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关于空间通信的场强预测和功率初定
2012/01/13
IP:四川
在近期KCSA与子午工程团队的交流中,中科院专家对玉兔4型航电部分选定的通信功率提出质疑,当时我没有发言。这里就我所了解的知识瞎讲一下,供大家参考。

首先应当知道等效全向辐射功率的概念。任何发射机都要用天线来发射信号,天线往往具有方向性。一个在整个空间(球)没有方向性,增益为0的天线,和一个有方向性的天线,在其主瓣方向上,场强是不同的。把一个有方向性的天线发出某个信号强度所需的功率,等效到全向天线所需的输入功率,数值就等于等效全向辐射功率,用e.i.r.p.表示。

eirp=PG ,其中,P为功率,G为天线增益。

由于空间通信,收发两者之间没有障碍物,整个传输路径都不超出菲涅耳区的范围,所以,应当以自由空间传播来预测场强,如果有空气或者地面的影响,再在这个基础上修正。

真空中自由空间传播的损耗预测公式是:L=32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km)。

可以得到场强预测公式:E(dBuV/m)=74.77+eirp(dBW)-20lgd(km)

以下均针对50欧射频系统而言。

最终,天线收到的信号要进入接收机才能发挥作用。在已知场强的情况下,用一个天线来接收,最后能在接收机端口上产生多大的电压呢?这里首先需要定义天线系数:

Ke=E/U (即场强和天线端口上的电压的比值)

具体计算有如下公式:

Ke=-29.77-G(dBi)+20lgf(MHz)

其中,G为天线相对于全向天线的增益,f是工作频率。

因为都是对数值,可以得到如下计算公式:

E=U+Ke

U=E-Ke

在功率初定时,一般已知接收机的可用灵敏度(比如误码率小于5%的灵敏度)、通信距离和天线增益,可以从理论上算出需要的发射功率。

但是仅仅这样是不够的,因为空间的噪声(比如宇宙噪声)可能已经比接收机的灵敏度高了。因此对于远距离的、高频率的通信,还需要校核。即根据噪声场强的大小,换算出噪声在端口上的电压,并要求信号大于噪声某一个值,为了安全,还可以人为设定一个射频保护比。

对于宽带数字调制的通信方式,要考虑整个带内的噪声电平,以及调制方式本身的调制增益。如整个带内噪声为-120dBm,调制增益为20dB,那么,应该按照-140dBm考虑噪声电平。

dBmW与电压值在50欧系统中有如下换算关系:

0dBmW=107dBuV

在工程中,一般将电平值dBmW和电压值dBuV简称为dBm和dBu。

当采用较高频率的时候,需要考虑大气衰耗,该衰耗值需要查表得到。

一般的空间通信,箭上设备或者卫星有姿态控制功能,因此能够保证发射天线对准接收区域,如果接收站是地面站,可以对准相应的地面区域。而地面站的天线,通常是用两轴转向机控制的,也可以对准相应的空间区域。所以,往往采用定向天线。爱好者的探空火箭活动,通常不具备这样的控制能力,可以均使用全向天线(实际上地面站不太可能全向,应该使用主瓣方向在地面以上的低增益天线),此时的增益,箭载天线通常为0dB或者略小于0dB增益,地面天线可以按0~3dBi预估,也可以具体提出要求以后再设计天线。

在预测场强及初定功率时,还要考虑馈线的损耗,必要的安全裕量等。

实际上空间通信需要的功率并不大。举个简单的例子,在太空中,调频对讲机基本上可以按1毫瓦通1公里来建立思想概念。也就是说,普通对讲机拿到太空中,可以通至少1000公里。对于广播电视这样的通信内容,由于调制增益低,带宽宽,距离远(毕竞是同步轨道),接收设备很山寨,所以才需要比较高的卫星发射功率。看看人家GPS卫星多大一点功率,地面上不也很容易收到?

下面举例说明:

已知一台接收机的灵敏度是-110dBm,带宽1MHz,接收天线是0dBi的全向天线,有L=3dB的馈线损耗,工作频率1260MHz;火箭上的发射天馈系统的最小增益是-6dBi(即不论火箭如何滚转,都不会小于这个增益),射频保护比0dB,调制增益为0dB,通信距离为100km,求:需要的发射功率。

解:显然,对于-110dBm这样的低灵敏度的接收机和1260MHz的频率,不用考虑宇宙噪音的影响。

由接收天线参数得到接收天线的天线系数

Ke=-29.77-(0)+20lg1260=-29.77+62.01=32.24

需要的电压(50欧)

-110dBm=-3dBu

需要的场强

E=-3+32.24+3=32.24dBu/m

建立公式

32.24=74.77+eirp-20lg100=74.77+eirp-40

得

eirp=32.24-74.77+40=-2.53dBW

P=eirp-G=3.47dBW

需要的功率约2.5W。

如果带宽降到30kHz(比如典型的FSK调制),灵敏度提高到-120dBm,只需要0.25W的功率就够了。如果采用跟踪天线,或调制方式允许负的信噪比(比如广局正在研究的扩展频谱通信),需要的功率还会下降。

