微波與衛(wèi)星通信的線路噪聲及線路參數(shù)計算課件

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6.2 數(shù)字微波的信道噪聲與噪聲指標分配6.3 數(shù)字微波信道線路參數(shù)計算6.4 衛(wèi)星接收機載噪比與G/T值的計算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)設計6.7 TDMA系統(tǒng)中的衛(wèi)星線路參數(shù)設計及容量計算 數(shù)字信道是指對話音信號進行PCM處理后的數(shù)字化語音信號經(jīng)過多路復用的信道。通常一個數(shù)字通道是指與交換機或終端設備相連接的兩個數(shù)字配線架DDF或等效設備（如DXC設備）間的全部傳輸手段，一般含概了一個或幾個數(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)?，可用嚴重誤碼秒、誤碼秒來衡量系統(tǒng)誤碼性能。1.假設參考數(shù)字連接模型（1）假設參考數(shù)字連接（HRX） ITU-T規(guī)定，在全球范圍內(nèi)任意兩個用戶間的最長假想數(shù)字通道的長度為27500km，其中包括國內(nèi)部分；最長假想?yún)⒖紨?shù)字通道的長度為6900km，這部分又可分為長途網(wǎng)、中繼網(wǎng)和用戶網(wǎng)（接入網(wǎng)）三部分?？梢奍TU-T建議的一個標準的最長HRX包含14個假設參考數(shù)字鏈路和13個交換節(jié)點。（2）假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路（或通道）（HRDL） 為了簡化數(shù)字傳輸系統(tǒng)的研究，把HRX中的兩個相鄰交換點的數(shù)字配線架間所有的傳輸系統(tǒng)

3、、復接和分接設備等各種傳輸單元（不包括交換），用假想?yún)⒖紨?shù)字鏈路（HRDL）表示。（3）假設參考數(shù)字段（HRDS） 一個假想?yún)⒖兼溌罚℉RDL）是由多個假想?yún)⒖紨?shù)字段（HRDS）構(gòu)成的。而一個假想?yún)⒖紨?shù)字段HRDS是指兩個相鄰的數(shù)字配線架DDF或等效設備（例如兩個分插復用器ADM）之間用來傳輸特定速率的數(shù)字信號的線路及設備。2.SDH網(wǎng)絡的誤碼評定參數(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)，因而當同一塊內(nèi)的任意比特發(fā)生差錯時，則認為該塊出現(xiàn)差錯，通常稱該塊為差錯塊，或誤塊。（2）誤碼性能參數(shù) 誤塊秒比（ESR） 嚴重誤塊秒比（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 由假設參考通道模型可知，對于STM-1數(shù)字微波通信系統(tǒng)，其最長的假設參考數(shù)字通道為27500km，這樣其全程端到端的誤碼特性應滿足表6-1的要求。2.指標分配 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)段分配的基礎上結(jié)合按距離分配的方法。（1）國際部分 國際部分是指兩個終端國家的IG之間的部分。（2）國內(nèi)部分 國內(nèi)部分從IG到通道終端點（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分配6.2 數(shù)字微波的信道噪聲與噪

5、聲指標分配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的固有熱噪聲和收發(fā)本振熱噪聲。（1）收信機的固有熱噪聲N固=NFKT0B（2）收發(fā)本振源的熱噪聲 對收發(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)來看，基本上可分為兩大類：一類是設備及饋線系統(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，可認為是外來干擾。（1）回波干擾 在饋線及分路系統(tǒng)中，有很多導波元件，當導波元件之間的連接處的連接不理想時，會形成對電

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 在同一個微波站中，對某個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饋線系統(tǒng)的收發(fā)公用器件（也可能通過天線端的反射）而進入收信機，從而形成收發(fā)支路間的干擾。（4）鄰近波道干擾 當多波道工作時，發(fā)端或收端各波道的射頻頻率之間應有一定的間隔，否則就會造成對鄰近波道的干擾。（5）天線系統(tǒng)的同頻干擾 天線間的耦合會使二頻制系統(tǒng)通過多種途徑產(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)評價 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，對噪聲干擾的這種分類法是與數(shù)字微波信道傳播特點相適應的。 恒定惡化干擾是指與電波衰落無關的各種噪聲，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)計算6.3.1 信道的基本性能和主要線路參數(shù)計算1.一定誤碼率要求下的實際門限電平值 理論載噪比表示的是一定誤碼率指標F信號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，但沒有考慮設備性能不完善的影響（指N固）。【例6-1】已知某數(shù)字微波通信系統(tǒng)的技術指標如下：門限載噪比=23.1dB（沒有考慮固定惡化成分）, 接收機噪聲系數(shù)=1.62 ,接收機的等效帶寬=25.833MHz，試計算出該系統(tǒng)的實際門限電平值。2.衰落儲備 衰落儲備包括平衰落儲備和多徑衰落儲備，下面分別進行介紹。（1）平衰落儲備 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）多徑衰落儲備 當寬帶信號經(jīng)多徑傳播時，由于所傳輸?shù)穆窂讲煌?，因此信號到達接收端的時延不同，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）復合平衰落儲備 在采用空間分集技術的系統(tǒng)中，由于接收信號分別經(jīng)過主接收系統(tǒng)和分接收系統(tǒng)，然后被送入中頻合成器進行同相合成，此時系統(tǒng)的衰落特性就得到了改善，我們稱通過空間分集而改善的特性為復合平衰落儲備Mfc，可用下式計算： 其中Mf1，Mf2分別表示兩個分集接收系統(tǒng)的平衰落儲備，而Max（Mf1，Mf2）則代表取兩者中間最大的數(shù)值，d12表示兩個分集系統(tǒng)的天線收信電平差。3.衰落概率指標分配 數(shù)字微波傳輸信道是以高誤碼率作為設計指標的，所以這里所指的分配當然是指高誤碼率時對應的衰落概率指標分配。（1）不同信道的衰落概率分配 電話傳輸信道 當一條實際微波電路的總長為d公里時，則該電路分配

