在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，使用C波段或者Ku波段。假設(shè)，已選定某顆衛(wèi)星，衛(wèi)星參數(shù)已知，主站和遠(yuǎn)端站的位置和數(shù)量已經(jīng)確定，衛(wèi)星通信系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)傳輸，并數(shù)據(jù)速率已確定。怎樣計(jì)算VSAT天線(xiàn)直徑和VSAT站的發(fā)射功率？
例：衛(wèi)星通信系統(tǒng)主站位于A點(diǎn)，遠(yuǎn)端站位于B、C、D點(diǎn)，選定X衛(wèi)星，球覆波束能覆蓋A、B、C、D點(diǎn)，EIRP=35dB，衛(wèi)星通信系統(tǒng)用于建立內(nèi)部網(wǎng)（如某大型企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)），最大數(shù)據(jù)速率為1M，試估算A、B、C、D點(diǎn)的地球站天線(xiàn)直徑、發(fā)射功率、衛(wèi)星租用帶寬。
1、接收功率的計(jì)算
根據(jù)電波傳播理論，通信鏈路中電波的自由空間衰減為：
L＝(4πd/λ)2 (1)
其中λ為工作波長(zhǎng)，在衛(wèi)星通信中，d為衛(wèi)星到接收站的距離：
d＝35786×103×｛1＋0.42×［1－cos(φs－φe)cosθ］｝1/2或
d＝42146×103×［1.023－0.302cos(φs－φe)cosθ］1/2
式中φs為衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度，φe為地球站經(jīng)度，θ為地球站緯度。
如果源點(diǎn)的發(fā)射功率為Pt，接收方向上發(fā)射天線(xiàn)的增益為Gt，接收天線(xiàn)的增益為Gr，下行鏈路的自由空間衰減為L(zhǎng)d，則接收到的功率為：
Pr＝Pt×Gt×Gr/Ld用對(duì)數(shù)表示，則
［Pr］＝［Pt］+[Gt]＋［Gr］－［Ld］ (2)
在衛(wèi)星通信中，Pt×Gt定義為等效全向輻射功率EIRP，該值由衛(wèi)星公司提供，通常以等高線(xiàn)圖或表格的形式提供給用戶(hù)。并將大氣閃爍損耗、天線(xiàn)指向誤差和饋源極化調(diào)整誤差對(duì)接收的影響歸結(jié)為ΔLd（Ku波段上行或下行鏈路瞬間雨衰量可超過(guò)10dB，而C波段最大雨衰量一般不超過(guò)1dB），則公式(2)變?yōu)椋?br> ［Pr］＝［EIRP］＋［Gr］－［Ld］－[ΔLd] (3)
Gr=10lg［(πD/λ)2 η］確定，其中D為接收天線(xiàn)的直徑（米），η為接收天線(xiàn)的效率，通常在50%～70%之間（偏饋天線(xiàn)為65%，前饋天線(xiàn)為55%）。
2、當(dāng)采用SCPC方式使用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)（SCPC為單路單載波系統(tǒng)，即一路載波只含有一套節(jié)目，要傳送多套節(jié)目就需要多個(gè)載波，其優(yōu)點(diǎn)是可在不同的地點(diǎn)上星，適合上行站不在同一地點(diǎn)而需共用一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的情況。MCPC多路單載波系統(tǒng)，即一路載波包含多套節(jié)目，優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有多載波諧波干擾，頻帶和功率利用率較高，適用于多路信號(hào)在同一地點(diǎn)上星），轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率將在幾個(gè)載波之間分配，如果這幾個(gè)載波都是等幅的，則對(duì)每1路載波而言，其EIRP要考慮帶寬因子：
［S］＝10lg(B/Br)其中B為整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬，Br則為某個(gè)已調(diào)載波占的帶寬。如果1個(gè)星載轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬被n個(gè)載波均分，則帶寬因子成為［S］＝10lgn。
此外，在多載波使用時(shí)，總功率是多個(gè)載波的功率之和，所以每個(gè)載波需要有一定數(shù)值的功率回退。功率回退的目的是減小互調(diào)產(chǎn)物對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器甚至是對(duì)其它轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾。功率回退的值［OPBO］由衛(wèi)星公司提供。
綜合上述幾個(gè)因素，某1路載波的EIRP為：
［EIRP］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］
接收天線(xiàn)接收到載波的功率為：
