衛(wèi)星通信導論（第5版）PPT完整全套教學課件

衛(wèi)星通信第1章衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述.ppt第2章衛(wèi)星軌道.ppt第3章鏈路傳輸工程.ppt第4章多址技術.ppt第5章星載和地球站設備.ppt第6章VSAT通信網.ppt第7章衛(wèi)星移動通信系統(tǒng).ppt第8章衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng).ppt第9章衛(wèi)星數字電視廣播系統(tǒng).ppt第10章衛(wèi)星定位與導航系統(tǒng).ppt第11章深空通信.ppt全套可編輯PPT課件

課程簡介課程名稱：衛(wèi)星通信課程學時：32周學時：4課程性質：專業(yè)選修課程目的本課程是為通信工程、計算機通信、無線電技術等專業(yè)高年級學生開設的一門專業(yè)課，其目的是使學生掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成、原理和技術的基礎知識。課程特點講述衛(wèi)星通信的基礎知識，側重于基本概念和原理，而對于復雜的數學推導，則從略。課程概況課程成績計算平時成績：30％（半期考試和作業(yè)各占15％）期末考試：70％通信：在兩個或多個位置實現信息的傳輸、接收和處理。有線通信：光纖、電纜、明線無線通信：短波/超短波通信、微波中繼通信、地面移動通信、衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是個人通信網的組成部分，是地面通信網的補充。

衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的概念

衛(wèi)星通信是指利用通信衛(wèi)星轉發(fā)器實現地球站（或手持終端）之間、或者地球站與航天器之間的無線電通信。教材和參考書朱立東等，《衛(wèi)星通信導論》（第3版），北京：電子工業(yè)出版社，2009年11月第1次印刷（衛(wèi)星通信課程教材）DennisRoddy.SatelliteCommunications.TheMcGraw-HillCompanies,inc.,2002（清華大學出版社）TimothyPratt,CharlesBostianandJeremyAllnutt.SatelliteCommunications.NewYork:JohnWilyandSons,Inc.,2003（電子工業(yè)出版社）張乃通等，《衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)》(第2版），北京：電子工業(yè)出版社，2000ErichLutz,MarkusWernerandAxelJahn.SatelliteSystemsforPersonalandBroadCommunications.Berlin:Springer-Verlag,2000第一章衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述一、衛(wèi)星軌道二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成三、衛(wèi)星通信的業(yè)務類型四、頻率分配五、衛(wèi)星通信的特點六、衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史七、通信衛(wèi)星的分類八、衛(wèi)星通信的研究動態(tài)九、衛(wèi)星通信的應用一、衛(wèi)星軌道

假設地球是質量均勻分布的圓球體，忽略太陽、月球和其它行星的引力作用，衛(wèi)星運動服從開普勒三大定律。開普勒定律

開普勒第一定律：衛(wèi)星以地心為一個焦點做橢圓運動。其軌道平面的極坐標為：

圖1橢圓軌道的示意圖

開普勒第二定律：衛(wèi)星與地心的連線在相同時間內掃過的面積相等。

V為衛(wèi)星在軌道上的瞬時速度。其中a為橢圓軌道的半長軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。u為開普勒常數，u值為398601.58*109m3/s2

開普勒第三定律：衛(wèi)星運轉周期的平方與軌道半長軸的3次方成正比。

u為開普勒常數，u值為398601.58109m3/s2。(1)地球非球形引起的攝動，表現為：衛(wèi)星的軌道面繞地軸緩慢轉動近地點位置變化（2）大氣阻力的影響衛(wèi)星軌道的遠地點降低，長軸縮短，即運行周期縮短偏心率減小，軌道愈變愈圓

衛(wèi)星軌道攝動

地球形狀不規(guī)則大氣阻力太陽和月球引力二、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成空間段 主要是衛(wèi)星本身。星體包括兩大子系統(tǒng)：星載設備和衛(wèi)星母體。地面段 典型的地面段即地球站，包括地面衛(wèi)星控制中心（SCC,Satellitecontrolcenter）及其跟蹤、遙測和指令站（TT&C,Tracking,telemetryandcommandstation）。用戶段：各種用戶終端三、衛(wèi)星通信的業(yè)務類型ITU(InternationalTelecommunicationUnion)定義三種業(yè)務類型：固定衛(wèi)星業(yè)務FSS(Fixedsatelliteservice)移動衛(wèi)星業(yè)務MSS(Mobilesatelliteservice)廣播衛(wèi)星業(yè)務BSS(Broadcastingsatelliteservice)四、頻率分配衛(wèi)星通信的頻率窗口：大氣對不同頻率電波傳播的吸收損耗差異很大，形成星－地傳輸的頻率窗口。吸收損耗在22和60GHz有峰值。衛(wèi)星通信頻段：目前常用頻段有L，S，C，X，Ku，Ka。

L頻段：1～2GHZ，一般記為1.6/1.5G(上行/

下行)，用于MSS，GEO衛(wèi)星測控。

S頻段：2～4GHz，用于MSS，GEO衛(wèi)星測控。

C頻段：4～7GHz，用于FSS和MSS的饋電鏈路。

Ku頻段：12～18GHz，用于FSS，BSS。

Ka頻段：20～40GHz,用于FSS，MSS。此外，VHF、UHF用于低軌小衛(wèi)星通信。

VHF頻段：0.1~0.3GHz，用于移動、導航業(yè)務

UHF頻段：0.3~1.0GHz，用于移動、導航業(yè)務更高頻段

Q頻段：36.0~46.0GHz，V頻段：46.0~56.0GHz大氣吸收附加損耗與頻率的關系五、衛(wèi)星通信的特點服務范圍寬：一顆GEO衛(wèi)星覆蓋全球表面的

42%；中低軌星座系統(tǒng)可實現全球覆蓋?？捎妙l段寬：從150MHz～30GHz(Ka波段)。目前已開始開發(fā)Q、V波段(40～50GHz)。網絡路由簡捷：旁路復雜的地面“網絡云”。跨國公司專網。網絡建設速度快、成本低：除建站外，無需地面施工。運行維護費用低。系統(tǒng)均勻服務，易引入新業(yè)務：統(tǒng)一的業(yè)務提供商，利于系統(tǒng)為各地區(qū)提供均勻的服務。衛(wèi)星通信在中國的特殊地位幅員遼闊人口眾多地區(qū)發(fā)展不平衡中國有60％左右的地區(qū)是地面網盲區(qū)，如海洋、高山、沙漠和草原等，通信的困難甚至成為人們生存的障礙由于衛(wèi)星通信相對于地面通信網的綜合造價成本高，終端貴，因此，衛(wèi)星通信的市場定位應該是地面通信網的延伸和補充，主要服務于地面通信網不能覆蓋的區(qū)域及有特殊通信需求的人群衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣，可以較經濟地為地面蜂窩網覆蓋范圍以外的用戶“唯星用戶”提供移動通信業(yè)務解決邊遠地區(qū)通信服務、企業(yè)專網、洲際通信、國防通信，與地面通信網結合解決廣域無縫覆蓋衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)能擴大地面移動通信的地理和業(yè)務覆蓋范圍，除提供常規(guī)的移動通信業(yè)務外，還可向空中、海面和復雜地理結構的地面區(qū)域的各類移動用戶提供服務。從應用來講，地面移動通信網主要集中在高業(yè)務量的應用環(huán)境，而衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)最適合于低業(yè)務量地區(qū)、航海、航空及地面網欠發(fā)達地區(qū)的應用環(huán)境，并且在地面網絡過載或發(fā)生故障時作為其迂回網絡。衛(wèi)星移動通信和地面移動通信六、世界衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1945年ClarkeA.C.提出三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星Sputnik1963年美國發(fā)射世界上第一顆同步軌道衛(wèi)星SYNCOM1964年INTERSAT成立1965年第一顆商用同步衛(wèi)星“晨鳥”進入軌道1975年第一次通過衛(wèi)星成功實現直接廣播試驗衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史（續(xù)）1979年INMARSAT成立1982年國際海事衛(wèi)星通信進入運行1984年第一個DTH系統(tǒng)在日本進入運行1987年INMARSAT成功進行地面移動衛(wèi)星通信試驗1989～1990年INMARSAT將全球移動衛(wèi)星通信業(yè)務擴展到地面和空間移動通信領域1995年WRC對非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)分配新頻譜；商用LEO衛(wèi)星系統(tǒng)ORBCOM第一次傳送低速數據試驗成功1998年通過LEO星座引入手機通信業(yè)務1999~2000年引入衛(wèi)星直接廣播語音業(yè)務2000~2005年引入寬帶個人通信，Ka頻段發(fā)展迅速中國衛(wèi)星通信的發(fā)展中國第一顆試驗衛(wèi)星“東方紅一號”于1970年4月24日發(fā)射成功，重37Kg，運轉周期110分鐘，繞地球一周，以旋極化的全球波束向全球廣播“東方紅樂曲”。東方紅一號中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）1984年8月8日成功發(fā)射第一顆同步軌道試驗通信衛(wèi)星“東方紅二-1”，定位在125°E，重433Kg，攜帶2個8W的C頻段轉發(fā)器，以全球波束輻射，中心波束為23.4dBW。1986年2月1日“東方紅二號-2“成功定位在103°E，攜帶2個C頻轉發(fā)器，以區(qū)域橢圓波束輻射傳送，重433Kg，中心波束為34.5dBW。攜帶2個8W的C頻段轉發(fā)器，以全球波束輻射，中心波束為23.4dBW。中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）1988年3月7日“東方紅二號甲-1“簡稱“東二甲-1“，對外稱“中衛(wèi)一號“定位在87.5°E，波束中心指向101.7°E，34.11°N，中心波束為36dBW。4個C頻段轉發(fā)器，二個8W，二個10W，以區(qū)域橢圓波束輻射傳送。衛(wèi)星重441Kg，壽命7年。1990年2月4日“東方紅二號甲3“簡稱“東二甲3“，對外稱“中衛(wèi)三號“定位在98°E，波束中心指向103.23°E，33.84°N，中心波束36dBW。4個C頻段轉發(fā)器以區(qū)域橢圓波束輻射傳送。衛(wèi)星重441Kg。中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）1991年12月28日“東方紅三號”發(fā)射但衛(wèi)星定位失敗。1993年7月“中星五號”衛(wèi)星啟用，定位115.5o，播出8個省級節(jié)目。1996年7月3日『亞太一A』在西昌發(fā)射中心成功發(fā)射，本衛(wèi)星和『亞太一號』相同為C頻段雙極星，定位于東經134°E，臺灣地區(qū)信號覆蓋強度為37dBm，接收容易。1997年5月11日新的“東方紅三號”又稱為“中衛(wèi)6號”發(fā)射成功，它是新型大功率的衛(wèi)星，攜帶24個C頻段轉發(fā)器，定位125°E。中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）1998年5月30日新的“中衛(wèi)一號”發(fā)射成功。它是第一顆攜帶Ku頻段的新型大功率的衛(wèi)星，攜帶18個

C頻段轉發(fā)器，定位在87.5°E。1998年7月18日“鑫諾一號”發(fā)射成功。攜帶14個Ku頻段轉發(fā)器和24個C頻段轉發(fā)器和一對C-Ku頻段互聯(lián)轉發(fā)器，定位在110.5°E。中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）2003年10月21日11時16分，太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征”四號乙運載火箭成功地將中國與巴西聯(lián)合研制的第二顆“資源一號”衛(wèi)星和中國科學院研制的“創(chuàng)新一號”小衛(wèi)星送入太空?；鸺l(fā)射13分鐘后，“資源一號”衛(wèi)星進入太陽同步軌道?；鸺^續(xù)飛行約40秒后，“創(chuàng)新一號”衛(wèi)星與火箭分離，進入預定軌道。中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）2003年10月15日，神州五號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。2005年10月12日，神州五號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。2008年9月25日成功發(fā)射神州五號中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）2006年10月29日“鑫諾二號”衛(wèi)星在西昌發(fā)射成功，但是在定點過程中出現技術故障，致使太陽帆板二次展開和通信天線展開未能完成，無法提供通信廣播傳輸服務2000年10月31日、12月21日、2003年5月25日、2007年2月3日先后成功發(fā)射四顆北斗導航試驗衛(wèi)星

2007年4月14日中國成功發(fā)射了第一顆北斗導航衛(wèi)星北斗導航試驗衛(wèi)星一號（Beidou-1）中國衛(wèi)星發(fā)展史（續(xù)）2007年6月1日“鑫諾三號”衛(wèi)星在西昌發(fā)射成功，軌道位置：E125o，覆蓋中國及周邊國家和地區(qū)。2008年4月25日中國首顆數據中繼衛(wèi)星“天鏈一號01星”在西昌發(fā)射成功，其任務是為衛(wèi)星、飛船等航天器提高數據中繼和測控服務2009年4月15日第2顆北斗導航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射2010年1月17日第3顆北斗導航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)的C、Ku頻段靜止軌道衛(wèi)星將保持穩(wěn)定發(fā)展，并將以大容量(轉發(fā)器數量在50個左右)、高功率(功率為8000瓦至15000瓦)和長壽命(壽命在15年左右)的新系統(tǒng)逐步更換現有系統(tǒng)。靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)服務對象將從原有的傳統(tǒng)用戶轉移至缺少陸地服務的邊遠地區(qū)。Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)已逐步走向實用化，衛(wèi)星通信網從窄帶向寬帶過渡，如覆蓋美洲的EchoStar-Ka、ASTROLINK和PAS等。

衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢（續(xù)）窄帶的中、低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)投入運行，如Iridium、ICO和Globalstar等系統(tǒng)。寬帶低軌道系統(tǒng)正在加緊開發(fā)之中，預計在21世紀初可陸續(xù)發(fā)射，用于高速數據和可視電話傳輸。如Teledesic系統(tǒng)共包括288顆衛(wèi)星，工作于Ka頻段，壽命設計為10年左右。小型低軌衛(wèi)星系統(tǒng)已陸續(xù)投入運行，用于低速數據傳輸，如E-Sat、GEAmerican和GEMnet等系統(tǒng)。全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)將面臨升級換代的問題。中、低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)為適應新技術發(fā)展和系統(tǒng)對容量的更大要求已形成了新的演變過渡方案，如Iridium系統(tǒng)將其運行的衛(wèi)星數目從66顆增加至96顆。隨著1997年9月26日美國FCC頻率申請計劃新周期的開始，Q、V段新系統(tǒng)紛紛推出，各公司開始申請Q和V頻段新系統(tǒng)。衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢（續(xù)）同步衛(wèi)星向大容量、多波束、智能化方向發(fā)展低軌衛(wèi)星與地面蜂窩通信相結合，實現全球個人通信小衛(wèi)星通信地面站的廣泛應用數字視頻廣播(DVB)和數字音頻廣播步入家庭和個人用戶多媒體通信和Internet接入微小衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星的快速發(fā)展衛(wèi)星通信技術空間段技術地面段技術用戶終端技術衛(wèi)星通信技術空間段技術

衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間段：衛(wèi)星重量、功率和尺寸，星上通信設備。衛(wèi)星轉發(fā)器數目增多，從最少1個增加到48個，同時每個轉發(fā)器的容量增加到36MHz(C波段)/54MHz(Ku波段)；使用頻段從C波段(6/4GHz)移向Ku波段(14/12GHz或14/11GHz；星上天線增多，從第四代衛(wèi)星開始逐步形成由全球波束、半球波束、區(qū)域波束和點波束組成的多波束系統(tǒng)，頻率復用次數增多；實現星上波束交換

衛(wèi)星通信技術（續(xù)）地面段技術以前：超低溫參數放大器，速調管或行波管放大器；現在：全固化常溫低噪聲放大器和全固化功率放大器發(fā)展起來；衛(wèi)星功率不斷增大，地面站逐步由大變小，天線直徑由30米減小到幾米甚至不到1米。

需要發(fā)展的一些技術更高頻段的開發(fā)和多頻段共用多星共位大型可展開天線技術動態(tài)可調功率放大器技術先進的調制、編碼和壓縮技術高功率、高EIRP技術星座衛(wèi)星系統(tǒng)關鍵技術星座設計星間鏈路多波束天線技術星上交換和處理移動性管理技術網絡控制和管理技術衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的綜合應用（微）小衛(wèi)星技術七、通信衛(wèi)星的分類按軌道分：GEO，HEO，MEO，LEO按工作區(qū)域分：國際通信衛(wèi)星、國內通信衛(wèi)星、區(qū)域通信衛(wèi)星按應用領域分：廣播電視衛(wèi)星、跟蹤與數據中繼衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星（如戰(zhàn)略、戰(zhàn)術通信衛(wèi)星、艦隊通信衛(wèi)星、軍用數據轉發(fā)衛(wèi)星等）。衛(wèi)星按重量分類種類重量（kg）大衛(wèi)星>1000中型衛(wèi)星500～1000小衛(wèi)星100～500微小衛(wèi)星10～100納衛(wèi)星1～10皮衛(wèi)星0.1～1飛衛(wèi)星<0.1八、衛(wèi)星通信的研究動態(tài)國外衛(wèi)星研究動態(tài)英國：Surrey大學，ICO全球通信公司的ICO(10355km,12顆衛(wèi)星，軌道傾角45度美國：Motorola銥系統(tǒng)，Loral和Qualcomm的全球星系統(tǒng)，Microsoft公司參與的“Teledesic”系統(tǒng)俄羅斯：Informcosmos的Marathon-Acros（GEO,5)，2003年預計發(fā)射40余顆通信衛(wèi)星和探測衛(wèi)星德國：SATCON公司的LEOSATCOURIER(800km，77顆衛(wèi)星，軌道傾角77度）法國：AlcatelEspace的SkyBridge(1457km,64顆衛(wèi)星）美國大學納衛(wèi)星計劃項目承擔單位“3星”星群（3-Sat）亞歷桑那大學，科羅拉多大學，新墨西哥大學電磁輻射與閃光探測（Emerald）斯坦福大學和克拉拉大學電離層探測與衛(wèi)星編隊（ION-F）猶他大學，弗吉尼亞工學院，華盛頓大學星群開拓者（CP）波士頓大學太陽帆（SB）納衛(wèi)星卡內基美隆大學納衛(wèi)星的發(fā)射與釋放美國空軍研究實驗室九、衛(wèi)星通信應用衛(wèi)星視頻廣播業(yè)務交互式業(yè)務數據通信和Internet業(yè)務移動通信業(yè)務衛(wèi)星導航衛(wèi)星遙感（對空和對地遙感）氣象觀測地球資源勘探、海洋監(jiān)視偵察（包括照相偵察和電子偵察）、預警支持載人航天遠程教育、遠程醫(yī)療衛(wèi)星其它應用

