高轨卫星通信系统链路预算软件设计

朱校通，郝建强

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

0 引言

卫星通信具有覆盖范围广，建站成本、通信费用与距离无关、宽带等特点，特别适用于自然和地址灾害频发的地区。当地面通信网络遭到较为严重的破坏，短时间内难以恢复，此时卫星通信作为应急通信保障手段，具有其他通信方式不可替代的优势[1]。链路预算是卫星通信系统工程设计中的一个重要环节，通过对卫星链路进行预算，可以实现对卫星通信网络进行配置，特别是发送站和接收站相关参数，使其满足实际需要中对通信容量和质量的要求。链路预算可以根据公式手工或采用 Excel表格进行计算，对于实际中需要多次对参数进行配置才能完成链路预算的工程人员而言，由于公式较多，很容易出现错误，费时费力。目前也有许多款链路预算软件，不同程度上解决了工程人员上述烦恼。本文结合实际工作需要，设计了一款能同时进行多个参数互算的链路预算软件，为工程人员提供了更好的便利性。

1 卫星通信链路预算任务及设计方法

1.1 链路预算的任务

卫星通信链路预算主要完成三个方面的任务:①在给定发射站发射功率和收发天线尺寸，同时确定转发器状态及其他相应参数的情况下，计算满足一定系统余量要求下，发射端的最大信息发送速率；②根据给定发射和接收站参数以及卫星转发器状态，计算链路总的载噪比、系统余量和相应系统余量下的发射站所需有效全向辐射功率(EIRP，Effective Isotropic Radiated Power)；③在给定发射站EIRP前提下，根据相应发射和接收站参数及卫星转发器状态，计算在满足一定系统余量要求下的发射站天线尺寸。为解决以上问题，实际中的链路预算通常采用两种思想，即正推法和倒推法[2]。正推法就是在给定发射站 EIRP和相应发射接收参数及转发器状态的基础上，计算总的系统余量和此时系统所能达到的最大信息发送速率；倒推法则是根据系统的余量要求，根据相关参数计算发射参数，如发射站EIRP、发射天线尺寸等。

1.2 卫星通信系统链路设计方法

一个单向卫星通信系统链路的设计可按如下几个步骤来完成，反向链路的设计也遵循同样的步骤[3]:

1）确定卫星通信系统的工作频段、参数值，并估计未知值。

2）确定发送和接收地球站参数。

3）从发送地球站开始，设计上行链路各部分参数，确定卫星接收系统的参数，给出上行链路载噪比预算，即[C/N]U。

4）根据实际误码率要求，计算出门限载噪比，即[C/N]TH，并算出系统余量。

5）根据上行链路的性能预算，得出卫星下行转发的传输功率。

6）根据接收地球站的参数，设计计算下行线路的传输信号功率和系统噪声，得出在卫星通信信号波束覆盖范围内指定位置地球站的[C/N]D。

7）对比所算出的系统余量和实际余量要求，调整系统参数，使得算出得系统余量大于等于实际要求余量。

1.3 链路预算公式

卫星链路的性能是通过接收机输入端的载波功率与噪声功率比值（简称为载噪比，常记为C/N或CNR）来衡量的，卫星链路的预算也常取决于该比值。用分贝值表示的C/N具体表达式如下:

式中EIRP为发射站有效全向辐射功率，G/T为卫星的品质因数，L为传输过程中的总损耗，K为玻耳兹曼常数，BN为噪声带宽。

由此可以分别给出上行和下行链路的C/N表达式如下[4]:

式中下标U表示上行链路，下标D表示下行链路，S表示卫星，Ws为卫星饱和通量密度，[BO]i和[BO]O分别为多载波工作时卫星转发器的输入补偿值和输出补偿值，LRFL为馈线损耗，λ为工作波长。

而链路总的C/N和上下行链路C/N的关系如下:

注意式中各项使用的是真数值，而非对数值。下标IM、AS、XP分别表示互调干扰、临星干扰、交叉极化干扰项。实际链路预算中，可根据具体要求和各项对总载噪比贡献程度，而做具体考虑，这里不再赘述。

2 链路预算软件设计

2.1 开发平台选择

由于MATLAB具有强大运算能力，同时其中的图形用户界面开发环境（GUIDE，Graphical User Interfaces Development Environment）模块可以根据需要制作友好的图形界面，而且其开发的软件可被封装成EXE文件，有效的解决了通用性问题，所以本链路预算软件选择了MATLAB为开发平台[5]。

2.2 软件实现功能设计

根据实际链路预算任务，并结合工作中实际要求，本软件主要实现如下几方面功能:

1）在其他参数给出的情况下，实现发射功率、信息速率和发射天线口径的互算，即知道这三个参量中的任意两个，都可以快速计算出另一个参量的大小，同时计算出每种情况下系统总的载噪比、系统余量以及其他一些必要的中间参量。

2）为方便用户使用，本软件录入了全国大部分城市的经纬度值，同时录入了亚洲4号卫星和亚洲5号卫星工作在C和Ku波段时，在这些城市下行EIRP、品质因数G/T和饱和通量密度等参数，用户使用时只需输入城市名，软件会自行完成相关数据的录入。

3）除了上述两颗常用卫星和涉及的城市，软件还同时能兼顾到使用其他卫星，以满足对精度要求较高，而要求自行输入经纬度值、下行EIRP、品质因数G/T和饱和通量密度等参数的情况，使得软件的使用更加灵活。

4）软件给出了一定的中间参量，用户可以更直观的看到不同情况下中间参量的改变，使得参数的配置和调整更快捷。

5）软件的升级简洁容易，可以根据实际工作需要，对内核代码稍作修改，就可实现所需的预算功能。

2.3 软件设计及界面介绍

为了实现上述功能，根据链路设计基本思想和方法，并结合链路预算方程，使用GUIDE模块设计出软件的主界面如图1所示。

图1 链路预算软件主界面

本软件界面包含六个数据参数区和三个计算按钮，分别为发送端调制参数区、发射站参数区、接收站参数区、卫星参数区、空间链路参数区、计算结果参数区、发射功率计算按钮、信息速率计算按钮和发射天线口径计算按钮。另外为用户能更准确快捷的使用本软件，在主界面的右下角注明了界面上不同颜色参数的具体使用方式。

发送端调制参数区，包括信息速率、调制方式、内码码率、外码码率和滚降系数五个参数，其中调制方式下拉菜单预设有常用的BPSK、QPSK、8PSK、16QAM等，外码码率下拉菜单预设有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8、1等。由这些参数可以算出符号速率、载波噪声带宽、载波分配带宽，进而根据使用的转发器带宽可以算出一个重要参量，即带宽利用率，这些都在计算结果参数区中给出。

发射站参数区和接收站参数区都有城市名、经纬度、工作频率、天线口径和效率、天线指向损耗、馈线损耗、星地距离、天线增益等参数，同时前者还包含每载波EIRP参数，后者包含LNA噪声温度、天线噪声温度和地球站G/T等参数，其中经纬度值，在输入城市名的情况下自动给出，用户也可根据实际需要自行输入，较为灵活。发射站参数区中“天线口径”参数根据实际需要也可作为待求参数，此时就可通过修改其他参数，在保证一定系统余量的基础上，计算出最合理天线尺寸。另外，接收站的G/T值作为结果参数给出，为接收站系统的配置提供了参考。

卫星参数区含有卫星名、卫星经度、下行功率EIRP、品质因数G/T、SFD（饱和通量密度）、转发器带宽、转发器输入输出补偿和每平米天线增益等参数，其中“卫星”这个选项为下拉菜单，提供了亚4C波段、亚4Ku波段、亚5C波段、亚5Ku波段、自选卫星等选项，当选择前四个之一时，卫星经度、下行功率EIRP、品质因数G/T、SFD四个参数将根据城市名自行给出，当选择“自选卫星”参数时，用户可根据实际情况输入上述参数值。

计算结果区给出了较多的中间结果参数，如上下行空间传输损耗、符号速率、载波噪声带宽、载波分配带宽、每载波输入输出补偿等，有利于用户更为直观的了解链路预算中各参数之间的相互影响。当然实际中也可根据需要，调整界面布局，使某些中间结果不在界面中显示，而只保留链路总C/N、发射功率和系统余量等关键结果参数。

最后的计算按钮分别完成发射功率、信息速率和发射天线口径的计算，并给出每种情况下链路总C/N和系统余量，用户可以通过修改配置参数，在保证实际需要系统余量的基础上，设计出较为经济合理的系统配置方案。图1中数据，为实际工作中一个链路预算实例，经验证结果可靠。

3 结语

本文介绍了卫星通信链路预算的基本任务及方法，并以此为依据以MATLAB为开发平台研制了一款链路预算软件。本软件弥补现有多数链路预算软件功能单一的缺陷，实现了发射功率、信息速率和发射天线口径的互算。此外，软件兼具自带数据和用户自选数据的功能，使用起来更加灵活高效。本软件在现实工作中经过多次使用验证，结果正确可靠。

[1]尹志忠,陈静毅,周贤伟.美军卫星通信系统的发展及其技术研究[J].通信技术,2009,42(11):55.

[2]田世军,青格勒.卫星通信链路工程计算[J].内蒙古广播与电视技术,2011,28(01):20-21.

[3]郭庆,王振永,顾学迈.卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2010:215.

[4]周慧琴,王茸,雷雪. C/Ku频段卫星地面接收系统总体方案设计[J].通信技术,2008,41(06):55-57.

[5]孟晖,王建峰,徐亚冲. 高轨卫星通信系统链路预算软件包研制[J].数字通信世界,2012(07):65-68.

[6]李恺,曾玲,安红章.互联网接口与卫星通信技术研究[J].信息安全与通信保密,2007(08):91-93.