［Pr］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］＋［Gr］－［Ld］－［ΔLd］ (4)
3、接收站的噪聲溫度和下行鏈路的載溫比
如果接收天線(xiàn)的噪聲溫度為T(mén)a，高頻頭的噪聲溫度為T(mén)LNB，則接收站的系統(tǒng)噪聲溫度大致（忽略了饋線(xiàn)的噪聲溫度）為：
T＝Ta＋TLNB測(cè)定了噪聲溫度（現(xiàn)在有很多高頻頭給出的是噪聲系數(shù)F單位是db，那么噪聲系數(shù)和噪聲溫度TLNB的換算公式是: TLNB=(10F/10-1)T0 ,T0是常溫下的絕對(duì)溫度2900K），就可以得到下行鏈路的載溫比C/T：
［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［Ld］－［ΔLd］ (5)
通常將［Gr/T］稱(chēng)為地球站的品質(zhì)因數(shù)，它是用來(lái)描述衛(wèi)星接收信號(hào)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。
當(dāng)多個(gè)載波使用1個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，某1路載波的載溫比為：
［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［S］－［OPBO］－［Ld］－［ΔLd］ (6)
4、數(shù)字方式轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的門(mén)限［Eb/N0］
當(dāng)以數(shù)字方式轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，以［Eb/N0］來(lái)表示，[Eb/No]是單位比特的平均信號(hào)能量（即傳送一個(gè)比特的信息所需要的載波功率）與噪聲的單邊功率譜密度（每赫茲帶寬的噪聲功率）之比。［Eb/N0］與［C/T］的關(guān)系：
［Eb/N0］＝［C/T］－［RI］－［K］ (8)
這里需要注意的是，RI為信道編碼之前的信息凈荷速率，也就是調(diào)制解調(diào)器輸入信號(hào)的速率，而非經(jīng)過(guò)信道編碼后的數(shù)碼流的速率。
［Eb/N0］與［C/N］之間有如下關(guān)系：
［C/N］＝(Eb／N0) ×（Rb/B）其中Rb/B是頻譜效率，
B=(1+α)×RS α是滾降系數(shù)，在衛(wèi)星系統(tǒng)中取0.35；RS是符號(hào)率
Rb=RS×log2(M) Rb是總碼率
所以有 Rb/B= log2(M)/1.35
一般來(lái)說(shuō)衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制方式都是QPSK，所以Rb/B=1.48 有：
［C/N］＝（Eb／N0）＋10lg1.48=（Eb／N0）+1.7 （9）
5、雨衰對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收的影響
在進(jìn)行衛(wèi)星接收時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)遇到雨衰的問(wèn)題，對(duì)于C波段來(lái)說(shuō)，由于其波長(zhǎng)較大，所以雨衰較小在1db以下，但對(duì)于波長(zhǎng)較短的KU波段來(lái)說(shuō)，由于雨滴對(duì)電波的吸收和散射造成對(duì)電波的衰減較為嚴(yán)重，所以在KU波段雨衰可高達(dá)10db以上。對(duì)于地面接收站來(lái)說(shuō)，避免雨衰的方法是采用大口徑的接收天線(xiàn)加以解決。
另外，雨滴對(duì)電磁波還有去極化的作用，由于穿過(guò)雨滴的入射電波的極化面取向不同將造成雨滴對(duì)電波的衰減和相移不同，從而對(duì)電磁波形成微分衰減和微分相移，這對(duì)于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)造成極化隔離度下降，正交極化信號(hào)相互干擾加大。
EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)
有效全向輻射功率
EIRP也稱(chēng)為等效全向輻射功率，它的定義是地球站或衛(wèi)星的天線(xiàn)發(fā)送出的功率（P）和該天線(xiàn)增益（G）的乘積，即：
EIRP=P*G
如果用dB計(jì)算，則為
EIRP(dBW) = P(dBW) + G(dBW)
EIRP表示了發(fā)送功率和天線(xiàn)增益的聯(lián)合效果。
EIRP是衛(wèi)星通信和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的一種重要參數(shù)。有效全向輻射功率EIRP為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在指定方向上的輻射功率。它為天線(xiàn)增益與功放輸出功率之對(duì)數(shù)和，單位為dBW。EIRP的計(jì)算公式為 EIRP = P – Loss + 式中的P為放大器的輸出功率，Loss為功放輸出端與天線(xiàn)饋源之間的饋線(xiàn)損耗，為衛(wèi)星天線(xiàn)的發(fā)送增益。
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的主要性能參數(shù)
通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器主要參數(shù)為G/T、SFD與EIRP。相關(guān)參數(shù)在用戶(hù)載波的鏈路計(jì)算和衛(wèi)星通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。
G/T 、SFD與EIRP
G/T 被稱(chēng)為figure of merit，即接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素。G/T為接收天線(xiàn)增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T之比值，單位為dB/k ，其計(jì)算公式為，
G/T = GR – TS
式中，GR為衛(wèi)星天線(xiàn)的接收增益，TS為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度。
飽和通量密度SFD的定義為，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器被推到飽和工作點(diǎn)時(shí)，上行載波在接收天線(xiàn)口面所達(dá)到的通量密度。SFD反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)上行功率的需求量，單位為dBW/m2，它的一種常用計(jì)算公式為，
SFD = constant + attn – G/T
式中的constant為反映轉(zhuǎn)發(fā)器增益的計(jì)算常數(shù)，其數(shù)值多在-100與-90之間。constant越小，轉(zhuǎn)發(fā)器的增益就越高。上式中的attn為轉(zhuǎn)發(fā)器的衰減控制量。通過(guò)地面遙控方式，可以改變星上轉(zhuǎn)發(fā)器的attn值，調(diào)整SFD的靈敏度。用戶(hù)在作鏈路計(jì)算時(shí)，應(yīng)向衛(wèi)星公司了解相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)器衰減檔的當(dāng)前設(shè)置值，并且據(jù)此對(duì)手冊(cè)中查到的SFD數(shù)據(jù)作修正。
EIRP反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在指定方向上的輻射功率，它為天線(xiàn)增益與功放輸出功率之對(duì)數(shù)和，單位為dBW，其計(jì)算公式為，
EIRP = P – Loss + GT
上式中，P為功率放大器的輸出功率，Loss為功放輸出端與天線(xiàn)饋源之間的饋線(xiàn)損耗，GT為衛(wèi)星天線(xiàn)的發(fā)送增益。
天線(xiàn)增益決定轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)
G/T和SFD反映衛(wèi)星接收系統(tǒng)在其服務(wù)區(qū)內(nèi)的性能，這兩個(gè)參數(shù)與衛(wèi)星接收天線(xiàn)的增益線(xiàn)性相關(guān)。EIRP反映轉(zhuǎn)發(fā)器的下行功率，它與衛(wèi)星發(fā)送天線(xiàn)的增益線(xiàn)性相關(guān)。
衛(wèi)星天線(xiàn)增益隨天線(xiàn)指向與工作頻率而變。天線(xiàn)服務(wù)區(qū)中不同地點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)各不相同。用戶(hù)可以從衛(wèi)星公司所提供的城市參數(shù)表、或者G/T與EIRP等值線(xiàn)分布圖中查詢(xún)各地的轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)。不同轉(zhuǎn)發(fā)器在同一地點(diǎn)的參數(shù)略有不同。
系統(tǒng)噪聲溫度
需要注意的是，不同公司所選的系統(tǒng)噪聲溫度TS可能略有出入，而這將影響G/T的取值。
系統(tǒng)噪聲溫度主要由天線(xiàn)噪聲溫度和接收系統(tǒng)前置級(jí)放大器的噪聲溫度所構(gòu)成。折算到天線(xiàn)饋源端的系統(tǒng)噪聲溫度的計(jì)算公式為，
TS = Ta + (LF– 1) T1 + LF * Te (dBk)
式中，Ta和Te分別為天線(xiàn)和低噪聲放大器的噪聲溫度，LF為天線(xiàn)和放大器之間的饋線(xiàn)損耗，T1 為饋線(xiàn)的環(huán)境溫度。由于衛(wèi)星天線(xiàn)指向溫度較高的地球表面，Ta遠(yuǎn)高于Te。不過(guò)，星上的饋線(xiàn)損耗較大，上式中折算到天線(xiàn)饋源端的后兩項(xiàng)噪聲因子也不容小覷。