第2章衛(wèi)星軌道

目錄一、與星座有關的基本概念二、衛(wèi)星軌道的分類三、衛(wèi)星的軌道要素四、衛(wèi)星對地面的覆蓋參考書張乃通等，《衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)》，北京：電子工業(yè)出版社，2000年張更新等，《衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)》，北京：人民郵電出版社，2001年王希季，李大耀?！缎l(wèi)星設計學》，上海：上?？茖W技術出版社，1997年一、與星座有關的基本概念天文學的幾個術語升節(jié)點春分點和秋分點日心圓坐標系地心赤道坐標系太陽日恒星日世界時間和地方時天文學的幾個術語天球：人們?yōu)榱吮阌谘芯刻祗w，假想以空間任意點為中心，以無限長為半徑所作的球。

天赤道：延伸地球赤道面而同天球相交的大圓稱為“天赤道”。天極：向南北兩個方向無限延長地球自轉軸所在的直線，與天球形成兩個交點，分別叫作北天極與南天極。黃道：從地球上看，太陽于一年之內在恒星之間所走的視路徑，即地球的公轉軌道平面和天球相交的大圓。黃道和天赤道成23度26分的角，相交于春分點和秋分點。

太陽月球地球衛(wèi)星圖2地球、衛(wèi)星、月球和太陽的相對位置升節(jié)點（或升交點）：衛(wèi)星從地球的南半球向北半球飛行的時候經過地球赤道平面的點。春分點和秋分點：從地球上看，太陽沿黃道逆時針運動，黃道和天赤道在天球上存在相距180°的兩個交點，其中太陽沿黃道從天赤道以南向北通過天赤道的那一點，稱為春分點，與春分點相隔180°的另一點，稱為秋分點，太陽分別在每年的春分（3月21日前后）和秋分（9月23日前后）通過春分點和秋分點。

簡單地說，春分點為太陽沿黃道從天赤道以南向北通過天赤道的那一點。春分點秋分點黃道天赤道圖4春分點和秋分點示意圖日心（Heliocentric）橢圓坐標系：坐標系的原點是太陽的中心，其XY基準平面與地球繞著太陽旋轉的橢圓軌道面重合。X軸定義為連接原點和橢圓面與地球赤道面的橫斷面的連線，其正方向指向春分點方向。Y軸的正方向指向X軸正方向的東方，Z軸的正方向指向原點的北方。

地心（Geocentric）赤道坐標系：坐標原點為地心；坐標軸X在赤道平面內，指向春分點；Z軸垂直于地球赤道面，與地球自轉角速度方向一致；Y軸與X軸、Z軸垂直，構成右手系。太陽日：一個太陽日是指太陽連續(xù)經過當地子午線的時間間隔，即通常所說的一天。如果地球只是自轉，而不繞著太陽轉的話，一個太陽日就應該與地球自轉一圈的時間相同。實際上，地球除了自轉外，還要繞著太陽旋轉（一年轉一圈）。因此，在一個太陽日中地球自轉就超過了360o，平均說來在一個太陽日中地球要多自轉0.986o。恒星日：一個恒星日定義為地球繞其軸自轉360o需的時間。一個恒星日要比一個太陽日短，一個太陽日為24小時，而一個恒星日約為23小時56分4.09秒。對于GEO衛(wèi)星來說，為了與地面上的一點保持相對靜止，其軌道周期就必須是一個恒星日。圖5太陽日和恒星日示意圖世界時間：為了在全世界范圍內確定一個時間基準，選擇英國格林尼治的民用時間作為世界時間（UniversalTime，簡記為UT），因此，世界時間有時也叫格林尼治標準時間（GreenwichMeanTime，簡記為GMT）。地方時：以地方子午圈為基準所決定的時間，叫做地方時。在同一計量系統(tǒng)內，同一瞬間測得地球上任意兩點的地方時刻之差，在數值上等于這兩點的地理經度差。

二、衛(wèi)星軌道的分類按衛(wèi)星軌道的傾角分按衛(wèi)星軌道的偏心率分按軌道的高度分按衛(wèi)星軌道的重復特性分按衛(wèi)星軌道的傾角大小分

衛(wèi)星軌道的傾角是指衛(wèi)星軌道面與赤道平面的夾角。赤道軌道：軌道傾角為0度，軌道面與赤道面重合。極軌道：軌道傾角為90度，軌道平面通過地球南、北極，與赤道平面垂直。順行軌道：軌道傾角大于0度而小于90度，將這種衛(wèi)星送入軌道，運載火箭需要朝偏東方向發(fā)射。利用地球自西向東自轉的一部分速度，從而節(jié)省運載火箭的能量。逆行軌道：軌道傾角大于90度而小于180度，將這種衛(wèi)星送入軌道，運載火箭需要朝偏西方向發(fā)射。不能利用地球自轉速度來節(jié)約運載火箭的能量，反而要付出額外的能量去克服一部分地球自轉速度。

