卫星频谱管理和链路预算分析

文章作者：拉詹·贝迪

有这么多应用在利用空间技术，我经常被问到的一个问题是如何规划和设计卫星和地面站之间的射频上下链路。在这篇文章中，我想介绍卫星通信链路的基本原理，如何预测其性能，如何指定接收机和发射机的性能TTER，以及如何确保接收到的和所需的载波功率之间有足够的余量，以提供所需的链路性能，也就是说,电子束/N₀，信噪比或C/N₀．

在频谱管理方面，载波频率的选择由所需的服务决定，例如。，测控、地球探测、深空或有效载荷通信；传输方向，也就是说,Earth-to-space或space-to-Earth;国际电联规则，如最大允许功率通量密度、CCSDS要求、信息比特率或带宽、频谱拥塞;地面站支持的能力、覆盖范围和价格;以及许可证的可用性。我曾参与过一些项目，其中载波频率的选择主要是基于成本!

编码、基带滤波和调制格式影响最大占用带宽，选择这些格式以适应指定的频率范围。例如，当使用BPSK或QPSK分别调制载波时，数据速率为32 kbps的测控发射机名义上需要64或32 kHz的信息带宽。

图1显示发射机和接收机之间的典型链路，例如在飞船和地面站之间，即。下行链路，即移动用户和卫星之间的链路，即。一个上行。发射机输出使用天线辐射，接收天线捕获来自传入电磁波的载波功率并将其馈送给LNA。

图1卫星链路的配置。

发射机向天线提供增益G_T输出总功率，P_T在W中，朝向接收器。如果这是各向同性的辐射，也就是说,则功率通量密度为W/m²远距离接收r距离震源的米数为：P_T/4r²．在实践中，定向天线用于沿特定的感兴趣方向(即视轴)最大限度地提高发射功率，从而产生天线增益和接收功率通量密度:

发射设备的性能是由其本身来衡量的有效各向同性辐射功率(EIRP)，定义为P_TG_T。在传输过程中，辐射功率会遇到自由空间损耗，包括大气和降雨衰减、去指向和极化效应，以及发射和接收设备中的插入、匹配和噪声系数损耗。

接收器由带有增益的天线组成G_R在变送器方向，通过馈线连接至LNA。给定功率通量密度，Ƒ，在具有有效孔径面积的接收天线处，一个_eff，接收功率W为:

上述方程式可改写为：

这被称为弗里斯传输公式，包括附近，天线增益，路径损耗。对于给定的波长(或频率)和距离，接收的信号功率，P_R，可使用三种方法增加：

1. 提高发射功率P_T；然而，在卫星上，根据可用航天器总功率预算，将有物理尺寸和质量限制。
2. 增加发射天线的增益，使功率更强烈地集中在接收器的方向。很大的价值G_T需要一个大型天线，然而，在卫星上，将有物理尺寸和质量限制。
3. 增加接收天线的增益将允许它收集尽可能多的辐射功率。在卫星上，会有物理大小和质量的限制。

Friis传输公式可以用dB表示为:

在接收器输入端，调制载波的功率为，C,链路中的所有噪声源都会影响系统噪声温度，T. 这会影响噪声功率谱密度，N_0，在接收器输入端，启用链路性能的计算，C/N₀．接收设备的性能是通过它的价值来衡量的，G / T)哪里G表示接收设备的总体收益。

在空间通信链路中，由于远距离传输以及航天器天线的物理尺寸和质量限制，接收器必须应对极弱的载波输入。接收器的噪声功率必须最小化，以使性能最大化，计算方法为:kTB哪里k是玻尔兹曼常数,T系统噪声与温度B噪声带宽。让我们来看一些例子:

例1:上行接收功率

考虑一个地面站的发射天线，配备一个直径4米的天线，以电源供电P_T在10ghz频率下的100 W。它在接收天线的轴线上向距空间站42,000公里的地球同步轨道卫星发射功率，有效孔径面积为1米²：

发射地球站的EIRP为P_TG_T=20 dBW+50.2 dBi=70.2 dBW

接收端的功率通量密度为P_TG_T/ 4 r²=-93 dBW/m²

在10 GHz下42000 km以上的自由空间损耗为（4r/λ）²= 204.9 dB

卫星接收天线的增益，G_R=（4A）_eff/ λ)²=41.4分贝

接收到的载波功率为EIRP–自由空间衰减+接收天线增益=70.2–204.9+41.4=-98.2 dBW，相当于150.1 pW或245µV的峰间功率，适用于50毫米波的情况Ω 输入

假设Eb/N₀为10.5 dB，馈线衰减为3 dB，极化和解调损耗分别为1.5 dB和2.5 dB，满足要求和接收C/N₀分别为53 dB和101.2 dB，导致健康的链路裕度为48.2 dB。

就正确指定接收器而言，其输入灵敏度需要与接收到的载波功率相协调，以确保其能够正常工作并提供所需的性能。所需的最小灵敏度可根据接收器的噪声系数和最小噪声功率计算得出kTB。所得到的链路裕度是通过减去所需的C/N₀从接收到的C/N₀，前者来自目标Eb/N₀或数量。所有接收器都有一个动态范围，这是最大与最小信号强度的比值，在此范围内，它们被设计为工作。

对于上行链路，地面站供应商通常会指定其传输功率，附近，频率范围和天线极化，以协助射频规划和分析。

示例2：下行链路接收功率

假设低轨卫星的发射天线配有直径0.25米的贴片天线，P_T在1.5 GHz频率下的10w。它向距离航天器1000公里的地面站辐射能量，在接收天线的轴线上，有效孔径面积为9米²：

发射卫星的EIRP是P_TG_T= 10 dBW + 9.2 dBi = 19.2 dBW

接收端的功率通量密度为P_TG_T/ 4 r²= -111.7瓦分贝/ m²

1.5 GHz时，超过1,000公里的自由空间损耗为(4r / λ)²= 156分贝

卫星接收天线的增益，G_R=（4A）_eff/ λ)²=34.5分贝

接收到的载波功率为EIRP -自由空间衰减+接收天线增益= 19.2 - 111.7 + 34.51 = -102.1 dBW，相当于50 Ω输入时的60.7 pW或156µV峰-峰。

假设Eb/N₀为10.5 dB，馈线衰减为3 dB，极化和解调损耗分别为1.5 dB和2.5 dB，满足要求和接收C/N₀分别为62 dB和97.3 dB，导致正链接裕度为35.2 dB。

为了正确指定转发器的发射机，您需要根据物理尺寸和质量限制以及可用功率预算调整其输出功率，以确保P_T提供正链接裕度以实现所需的性能。价格、可靠性和传统也会影响采购！对于下行链路，地面站提供商通常指定G/T、频率范围、天线极化和最大数据速率，以协助射频规划和分析。

以上两个例子都进行了简化;在实践中，还会有其他考虑，如正式的、规范的功率通量密度限制、带外排放和轴外排放附近链路性能可能会受到地面通信服务泄漏或蓄意干扰的影响，您的分析可能需要考虑这些噪声源。

精确地跟踪卫星可以最大限度地增加链路裕度，仰角和方位角可以用来从地球表面的一点定位航天器。方位角告诉你面对什么方向，从0°北开始，90°东，180°南，270°西，而仰角表示在天空中看多高，0°几乎上升到你的地平线上，90°(天顶)直接在头顶上，如下所示:

图2仰角和方位角的插图。

仰角影响天线增益、噪声温度和大气衰减，你的链路预算分析需要考虑卫星相对于地面站/用户的位置。

在这篇文章中，我介绍了一些发射器和接收器的基本计算，如果你想了解更多关于计算裕度的知识，其他类型的链接的分析，例如。，轨道卫星之间的卫星间通信，或后退、多载波操作的影响，Spacechips提供为期一天的培训课程，任务设计，频谱管理和链路预算分析。我将在19号讲授澳大利亚/亚洲时区^th，详情可通过电子邮件查询，events@spacechipsllc.com．

如果您有机会与任务运营团队合作，请他们提供传输日志，以使测量的链路裕度与预测的估计值相一致。这可以帮助您了解性能意外损失或通信中断的原因。

直到下个月，第一个告诉我天顶和天底的区别的人将赢得一个火箭科学家课程世界巡回赛T恤。祝贺来自南非的克里斯，他是我上一篇文章中第一个回答这个谜语的人。

这篇文章最初发表于经济日报．

Rajan Bedi博士是Spacechips公司的首席执行官和创始人，该公司设计和制造一系列先进的L至k波段、超高吞万博投注网址吐量车载处理器、转发器和边缘obc，用于电信、地球观测、导航、互联网和M2M/IoT卫星。该公司还提供空间电子设计咨询、航空电子测试、技术营销、商业智能和培训服务。（www.spacechips.co.uk）.你也可以在Twitter上联系拉詹，讨论你的太空电子产品需求:https://twitter.com/DrRajanBedi