第3章链路传输工程资料课件

1第3章 链路传输工程2目录一、星-地链路传播特性二、卫星移动通信链路特性三、天线的方向性和电极化问题四、噪声与干扰五、卫星通信全链路质量六、信道对传输信号的损害七、上、下行链路的RF干扰3链路传播特性链路传播特性u星际链路：只考虑自由空间传播损耗u星-地链路：由自由空间传播损耗和近 地大气的各种影响所确定4 卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。热层（热电离层）（Thermosphere）80-500 km中间层（Mesosphere）50-80 km 平流层（Stratosphere）16-50 km对流层（Troposphere）7-16 km 外逸层（外逸层（Exosphere）500-64,374 km5传播问题物理原因主要影响衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大约10GHz以上频率信号去极化雨、冰结晶体C和Ku频段的双极化系统折射和大气多径大气气体低仰角跟踪和通信信号闪烁对流层和电离层折射扰动对流层：低仰角和10GHz 以上频率电离层：10GHz以下频率反射多径和阻塞地球表面及表面上物体卫星移动业务传播延迟、变化对流层和电离层精确的定时、定位卫星通信系统的传播问题卫星通信系统的传播问题6卫星通信系统的主要技术参数等效全向辐射功率（EIRP）定义：地球站或卫星的天线发射功率P与该天线增益G的乘积。表明了定向天线 在最大辐射方向实际所辐射的功率。EIRP=PG，或 EIRP(dBW)=P(dBW)+G(dB)噪声温度（Te）定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度（Te）与噪声系数(NF）的关系为：NF=10lg(1+Te/290)dB品质因素（G/Te）定义：天线增益与噪声温度的比值。G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)73.2 星-地链路传播特性 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。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，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。83.2 星-地链路传播特性l自由空间传播损耗自由空间传播损耗 电波在传播过程中，能量随距离的增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗自由空间传播损耗。自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。自由空间是一个理想化的概念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。9图图3-1 以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量距离较近的天线可以接收到更大的功率，离发射机越远的相同面距离较近的天线可以接收到更大的功率，离发射机越远的相同面积接收机天线可以接收到的信号功率越小。积接收机天线可以接收到的信号功率越小。10图图3-1 以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量11天线增益的计算公式天线增益的计算公式 卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算：(3-3)式中，A是天线口面的有效面积(m2)，是工作波长（m），为天线效率，Ae为接收天线有效面积。其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。(3-3)式作变换，则12l例一 计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的增益。（天线效率为0.55）解：根据13l例:某地球站使用5m的天线，工作频率为12GHz，天线噪声温度为100K，接收机前端噪声温度为120K，试计算G/T值（天线与接收机之间的馈线损耗忽略，天线效率为0.55）解：根据14自由空间传播损耗计算公式自由空间传播损耗计算公式电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率为：其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；Lf为自由 空间传播损耗。d为传播距离，为工作波长，C为光速，f为工作频率。Lf通常用分贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为15图图3-2 3-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系自由空间损耗与传播路径长度的关系16l例二 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：根据公式（3-8），Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)17图3-3 卫星与地球站的几何关系18图图3-4 3-4 静止卫星与地球站的通信距离关系曲线静止卫星与地球站的通信距离关系曲线19例：若静止卫星定位于E90o，求位于E110o，N40o的地球站对卫星的仰角、信号传播距离。若射频频率为6GHz，计算链路的自由空间传播损耗。解：203.2.2 链路附加损耗 星地链路传播损耗除自由空间传播损耗外，还有一些其他附加损耗，包括l大气吸收损耗l雨衰和云雾的影响l大气折射的影响l电离层闪烁和多径211.1.