第2章鏈路傳輸工程12/30/20221第2章鏈路傳輸工程12/27/20221提要一、星-地鏈路傳播特性二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性三、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、信道對傳輸信號的損害七、上、下行鏈路的RF干擾12/30/20222提要一、星-地鏈路傳播特性12/27/20222鏈路傳播特性星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗星-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12/30/20223鏈路傳播特性12/27/20223

衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（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）

80-500km中間層（Mesosphere）

50-80km平流層（Stratosphere）

16-50km對流層（Troposphere）

7-16km

外逸層（Exosphere）

500-64,374km12/30/20224衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（含云層和雨層）、平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閃爍對流層和電離層折射擾動對流層：低仰角和10GHz以上頻率電離層：10GHz以下頻率反射多徑和阻塞地球表面及表面上物體衛(wèi)星移動業(yè)務傳播延遲、變化對流層和電離層精確的定時、定位、TDMA系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題12/30/20225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=P·G，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于某溫度下的熱噪聲，溫度以絕對溫度K計。噪聲溫度（Te）與噪聲系數(shù)(NF）的關系為：NF=10lg(1+Te/290)dB品質(zhì)因素（G/Te）定義：天線增益與噪聲溫度的比值。G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)12/30/20226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）12/天線增益的計算公式

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的天線增益可以按下式進行計算：(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)。12/30/20227天線增益的計算公式(2-3)式中，A是天線口面的例一計算頻率為6GHz時，口徑3m的拋物面天線的增益。（天線效率為0.55）解：根據(jù)12/30/20228例一解：根據(jù)12/27/20228一、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)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當選址避免這一額外的損耗。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。自由空間是一個理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個簡化的計算環(huán)境。12/30/20229一、星-地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信的電波在傳播中要圖2-1以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量12/30/202210圖2-1以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量12/2圖2-2自由空間損耗與傳播路徑長度的關系12/30/202211圖2-2自由空間損耗與傳播路徑長度的關系12/27/20圖2-4靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關系曲線12/30/202212圖2-4靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關系曲線12/27/2有關鏈路計算的公式自由空間傳播損耗功率密度接收信號功率12/30/202213有關鏈路計算的公式自由空間傳播損耗12/27/202213自由空間傳播損耗計算公式電波從點源全向天線發(fā)出后在自由空間傳播，能量將擴散到一個球面上。如用定向天線，電波將向某一方向會聚，在此方向上獲得增益，那么到達接收點的信號功率為：

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。d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d用km、f用GHz表示時，又可以表示為12/30/202214自由空間傳播損耗計算公式電波從點源全向天線發(fā)出后在自由空間傳例二衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計算6GHz時的自由空間損耗。解：根據(jù)公式（2-8），

Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)12/30/202215例二解：根據(jù)公式（2-8），Lf=92.功率密度的計算公式

功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達接收點后，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。12/30/202216功率密度的計算公式功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率例三

衛(wèi)星的EIRP值為49.4dBW，計算衛(wèi)星離地面距離為40000km時，地面站的功率密度。解：根據(jù)式（2-1），

地面站的功率密度為12/30/202217例三解：根據(jù)式（2-1），地面站的功率密度為1接收信號功率的計算公式若接收信號的有效接收面積為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：12/30/202218接收信號功率的計算公式若接收信號的有效接收面積為A·，則接鏈路附加損耗大氣吸收損耗雨衰大氣折射的影響電離層閃爍和多徑12/30/202219鏈路附加損耗大氣吸收損耗12/27/202219鏈路附加損耗

1.大氣吸收損耗

在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對電波的吸收衰減起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22GHz，氧氣在60GHz(35－80GHz間)。對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，這一頻段是當前應用最多的頻段。30GHz附近也有一個低損耗區(qū)。12/30/202220鏈路附加損耗1.大氣吸收損耗12/27/202220大氣吸收附加損耗與頻率的關系12/30/202221大氣吸收附加損耗與頻率的關系12/27/202221鏈路附加損耗

2、雨衰

在雨天或有霧的氣象條件下，雨滴和霧對于較高頻率（10GHz以上）的電波會產(chǎn)生散射和吸收作用，從而引入較大的附加損耗，稱為雨衰。仰角為θ的傳播路徑上的降雨衰減量為：LR=γR·lR(θ)γR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dB／km；lR(θ)是降雨地區(qū)的等效路徑長度，定義為當仰角為θ時傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨衰減(dB)與對應于地球站所在地降雨強度的降雨衰減系數(shù)比(dB／km)，單位為km。12/30/202222鏈路附加損耗2、雨衰12/27/202222圖2-6不同仰角時的雨衰頻率特性12/30/202223圖2-6不同仰角時的雨衰頻率特性12/27/202223降雨衰減系數(shù)γR的頻率特性12/30/202224降雨衰減系數(shù)γR的頻率特性12/27/202224降雨地區(qū)的等效路徑長度12/30/202225降雨地區(qū)的等效路徑長度12/27/202225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，波束上翹一個角度增量。大氣折射率的變動對穿越大氣的電波起到一個凹透鏡的作用，使電波產(chǎn)生微小的散焦衰減，衰減量與頻率無關。在仰角大于5度時，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，使電波向各個方向上散射，導致電波到達大口面天線時振幅和相位不均勻分布，引起散射衰落，這類損耗較小。12/30/202226鏈路附加損耗3、大氣折射的影響12/27/202226圖2-7微波信號通過大氣層時產(chǎn)生折射12/30/202227圖2-7微波信號通過大氣層時產(chǎn)生折射12/27/2022鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑

電離層內(nèi)存在電子密度的隨機不均勻性而引起閃爍，可使信號產(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，使得電磁能量在時空中重新分布，造成電波信號的幅度、相位、到達角、極化狀態(tài)等發(fā)生短期不規(guī)則變化。對閃爍深度大的地區(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)可用適當增加儲備余量的方法克服電離層閃爍的影響。

12/30/202228鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑12/27/202228電離層閃爍形成多徑傳播12/30/202229電離層閃爍形成多徑傳播12/27/202229圖2-8地面反射形成的多徑傳播12/30/202230圖2-8地面反射形成的多徑傳播12/27/202230

二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性多徑衰落：電波在移動環(huán)境中傳播時，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射，到達接收天線時，已經(jīng)成為通過各個路徑到達的合成波。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，因此合成信號起伏大，稱為多徑衰落。陰影衰落：電波途經(jīng)建筑物、樹木等時受到阻擋被衰減，這種陰影遮蔽對陸地衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的電波傳播影響很大。衛(wèi)星移動信道的分析模型：經(jīng)驗模型、幾何分析模型、概率分布模型。經(jīng)驗模型不能揭示傳播過程的物理本質(zhì)，但可以描述出對重要參數(shù)的敏感度；幾何分析模型用幾何分析的方法，能預測單個或多個散射源的作用，解釋衰落機制，但需將結(jié)果擴展到實際的復雜情況；概率分布模型建立了對傳播過程的理解，對實際情況作了簡化假設。下面基于概率模型來描述衛(wèi)星移動通信信道的電波傳播特性。12/30/202231二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性多徑衰落：電波在移動環(huán)境中傳播時，Rician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，與直射波信號合成，其信號包絡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：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。

r(t)的概率密度函數(shù)為

是電壓的標準差，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信號分布的影響。12/30/202232Rician概率密度函數(shù)由建筑物、樹木或其它反射物造成的反射

當信號的直射波分量被樹木、輸電線或高的地面障礙物所遮蔽時，接收信號的強度r1(t)服從對數(shù)高斯條件下的Rician分布，相位服從[0,2]的均勻分布，r1(t)可以表示為其中，yc(t)和ys(t)是互為正交的對數(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和對數(shù)正態(tài)萊斯信道的均值和方差2都與用戶對衛(wèi)星的仰角有關。在農(nóng)村樹木遮蔽條件下，K、和2可用下面的經(jīng)驗公式進行計算:12/30/202233當信號的直射波分量被樹木、輸電線或高的地面障礙(2-13)式中的參數(shù)K0，K1,…由表2.1給出。表2.1經(jīng)驗公式（2-13）中的參數(shù)值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.0027740=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.049×10-5

0=4.51=-0.0512/30/202234(2-13)式中的參數(shù)K0，K1,…由表2.1給出。表2.1圖2-9不同仰角時接收電平累積分布

12/30/202235圖2-9不同仰角時接收電平累積分布12/27/2022表2-2接收信號有效性分別為90，95和99%時的余量12/30/202236表2-2接收信號有效性分別為90，95和99%時的余量1Rayleigh概率密度函數(shù)Rayleigh概率密度函數(shù)是Rician分布的特殊情況，即當沒有直射波分量(Z=0)時，接收信號全部由多徑信號組成，其信號包絡r的概率密度函數(shù)為：12/30/202237Rayleigh概率密度函數(shù)Rayleigh概率密度函數(shù)是RLognormal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，要出現(xiàn)陰影衰落。此時的電壓變量是由于陰影而成為Lognormal的。隨機變量Z的概率密度函數(shù)為：

和d0分別是lnZ的均值和方差。12/30/202238Lognormal概率密度函數(shù)衛(wèi)星與地面站之間的直射波被路邊多普勒頻移在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動終端之間存在相對運動，因而它們作為發(fā)射機或接收機的載體，接收信號相對于發(fā)送信號將產(chǎn)生多普勒頻移。分析表明，多普勒頻移fD可由下式表示其中，V為衛(wèi)星與用戶的相對運動速度，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。12/30/202239多普勒頻移在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動終端之間存在相三、天線的方向性和電極化問題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功率增加的倍數(shù)，天線方向圖可以描述天線在整個空間內(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θ0.5（單位為度），常稱為波束寬度，對于拋物面天線，其近似估算公式為其中，D為拋物面天線的口面直徑，單位為m；N是一個與場分布圖在天線口面上的分布規(guī)律有關的常數(shù)。當場在天線口面上呈均勻分布時，N=58；當場在天線口面上呈錐形分布時，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，即口面中心的場強最強，而邊緣的場強最弱。12/30/202240三、天線的方向性和電極化問題天線增益和方向圖其中，D12/30/20224112/27/202241

θ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)。

對于同相均勻激勵的圓口徑天線來說，方向圖可用下式表示12/30/202242θ為以主瓣中心軸線為參考的方向角；而J1()為圖2-12泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾12/30/202243圖2-12泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾12/27/2022天線的極化隔離一般情況下，在一個周期內(nèi)電場矢量的頂點在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個橢圓，稱為橢圓極化。從天線順著電波傳播方向看，若電場矢量順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋，若逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。對于一個橢圓極化波，可以用三個參數(shù)來描述它：(1)旋轉(zhuǎn)方向，（2）軸比，（3）傾角（長軸相對于基軸的傾角）。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分量。對于圓極化波，分解為左旋和右旋兩個極化波矢量；對于線極化波，分解為水平極化和垂直極化兩個分量。12/30/202244天線的極化隔離12/27/202244

