衛星通信鏈路預算之七：上行載噪比計算

在前面的文章中我們介紹了衛星通信鏈路計算的基礎知識，包括：

信噪比分配；
帶寬和功帶平衡原則；
EIRP和G/T；
輸入回退；
輸入飽和通量密度SFD；
輸出回退；

這次我們正式進入正題，聊聊衛星通信鏈路預算中的上行載噪比計算。

本篇文章將：

明確載噪比（C/N）和信噪比（S/N）的區別；
詳細介紹上行鏈路預算中信號功率和噪聲功率密度的計算過程；
推導上行載噪比 C/N 和 C/N0 的計算公式；
分析衛星參數 G/T 如何簡化鏈路計算；
講解為什么飽和通量密度 SFD 和輸入回退 IBO 會限制地面站發射功率；
明確鏈路預算的工程意義：既要滿足通信性能，又要避免過載干擾。

我們計算的是什么參數？

在計算之前，我們需要說明兩個經常混淆的參數：載噪比和信噪比

載噪比C /N和信噪比S/N

載噪比（C/N）: C/N 是指載波功率（Carrier Power）與噪聲功率（Noise Power）之比。在衛星通信中，載波是調制了數據信息的無線電波，我們載波功率可以通過鏈路預算直接計算出來。載噪比是衡量從接收機天線到解調器輸入端的模擬信號質量的關鍵指標。

信噪比（S/N）: S/N 是指信號功率（Signal Power）與噪聲功率（Noise Power）之比。這里的“信號”通常指的是信號解調后，即解調后，從載波中提取出來的基帶信息信號。信噪比用于衡量基帶信號的質量。

一句話總結：載噪比是針對射頻（RF）載波的，而信噪比則通常指解調后的基帶信號。

衛星通信上行鏈路計算的目的是評估地面站發射的載波信號，到達衛星接收機輸入端時的質量。

在衛星接收機輸入端，信號還處于射頻（RF）狀態，并沒有經過解調。

衛星通信鏈路預算的核心任務是：

計算地面站發射的載波經過空間傳播后，在衛星接收天線處收到的載波功率（C）。
計算衛星接收系統內部產生的噪聲功率（N）。
將C和N兩者相除，我們得到的就是載噪比（C/N）

載波噪聲密度比C/N0

噪聲功率（N）: 指在衛星接收機輸入端，由系統熱噪聲產生的總噪聲功率。噪聲功率與帶寬相關，單位為W或者dBW。N=KTsB，其中 k 是波爾茨曼常數，Ts?是衛星接收系統的等效噪聲溫度，B是系統的噪聲帶寬。

噪聲功率密度（N0）: 指單位帶寬內的噪聲功率，單位為（W/Hz）或（dBW/Hz）。根據定義，我們可以得到噪聲功率密度 N0等于噪聲功率 N 除以帶寬 B。也就是說：

用對數表示為：

衛星通信上行鏈路預算真正計算的是C/N0，也就是載噪功率密度比，代表的是衛星接收機輸入的載波功率與噪聲功率密度的比值。這是一個鏈路預算中更常用的指標，因為它與信號帶寬無關。

在衛星鏈路計算中，我們先算出 C/N0，然后再根據噪聲帶寬B，計算出C/N。用對數表示的話

這里的B，就是衛星通信鏈路預算之二：帶寬和功帶平衡中介紹的載波占用帶寬。

衛星上行通信鏈路

衛星上行通信鏈路由下面這個圖表示

上行通信鏈路

信號功率計算

地面站發射信號的功率最終到達衛星接收機，其過程包含多個鏈路參數：

在衛星通信鏈路預算之三：EIRP、G/T我們介紹過有效全向輻射功率（EIRP）。對地面站來說有效全向輻射功功率EIRP由地面站功放的發射功率Pu?和地面站天線增益Ga決定：

信號從地面站發射到達衛星接收天線會經過空間損耗Lf，這個Lf包括：

自由空間的損耗Lfs；
其他損耗,Lfo，主要包括大氣損耗和雨衰；

自由空間的損耗

其中

d是發射端和接收端之間的距離。衛星的位置可以通過軌道參數計算出來，地球同步衛星的位置是確定的；

f是信號頻率。比如某Ku地面轉的發射頻率是14.2GHz，f=14.2e9。

大氣損耗和雨衰的計算方法通常遵循國際電信聯盟（ITU）的建議書，特別是 ITU-R P.618 和 ITU-R P.676 系列，大氣損耗和雨衰后面有機會會單獨做一個章節來介紹，這里就不詳細說了。

