微波與衛(wèi)星通信的線路噪聲及線路參數(shù)計(jì)算課件

1、第6章 微波與衛(wèi)星通信的線路噪聲及線路參數(shù)計(jì)算6.1 數(shù)字微波通信的假想?yún)⒖纪ǖ琅c誤碼性能指標(biāo)6.2 數(shù)字微波的信道噪聲與噪聲指標(biāo)分配6.3 數(shù)字微波信道線路參數(shù)計(jì)算6.4 衛(wèi)星接收機(jī)載噪比與G/T值的計(jì)算6.5 衛(wèi)星通信線路的C/T值6.6 FDM/FM/FDMA系統(tǒng)中的衛(wèi)星線路參數(shù)設(shè)計(jì)6.7 TDMA系統(tǒng)中的衛(wèi)星線路參數(shù)設(shè)計(jì)及容量計(jì)算 數(shù)字信道是指對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行PCM處理后的數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)多路復(fù)用的信道。通常一個(gè)數(shù)字通道是指與交換機(jī)或終端設(shè)備相連接的兩個(gè)數(shù)字配線架DDF或等效設(shè)備（如DXC設(shè)備）間的全部傳輸手段，一般含概了一個(gè)或幾個(gè)數(shù)字段。6.1 數(shù)字微波通信的假想?yún)⒖纪ǖ琅c誤碼性能指

2、標(biāo)6.1.1 SDH體制下的數(shù)字微波通信 在PDH系統(tǒng)中，信息是以串行比特流的形式傳輸?shù)模捎脟?yán)重誤碼秒、誤碼秒來(lái)衡量系統(tǒng)誤碼性能。1.假設(shè)參考數(shù)字連接模型（1）假設(shè)參考數(shù)字連接（HRX） ITU-T規(guī)定，在全球范圍內(nèi)任意兩個(gè)用戶間的最長(zhǎng)假想數(shù)字通道的長(zhǎng)度為27500km，其中包括國(guó)內(nèi)部分；最長(zhǎng)假想?yún)⒖紨?shù)字通道的長(zhǎng)度為6900km，這部分又可分為長(zhǎng)途網(wǎng)、中繼網(wǎng)和用戶網(wǎng)（接入網(wǎng)）三部分?？梢?jiàn)ITU-T建議的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最長(zhǎng)HRX包含14個(gè)假設(shè)參考數(shù)字鏈路和13個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。（2）假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路（或通道）（HRDL） 為了簡(jiǎn)化數(shù)字傳輸系統(tǒng)的研究，把HRX中的兩個(gè)相鄰交換點(diǎn)的數(shù)字配線架間所有的傳輸系統(tǒng)

3、、復(fù)接和分接設(shè)備等各種傳輸單元（不包括交換），用假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路（HRDL）表示。（3）假設(shè)參考數(shù)字段（HRDS） 一個(gè)假想?yún)⒖兼溌罚℉RDL）是由多個(gè)假想?yún)⒖紨?shù)字段（HRDS）構(gòu)成的。而一個(gè)假想?yún)⒖紨?shù)字段HRDS是指兩個(gè)相鄰的數(shù)字配線架DDF或等效設(shè)備（例如兩個(gè)分插復(fù)用器ADM）之間用來(lái)傳輸特定速率的數(shù)字信號(hào)的線路及設(shè)備。2.SDH網(wǎng)絡(luò)的誤碼評(píng)定參數(shù) 表6-1高比特率通道的端到端誤碼性能要求（1）誤塊（EB） 由于SDH幀結(jié)構(gòu)采用塊狀結(jié)構(gòu)，因而當(dāng)同一塊內(nèi)的任意比特發(fā)生差錯(cuò)時(shí)，則認(rèn)為該塊出現(xiàn)差錯(cuò)，通常稱該塊為差錯(cuò)塊，或誤塊。（2）誤碼性能參數(shù) 誤塊秒比（ESR） 嚴(yán)重誤塊秒比（SESR） 背景

