Ku频段卫星通信链路计算

李子龙，娄景艺，屈晓旭

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

摘　要：卫星通信具有容量大、成本低、抗干扰性能强、覆盖面积广和通信距离远等优势，已成为舰船通信的重要手段。针对Ku频段卫星通信的特点，提出了一种链路计算方法，并给出了岸基发送站、卫星转发器和接收系统的参数，通过实例分析，计算上行发送站的EIRP、接收站天线的方位、链路降雨衰减、链路载噪比及链路余量等，从而设计出合理的链路预算。

关键词：Ku频段；卫星通信；链路计算；雨衰；载噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.007

Ku频段卫星通信链路计算

李子龙，娄景艺，屈晓旭

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

摘要：卫星通信具有容量大、成本低、抗干扰性能强、覆盖面积广和通信距离远等优势，已成为舰船通信的重要手段。针对Ku频段卫星通信的特点，提出了一种链路计算方法，并给出了岸基发送站、卫星转发器和接收系统的参数，通过实例分析，计算上行发送站的EIRP、接收站天线的方位、链路降雨衰减、链路载噪比及链路余量等，从而设计出合理的链路预算。

关键词：Ku频段；卫星通信；链路计算；雨衰；载噪比

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.007

收稿日期：Received date:2015-02-01；Revised date：2015-04-21

基金项目：国家自然科学基金项目(61302099)Foundation Item:National Natural Science Foundation(61302099)

中图分类号：

文献标志码：码：A

文章编号：号：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.

作者简介：

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频段卫星通信系统时，链路计算是设计的基础。在进行链路设计时涉及以下几点：(1)是上行发送站的EIRP，描述了射频信号的发射能力，是高功放的输出功率和天线增益的乘积，而且要考虑馈线损耗;(2)是降雨衰减，由于Ku频段电磁波的波长为十几毫米，而雨滴的直径为数毫米，其穿过雨区时会受到传输损耗，根据ITU-R雨衰模型，计算雨致衰减量;(3)是噪声影响，卫星通信接收的载波电平较低，因此对噪声非常敏感，要分析各种噪声源对通信系统的影响。

1链路损耗

1.1自由链路损耗、大气衰减、天线未对准衰减

自由链路损耗[1]指自由空间损耗，其与传输距离和频率成正比为：

(1)

上行大气层吸收衰减一般为Lau=0.14d B，下行大气层吸收衰减一般为Lad=0.12 dB。

天线未对准衰减，指卫星天线和地球站天线的偏轴衰减，一般为Lpu=0.5 dB。

1.2链路雨致衰减Lru

一般只计算一次，或只考虑下行链路，根据ITU—R的降雨衰减公式[2]：

(2)

(3)

可知，上行链路总损耗Lu=Lfu+Lau+Lpu。同理，下行链路总损耗Ld=Lfd+Lad+Lpd+Lrd。

2卫星链路载噪比

2.1上行链路载温比、载噪比与载温比转换

上行链路载温比：

[C/T]u=Ws-IPBO+[G/T]s-10lg(4π/λu2),

IPBO=Ws-[EIRPe-Lu+10lg(4π/λu2)]

(4)

IPBO为每载波输入回退，带入上式得：

[C/T]u=EIRPe-Lu+[G/T]s

(5)

下行链路载温比：

(6)

载噪比与载温比转换：

上行链路载噪比：

(7)

下行链路载噪比：

(8)

2.2总载噪比

2.2.1邻近卫星干扰

从地球站观察，静止轨道卫星间存在角度一般不是很大，从地球站天线旁瓣进入到邻近的卫星，从而产生功率干扰。Go为接收站天线旁瓣在干扰星方向的增益，一般设为19.05 dB。计算公式为：

(9)

2.2.2邻近信道干扰

在卫星信道中，大部分能量集中的带宽1/Tb内，实际上QPSK信号中采用0.6/Tb的信道滤波器进行滤波，因此邻近信道或邻近转发器的能量会产生功率干扰。计算公式为：

(10)

2.2.3正交极化干扰

天线有正交极化和正交圆极化方式，因此地球站天线和卫星天线存在正交极化鉴别度，在一次收和一次发的过程中，极化鉴别度产生恶化造成衰减。计算公式为：

(11)

链路总载噪比:

(12)

其参数由卫星公司给出,具体见文献[5]。

2.3链路余量

链路余量与链路的总载噪比和接收机的门限载噪比有关，通过链路余量来判断能否满足通信要求，一般余量要求达到1-2 dB。其计算公式如下：

(13)