那么，地面站發射的信號到達衛星天線的信號功率Pr是

衛星接收天線的增益是Gs，那么地面站發射信號，到達衛星接收機的信號功率P{rs}是

噪聲功率譜密度計算

衛星接收機內部會產生熱噪聲，噪聲功率譜密度N0由衛星接收系統的等效噪聲溫度 Ts 決定。

用對數表示為

上行C/N0計算

將衛星接收機接收的載波功率C和噪聲功率密度N0相除，我們得到上行載噪功率密度比，用對數可以表示為：

換一種方式，用衛星接收G/T 計算

在實際工程中，衛星的系統噪聲溫度 Ts 往往無法直接獲取。運營商通常會提供衛星的品質因數 G/T：

衛星的品質因數（G/T）是衛星接收系統性能的關鍵指標，它代表了衛星接收天線增益 (Gs) 與其系統噪聲溫度 (Ts) 的比值，即

那么利用 G/T 值，可以把上面的公式改成下面這個

從公式中可以看出，提高地面站的 EIRP、優化衛星接收天線的 G/T 值，或者減少傳輸過程中的損耗，都能提升上行鏈路的 C/No，從而改善信號傳輸質量。反之，如果這些參數出現惡化，可能導致信號質量下降，甚至出現通信中斷。

所以:

我們通過提高地面終端功放的發射功，增大地面天線的口徑，從而提高地面站的 EIRP。
我們根據地面站工作的地點，通過查看不同衛星G/T的覆蓋圖，或者咨詢衛新運營商，了解不同衛星在工作地點對應的 G/T值，選擇最優 G/T的衛星
自由空間的損耗無法消除，對衛星通信來說，我們盡量選擇在晴天完成衛星通信的應用，減少傳輸中損耗。

怎么沒有用到飽和通量密度SFD和輸入回退

之前的文章衛星通信鏈路預算之四：輸入飽和通量密度 SFD和衛星通信鏈路預算之五：輸入回退介紹了衛星的飽和通量密度SFD、衛星轉發器的輸入回退IBO和載波回退CBO，以及總的載波回退CIBO=IBO+CBO。

在衛星上行鏈路計算中，為什么沒有用到飽和通量密度和輸入回退啊呢？

先給出結論：飽和通量密度（SFD）和輸入回退（IBO）共同決定了地面站發射 EIRP 的上限，實際的 EIRP通常會低于這個上限。

飽和通量密度（SFD）是衛星轉發器能夠處理的最大輸入信號強度。

輸入回退（IBO）則是一個設計決策，它規定了實際工作時的信號強度與飽和點之間的裕量，以減少非線性失真。

載波回退CBO是在多個地面站同時工作的時候，為了多載波信號在通過非線性放大器時，避免交調失真而進行的額外回退。在實際應用中，每個地面站根據其租用的帶寬進行的等比例回退。

把上面的參數結合起來，我們得到一個“目標”通量密度：

根據這個目標通量密度，可以計算出地面站發射的EIRP上限：

地面站發射的EIRP上限

如果地面站的 EIRP 超過了這個值，可能會導致衛星轉發器工作在過飽和狀態，產生嚴重的交調失真，或者影響其他用戶的正常使用，從而降低所有信號的質量。

綜上所述，我們可以得出：

SFD和CIBO：是衛星轉發器固有的物理和設計限制，共同決定了地面站上行 EIRP 的理論最高值，以避免非線性失真。
鏈路預算：決定了滿足系統數據傳輸率所需要的，地面站上行 EIRP 的實際最低值，以確保整個通信鏈路的性能（C/N）滿足要求。

在實際工程中，最終確定的上行 EIRP 必須同時滿足這兩個條件：

EIRP實際≥EIRP~鏈路預算所需~
EIRP實際≤EIRP~SFD和CIBO限制~

鏈路預算的目的

衛星通信鏈路預算的目的：

衛星通信鏈路預算的主要作用有：

確定地面站應發射的 EIRP 值，從而決定所需的功放和天線口徑；
估算鏈路載噪比 C/N 或 C/N0，以評估信號質量；
評估系統誤碼率和通信質量，根據 C/N 與調制解調的理論曲線進行對比；
驗證發射功率的合適性，避免因超限造成系統干擾或性能下降。

簡言之，鏈路預算是為了解決兩個問題：

“發射設備需要達到什么功率？”
“能否穩定可靠地完成通信任務