第2章 鏈路傳輸工程

1、衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/11第2章 鏈路傳輸工程衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/12提要一、星-地鏈路傳播特性二、衛(wèi)星移動(dòng)通信鏈路特性三、天線的方向性和電極化問題四、噪聲與干擾五、衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量六、信道對(duì)傳輸信號(hào)的損害七、上、下行鏈路的RF干擾衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/13鏈路傳播特性鏈路傳播特性u(píng)星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗u星-地鏈路：由自由空間傳播損耗和近 地大氣的各種影響所確定衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/14 衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對(duì)流層（含云層和雨層）、平流層、電離層和外層空間，跨越距離大，影響電波傳播的因素很多。熱層（熱電離層）（Thermosphere） 80 - 500

2、 km中間層（Mesosphere）50 - 80 km 平流層（Stratosphere） 16 - 50 km對(duì)流層（Troposphere） 7- 16 km 外逸層（外逸層（ExosphereExosphere） 500 - 64,374 km500 - 64,374 km衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/15傳播問題物理原因主要影響衰減和天空噪聲增加大氣氣體、云、雨大約10GHz以上頻率信號(hào)去極化雨、冰結(jié)晶體C和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)（取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）折射和大氣多徑大氣氣體低仰角跟蹤和通信信號(hào)閃爍對(duì)流層和電離層折射擾動(dòng)對(duì)流層：低仰角和10GHz以上頻率電離層：10GHz以下頻率反射多徑和阻塞

3、地球表面及表面上物體衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)傳播延遲、變化對(duì)流層和電離層精確的定時(shí)、定位、TDMA系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/16衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù) 等效全向輻射功率（EIRP） 定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射的功率P與該天線增益G的乘積。 表明了定向天線 在最大輻射方向?qū)嶋H所輻射的功率。 EIRP=PG，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB) 噪聲溫度（Te） 定義：將噪聲系數(shù)折合為電阻元件在相當(dāng)于某溫度下的熱噪聲，溫度以絕對(duì)溫度K計(jì)。噪聲溫度（Te）與噪聲系數(shù)(NF）的關(guān)系為：NF=10lg(1+Te/290)dB 品質(zhì)因素（G/Te）

4、 定義：天線增益與噪聲溫度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/17天線增益的計(jì)算公式天線增益的計(jì)算公式 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中的天線增益可以按下式進(jìn)行計(jì)算： (2-3)式中，A是天線口面的有效面積(m2)，是工作波長（m），為天線效率，Ae為接收天線有效面積。其中=c/f，c為光速，取值為3*108(m/s)。2244 (2-3)eAGA22244 AfGAC衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/18l 例一 計(jì)算頻率為6GHz時(shí)，口徑3m的拋物面天線的增益。（天線效率為0.55）解：根據(jù)29228461030.55231010 lg42.9 (dB)GGG2

5、2244 AfGAC衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/19一、星-地鏈路傳播特性 衛(wèi)星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗的大部分。其它損耗還有大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損耗等。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一額外的損耗。l 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式。自由空間是一個(gè)理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個(gè)簡化的計(jì)算環(huán)境。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/110圖圖2-1 以確定的天線面積在不同距離上接

6、收輻射能量以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量2 (2-1)4trPPd衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/111圖圖2-2 自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/112圖圖2-4 靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系曲線靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系曲線422381.0230.302coscosd衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/113有關(guān)鏈路計(jì)算的公式l自由空間傳播損耗l功率密度l接收信號(hào)功率衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/114自由空間傳播損耗計(jì)算公式自由空間傳播損耗計(jì)算公式電波從點(diǎn)源全向天線發(fā)出后在自由空間傳播，能量將擴(kuò)散到一個(gè)球面上。如用定向天線，電

7、波將向某一方向會(huì)聚，在此方向上獲得增益，那么到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)功率為： 其中：PT為發(fā)射功率;GT為發(fā)射天線增益;GR為接收天線增益；Lf為自由 空間傳播損耗。 TTRRfP GGPL2244 ( 2 -5 )fdd fLcd為傳播距離，為工作波長，C為光速，f為工作頻率。 Lf通常用分貝表示，當(dāng)d用km、f用GHz表示時(shí)，又可以表示為92.4420lg20lg (dB) (2-8)fLdf衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/115l例二 衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計(jì)算6GHz時(shí)的自由空間損耗。解：根據(jù)公式（2-8）， Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (d

