芯耀
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在開始本文前，請(qǐng)讀者回顧一下衛(wèi)星通信基礎(chǔ)知識(shí)---自由空間衰減和天線增益計(jì)算，本文將介紹上行和下行鏈路預(yù)算的具體計(jì)算過(guò)程。
一、上行鏈路預(yù)算
我們關(guān)注的是接收系統(tǒng)（衛(wèi)星）輸入端的信噪比，可表示為：
(SNR-per-Hz)?Up?= (C/No)?Up?= (載波功率) dBm/Hz – (噪聲功率)?dBm/Hz
1. 1Hz帶寬內(nèi)的載波功率
載波功率是衛(wèi)星接收機(jī)天線接收到的終端信號(hào)功率，表達(dá)式為：
(載波功率) dBm/Hz = (終端發(fā)射EIRP)?dBm?– 10*log10 (終端信道帶寬) – (自由空間路徑損耗)?dB?– (大氣損耗)?dB?+ (衛(wèi)星天線增益)?dBi
終端發(fā)射EIRP：地面終端的有效全向輻射功率（dBm）。
終端信道帶寬：地面終端信道帶寬（單位：Hz）。
FSPL(dB)：自由空間路徑損耗，公式為：
FSPL(dB)= 20×log??(d)+20×log??(f)+92.45
上面公式d單位Km，f單位GHz。
衛(wèi)星天線增益（dBi）：接收機(jī)/衛(wèi)星的天線增益，公式為：
G(dBi) = 峰值增益（dBi）- 余弦滾降系數(shù)×10×log??(cosθ)
2. 1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率
噪聲功率是衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的等效噪聲功率，表達(dá)式為：
1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率（dBm）= 10×log??(k·T) + 30
k：玻爾茲曼常數(shù) = 1.381×10?23 J/K。
T：衛(wèi)星接收機(jī)的輸入等效噪聲溫度（單位：K）。
+30：將10×log??(k·T) 從dBW轉(zhuǎn)換為dBm。
3. 計(jì)算上行鏈路每Hz的信噪比
(C/No) 上行 = 終端發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（終端信道帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB）+ 衛(wèi)星天線增益（dBi）- 10×log??(k·T) - 30
進(jìn)一步改寫為：
(C/No)上行 = 終端發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（終端信道帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB）+ 衛(wèi)星天線增益（dBi）- [10×log??(k) + 10×log??(T) + 30]
從終端總EIRP中減去信道帶寬，得到1Hz帶寬內(nèi)的終端發(fā)射功率；減去FSPL和大氣衰減，再加上衛(wèi)星接收天線增益，得到衛(wèi)星接收系統(tǒng)輸入端的功率（1Hz帶寬內(nèi)）。
[10×log??(k)+10×log??(T)+30]為衛(wèi)星接收機(jī)的輸入噪聲功率（dBm），其中T是接收系統(tǒng)（包括天線、射頻鏈路和低噪聲放大器）的噪聲溫度，包含天線噪聲和接收機(jī)其余部分的等效輸入噪聲。
最終，用輸入載波功率（每Hz）減去接收機(jī)輸入噪聲底（每Hz），得到整體輸入信噪比。
4. 引入衛(wèi)星接收機(jī)G/T參數(shù)
將衛(wèi)星增益和噪聲溫度參數(shù)合并為衛(wèi)星接收機(jī)G/T，上行鏈路SNR公式可簡(jiǎn)化為：
(C/No) 上行 = 終端發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（終端信道帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB）+ 衛(wèi)星G/T（dB/K）- 10×log??(k) - 30
衛(wèi)星G/T（dB/K）= 衛(wèi)星天線增益（dBi）- 10×log??(T)
終端發(fā)射EIRP= 終端工作功率（dBm）+ 終端天線增益（dBi）
其中，終端工作功率（dBm）通常是終端發(fā)射機(jī)線性工作的最大功率（終端發(fā)射機(jī)的P1dB輸出）。
提高終端發(fā)射EIRP（即終端P1dB輸出功率和終端天線增益）可改善上行鏈路SNR。
二、下行鏈路預(yù)算
我們關(guān)注的是接收系統(tǒng)（地面終端）輸入端的信噪比，可表示為：
(SNR-per-Hz)?Down?= (C/No)?Down?= (載波功率) dBm/Hz – (噪聲功率)?dBm/Hz
其中：
- 載波功率：衛(wèi)星信號(hào)被地面終端天線接收的功率；