4、誤塊比（BBER）6.1.2 誤碼性能規(guī)范1.全程誤碼指標(biāo) 由假設(shè)參考通道模型可知，對(duì)于STM-1數(shù)字微波通信系統(tǒng)，其最長(zhǎng)的假設(shè)參考數(shù)字通道為27500km，這樣其全程端到端的誤碼特性應(yīng)滿足表6-1的要求。2.指標(biāo)分配 為了將圖6-3所示的27500km端到端光纖通信系統(tǒng)的指標(biāo)分配到更小的組成部分，G.826采用了一種新的分配法，即在按區(qū)段分配的基礎(chǔ)上結(jié)合按距離分配的方法。（1）國(guó)際部分 國(guó)際部分是指兩個(gè)終端國(guó)家的IG之間的部分。（2）國(guó)內(nèi)部分 國(guó)內(nèi)部分從IG到通道終端點(diǎn)（PTP）之間的部分，如圖6-3所示。通常PTP位于用戶處。圖6-3 高比特率通道全程指標(biāo)分配6.2 數(shù)字微波的信道噪聲與噪

5、聲指標(biāo)分配6.2.1 噪聲的分類 數(shù)字微波的信道噪聲可分為4類：分別為熱噪聲（包括本振噪聲）、各種干擾噪聲、波形失真噪聲和其他噪聲。1.熱噪聲 本節(jié)中討論的熱噪聲是指收信機(jī)的固有熱噪聲和收發(fā)本振熱噪聲。（1）收信機(jī)的固有熱噪聲N固=NFKT0B（2）收發(fā)本振源的熱噪聲 對(duì)收發(fā)本振源而言，熱噪聲主要由寄生調(diào)相噪聲和寄生調(diào)幅噪聲組成。2.各種干擾噪聲 從干擾噪聲的性質(zhì)來(lái)看，基本上可分為兩大類：一類是設(shè)備及饋線系統(tǒng)造成的，例如回波干擾、交叉極化干擾等就屬于這一類；另一類屬于其他干擾，可認(rèn)為是外來(lái)干擾。（1）回波干擾 在饋線及分路系統(tǒng)中，有很多導(dǎo)波元件，當(dāng)導(dǎo)波元件之間的連接處的連接不理想時(shí)，會(huì)形成對(duì)電

6、波反射。（2）交叉極化干擾 為了提高高頻信道的頻譜利用率，在數(shù)字微波通信中用同一個(gè)射頻的兩種正交極化波（即利用水平極化波和垂直極化波的相互正交性）來(lái)攜帶不同波道的信息，這就是同頻再用方案。（3）收發(fā)干擾 在同一個(gè)微波站中，對(duì)某個(gè)通信方向的收信和發(fā)信通常是共用一副天線的。這樣發(fā)支路的電波就可以通過(guò)饋線系統(tǒng)的收發(fā)公用器件（也可能通過(guò)天線端的反射）而進(jìn)入收信機(jī)，從而形成收發(fā)支路間的干擾。（4）鄰近波道干擾 當(dāng)多波道工作時(shí)，發(fā)端或收端各波道的射頻頻率之間應(yīng)有一定的間隔，否則就會(huì)造成對(duì)鄰近波道的干擾。（5）天線系統(tǒng)的同頻干擾 天線間的耦合會(huì)使二頻制系統(tǒng)通過(guò)多種途徑產(chǎn)生同頻干擾，如圖6-4所示。圖6-4

7、天線間耦合產(chǎn)生的同頻干擾6.2.2 噪聲指標(biāo)的分配1.載噪比的概念 載噪比是指載波功率與噪聲功率之比。通常用符號(hào)C/N表示。載噪比越低，誤碼率就越高，信道的傳輸質(zhì)量也就越差。2. 噪聲性質(zhì)評(píng)價(jià) 按其性質(zhì)噪聲干擾可分為固定惡化干擾、恒定惡化干擾和變化惡化干擾，對(duì)噪聲干擾的這種分類法是與數(shù)字微波信道傳播特點(diǎn)相適應(yīng)的。 恒定惡化干擾是指與電波衰落無(wú)關(guān)的各種噪聲，例如回波干擾、越站干擾、鄰近波道干擾和本振噪聲等。6.3 數(shù)字微波信道線路參數(shù)計(jì)算6.3.1 信道的基本性能和主要線路參數(shù)計(jì)算1.一定誤碼率要求下的實(shí)際門(mén)限電平值 理論載噪比表示的是一定誤碼率指標(biāo)F信號(hào)與高斯白噪聲的比值，這些噪聲包括熱噪聲和

8、各種干擾噪聲，但沒(méi)有考慮設(shè)備性能不完善的影響（指N固）?！纠?-1】已知某數(shù)字微波通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：門(mén)限載噪比=23.1dB（沒(méi)有考慮固定惡化成分）, 接收機(jī)噪聲系數(shù)=1.62 ,接收機(jī)的等效帶寬=25.833MHz，試計(jì)算出該系統(tǒng)的實(shí)際門(mén)限電平值。2.衰落儲(chǔ)備 衰落儲(chǔ)備包括平衰落儲(chǔ)備和多徑衰落儲(chǔ)備，下面分別進(jìn)行介紹。（1）平衰落儲(chǔ)備 首先介紹一下平衰落的概念。平衰落是指頻帶內(nèi)的各種頻率分量所受到的衰減近似相等的衰落。（2）多徑衰落儲(chǔ)備 當(dāng)寬帶信號(hào)經(jīng)多徑傳播時(shí)，由于所傳輸?shù)穆窂讲煌虼诵盘?hào)到達(dá)接收端的時(shí)延不同，從而造成相互干擾，使得帶內(nèi)各頻率分量的幅度受到的衰減程度不同，這就是多徑衰落

9、。（3）復(fù)合平衰落儲(chǔ)備 在采用空間分集技術(shù)的系統(tǒng)中，由于接收信號(hào)分別經(jīng)過(guò)主接收系統(tǒng)和分接收系統(tǒng)，然后被送入中頻合成器進(jìn)行同相合成，此時(shí)系統(tǒng)的衰落特性就得到了改善，我們稱通過(guò)空間分集而改善的特性為復(fù)合平衰落儲(chǔ)備Mfc，可用下式計(jì)算： 其中Mf1，Mf2分別表示兩個(gè)分集接收系統(tǒng)的平衰落儲(chǔ)備，而Max（Mf1，Mf2）則代表取兩者中間最大的數(shù)值，d12表示兩個(gè)分集系統(tǒng)的天線收信電平差。3.衰落概率指標(biāo)分配 數(shù)字微波傳輸信道是以高誤碼率作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的，所以這里所指的分配當(dāng)然是指高誤碼率時(shí)對(duì)應(yīng)的衰落概率指標(biāo)分配。（1）不同信道的衰落概率分配 電話傳輸信道 當(dāng)一條實(shí)際微波電路的總長(zhǎng)為d公里時(shí)，則該電路分配

10、允許的衰落概率指標(biāo)不得超過(guò) 數(shù)據(jù)傳輸信道 當(dāng)實(shí)際電路長(zhǎng)度為d公里時(shí)，其允許的衰落概率指標(biāo)不得超過(guò)：（2）衰落概率的估算 在大容量的數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，影響衰落概率指標(biāo)的因素有平衰落和頻率選擇性衰落，因此系統(tǒng)的衰落概率Pm可以用平衰落引起的衰落概率Pmf和頻率選擇性衰落引起的衰落概率Pms來(lái)表示，即Pm=Pmf+Pms 平衰落所引起的衰落概率Pmf 我國(guó)在確定衰落概率時(shí)是根據(jù)ITU的規(guī)定，以下列經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算的：頻率選擇性衰落引起的衰落概率Pms 當(dāng)存在多徑衰落時(shí)，由于不同路徑的信號(hào)，其傳輸時(shí)延不同，會(huì)對(duì)主信號(hào)構(gòu)成干擾，而且Ms越小，造成系統(tǒng)瞬間中斷的概率（即衰落概率）越高。6.3.2 改善誤碼

11、性能的措施1.采用備用波道時(shí)的衰落概率改善 當(dāng)某中繼段的衰落概率指標(biāo)大于式（6-6）（針對(duì)電話傳輸波道）計(jì)算出的分配值Px時(shí)，我們可以考慮采用備用波道方式來(lái)改善系統(tǒng)性能，為此提出了備用波道改善系數(shù) Ifd，它表示改善后的衰落概率Pfd與平衰落情況下的衰落概率Pmf的關(guān)系，并可用下式表述：2.采用分集技術(shù)時(shí)的衰落概率改善 常用的分集技術(shù)有空間分集和頻率分集。對(duì)于地面反射所引起的多徑衰落，常采用空間分集的方式來(lái)克服其影響。 我們用Pfd+sd來(lái)表示采用空間分集時(shí)的衰落概率，具體表示式如下： 【例6-3】現(xiàn)有一數(shù)字微波通信系統(tǒng)，某中繼段d=50km，處在C型端面，f=5GHz，自由空間收信電平Pr0

