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第 三 章 链 路 传 输 工 程 3.1 星 -地 链 路 传 输 特 性传 播 损 耗 ： 自 由 空 间 传 播 损 耗 大 气 、 雨 、 云 、 雪 、 雾 等 造 成 的 吸 收 和 散 射 损耗 卫 星 移 动 通 信 系 统 还 会 因 为 受 到 某 种 阴 影 遮 蔽(例 如 树 木 、 建 筑 物 的 遮 挡 等 )而 增 加 额 外 的 损耗 3.1.1 自 由 空 间 传 播 损 耗 自 由 空 间 电 波 传 播 是 无 线 电 波 最 基 本 、 最 简 单的 传 播 方 式 。 若 以 dB为 单 位 ， 则 Lf可 以 表 示 为 ： Lf=92.44+20lgd+20lgf 其 中 ， d的 单 位 为 km， f的 单 位 为 GHz。下 面 两 图 分 别 给 出 了 自 由 空 间 传 播 损 耗 与 传 播路 径 长 度 的 关 系 图 和 距 离 为 36000 km时 自 由 空间 传 播 损 耗 随 频 率 变 化 的 关 系 曲 线 。 例 题 卫 星 和 地 面 站 之 间 的 距 离 为 42,000km。 计 算6GHz时 的 自 由 空 间 损 耗 ： 解 ： 由 书 上 公 式 （ 3 8） ， FSL=(92.4+20log42000+20log6)=200.4dB 3.1.2 链 路 附 加 损 耗 大 气 吸 收 损 耗 雨 衰 折 射 、 散 射 与 反 射 、 电 离 层 闪 烁 与 多 径 等 引 起的 附 加 损 耗 。 链 路 附 加 损 耗 大 气 分 层 地 球 大 气 层 的 结 构 对 流 层 ： 地 面 上 0 10 km 平 流 层 ： 约 10 60 km 电 离 层 ： 约 60 400 km 地 面对 流 层平 流 层电 离 层10 km60 km 0 km 1. 大 气 吸 收 损 耗 在 大 气 各 种 气 体 中 ， 氧 气 、 水 蒸 汽 对 电 波 的 吸收 衰 减 起 主 要 作 用 ， 水 蒸 汽 的 第 一 吸 收 峰 在22 3GHz， 氧 气 在 60GHz(50 70GHz间 )。 对非 常 低 的 水 蒸 汽 密 度 ， 衰 减 可 假 定 与 水 蒸 汽 密度 成 正 比 。 在 0.3l0GHz的 频 段 ，大 气 损 耗 小 ， 适 合 于 电波 传 播 ， 这 一 频 段 是 当前 应 用 最 多 的 频 段 。30GHz附 近 也 有 一 个 低损 耗 区 。 2.雨 衰 产 生 ： 雨 滴 的 吸 收 和 散 射 。 影 响 ： 雨 滴 会 吸 收 入 射 电 波 的 一 部 分 电 能 ，转 换 为 热 能 消 耗 掉 ， 同 时 又 把 部 分 电 波 能量 散 射 到 周 围 空 间 ， 即 雨 滴 变 成 了 二 次 辐射 源 。 雨 衰 的 产 生 及 影 响 2 不 同 波 段 信 号 受 雨 衰 的 影 响 雨 衰 的 大 小 取 决 于 雨 滴 直 径 和 电 磁 波 的 波 长 当 其 波 长 远 大 于 雨 滴 的 直 径 时 ， 降 雨 衰 减 差 不 多是 由 吸 收 引 起 的 ， 而 当 雨 滴 直 径 增 加 或 者 波 长 较短 时 ， 散 射 引 起 的 衰 减 较 大 。 仰 角 为 的 传 播 路 径 上 的 降 雨 衰 减 量 为 ：LR=RlR() R是 降 雨 衰 减 系 数 ， 定 义 为 由 雨 滴 引 起 的 单 位长 度 上 的 衰 减 ， 单 位 dB km。 lR()是 降 雨 地 区 的 等 效 路 径 长 度 。3 降 雨 衰 减 量 计 算 3.大 气 折 射 的 影 响 在 大 气 层 中 ， 离 地 球 表 面 越 高 ， 空 气 密 度 越 低 ， 对 电波 的 折 射 率 也 随 之 减 小 ， 使 电 磁 波 在 大 气 层 中 的 传 播 路 径出 现 弯 曲 。 4.电 离 层 、 对 流 层 闪 烁 电 离 层 、 对 流 层 中 电 子 密 度 的 随 机 不 均 匀 性 ， 造 成 了穿 越 其 中 的 电 波 的 散 射 。 