3.3.2 多普勒频移约束
当卫星靠近接收机时接收频率会增大,远离接收机时接收频率会减小,对接收机进行多普勒频移约束就是让接收机具有适应接收频率变化的能力。前面设置发射机的频率为4.5GHz。在Link Budget Report中查看接收机接收到的频率,会发现接收机必须要适应频率变化+/-80KHz,这样才能避免接收机未能捕捉到输入信号。
假设接收机在某一方向上具有能够适应输入频率变化50KHz的能力,现在对该约束进行建模。在Constraints-Comm页面中的Doppler Shift项,Min值设为-50KHz,Max值设为50KHz,点击Apply。在2D图形窗口中将看到显著变化。实际上,当关闭Min和Max选项时,当卫星接近和离开地面站时多普勒频移约束也会表现出来。刷新Link Budget Report会发现,输入频率小于4.49995和大于4.50005的时间项被剔除了。 注意:在进行下面的练习前取消多普勒频移约束。
3.3.3 通量密度约束
通量密度(Flux Density)单位通常为dB(watts/m2),表达式为发射机辐射功率(会由于大气损耗而衰减)除以球面积(其半径为发射机和接收机间的距离),即
首先取消Comm Constraints中的约束项,然后刷新Link Budget Report。通量密度输入值范围大致在-122~-100dB(watts/m2)之间。
假设希望剔除链路中通量密度小于-110dB(watts/m2)的时间项。打开接收机的Comm- Constraints页面,将Flux Density中的Min值设为-110,点击Apply。观察2D图形窗口和Link Budget Report中的变化。
如同前面所说的RIP一样,通量密度并不能通过配置接收机参数而得到改善,但能通过配置发射机参数而得到改善。可以尝试增加发射机功率,或者在Post Transmit Gains & Losses窗口中取消-1dB指向损耗(pointing loss)。
注意:在进行下面的练习前取消通量密度约束,将发射机参数改为原来设置。
3.3.4 载波噪声比约束
评估链路性能的一个重要指标是载波噪声比(Carrier to Noise Ratio,CNR),不考虑带宽时的表达式为:
其中,Lp表示自由空间衰减,La表示大气衰减,gr表示接收机增益,k= 1.373×10-23 W/KHz表示Boltzman常数,Teq表示等效噪声温度。
考虑带宽时的表达式为 其中,BRF表示参考带宽。
本文练习中,C/N0和C/N分别大致在65~92dB/Hz、-10~18dB之间。可以对链路
3 利用Comm Constraints设计通信链路
的CNR进行约束,例如,将C/N的Min值设为10dB,然后在2D图形窗口和Link Budget Report中观察变化。
与链路其它性能相比,C/N0和C/N能够对接收机和发射机参数进行调整而得到改进。接收机增益出现在上面两个式子的分子中。保留前面的C/N约束设置,在接收机的Basic-Definition页面中试着调整下面的参数(每次调整一项参数,调整下一个参数前先复原前一个参数),注意2D图形窗口中的变化:
◆将Gain增大至25dB;
◆点击System Temperature页面的Details…按钮,将Receiver Noise Figure减小至1dB;
◆添加(右手或左手,Right Hand or Left Hand)圆极化(Circular Polarization); ◆在Additional Gains and Losses页面,添加一项Pre-Receive增益,大小为1dB(名字任意);
◆在Rain Model中,将Outage Percent增大至0.03。 将Rain Model值改回0.01,C/N其它约束保留。
调整发射机的Modulation Type参数,例如默认的调制类型为BPSK,谱比为2Hz/bps,将其改为MSK,谱比为1.5Hz/bps,将会延长访问时间。如果更改为QPSK或者OQPSK,谱比为1Hz/bps,访问时间会更长。
注意:在进行下面的练习前,复原发射机参数,取消C/N约束。
3.3.5 数字通信系统约束
对于数字通信系统,接收机的比特能量与噪声之比定义为
其中T为比特周期。刷新Link Budget Report(取消其它的Comm约束),在此处练习中通信链路的Eb/N0值大致在-6~20范围。将Eb/N0的Min值设为15观察变化。利用CNR,链路性能能够通过配置接收机和发射机参数而得到改进。例如,打开发射机Basic-Definition页面,将Data Rate减小为12Mbps,这样比特周期T会增加,从而改善Eb/N0。
注意:在进行下面的练习前取消Eb/N0约束,将Data Rate改为原来设置。 数字通信系统的链路性能通过Bit Error Rate(BER)直接测量,BER表示接收到错误比特的概率。根据Link Budget Report,此处的练习中BER大致在1×10-25~2.5×10-1范围。期望的BER为10-6,将该值输入到BER Max约束中,观察结果的变化。BER为Eb/N0的函数,可以通过配置发射机和接收机的参数而得到改进,包括减小Data Rate。 注意:在进行下面的练习前取消BER约束。
3.3.6 折射高度和距离约束
可以对发射机相对于接收机的折射高度和距离(refracted elevation and range)进行约束限制。打开接收机的Basic-Refraction页面,选中Use Refraction in Access Computations。
打开Basic-Constraints页面,将Elevation Angle项的Min值设为5deg。
3 利用Comm Constraints设计通信链路
这样就剔除了当卫星非常接近地平线时的通信链路,此时由于信号要在大气层内传输很长距离因此链路是不可靠的。点击Apply,注意2D图形窗口中的变化,可以发现当卫星刚升起或者快要落下时的星下点轨迹直接被去掉了。
折射高度和距离的计算取决于选择的折射模型。前面选择的是与经验相吻合的ITU模型。打开接收机的Basic-Refraction页面,选中Effective Radius Method模型,该模型能够计算由于折射引起的高度的变化。将Effective Radius Factor设为1.33。
点击Apply。2D图形窗口中,满足该高度约束的卫星的星下点轨迹较之前采用的ITU经验模型要多一些。
注意:当选中Use Refraction in Access Computations时,所有对象的可视性(visibility)、距离(range)、仰角(elevation angle)和链路天线视轴角(link angle of the antenna boresight)在计算时都会将折射考虑在内。
当选中Use Refraction in Access Computations时,每个接收机的访问计算都需要考虑折射因素。
继续下面的练习前,改回原来的ITU模型,取消Refracted Elevation约束。 3.3.7 系统噪声温度约束
在接收机的Constraints-Noise页面,可以设置系统噪声温度(System Noise Temperature)的最小和最大值。可以在接收机的Basic-Definition页面中的噪声选项选择总的系统温度,或者设置下面窗口中的噪声选项覆盖掉前面的噪声设置: