高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預算軟件設計

朱校通，郝建強

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣，建站成本、通信費用與距離無關、寬帶等特點，特別適用于自然和地址災害頻發(fā)的地區(qū)。當地面通信網絡遭到較為嚴重的破壞，短時間內難以恢復，此時衛(wèi)星通信作為應急通信保障手段，具有其他通信方式不可替代的優(yōu)勢[1]。鏈路預算是衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程設計中的一個重要環(huán)節(jié)，通過對衛(wèi)星鏈路進行預算，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星通信網絡進行配置，特別是發(fā)送站和接收站相關參數，使其滿足實際需要中對通信容量和質量的要求。鏈路預算可以根據公式手工或采用 Excel表格進行計算，對于實際中需要多次對參數進行配置才能完成鏈路預算的工程人員而言，由于公式較多，很容易出現(xiàn)錯誤，費時費力。目前也有許多款鏈路預算軟件，不同程度上解決了工程人員上述煩惱。本文結合實際工作需要，設計了一款能同時進行多個參數互算的鏈路預算軟件，為工程人員提供了更好的便利性。

1 衛(wèi)星通信鏈路預算任務及設計方法

1.1 鏈路預算的任務

衛(wèi)星通信鏈路預算主要完成三個方面的任務:①在給定發(fā)射站發(fā)射功率和收發(fā)天線尺寸，同時確定轉發(fā)器狀態(tài)及其他相應參數的情況下，計算滿足一定系統(tǒng)余量要求下，發(fā)射端的最大信息發(fā)送速率；②根據給定發(fā)射和接收站參數以及衛(wèi)星轉發(fā)器狀態(tài)，計算鏈路總的載噪比、系統(tǒng)余量和相應系統(tǒng)余量下的發(fā)射站所需有效全向輻射功率(EIRP，Effective Isotropic Radiated Power)；③在給定發(fā)射站EIRP前提下，根據相應發(fā)射和接收站參數及衛(wèi)星轉發(fā)器狀態(tài)，計算在滿足一定系統(tǒng)余量要求下的發(fā)射站天線尺寸。為解決以上問題，實際中的鏈路預算通常采用兩種思想，即正推法和倒推法[2]。正推法就是在給定發(fā)射站 EIRP和相應發(fā)射接收參數及轉發(fā)器狀態(tài)的基礎上，計算總的系統(tǒng)余量和此時系統(tǒng)所能達到的最大信息發(fā)送速率；倒推法則是根據系統(tǒng)的余量要求，根據相關參數計算發(fā)射參數，如發(fā)射站EIRP、發(fā)射天線尺寸等。

1.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路設計方法

一個單向衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路的設計可按如下幾個步驟來完成，反向鏈路的設計也遵循同樣的步驟[3]:

1）確定衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻段、參數值，并估計未知值。

2）確定發(fā)送和接收地球站參數。

3）從發(fā)送地球站開始，設計上行鏈路各部分參數，確定衛(wèi)星接收系統(tǒng)的參數，給出上行鏈路載噪比預算，即[C/N]U。

4）根據實際誤碼率要求，計算出門限載噪比，即[C/N]TH，并算出系統(tǒng)余量。

5）根據上行鏈路的性能預算，得出衛(wèi)星下行轉發(fā)的傳輸功率。

6）根據接收地球站的參數，設計計算下行線路的傳輸信號功率和系統(tǒng)噪聲，得出在衛(wèi)星通信信號波束覆蓋范圍內指定位置地球站的[C/N]D。

7）對比所算出的系統(tǒng)余量和實際余量要求，調整系統(tǒng)參數，使得算出得系統(tǒng)余量大于等于實際要求余量。

1.3 鏈路預算公式

衛(wèi)星鏈路的性能是通過接收機輸入端的載波功率與噪聲功率比值（簡稱為載噪比，常記為C/N或CNR）來衡量的，衛(wèi)星鏈路的預算也常取決于該比值。用分貝值表示的C/N具體表達式如下:

式中EIRP為發(fā)射站有效全向輻射功率，G/T為衛(wèi)星的品質因數，L為傳輸過程中的總損耗，K為玻耳茲曼常數，BN為噪聲帶寬。

由此可以分別給出上行和下行鏈路的C/N表達式如下[4]:

式中下標U表示上行鏈路，下標D表示下行鏈路，S表示衛(wèi)星，Ws為衛(wèi)星飽和通量密度，[BO]i和[BO]O分別為多載波工作時衛(wèi)星轉發(fā)器的輸入補償值和輸出補償值，LRFL為饋線損耗，λ為工作波長。

而鏈路總的C/N和上下行鏈路C/N的關系如下:

注意式中各項使用的是真數值，而非對數值。下標IM、AS、XP分別表示互調干擾、臨星干擾、交叉極化干擾項。實際鏈路預算中，可根據具體要求和各項對總載噪比貢獻程度，而做具體考慮，這里不再贅述。

2 鏈路預算軟件設計

2.1 開發(fā)平臺選擇

由于MATLAB具有強大運算能力，同時其中的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（GUIDE，Graphical User Interfaces Development Environment）模塊可以根據需要制作友好的圖形界面，而且其開發(fā)的軟件可被封裝成EXE文件，有效的解決了通用性問題，所以本鏈路預算軟件選擇了MATLAB為開發(fā)平臺[5]。

2.2 軟件實現(xiàn)功能設計

根據實際鏈路預算任務，并結合工作中實際要求，本軟件主要實現(xiàn)如下幾方面功能:

1）在其他參數給出的情況下，實現(xiàn)發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的互算，即知道這三個參量中的任意兩個，都可以快速計算出另一個參量的大小，同時計算出每種情況下系統(tǒng)總的載噪比、系統(tǒng)余量以及其他一些必要的中間參量。

2）為方便用戶使用，本軟件錄入了全國大部分城市的經緯度值，同時錄入了亞洲4號衛(wèi)星和亞洲5號衛(wèi)星工作在C和Ku波段時，在這些城市下行EIRP、品質因數G/T和飽和通量密度等參數，用戶使用時只需輸入城市名，軟件會自行完成相關數據的錄入。

3）除了上述兩顆常用衛(wèi)星和涉及的城市，軟件還同時能兼顧到使用其他衛(wèi)星，以滿足對精度要求較高，而要求自行輸入經緯度值、下行EIRP、品質因數G/T和飽和通量密度等參數的情況，使得軟件的使用更加靈活。

4）軟件給出了一定的中間參量，用戶可以更直觀的看到不同情況下中間參量的改變，使得參數的配置和調整更快捷。

5）軟件的升級簡潔容易，可以根據實際工作需要，對內核代碼稍作修改，就可實現(xiàn)所需的預算功能。

2.3 軟件設計及界面介紹

為了實現(xiàn)上述功能，根據鏈路設計基本思想和方法，并結合鏈路預算方程，使用GUIDE模塊設計出軟件的主界面如圖1所示。

圖1 鏈路預算軟件主界面

本軟件界面包含六個數據參數區(qū)和三個計算按鈕，分別為發(fā)送端調制參數區(qū)、發(fā)射站參數區(qū)、接收站參數區(qū)、衛(wèi)星參數區(qū)、空間鏈路參數區(qū)、計算結果參數區(qū)、發(fā)射功率計算按鈕、信息速率計算按鈕和發(fā)射天線口徑計算按鈕。另外為用戶能更準確快捷的使用本軟件，在主界面的右下角注明了界面上不同顏色參數的具體使用方式。