8、B)92.4420lg20lg (dB) (2-8)fLdf衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/116功率密度的計(jì)算公式功率密度的計(jì)算公式 功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達(dá)接收點(diǎn)后，在單位面積內(nèi)的功率?？梢员硎緸椋?-1）式。（2-1）式中，PT為天線的發(fā)射功率（W），GT為發(fā)射天線的增益，d為自由空間傳播距離。22 (W/m ) (2-1)4ttrG PPd衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/117l 例三 衛(wèi)星的EIRP值為49.4dBW，計(jì)算衛(wèi)星離地面距離為40000km時(shí)，地面站的功率密度。解：根據(jù)式（2-1）， 4.94222104.33 (pW/m )44 3.14164000

9、0 1000TTrG PPd22 (W/m ) (2-1)4ttrG PPd地面站的功率密度為衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/118接收信號(hào)功率的計(jì)算公式接收信號(hào)功率的計(jì)算公式若接收信號(hào)的有效接收面積為A，則接收到的功率為：若用接收天線增益（式2-3）來表示，上式可以改寫為：2 4TTRrG PPPAAd2 (2 -4 )4RTTRPGPGd2244 (2-3)ReAGA衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/119鏈路附加損耗l大氣吸收損耗l雨衰l大氣折射的影響l電離層閃爍和多徑衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/120鏈路附加損耗 1. 大氣吸收損耗 在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對(duì)電波的吸收衰減起主要作用，水蒸

10、汽的第一吸收峰在22GHz，氧氣在60GHz(3580GHz間)。對(duì)非常低的水蒸汽密度，衰減可假定與水蒸汽密度成正比。由于在22GHz和60GHz處有較大的損耗峰存在，這些頻率不宜用于星-地鏈路，但可用于星間鏈路?？傮w上，大氣吸收損耗隨頻率的增加而增大。在0.3-l0GHz的頻段，大氣損耗小，適合于電波傳播，這一頻段是當(dāng)前應(yīng)用最多的頻段。30GHz附近也有一個(gè)低損耗區(qū)。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/121大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/122鏈路附加損耗 2、雨衰 在雨天或有霧的氣象條件下，雨滴和霧對(duì)于較高頻率（10GHz以上）的電波會(huì)產(chǎn)生散射

11、和吸收作用，從而引入較大的附加損耗，稱為雨衰。 仰角為的傳播路徑上的降雨衰減量為： LR=RlR() R是降雨衰減系數(shù)，定義為由雨滴引起的單位長度上的衰減，單位dBkm；lR()是降雨地區(qū)的等效路徑長度，定義為當(dāng)仰角為時(shí)傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨衰減(dB)與對(duì)應(yīng)于地球站所在地降雨強(qiáng)度的降雨衰減系數(shù)比(dBkm)，單位為km。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/123圖圖2-6 不同仰角時(shí)的雨衰頻率特性不同仰角時(shí)的雨衰頻率特性衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/124降雨衰減系數(shù)降雨衰減系數(shù)R的頻率特性的頻率特性衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/125降雨地區(qū)的等效路徑長度降雨地區(qū)的等效路徑長度衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/1

12、2/126鏈路附加損耗3、大氣折射的影響 大氣折射率隨著高度的增加、大氣密度的減小而減小，電波射線因折射率隨高度變化而產(chǎn)生彎曲，波束上翹一個(gè)角度增量。 大氣折射率的變動(dòng)對(duì)穿越大氣的電波起到一個(gè)凹透鏡的作用，使電波產(chǎn)生微小的散焦衰減，衰減量與頻率無關(guān)。在仰角大于5度時(shí)，散焦衰減小于0.2dB。此外，因大氣湍流引起的大氣指數(shù)的變化，使電波向各個(gè)方向上散射，導(dǎo)致電波到達(dá)大口面天線時(shí)振幅和相位不均勻分布，引起散射衰落，這類損耗較小。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/127圖圖2-7 微波信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射微波信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/128鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑 電

13、離層內(nèi)存在電子密度的隨機(jī)不均勻性而引起閃爍，可使信號(hào)產(chǎn)生折射。 電離層中不均勻體的發(fā)生和發(fā)展，造成了穿越其中的電波的散射，使得電磁能量在時(shí)空中重新分布，造成電波信號(hào)的幅度、相位、到達(dá)角、極化狀態(tài)等發(fā)生短期不規(guī)則變化。 對(duì)閃爍深度大的地區(qū)，用編碼、交織、重發(fā)等技術(shù)，來克服衰落，減少電離層閃爍的影響；其它地區(qū)可用適當(dāng)增加儲(chǔ)備余量的方法克服電離層閃爍的影響。 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/129電離層閃爍形成多徑傳播電離層閃爍形成多徑傳播衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/130圖圖2-8 2-8 地面反射形成的多徑傳播地面反射形成的多徑傳播衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/131 二、衛(wèi)星移動(dòng)通信鏈路特性l 多徑

14、衰落：電波在移動(dòng)環(huán)境中傳播時(shí)，會(huì)遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射，到達(dá)接收天線時(shí)，已經(jīng)成為通過各個(gè)路徑到達(dá)的合成波。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，因此合成信號(hào)起伏大，稱為多徑衰落。l 陰影衰落：電波途經(jīng)建筑物、樹木等時(shí)受到阻擋被衰減，這種陰影遮蔽對(duì)陸地衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的電波傳播影響很大。l 衛(wèi)星移動(dòng)信道的分析模型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀缀畏治瞿Ｐ?、概率分布模型。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒芙沂緜鞑ミ^程的物理本質(zhì)，但可以描述出對(duì)重要參數(shù)的敏感度；幾何分析模型用幾何分析的方法，能預(yù)測(cè)單個(gè)或多個(gè)散射源的作用，解釋衰落機(jī)制，但需將結(jié)果擴(kuò)展到實(shí)際的復(fù)雜情況；概率分布模型建立了對(duì)傳播過程的理解，對(duì)實(shí)際情況作了簡化假設(shè)。下面基

15、于概率模型來描述衛(wèi)星移動(dòng)通信信道的電波傳播特性。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/132Rician概率密度函數(shù)由建筑物、樹木或其它反射物造成的反射波形成的多徑信號(hào)，與直射波信號(hào)合成，其信號(hào)包絡(luò)r(t)服從Rician分布，相位服從0,2的均勻分布，r(t)可以表示為： 22 (2-11)csr tatKat其中 和 為相互正交的高斯過程，而參數(shù)K稱為萊斯因子，它是直射分量的功率與其他多徑分量功率之和的比值。 cat sat r(t)的概率密度函數(shù)為 220222( )exp 2rrrZrZf rI 是電壓的標(biāo)準(zhǔn)差， 2是平均多徑功率，I0()是第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。Z為直射波分量。定義Rice

16、因子K為直射波功率與平均多徑功率的比值，K值反映了多徑散射對(duì)信號(hào)分布的影響。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/133 當(dāng)信號(hào)的直射波分量被樹木、輸電線或高的地面障礙物所遮蔽時(shí)，接收信號(hào)的強(qiáng)度r1(t)服從對(duì)數(shù)高斯條件下的Rician分布，相位服從0,2的均勻分布，r1(t)可以表示為 221( )( ) (2-12)ccssr ty taty tat其中，yc(t)和ys(t)是互為正交的對(duì)數(shù)高斯過程，其特性由均值 和方差2確定。 萊斯信道的萊斯因子K和對(duì)數(shù)正態(tài)萊斯信道的均值和方差2都與用戶對(duì)衛(wèi)星的仰角 有關(guān)。在農(nóng)村樹木遮蔽條件下，K、 和2可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算: 201223012301 (

17、2-13)KKKK 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/134(2-13)式中的參數(shù)K0，K1,由表2.1給出。表表2.1 經(jīng)驗(yàn)公式（經(jīng)驗(yàn)公式（2-13）中的參數(shù)值）中的參數(shù)值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.002774 0=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.04910-5 0=4.51=-0.05 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/135圖圖2-9 不同仰角時(shí)接收電平累不同仰角時(shí)接收電平累積積分布分布 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/136表表2-2 接收信號(hào)有效性分別為接收信號(hào)有效性分別為90，95和和99%時(shí)的余量時(shí)的余量衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/137Raylei

18、gh概率密度函數(shù) Rayleigh概率密度函數(shù)是Rician分布的特殊情況，即當(dāng)沒有直射波分量(Z=0)時(shí)，接收信號(hào)全部由多徑信號(hào)組成，其信號(hào)包絡(luò)r的概率密度函數(shù)為： 222exp 2rrrfr衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/138Lognormal概率密度函數(shù)衛(wèi)星與地面站之間的直射波被路邊的樹木或其它障礙物吸收或散射掉時(shí)，要出現(xiàn)陰影衰落。此時(shí)的電壓變量是由于陰影而成為Lognormal的。隨機(jī)變量Z的概率密度函數(shù)為：200ln1( )exp 22zZfZdZd 和d0分別是lnZ的均值和方差。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/139多普勒頻移l 在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動(dòng)終端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)

19、，因而它們作為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的載體，接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)送信號(hào)將產(chǎn)生多普勒頻移。分析表明，多普勒頻移fD可由下式表示cos (2-14)cDVffC其中，V為衛(wèi)星與用戶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，fc為射頻頻率，C為光速，為衛(wèi)星與用戶之間的連線與速度V方向的夾角。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/140三、天線的方向性和電極化問題l 天線增益和方向圖 天線增益通常是指最大輻射方向上信號(hào)功率增加的倍數(shù)，天線方向圖可以描述天線在整個(gè)空間內(nèi)輻射功率的分布情況。方向圖的主要參數(shù)是主瓣的半功率角0.5（單位為度），常稱為波束寬度，對(duì)于拋物面天線，其近似估算公式為0.5 ND 其中，D為拋物面天線的口面直徑，單位為m；N是一個(gè)

20、與場分布圖在天線口面上的分布規(guī)律有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)場在天線口面上呈均勻分布時(shí)，N=58；當(dāng)場在天線口面上呈錐形分布時(shí)，N=70。 錐形分布是指場分布圖在天線口面上從中心向四周逐漸減弱的分布，即口面中心的場強(qiáng)最強(qiáng)，而邊緣的場強(qiáng)最弱。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/141衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/142 1sin (2-20)sinDJG 為以主瓣中心軸線為參考的方向角；而J1( )為第一類一階貝塞爾函數(shù)。 對(duì)于同相均勻激勵(lì)的圓口徑天線來說，方向圖可用下式表示衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/143圖圖2-12 泄漏對(duì)地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾泄漏對(duì)地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/144l 天線的極

21、化隔離 一般情況下，在一個(gè)周期內(nèi)電場矢量的頂點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個(gè)橢圓，稱為橢圓極化。從天線順著電波傳播方向看，若電場矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋，若逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。 對(duì)于一個(gè)橢圓極化波，可以用三個(gè)參數(shù)來描述它：(1)旋轉(zhuǎn)方向，（2）軸比，（3）傾角（長軸相對(duì)于基軸的傾角）。 圓極化和線極化是橢圓極化的兩種特例：軸比為1的極化為圓極化，而軸比為無限大的極化為線極化。任何一種極化方式，極化波矢量都可以分解為相互正交的兩個(gè)分量。對(duì)于圓極化波，分解為左旋和右旋兩個(gè)極化波矢量；對(duì)于線極化波，分解為水平極化和垂直極化兩個(gè)分量。 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/145 理論上兩個(gè)正交極化波是

22、完全隔離的，一個(gè)天線可以配置兩個(gè)接收或發(fā)送端口。每個(gè)端口只與一個(gè)極化波匹配，而與另一個(gè)極化波正交。 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于實(shí)際收、發(fā)設(shè)備的誤差以及電波傳播過程中降雨的去極化作用等因素的影響，發(fā)送波的極化方向與接收端所要求的極化方向有誤差，這將引起兩個(gè)結(jié)果：首先，接收的正交分量將有泄漏、并對(duì)匹配接收的有用信號(hào)形成干擾；其次，匹配接收信號(hào)將因誤差而有所減小，稱為極化損耗。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/146圖圖2-13 由饋源喇叭形成的垂直和水平極化波由饋源喇叭形成的垂直和水平極化波電波傳播方向電波傳播方向衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/147四、噪聲與干擾 系統(tǒng)熱噪聲 宇宙噪聲 外部環(huán)境干擾 其他干擾

