衛(wèi)星通信課件第3章(xsy)(NXPowerLite)

衛(wèi)星通信課件第3章(xsy)(NXPowerLite)第一頁，共33頁。影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播的因素2第二頁，共33頁。傳播損耗3.1星—地鏈路的傳播特性

自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡(jiǎn)單的傳播方式。自由空間是一個(gè)理想化的概念，為人們研究電波傳播提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的計(jì)算環(huán)境。星際鏈路傳送可認(rèn)為是自由空間傳播，星-地之間的傳播特性由自由空間和近地大氣的傳播特性所決定。

3.1.1.自由空間傳播損耗衛(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(dòng)通信系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N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(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一額外的損耗,而移動(dòng)衛(wèi)星通信則不可避免。3第三頁，共33頁。電波從點(diǎn)源全向天線發(fā)出后在自由空間傳播，能量將擴(kuò)散到一個(gè)球面上。如用定向天線，電波將向某一方向會(huì)聚，在此方向上獲得增益，那么到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)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；

LP為自由空間傳播損耗4第四頁，共33頁。用分貝表示，則為：

例題：已知IS-IV號(hào)衛(wèi)星作點(diǎn)波束1872路運(yùn)用時(shí)，其等效全向輻射功率[EIRP]s=34.2dBW,接收天線增益GRS=16.7dB。又知某地球站有效全向輻射功率[EIRP]E=98.6dBW,接收天線增益GRE=60.0dB,接收饋線損耗LFRE=0.05dB。試計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率CS和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE。

解：若上行工作頻率為6GHz，下行頻率為4GHz，距離為，d=40000km。5第五頁，共33頁。上行線路傳輸損耗為：[Lu]=92.44+20lgd(km)+20lgf(GHz)=92.44+20lg40000+20lg6=200.04dBW下行線路傳輸損耗為：[Ld]=92.44+20lg40000+20lg4=196.52dBW衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率為：[Cs]=[PtE]+[GtE]+[GRS]-[Lu]=[EIRP]E+[GRS]-[Lu]=98.6dBW+16.7dBW-

200.04dBW=-84.74dBW=-54.74dBmW

地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率為：[CE]=[EIRP]S+[GRE]-[Ld]-[LFRF]=34.2dBW+60.0dBW-196.52dBW-0.05dBW=-102.37dBW=-72.37dBmW6第六頁，共33頁。3.1.2.鏈路附加損耗

1.大氣吸收損耗

在大氣各種氣體中，氧氣、水蒸汽對(duì)電波的吸收衰減起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22．3GHz，氧氣在60GHz(50－70GHz間)。對(duì)非常低的水蒸汽密度，衰減可假定與水蒸汽密度成正比。右圖是不同仰角時(shí)的大氣氣體總衰減。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(dāng)前應(yīng)用最多的頻段。30GHz附近也有一個(gè)低損耗區(qū)。7第七頁，共33頁。2、大氣折射的影響 大氣折射率隨著高度增加、大氣密度減小。電波射線因傳播路徑上的折射率隨高度變化而產(chǎn)生彎曲，波束上翹一個(gè)角度增量。而且這一偏移角還因傳播途中大氣折射率的變化而隨時(shí)變化。 大氣折射率的變動(dòng)對(duì)穿越大氣的電波起到一個(gè)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(guān)。在仰角大于5度時(shí)，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(gè)方向上散射，導(dǎo)致波前到達(dá)大口面天線時(shí)振幅和相位不均勻分布，引起散射衰落，這類損耗較小。（示意見書p32圖3-4）

8第八頁，共33頁。3.2衛(wèi)星移動(dòng)通信鏈路特性

多普勒頻移

在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星與地面移動(dòng)終端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而它們作為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的載體，接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)送信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度，fc為射頻頻率，C為光速，而為衛(wèi)星與用戶之間的連線與速度V方向的夾角(推導(dǎo)見書p36)。

9第九頁，共33頁。3.3天線的方向性和電極化問題

3.3.1天線增益和方向圖

在同一輸入功率下，某天線在最大輻射方向上的輻射強(qiáng)度與理想的各向同性天線均勻輻射強(qiáng)度的比值，稱為增益G

（一般以分貝表示，畫圖）。

天線輻射的功率在空間各方向上是不同的，表示這種輻射功率大小在空間的分布圖稱為天線的方向圖，其主要參數(shù)是主瓣的半功率角（單位為度），通常稱為波束寬度。除主瓣波束寬度外，還有第一旁瓣、第二旁瓣……，以及與主瓣方向相反的后瓣等，統(tǒng)稱旁瓣。

10第十頁，共33頁。3.3.2極化隔離

天線發(fā)射或接收的無線電波極化方向是根據(jù)電波的電場(chǎng)矢量的取向來確定的。一般情況下，在一個(gè)周期內(nèi)電場(chǎng)矢量的頂點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個(gè)橢圓，稱為橢圓極化。 對(duì)于一個(gè)橢圓極化波，可以用三個(gè)參數(shù)來描述它：1、旋轉(zhuǎn)方向（RH或LH）；2、軸比（長(zhǎng)軸與短軸之比）；3、傾角（長(zhǎng)軸相對(duì)于基軸的傾角）。 工程上，通常采用圓極化（CP，Circularpolarization）和線極化（LP，Linearpolarization）兩種極化工作方式。它們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。11第十一頁，共33頁。3.4噪聲與干擾

3.4.1系統(tǒng)熱噪聲

通信系統(tǒng)中使用的所有有源器件都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。為理解熱噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，這里以電路中的一個(gè)電阻為例來說明。從電阻外部看，其內(nèi)部電子自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量就像是其兩端施加了一個(gè)隨機(jī)起伏的電壓。噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)F（或NF）定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比：12第十二頁，共33頁。1.等效噪聲溫度Te和噪聲系數(shù)NF

衛(wèi)星通信中，遇到的大部分電路是線性或近似線性的，因此，可以用一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)來描述。由于所有器件都會(huì)或多或少地產(chǎn)生噪聲，這些內(nèi)部噪聲可能是熱的也可能不是，而為了分析、設(shè)計(jì)線路的方便，希望能把它們統(tǒng)統(tǒng)等效成熱噪聲來處理，因而引人等效噪聲溫度的概念。

一個(gè)實(shí)際有源器件的等效噪聲溫度Te定義為：若在該有源器件（本身產(chǎn)生噪聲）輸人端連接一個(gè)無噪聲電阻時(shí)的輸出噪聲功率為ΔN（相當(dāng)于環(huán)境溫度下該器件新增的噪聲功率），則如果把該有源器件看成是理想（無噪聲）有源器件，為在其輸出端產(chǎn)生相同噪聲功率而需要其輸人端連接一個(gè)噪聲溫度為Te的電阻，Te稱為網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。這樣網(wǎng)絡(luò)輸出端的噪聲功率由兩部分組成：一部分由網(wǎng)絡(luò)輸入端的匹配電阻產(chǎn)生的噪聲所引起（記為Nio)，另一部分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲的貢獻(xiàn)ΔN。這樣，輸出噪聲功率為：

13第十三頁，共33頁。To是輸入匹配電阻的噪聲溫度，在輸出端產(chǎn)生的噪聲為上式第一項(xiàng)，第二項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲在其輸出端的貢獻(xiàn)。噪聲系數(shù)為：14第十四頁，共33頁。2.級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