理論上兩個正交極化波是完全隔離的，一個天線可以配置兩個接收或發(fā)送端口。每個端口只與一個極化波匹配，而與另一個極化波正交。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于實際收、發(fā)設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，這將引起兩個結(jié)果：首先，接收的正交分量將有泄漏、并對匹配接收的有用信號形成干擾；其次，匹配接收信號將因誤差而有所減小，稱為極化損耗。12/30/202245理論上兩個正交極化波是完全隔離的，一個天線可以配置兩圖2-13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12/30/202246圖2-13由饋源喇叭形成的垂直和水平極化波電波傳播方向電四、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12/30/202247四、噪聲與干擾系統(tǒng)熱噪聲12/27/202247系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲熱噪聲：只要傳導媒質(zhì)不處于絕對溫度的零度，其中的帶電粒子就存在隨機運動，產(chǎn)生對信號形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。噪聲功率譜密度n0：其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/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，為白噪聲。網(wǎng)絡輸出噪聲功率N0：其中，T0是輸入匹配電阻的噪聲溫度，Te稱為網(wǎng)絡的等效噪聲溫度，A為網(wǎng)絡增益，B為網(wǎng)絡的帶寬。12/30/202248系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是衡量通過天線進入接收機的噪聲量的一個指標，通過對所有來自外部噪聲源的噪聲分量進行積分求得。噪聲溫度：隨著損耗的增加，輻射噪聲也相應增加。大氣對地球站天線噪聲溫度的影響可以用下式計算：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）。噪聲系數(shù)NF：定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值。網(wǎng)絡的等效噪聲溫度Te可以表示為：12/30/202249等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是衡量通過天有耗無源網(wǎng)絡（饋線等）的等效噪聲溫度

在輸入、輸出端匹配的情況下，輸出端負載得到的噪聲功率No為同時輸出噪聲功率還可以表示為輸入噪聲功率對輸出的貢獻，加上網(wǎng)絡內(nèi)部噪聲對輸出的貢獻。假設無源網(wǎng)絡的損耗為LF，增益為A=1/LF。則網(wǎng)絡輸出噪聲功率為：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)絡的噪聲系數(shù)為12/30/202250有耗無源網(wǎng)絡（饋線等）的等效噪聲溫度在輸入、輸出端匹級聯(lián)網(wǎng)絡的等效噪聲溫度

n個級聯(lián)網(wǎng)絡的輸出噪聲功率分別為：其中，T為輸入端噪聲溫度。和級聯(lián)的n個網(wǎng)絡的增益和等效噪聲溫度。n級網(wǎng)絡輸出噪聲功率為：A1A2An輸出…輸入12/30/202251級聯(lián)網(wǎng)絡的等效噪聲溫度n個級聯(lián)網(wǎng)絡的輸出噪聲功率分別為：其n級網(wǎng)絡的輸出噪聲功率也可以表示為：其中，A0=1。12/30/202252n級網(wǎng)絡的輸出噪聲功率也可以表示為：其中，A0=1。12/2n級網(wǎng)絡總的等效噪聲溫度為：

各級網(wǎng)絡的內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻均要折算到系統(tǒng)的輸出端，第k級網(wǎng)絡內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻為：12/30/202253n級網(wǎng)絡總的等效噪聲溫度為：各級網(wǎng)絡的內(nèi)部一個由n級放大器級聯(lián)而成的網(wǎng)絡，其等效噪聲溫度也可以表示為：n級級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)為：其中，F(xiàn)n是第n級放大器的噪聲系數(shù)。12/30/202254一個由n級放大器級聯(lián)而成的網(wǎng)絡，其等效噪聲溫度也可以表示為：例四兩個放大器級聯(lián)，每個有10dB的增益，噪聲溫度200K，計算總增益和相對輸入的等效噪聲溫度。解：總增益為：G=G1+G2=20(dB)，而相對輸入的等效噪聲溫度為：12/30/202255例四解：總增益為：G=G1+G2=20(dB)，12/2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53dB）12/30/202256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。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)之間的干擾共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個波束覆蓋區(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。交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常采用極化隔離頻率復用技術(shù)，即兩個波束的指向區(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現(xiàn)信號間的隔離。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。互調(diào)干擾：當轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時，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，使各載波信號之間形成互調(diào)干擾。

12/30/202257其他干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包五、衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量鏈路預算分析接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度全鏈路傳輸質(zhì)量12/30/202258五、衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量鏈路預算分析12/27/202258鏈路預算分析圖2-15鏈路單元與功率平衡方程12/30/202259鏈路預算分析圖2-15鏈路單元與功率平衡方程12/27/

電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率Pr:若考慮發(fā)射機到發(fā)射天線的波導傳播損耗（饋線）Lt和接收天線到接收機的波導傳播損耗Lr，則接收信號功率為：12/30/202260電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率Pr:若考慮發(fā)射接收機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，它包括從天線進入接收機的噪聲的等效噪聲溫度和接收機內(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。接收信號的載噪比C/N為：其中，C為接收載波功率，N表示接收端的噪聲功率，C=(EIRP?G)/LfLtLr,N=KBT,G為接收天線增益。12/30/202261接收機的輸入噪聲功率可以表示為：其中，C為接收載波功率，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。其中，C=(EIRP?G)/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G/T的要求有較大差異。例如，國際衛(wèi)星七號（IS-Ⅶ）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型標準地球站，在晴天的G/T值應滿足：G/T≥40.7+20lg(f/4)。歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）是區(qū)域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對地球站G/T的要求為37.7dB/K+20lgf/4。衛(wèi)星移動通信的地面移動終端天線增益通常只有1~2dB，G/T在-22~-23dB/K左右。12/30/202262除載噪比C/N作為系統(tǒng)的重要參數(shù)以外，也常用載波功率與其中，接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度圖2-16接收系統(tǒng)噪聲溫度計算圖12/30/202263接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度圖2-16接收系統(tǒng)噪聲溫度計算圖1