23、衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/148系統(tǒng)熱噪聲l 系統(tǒng)熱噪聲 熱噪聲：只要傳導(dǎo)媒質(zhì)不處于絕對(duì)溫度的零度，其中的帶電粒子就存在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)信號(hào)形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。 噪聲功率譜密度n0：0 (2-21)nKT 其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K；T為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。噪聲的功率譜密度與頻率無關(guān)，為白噪聲。 網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率N0：000 (2-22)ieNNNKT BAKT BA 其中，T0是輸入匹配電阻的噪聲溫度 ，Te稱為網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 ，A為網(wǎng)絡(luò)增益，B為網(wǎng)絡(luò)的帶寬。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/149l等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)l 天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是

24、衡量通過天線進(jìn)入接收機(jī)的噪聲量的一個(gè)指標(biāo)，通過對(duì)所有來自外部噪聲源的噪聲分量進(jìn)行積分求得。l 噪聲溫度：隨著損耗的增加，輻射噪聲也相應(yīng)增加。大氣對(duì)地球站天線噪聲溫度的影響可以用下式計(jì)算：/10(1 10) LsmTT其中，Ts為天線接收到的天電噪聲溫度（K）；Tm為傳播媒質(zhì)的有效溫度（K）； L為路徑損耗（dB）。l噪聲系數(shù)NF：定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值 。000/1 (2-23)/()iiieFooieSNSKBTTNSNSKB TTT (1) (2-24)eFoTNT網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度Te可以表示為：衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/150l有耗無源網(wǎng)絡(luò)（饋線等）的等效噪聲溫度 在輸入

25、、輸出端匹配的情況下，輸出端負(fù)載得到的噪聲功率No為00 NkBT00/ FeFNkBTLkBTL01 (2-25)FFTLT (2-26)FFNL同時(shí)輸出噪聲功率還可以表示為輸入噪聲功率對(duì)輸出的貢獻(xiàn)，加上網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對(duì)輸出的貢獻(xiàn)。假設(shè)無源網(wǎng)絡(luò)的損耗為LF，增益為A=1/LF。則網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率為：等效噪聲溫度（特指損耗LF的溫度，Te改用TF表示 )為：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/151l級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 n個(gè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率分別為：1111222112223eeeenennenkB TTAkB TTA AkBT AkB TTA AAkBT A AAkBA

26、 T12nenkB TTA AA其中，T為輸入端噪聲溫度 。 和 級(jí)聯(lián)的n個(gè)網(wǎng)絡(luò)的增益和等效噪聲溫度 。12,nA AA12,eeenTTTn級(jí)網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率為：A1A2An輸出輸入衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/152n級(jí)網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率也可以表示為：1212101 neknonkkKBTA AANKBT A AAAA其中，A0=1。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/153n級(jí)網(wǎng)絡(luò)總的等效噪聲溫度為：111121nneijijineniineieiijjTATATTA 各級(jí)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲對(duì)總的等效噪聲溫度的貢獻(xiàn)均要折算到系統(tǒng)的輸出端，第k級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對(duì)總的等效噪聲溫度的貢獻(xiàn)為：121ekkTA

27、AA衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/154一個(gè)由n級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)，其等效噪聲溫度也可以表示為：121312121/()/() eeeeennTTTATA ATA AA121312121(1)/(1)/()(1)/() nnFFFAFA AFA AAn級(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為：其中，F(xiàn)n是第n級(jí)放大器的噪聲系數(shù)。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/155例四 兩個(gè)放大器級(jí)聯(lián)，每個(gè)有10dB的增益，噪聲溫度200K，計(jì)算總增益和相對(duì)輸入的等效噪聲溫度。解：總增益為：G=G1+G2= 20 (dB)， 而相對(duì)輸入的等效噪聲溫度為：121/200200/10220 (K)ieeeTTTG衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021

28、/12/156宇宙噪聲 宇宙噪聲來自于外層空間星體的熱氣體在星際空間的輻射，其中最主要的噪聲干擾源來自太陽。 太陽寂靜期的噪聲溫度（天線增益太陽寂靜期的噪聲溫度（天線增益53dB53dB）衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/157其他干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包括系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾等。l 系統(tǒng)間干擾：如衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面微波通信系統(tǒng)之間的干擾l 共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復(fù)用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個(gè)波束覆蓋區(qū)，但波束間的隔離往往并不十分理想，從而產(chǎn)生共信道干擾。l 交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常采用極化隔離

29、頻率復(fù)用技術(shù)，即兩個(gè)波束的指向區(qū)域可能是重疊的并且使用相同的頻率，通過使用不同的極化方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的隔離。由于極化的不完全正交可能造成干擾，即能量從一種極化狀態(tài)耦合到另一種極化狀態(tài)引起的干擾。這也是一種共道干擾。l 互調(diào)干擾：當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號(hào)時(shí)，總是希望轉(zhuǎn)發(fā)器有較高的功率效率，但高效率的功放可能產(chǎn)生較明顯的非線性，使各載波信號(hào)之間形成互調(diào)干擾。 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/158五、衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量l鏈路預(yù)算分析l接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度l全鏈路傳輸質(zhì)量衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/159鏈路預(yù)算分析圖圖2-15 鏈路單元與功率平衡方程鏈路單元與功率平衡方程衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/1

30、2/160 電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號(hào)功率Pr: ttrrftrP G GPLL L2 4rrttPG G Pd若考慮發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線的波導(dǎo)傳播損耗（饋線）Lt和接收天線到接收機(jī)的波導(dǎo)傳播損耗Lr，則接收信號(hào)功率為：衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/161接收機(jī)的輸入噪聲功率可以表示為：T為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度，它包括從天線進(jìn)入接收機(jī)的噪聲的等效噪聲溫度和接收機(jī)內(nèi)部噪聲折算至其輸入端的等效噪聲溫度；k為波耳茲曼常數(shù)， ；B為系統(tǒng)的帶寬。接收信號(hào)的載噪比C/N為：/ (2-30)ftrEIRP GC NL L L kBT其中， C為接收載波功率， N表示接收端的噪聲功率，C=(EIRPG)/Lf

31、LtLr, N=KBT, G為接收天線增益。 (2-28)iNKTB231.38 10/kJ K衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/162除載噪比C/N作為系統(tǒng)的重要參數(shù)以外，也常用載波功率與等效噪聲溫度之比C/T反映系統(tǒng)的性能。/ (2-32)EIRP GC TLT其中， C=(EIRPG)/L，L=LfLtLr, G/T為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素。不同類型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)G/T的要求有較大差異。例如，國際衛(wèi)星七號(hào)（IS-）的工作于全球波束的空間站G/T值為-11.5dB/K，而天線仰角大于5度的A型標(biāo)準(zhǔn)地球站，在晴天的G/T值應(yīng)滿足：G/T40.7+20lg(f/4)。歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）

32、是區(qū)域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對(duì)地球站G/T的要求為37.7 dB/K +20lgf/4。衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面移動(dòng)終端天線增益通常只有12dB，G/T在-22-23 dB/K左右。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/163接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度圖圖2-16 接收系統(tǒng)噪聲溫度計(jì)算圖接收系統(tǒng)噪聲溫度計(jì)算圖衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/164 “接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度”包括天線、饋線和接收機(jī)在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫度。以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)，將天線、饋線的噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端，并與接收機(jī)的等效噪聲溫度相加。 （地球站）天線噪聲主要包括了由天線主瓣進(jìn)入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由

33、天線旁瓣進(jìn)入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。同時(shí)，下雨時(shí)還有雨的吸收噪聲。一般來說，晴天條件下天線噪聲溫度大約在30-50K的范圍，然而它與下列因素有關(guān)：仰角（仰角越大，噪聲越小）；天線直徑（直徑越大，噪聲越小）；天氣條件（雨天噪聲劇增，特別是10GHz以上的頻段）。天線的噪聲溫度用Ta表示，它是在饋線的輸入端的數(shù)值。假設(shè)饋線損耗為LF，則將其折算到饋線輸出端，即接收機(jī)輸入端時(shí)，其等效值Tae為/ (2-33)aeaFTTL衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/165 假定饋線環(huán)境溫度為T0，根據(jù)式（2-33） 可得饋線的噪聲溫度。 由于饋線噪聲已折算到其輸入端，此時(shí)饋線已為無噪聲的理想饋線，其輸入和輸