發(fā)送端調制參數區(qū)，包括信息速率、調制方式、內碼碼率、外碼碼率和滾降系數五個參數，其中調制方式下拉菜單預設有常用的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM等，外碼碼率下拉菜單預設有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8、1等。由這些參數可以算出符號速率、載波噪聲帶寬、載波分配帶寬，進而根據使用的轉發(fā)器帶寬可以算出一個重要參量，即帶寬利用率，這些都在計算結果參數區(qū)中給出。

發(fā)射站參數區(qū)和接收站參數區(qū)都有城市名、經緯度、工作頻率、天線口徑和效率、天線指向損耗、饋線損耗、星地距離、天線增益等參數，同時前者還包含每載波EIRP參數，后者包含LNA噪聲溫度、天線噪聲溫度和地球站G/T等參數，其中經緯度值，在輸入城市名的情況下自動給出，用戶也可根據實際需要自行輸入，較為靈活。發(fā)射站參數區(qū)中“天線口徑”參數根據實際需要也可作為待求參數，此時就可通過修改其他參數，在保證一定系統(tǒng)余量的基礎上，計算出最合理天線尺寸。另外，接收站的G/T值作為結果參數給出，為接收站系統(tǒng)的配置提供了參考。

衛(wèi)星參數區(qū)含有衛(wèi)星名、衛(wèi)星經度、下行功率EIRP、品質因數G/T、SFD（飽和通量密度）、轉發(fā)器帶寬、轉發(fā)器輸入輸出補償和每平米天線增益等參數，其中“衛(wèi)星”這個選項為下拉菜單，提供了亞4C波段、亞4Ku波段、亞5C波段、亞5Ku波段、自選衛(wèi)星等選項，當選擇前四個之一時，衛(wèi)星經度、下行功率EIRP、品質因數G/T、SFD四個參數將根據城市名自行給出，當選擇“自選衛(wèi)星”參數時，用戶可根據實際情況輸入上述參數值。

計算結果區(qū)給出了較多的中間結果參數，如上下行空間傳輸損耗、符號速率、載波噪聲帶寬、載波分配帶寬、每載波輸入輸出補償等，有利于用戶更為直觀的了解鏈路預算中各參數之間的相互影響。當然實際中也可根據需要，調整界面布局，使某些中間結果不在界面中顯示，而只保留鏈路總C/N、發(fā)射功率和系統(tǒng)余量等關鍵結果參數。

最后的計算按鈕分別完成發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的計算，并給出每種情況下鏈路總C/N和系統(tǒng)余量，用戶可以通過修改配置參數，在保證實際需要系統(tǒng)余量的基礎上，設計出較為經濟合理的系統(tǒng)配置方案。圖1中數據，為實際工作中一個鏈路預算實例，經驗證結果可靠。

3 結語

本文介紹了衛(wèi)星通信鏈路預算的基本任務及方法，并以此為依據以MATLAB為開發(fā)平臺研制了一款鏈路預算軟件。本軟件彌補現(xiàn)有多數鏈路預算軟件功能單一的缺陷，實現(xiàn)了發(fā)射功率、信息速率和發(fā)射天線口徑的互算。此外，軟件兼具自帶數據和用戶自選數據的功能，使用起來更加靈活高效。本軟件在現(xiàn)實工作中經過多次使用驗證，結果正確可靠。

[1]尹志忠,陳靜毅,周賢偉.美軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展及其技術研究[J].通信技術,2009,42(11):55.

[2]田世軍,青格勒.衛(wèi)星通信鏈路工程計算[J].內蒙古廣播與電視技術,2011,28(01):20-21.

[3]郭慶,王振永,顧學邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:215.

[4]周慧琴,王茸,雷雪. C/Ku頻段衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)總體方案設計[J].通信技術,2008,41(06):55-57.

[5]孟暉,王建峰,徐亞沖. 高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路預算軟件包研制[J].數字通信世界,2012(07):65-68.

[6]李愷,曾玲,安紅章.互聯(lián)網接口與衛(wèi)星通信技術研究[J].信息安全與通信保密,2007(08):91-93.