12、 = -43.6dBm，接收機(jī)實(shí)際門(mén)限電平Pr門(mén)= -74.8dBm(BER10-3),實(shí)際門(mén)限載噪比（C實(shí)/N固）=23.1dB，系統(tǒng)采用6：1波道備份和二重空間分集接收。試求如下參數(shù)： （1）1平衰落儲(chǔ)備Mf （2）該段電路的瞬斷率Pm （3）采用6：1備用波道后的瞬斷率Pfd （4）采用二重空間分集后的瞬斷率Pfd+sd6.4 衛(wèi)星接收機(jī)載噪比與G/T值的計(jì)算6.4.1 衛(wèi)星系統(tǒng)中存在的噪聲與干擾類型 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在著多種噪聲與干擾，它們分別是由不同的器件引入的，而且與系統(tǒng)所采用的尋址方式有關(guān)，下面分別進(jìn)行介紹。1.噪聲類型 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸介質(zhì)來(lái)完成地球站與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

13、之間的信息交互的。由于其傳輸路徑長(zhǎng)，接收機(jī)所接收的信號(hào)功率非常弱，因此對(duì)噪聲非常敏感。（1）熱噪聲 系統(tǒng)中的任何器件和設(shè)備工作時(shí)，都會(huì)給系統(tǒng)引入熱噪聲，其功率為N=KT0B，與數(shù)字微波中的噪聲功率的形式相同。（2）天線噪聲 無(wú)論是在微波系統(tǒng)中，還是在衛(wèi)星系統(tǒng)中，天線都是用來(lái)完成射頻信號(hào)的發(fā)送與接收工作的設(shè)備。 根據(jù)噪聲源產(chǎn)生的原因，噪聲源大致可分為自然噪聲源和人為噪聲源兩大類。自然噪聲源包括宇宙噪聲、太陽(yáng)噪聲、地面噪聲、大氣層吸收和降雨損耗等產(chǎn)生的噪聲。 由于噪聲是通過(guò)接收機(jī)天線進(jìn)入系統(tǒng)的，為了衡量進(jìn)入接收系統(tǒng)的噪聲大小，因而我們提出了一個(gè)新的物理量天線噪聲溫度。在圖6-5中給出了一個(gè)典型地面

14、站受到大氣吸收（實(shí)線）和銀河系外噪聲（虛線）影響時(shí)的天線噪聲溫度示意圖。圖6-5 天線噪聲溫度與仰角和頻率的關(guān)系曲線 在第1章中我們已經(jīng)介紹了衛(wèi)星接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，除接收天線會(huì)給系統(tǒng)引入噪聲外，其他器件如低噪聲放大器、下變頻器以及天線與低噪聲放大器間的饋線都會(huì)是系統(tǒng)的重要噪聲來(lái)源。如果天線與低噪聲放大器間的饋線對(duì)信號(hào)具有1/L的衰減量，那么接收系統(tǒng)噪聲溫度Tt可用下式來(lái)表示：Tt=TA/L+Ti（11/L）+Tr其中，Ti為環(huán)境噪聲溫度（通常假設(shè)為290K）；TA為天線噪聲溫度；L為天線到低噪聲放大器之間的衰減量；Tr為接收機(jī)有效噪聲溫度（如低噪聲放大器、下變頻器等內(nèi)部器件）。2.干擾 衛(wèi)星系統(tǒng)

15、中所能存在的干擾有很多種，而且與系統(tǒng)中運(yùn)用的多址方式有關(guān)，這里我們?cè)敿?xì)介紹幾種常見(jiàn)的干擾。（1）交調(diào)干擾（2）鄰道干擾 鄰道干擾是指相鄰波道或相近波道所帶來(lái)的干擾，其產(chǎn)生的原因主要如下。 相鄰波道間隔過(guò)小或接收濾波器特性不完善造成的干擾 其他站寄生發(fā)射造成的干擾（3）相鄰波束間的干擾 當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)中采用了空分多址方式時(shí)，即采用波束隔離方式，它首先是將地球表面分成若干個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域用不同的波束覆蓋，而且彼此互不重疊。這樣不同波束可以采用相同頻帶，但由于天線方向圖的旁瓣效應(yīng)，使得兩個(gè)彼此接近的波束之間存在相互干擾，這就是相鄰波束間的干擾。（4）交叉極化干擾 為了提高頻帶利用率，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中（