火箭高速飞行在地面上导致的干涉衰落是很小的,即使比较敏感,也可以理论预测,并通过提高功率消除其影响。
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1
15年0个月前IP:未同步
353281
1楼
因为计算书没有公开,所以对于选型的问题,很多人有疑义。
但是我认为这个方案是没有问题的。等下补上计算书。

另:10M带宽下热噪声不可小视,50欧电阻上,BW带宽内,热噪声功率:
Pn = -174dbm + 10log(BW)  BandWidth is in Hz
10M BW -> -104dbm
20M BW -> -101dbm

另外,恒星的产生的无线电噪声,也是不能忽视的。其强度甚至有可能阻塞接收机

参考资料ITU-R P.372 Radio Noise

attachment icon RECOMMENDATION ITU-R P.372-7 Radio Noise.pdf 4.15MB PDF 183次下载 预览

计算过程参考《微波工程》杂志07年上半年发表的某篇论文,基本与楼主方法相同
接收机天线增益0dbi, 馈线损耗+LNA回波损耗等共计3db,载频1240MHz,带宽20M
工作模式有两种
1.直接扩频 100倍*50kbit/s 扩频增益20db 仅数据模式
2.直接扩频   16倍*312.5kbit/s 扩频增益12.1db 视频+数据模式
MSK解调器需要7db信噪比 误码率10E-3
接收机噪声系数0.7db

对于模式1计算:
接收机灵敏度U=-104dbm + 0.7 + 7 - 20 = -116.3dbm = 9.3dbu
天线系数Ke=32.3
需要场强E = +3 +32.3 -9.3 = 26(dbu/m)
解方程26 = 74.77 + EIRP -20lg(100km)
EIRP=-8.77dbW

发射机天线有两种方案,可选4臂螺旋天线,或者GP天线,最小增益参考4NEC2软件仿真结果,按照-10dbi计算(此处可能有失误!)
P = EIRP - G = 1.23dbW = 1.33W

如果换为模式2,增益减小7.9db
P2 = 1.23+7.9 = 8.18W

考虑驻波等,选择大一点的功率,因为对于我们的发射电路来说,1W和16W几乎是一样的
发射机调制器输出电平是2-6dbm,CLY5 +10dbm  2级,然后推动增益为+23db的功放模块,达到最大16W输出功率。
锂电池供电不用担心电源功率不足。而且此功放模块已经匹配,调试工作量很小。所以一步到位,直接16W。
而且此系统有上行链路做自动功率控制,可调范围达到40db,模块偏置也是自动调节的。

最后,该系统有MIMO模式可选,如果信噪比足够,可以打开更多下传通道,改善视频画质
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虎哥作者
15年0个月前IP:未同步
353345
2楼
带宽太大,调制增益太低,增大的射频带宽和获得的扩频增益的取舍不经济,方案还需斟酌。如果非要这样搞,地面上应该用跟踪天线,提供至少10dB的增益。功率大了很麻烦,根据我的经验,这套系统没有两年搞不出来。目的是用最简便迅速的办法实现通信,不要刻意拔高技术难度。50K的通信速率,用FSK也只需要占用不到50K的带宽,灵敏度可以做到接近-120dBm。
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15年0个月前IP:未同步
353478
3楼
这个系统是作为中长期的发展计划。

使用软件无线电+扩频体制的好处是,可以利用MIMO技术,尽可能提高信道利用率。
在同样的带宽下,可以使得使得数据速率达到香农定理的极限

大带宽+扩频的一个很明显的优点,可以测速,测距离,而且精度很高。
作为以后卫星轨道测控技术的积累,也是很有必要的。

仅仅是传数据,确实没有必要做如此大带宽。
120kHz射频带宽,配合QPSK之类,就可以达到50kbit/s。
但是既然用了软件无线电,就可以直接上一些比较先进的技术方法。

因为是在数字域实现,改进升级比较容易。
现在的I/Q调制器带宽都很大,几十M的几乎找不到,一般都是上百M的。

地面天线的问题,确实需要仔细考虑,可能会使用抛物面反射板,增加天线孔径。

关于工期问题,老虎不必担心
1.如果能够如期完成,可以把它装入现有的系统,作为总线上的一个组件。
因为在开发计划中,这个排到最后,所以不会影响别的部分的进度。
2.具体实现的细节,做了很多考虑,以加快研发进度。
例如调制方式选择MSK,就是为了适应现成的非线性功放模块,减小设计难度。
不使用多载波而是使用MIMO,也是这个原因。MIMO的算法已经很成熟,只要数学上正确,就不会出差错。
多载波涉及到很多工程实现方面的问题,例如功放的线性补偿,数字滤波器设计,解决这些问题费时费力。

目前这个系统已经完成了MSK收发机的数字部分,现在暂时停工
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我也是有底线的