大气吸收损耗大气吸收损耗 在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22GHz，氧气在60GHz。总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。在0.3-l0GHz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。大气吸收附加损耗与频率的关系大气吸收附加损耗与频率的关系22链路附加损耗 2、雨衰和云雾的影响、雨衰和云雾的影响 在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。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dBkm；lR()是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dBkm)，单位为km。23图图3-6 不同仰角时的雨衰频率特性不同仰角时的雨衰频率特性24云、雾引起的损耗可用下式计算：其中f为频率，单位为GHz；Vm为能见度，单位为m。密雾：Vm50m浓雾：50Vm200m中等雾：200Vm500m雪引起的附加损耗可用下式计算：其中f为频率，单位为GHz；I为降雪强度，单位为mm/H。15GHz下，只有中等强度以上的雪才有影响。25链路附加损耗3、大气折射的影响 大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5度时，散焦衰减小于0.2dB。26图图3-7 微波信号通过大气层时产生折射微波信号通过大气层时产生折射主要影响卫星定位主要影响卫星定位27链路附加损耗4、电离层闪烁和多径 电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。28电离层闪烁形成多径传播电离层闪烁形成多径传播29图图3-8 3-8 地面反射形成的多径传播地面反射形成的多径传播 5、多径传播 地面或环境设施对信号的反射，可形成信号的多径传播。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。30 5、多径传播l多径衰落：电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏大，称为多径衰落。l阴影衰落：电波途经建筑物、树木等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地卫星移动通信系统的电波传播影响很大。31 3.3 卫星移动通信链路特性 衰落信道模型Rician（莱斯）概率密度函数由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号，与直射波信号合成，其信号包络r(t)服从Rician分布，相位服从0,2的均匀分布，r(t)可以表示为：其中 和 为相互正交的高斯过程，而参数K称为莱斯因子，它是直射分量的功率与其他多径分量功率之和的比值。32多普勒频移l在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相对运动，因而它们作为发射机或接收机的载体，接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频移fD可由下式表示其中，V为卫星与用户的相对运动速度，fc为射频频率，C为光速，为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹角。333.4 天线的方向性和电极化问题l天线增益和方向图 在卫星通信系统中，通常要求天线具有向特定方向辐射信号的能力，即天线具有方向性。将天线在最大辐射方向上的场强E与理想的各向同性天线均匀辐射场强E0的比值，以功率密度计的倍数称为天线的增益G：对于接收天线，增益表示天线接收来自某一指定方向电磁波的能力。此时增益为天线的有效接收面积A与理想的各向同性天线的接收面积A0的比值：343.4 天线的方向性和电极化问题l天线增益和方向图 天线增益通常是指最大辐射方向上信号功率增加的倍数，天线方向图可以描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况。方向图的主要参数是主瓣的半功率角0.5（单位为度），常称为波束宽度，对于抛物面天线，其近似估算公式为 其中，D为抛物面天线的口面直径，单位为m；N是一个与场分布图在天线口面上的分布规律有关的常数。当场在天线口面上呈均匀分布时，N=58；当场在天线口面上呈锥形分布时，N=70。锥形分布是指场分布图在天线口面上从中心向四周逐渐减弱的分布，即口面中心的场强最强，而边缘的场强最弱。35 为以主瓣中心轴线为参考的方向角；而J1()为第一类一阶贝塞尔函数。对于同相均匀激励的圆口径天线来说，方向图可用下式表示36l天线的极化隔离 一般情况下，在一个周期内电场矢量的顶点在垂直于传播方向的平面上的投影为一个椭圆，称为椭圆极化。从天线顺着电波传播方向看，若电场矢量顺时针旋转，称为右旋，若逆时针旋转，称为左旋。对于一个椭圆极化波，可以用三个参数来描述它：(1)旋转方向，（2）轴比，（3）倾角（长轴相对于基轴的倾角）。圆极化和线极化是椭圆极化的两种特例：轴比为1的极化为圆极化，而轴比为无限大的极化为线极化。任何一种极化方式，极化波矢量都可以分解为相互正交的两个分量。对于圆极化波，分解为左旋和右旋两个极化波矢量；对于线极化波，分解为水平极化和垂直极化两个分量。37图图3-13 由馈源喇叭形成的垂直和水平极化波由馈源喇叭形成的垂直和水平极化波电波传播方向电波传播方向38 理论上两个正交极化波是完全隔离的，一个天线可以配置两个接收或发送端口。