卫星广播电视传输链路的实用计算

liyf · 发表于 2011-4-30 17:16:12

卫星广播电视传输链路的实用计算
对卫星广播电视传输链路进行计算的方法是：收集星载转发器和地面接收站的参数(包括地理的和设备的)，必要时还要了解上行站的有关参数，利用公式进行计算。
本文中介绍的是有关卫星广播电视传输链路的一种实用而简捷的计算方法，涉及到单载波应用、多载波应用、模拟信号转发、数字信号转发几种情况，综合了传输链路中多方面的因素。与一般的计算方法相比，本文介绍的计算较为精确，且计算过程简捷。文中的例子是按已知卫星转发器的参数和接收站的状态参数来推断信号的质量。至于从给定的信号质量来推算有关接收站的参数，只需进行相反的计算。
1、接收功率的计算
　　根据电波传播理论，通信链路中电波的自由空间衰减为：
L＝(4πd/λ)2 (1)
其中λ为工作波长，在卫星通信中，d为卫星到接收站的距离：
d＝35786×103×｛1＋0.42×［1－cos(φs－φe)cosθ］｝1/2或
d＝42146×103×［1.023－0.302cos(φs－φe)cosθ］1/2
式中φs为卫星星下点的经度，φe为地球站经度，θ为地球站纬度。
如果源点的发射功率为Pt，接收方向上发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，下行链路的自由空间衰减为Ld，则接收到的功率为：
Pr＝Pt×Gt×Gr/Ld用对数表示，则
［Pr］＝［Pt］+[Gt]＋［Gr］－［Ld］ (2)
在卫星通信中，Pt×Gt定义为等效全向辐射功率EIRP，该值由卫星公司提供，通常以等高线图或表格的形式提供给用户。并将大气闪烁损耗、天线指向误差和馈源极化调整误差对接收的影响归结为ΔLd（Ku波段上行或下行链路瞬间雨衰量可超过10dB，而C波段最大雨衰量一般不超过1dB），则公式(2)变为：
［Pr］＝［EIRP］＋［Gr］－［Ld］－[ΔLd] (3)
Gr=10lg［(πD/λ)2 η］确定，其中D为接收天线的直径（米），η为接收天线的效率，通常在50%～70%之间（偏馈天线为65%，前馈天线为55%）。
【例1】某卫星上1个C波段转发器在某地的［EIRP］值为36.7dBW，用3m天线接收，［Gr］为39.4dB，自由空间衰减［Ld］为195.96dB，如果［ΔLd］取1dB，则由公式(3)，馈源口处接收到的信号功率为：
［Pr］＝36.7＋39.4－195.96－1＝－120.86dBW
2、当采用SCPC方式使用一个转发器时（SCPC为单路单载波系统，即一路载波只含有一套节目，要传送多套节目就需要多个载波，其优点是可在不同的地点上星，适合上行站不在同一地点而需共用一个转发器的情况。MCPC多路单载波系统，即一路载波包含多套节目，优点是没有多载波谐波干扰，频带和功率利用率较高，适用于多路信号在同一地点上星），转发器的发射功率将在几个载波之间分配，如果这几个载波都是等幅的，则对每1路载波而言，其EIRP要考虑带宽因子：
［S］＝10lg(B/Br)其中B为整个转发器的带宽，Br则为某个已调载波占的带宽。如果1个星载转发器的带宽被n个载波均分，则带宽因子成为［S］＝10lgn。
此外，在多载波使用时，总功率是多个载波的功率之和，所以每个载波需要有一定数值的功率回退。功率回退的目的是减小互调产物对转发器甚至是对其它转发器的干扰。功率回退的值［OPBO］由卫星公司提供。
综合上述几个因素，某1路载波的EIRP为：
［EIRP］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］
接收天线接收到载波的功率为：
［Pr］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］＋［Gr］－［Ld］－［ΔLd］ (4)
　　【例2】某卫星上1个C波段转发器在多载波应用时的输出功率回退为4.5dB，转发器带宽为36MHz，某信号载波占用带宽为12MHz。其它参数同例1，则由公式(4)，该信号的接收电平为：
［Pr］＝36.7－10lg(36/12)－4.5＋39.4－195.96－1＝－130.13dBＷ＝－100.13dBm。
3、接收站的噪声温度和下行链路的载温比
　　如果接收天线的噪声温度为Ta，高频头的噪声温度为TLNB，则接收站的系统噪声温度大致（忽略了馈线的噪声温度）为：
T＝Ta＋TLNB测定了噪声温度（现在有很多高频头给出的是噪声系数F单位是db，那么噪声系数和噪声温度TLNB的换算公式是: TLNB=(10F/10-1)T0 ,T0是常温下的绝对温度2900K），就可以得到下行链路的载温比C/T：
［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［Ld］－［ΔLd］ (5)
通常将［Gr/T］称为地球站的品质因数，它是用来描述卫星接收信号能力的一个重要指标。我国规定6米天线C波段Gr /T≥25+20lg(f/4) (dB/K) f:GHz
C波段天线Gr/T表：

天线口径

6米

4.5米

3米

2.5米

Gr/T

25

22.1

18.1

15.5

Ku波段天线参数表

反射面口径

2.0米

2.4米

3.0米

3.2米

3.5米

3.7米

0.75米

1米

1.2米

1.5米

接收频率

10.95"12.75GHz

反射面增益

≥45.7dB

≥47.3dB

≥49.4dB

≥49.9dB

≥50.7dB

≥50.9dB

≥37.7dB

≥40.2dB

≥41.8dB

≥43.7dB

噪声温度（仰角20度）

≤45°K

当多个载波使用1个转发器时，某1路载波的载温比为：
［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［S］－［OPBO］－［Ld］－［ΔLd］ (6)
　　【例3】有关参数如例2，接收天线的噪声温度为42K，高频头的噪声温度为25K，由公式(6)，接收到的载波的载温比为：
［C/T］＝39.4－10lg(42+25)＋36.7－4.77－4.5－195.96－1＝－148.39dBW/K
其中39.4－10lg(42+25)是[Gr/T]。
4、以模拟方式转发时的载噪比门限［C/N］
当以模拟方式转发广播电视节目时，有了公式(6)的载温比［C/T］，就可以很方便地得到载噪比门限［C/N］：
［C/N］＝［C/BKT］＝［C/T］－［B］－［K］ (7)
其中B为信号所占带宽，K为玻尔兹曼常数，K＝1.38×10－23 焦耳/HZ/K。
通常模拟接收机的门限为7～8dB。为保证正常的、稳定的接收，应保证载噪比门限高于此门限。
　　【例4】若系统噪声温度T＝67K，信号所占带宽B＝36MHz，其它条件见例1，则由公式(7)可得：
［C/N］＝－120.86－10lg67－10lg(36×106) －10lg(K)
＝－120.86－18.26－75.56＋228.6＝13.92dB．
此时接收到的信号质量是很好的，有相当大的储备量。
信噪比与载噪比的关系是：S/N=C/N＋MF＋FD MF是改善系数，FD是预加重改善系数

FD: 预加重改善系数(dB)， FD=(2～2.3) dB；
　　ΔFV: 视频调制频偏(Hz)，ΔFV=16.8 MHz；
　　fv: 视频最高频率(Hz)，fv=5.75 MHz；
　　B: 接收机等效噪声带宽(Hz)，B=36 MHz；
MF=10lg3/2＋20(lg16.8－lg6)＋10lg36－10lg6=19.46db 那么
S/N=13.92＋19.46＋2.3=35.68db
图像信噪比与五级评分标准关系

S/N＝23－Q＋1.1Q2 (dB)

评分级别Q

1

2

3

3.5

4

4.5

5

S/N(dB)

23.1

25.4

29.9

32.9

36.6

40.8

35.5

对照上表，图像质量Q可接近4级。
5、数字方式转发时的门限［Eb/N0］
当以数字方式转发时，以［Eb/N0］来表示，[Eb/No]是单位比特的平均信号能量（即传送一个比特的信息所需要的载波功率）与噪声的单边功率谱密度（每赫兹带宽的噪声功率）之比。［Eb/N0］与［C/T］的关系：
［Eb/N0］＝［C/T］－［RI］－［K］ (8)
这里需要注意的是，RI为信道编码之前的信息净荷速率，也就是数字电视前端复用器输出信号的速率，而非经过信道编码后的数码流的速率。如鑫诺一号卫星上的C波段转发器（下行频率：3984 节目名称：中国证券信息联播）调制方式是QPSK，1/2卷积编码，RS(204,188)，符号率是3.617Ms/s。那么其净荷码率是3.617×log2 (4)×0.92×1/2=3.33Mbps。
［Eb/N0］与［C/N］之间有如下关系：
［C/N］＝(Eb／N0) ×（Rb/B）其中Rb/B是频谱效率，
B=(1+α)×RS α是滚降系数，在卫星系统中取0.35；RS是符号率
Rb=RS×log2(M) Rb是总码率
所以有 Rb/B= log2(M)/1.35
一般来说卫星信号的调制方式都是QPSK，所以Rb/B=1.48 有：
［C/N］＝（Eb／N0）＋10lg1.48=（Eb／N0）+1.7 （9）
　　【例5】已知利用SCPC方式转发的某套信号的信息速率为6.39Mbps，其它参数同例3，则由公式(8)得出［Eb/N0］为：
［Eb/N0］＝－148.39－10lg(6.39×106)＋228.6＝－148.39－68.06＋228.6＝12.15db
通常情况下，根据卷积编码速率的不同，数字解码器的解调门限在3.5～6dB之间，通常取5.4db，所以，例5中所得出的载噪比门限是有很高的余量的。一般情况下，有3dB的余量即可满足转发要求。
6、雨衰对卫星信号接收的影响
在进行卫星接收时，我们经常会遇到雨衰的问题，对于C波段来说，由于其波长较大，所以雨衰较小在1db以下，但对于波长较短的KU波段来说，由于雨滴对电波的吸收和散射造成对电波的衰减较为严重，所以在KU波段雨衰可高达10db以上。对于地面接收站来说，避免雨衰的方法是采用大口径的接收天线加以解决。
另外，雨滴对电磁波还有去极化的作用，由于穿过雨滴的入射电波的极化面取向不同将造成雨滴对电波的衰减和相移不同，从而对电磁波形成微分衰减和微分相移，这对于正交极化复用的双极化传输系统造成极化隔离度下降，正交极化信号相互干扰加大。
中国雨衰量分布图(110.5E轨位，12.75GHz，水平极化，99.9%可用度，单位为dB)