- 噪聲功率：地面終端輸入端的等效噪聲功率。
1. 1Hz帶寬內(nèi)的載波功率
如前所述，載波功率是地面終端天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)功率，表達(dá)式為：
(載波功率) dBm/Hz = (衛(wèi)星發(fā)射EIRP)?dBm?– 10*log10 (衛(wèi)星發(fā)射帶寬) – (自由空間路徑損耗)?dB?– (大氣損耗)?dB?+ (終端天線增益)?dBi
- 衛(wèi)星發(fā)射EIRP：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率（dBm）。
- 衛(wèi)星發(fā)射帶寬：衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬（單位：Hz）；
- 自由空間路徑損耗（FSPL，dB）：計(jì)算公式為：
FSPL(dB)= 20×log??(d)+20×log??(f)+92.45
上面公式d單位Km，f單位GHz。
- 終端天線增益（dBi）：地面終端的天線增益（dBi），計(jì)算公式為：
G(dBi) = 峰值增益（dBi）- 余弦滾降系數(shù) × 10×log??（cosθ）
2. 1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率
噪聲功率是地面終端輸入端的等效噪聲功率，表達(dá)式為：
1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率（dBm）= 10×log??(k·T) + 30
- k：玻爾茲曼常數(shù) = 1.381×10?23 J/K；
- T：地面接收系統(tǒng)/終端的輸入等效噪聲溫度（單位：開爾文），包括天線本身和射頻鏈，直至低噪聲下變頻器（LNB）的輸出端（假設(shè)LNB之后的增益足夠大，使后續(xù)噪聲貢獻(xiàn)可忽略）。
- +30：將10×log??(k·T)從dBW轉(zhuǎn)換為dBm的常數(shù)項(xiàng)。
3. 計(jì)算下行鏈路的每Hz信噪比（C/No）
綜合以上公式：
(C/No)下行 = 衛(wèi)星發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（衛(wèi)星發(fā)射帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB）+ 終端天線增益（dBi）- 10×log??(k·T) - 30
可進(jìn)一步改寫為：
(C/No)下行 = 衛(wèi)星發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（衛(wèi)星發(fā)射帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB）+ 終端天線增益（dBi）- [10×log??(k) + 10×log??(T) + 30]**
公式解析：
- 從衛(wèi)星總EIRP中減去轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬，得到1Hz帶寬內(nèi)的衛(wèi)星發(fā)射功率；
- 減去自由空間路徑損耗和大氣衰減，再加上接收天線增益，得到地面接收系統(tǒng)輸入端的功率（1Hz帶寬內(nèi)）；
- [10×log??(k) + 10×log??(T) + 30]為地面終端的輸入噪聲功率（dBm），其中T為接收系統(tǒng)（包括天線、射頻鏈和LNB）的噪聲溫度，包含天線噪聲和接收機(jī)其余部分的等效輸入噪聲；
- 最終，用輸入載波功率（每Hz）減去接收機(jī)的輸入噪聲基底（每Hz），得到整體輸入信噪比。
4. 引入終端G/T參數(shù)
將終端增益和噪聲溫度參數(shù)合并為一個(gè)整體參數(shù)——終端G/T，此時(shí)下行鏈路SNR公式可簡(jiǎn)化為：
(C/No)下行 = 衛(wèi)星發(fā)射EIRP（dBm）- 10×log??（衛(wèi)星發(fā)射帶寬）- FSPL（dB）- 大氣損耗（dB） + 終端G/T（dB/K）- 10×log??(k) - 30
其中：
- 終端G/T（dB/K）= 終端天線增益（dBi）- 10×log??(T)；
提高終端G/T可改善下行鏈路信噪比。
總結(jié)：
本文詳細(xì)闡述了衛(wèi)星通信中上行鏈路與下行鏈路預(yù)算的計(jì)算過(guò)程。上行鏈路關(guān)注衛(wèi)星接收端信噪比，涉及終端發(fā)射EIRP、自由空間路徑損耗、大氣損耗及衛(wèi)星天線增益等參數(shù)；下行鏈路則聚焦地面終端接收端信噪比，包含衛(wèi)星發(fā)射EIRP、終端天線增益等。通過(guò)引入G/T參數(shù)，鏈路預(yù)算公式得以簡(jiǎn)化。掌握這些計(jì)算方法，對(duì)優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能至關(guān)重要。