16、或衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中）可以采用空間區(qū)域彼此重疊、空間指向一致、工作頻率相同、極化方式不同的兩個(gè)波束（一個(gè)是水平極化波，另一個(gè)是垂直極化波）來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。（5）碼間干擾 當(dāng)數(shù)字序列經(jīng)過(guò)具有理想低通特性的信道時(shí)，如果其傳輸速率以及所占用信道帶寬滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，那么其輸出信號(hào)序列中各比特間不存在碼間干擾。（6）同頻干擾 所有進(jìn)入接收機(jī)通帶內(nèi)的、與本信道頻率相同的或相近的無(wú)用信號(hào)都會(huì)對(duì)本信道信號(hào)構(gòu)成干擾，這種干擾就是同頻干擾。6.4.2 接收機(jī)載噪比與地球站性能因數(shù)G/T值1.接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率 如果某系統(tǒng)中的發(fā)射天線與接收天線之間的距離為d，接收天線效率為R，AR為接收天線開(kāi)口面積，因而接收

17、天線的增益為當(dāng)以PT功率發(fā)射，同時(shí)發(fā)信天線的功率增益為GT時(shí)，那么接收站所接收的信號(hào)功率C可用下式表示：其中Lp=（4d/）2為自由空間的傳輸衰減。2.接收機(jī)輸入端載噪比 接收機(jī)輸入端載噪比是指接收機(jī)輸入端所接收到的有用信號(hào)功率與噪聲之比，用符號(hào)C/N表示。3.地球站性能因數(shù)G/T值 由式（6-18）可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)好一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之后，那么衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的有效全向輻射功率EIRPs就確定了。6.5 衛(wèi)星通信線路的C/T值 由前面的分析可知，當(dāng)接收機(jī)輸入端匹配時(shí)，折合到輸入端的熱噪聲功率為N=KTB。這樣 與 的關(guān)系可表示為 。6.5.1 熱噪聲影響下的上下行鏈路中的C/T值1.上行鏈路C/T值

18、在介紹上行鏈路CT值之前，我們首先引入一個(gè)新的概念轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度。轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器達(dá)到最大飽和輸出時(shí)，其輸入端所需的信號(hào)功率，通常用單位面積上的有效全向輻射功率Ws 表示：（1）單載波上行鏈路的C/T值為了與下行鏈路中的接收系統(tǒng)等效噪聲溫度加以區(qū)別，我們用CTU來(lái)表示上行鏈路所受熱噪聲影響的程度。由以上分析我們可以順利地寫(xiě)出 值的表達(dá)式：（2）多載波條件下的C/T值具體方法就是進(jìn)行輸入補(bǔ)償，即使總的輸入信號(hào)功率從飽和點(diǎn)減少一定數(shù)值，保證轉(zhuǎn)發(fā)器處于正常工作狀態(tài)。這時(shí)多載波工作的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRPEM為地球站所發(fā)射的EIRP的總和，它將比單載波條件下工作的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRPES要小，它們的關(guān)系可用下式表示：EIRPEM=EIRPESBOl式中BOl為輸入補(bǔ)償值。2.下行鏈路的C/T值 與上行鏈路C/T值的表示方式相對(duì)應(yīng)，我們用C/TD來(lái)表示下行鏈路中的C/T值。如果我們只考慮下行鏈路本身的噪聲的話，那么可得6.5.2 交調(diào)噪聲影響條件下的C/T值 在第3章中我們?cè)?jīng)指出，在采用FDMA的衛(wèi)星系統(tǒng)之中，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器必須具有同時(shí)對(duì)多載波進(jìn)行放大的能力，因而在轉(zhuǎn)發(fā)器中采用行波管放大器來(lái)完成放大功能。6.5.3 衛(wèi)星鏈路的總C/T值 為了便于分析，我們?cè)趯?duì)某衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路進(jìn)行