《衛(wèi)星通信》課件第4章 衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)

第四章衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)星地傳輸方程衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的傳播效應(yīng)衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)信道模型系統(tǒng)噪聲溫度鏈路預(yù)算第4章衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)傳輸方程：描述發(fā)送地球站發(fā)送的射頻功率與接收地球站接收到的射頻功率、傳輸頻率和發(fā)射機(jī)到接收機(jī)距離間的關(guān)系1星地傳輸方程接收功率通量密度1星地傳輸方程全向天線下通量密度方向性天線下通量密度有效全向輻射功率傳輸方程1星地傳輸方程無附加損耗的傳輸方程：接收功率接收天線口徑面積接收天線效率路徑損耗傳輸方程1星地傳輸方程有附加損耗的傳輸方程1星地傳輸方程例4：已知IS-IV號(hào)衛(wèi)星作點(diǎn)波束1872路運(yùn)用時(shí)，其有效全向輻射功率EIPR=34.2dBW，接收天線的增益=60.0dBi。接收饋線損耗=0.5dB，其他損耗忽略時(shí)，試計(jì)算地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率。解：若下行鏈路工作頻率為4GHz，距離d=40000km，下行鏈路自由空間傳播損耗為

地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率為2傳播效應(yīng)衛(wèi)星與地面間信號(hào)傳播路徑2傳播效應(yīng)許多現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致通過地球大氣層傳輸時(shí)的信號(hào)損耗，包括：與水汽凝結(jié)有關(guān)降雨衰減雨和冰晶去極化與水汽凝結(jié)無關(guān)大氣吸收云層衰減對(duì)流層閃爍法拉第旋轉(zhuǎn)電離層閃爍除了電離層效應(yīng)以外，幾乎所有的傳播效應(yīng)都隨頻率的升高而越來越劇烈2傳播效應(yīng)降雨衰減對(duì)于10GHz以上頻率，雨衰是最重要的損耗；通常是Ku和Ka頻段衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)中的限制因素；當(dāng)電磁波穿過降雨區(qū)域時(shí)，雨滴會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生吸收和散射，導(dǎo)致信號(hào)幅度的衰減；雨衰幾乎完全是由吸收引起的；雨衰產(chǎn)生的機(jī)理從雨衰產(chǎn)生的機(jī)理可以得到雨衰減大小與雨滴半徑和波長(zhǎng)比值有密切的關(guān)系，當(dāng)電波的波長(zhǎng)可以和雨滴的尺寸相比擬時(shí)，將引起雨滴共振，產(chǎn)生最大的雨衰。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)雨衰估計(jì)信號(hào)沿一條傾斜路徑穿過大氣層，在一路上遇到不同類型和不同強(qiáng)度的降雨。沿一條到衛(wèi)星路徑所測(cè)得的衰減與在地面站處測(cè)得的降雨率之間不存在即時(shí)關(guān)系。降雨率的長(zhǎng)期累積統(tǒng)計(jì)與傾斜路徑衰減的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)之間有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)聯(lián)系。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)為規(guī)劃適當(dāng)?shù)逆溌吩Ａ?，需要?jì)算對(duì)一給定時(shí)間百分比預(yù)測(cè)的降雨衰減預(yù)測(cè)模型主要有三個(gè)步驟：確定所關(guān)心的時(shí)間百分比內(nèi)的降雨強(qiáng)度；計(jì)算信號(hào)在該降雨強(qiáng)度下以dB/km為單位的單位衰減；求出受此單位衰減作用的路徑有效長(zhǎng)度。預(yù)估計(jì)雨衰減的方法物理方法：路徑衰減是路徑沿線上遇到的雨點(diǎn)所造成的單個(gè)降雨衰減增量的一個(gè)積分；預(yù)測(cè)模型：計(jì)算雨中有效路徑長(zhǎng)度Leff的半經(jīng)驗(yàn)近似方法，在這個(gè)有效路徑上假設(shè)降雨率不變。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)被廣泛使用的衰減模型：Crane模型、簡(jiǎn)單衰減模型(SAM)、DissanayakeHaidaraAll-nutt(DAH)模型：講述。以及幾個(gè)由CCIR和ITU-R發(fā)布的模型。路徑衰減A由下式給出：2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)單位衰減與降雨率R之間的關(guān)系R的下標(biāo)0.01表示一般年份0.01%的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的降雨率，0.01%是大多數(shù)模型的一個(gè)典型的輸入時(shí)間百分比；參數(shù)k和a隨頻率而定。降雨率：雨下落的速率是影響衛(wèi)星鏈路設(shè)計(jì)最重要的因素；由一個(gè)累積概率分布或累積分布函數(shù)(cdf)來描述：通常指超過率曲線給出降雨率超過某一給定值（通常是一年）的時(shí)間百分比；每年趨勢(shì)相似，但具體衰減變化很大；在ITU站點(diǎn)上定期更新。不精確可以用如下多年測(cè)得的平均值作為長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料：降雨氣候圖；超過率等值圖。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)降雨衰減和去極化的發(fā)生：雨點(diǎn)將入射的能量吸收一部分，同時(shí)散射一部分。其中Dm為雨點(diǎn)直徑中值，N(D)dD為每立方米中直徑在D與D+dDmm間的雨點(diǎn)數(shù)。降雨率R：與N(D)、以米每秒為單位的雨點(diǎn)下落終端速度V(D)和雨點(diǎn)直徑D有如下關(guān)系：雨點(diǎn)尺寸分布的數(shù)學(xué)描述：2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)雨衰預(yù)測(cè)在已有某地長(zhǎng)期衰減數(shù)據(jù)的前提下：將測(cè)量結(jié)果按比例換算到另一頻率或仰角，將比從降雨率數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)新的頻率或仰角上的路徑衰減要更準(zhǔn)確一些經(jīng)驗(yàn)法則余割法則：假設(shè)降雨率不變且地球是平的，則以分貝為單位的路徑衰減與仰角有一個(gè)比例關(guān)系；平方變化率法則：在約10GHz~50GHz之間，單位為分貝的衰減隨頻率的平方成比例變化。余割csc(θ)=1/sin(θ)2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)余割法則：（仰角小于10o這個(gè)法則不成立）從同一地點(diǎn)出發(fā)，在相同頻率上仰角E1和E2方向上的衰減（以分貝為單位）有如下近似關(guān)系：平方頻率變化法則假設(shè)同一條路徑上在f1