赤道軌道順行軌道

極軌道逆行軌道圖6不同傾角的衛(wèi)星軌道太陽同步軌道：當衛(wèi)星軌道角度大于90度時，地球的非球形重力場使衛(wèi)星的軌道平面由西向東轉動。適當調整衛(wèi)星的高度、傾角、形狀，可以使衛(wèi)星軌道的轉動角速度恰好等于地球繞太陽公轉的平均角速度，這種軌道稱為太陽同步軌道。太陽同步軌道衛(wèi)星可以在相同的當地時間和光照條件下，多次拍攝同一地區(qū)的云層和地面目標，氣象衛(wèi)星和資源衛(wèi)星多采用這種軌道。按衛(wèi)星軌道的偏心率不同分圓軌道：偏心率為零的軌道，偏心率接近零的近圓軌道有時也稱為圓軌道。橢圓軌道：偏心率在0和1之間的軌道。偏心率大于0.2的軌道稱為大偏心率橢圓軌道，又稱大橢圓軌道。沿橢圓軌道運行的衛(wèi)星，探測的空間范圍相對較大。拋物線軌道：偏心率為1的軌道。雙曲線軌道：偏心率大于1的軌道。沿拋物線和雙曲線軌道運行，衛(wèi)星將飛離地球的引力場。行星探測器的星際航行，采用這兩種軌道。圓、橢圓軌道的選擇全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)多采用圓軌道，可以均勻覆蓋南北球區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)，若覆蓋區(qū)域相對于赤道不對稱或覆蓋區(qū)域緯度較高，則宜采用橢圓軌道按衛(wèi)星軌道的高度分低軌道(LEO)：軌道高度低于2000公里。中軌道(MEO)：軌道高度在2000公里和20000公里之間。高軌道(HEO)：軌道高度大于20000公里而又小于35786.6公里。地球靜止軌道(GEO)：軌道高度為35786.6公里。圖7范.艾倫帶示意圖1500km-5000km，以3750km為中心13000km-20000km，以18500km為中心按衛(wèi)星軌道的重復特性分

衛(wèi)星的星下點：衛(wèi)星瞬時位置和地球中心的連線與地球表面的交點?；貧w軌道：衛(wèi)星的星下點軌跡在一天內重復的軌道，一般地球自轉周期與衛(wèi)星軌道周期的比值為整數。準回歸軌道：衛(wèi)星的星下點軌跡間隔N（整正數）日后進行重復的軌道，當N=1時就是回歸軌道。非回歸軌道：衛(wèi)星的星下點軌跡不周期性重迭的軌道。衛(wèi)星星下點圖8星下點軌跡衛(wèi)星星下點軌跡舉例

?一顆軌道高度為13892km，軌道傾角60o，初始位置（0oE，0oN）的衛(wèi)星24小時的星下點軌跡如下圖所示

衛(wèi)星在外層空間沿著軌道運行，而地球在不斷地自轉。衛(wèi)星在沿著橢圓軌道繞地球運行時，其后一圈運行的星下點軌跡一般不重復前一圈運行的星下點軌跡。沿橢圓軌道運行的衛(wèi)星在某一圈運行的星下點軌跡由以下方程決定（定義該圈運行通過升節(jié)點的時刻作為度量零點）。

是衛(wèi)星星下點的地心緯度，單位是度；是衛(wèi)星星下點的地心經度，單位是度；是升節(jié)點的經度，單位是度；是t時刻衛(wèi)星與升節(jié)點之間的角距（從升節(jié)點開始度量，順行方向取正值，逆行方向取負值）；t是飛行時間，單位為秒；是地球自轉角速度，單位為度/秒；

號分別用于順行和逆行軌道。圖9圓軌道衛(wèi)星星下點軌跡圖

衛(wèi)星運動的速度和軌道周期分別為：U為開普勒常數，u=398601.58109m3/s2。圖10圓軌道覆蓋示意圖

其中e是地面上的通信終端對衛(wèi)星的仰角，星下覆蓋區(qū)對應的地球中心角γ(覆蓋地心角)為：仰角e為：S是終端到衛(wèi)星的距離，表示為：用戶到衛(wèi)星的傳播時延為：地球表面上，衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域面積為：衛(wèi)星在地面上的覆蓋半徑為：衛(wèi)星在地球上覆蓋的弧長為：用戶可以通信的軌道弧長為：用戶可以與衛(wèi)星通信的最長時間為：例題一