每个端口只与一个极化波匹配，而与另一个极化波正交。393.5 噪声与干扰系统热噪声宇宙噪声外部环境干扰其他干扰40系统热噪声l系统热噪声 热噪声：只要传导媒质不处于绝对温度的零度，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。噪声功率谱密度n0：其中，k为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为噪声源的噪声温度，单位为K。噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪声。的单位为W/Hz 网络输出噪声功率N0：其中，T0是输入匹配电阻的噪声温度，Te称为网络的等效噪声温度，A为网络增益，B为网络的带宽。41l等效噪声温度与噪声系数l天线噪声温度：天线噪声温度是衡量通过天线进入接收机的噪声量的一个指标，通过对所有来自外部噪声源的噪声分量进行积分求得。l噪声温度：随着损耗的增加，辐射噪声也相应增加。大气对地球站天线噪声温度的影响可以用下式计算：其中，Ts为天线接收到的天电噪声温度（K）；Tm为传播媒质的有效温度（K）；L为路径损耗（dB）。l噪声系数NF：定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。网络的等效噪声温度Te可以表示为：42宇宙噪声宇宙噪声来自于外层空间星体的热气体在星际空间的辐射，其中最主要的噪声干扰源来自太阳。43频率（MHz）噪声温度（oK）3007*1056004.6*10510003.6*10530006.5*104100001.1*104太阳寂静期的噪声温度（天线增益太阳寂静期的噪声温度（天线增益53dB53dB）44其他干扰 卫星通信系统内的其他噪声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。l系统间干扰：如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰l共道干扰：为了充分利用频率资源，常采用空间频率复用技术，相同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区，但波束间的隔离往往并不十分理想，从而产生共信道干扰。l交叉极化干扰：为了充分利用频率资源，卫星通信系统常采用极化隔离频率复用技术，即两个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同的频率，通过使用不同的极化方式来实现信号间的隔离。由于极化的不完全正交可能造成干扰，即能量从一种极化状态耦合到另一种极化状态引起的干扰。这也是一种共道干扰。l互调干扰：当转发器用于转发多载波信号时，总是希望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，使各载波信号之间形成互调干扰。45五、卫星通信的全链路质量l链路预算分析l全链路传输质量46链路预算分析图图3-15 链路单元与功率平衡方程链路单元与功率平衡方程47 电波经自由空间传播后的接收信号功率Pr:若考虑发射机到发射天线的波导传播损耗（馈线）Lt和接收天线到接收机的波导传播损耗Lr，则接收信号功率为：(3-28)式称为功率平衡方程。48接收机的输入噪声功率可以表示为：T为接收系统的等效噪声温度，它包括从天线进入接收机的噪声的等效噪声温度和接收机内部噪声折算至其输入端的等效噪声温度；k为波耳兹曼常数，；B为系统的带宽，单位Hz。接收信号的载噪比C/N为：其中，C为接收载波功率，N表示接收端的噪声功率，C=(EIRPG)/LfLtLr,N=KBT,G为接收天线增益。49除载噪比C/N作为系统的重要参数以外，也常用载波功率与等效噪声温度之比C/T反映系统的性能。其中，C=(EIRPG)/L，L=LfLtLr,G/T为接收系统的品质因素。不同类型的卫星通信系统，对G/T的要求有较大差异。例如，国际卫星七号（IS-）的工作于全球波束的空间站G/T值为-11.5dB/K，而天线仰角大于5度的A型标准地球站，在晴天的G/T值应满足：G/T40.7+20lg(f/4)。欧洲通信卫星（EUTELSAT）是区域性波束覆盖，空间站G/T值为-5.3dB/K，而对地球站G/T的要求为37.7 dB/K+20lgf/4。卫星移动通信的地面移动终端天线增益通常只有12dB，G/T在-22-23 dB/K左右。品质因素：天线增益与噪声温度的比值50接收系统的等效噪声温度图图3-16 接收系统噪声温度接收系统噪声温度51 “接收系统的等效噪声温度”包括天线、馈线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温度。以接收机输入端为参考点，将天线、馈线的噪声温度折算到接收机输入端，并与接收机的等效噪声温度相加。52全链路传输质量卫星通信系统全链路的传输质量主要决定于上行和下行链路的载波（功率）与噪声温度之比。对于上、下行链路，分别有（3-36）和（3-37）中，(EIRP)e和(EIRP)s分别为地球站和卫星的等效全向辐射功率，(G/T)s 和(G/T)e分别为卫星接收系统和地球站接收系统的品质因素，Lu和Ld分别为上行链路和下行链路的传输损耗。53 当卫星转发器的行波管放大器（TWTA）同时放大多个载波时，将产生互调噪声，其影响也用载波噪声温度比(C/T)i来表示。互调噪声的大小与载波数目、各载波间的相对电平、频率配置方案和行波管工作点有关。全链路传输质量的载波噪声温度比C/T为：其中，C/T为全链路传输的载波噪声温度比，总的等效噪声温度T为各部分的噪声温度之和。链路余量：(3-38)式右端增加一项作为系统的余量；规定链路实际信噪比高于门限信噪比。