衛(wèi)星通信接收機(jī)是由天線、饋線、低噪聲放大器、混頻器等一系列網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成的.假定級(jí)聯(lián)的n個(gè)網(wǎng)絡(luò)的增益和等效噪聲溫度分別為和。并認(rèn)為n個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲帶寬B都相同，可得1、2、…，n級(jí)網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率分別為：

kB(T+Te1)A1kB(T+Te1)A1A2+kBTe2A2……kB(T+Te1)A1A2…An+kBTe2A2A3…An+…+kBTen其中T為輸入端噪聲溫度。（參見書p41附頁）15第十五頁，共33頁。如果用表示n個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后的等效噪聲溫度，則n級(jí)網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率可表示為：其中表示n個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后的總等效噪聲溫度：16第十六頁，共33頁。例題1(3-9)天線噪聲溫度為35K，與之匹配的接收機(jī)噪聲溫度為100K。計(jì)算（a）噪聲功率譜密度（b）帶寬為36MHz的噪聲功率解：總的等效噪聲溫度T等于各網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度之和。（a）n0=kT=1.38×10-23×(35+100)=1.86×10-21J(b)PN=n0f=1.86×10-21×36×106＝0.067pW（皮瓦）17第十七頁，共33頁。例題2(3-10)LNA與一個(gè)接收機(jī)相聯(lián)，接收機(jī)的噪聲系數(shù)為12dB，LNA增益為40dB，噪聲溫度120K。計(jì)算LNA輸入的全噪聲溫度(總等效輸入噪聲溫度）。解：環(huán)境溫度為T0=290K，NF2=12dB＝15.85，因此接收機(jī)的等效噪聲溫度為：Te2=(NF2-1)T0=(15.85-1)×290＝4306K增益A1=40dB相當(dāng)于10000，LNA輸入的全噪聲溫度為：Tin=Te1+Te2/A1=120+4360/10000=120.43K18第十八頁，共33頁。3.4.2宇宙噪聲及其他干擾 宇宙噪聲源自外層空間，是由恒星和星際物質(zhì)的熱氣體輻射的。平均宇宙噪聲功率隨著頻率的增加而下降，當(dāng)頻率高于1GHz時(shí)，宇宙噪聲功率可以忽略。在天空中的某些部分，其噪聲功率非常低（有時(shí)稱為“冷空”）；而在其他地方則相對(duì)較高（稱為“熱空”）。天空中也存在一些離散的高強(qiáng)度的點(diǎn)噪聲源（即通常所說的“射電星”）。 太陽的噪聲溫度也與太陽的狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)處在太陽黑子活躍期時(shí)約會(huì)增加102~104K。在春分和秋分前后，所有地球站天線的主瓣都會(huì)直接對(duì)著太陽，因此天線噪聲溫度會(huì)大大增加，造成通信中斷，這就是所謂的“日凌中斷”。 其他干擾見書P4319第十九頁，共33頁。3.5衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量

(1)天線的增益和波束寬度 衛(wèi)星通信中，一般使用定向天線，它把電磁能量聚集在某一方向輻射。定向天線增益G的定義為

上式中，G用分貝為單位時(shí)，除用(dB)符號(hào)外，還有的用(dBi)的符號(hào)，以示相對(duì)于無方向性(各向同性)天線而言。 衛(wèi)星通信中使用的喇叭天線、拋物面天線等面天線的增益可按下式計(jì)算：式中，A為天線口面面積（m2）;λ為工作波長(zhǎng)（m）；η為天線效率。f為以GHz為單位的載波頻率，D為天線口徑（m）?，F(xiàn)代卡塞哥倫天線的η可達(dá)0.75(f=4GHz)、0.65（f=6GHz）左右。拋物面天線波束的半功率點(diǎn)寬度θ0.5近似為20第二十頁，共33頁。式中，D為拋物面天線主反射器的口面直徑(m），由此可見天線直徑越大，其方向性越好。

例題口徑為3m的拋物面天線，工作頻率12GHz，天線效率為0.55，計(jì)算該天線增益。解：G==0.55×（10.472×12×3）2＝78168＝48.9dB21第二十一頁，共33頁。(2)有效全向輻射功率 衛(wèi)星通信中，常常用有效全向輻射功率EIRP(或e.i.r.p)來代表地球站或通信衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力。它指的是天線所發(fā)射的功率PT與該天線增益GT的乘積，即EIRP＝PTGT(W) 它表明了定向天線在最大輻射方向?qū)嶋H所輻射的功率．它比全向輻射時(shí)在這個(gè)方向上所輻射的功率大GT倍，名稱上?！坝行А币簿褪沁@個(gè)含義。