衛(wèi)星繞地球做圓軌道運動，假設地球半徑為6356.755km，系統(tǒng)要求用戶終端的最小仰角為10o，衛(wèi)星距地面的高度為785km，求（1）單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域面積；（2）用戶到衛(wèi)星的傳播時延；（3）用戶可以與衛(wèi)星通信的最長時間。例題二

有一個由N顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)，已知靜止軌道衛(wèi)星高度H＝36000km，假定地球站天線最小仰角Emin＝20o

。為使該通信系統(tǒng)能夠完全覆蓋地球赤道，問至少要有多少顆衛(wèi)星（N）？三、衛(wèi)星的軌道要素軌道平面傾角i軌道的半長軸a軌道的偏心率e升節(jié)點位置

近地點幅角

衛(wèi)星初始時刻的位置

圖3軌道參數圖

下面討論的衛(wèi)星軌道要素是指單顆衛(wèi)星。軌道平面傾角i：軌道平面與赤道平面的夾角軌道的偏心率e：對于橢圓軌道，是兩個焦點之間的距離與長軸之比。升節(jié)點位置（又稱為升交點赤經）

：從春分點到地心的連線和從升節(jié)點到地心的連線之間的夾角。近地點幅角

：從升節(jié)點到地心的連線與衛(wèi)星近地點和地心連線的夾角。衛(wèi)星初始時刻的位置

：衛(wèi)星在初始時刻到地心的連線與升節(jié)點到地心連線之間的夾角。其中

是初始時刻衛(wèi)星在軌道內的幅角，從升節(jié)點位置開始計算。

在衛(wèi)星軌道的六個要素中，軌道傾角和升節(jié)點位置決定軌道平面在慣性空間的位置，近地點幅角決定軌道在軌道平面內的指向，軌道半長軸和軌道偏心率決定軌道的大小和形狀。對于圓軌道，只需要四個軌道參數，即軌道高度、軌道傾角、升節(jié)點位置和某一特定時刻衛(wèi)星在軌道平面內距升節(jié)點的角距。

四、衛(wèi)星對地面的覆蓋單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域：表示衛(wèi)星在空間軌道上的某一位置對地面的覆蓋。衛(wèi)星的地面覆蓋帶：衛(wèi)星沿空間軌道運行對地面的覆蓋情況。衛(wèi)星環(huán)的覆蓋帶：多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星環(huán)沿空間軌道運行對地面的覆蓋情況。圖11單顆衛(wèi)星覆蓋帶示意圖圖12覆蓋區(qū)域最大斜視距離和可見弧長相對衛(wèi)星軌道高度的關系星座覆蓋形式持續(xù)性全球覆蓋持續(xù)性地帶覆蓋持續(xù)性區(qū)域覆蓋部分覆蓋

持續(xù)性全球覆蓋持續(xù)性地帶覆蓋持續(xù)性區(qū)域覆蓋部分覆蓋圖13不同的覆蓋形式98第3章鏈路傳輸工程99目錄一、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)星通信全鏈路質量六、信道對傳輸信號的損害七、上、下行鏈路的RF干擾100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101

衛(wèi)星通信的電波要經過對流層（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）

500-64,374km102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、冰結晶體C和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)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、定位衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題103衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術參數等效全向輻射功率（EIRP）定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射功率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實際所輻射的功率。

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(NF）的關系為：NF=10lg(1+Te/290)dB品質因素（G/Te）定義：天線增益與噪聲溫度的比值。

G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)104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)。(2-3)式作變換，則105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106習題2.5

某地球站使用5m的天線，工作頻率為12GHz，天線噪聲溫度為100K，接收機前端噪聲溫度為120K，試計算G/T值（天線與接收機之間的饋線損耗忽略，天線效率為0.55）解：根據107一、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。108圖2-1以確定的天線面積在不同距離上接收輻射能量109圖2-2自由空間損耗與傳播路徑長度的關系110圖2-3衛(wèi)星與地球站的幾何關系111圖2-4靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關系曲線1122.2若靜止衛(wèi)星定位于E90o，求位于E110o，N40o的地球站對衛(wèi)星的仰角、信號傳播距離。若射頻頻率為6GHz，計算鏈路的自由空間傳播損耗。解：113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114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115116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：根據公式（2-8），

Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)117功率密度的計算公式

功率密度（功率通量密度）是指發(fā)射功率經過空間傳播到達接收點后，在單位面積內的功率。可以表示為（2-1）式。（2-2）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。118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：根據式（2-1），

地面站的功率密度為119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：120鏈路附加損耗大氣吸收損耗雨衰和云霧的影響大氣折射的影響電離層閃爍和多徑121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)。122大氣吸收附加損耗與頻率的關系123鏈路附加損耗