“接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度”包括天線、饋線和接收機在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫度。以接收機輸入端為參考點，將天線、饋線的噪聲溫度折算到接收機輸入端，并與接收機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入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由天線旁瓣進入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。同時，下雨時還有雨的吸收噪聲。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：仰角（仰角越大，噪聲越?。?；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。假設饋線損耗為LF，則將其折算到饋線輸出端，即接收機輸入端時，其等效值Tae為12/30/202264“接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度”包括天線、饋線和接收機在內(nèi)

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，此時饋線已為無噪聲的理想饋線，其輸入和輸出的信噪比相等。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)若接收機等效噪聲溫度為Tre（接收機的等效噪聲溫度Tre主要由接收機的前級低噪聲放大器LNA確定），則整個接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T為12/30/202265假定饋線環(huán)境溫度為T0，根據(jù)式（2-33）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。對于上、下行鏈路，分別有（2-36）和（2-37）中，(EIRP)e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。12/30/202266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

當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA）同時放大多個載波時，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、各載波間的相對電平、頻率配置方案和行波管工作點有關。全鏈路傳輸質(zhì)量的載波噪聲溫度比C/T為：

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：(2-38)式右端增加一項作為系統(tǒng)的余量；規(guī)定鏈路實際信噪比高于門限信噪比。鏈路預算的任務有兩類：在選定空間轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設備的情況下，驗證系統(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)實際應用的技術(shù)要求，確定對設備另一部分指標的要求，如地球站天線尺寸、接收機噪聲性能等。12/30/202267當衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA）同時放大鏈路預算實例Ku波段DTH系統(tǒng)下行鏈路預算已知條件：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)射波導損耗發(fā)射天線增益EIRP自由空間損耗接收機天線增益（45cm直徑）接收端波導損耗接收信號功率接收噪聲功率（T=140K,B=27MHz）C/N250W或24.0dBw1.0dB30.0dBi53.0dBw205.6dB32.7dBi0.5dB-120.4dBw-132.8dBw12.4dB

12/30/202268鏈路預算實例Ku波段DTH系統(tǒng)下行鏈路預算參數(shù)數(shù)值發(fā)射功率2C波段多載波系統(tǒng)鏈路預算（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:

假定：地球站EIRP=85dBw,衛(wèi)星接收機G/T=-11.6dB/K，則上行鏈路的C/T值：（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：12/30/202269C波段多載波系統(tǒng)鏈路預算假定：地球站EIRP=85d

假定衛(wèi)星飽和EIRP=26dBW?？紤]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：

對于多載波工作的轉(zhuǎn)發(fā)器，典型的互調(diào)噪聲(C/T)im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：12/30/202270假定衛(wèi)星飽和EIRP=26dBW。考慮到轉(zhuǎn)發(fā)器

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為則那么C/N=[C/T]-[k]-[B]=-138.05+228.6-65.56=24.99dB12/30/202271在確定系統(tǒng)帶寬B后，可求得接收信（載）噪比C/N。則因為其中，噪聲功率為N=kTB，噪聲功率譜密度為n0=kT，則載噪比頻譜密度C/n0為12/30/202272因為其中，噪聲功率為N=kTB，噪聲功率譜密度為n0=kT，例五假設衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余量和其它損耗總計為3dB，接收機的[G/T]值為11dB/K，EIRP值為45dBW。計算系統(tǒng)接收到的[C/N]值。（假設帶寬為36MHz）解：12/30/202273例五解：12/27/202273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，接收機的G/T值為19.5dB/K，接收機饋線損耗1dB。EIRP為48dBW。計算載噪比頻譜密度。解：載噪比頻譜密度為：12/30/202274例六解：載噪比頻譜密度為：12/27/202274六、信道對傳輸信號的損害

通信系統(tǒng)中，實際的非理想信道會對傳輸信號造成損害,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的。

由于系統(tǒng)特性而產(chǎn)生的失真稱為線性失真，與信號本身幅度無關，輸出信號與輸入信號之間保持線性關系，傳輸函數(shù)只與頻率或時間有關；信號在傳輸中引起的失真與被傳輸信號本身的幅度有關時稱為非線性失真，傳輸函數(shù)是輸入信號幅度的函數(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特性（調(diào)相信號在通過濾波器時，其包絡的傳播時間延遲稱作時間延遲或群延時）。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。12/30/202275六、信道對傳輸信號的損害通信系統(tǒng)中，實際的非理想信道失真類型與輸入信號幅度的關系輸出與輸入信號的關系傳輸函數(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12/30/202276失真類型與輸入信號幅度的關系輸出與輸入信號的關系傳輸函數(shù)新的圖2-17星上TWTA的典型特性12/30/202277圖2-17星上TWTA的典型特性12/27/202277圖2-18FDMA系統(tǒng)的最佳TWTA工作點和相應的C/N12/30/202278圖2-18FDMA系統(tǒng)的最佳TWTA工作點和相應的C/N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)星相關設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“目標衛(wèi)星”發(fā)送信號的同時，向相鄰衛(wèi)星輻射了不希望有的信號而形成干擾。該地球站在“相鄰衛(wèi)星”的（天線波束）的覆蓋范圍內(nèi)(通常衛(wèi)星都具較寬的天線波束覆蓋范圍)。理論上，地球站天線應當有窄的波束，只瞄準自己的“目標衛(wèi)星”，而上行干擾是由于地球站天線波束不夠尖銳，而在較寬的方向上的輻射引起的。12/30/202279七、上下行鏈路的射頻干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)上、下行鏈路之間圖2-19上、下行RF干擾示意圖12/30/202280圖2-19上、下行RF干擾示意圖12/27/202280圖2-20上行C/I與地球站天線直徑的關系曲線12/30/202281圖2-20上行C/I與地球站天線直徑的關系曲線12/27圖2-21DTH系統(tǒng)下行C/I與接收天線直徑和衛(wèi)星間隔的關系12/30/202282圖2-21DTH系統(tǒng)下行C/I與接收天線直徑和衛(wèi)星間隔的例七、如下圖所示，網(wǎng)絡由天線、接收機和LNA組成，接收機噪聲指數(shù)為12dB，LNA增益為50dB，其噪聲溫度為150K，接收機和LNA之間的電纜損耗為5dB，天線的噪聲溫度為35K。計算網(wǎng)絡相對于輸入端的噪聲溫度。假定環(huán)境溫度為290K。12/30/202283例七、如下圖所示，網(wǎng)絡由天線、接收機和LNA組成，接收機噪聲解：對于接收機，因為其噪聲指數(shù)為12dB，即F=101.2=15.85。

對于低噪聲放大器（LNA），其增益為50dB，即G=105。因此，網(wǎng)絡相對于輸入端的噪聲溫度為：12/30/202284解：對于接收機，因為其噪聲指數(shù)為12dB，即F=101.2=例八、已知條件同例七。電纜損耗在低噪聲放大器之前，而不在低噪聲放大器與接收機之間。環(huán)境溫度為290K。計算網(wǎng)絡相對于輸入端的等效噪聲溫度。12/30/202285例八、已知條件同例七。電纜損耗在低噪聲放大器之前，而不在低噪解：對于接收機，因為其噪聲指數(shù)為12dB，即F=101.2=15.85。

對于低噪聲放大器（LNA），其增益為50dB，即G=105。因此，網(wǎng)絡相對于輸入端的噪聲溫度為：12/30/202286解：對于接收機，因為其噪聲指數(shù)為12dB，即F=101.2=若將接收機等效成一個噪聲源，則LNA天線變頻器中放等效為++無噪聲LNA+無噪聲無噪聲輸出噪聲功率等效噪聲溫度12/30/202287若將接收機等效成一個噪聲源，則LNA天線變頻器中放等效為++=50K=50K=500K=1000K=23dB=0dB=30dB則如果上例中，天線與LNA間有一段損耗為的電纜或波導，它將產(chǎn)生附加噪聲.其噪聲溫度為為環(huán)境溫度此時LNA輸入端的等效噪聲溫度為舉例所以,由于波導損耗使系統(tǒng)等效噪聲溫度增加近似地說,每增加0.1dB損耗,噪聲溫度提高7K.例子-某4GHz地球站12/30/202288=50K=50K=500K=1000K=23dB=0dB=3dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及區(qū)別dB（分貝）：描述（功率）相對比值的單位。

dB=10lg(功率比)dB是相對單位，不能表示功率的絕對電平值。12/30/202289dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及區(qū)別12/27/dBm（分貝毫瓦）：描述功率絕對值的單位。

dBm=10lg(功率值/1mw)dBm是相對于1mw功率電平的絕對值。

1mw=0dBm20mw=13dBm40mw=16dBm12/30/202290dBm（分貝毫瓦）：描述功率絕對值的單位。12/27/202dBw（分貝瓦）：描述功率絕對值的單位。

dBw=10lg(功率值/1w)dBw是相對于1w功率電平的絕對值。

1w=0dBw=30dBm2w=3dBw=33dBm40w=16dBw=46dBm12/30/202291dBw（分貝瓦）：描述功率絕對值的單位。12/27/2022dBi（分貝增益）：描述與全方向性天線相對增益的單位。

dBd（分貝增益）：描述與偶極子天線相對增益的單位。一般認為，表示同一個增益時，用dBi表示比用dBd表示要大2.15。即：0dBd=2.15dBi12/30/202292dBi（分貝增益）：描述與全方向性天線相對增益的單位。12/第2章鏈路傳輸工程12/30/202293第2章鏈路傳輸工程12/27/20221提要一、星-地鏈路傳播特性二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性三、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、信道對傳輸信號的損害七、上、下行鏈路的RF干擾12/30/202294提要一、星-地鏈路傳播特性12/27/20222鏈路傳播特性星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗星-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12/30/202295鏈路傳播特性12/27/20223

衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（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）