例題：衛(wèi)星下行鏈路工作在12GHz，有6W的發(fā)射功率，天線增益48.2dB。計(jì)算以dBW表示的EIRP值。解：[EIRP]=10log6+48.2=56dBW22第二十二頁，共33頁。(3)接收系統(tǒng)性能因數(shù)G／T 為保證接收信號(hào)的質(zhì)量，接收系統(tǒng)必須具有足夠的裁噪比(信噪比）．當(dāng)工作頻率、信號(hào)形式、衛(wèi)星和地球站位置確定后，信號(hào)的傳輸損耗L以及接收系統(tǒng)的噪聲等效帶寬Bn也就基本確定，這樣，載噪比就決定于發(fā)端的[EIRP]及收端的[G／T]。我們把接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度之比G／T的分貝值，稱為接收系統(tǒng)性能因數(shù)或品質(zhì)因數(shù)。

23第二十三頁，共33頁。(4)載噪比 解調(diào)器輸出的被恢復(fù)的基帶信號(hào)質(zhì)量的好壞，通常模擬制用信噪比（S／N）、數(shù)字制用誤碼率（Pe）或誤比特率（Pb）作為最基本的度量。而其好壞，在設(shè)備一定的條件下，就取決于解調(diào)器輸人端的載噪比。 我們采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用的符號(hào)C，G和N來表示接收信號(hào)（載波）功率，接收天線增益和接收端的噪聲功率，接收信號(hào)的信（載）噪比C/N為：

24第二十四頁，共33頁。在進(jìn)行鏈路預(yù)算分析時(shí)，為了避免涉及接收機(jī)的帶寬，除載噪比C/N作為系統(tǒng)的重要參數(shù)外，也常用載波功率與等效噪聲溫度之比C/T。將N=kTB代入上式，有

25第二十五頁，共33頁。例題(3-12)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(jī)的G/T值為19.5dB/K，接收機(jī)饋線損耗1dB，EIRP為48dBW。計(jì)算載噪比頻譜密度。解：K=10lg(1.38*10-23)=-228.6dB由（3-28）式得：C/N=[EIRP+G/T-L-K-B]dB=[EIRP+G/T-L-K]dBHz=48+19.5-（206+2+1+1）-（-228.6）=86.1dBHzdBHz表示以1Hz的頻率為參考的分貝值（相對(duì)于1Hz的分貝值）。26第二十六頁，共33頁。鏈路預(yù)算分析

方程參數(shù)（以dB計(jì)）與微波鏈路單元電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系

發(fā)射機(jī)接收機(jī)PtPr發(fā)送波導(dǎo)Lt接收波導(dǎo)Lr發(fā)射天線Gt接收天線Gr自由空間傳播LfPt－Lt＋Gt－Lf＋Gr－Lr＝Pr27第二十七頁，共33頁。接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度 在一個(gè)接收機(jī)中，通常用接收系統(tǒng)（等效）噪聲溫度來衡量所有噪聲的綜合影響，它是把所有噪聲源的噪聲溫度都折算到低噪聲放大器（LNA）輸人端后相加得到的。書p45畫出了接收機(jī)中對(duì)接收系統(tǒng)噪聲溫度有影響的主要噪聲來源。天線噪聲功率被無源器件（饋源、傳輸線）衰減1／LF，但它們同時(shí)也會(huì)引人噪聲。Tae=

Ta/LF饋線噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端為(見書p45附)

TFe=

T0(1-1/LF)

28第二十八頁，共33頁。接收系統(tǒng)噪聲溫度可用下式來計(jì)算：

T＝Ta/LF＋T0(1-1/LF)＋Tre(見書p45(3-33)式）其中，T0為環(huán)境噪聲溫度（通常假定為290K）；Ta為天線噪聲溫度；LF為天線到LNA之間的衰減量；