GHz和f2GHz頻率上測(cè)得的衰減為A(f1)和A(f2)則它們有如下近似關(guān)系：這個(gè)公式建立起了長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值之間的聯(lián)系，它不能用于鏈路上的短期頻率變化或是靠近任何共振吸收線的頻率。ITU-R雨衰長(zhǎng)期頻率變化2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)去極化:例如由于雨和冰晶引起所有信號(hào)都有一個(gè)由信號(hào)電場(chǎng)矢量所定義的極化取向。一般來說，信號(hào)永遠(yuǎn)不會(huì)被完全極化；成功的正交極化頻率共用要求兩個(gè)正交極化狀態(tài)之間有足夠的隔離區(qū)，以便在接收天線處分離有用極化（共極化信號(hào)）和無用極化（交叉極化信號(hào)）成為可能。左側(cè)喇叭天線的取向使得電矢量被垂直極化右側(cè)喇叭天線的取向使得電矢量被水平極化去極化引起的衰減：電磁波與大氣中的各自組成成分間的相互作用包括自由電子、離子、中性原子、分子和水汽凝結(jié)體去極化：能量從有用信道（即共極化）到無用信道（即交叉極化）信道的轉(zhuǎn)移降雨也是引起去極化的一個(gè)主要原因。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)V：垂直極化H：水平極化V極化和H極化的發(fā)射電場(chǎng)矢量的復(fù)矢量振幅分別為a和b，且a和b相等。晴天：矢量a、b分別在接收天線處引起振幅為ac和bc的共極化波；傳輸媒質(zhì)中存在著非對(duì)稱雨或冰晶微粒：矢量a、b中的有些能量將會(huì)耦合到交叉極化分量場(chǎng)上，在接收天線處引起振幅為ax和bx的交叉極化波。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)去極化由于傳播路徑中存在著非對(duì)稱微粒(例如扁圓的大雨滴)，一個(gè)極化信號(hào)中的部分能量可能會(huì)“跨越”到另一個(gè)極化信號(hào)；這種交叉能量的產(chǎn)生稱為去極化，它能夠在兩個(gè)相互正交的信號(hào)間引起干擾。去極化的度量交叉極化隔離，即XPI(Cross-PolarizationIsolation):XPIV=ac/bx