链路预算的任务有两类：在选定空间转发器和地球站设备的情况下，验证系统能否满足用户的使用要求；或者，在已知空间站或地球站部分参数的条件下，根据实际应用的技术要求，确定对设备另一部分指标的要求，如地球站天线尺寸、接收机噪声性能等。54链路预算实例Ku波段DTH系统下行链路预算 已知条件：卫星发射功率为250W,天线增益为30dBi，传输带宽为27MHz，地面为小型单收站(RO),其天线直径为45cm，等效噪声温度假定为140K。参数数值发射功率发射波导损耗发射天线增益EIRP自由空间损耗接收机天线增益（45cm直径）接收端波导损耗接收信号功率接 收 噪 声 功 率（T=140K,B=27MHz）C/N 250W或24.0dBw1.0dB30.0dBi53.0dBw205.6dB32.7dBi0.5dB-120.4dBw-132.8dBw12.4dB 55C波段多载波系统链路预算（1）上行链路频率为6GHz，传送距离假定为38607km（仰角30）。上行链路自由空间传播损耗为:假定：地球站EIRP=85dBw,卫星接收机G/T=-11.6dB/K，则上行链路的C/T值：（2）下行链路频率为4GHz，传送距离仍为38607km，则下行链路的自由空间传播损耗为：56 假定卫星饱和EIRP=26dBW。考虑到转发器工作在多载波情况，为减小互调干扰，卫星实际工作的 EIRP为20dBW。假定地球站G/T=41dB/K,则下行链路C/T值为：对于多载波工作的转发器，典型的互调噪声(C/T)im为-131.7dBW/K，而上、下链路受到的其他干扰的(C/T)I典型值为-130.5dBW/K。全链路的C/T值为：57 在确定系统带宽B后，可求得接收信（载）噪比C/N。噪声功率N=kBT，接收站的载波功率为C=(EIRPG)/(LfLtLr),则载波噪声功率比C/N为则那么C/N=C/T-k-B=-138.05+228.6-65.56=24.99 dB58因为其中，噪声功率为N=kTB，噪声功率谱密度为n0=kT，则载噪比频谱密度C/n0为59例七 假设卫星链路的传播损耗为200dB，余量和其它损耗总计为 3dB，接收机的G/T值为11dB/K，EIRP值为45dBW。计算系统接收到的C/N值。（假设带宽为36MHz）解：60例八 载波频率12GHz，自由空间损耗206dB，天线指向损耗1dB，大气损耗2dB，接收机的G/T值为19.5dB/K，接收机馈线损耗1dB。EIRP为48dBW。计算载噪比频谱密度。解：载噪比频谱密度为：61六、信道对传输信号的损害 通信系统中，实际的非理想信道会对传输信号造成损害,这种损害不是由于噪声或外部干扰造成的，而是由于信道的线性失真和非线性失真所引起的。由于系统特性而产生的失真称为线性失真，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系，传输函数只与频率或时间有关；信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时称为非线性失真，传输函数是输入信号幅度的函数。信道的线性失真包括幅度频率失真和相位频率失真，前者是在信号带宽内，信道不能提供平坦的增益特性；而相位频率失真是由于相频特性的非线性产生的，即在带内不能提供平坦的群延时特性（调相信号在通过滤波器时，其包络的传播时间延迟称作时间延迟或群延时）。非线性失真主要由功率放大器（特别是星载行波管放大器TWTA）产生。信道的非线性失真分为幅度非线性失真和相位非线性失真。62失真类型与输入信号幅度的关系输出与输入信号的关系传输函数 新的频率成分失真产生的原因线性失真无呈线性为频率或时间的函数不产生电抗元件的分布参数非线性失真有呈非线性 为输入信号幅度的函数产生非线性元器件线性失真与非线性失真的比较63图图3-18 星上星上TWTA的典型特性的典型特性64图图3-19 FDMA系统的最佳系统的最佳TWTA工作点和相应的工作点和相应的C/N65七、上下行链路的射频干扰 卫星通信系统上、下行链路之间造成RF干扰的原因之一是地球站或卫星相关设备电磁兼容性方面存在缺陷。卫星系统上、下行链路的RF干扰也可以是由地面微波中继通信系统或其它卫星通信系统引入的。上行干扰是地球站在向自己的“目标卫星”发送信号的同时，向相邻卫星辐射了不希望有的信号而形成干扰。该地球站在“相邻卫星”的（天线波束）的覆盖范围内(通常卫星都具较宽的天线波束覆盖范围)。理论上，地球站天线应当有窄的波束，只瞄准自己的“目标卫星”，而上行干扰是由于地球站天线波束不够尖锐，而在较宽的方向上的辐射引起的。66图图3-20 上、下行上、下行RF干扰示意图干扰示意图67图图3-21 上行上行C/I与地球站天线直径的关系曲线与地球站天线直径的关系曲线68图图3-22 DTH系统下行系统下行C/I与接收天线直径和卫星间隔的关系与接收天线直径和卫星间隔的关系 作业693.17 某C频段（频率为6.10GHz）地球站的天线增益为54dBi，发射功率为100W。卫星接收天线增益为26dBi，与地球站的距离是37500km。转发器等效噪声温度为500K，带宽为36MHz，增益为110dB。试计算（1）链路传输损耗（含2dB附加损耗）；（2）转发器输入噪声功率；（3）转发器输入C/N；（4）转发器输出信号功率。解：（1）总链路传输损耗（2）（3）转发器输入载波信号功率（4）转发器输出信号功率作业703.17 某C频段（频率为6.10GHz）地球站的天线增益为54dBi，发射功率为100W。卫星接收天线增益为26dBi，与地球站的距离是37500km。转发器等效噪声温度为500K，带宽为36MHz，增益为110dB。试计算（1）链路传输损耗（含2dB附加损耗）；（2）转发器输入噪声功率；（3）转发器输入C/N；（4）转发器输出信号功率。解：（1）总链路传输损耗（2）（3）人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。