2、雨衰和云霧的影響

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，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比(dB／km)，單位為km。124圖2-6不同仰角時的雨衰頻率特性125降雨衰減系數的頻率特性126降雨地區(qū)的等效路徑長度127云、霧引起的損耗可用下式計算：其中f為頻率，單位為GHz；Vm為能見度，單位為m。密霧：Vm<50m濃霧：50≤Vm<200m中等霧：200≤Vm<500m雪引起的附加損耗可用下式計算：其中f為頻率，單位為GHz；I為降雪強度，單位為mm/H。15GHz下，只有中等強度以上的雪才有影響。128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。129圖2-7微波信號通過大氣層時產生折射130鏈路附加損耗4、電離層閃爍和多徑

電離層內存在電子密度的隨機不均勻性而引起閃爍，可使信號產生折射。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，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。

131電離層閃爍形成多徑傳播132圖2-8地面反射形成的多徑傳播133地磁中緯度地區(qū)（非閃爍增強帶）電離層閃爍造成的衰落（dB）134電離層閃爍儲備余量135

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，經反射、散射、繞射，到達接收天線時，已經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：經驗模型、幾何分析模型、概率分布模型。經驗模型不能揭示傳播過程的物理本質，但可以描述出對重要參數的敏感度；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。136Rician概率密度函數由建筑物、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。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。137

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。在農村樹木遮蔽條件下，K、

和

2可用下面的經驗公式進行計算:138(2-13)式中的參數K0，K1,…由表2.1給出。表2.1經驗公式（2-13）中的參數值K

K0=2.731K1=-0.1074K2=0.002774

0=2.331

1=0.1142

2=-0.001939

3=1.049×10-5

0=4.5

1=-0.05139圖2-9不同仰角時接收電平累積分布

140表2-2接收信號有效性分別為90，95和99%時的余量141Rayleigh概率密度函數Rayleigh概率密度函數是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的概率密度函數為：142Lognormal概率密度函數衛(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的概率密度函數為：

和d0分別是lnZ的均值和方差。143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。144三、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，天線方向圖可以描述天線在整個空間內輻射功率的分布情況。方向圖的主要參數是主瓣的半功率角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。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。145146

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。

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147圖2-12泄漏對地面微波系統(tǒng)產生干擾148天線的極化隔離一般情況下，在一個周期內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，稱為右旋，若逆時針旋轉，稱為左旋。對于一個橢圓極化波，可以用三個參數來描述它：(1)旋轉方向，（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。149

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。150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151四、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152系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲熱噪聲：只要傳導媒質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，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稱為網絡的等效噪聲溫度，A為網絡增益，B為網絡的帶寬。153等效噪聲溫度與噪聲系數天線噪聲溫度：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為傳播媒質的有效溫度（K）；L為路徑損耗（dB）。噪聲系數NF：定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值。網絡的等效噪聲溫度Te可以表示為：154有耗無源網絡（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，加上網絡內部噪聲對輸出的貢獻。假設無源網絡的損耗為LF，增益為A=1/LF。則網絡輸出噪聲功率為：等效噪聲溫度（特指損耗LF的溫度，Te改用TF表示)為：無源有耗網絡的噪聲系數為155級聯(lián)網絡的等效噪聲溫度

n個級聯(lián)網絡的輸出噪聲功率分別為：其中，T0為輸入端噪聲溫度。和級聯(lián)的n個網絡的增益和等效噪聲溫度。n級網絡輸出噪聲功率為：A1A2An輸出…輸入156n級網絡的輸出噪聲功率也可以表示為：其中，A0=1。157n級網絡總的等效噪聲溫度為：

各級網絡的內部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻均要折算到系統(tǒng)的輸入端，第k級網絡內部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻為：158一個由n級放大器級聯(lián)而成的網絡，其等效噪聲溫度也可以表示為：n級級聯(lián)網絡的噪聲系數為：其中，Fn是第n級放大器的噪聲系數。159接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度圖2-16接收系統(tǒng)噪聲溫度160

“接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度”包括天線、饋線和接收機在內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161

假定饋線環(huán)境溫度為T0，根據式（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162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：163例五、如下圖所示，網絡由天線、接收機和LNA組成，接收機噪聲指數為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。計算網絡相對于輸入端的噪聲溫度。假定環(huán)境溫度為290K。164解：對于接收機，因為其噪聲指數為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，網絡相對于輸入端的噪聲溫度為：165例六、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。計算網絡相對于輸入端的等效噪聲溫度。166解：對于接收機，因為其噪聲指數為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，網絡相對于輸入端的噪聲溫度為：167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。168頻率（MHz）噪聲溫度（oK）3007*1056004.6*10510003.6*10530006.5*104100001.1*104太陽寂靜期的噪聲溫度（天線增益53dB）169其他干擾

衛(wèi)星通信系統(tