动中通卫星通信系统链路预算及实例分析*

杨新华，刘 杨，雷迪伟

（北京航天控制仪器研究所，北京 100094）

0 引 言

卫星通信具有覆盖范围广﹑通信距离远﹑通信容量大等优点。动中通天线[1]能在载体移动过程中快速准确对准卫星，不受载体摇摆﹑颠簸影响，实现了移动中通过卫星进行通信。动中通具有机动性强﹑使用方便﹑可靠性高等优点，能在运动过程中实时﹑大容量﹑不间断传递语音﹑数据﹑图像等多媒体信息，广泛应用于军用和民用通信。

动中通系统进行卫星通信时，需要进行链路预算，构建动中通移动站与中心站间的通信链路，合理设计动中通天线口径和功放功率，使系统既能满足通信需求，又能节约成本。

1 链路预算的目的及步骤

链路计算的目的是在卫星转发器上的功率占用

比等于或小于带宽占用比的情况下，保证接收端调制解调器输入端口的Eb/N0大于调制解调器的门限值，并留有一定的余量。

链路分析与预算的方法主要有顺推法﹑倒推法和功带平衡法。功带平衡法Eb/N0是基于载波在卫星转发器的功率和带宽占有比相等的原则下进行链路计算，通过卫星对发射站的卫星饱和通量密度（SFD）﹑下行损耗等，计算所需发射站功放功率，并逐步计算上﹑下行载噪比，推算系统Eb/N0余量。然后，根据Eb/N0余量的情况调整接收站天线口径，使系统余量达到设计使用要求，如图1所示。

图1 功带平衡法模型

2 链路预算

本文采用功带平衡法进行计算，先给定地面站（发射站﹑接收站）参数﹑卫星及转发器参数﹑业务载波参数﹑干扰参数四类参数。根据给定参数分别计算分配带宽﹑链路损耗﹑上行载噪比﹑下行载噪比﹑链路总的载波比﹑链路余量等，并根据计算结果进行调整。链路预算图如图2所示。

图2 卫星链路预算

2.1 相关参数

设计实例系统采用Ku频段卫星通信，通信速率为2 Mb/s；动中通站天线口径为0.7 m，功放饱和输出功率为55 W，中心主站为4.5 m，功放饱和输出功率为20 W，通信地点为长沙，通信卫星为中星6 A。

2.1.1 已知参数

链路预算实例中给定的已知参数，如表1所示。

2.1.2 信息传输速率及载波分配带宽预算

信息速率定义为单位时间内传送的比特数，一般指信号在传输链路中信道编码前的速率。经过信道编码后，传输线路中实际传输的比特流为传输速率。调制映射后的速率为信道中实际码元流即符号速率[2]，计算公式为：

表1 链路预算已知相关参数

（续表1）

设滚降系数为α，载波噪声带宽﹑占用带宽及分配带宽与符号速率的的关系如下：

按表1中载波信息进行计算，代入式（1）～式（4）进行计算，求得符号速率为1 365.33 kb/s，载波噪声带宽为1 638.4 kHz，分配带宽为1 844 kHz。

2.1.3 卫星转发器每载波的输入输出回退量

转发器的饱和输入功率密度是对单一上行载波，当卫星转发器输入端工作于多个载波时，每个载波的卫星输入功率通量密度比饱和输入功率密度SFD少一个回退量Y。采用功带平衡法，同一转发器每载波回退量为：

代入表1参数计算，则每载波回退量Y=14.67 dB。当转发器工作于多载波时[3]，每载波的输入功率(BO)is除了因多载波原因减少的一个回退Y外，还必须把每载波输入功率再回退卫星公司提供的回退量(BO)i，即：则实例中每载波输入回退量为20.67 dB。

转发器在多载波运行时，为了抑制互调噪声，通常转发器的总输出从饱和点有一定的回退，称为转发器输出回退。卫星转发器功放输入﹑输出功率特性如图3所示。

图3 卫星转发器功率特性曲线

多载波工作时输入回退为IBO，多载波工作时输出回退为OBO，每载波工作时输入回退为IPBO，则每载波工作时输出回退OPBO计算如下：

代入表1参数IBO=6 dB，OBO=3 dB，可得OPBO=17.67 dB。

2.1.4 地面站天线增益及G/T

天线的增益为：

当D≥2.4 m时，天线口径效率按65%计算；当D＜2.4 m，天线口径效率按60%计算。动中通天线口径代入，计算得天线发射增益GTX=38.16 dBi，主站接收增益GRX=53.53 dBi，接收系统的噪声温度为120 K，故T=20.79 dBK，即G/T=32.74 dB/K。

2.1.5 空间损耗

LU为上行路径总损耗。它是上行自由空间损耗LUF﹑上行大气损耗Lau﹑发射指向误差损耗Lou和雨衰损耗Lrainu几项损耗的总和，即：

式（9）中的自由空间损耗如下：

d为发射地球站到卫星的距离：

其中，RE为地球半径，hE为静止卫星距离星下点高度；1φ为地球站经度，θ1为纬度，2φ为卫星

地球半径RE=6 378 km，卫星距地面的距离高度hE=35 786.6 km。将上述参数代入式（10）﹑式（11），计算得d=36 822.6 km，LUF=206.85 dB。

考虑上行大气损耗Lau=0.12 dB﹑上行指向误差损耗Lou=0.5 dB，考虑晴天，雨衰损耗Lrainu=0，则LU=207.47 dB。

同理，下行路径总损耗是由下行自由空间损耗LDF﹑下行大气损耗Lad﹑接收指向误差损耗Lod﹑雨衰损耗Lraind几项损耗的总和：

代入表1参数，计算得接收站的传输距离d=37 558.74 km，LDF=205.88 dB，考虑Lad=0.12 dB，Lod=0.3 dB，晴天雨衰Lraind=0，则LD=206.3 dB。

2.1.6 干扰

本文考虑星上转发器为透明转发器，卫星通信会存在一些干扰，卫星链路总的载噪比除了考虑上下行载噪比，还要考虑各种干扰[4]。常见的干扰包括交叉极化干扰﹑邻星干扰和邻道干扰。

上下行邻星干扰：工作于相同频率的邻近卫星系统信号对本系统产生的干扰称为邻星干扰。上行链路中有来自邻近卫星系统卫星站发送信号的干扰，下行链路中有来自邻近卫星的下行链路信号的干扰。计算公式如下：

上下行极化干扰：Ku频段转发器采用极化隔离进行频率复用。一般，卫星天线和地面极化隔离不理想，传输中由雨滴也会引入极化方向改变，故会引起交叉极化干扰。计算公式如下：

互调干扰：互调干扰是转发器多载波工作时，因输入输出非线性特性影响，总输出功率比单载波工作时小，会产生新的互调频率。引用回退等效噪声温度概念表示其影响，互调干扰计算方法如下：

干扰引起的总载噪比如下：

代入表1卫星公司给定最严重的卫星干扰参数，则有：[C/N]ASIu=26.19 dB，[C/N]ASId=52.67 dB，[C/N]XPIu=21.29 dB， [C/N]IMu=22.29 dB， [C/N]IMu=22.19 dB，[C/N]IMd=16.89 dB。

2.1.7 发射站天线及功放功率配置

则WS=-106.6 dBW/m2。

地球站发送的功率[EIRPES]与WS的关系如图4所示，数学表示如下：

代入计算参数，得[EIRPES]=56.34 dBW。

图4 卫星转发器输入功率通量密度与地球站的关系

发射站天线的增益为GTX=38.16 dBi，则发射站的全向辐射功率为：

其中PTX为发射站功放实际输出功率，[LF]为功放到天线的馈电损耗。假设发射站馈电损耗为0.5 dB，则有[PTX]=18.68 dBW，即发射站所需的功放输出功率为73.84 W。

2.2 卫星链路载噪比

链路载噪比包括上行载噪比﹑下行载噪比﹑总载噪比及系统余量的计算。

2.2.1 上行链路载噪比预算

卫星转发器天线品质因素[G/T]S，上行载噪比如下：

其中k=-228.6 dB为波尔曼兹常数，Bn为分配/噪声带宽。于是，可计算动中通站为发射站，[C/T]u=-141.2 dBW/K，[C/N]u=25.26 dB。

2.2.2 下行链路载噪比预算

下行链路载噪比计算公式为：

[C/T]d为下行链路载噪比，EIRPS为卫星全向有效辐射功率，Ld为下行链路损耗，[G/T]E为船载站接收品质因数。

转发器每载波功放下行全向辐射功率为EIRP：

于是，计算得EIRPS.S=37.29 dBW。代入Ld=206.3 dB，[G/T]E=32.74 dB/K，得[C/T]d=-130.25 dBW/K，[C/N]d=30.19 dB。

2.2.3 链路总载噪比预算

系统链路总的载噪比与上行链路载噪比﹑下行链路链路载噪比及干扰的关系如下：

于是，计算得[C/N]总=13.35 dB

2.2.4 系统链路余量预算

设卫星线路传输的载波功率为C，传输线路的噪声平均功率谱密度为N0（W/Hz）（相当于每赫兹带宽等效噪声稳态T的噪声功率），则传输线路的载噪比与信噪比的关系如下：

其中，Eb为每比特信号的功率，Rb为载波信息速率，BN为载波传输带宽。

于是，有：

接收机的载噪比门限值为：

链路余量计算公式如下：则链路余量为8.39 dB。

以晴天为例，按功带平衡进行计算，考虑卫星通信链路中海洋电离层闪烁﹑地面噪声和宇宙噪声等，一般需要留1～2 dB的余量。本文中余量较大，可以进一步进行资源优化。调整输入与输出功率回退，令输入回退为27.67 dB，输出回退为24.67 dB，计算的系统链路余量为1.39 dB，车载站功放输出功率为14.73 W，即可满足需求。

考虑雨衰影响，可用度为99%的情况下，令上行雨衰为4.81 dB，下行雨衰为3.95 dB。在功带平衡的情况下，发射站需求功放过大，故再保证链路余量的情况下，载波输入输出回退也为24.67 dB。此时，发射站功放输出功率44.6 W，链路余量为1.24 dB，满足使用需求。因此，系统可以配55 W功放，以满足系统需求。

3 结 语

本文详细讲解了卫星通信链路预算的过程，并以动中通与主站通信为实例进行验证。在链路预算时，需考虑各种损耗和干扰。实践表明，该方法切实可行，具有实用价值。

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