34、出的信噪比相等。與噪聲功率成比例的噪聲溫度折算到其輸出端后為TFe=（1-1/LF）T0 (2-34) 若接收機(jī)等效噪聲溫度為Tre（接收機(jī)的等效噪聲溫度Tre主要由接收機(jī)的前級(jí)低噪聲放大器LNA確定），則整個(gè)接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T為011 -35aeFereareFFTTTTTTTLL（2）01FFTLT衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/166全鏈路傳輸質(zhì)量 衛(wèi)星通信系統(tǒng)全鏈路的傳輸質(zhì)量主要決定于上行和下行鏈路的載波（功率）與噪聲溫度之比。對(duì)于上、下行鏈路，分別有 / -36eusuEIRPGCTLT（ 2）/ -37sdedEIRPGC TLT（2）（2-36）和（2-37）中，(EIRP)e

35、和(EIRP)s分別為地球站和衛(wèi)星的等效全向輻射功率，(G/T)s 和(G/T)e分別為衛(wèi)星接收系統(tǒng)和地球站接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素，Lu和Ld分別為上行鏈路和下行鏈路的傳輸損耗。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/167 當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA）同時(shí)放大多個(gè)載波時(shí)，將產(chǎn)生互調(diào)噪聲，其影響也用載波噪聲溫度比(C/T)i來表示?；フ{(diào)噪聲的大小與載波數(shù)目、各載波間的相對(duì)電平、頻率配置方案和行波管工作點(diǎn)有關(guān)。 全鏈路傳輸質(zhì)量的載波噪聲溫度比C/T為：1111/ -38udiC TC TC TC T（2） 其中，C/T為全鏈路傳輸?shù)妮d波噪聲溫度比，總的等效噪聲溫度T為各部分的噪聲溫度之和。 鏈路余量：

36、(2-38)式右端增加一項(xiàng)作為系統(tǒng)的余量；規(guī)定鏈路實(shí)際信噪比高于門限信噪比。 鏈路預(yù)算的任務(wù)有兩類：在選定空間轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備的情況下，驗(yàn)證系統(tǒng)能否滿足用戶的使用要求；或者，在已知空間站或地球站部分參數(shù)的條件下，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)要求，確定對(duì)設(shè)備另一部分指標(biāo)的要求，如地球站天線尺寸、接收機(jī)噪聲性能等。衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/168鏈路預(yù)算實(shí)例 Ku波段DTH系統(tǒng)下行鏈路預(yù)算 已知條件：衛(wèi)星發(fā)射功率為250W ,天線增益為30dBi，傳輸帶寬為27MHz，地面為小型單收站(RO) ,其天線直徑為45cm，等效噪聲溫度假定為140K。參數(shù)數(shù)值發(fā)射功率發(fā)射波導(dǎo)損耗發(fā)射天線增益EIRP自由空間損

37、耗接收機(jī)天線增益（45cm直徑）接收端波導(dǎo)損耗接收信號(hào)功率接 收 噪 聲 功 率 （ T = 1 4 0 K , B=27MHz）C/N 250W或24.0dBw1.0dB30.0dBi53.0dBw205.6dB32.7dBi0.5dB-120.4dBw-132.8dBw12.4dB 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/169 C波段多載波系統(tǒng)鏈路預(yù)算（1）上行鏈路頻率為6GHz，傳送距離假定為38607km（仰角30）。上行鏈路自由空間傳播損耗為:92.4491.7315.56199.73dBfuL 假定：地球站EIRP=85dBw ,衛(wèi)星接收機(jī)G/T=-11.6dB/K，則上行鏈路的C/T值：/

38、85 11.6 199.73126.33dBw/KuC T （2）下行鏈路頻率為4GHz，傳送距離仍為38607km，則下行鏈路的自由空間傳播損耗為：92.4491.73 12.04196.21dBfdLdB92.4420logkm20lgGHz fLdf/ EIRP GC TLT衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/170 假定衛(wèi)星飽和EIRP=26dBW。考慮到轉(zhuǎn)發(fā)器工作在多載波情況，為減小互調(diào)干擾，衛(wèi)星實(shí)際工作的 EIRP為20dBW。假定地球站G/T=41dB/K , 則下行鏈路C/T值為：/2041 196.21135.21dBW/KdC T 對(duì)于多載波工作的轉(zhuǎn)發(fā)器，典型的互調(diào)噪聲(C/T)i

39、m為-131.7dBW/K，而上、下鏈路受到的其他干擾的(C/T)I典型值為-130.5dBW/K。全鏈路的C/T值為： 111111213131313/4.61 103.327 101.479 101.122 106.389 10udimiC TC TC TC TC T/138.05dBW /KCT 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/171 在確定系統(tǒng)帶寬B后，可求得接收信（載）噪比C/N。噪聲功率N=kBT，接收站的載波功率為C=(EIRP G)/( LfLtLr),則載波噪聲功率比C/N為/ ftrEIRP GC NL L L kBT則/ C TC NkB那么C/N=C/T-k-B= -138

40、.05+228.6-65.56= 24.99 dB衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/172/ ftrEIRP GC NL L L kBT因?yàn)槠渲校肼暪β蕿镹=kTB，噪聲功率譜密度為n0=kT，則載噪比頻譜密度C/n0為0/ ftrEIRP GC nL L L kT 0/ ftrC nEIRPG TLLLk衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/173例五 假設(shè)衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余量和其它損耗總計(jì)為 3dB，接收機(jī)的G/T值為11dB/K，EIRP值為45dBW。計(jì)算系統(tǒng)接收到的C/N值。（假設(shè)帶寬為36MHz）解： / 45 11 2003228.675.56 6.04 (dB)C NEIRP

41、G TLkB / ftrEIRP GC NL L L kBT衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/174例六 載波頻率12GHz，自由空間損耗206dB，天線指向損耗1dB，大氣損耗2dB，接收機(jī)的G/T值為19.5dB/K，接收機(jī)饋線損耗1dB。EIRP為48dBW。計(jì)算載噪比頻譜密度。解：載噪比頻譜密度為：0(/) / 48 19.5206 1 2 1228.6 86.1 (dBHz)C nEIRPG TLk 衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/175六、信道對(duì)傳輸信號(hào)的損害 通信系統(tǒng)中，實(shí)際的非理想信道會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)造成損害 , 這種損害不是由于噪聲或外部干擾造成的，而是由于信道的線性失真和非線性失真所引起

42、的。 由于系統(tǒng)特性而產(chǎn)生的失真稱為線性失真，與信號(hào)本身幅度無關(guān)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間保持線性關(guān)系，傳輸函數(shù)只與頻率或時(shí)間有關(guān)；信號(hào)在傳輸中引起的失真與被傳輸信號(hào)本身的幅度有關(guān)時(shí)稱為非線性失真，傳輸函數(shù)是輸入信號(hào)幅度的函數(shù)。 信道的線性失真包括幅度頻率失真和相位頻率失真，前者是在信號(hào)帶寬內(nèi)，信道不能提供平坦的增益特性；而相位頻率失真是由于相頻特性的非線性產(chǎn)生的，即在帶內(nèi)不能提供平坦的群延時(shí)特性（調(diào)相信號(hào)在通過濾波器時(shí)，其包絡(luò)的傳播時(shí)間延遲稱作時(shí)間延遲或群延時(shí)）。 非線性失真主要由功率放大器（特別是星載行波管放大器TWTA）產(chǎn)生。信道的非線性失真分為幅度非線性失真和相位非線性失真。 衛(wèi)星通信導(dǎo)論

43、2021/12/176失真類型與輸入信號(hào)幅度的關(guān)系輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系傳輸函數(shù) 新的頻率成分失真產(chǎn)生的原因線性失真無呈線性為頻率或時(shí)間的函數(shù)不產(chǎn)生電抗元件的分布參數(shù)非線性失真有呈非線性 為輸入信號(hào)幅度的函數(shù)產(chǎn)生非線性元器件線性失真與非線性失真的比較衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/177圖圖2-17 星上星上TWTA的典型特性的典型特性衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/178圖圖2-18 FDMA系統(tǒng)的最佳系統(tǒng)的最佳TWTA工作點(diǎn)和相應(yīng)的工作點(diǎn)和相應(yīng)的C/N衛(wèi)星通信導(dǎo)論2021/12/179七、上下行鏈路的射頻干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)上、下行鏈路之間造成RF干擾的原因之一是地球站或衛(wèi)星相關(guān)設(shè)備電磁兼容性方面存在缺陷。 衛(wèi)星系統(tǒng)上、下行鏈路的RF干擾也可以是由地面微波中繼通信系統(tǒng)或其它衛(wèi)星通信系統(tǒng)引入的。 上行干擾是地球站在向自己的“目標(biāo)衛(wèi)星”發(fā)送信號(hào)的