第三章衛(wèi)星通信系統(tǒng)23.1衛(wèi)星通信基本概念3.2通信衛(wèi)星與地球站3.3衛(wèi)星通信體制3.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路的設(shè)計(jì)3.5軍事通信衛(wèi)星網(wǎng)本章內(nèi)容在計(jì)算和設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信線(xiàn)路時(shí)，首先必須給出自地球站A經(jīng)由衛(wèi)星至地球站B的衛(wèi)星區(qū)間所要求的線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)。由于衛(wèi)星通信線(xiàn)路是國(guó)際通信網(wǎng)和國(guó)內(nèi)通信網(wǎng)的組成部分，所以其線(xiàn)路性能標(biāo)準(zhǔn)必須具有國(guó)際和國(guó)內(nèi)規(guī)定的普遍性。3.4.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路的模型及標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)路模型由地球站A->衛(wèi)星->地球站B所組成。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)線(xiàn)路可能是國(guó)際電路的一部分，所以必須按可能有二次和三次“跳躍”串聯(lián)連接的情況來(lái)判定線(xiàn)路的標(biāo)準(zhǔn)。3.4.1.1標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)路模型標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)路模型

1.模擬制電話(huà)線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)

CCIR對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模擬電路在電話(huà)通路零相對(duì)電平點(diǎn)允許的噪聲做如下建議：（1）每小時(shí)的平均噪聲功率不超過(guò)10000pW；（2）1分鐘的平均噪聲功率，在一個(gè)月的20%以上的時(shí)間，不超過(guò)10000pW；（3）1分鐘的平均噪聲功率，在一個(gè)月的0.3%以上的時(shí)間，不超過(guò)50000pW；（4）

積分時(shí)間5ms的噪聲功率，在一個(gè)月的0.03%以上的時(shí)間，不超過(guò)1000000pW；

50000和1000000pW是針對(duì)降雨和強(qiáng)風(fēng)等氣象條件引起線(xiàn)路質(zhì)量下降的情況而定的線(xiàn)路設(shè)計(jì)的依據(jù)。3.4.1.2線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)

2.數(shù)字線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)采用誤碼率Pe來(lái)表示的。在數(shù)字式的PCM-PSK線(xiàn)路中，產(chǎn)生誤碼的主要原因有熱噪聲、碼間干擾、比特失步和再生載波相位跳動(dòng)等。目前國(guó)際衛(wèi)星通信組織暫定誤碼率0.0001為臨界條件。這個(gè)FM模擬線(xiàn)路噪聲為50000pW的情況相對(duì)應(yīng)。3.4.1.2線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一條衛(wèi)星通信鏈路的主要目的是：盡量有效地在地球上兩個(gè)通信點(diǎn)之間提供可靠而又高質(zhì)量的聯(lián)接手段。為此，發(fā)送站發(fā)出的信號(hào)到達(dá)接收站時(shí)，必須具有足夠高的電平，而且不管對(duì)通信質(zhì)量的總噪聲影響如何，都要保證必需的業(yè)務(wù)質(zhì)量。這就是說(shuō)，接收到的射頻載波功率必須遠(yuǎn)大于噪聲功率。鏈路的載波和噪聲功率比用dB表示。鏈路所需的載噪比隨特定的系統(tǒng)和該系統(tǒng)的用途不同而異。目前，國(guó)際上對(duì)各種不同系統(tǒng)均已制訂出了各自相應(yīng)的建議值，而且這些規(guī)定有時(shí)會(huì)有所修訂，所以在設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)要查閱有關(guān)的最新文本。3.4.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路的設(shè)計(jì)眾所周知，一條鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)于模擬信號(hào)傳輸是以解調(diào)后的信噪比S/N來(lái)表示的，而對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸則用誤碼率Pe表示。但不論S/N還是Pe都取決于解調(diào)前的載波功率與等效噪聲溫度之比G/T、調(diào)制方式和設(shè)備的實(shí)際性能(解調(diào)器和濾波器等)。因此，實(shí)際上G/T值的計(jì)算是鏈路估算的主要內(nèi)容。鏈路預(yù)算主要考慮兩方面的問(wèn)題：

(1)已知通信衛(wèi)星和地球站的電參數(shù)，計(jì)算通信鏈路的傳輸能力。

(2)已知衛(wèi)星的電參數(shù)，根據(jù)對(duì)傳輸容量和質(zhì)量的要求，確定地球站的設(shè)備參數(shù)。3.4.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路的設(shè)計(jì)3.4.2.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率的計(jì)算

1.天線(xiàn)增益G

在衛(wèi)星通信中，一般使用定向天線(xiàn)，把電磁波能量聚集在某個(gè)方向上輻射。設(shè)天線(xiàn)開(kāi)口面積為A，天線(xiàn)效率為η,波長(zhǎng)為λ，天線(xiàn)直徑為D，則天線(xiàn)增益為

2.有效全向輻射功率(EIRP)

通常把衛(wèi)星和地球站發(fā)射天線(xiàn)在波束中心軸向上輻射的功率稱(chēng)為發(fā)送設(shè)備的有效全向輻射功率。它是天線(xiàn)發(fā)射功率PT與天線(xiàn)增益GT的乘積，即EIRP=PTGT（W）

設(shè)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放輸出功率為Po,饋線(xiàn)損耗為L(zhǎng)FT(LFT＞1),則上式還可寫(xiě)為或用分貝表示，即［EIRP］=［Po］+［GT］-［LFT］dBW3.4.2.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率的計(jì)算

3.載波接收功率衛(wèi)星或地球站接收機(jī)輸入端的載波功率一般稱(chēng)為載波接收功率，記作C，［C］以dBW(以1W為零電平的分貝)為單位。設(shè)發(fā)射機(jī)的有效全向輻射功率為［EIRP］dBW，接收天線(xiàn)增益為GRdB，接收饋線(xiàn)損耗為L(zhǎng)FRdB，大氣損耗為L(zhǎng)adB，自由空間損耗為L(zhǎng)PdB,其它損耗為L(zhǎng)rdB,則接收機(jī)輸入端的載波接收功率［C］dBW可以表示為：［C］=［EIRP］+［GR］-［La］-［LP］-［Lr］=［Po］-［LFT］+［GT］+［GR］-［La］-［LP］-［Lr］-［LFR］3.4.2.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率的計(jì)算

【例3.1】已知IS-Ⅳ號(hào)衛(wèi)星作點(diǎn)波束1872路運(yùn)用時(shí)，其有效全向輻射功率［EIRP］S=34.2dBW,接收天線(xiàn)增益GRS=16.7dB。又知某地球站有效全向輻射功率［EIRP］E=98.6dBW,接收天線(xiàn)增益GRE=60.0dB,接收饋線(xiàn)損耗LFRE=0.05dB。試計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CS和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE。

解若上行線(xiàn)路工作頻率為6GHz，下行線(xiàn)路工作頻率為4GHz，距離d=40000km,則)可求得上行線(xiàn)路傳輸損耗LU為［LU］=92.44+20lgd+20lgf=200.04dB3.4.2.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率的計(jì)算下行線(xiàn)路傳輸損耗LD為［LD］=196.52dB忽略L(fǎng)a、Lr和LFRS求得衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CS為：［CS］≈［EIRP］E+［GRS］-［LU］=-84.74dBW地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE(忽略L(fǎng)a和Lr)為［CE］=［EIRP］S+［GRE］-［LD］-［LFRE］

=-102.37dBW3.4.2.1衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率的計(jì)算3.4.2.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路噪聲功率的計(jì)算地球站接收系統(tǒng)的噪聲主要來(lái)源于如下幾個(gè)方面：

(1)天線(xiàn)噪聲。天線(xiàn)噪聲包括宇宙噪聲、大氣噪聲、降雨噪聲、太陽(yáng)噪聲、天電噪聲、天線(xiàn)損耗噪聲、天線(xiàn)罩噪聲以及天線(xiàn)從副瓣進(jìn)入的地面噪聲等等。

(2)干擾噪聲。干擾噪聲主要來(lái)源于其它通信系統(tǒng)。

(3)上行鏈路噪聲與轉(zhuǎn)發(fā)器交調(diào)噪聲。這些噪聲是伴隨信號(hào)一起從衛(wèi)星發(fā)送下來(lái)的，包括發(fā)射地球站、上行鏈路、衛(wèi)星接收系統(tǒng)的熱噪聲，以及多載波工作時(shí)衛(wèi)星和發(fā)射地球站的非線(xiàn)性器件產(chǎn)生的交調(diào)噪聲等。

(4)無(wú)源器件(如饋線(xiàn)、定向耦合器、波導(dǎo)開(kāi)關(guān))的噪聲。

(5)接收機(jī)的內(nèi)部噪聲。3.4.2.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路噪聲功率的計(jì)算噪聲的大小可直接用噪聲功率來(lái)度量。眾所周知，對(duì)于具有熱噪聲性質(zhì)的噪聲，噪聲功率可表示為：N=KTB式中，K=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，B為等效噪聲帶寬，T為等效噪聲溫度。若單邊功率譜密度用n0來(lái)表示，則n0=KT，因此噪聲的大小也可以用等效噪聲溫度T間接來(lái)表示。3.4.2.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路噪聲功率的計(jì)算為了便于計(jì)算，通常把上述噪聲都折算到地球站低噪聲接收機(jī)的輸入端，并分為三部分，即上行鏈路噪聲、轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲和下行鏈路噪聲。因此，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲溫度可表示為：Tt=TU+TI+TD=(r+1)TD

式中，TU為上行鏈路噪聲，TI為轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)噪聲溫度，TD為下行鏈路噪聲溫度，r=(TU+TI)/TD。3.4.2.2衛(wèi)星通信線(xiàn)路噪聲功率的計(jì)算3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比單向空間鏈路一般示意圖

1.上行線(xiàn)路載噪比與衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)在計(jì)算上行線(xiàn)路載噪比時(shí)，地球站為發(fā)射系統(tǒng)，衛(wèi)星為接收系統(tǒng)。設(shè)地球站有效全向輻射功率為[EIRP]E，上行線(xiàn)路傳播損耗為L(zhǎng)U，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收天線(xiàn)增益為GRS，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收系統(tǒng)饋線(xiàn)損耗為L(zhǎng)FRS，大氣損耗為L(zhǎng)a，則可求得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)輸入端的載噪比為式中,TS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端等效噪聲溫度；BS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)帶寬。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比如果將LFRS計(jì)入GRS之內(nèi)，則稱(chēng)之為有效天線(xiàn)增益；將La計(jì)入LU之內(nèi)，則式(3.8)可寫(xiě)成由于載噪比C/N是帶寬B的函數(shù)，因此這種表示方法缺乏一般性，對(duì)不同帶寬的系統(tǒng)不便于比較。若將噪聲改用每赫帶寬的噪聲功率(即單邊噪聲功率譜密度n0)表示，則3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比即(3.12)將式(3.12)代入式(3.9)可得(3.13)(3.14)由式(3.9)、式(3.13)和式(3.14)可以看出，GRS/TS值的大小直接關(guān)系到衛(wèi)星接收性能的好壞，故把它稱(chēng)為衛(wèi)星接收機(jī)性能指數(shù)，也稱(chēng)為衛(wèi)星接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)，通常簡(jiǎn)寫(xiě)為G/T。G/T值越大，C/N越大，接收性能越好。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比為了說(shuō)明上行線(xiàn)路［C/T］U值與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入信號(hào)功率的關(guān)系，引入了轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度的概念。當(dāng)使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時(shí)，其輸入端所需要的信號(hào)功率就是轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度，通常用功率密度WS表示，即以單位面積上的有效全向輻射功率表示，有或3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比以上是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只放大一個(gè)載波的情況。但是在頻分多址系統(tǒng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器要同時(shí)放大多個(gè)載波。為了抑制因交調(diào)干擾所引起的噪聲，需要使總輸入信號(hào)功率從飽和點(diǎn)減少一定數(shù)值，如圖3.2所示。由于進(jìn)行輸入補(bǔ)償，因此由各地球站所發(fā)射的總和EIRP，將比單波工作使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和時(shí)地球站所發(fā)射的EIRP要小一個(gè)輸入補(bǔ)償值。假設(shè)以［EIRP］ES表示轉(zhuǎn)發(fā)器在單波工作時(shí)地球站的有效全向輻射功率，那么多波工作時(shí)地球站的有效全向輻射功率的總和應(yīng)為3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比圖3.2行波管輸入、輸出特性3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比［EIRP］EM=［EIRP］ES-［ＢＯ］I

(3.17)式中，［BO］I為輸入補(bǔ)償值。將式(3.16)代入式(3.17)，得(3.18)與之相應(yīng)的(C/T)U值用(C/T)UM表示，即(3.19)3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比

2.下行線(xiàn)路載噪比與地球站性能指數(shù)這時(shí)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為發(fā)射系統(tǒng)，地球站為接收系統(tǒng)。與上行線(xiàn)路類(lèi)似，可得其基本關(guān)系式為式中，TE為地球站接收機(jī)輸入端等效噪聲溫度；BE為地球站接收機(jī)的頻帶寬度；GRE為地球站接收天線(xiàn)有效天線(xiàn)增益。同樣，可以寫(xiě)成另外兩種表達(dá)形式，即3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比式中，［GRE/TE］稱(chēng)為地球站性能指數(shù)(品質(zhì)因數(shù))，常用［GR/TD］表示，其中TD為下行線(xiàn)路噪聲溫度，它關(guān)系著地球站接收性能的好壞。因此，在國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了保證一定的通信質(zhì)量并能有效地利用衛(wèi)星功率，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地球站的性能指數(shù)有明確規(guī)定。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比當(dāng)考慮到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器要同時(shí)放大多個(gè)載波時(shí)，為了減小互調(diào)噪聲，行波管放大器進(jìn)行輸入補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，輸出功率也應(yīng)有一定補(bǔ)償值。因此，多載波工作時(shí)的有效全向輻射功率為［EIRP］SM=［EIRP］SS-［BO］O

(3.23)式中，［EIRP］SS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在單波飽和工作時(shí)的［EIRP］。將式(3.23)代入式(3.22)，得3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比

3.衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波功率與交調(diào)噪聲功率比當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時(shí)放大多個(gè)信號(hào)載波時(shí)，由于行波管的幅度非線(xiàn)性和相位非線(xiàn)性的作用，會(huì)產(chǎn)生一系列交調(diào)產(chǎn)物。其中，落入信號(hào)頻帶內(nèi)的那部分就稱(chēng)為交調(diào)噪聲。如果近似認(rèn)為交調(diào)噪聲是均勻分布的話(huà)，可采用和熱噪聲類(lèi)似的處理辦法，求得載波互調(diào)噪聲比，也可用［C/N］I、［C/n0］I或［C/T］I來(lái)表示，且(3.25)3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比一般規(guī)律是，越遠(yuǎn)離行波管飽和點(diǎn)(即輸入補(bǔ)償越大)，［C/T］I越大；越接近飽和點(diǎn)(即輸入補(bǔ)償越小)，［C/T］I越小。而［C/T］U和［C/T］D情況卻相反。例如，當(dāng)輸入補(bǔ)償越小時(shí)，［EIRP］S要增大，這時(shí)可使［C/T］D得到相應(yīng)的改善。可是［C/T］I會(huì)因行波管非線(xiàn)性而降低，如圖3.3所示。因此，為了使衛(wèi)星鏈路得到最佳的傳輸特性，必須適當(dāng)選擇補(bǔ)償值。顯然，選擇最佳工作點(diǎn)的問(wèn)題，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是個(gè)極其重要的問(wèn)題。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比圖3.3［C/T］與［BO］I的關(guān)系3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比

4.衛(wèi)星通信線(xiàn)路的總載噪比前面研究的上行和下行線(xiàn)路載噪比都是單程線(xiàn)路的載噪比。所謂單程，就是指地球站到衛(wèi)星或衛(wèi)星到地球站。實(shí)際上，進(jìn)行衛(wèi)星通信是雙程的，即由地球站→衛(wèi)星→地球站。因此，接收地球站收到的總載噪比［C/N］t與下行線(xiàn)路的載噪比［C/N］D是有區(qū)別的。整個(gè)衛(wèi)星線(xiàn)路噪聲由上行線(xiàn)路噪聲、下行線(xiàn)路噪聲和交調(diào)噪聲三部分組成。雖然這三部分噪聲到達(dá)接收站接收機(jī)輸入端時(shí)，已混合在一起，但因各部分噪聲之間彼此獨(dú)立，所以計(jì)算噪聲功率時(shí)，可以將三部分相加，即3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比Nt=NU+NI+ND=k(TU+TI+TD)B=kTtB (3.26)Tt=TU+TI+TD

(3.27)式中，NU、NI、ND和TU、TI、TD分別代表上行線(xiàn)路、轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線(xiàn)路的噪聲功率和噪聲溫度。于是可以寫(xiě)出整個(gè)衛(wèi)星線(xiàn)路的總載噪比為(3.28)3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比(3.29)因此或(3.30)(3.31)3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比

5.門(mén)限富裕量和降雨富裕量在FM中存在門(mén)限效應(yīng)，即當(dāng)鑒頻器的輸入信噪比Ci/Ni大于門(mén)限值(C/N)th時(shí)，其輸出信噪比會(huì)得到改善。反之，當(dāng)Ci/Ni

＜(C/N)th時(shí)，其輸出信噪比會(huì)急劇惡化。對(duì)于不同的調(diào)制指數(shù)βFM,門(mén)限值大致在(C/N)th=8~11dB，且與調(diào)制信號(hào)類(lèi)型幾乎無(wú)關(guān)。因此，通常取(C/N)th=10dB。為了更一般化起見(jiàn)，如果對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量提出了一定的要求，則可以規(guī)定滿(mǎn)足該質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求所容許的最小C/N或C/T值稱(chēng)為門(mén)限，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須使C/T值大于[C/T]th值。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比但是，任何一條線(xiàn)路建立后，其參數(shù)不可能始終不變。而且會(huì)經(jīng)常受到氣象條件、轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備某些不穩(wěn)定因素及天線(xiàn)指向誤差等方面的影響。為了在這些因素變化后仍能使質(zhì)量滿(mǎn)足要求，它必須留有一定的余量(儲(chǔ)備量)，這個(gè)余量叫“門(mén)限富裕量”。在氣象條件變化中，特別是雨雪引起的線(xiàn)路質(zhì)量下降，在線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)必須留有一定的余量，以保證降雨時(shí)仍能滿(mǎn)足對(duì)線(xiàn)路質(zhì)量的要求，這個(gè)余量叫“降雨富裕量”。降雨主要對(duì)下行線(xiàn)路影響顯著。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比已知不降雨時(shí)Tt=TU+TI+TD=(1+r)TD此時(shí)有(3.32)用分貝表示，有(3.33)假設(shè)由于降雨影響，使下行線(xiàn)路噪聲增加到原有噪聲的m倍，地球站接收系統(tǒng)(C/T)值正好降到門(mén)限值，則T’t=TU+TI+mTD=(m+r)TD(3.34)3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比(3.35)用分貝表示，有(3.36)式(3.36)說(shuō)明，降雨影響使總噪聲比不降雨時(shí)降低。因此，為了保證通信可靠、質(zhì)量符合要求，設(shè)計(jì)通信線(xiàn)路時(shí)，應(yīng)留有門(mén)限余量E：(3.37)

E代表正常氣候條件下［C/T］超過(guò)門(mén)限值的分貝數(shù)，m為降雨富裕量。用分貝表示時(shí)，寫(xiě)為M=10lgmdB在衛(wèi)星通信中，一般取M=4~6dB。3.4.2.3衛(wèi)星通信線(xiàn)路載波功率與噪聲功率比TDMA數(shù)字衛(wèi)星通信線(xiàn)路的設(shè)計(jì)1)數(shù)字衛(wèi)星通信線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)誤碼率 Pe=10-43.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

2)主要通信參數(shù)的確定

(1)歸一化信噪比Eb/n0。接收數(shù)字信號(hào)時(shí)，載波接收功率與噪聲功率之比C/N可以寫(xiě)成(3.50)式中，Eb為每單位比特信息能量；Es為每個(gè)數(shù)字波形能量，對(duì)于M進(jìn)制，則Es=EblbM;R′為碼元傳輸速率(波特速率)；R為比特傳輸速率，且R=R′lbM;B為接收系統(tǒng)等效帶寬；n0為單位頻帶噪聲功率(單邊噪聲功率譜密度)。3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)(2)誤碼率與歸一化信噪比的關(guān)系(對(duì)于2PSK或QPSK):(3.51)當(dāng)Pe=10-4時(shí)，得歸一化理想門(mén)限信噪比為(3.52)當(dāng)取理想帶寬(B=R′)時(shí)，則由式(3.50)可求得2PSK時(shí)理想門(mén)限載波接收功率與噪聲功率比［C/N］th2為3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)而QPSK時(shí)，［C/N］th4為3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(3)門(mén)限余量。當(dāng)僅考慮熱噪聲影響時(shí)，為保證誤碼率Pe=10-4，必需的理想門(mén)限歸一化信噪比為8.4dB，則門(mén)限余量E可由下式確定:(3.53)門(mén)限余量是為了考慮TDMA地球站接收系統(tǒng)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等設(shè)備特性不完善所引起的惡化而采取的保證措施。3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(4)接收系統(tǒng)最佳頻帶寬度B的確定。接收系統(tǒng)的頻帶特性是根據(jù)誤碼率最小的原則確定的。根據(jù)奈奎斯特速率準(zhǔn)則，在頻帶寬度為B的理想信道中，無(wú)碼間串?dāng)_時(shí)，碼字的極限傳輸速率為2B波特。由于PSK信號(hào)具有對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)邊帶，其頻帶寬度為基帶信號(hào)頻帶寬度的2倍,因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PSK信號(hào)的理想解調(diào)，系統(tǒng)理想帶寬應(yīng)等于波形傳輸速率(波特速率)R′。但從減小碼間干擾的角度考慮，一般要求選取較大的頻帶寬度。因此，取最佳帶寬為：(3.54)3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(5)地球站接收系統(tǒng)載波接收功率與系統(tǒng)總噪聲溫度比(C/T)t的確定。將式(3.50)中(C/N)t用(C/T)t表示，則可寫(xiě)成(3.55)用分貝表示(3.56)當(dāng)采用TDMA方式時(shí)，接收系統(tǒng)總噪聲為上行線(xiàn)路熱噪聲和下行線(xiàn)路熱噪聲之和。3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(6)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率的確定。根據(jù)式(3.22)可求得(3.62)將式(3.61)代入式(3.62)，求得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器必需的有效全向輻射功率為(3.63)3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(7)地球站有效全向輻射功率的確定。根據(jù)式(3.14)，地球站有效全向輻射功率為(3.64)(3.65)式中，gS為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率增益(dB)；［GTS］、［GRS］分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射和接收天線(xiàn)增益(dB)。3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)當(dāng)采用TDMA時(shí)，則有(3.66)將式(3.56)代入式(3.66)，得(3.67)3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)將式(3.67)式代入式(3.64)，得將式(3.53)代入式(3.68)，得(3.68)(3.69)3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

3.計(jì)算實(shí)例

【例3.5】已知工作頻率為6/4GHz，利用IS-Ⅳ號(hào)衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器［G/T］S=-17.6dBW，線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)取誤碼率Pe=10-4，門(mén)限余量E=6dB,標(biāo)準(zhǔn)地球站［GR/TD］=40.7dB，取d=40000km，信息傳輸速率R=60Mb/s的數(shù)字信號(hào)，試計(jì)算IS-Ⅳ號(hào)衛(wèi)星QPSK-TDMA數(shù)字線(xiàn)路的主要通信參數(shù)。

解

(1)數(shù)字調(diào)制方式及門(mén)限歸一化信噪比。當(dāng)門(mén)限余量E為6dB時(shí)，根據(jù)式(3.52)，為保證誤碼率Pe=10-4，門(mén)限歸一化信噪比為3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)(2)門(mén)限余量及歸一化信噪比。當(dāng)E=6dB時(shí)，根據(jù)式(3.53)，可得(3)接收系統(tǒng)最佳帶寬B。根據(jù)式(3.54)，得取B=35MHz。3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(4)地球站接收系統(tǒng)載波接收功率與系統(tǒng)總噪聲溫度比［C/T］t的確定。根據(jù)式(3.56)可得3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)(5)下行線(xiàn)路［C/T］D的確定。根據(jù)式(3.59)可得對(duì)于TDMA,r取決于上行線(xiàn)路與下行線(xiàn)路噪聲之比，通常取r=0.4,則有3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)(6)上行線(xiàn)路［C/T］U的確定。根據(jù)式(3.66)可得

(7)上行線(xiàn)路損耗:［LU］=200.04dB

(8)下行線(xiàn)路損耗:［LD］=196.52dB3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)

(9)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有效全向輻射功率［EIRP］S的確定。根據(jù)式(3.62)可得(10)地球站有效全向輻射功率［EIRP］E的確定。由式(3.64)可得3.4.2.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路設(shè)計(jì)573.1衛(wèi)星通信基本概念3.2通信衛(wèi)星與地球站3.3衛(wèi)星通信體制3.4衛(wèi)星通信線(xiàn)路的設(shè)計(jì)3.5軍事通信衛(wèi)星網(wǎng)本章內(nèi)容3.5.1軍事通信的分類(lèi)（一）按通信手段分1.無(wú)線(xiàn)電2.有線(xiàn)電3.光通信4.運(yùn)動(dòng)通信和簡(jiǎn)易信號(hào)通信（二）按通信任務(wù)分1.指揮通信2.協(xié)同通信3.報(bào)知通信4.后方通信3.5.1軍事通信的分類(lèi)（三）按通信保障的范圍分1.戰(zhàn)略通信2.戰(zhàn)役通信3.戰(zhàn)術(shù)通信4.通信樞紐（1）固定通信樞紐（2）野戰(zhàn)通信樞紐（3）干線(xiàn)通信樞紐3.5.1軍事通信的分類(lèi)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)3.5.2典型軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)簡(jiǎn)介1．軍事星2．國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)3．特高頻后繼星衛(wèi)星通信系統(tǒng)4．全球廣播業(yè)務(wù)系統(tǒng)3.5.2典型軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1．軍事星

軍事星是美國(guó)軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種極高頻（44/20GHz）軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)。特點(diǎn)：具有抗核加固能力和自主控制能力。在發(fā)生核戰(zhàn)爭(zhēng)，地面控制系統(tǒng)無(wú)法工作的情況下，軍事星仍可工作長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月。

其抗干擾能力強(qiáng)，安全性和頑存性好，代表了當(dāng)前軍事通信的世界最高水平，能夠滿(mǎn)足戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)通信的需要。3.5.2典型軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng)簡(jiǎn)介發(fā)展：20世紀(jì)80年代啟動(dòng)，共有兩代，即軍事星1(第一代軍事星)和軍事星2(第二代軍事星)。軍事星星座由5顆衛(wèi)星組成，其中有2顆軍事星1和3顆軍事星2，2003年該星座全部部署完畢。兩代軍事星都服務(wù)于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)通信，但軍事星1有抗核加固能力，以戰(zhàn)略通信為主；軍事星2沒(méi)有抗核加固能力，以戰(zhàn)術(shù)通信為主。軍事星（MILSTAR）

有效載荷：軍事星的有效載荷主要有低數(shù)據(jù)率(LDR)有效載荷、中數(shù)據(jù)率(MDR)有效載荷和星間交叉鏈路有效載荷。其中，軍事星1攜帶了低數(shù)據(jù)率和交叉鏈路有效載荷，而軍事星2攜帶了低數(shù)據(jù)率、中數(shù)據(jù)率和交叉鏈路有效載荷(見(jiàn)表1和表2)。軍事星1和軍事星2在低數(shù)據(jù)率通信和交叉鏈路上能夠充分實(shí)現(xiàn)互操作。軍事星（MILSTAR）軍事星（MILSTAR）