5 多 径 地 面 或 环 境 设 施 (包 括 建 筑 物 和 树 木 等 )对信 号 的 反 射 ， 可 形 成 多 径 传 播 。 对 于 天 线高 度 低 、 增 益 小 的 移 动 终 端 更 容 易 出 现 这样 的 情 况 ， 如 图 3-6所 示 。 信 号 通 过 多 径 信 道 到 达 接 收 端 时 ， 由 于 不 同路 径 的 信 号 延 时 不 一 样 ， 接 收 端 多 径 信 号 可能 同 相 叠 加 ， 合 成 信 号 增 强 ； 也 可 能 各 多 径信 号 反 相 抵 消 ， 合 成 信 号 被 减 弱 ， 从 而 形 成信 号 的 衰 落 。 3.2 卫 星 移 动 通 信 链 路 特 性 向 用 户 提 供 优 质 可 靠 的 移 动 通 信 服 务调 制 方 式 、 多 址 访 问 方 式 、 编 码 方 式信 道 传 播 特 性 1.Rician传 播 模 型 接 收 信 号 由 建 筑 物 、 树 木 或 其 它 反 射 物 形 成 的反 射 波 构 成 的 多 径 信 号 分 量 与 直 射 波 信 号 分 量合 成 。包 络 r(t)服 从 分 布 ， 相 位 服 从的 均 匀 分 布 ， r(t)可 表 示 为Rician )()2exp()( 202 222 zrIzrrrfr 概 率 密 度 函 数 曲 线 (z =1, = 2.4) )()2exp()( 202 222 zrIzrrrfr r-接 收 信 号 的 包 络z-直 射 波 信 号 的 幅 度2-平 均 多 径 功 率 -是 第 一 类 零 阶 修 正 贝 塞 尔 函数 )(0 xI 2.Rayleigh传 播 模 型 Rayleigh密 度 是 Rician分 布 的 特 殊 情 况 ， 即 当 没 有 直 射分 量 (z 0)时 ， 接 收 信 号 全 部 由 多 径 信 号 组 成 ， 其 信 号包 络 r的 概 率 密 度 函 数 为 ： )2exp()( 222 rrrfr 式 中 ， 是 平 均 多 径 功 率 。 2 )2exp()( 222 rrrfr 瑞 利 分 布 的 概 率 密 度 信 号 包 络 低 于 的 概 率 为 39.01)( 210 edrrp 3.lognormal传 播 模 型 卫 星 与 地 面 站 之 间 的 直 射 信 号 被 路 边 的 树 木 或其 它 障 碍 物 吸 收 或 散 射 掉 时 ， 阴 影 效 应 出 现 。此 时 的 信 号 包 络 r由 于 阴 影 而 成 为 lognormal的 。 概 率 密 度 函 数 曲 线 （ ）1.0,5.10 d 2 )(lnexp21)( 0 20 drdrrfr 其 中 ， 和 分 别 是 的 均值 和 方 差 。 rln 0d 1. 天 线 方 向 图 ： 描 述 天 线 在 整 个 空 间 内 辐 射功 率 的 分 布 情 况 。方 向 图 通 常 都 有 两 个 或 多 个 瓣 ， 其 中 辐 射 强度 最 大 的 瓣 称 为 主 瓣 ， 其 余 的 瓣 称 为 副 瓣 或旁 瓣 。 3.3 天 线 的 方 向 性 和 电 极 化 问 题 天 线 方 向 图 的 主 要 参 数 : 主 瓣 的 半 功 率 角 （ 波 束 宽 度 ）在 主 瓣 最 大 辐 射 方 向 两侧 ， 辐 射 强 度 降 低 3 dB（ 功 率 密 度 降 低 一 半 ）的 两 点 间 的 夹 角 。 波 束 宽 度 越 窄 ， 方 向 性 越 好 ， 作 用 距 离越 远 ， 抗 干 扰 能 力 越 强 。 D 705.0 通 过 副 瓣 发 送 的 某 些 功 率 ， 可 能 对 其 他 无 线 电系 统 形 成 干 扰 ； 反 之 ， 它 本 身 也 可 能 接 收 到 由其 他 站 发 出 、 通 过 副 瓣 进 来 的 干 扰 信 号 。注 意 喇 叭 天 线 （ horn） 3.4 噪 声 干 扰 卫 星 通 信 系 统 涉 及 空 间 段 和 地 面 段 ， 存 在 有 各种 各 样 的 噪 声 和 干 扰 ， 主 要 包 括 系 统 热 噪 声 、宇 宙 噪 声 和 外 部 环 境 干 扰 等 。 3.4.1 系 统 热 噪 声 热 噪 声 通 信 系 统 中 使 用 的 所 有 有 源 器 件 都 会 产 生 热 噪声 。 只 要 传 导 媒 质 不 处 于 热 力 学 温 度 的 零 度 ，其 中 的 带 电 粒 子 就 存 在 随 机 运 动 ， 产 生 对 信 号形 成 干 扰 的 噪 声 ， 称 为 热 噪 声 。 噪 声 的 大 小 以功 率 谱 密 度 n0来 量 度 ， 它 与 温 度 有 关 ： 其 中 ： k为 波 尔 兹 曼 常 数 （ 1.38054 10 23”焦 耳 K） ， 计 算 中 常 取 为 -228 6dBWKHz； T为 噪 声 源 的 噪 声 温 度 。 注 意 ： 噪 声 的 功 率 谱 密 度 与 频 率 无 关 ， 为 白 噪声 。 kTn 0 3.4.2 宇 宙 噪 声 宇 宙 噪 声 源 自 外 层 空 间 ， 是 由 恒 星 和 星 际 物质 的 热 气 体 辐 射 的 。太 阳 对 于 低 轨 道 卫 星 移 动 通 信 系 统 ， 星 座 的 运 行 可使 太 阳 处 于 某 些 星 际 链 路 的 延 长 线 上 ， 此 时 太阳 在 某 卫 星 天 线 的 前 向 视 角 内 ， 其 干 扰 将 阻 塞该 链 路 ， 甚 至 对 灵 敏 的 光 接 收 机 前 端 造 成 物 理性 损 害 ， 若 空 间 网 某 些 链 路 被 阻 塞 ， 将 影 响 空中 网 的 路 由 选 择 。 卫 星 通 信 网 的 连 接 拓 扑 3.4.3 外 部 环 境 干 扰 外 部 环 境 干 扰 主 要 包 括 大 气 噪 声 、 降 雨 噪 声 、地 面 噪 声 。 3.4.3 其 他 干 扰 卫 星 通 信 系 统 的 其 他 干 扰 主 要 包 括 ： 系 统 间 干扰 、 共 道 干 扰 、 互 调 干 扰 、 交 叉 极 化 干 扰 等 。 图 3-8示 出 了 典 型 的 在 卫 星 天 线 方 向 上 与 共 用 频段 的 地 面 微 波 系 统 之 间 产 生 干 扰 的 情 况 。 为 了避 免 系 统 间 的 严 重 干 扰 ， 国 际 电 联 对 卫 星 发 射功 率 、 天 线 的 方 向 性 、 工 作 条 件 等 作 出 了 相 应的 规 定 。 (系 统 间 干 扰 1) 不 同 卫 星 系 统 地 球 站 之 间 的 干 扰 和 相 邻 卫 星 之间 的 干 扰 也 可 能 出 现 。 为 此 ， 在 天 线 旁 瓣 的 抑制 、 指 向 精 度 的 控 制 ， 地 球 站 的 选 址 和 站 间 距离 、 卫 星 位 置 精 度 保 持 等 方 面 也 有 相 应 的 限 制 。(系 统 间 干 扰 2) 为 了 充 分 利 用 频 率 资 源 ， 提 高 系 统 得 频 率 再 利用 率 ， 相 同 频 道 可 能 分 配 在 指 向 不 同 地 区 的 两个 波 束 覆 盖 区 ， 或 利 用 相 互 正 交 的 极 化 方 式 来隔 离 同 频 信 道 。 (共 道 干 扰 ) 当 转 发 器 用 于 转 发 多 载 波 信 号 时 ， 互 调 干 扰 是需 要 考 虑 的 问 题 。 由 于 总 是 希 望 星 载 转 发 器 有较 高 的 功 率 效 率 ， 但 高 效 率 的 功 放 可 能 产 生 较明 显 的 非 线 性 ， 使 各 载 波 信 道 的 信 号 之 间 形 成互 调 干 扰 。 互 调 干 扰 是 由 传 输 信 道 中 的 非 线 性 电 路 产 生 的 。例 如 ， 当 两 个 或 多 个 不 同 频 率 的 信 号 同 时 输 入 到非 线 性 电 路 时 ， 由 于 非 线 性 器 件 的 作 用 ， 会 产 生许 多 谐 波 和 组 合 频 率 分 量 ， 其 中 与 所 需 信 号 频 率。 相 接 近 的 组 合 频 率 分 量 会 顺 利 地 通 过 接 收 机而 形 成 干 扰 ， 这 就 是 互 调 干 扰 。 332210 uauauaaic 0022 AB BA