10、允許的衰落概率指標不得超過 數(shù)據(jù)傳輸信道 當實際電路長度為d公里時，其允許的衰落概率指標不得超過：（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來表示，即Pm=Pmf+Pms 平衰落所引起的衰落概率Pmf 我國在確定衰落概率時是根據(jù)ITU的規(guī)定，以下列經(jīng)驗式進行計算的：頻率選擇性衰落引起的衰落概率Pms 當存在多徑衰落時，由于不同路徑的信號，其傳輸時延不同，會對主信號構(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.采用備用波道時的衰落概率改善 當某中繼段的衰落概率指標大于式（6-6）（針對電話傳輸波道）計算出的分配值Px時，我們可以考慮采用備用波道方式來改善系統(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的關系，并可用下式表述：2.采用分集技術時的衰落概率改善 常用的分集技術有空間分集和頻率分集。對于地面反射所引起的多徑衰落，常采用空間分集的方式來克服其影響。 我們用Pfd+sd來表示采用空間分集時的衰落概率，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，接收機實際門限電平Pr門= -74.8dBm(BER10-3),實際門限載噪比（C實/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)星接收機載噪比與G/T值的計算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，下面分別進行介紹。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，接收機所接收的信號功率非常弱，因此對噪聲非常敏感。（1）熱噪聲 系統(tǒng)中的任何器件和設備工作時，都會給系統(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，天線都是用來完成射頻信號的發(fā)送與接收工作的設備。 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。 由于噪聲是通過接收機天線進入系統(tǒng)的，為了衡量進入接收系統(tǒng)的噪聲大小，因而我們提出了一個新的物理量天線噪聲溫度。在圖6-5中給出了一個典型地面

14、站受到大氣吸收（實線）和銀河系外噪聲（虛線）影響時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是系統(tǒng)的重要噪聲來源。如果天線與低噪聲放大器間的饋線對信號具有1/L的衰減量，那么接收系統(tǒng)噪聲溫度Tt可用下式來表示：Tt=TA/L+Ti（11/L）+Tr其中，Ti為環(huán)境噪聲溫度（通常假設為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)中運用的多址方式有關，這里我們詳細介紹幾種常見的干擾。（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的干擾，其產(chǎn)生的原因主要如下。 相鄰波道間隔過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 當衛(wèi)星系統(tǒng)中采用了空分多址方式時，即采用波束隔離方式，它首先是將地球表面分成若干個區(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，使得兩個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波束（一個是水平極化波，另一個是垂直極化波）來實現(xiàn)信號隔離。（5）碼間干擾 當數(shù)字序列經(jīng)過具有理想低通特性的信道時，如果其傳輸速率以及所占用信道帶寬滿足奈奎斯特準則，那么其輸出信號序列中各比特間不存在碼間干擾。（6）同頻干擾 所有進入接收機通帶內(nèi)的、與本信道頻率相同的或相近的無用信號都會對本信道信號構(gòu)成干擾，這種干擾就是同頻干擾。6.4.2 接收機載噪比與地球站性能因數(shù)G/T值1.接收機輸入端的信號功率 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為接收天線開口面積，因而接收

17、天線的增益為當以PT功率發(fā)射，同時發(fā)信天線的功率增益為GT時，那么接收站所接收的信號功率C可用下式表示：其中Lp=（4d/）2為自由空間的傳輸衰減。2.接收機輸入端載噪比 接收機輸入端載噪比是指接收機輸入端所接收到的有用信號功率與噪聲之比，用符號C/N表示。3.地球站性能因數(shù)G/T值 由式（6-18）可以看出，當設計好一個衛(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，當接收機輸入端匹配時，折合到輸入端的熱噪聲功率為N=KTB。這樣 與 的關系可表示為 。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)器達到最大飽和輸出時，其輸入端所需的信號功率，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出 值的表達式：（2）多載波條件下的C/T值具體方法就是進行輸入補償，即使總的輸入信號功率從飽和點減少一定數(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，它們的關系可用下式表示：EIRPEM=EIRPESBOl式中BOl為輸入補償值。2.下行鏈路的C/T值 與上行鏈路C/T值的表示方式相對應，我們用C/TD來表示下行鏈路中的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章中我們曾經(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)器必須具有同時對多載波進行放大的能力，因而在轉(zhuǎn)發(fā)器中采用行波管放大器來完成放大功能。6.5.3 衛(wèi)星鏈路的總C/T值 為了便于分析，我們在對某衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路進行