56

北纬（度）

54

0.5

0.5

0.6

52

0.6

0.6

0.7

0.8

50

0.8

0.7

0.9

0.9

1.0

1.3

1.4

1.2

48

0.8

0.7

0.7

0.7

0.9

1.0

1.0

1.4

3.1

3.0

1.6

1.5

1.6

1.9

46

0.7

0.6

0.4

0.3

0.3

0.3

1.0

1.0

1.0

1.2

1.7

3.5

3.6

2.4

3.2

3.2

2.1

44

0.7

0.7

0.4

0.3

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

1.0

1.0

0.8

1.0

1.6

2.1

3.5

3.4

3.4

3.5

3.4

42

0.7

0.7

0.7

0.4

0.3

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.3

0.3

0.3

0.4

1.0

1.2

1.5

1.5

1.9

4.5

3.5

2.4

2.4

3.3

3.4

40

0.7

0.8

1.0

1.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.2

0.2

0.2

0.3

0.8

0.8

0.4

0.9

1.1

1.8

4.4

5.1

5.0

3.1

2.8

2.2

38

0.5

1.5

1.6

1.3

1.1

0.9

0.5

0.3

0.2

0.2

0.4

0.3

0.4

0.9

1.0

1.0

1.2

4.2

5.1

5.8

3.5

4.3

4.2

36

0.8

0.9

0.9

0.9

0.8

0.5

0.5

0.4

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.8

1.0

0.9

1.3

2.3

5.2

3.5

4.5

4.5

34

0.9

0.8

0.8

0.8

0.6

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.9

1.3

1.3

2.0

4.6

3.3

4.5

4.7

4.8

32

1.0

0.9

0.9

0.8

0.8

0.8

0.8

0.6

0.5

0.5

0.5

0.5

1.1

3.2

3.4

2.3

2.8

4.5

4.7

4.9

4.9

4.9

30

1.1

1.0

1.0

0.9

0.9

0.9

0.9

0.7

0.6

0.6

0.6

1.4

3.8

4.1

2.7

4.2

4.7

4.9

5.2

5.3

5.5

28

1.3

1.5

1.4

1.3

1.8

1.3

1.1

1.4

2.1

3.9

4.1

4.6

4.9

5.3

7.0

7.4

8.1

26

4.8

4.4

2.0

2.2

4.0

4.5

5.2

5.4

7.1

7.4

7.7

8.3

24

5.5

5.3

5.2

6.2

6.6

6.9

7.7

8.0

8.2

8.0

8.0

8.4

8.5

22

5.8

5.9

7.9

8.4

8.5

8.6

20

8.5

8.5

18

东经（度）

078

080

082

084

086

088

090

092

094

096

098

100

102

104

106

108

110

112

114

116

118

120

122

124

126

128

130

132

134
我们用一个可用度来表征在一年的时间内卫星正常接收的时间概率。目前，我国广播电视行业认可的可用度为：集体接收99.9%，个体接收99%。可用度要求越高，需要的接收天线的口径就越大。
既然可用度是来表征正常接收的时间概率，那么造成雨衰的降雨量或降雨强度是个关键的参数。这个参数在时间和空间上的分布是不均匀的，要通过长期的观测和统计得到，统计时间概率用百分比表示。例如：某地区小雨下得多些，其时间概率为1%，中雨下得较少，其时间概率为0.1%，暴雨发生的时间概率更低为0.01%。由于不同地区所在的经纬度不同，接收天线的仰角也有所不同，所以在同样的降雨量或降雨强度下，其雨衰也是不同的。仰角越低，雨衰越大。现设所需的可用度要求是99.9%（集体接收），那么，对应的0.1%时间概率是不可用的，这个不可用的时间概率上所对应的雨衰值就是我们用作计算所在地区卫星接收所需要天线口径的参考值。
上图是110.5E卫星（鑫诺一号卫星）在可用度为99.9%时在我国的雨衰分布图。从图中可看出，广东地区最大的雨衰达到8.6db。设在正常情况下用0.75米天线（增益37.7db）接收就可达到4级图像，要在可用度为99.9%都保持这种接收效果接收天线的增益应为：37.7+8.6=46.3db。根据Gr=10lg［(πD/λ)2 η］天线的口径应为：
lgD=(46.3-20lg3.14+20lg0.025-10lg0.65)/20=0.31
D=100。31=2米

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