80-500km中間層（Mesosphere）

50-80km平流層（Stratosphere）

16-50km對流層（Troposphere）

7-16km

外逸層（Exosphere）

500-64,374km12/30/202296衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層（含云層和雨層）、平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閃爍對流層和電離層折射擾動對流層：低仰角和10GHz以上頻率電離層：10GHz以下頻率反射多徑和阻塞地球表面及表面上物體衛(wèi)星移動業(yè)務傳播延遲、變化對流層和電離層精確的定時、定位、TDMA系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題12/30/202297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=P·G，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于某溫度下的熱噪聲，溫度以絕對溫度K計。噪聲溫度（Te）與噪聲系數(shù)(NF）的關系為：NF=10lg(1+Te/290)dB品質(zhì)因素（G/Te）定義：天線增益與噪聲溫度的比值。G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)12/30/202298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）12/天線增益的計算公式

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的天線增益可以按下式進行計算：(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)。12/30/202299天線增益的計算公式(2-3)式中，A是天線口面的例一計算頻率為6GHz時，口徑3m的拋物面天線的增益。（天線效率為0.55）解：根據(jù)12/30/2022100例一解：根據(jù)12/27/20228一、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)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè)務衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當選址避免這一額外的損耗。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。自由空間是一個理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個簡化的計算環(huán)境。12/30/2022101一、星-地鏈路傳播特性衛(wèi)星通信的電波在傳播中要圖2-1以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量12/30/2022102圖2-1以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量12/2圖2-2自由空間損耗與傳播路徑長度的關系12/30/2022103圖2-2自由空間損耗與傳播路徑長度的關系12/27/20圖2-4靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關系曲線12/30/2022104圖2-4靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關系曲線12/27/2有關鏈路計算的公式自由空間傳播損耗功率密度接收信號功率12/30/2022105有關鏈路計算的公式自由空間傳播損耗12/27/202213自由空間傳播損耗計算公式電波從點源全向天線發(fā)出后在自由空間傳播，能量將擴散到一個球面上。如用定向天線，電波將向某一方向會聚，在此方向上獲得增益，那么到達接收點的信號功率為：

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。d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d用km、f用GHz表示時，又可以表示為12/30/2022106自由空間傳播損耗計算公式電波從點源全向天線發(fā)出后在自由空間傳例二衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計算6GHz時的自由空間損耗。解：根據(jù)公式（2-8），

Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)12/30/2022107例二解：根據(jù)公式（2-8），Lf=92.功率密度的計算公式

功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達接收點后，在單位面積內(nèi)的功率。可以表示為（2-1）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。12/30/2022108功率密度的計算公式功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率例三

衛(wèi)星的EIRP值為49.4dBW，計算衛(wèi)星離地面距離為40000km時，地面站的功率密度。解：根據(jù)式（2-1），

地面站的功率密度為12/30/2022109例三解：根據(jù)式（2-1），地面站的功率密度為1接收信號功率的計算公式若接收信號的有效接收面積為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：12/30/2022110接收信號功率的計算公式若接收信號的有效接收面積為A·，則接鏈路附加損耗大氣吸收損耗雨衰大氣折射的影響電離層閃爍和多徑12/30/2022111鏈路附加損耗大氣吸收損耗12/27/202219鏈路附加損耗

1.大氣吸收損耗

在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對電波的吸收衰減起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22GHz，氧氣在60GHz(35－80GHz間)。對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。總體上，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，這一頻段是當前應用最多的頻段。30GHz附近也有一個低損耗區(qū)。12/30/2022112鏈路附加損耗1.大氣吸收損耗12/27/202220大氣吸收附加損耗與頻率的關系12/30/2022113大氣吸收附加損耗與頻率的關系12/27/202221鏈路附加損耗

2、雨衰

在雨天或有霧的氣象條件下，雨滴和霧對于較高頻率（10GHz以上）的電波會產(chǎn)生散射和吸收作用，從而引入較大的附加損耗，稱為雨衰。仰角為θ的傳播路徑上的降雨衰減量為：LR=γR·lR(θ)γR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dB／km；lR(θ)是降雨地區(qū)的等效路徑長度，定義為當仰角為θ時傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨衰減(dB)與對應于地球站所在地降雨強度的降雨衰減系數(shù)比(dB／km)，單位為km。12/30/2022114鏈路附加損耗2、雨衰12/27/202222圖2-6不同仰角時的雨衰頻率特性12/30/2022115圖2-6不同仰角時的雨衰頻率特性12/27/202223降雨衰減系數(shù)γR的頻率特性12/30/2022116降雨衰減系數(shù)γR的頻率特性12/27/202224降雨地區(qū)的等效路徑長度12/30/2022117降雨地區(qū)的等效路徑長度12/27/202225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，波束上翹一個角度增量。大氣折射率的變動對穿越大氣的電波起到一個凹透鏡的作用，使電波產(chǎn)生微小的散焦衰減，衰減量與頻率無關。在仰角大于5度時，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，使電波向各個方向上散射，導致電波到達大口面天線時振幅和相位不均勻分布，引起散射衰落，這類損耗較小。12/30/2022118鏈路附加損耗3、大氣折射的影響12/27/202226圖2-7微波信號通過大氣層時產(chǎn)生折射12/30/2022119圖2-7微波信號通過大氣層時產(chǎn)生折射12/27/2022鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑

電離層內(nèi)存在電子密度的隨機不均勻性而引起閃爍，可使信號產(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，使得電磁能量在時空中重新分布，造成電波信號的幅度、相位、到達角、極化狀態(tài)等發(fā)生短期不規(guī)則變化。對閃爍深度大的地區(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)可用適當增加儲備余量的方法克服電離層閃爍的影響。

12/30/2022120鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑12/27/202228電離層閃爍形成多徑傳播12/30/2022121電離層閃爍形成多徑傳播12/27/202229圖2-8地面反射形成的多徑傳播12/30/2022122圖2-8地面反射形成的多徑傳播12/27/202230

