Ku頻段衛星通信鏈路計算

李子龍，婁景藝，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

摘　要：衛星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強、覆蓋面積廣和通信距離遠等優勢，已成為艦船通信的重要手段。針對Ku頻段衛星通信的特點，提出了一種鏈路計算方法，并給出了岸基發送站、衛星轉發器和接收系統的參數，通過實例分析，計算上行發送站的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，從而設計出合理的鏈路預算。

關鍵詞：Ku頻段；衛星通信；鏈路計算；雨衰；載噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.007

Ku頻段衛星通信鏈路計算

李子龍，婁景藝，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

摘要：衛星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強、覆蓋面積廣和通信距離遠等優勢，已成為艦船通信的重要手段。針對Ku頻段衛星通信的特點，提出了一種鏈路計算方法，并給出了岸基發送站、衛星轉發器和接收系統的參數，通過實例分析，計算上行發送站的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，從而設計出合理的鏈路預算。

關鍵詞：Ku頻段；衛星通信；鏈路計算；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

基金項目：國家自然科學基金項目(61302099)Foundation Item:National Natural Science Foundation(61302099)

中圖分類號：

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：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頻段衛星通信系統時，鏈路計算是設計的基礎。在進行鏈路設計時涉及以下幾點：(1)是上行發送站的EIRP，描述了射頻信號的發射能力，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頻段電磁波的波長為十幾毫米，而雨滴的直徑為數毫米，其穿過雨區時會受到傳輸損耗，根據ITU-R雨衰模型，計算雨致衰減量;(3)是噪聲影響，衛星通信接收的載波電平較低，因此對噪聲非常敏感，要分析各種噪聲源對通信系統的影響。

1鏈路損耗

1.1自由鏈路損耗、大氣衰減、天線未對準衰減

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Lau=0.14d B，下行大氣層吸收衰減一般為Lad=0.12 dB。

天線未對準衰減，指衛星天線和地球站天線的偏軸衰減，一般為Lpu=0.5 dB。

1.2鏈路雨致衰減Lru

一般只計算一次，或只考慮下行鏈路，根據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衛星鏈路載噪比

2.1上行鏈路載溫比、載噪比與載溫比轉換

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鄰近衛星干擾

從地球站觀察，靜止軌道衛星間存在角度一般不是很大，從地球站天線旁瓣進入到鄰近的衛星，從而產生功率干擾。Go為接收站天線旁瓣在干擾星方向的增益，一般設為19.05 dB。計算公式為：

(9)

2.2.2鄰近信道干擾

在衛星信道中，大部分能量集中的帶寬1/Tb內，實際上QPSK信號中采用0.6/Tb的信道濾波器進行濾波，因此鄰近信道或鄰近轉發器的能量會產生功率干擾。計算公式為：

(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星天線存在正交極化鑒別度，在一次收和一次發的過程中，極化鑒別度產生惡化造成衰減。計算公式為：

(11)

鏈路總載噪比:

(12)

其參數由衛星公司給出,具體見文獻[5]。

2.3鏈路余量

鏈路余量與鏈路的總載噪比和接收機的門限載噪比有關，通過鏈路余量來判斷能否滿足通信要求，一般余量要求達到1-2 dB。其計算公式如下：

(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，在與衛星通信時，必須計算接收天線的方位角、仰角和極化角，這不僅關系能否正常通信的問題，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實例驗證

通過利用中衛1號(中星5A)和岸基發射臺進行驗證試驗，具體參數見文獻[6]。

4.1通信要求

(1)發射天線參數

1)全向輻射功率EIRPe：55.9 dBW

2)功放功率P：49 dBm

3)調制方式：QPSK

4)調制因子a：1/2

5)調制解調器門限Eb/N0：4 dB

6)誤碼率：Pe≤1×10-6

7)載波速率Rb：8 Mb/s

8)前向糾錯編碼率FEC：3/4

(2)接收天線參數

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頻段衛星參數(中衛1號)

1)上行頻率：14.0 GHz～14.5 GHz

2)下行頻率：12.2 GHz～12.7 GHz

3)經度J：87.5°E

4)飽和EIRPs：55.39 dBW

6)輸入補償IBO：6 dB

7)輸出補償OBO：3 dB

8)轉發器飽和通量密度(SFD)：Ws=-87.82 dBW/m2

4.2鏈路計算

中國處于東經75～135度，北緯18～55度之間，當接收站位于我國東海某處(26°N、123°E)，其氣候區為熱帶季風氣候區，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%點降雨量Rp=100 mm/h[7]。

表1　上行發送站最大EIRP值計算

因此，EIRP=P-Loss+G=49-3+40=86 dBW

表2　接收站e值計算

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為環境溫度(To==293K)：

表3　下行鏈路雨致衰減計算

由公式(3)，帶入數據得γp=0.8。由公式(2)，帶入數據得降雨衰減為：

。

帶入公式(12)(計算時不能直接帶入表中的值，要經過公式dB=10lg()將dB值轉換為功率值)[8]，得：

5試驗分析

晴天情況下，計算鏈路余量時，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非線性產生的交調干擾等，故鏈路應該存有一定的余量。當岸基站的EIRPe設定63.5 dB時，鏈路余量為2.25 dB，可達到鏈路通信要求。

雨天情況下，計算鏈路余量時，由于Ku頻段受雨衰影響較大，故需考慮雨衰，設定接收站位于東海某一位置(26°N、123°E)，通過查找ITU—R規定的國際標準，當鏈路可用度為99.99%，p=0.01%點降雨量Rp=100 mm/h，計算雨衰為41 dB。當岸基站的EIRPe設定為73.7 dB時，鏈路余量為1.17 dB，也可達到鏈路通信要求。另外，當遇到雨量較大而余量不足時，可適當提高岸基站的發射功率等，以滿足惡劣條件下的通信。

6結語

Ku頻段衛星通信在設計鏈路時，要綜合考慮發送站的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。本文給出了鏈路計算的完整公式和步驟，并通過實例分析，得出了該方法的可行性。通過Ku頻段衛星的鏈路計算，能使用戶合理管理并利用鏈路和衛星資源。在現實的通信條件下，還應全面考慮其他干擾，力求是鏈路設計過程更加完善。

參考文獻：

[1]陳振國，楊鴻文，郭文彬著.衛星通信系統與技術[M].北京：北京郵電大學出版社.2003年.

CHEN Zheng-guo, YANG Hong-wen, GUO Wen-bing. Satellite Communication System and Technology[M].Bingjing: Beijing University of Posts and Telecommunications Press.2003.

[2]TTU Geneva. Prediction Methods Required for Design of Earth Space Telecommunications Systems [S].ITU Recommendations.1995.PN.618-3.

[3]朱校通，郝建強.高軌衛星通信系統鏈路預算軟件設計[J].通信技術，2013,(07)：25-27.

ZHU Xiao-tong, HAO Jian-qiang. Design on Link-Budget Software of High-orbit Satellite Communication System[J].Communications Technology,2013,(07):25-27.

[4]彭文標，劉馨瓊，嚴朝軍等.衛星傳輸系統鏈路計算與分析[J].三峽大學學報：自然科學版，2011,33(3)：39-42.

PENG Wen-biao, LIU Xin-qiong, YAN Chao-jun, et al. Calculation and Analysis of Satellite Transmission System Link Budget[J]. Journal of China Three Gorges University: Natural Sciences,2011,33(3):39-42.

[5]李志國，衛穎.衛星通信鏈路計算[J].指揮信息系統與技術,2014,1(5):73-76.

LI Zhi-guo, WEI Ying. Calculation of Satellite Communication Link[J]. Command Information System and Techology, 2014,1(5):73-76.

[6]小記."中衛1號"通信衛星[J].衛星與網絡，2007，1(3)：51-52.

Xiao Ji.“Chinastar 1”Communication Satellite[J]. Satellite & Network, 2007,2007,1(3):51-52.

[7]ITU Geneva. Attenuation by Atmospheric Gases in the Frequency Range 1-350 GHz [S].ITU Recommendations,1995,PN,676-1.

[8] Maral M, Bousquet M. Satellite Communications Systems. Fourth Edition. England:Johe Wiley & Sons, Inc.2002.

李子龍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為衛星通信；

婁景藝(1979—)，女，副教授，研究方向為衛星通信、數字信號處理；

屈曉旭(1976—)，男，副教授，研究方向為數字通信、無線通信。