吸收损耗值计算

64.72510w γ-=? 2.1158

w h = w w O H h R γ=269.98610dB -=? (6)

5、 利用QPSK BER-Eb/N 0计算公式计算，若需要达到10^(-5)误比特

率（Eb/N 0=10dB ），需要地球站品质因数为多少

2(1)/(log )s s b B R R R M α=+= QPSK 调制，M=4

故可得R b =66.67MHz ，[R b ]=78.239dB , 又知[k]=-228.6dB 2200

[

][][][][][][][][]24.75b s b O H O E Q L L k R A R R EIRP dB N =+++++++-=- (7)

6、 若地球站的接收天线等效噪声温度为20K ，则接收地球站的增

益为多少？若地球站为定向抛物面天线，天线效率为0.7，则天线口径为多大

[][]G Q T =+ D λπ

= 0.06690.0148G D m == (8)

三、 绘图部分

1、 绘制在给定降雨量（10mm/h,30mm/h,100mm/h ）的情况下，

降雨衰减同仰角（0-90）的关系图

图2 给定降雨量时降雨衰减同仰角关系

2、绘制在给定仰角（15，45，90）的情况下，降雨衰减同降雨量

（0-120mm/h）的关系图

图3 给定仰角时降雨衰减同降雨量的关系

3、绘制在给定水蒸气密度（0.2g/m^3，0.3g/m^3，0.26/m^3）的

情况下，水蒸气吸收衰减同传输频率（0-15GHz）的关系图

图4 给定水蒸气密度时水蒸气吸收衰减同传输频率的关系