二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性多徑衰落：電波在移動環(huán)境中傳播時，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射，到達接收天線時，已經(jīng)成為通過各個路徑到達的合成波。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，因此合成信號起伏大，稱為多徑衰落。陰影衰落：電波途經(jīng)建筑物、樹木等時受到阻擋被衰減，這種陰影遮蔽對陸地衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的電波傳播影響很大。衛(wèi)星移動信道的分析模型：經(jīng)驗模型、幾何分析模型、概率分布模型。經(jīng)驗模型不能揭示傳播過程的物理本質(zhì)，但可以描述出對重要參數(shù)的敏感度；幾何分析模型用幾何分析的方法，能預測單個或多個散射源的作用，解釋衰落機制，但需將結(jié)果擴展到實際的復雜情況；概率分布模型建立了對傳播過程的理解，對實際情況作了簡化假設。下面基于概率模型來描述衛(wèi)星移動通信信道的電波傳播特性。12/30/2022123二、衛(wèi)星移動通信鏈路特性多徑衰落：電波在移動環(huán)境中傳播時，Rician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，與直射波信號合成，其信號包絡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：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。

r(t)的概率密度函數(shù)為

是電壓的標準差，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信號分布的影響。12/30/2022124Rician概率密度函數(shù)由建筑物、樹木或其它反射物造成的反射

當信號的直射波分量被樹木、輸電線或高的地面障礙物所遮蔽時，接收信號的強度r1(t)服從對數(shù)高斯條件下的Rician分布，相位服從[0,2]的均勻分布，r1(t)可以表示為其中，yc(t)和ys(t)是互為正交的對數(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和對數(shù)正態(tài)萊斯信道的均值和方差2都與用戶對衛(wèi)星的仰角有關。在農(nóng)村樹木遮蔽條件下，K、和2可用下面的經(jīng)驗公式進行計算:12/30/2022125當信號的直射波分量被樹木、輸電線或高的地面障礙(2-13)式中的參數(shù)K0，K1,…由表2.1給出。表2.1經(jīng)驗公式（2-13）中的參數(shù)值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.0027740=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.049×10-5

0=4.51=-0.0512/30/2022126(2-13)式中的參數(shù)K0，K1,…由表2.1給出。表2.1圖2-9不同仰角時接收電平累積分布

12/30/2022127圖2-9不同仰角時接收電平累積分布12/27/2022表2-2接收信號有效性分別為90，95和99%時的余量12/30/2022128表2-2接收信號有效性分別為90，95和99%時的余量1Rayleigh概率密度函數(shù)Rayleigh概率密度函數(shù)是Rician分布的特殊情況，即當沒有直射波分量(Z=0)時，接收信號全部由多徑信號組成，其信號包絡r的概率密度函數(shù)為：12/30/2022129Rayleigh概率密度函數(shù)Rayleigh概率密度函數(shù)是RLognormal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，要出現(xiàn)陰影衰落。此時的電壓變量是由于陰影而成為Lognormal的。隨機變量Z的概率密度函數(shù)為：

和d0分別是lnZ的均值和方差。12/30/2022130Lognormal概率密度函數(shù)衛(wèi)星與地面站之間的直射波被路邊多普勒頻移在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動終端之間存在相對運動，因而它們作為發(fā)射機或接收機的載體，接收信號相對于發(fā)送信號將產(chǎn)生多普勒頻移。分析表明，多普勒頻移fD可由下式表示其中，V為衛(wèi)星與用戶的相對運動速度，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。12/30/2022131多普勒頻移在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動終端之間存在相三、天線的方向性和電極化問題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功率增加的倍數(shù)，天線方向圖可以描述天線在整個空間內(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θ0.5（單位為度），常稱為波束寬度，對于拋物面天線，其近似估算公式為其中，D為拋物面天線的口面直徑，單位為m；N是一個與場分布圖在天線口面上的分布規(guī)律有關的常數(shù)。當場在天線口面上呈均勻分布時，N=58；當場在天線口面上呈錐形分布時，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，即口面中心的場強最強，而邊緣的場強最弱。12/30/2022132三、天線的方向性和電極化問題天線增益和方向圖其中，D12/30/202213312/27/202241

θ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)。

對于同相均勻激勵的圓口徑天線來說，方向圖可用下式表示12/30/2022134θ為以主瓣中心軸線為參考的方向角；而J1()為圖2-12泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾12/30/2022135圖2-12泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾12/27/2022天線的極化隔離一般情況下，在一個周期內(nèi)電場矢量的頂點在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個橢圓，稱為橢圓極化。從天線順著電波傳播方向看，若電場矢量順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋，若逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。對于一個橢圓極化波，可以用三個參數(shù)來描述它：(1)旋轉(zhuǎn)方向，（2）軸比，（3）傾角（長軸相對于基軸的傾角）。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分量。對于圓極化波，分解為左旋和右旋兩個極化波矢量；對于線極化波，分解為水平極化和垂直極化兩個分量。12/30/2022136天線的極化隔離12/27/202244

