卫星通信的链路性能分析

杨清森，杨仁庆，赵春昊，张嘉元

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210004）

1 引言

卫星通信是实现全球通信的一种重要手段，具有覆盖面极大、通信距离远、系统容量大、方便且快捷等众多优势，在军事和民用领域都有巨大的实用价值[1]。随着卫星通信的快速发展，卫星通信系统工程、卫星链路设计、系统性能分析等问题变得越来越重要。

卫星通信系统的信息传输中，一条传输链路包括发端地球站、上行链路、卫星转发器、下行链路、收端地球站[2]。影响其通信性能的因素主要有：发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的损耗、传输过程中所引入的噪声与干扰、接收系统的天线增益和噪声等[3]。

图1 卫星通信综合链路示意图

为了对卫星通信传输路径（上行链路和下行链路）上引入的链路性能恶化进行定量计算，把性能恶化的影响加到卫星系统的传输信道部分中进行分许。从地面站到卫星，再从卫星到地面站的传输过程中，路径损耗和路径噪声是影响卫星通信信号的主要因素。路径损耗是上行和下行链路信号路径中引入的，主要是自由空间的传输损耗，还有大气损耗、降雨损耗、天线跟踪误差损耗、极化误差损耗等。路径噪声则加到上行链路和下行链路的信号上，主要有热噪声、互调噪声、干扰噪声等。

在卫星信号接收端，信号已损耗衰减的非常微弱，与噪声的强度在同一数量级，所以研究损耗和噪声成为卫星通信中的重要问题[4]。载波功率与噪声功率的比值称为载噪比（C/N），可以衡量卫星系统的传输质量。在模拟制卫星系统中，载噪比决定了解调输出后的信噪比；在数字式卫星系统中，载噪比对比特误码率起决定性作用。为保证通信质量，载噪比在一定范围内越高越好，为此要综合分析卫星通信传输链路，已达到最优的链路性能[5]。

2 频率转换卫星

在通信卫星中，转发器是一组提供上行链路信号和下行链路信号见通道或链路的部件，起实现通常有两种构型：频率转换转发器和星上处理转发器[6]。整个卫星通信系统的载噪比（C/N）取决于链路系统方程的推导，这两种类型的转发器上下行链路存在着不同的函数关系，最终会呈现出不同的链路性能。本文对现阶段应用最为广泛的频率转换卫星为主要研究对象，进行详细的链路性能分析。

自卫星通信实现以来频率转换转发器一直是主导的转发器类型，使用这种转发器的卫星又称为中继卫星，它接收上行链路信号，放大后再发射出去，仅进行载波频率的转换。

图2 频率转换卫星工作原理示意图

如图2是一个频率转换转发器的典型实现，这里将上行链路频率fUF 变成一个较低的中频fIF，进行放大后再变成下行链路频率fDOWN，向地球发射。频率转换卫星不进行任何处理，上下行链路是相关的，上行链路中引入的信号恶化（损耗和噪声）转移至下行链路，系统的整体性能依赖于这两条链路。

3 上行链路

推导卫星链路性能方程，包含路径损耗和路径噪声的影响。在卫星终端处，接收到的载波功率为：

式中，lU为上行链路自由空间链路损耗；aU为上行链路路径损耗；gGT为发射天线增益；gSR为接收天线增益。

卫星天线处（B）的噪声功率是上行链路路径噪声、卫星天线接收噪声、卫星接收机系统噪声三个分量之和，即：

式中，k 为玻尔兹曼常数；bU为上行链路信息带宽；tSA为卫星接收机天线温度；nfSR为卫星接收机噪声系数；tU为上行链路大气路径的平均温度。

通过上式可以看出路径损耗和路径噪声对上行链路载噪比的影响。

4 下行链路

同样可得下行链路的载噪比公式：

式中，lD为下行链路自由空间链路损耗；aD为下行链路路径损耗；gST为发射天线增益；gGR为接收天线增益；bD为下行链路信息带宽；tGA为地面接收机天线温度；nfGR为地面接收机噪声系数；tD为下行链路大气路径的平均温度。

5 系统载噪比

已知频率转换卫星的下行链路发射功率pST等于所需的信号载波电平cST与下行噪声功率nST之和，即：

pST=cST+nST（7）

由于卫星没有对信号进行处理，所以卫星输入载噪比等于卫星输出载噪比。即：

从式（9）和式（10）中可以看出，上行链路对下行链路的信号载波电平cST与下行噪声功率nST的影响

下面分析地面站接收机端（D）所接收的所需载波电平，用c'GR表示，则：

带入式（9）可以得到：

根据式（4）可以得到：

此公式可以看出上行链路的恶化对下行链路所需信号的影响。

地面站接收的总噪声功率n'GR是下行链路引入的噪声nGR和从上行链路转移过来的噪声之和，即：

此公式可以看出上行链路的恶化对下行链路噪声的影响。

频率转换转发器的系统载噪比由下式表示：带入公式可得：

式中的分别由公式表示。

如果≥1和≥1，那么公式可简化为：

这是一个近似计算公式，在实际卫星链路分析中可以满足使用条件，应用广泛。但是当对系统进行精确的灵敏度分析时，特别是分析路径恶化的影响，必须由式（18）计算得出更准确结果。

6 综合链路分析

（1）如果上行链路载噪比大于下行链路载噪比，即：

称为下行链路受限。则：

可以看出综合载噪比小于受限的下行链路。

（2）如果上行链路载噪比小于下行链路载噪比，即：

称为上行链路受限。则：

可以看出综合载噪比小于受限的上行链路。

综上所述，一条卫星链路强于另一条链路时，综合信噪比取决于受限链路，总体链路性能不可能优于受限链路的性能。

（3）如果上行链路载噪比等于下行链路载噪比，即：

则称为平衡链路系统，则：

可见，上下行链路性能相同时，卫星系统的综合链路载噪比为任意一条链路的1/2，即比单一链路的载噪比低3dB。

7 结束语

（1）一条卫星链路强于另一条链路时，即存在受限链路的卫星通信系统中，综合信噪比取决于受限链路，总体链路性能不可能优于受限链路的性能。

（2）上下行链路性能相同时，即在平衡链路的卫星通信系统中，卫星系统的综合链路载噪比为任意一条链路的1/2，即比单一链路的载噪比低3dB。

以上是通过公式推导出来的一般规律，很难再推导出有关综合链路性能的其他规律。卫星通信系统受系统参数（发射功率、天线增益、噪声系数）、路径损耗、路径噪声等的综合影响，很难直观确定路径恶化对系统总体性能的定量影响。必须基于复杂的系统本身进行分析计算，针对给定的系统参数，利用灵敏度分析来确定路径恶化，进而分析对上下行链路及系统总体性能。这样就可以通过调整可变系统参数，优化系统设计，已达到一个相对最优的系统性能。