軍事星攜帶了交叉鏈路有效載荷，衛(wèi)星無(wú)需經(jīng)過(guò)地面站中轉(zhuǎn)就可直接互連。這樣，地面終端發(fā)送和接收的信息可以由系統(tǒng)中其它衛(wèi)星中繼，并且有可能重選路由。其后續(xù)計(jì)劃是先進(jìn)極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)。軍事星（MILSTAR）先進(jìn)極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)先進(jìn)極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)這是被美國(guó)軍方命名為先進(jìn)極高頻（AEHF）的系統(tǒng)，為了擴(kuò)大與別國(guó)技術(shù)差距。這個(gè)系統(tǒng)將為美國(guó)國(guó)防部的所有作戰(zhàn)人員提供全球性、高安全性、受保護(hù)和持久的通信，還具備監(jiān)視別國(guó)衛(wèi)星運(yùn)行的功能。

首顆AEHF衛(wèi)星于2010年8月14日用“宇宙神”-5運(yùn)載火箭進(jìn)行發(fā)射。單顆AEHF衛(wèi)星將能夠提供比目前在軌的整個(gè)“軍事星”系統(tǒng)還要大的容量。更快的數(shù)據(jù)速度將允許戰(zhàn)術(shù)軍事通信的傳輸，如高質(zhì)量實(shí)時(shí)視頻，和快速訪(fǎng)問(wèn)戰(zhàn)區(qū)地圖及目標(biāo)數(shù)據(jù)。作為美軍第三代軍事通訊衛(wèi)星，“先進(jìn)極高頻通訊衛(wèi)星”(AEHF)采用星間鏈路(不同在軌衛(wèi)星間的互聯(lián))技術(shù)、星上處理技術(shù)等，能根據(jù)用戶(hù)優(yōu)先級(jí)別來(lái)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。該系統(tǒng)有非常強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，即便在地面控制站被破壞后，整個(gè)系統(tǒng)仍能自主工作半年以上。先進(jìn)極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)

國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)是一個(gè)提供超高頻(SHF)寬帶和抗干擾通信的通信系統(tǒng)。

國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)共發(fā)展了3代，現(xiàn)在在軌運(yùn)行的是國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)3。該星座由14顆國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)3衛(wèi)星組成，12顆為工作星，2顆為備份星，已部署完畢。星座位于赤道上空36000公里的地球同步軌道，覆蓋范圍為南北緯75度之間。星座在東太平洋、西大西洋、東大西洋、印度洋和西太平洋等五個(gè)區(qū)域提供通信服務(wù)。每顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為10年。其后續(xù)計(jì)劃是寬帶填隙衛(wèi)星(WGS)。

國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)3是通用的軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為美國(guó)的陸、海、空三軍提供了安全可靠的全球通信服務(wù)，是美國(guó)軍事超高頻通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。其典型的應(yīng)用包括全球軍事指揮和控制、危機(jī)管理、情報(bào)和早期預(yù)警數(shù)據(jù)的中繼、條約監(jiān)控及監(jiān)視信息、外交通信等。國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以承載國(guó)防部所有衛(wèi)星通信80％的業(yè)務(wù)以及45％的戰(zhàn)地寬帶通信業(yè)務(wù)。

國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)

國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)3以超高頻通信為主，前10顆衛(wèi)星每顆星的通信總?cè)萘繛?00兆比／秒，在最后4顆衛(wèi)星上增加了特高頻(UHF)通信的比重。后4顆衛(wèi)星屬于軍方壽命延長(zhǎng)(SLEP)改進(jìn)項(xiàng)目，使用超高頻進(jìn)行通信，每顆星的通信總?cè)萘繛?00兆比／秒。國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)

特高頻后繼星衛(wèi)星通信系統(tǒng)（UFO）