理論上兩個正交極化波是完全隔離的，一個天線可以配置兩個接收或發(fā)送端口。每個端口只與一個極化波匹配，而與另一個極化波正交。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于實際收、發(fā)設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，這將引起兩個結(jié)果：首先，接收的正交分量將有泄漏、并對匹配接收的有用信號形成干擾；其次，匹配接收信號將因誤差而有所減小，稱為極化損耗。12/30/2022137理論上兩個正交極化波是完全隔離的，一個天線可以配置兩圖2-13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12/30/2022138圖2-13由饋源喇叭形成的垂直和水平極化波電波傳播方向電四、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12/30/2022139四、噪聲與干擾系統(tǒng)熱噪聲12/27/202247系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲熱噪聲：只要傳導媒質(zhì)不處于絕對溫度的零度，其中的帶電粒子就存在隨機運動，產(chǎn)生對信號形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。噪聲功率譜密度n0：其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/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，為白噪聲。網(wǎng)絡輸出噪聲功率N0：其中，T0是輸入匹配電阻的噪聲溫度，Te稱為網(wǎng)絡的等效噪聲溫度，A為網(wǎng)絡增益，B為網(wǎng)絡的帶寬。12/30/2022140系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲其中，k為波耳茲曼常數(shù)，1.38等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是衡量通過天線進入接收機的噪聲量的一個指標，通過對所有來自外部噪聲源的噪聲分量進行積分求得。噪聲溫度：隨著損耗的增加，輻射噪聲也相應增加。大氣對地球站天線噪聲溫度的影響可以用下式計算：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）。噪聲系數(shù)NF：定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值。網(wǎng)絡的等效噪聲溫度Te可以表示為：12/30/2022141等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是衡量通過天有耗無源網(wǎng)絡（饋線等）的等效噪聲溫度

在輸入、輸出端匹配的情況下，輸出端負載得到的噪聲功率No為同時輸出噪聲功率還可以表示為輸入噪聲功率對輸出的貢獻，加上網(wǎng)絡內(nèi)部噪聲對輸出的貢獻。假設無源網(wǎng)絡的損耗為LF，增益為A=1/LF。則網(wǎng)絡輸出噪聲功率為：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)絡的噪聲系數(shù)為12/30/2022142有耗無源網(wǎng)絡（饋線等）的等效噪聲溫度在輸入、輸出端匹級聯(lián)網(wǎng)絡的等效噪聲溫度

n個級聯(lián)網(wǎng)絡的輸出噪聲功率分別為：其中，T為輸入端噪聲溫度。和級聯(lián)的n個網(wǎng)絡的增益和等效噪聲溫度。n級網(wǎng)絡輸出噪聲功率為：A1A2An輸出…輸入12/30/2022143級聯(lián)網(wǎng)絡的等效噪聲溫度n個級聯(lián)網(wǎng)絡的輸出噪聲功率分別為：其n級網(wǎng)絡的輸出噪聲功率也可以表示為：其中，A0=1。12/30/2022144n級網(wǎng)絡的輸出噪聲功率也可以表示為：其中，A0=1。12/2n級網(wǎng)絡總的等效噪聲溫度為：

各級網(wǎng)絡的內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻均要折算到系統(tǒng)的輸出端，第k級網(wǎng)絡內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻為：12/30/2022145n級網(wǎng)絡總的等效噪聲溫度為：各級網(wǎng)絡的內(nèi)部一個由n級放大器級聯(lián)而成的網(wǎng)絡，其等效噪聲溫度也可以表示為：n級級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)為：其中，F(xiàn)n是第n級放大器的噪聲系數(shù)。12/30/2022146一個由n級放大器級聯(lián)而成的網(wǎng)絡，其等效噪聲溫度也可以表示為：例四兩個放大器級聯(lián)，每個有10dB的增益，噪聲溫度200K，計算總增益和相對輸入的等效噪聲溫度。解：總增益為：G=G1+G2=20(dB)，而相對輸入的等效噪聲溫度為：12/30/2022147例四解：總增益為：G=G1+G2=20(dB)，12/2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53dB）12/30/2022148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。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)之間的干擾共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個波束覆蓋區(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。交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常采用極化隔離頻率復用技術(shù)，即兩個波束的指向區(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現(xiàn)信號間的隔離。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。互調(diào)干擾：當轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時，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，使各載波信號之間形成互調(diào)干擾。

12/30/2022149其他干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包五、衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量鏈路預算分析接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度全鏈路傳輸質(zhì)量12/30/2022150五、衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量鏈路預算分析12/27/202258鏈路預算分析圖2-15鏈路單元與功率平衡方程12/30/2022151鏈路預算分析圖2-15鏈路單元與功率平衡方程12/27/

電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率Pr:若考慮發(fā)射機到發(fā)射天線的波導傳播損耗（饋線）Lt和接收天線到接收機的波導傳播損耗Lr，則接收信號功率為：12/30/2022152電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率Pr:若考慮發(fā)射接收機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，它包括從天線進入接收機的噪聲的等效噪聲溫度和接收機內(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。接收信號的載噪比C/N為：其中，C為接收載波功率，N表示接收端的噪聲功率，C=(EIRP?G)/LfLtLr,N=KBT,G為接收天線增益。12/30/2022153接收機的輸入噪聲功率可以表示為：其中，C為接收載波功率，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。其中，C=(EIRP?G)/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G/T的要求有較大差異。例如，國際衛(wèi)星七號（IS-Ⅶ）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型標準地球站，在晴天的G/T值應滿足：G/T≥40.7+20lg(f/4)。歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）是區(qū)域性波束覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對地球站G/T的要求為37.7dB/K+20lgf/4。衛(wèi)星移動通信的地面移動終端天線增益通常只有1~2dB，G/T在-22~-23dB/K左右。12/30/2022154除載噪比C/N作為系統(tǒng)的重要參數(shù)以外，也