orXPIV=20lg|ac/bx|dBXPIH=bc/ax

orXPIH=20lg|bc/ax|dB交叉極化分辨力，即XPD(Cross-PolarizationDiscrimination):XPDV=ac/ax

orXPIV=20lg|ac/ax|dBXPDH=bc/bx

orXPIH=20lg|bc/bx|dB2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)有關(guān)冰晶去極化在高仰角和10GHz以下頻率上，冰晶去極化是很少出現(xiàn)的現(xiàn)象。在低仰角路徑，特別是高于30GHz的頻率上，冰晶去極化是非常重要的影響。雨對(duì)天線噪聲的影響在約50GHz以下的頻率上，降雨衰減主要是由吸收引起的。任何物理溫度大于熱力學(xué)零度的吸收體都將表現(xiàn)為一個(gè)黑體輻射體。當(dāng)雨滴下落穿過天線波束時(shí)，它們各向同性輻射的部分熱能將會(huì)被接收機(jī)檢測(cè)到降雨不僅引起信號(hào)衰減和去極化，而且還將引起天空溫度的升高，這又將會(huì)增大系統(tǒng)的總噪聲溫度，導(dǎo)致雨中載噪比有所下降。噪聲溫度升高值：其中A（dB）為降雨衰減，而280K是降雨媒質(zhì)一個(gè)單位為K的有效溫度，273-290K間的值都可用，取決于是寒帶或是熱帶氣候。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)大氣吸收在微波頻率及其以上，電磁波會(huì)與大氣中的分子相互作用從而造成信號(hào)衰減；共振吸收峰：在某些頻率上，會(huì)發(fā)生共振吸收并且可能導(dǎo)致嚴(yán)重的衰減。

2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)云層衰減云對(duì)于某些Ka頻段路徑和所有V頻段系統(tǒng)來說，都是一個(gè)重要的因素；對(duì)云層衰減進(jìn)行建模的困難在于云有許多種類并且可能存在于許多層上，每一種類都有著一個(gè)不同的出現(xiàn)頻率；對(duì)充水云而言：溫帶緯度范圍內(nèi)仰角接近30o的路徑上于30GHz頻率附近的云層衰減的典型值在1dB~2dB之間；在更溫暖的氣候里，這里的云層通常更厚，出現(xiàn)的概率比溫帶緯度內(nèi)的更大，云層衰減預(yù)計(jì)也會(huì)更大；同大多數(shù)傳播效應(yīng)一樣，路徑的仰角越低，云層衰減也就越大。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)對(duì)流層閃爍來自太陽的能量使地球表面溫度升高，氣體發(fā)生對(duì)流活動(dòng)，這導(dǎo)致地球附近大氣的不同部分紊流混合，引起折射率的小尺度變化。當(dāng)信號(hào)遇到紊流大氣時(shí)，沿該路徑的折射率的快速變化會(huì)使接收信號(hào)電平在一個(gè)恒定值附近波動(dòng)，稱為閃爍。因?yàn)榇蠖鄶?shù)波動(dòng)都產(chǎn)生于距地球表面4km以內(nèi)，所以稱為對(duì)流層閃爍。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)低角度衰落當(dāng)路徑仰角降到低于10o時(shí)，另一種傳播效應(yīng)就會(huì)變得明顯：低角度衰落；低角度衰落與陸上通信路徑中的多徑衰落現(xiàn)象近似。從衛(wèi)星傳送來的一個(gè)信號(hào)會(huì)經(jīng)過不同路徑并以不同相移到達(dá)地面站接收天線。在合并時(shí)，合成波形可能會(huì)自一般晴天時(shí)的水平增強(qiáng)或減弱；低角度衰落的機(jī)理已經(jīng)被解釋為大氣多徑，而形成多徑的機(jī)理是一種折射，而不是在大氣層分界線處的反射；對(duì)于衛(wèi)星通信路徑來說，當(dāng)其仰角大于10o時(shí)，一般不考慮低角度衰落。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)法拉第旋轉(zhuǎn)：兩種特征極化態(tài)：水平（H）和垂直（V)當(dāng)一個(gè)線性極化的衛(wèi)星路徑信號(hào)到達(dá)電離層時(shí)，它會(huì)激勵(lì)具有兩種特征極化態(tài)的波。當(dāng)它們離開電離層時(shí)，它們的相對(duì)相位與進(jìn)來時(shí)已經(jīng)不同；離開電離層的波具有一個(gè)與被發(fā)射線性（LP）波不同的極化態(tài)，稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。它的影響本質(zhì)上是給發(fā)射的LP波的場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度電離層：是地球大氣中含有大量電子和離子的部分從距地面40千米延伸到600千米以上對(duì)大多數(shù)通信衛(wèi)星所使用頻率的影響較小。2傳播效應(yīng)——與水汽凝結(jié)無關(guān)總電子含量（TEC）1m2中的垂直柱體中的電子總數(shù)來自太陽的能量使電離層在白天里不斷地“生長(zhǎng)”，同時(shí)使總電子含量（TEC）以尺寸的二次方或更高次的幅度增長(zhǎng)；電離層閃爍：TEC從日間到夜間值的快速變化會(huì)引起電離層中的不規(guī)則性。進(jìn)而造成信號(hào)幅度和相位的快速變化，即信號(hào)快速波動(dòng)，稱為電離層閃爍；電離層閃爍的大小隨著一天中的時(shí)間，一年中的月份以及11年的太陽黑子周期中的年份變化。3衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)信道模型C.Loo信道模型表示直射波信號(hào)表示純多徑信號(hào)表示陰影衰落系數(shù)Corazza模型Lutz信道模型和M狀態(tài)信道模型Suzuki過程是一個(gè)瑞利過程和一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)過程的乘積過程。4系統(tǒng)噪聲溫度噪聲功率噪聲功率譜kTs：?jiǎn)挝粸閃/Hz當(dāng)頻率為300GHz以下時(shí)，不隨頻率值變化而變化噪聲溫度Ts：用來確定接收系統(tǒng)中有源和無源器件產(chǎn)生的噪聲大小或-228.6dBW/（K·Hz）4系統(tǒng)噪聲溫度等效噪聲溫度：將元器件等效為一個(gè)等效噪聲溫度為Ts的黑體輻射體降低噪聲功率的方法調(diào)整中頻放大器的級(jí)數(shù)，使帶寬降低到信號(hào)恰能無阻通過噪聲溫度會(huì)隨頻率的增加而增加物理溫度與噪聲溫度的區(qū)別4系統(tǒng)噪聲溫度確定系統(tǒng)的熱噪聲總功率和待解調(diào)信號(hào)功率之比，假設(shè)：Ts：位于無噪聲接收機(jī)輸入端的噪聲溫度Bn：帶寬Gr：接收機(jī)RF輸入端到解調(diào)器輸入端的增益接收機(jī)輸入端的噪聲功率：解調(diào)器輸入端的噪聲功率：解調(diào)器輸入端的載噪比：C/N在天線輸出端就可以計(jì)算了！利用單一參數(shù)表示接收端所有噪聲源：?jiǎn)蝹€(gè)噪聲溫度4系統(tǒng)噪聲溫度放大器的噪聲溫度噪聲系數(shù)單放大器噪聲溫度噪聲系數(shù)與噪聲溫度間關(guān)系4系統(tǒng)噪聲溫度級(jí)聯(lián)放大器噪聲溫度噪聲系數(shù)：兩個(gè)情況：多個(gè)情況：4系統(tǒng)噪聲溫度描述噪聲經(jīng)過有損介質(zhì)到達(dá)接收機(jī)的情況波導(dǎo)和降雨衰減＋輻射噪聲噪聲功率和輻射強(qiáng)度有關(guān)有損器件的噪聲模型4系統(tǒng)噪聲溫度無源器件的噪聲溫度輸入端的噪聲輸出端的噪聲增益為G器件或物質(zhì)溫度為T0（熱力學(xué)溫度）有損器件的噪聲模型4系統(tǒng)噪聲溫度接收系統(tǒng)品質(zhì)因素接收系統(tǒng)的品質(zhì)因素是用來衡量接收系統(tǒng)性能的指標(biāo)，其中G指接收定向天線相對(duì)于全向天線獲得的增益，T是接收到的外部噪聲以及天線噪聲加在一起的等效噪聲溫度。鏈路方程利用G/T來表示衛(wèi)星或地面站性能的提高，即提高C/N載波功率與等效噪聲功率譜密度的比值關(guān)系5鏈路預(yù)算鏈路預(yù)算：通過查表估計(jì)無線鏈路中接收功率和噪聲功率采用dB的表示形式；加減運(yùn)算反復(fù)過程考慮鏈路最差的情況：C/N最小地面站位于衛(wèi)星距離最遠(yuǎn)地面站仰角很低：大氣衰減大最大雨衰5鏈路預(yù)算——模擬衛(wèi)星上行鏈路預(yù)算（1）衛(wèi)星飽和功率通量密度（2）衛(wèi)星輸入補(bǔ)償后的EIRP（3）地球站高功放功放與天線間損耗5鏈路預(yù)算——模擬衛(wèi)星下行鏈路預(yù)算（1）輸出補(bǔ)償（2）衛(wèi)星TWTA的輸出5鏈路預(yù)算——數(shù)字衛(wèi)星誤碼率C/N門限余量5鏈路預(yù)算——完整鏈路預(yù)算基帶信號(hào)的BER或S/N－《位于IF放大器中的C/N》IF放大器中的噪聲：接收機(jī)熱噪聲大氣輻射和降雨產(chǎn)生的噪聲接收機(jī)本身接收天線衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同頻段其他衛(wèi)星和地面發(fā)射機(jī)總載干比：將C/N和C/I相加的方法（結(jié)果與基準(zhǔn)電路法相同）5鏈路預(yù)算——完整鏈路預(yù)算總載噪比最優(yōu)輸入功率5鏈路預(yù)算——完整鏈路預(yù)算地面站接收機(jī)的(C/N)D為15dB，來自彎管轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)的(C/N)U＝15dB。地面站處的總載噪比(C/N)0是多少？若轉(zhuǎn)發(fā)器引入了交調(diào)干擾，即