(14)

带入公式，得载波噪声带宽[4]为：

[Bn]=10lg(1.2·8·106/0.75/2)=68.06 dB

3接收天线的方位

接收天线的方位，在与卫星通信时，必须计算接收天线的方位角、仰角和极化角，这不仅关系能否正常通信的问题，还影响了链路的传输路径损耗[5]。

天线方位角:

(15)

天线仰角:

(16)

天线极化角:

(17)

4实例验证

通过利用中卫1号(中星5A)和岸基发射台进行验证试验，具体参数见文献[6]。

4.1通信要求

(1)发射天线参数

1)全向辐射功率EIRPe：55.9 dBW

2)功放功率P：49 dBm

3)调制方式：QPSK

4)调制因子a：1/2

5)调制解调器门限Eb/N0：4 dB

6)误码率：Pe≤1×10-6

7)载波速率Rb：8 Mb/s

8)前向纠错编码率FEC：3/4

(2)接收天线参数

1)天线功率200 W

2)天线尺寸2 m

3)天线效率η：0.5

4)指向损耗：0.5 dB

5)天线收增益Gr：34.9 dB

(3)Ku频段卫星参数(中卫1号)

1)上行频率：14.0 GHz～14.5 GHz

2)下行频率：12.2 GHz～12.7 GHz

3)经度J：87.5°E

4)饱和EIRPs：55.39 dBW

6)输入补偿IBO：6 dB

7)输出补偿OBO：3 dB

8)转发器饱和通量密度(SFD)：Ws=-87.82 dBW/m2

4.2链路计算

中国处于东经75～135度，北纬18～55度之间，当接收站位于我国东海某处(26°N、123°E)，其气候区为热带季风气候区，0℃等温线高度H为4.8 km，海拔高度H0为0 km，上行频率为13.7 GHz下行频率为12.5 GHz，查表得a=0.017 8,b=1.208，p=0.01%点降雨量Rp=100 mm/h[7]。

表1　上行发送站最大EIRP值计算

因此，EIRP=P-Loss+G=49-3+40=86 dBW

表2　接收站e值计算

带入公式(15)得，天线方位角A=58.4°；带入公式(16)得，天线仰角E=40.4°；带入公式(17)得，天线极化角P=50.0°

To为环境温度(To==293K)：

表3　下行链路雨致衰减计算

由公式(3)，带入数据得γp=0.8。由公式(2)，带入数据得降雨衰减为：

。

带入公式(12)(计算时不能直接带入表中的值，要经过公式dB=10lg()将dB值转换为功率值)[8]，得：

5试验分析

晴天情况下，计算链路余量时，考虑了空间传输损耗、馈线天线罩损耗和部分噪声干扰，但还有一些干扰未考虑，如地面微波干扰和HPA非线性产生的交调干扰等，故链路应该存有一定的余量。当岸基站的EIRPe设定63.5 dB时，链路余量为2.25 dB，可达到链路通信要求。

雨天情况下，计算链路余量时，由于Ku频段受雨衰影响较大，故需考虑雨衰，设定接收站位于东海某一位置(26°N、123°E)，通过查找ITU—R规定的国际标准，当链路可用度为99.99%，p=0.01%点降雨量Rp=100 mm/h，计算雨衰为41 dB。当岸基站的EIRPe设定为73.7 dB时，链路余量为1.17 dB，也可达到链路通信要求。另外，当遇到雨量较大而余量不足时，可适当提高岸基站的发射功率等，以满足恶劣条件下的通信。

6结语

Ku频段卫星通信在设计链路时，要综合考虑发送站的EIRP、接收天线的方位、降雨衰减、链路载噪比及链路余量等多种因素。本文给出了链路计算的完整公式和步骤，并通过实例分析，得出了该方法的可行性。通过Ku频段卫星的链路计算，能使用户合理管理并利用链路和卫星资源。在现实的通信条件下，还应全面考虑其他干扰，力求是链路设计过程更加完善。

参考文献：

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

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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]彭文标，刘馨琼，严朝军等.卫星传输系统链路计算与分析[J].三峡大学学报：自然科学版，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.

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

[6]小记."中卫1号"通信卫星[J].卫星与网络，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.

李子龙(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为卫星通信；

娄景艺(1979—)，女，副教授，研究方向为卫星通信、数字信号处理；

屈晓旭(1976—)，男，副教授，研究方向为数字通信、无线通信。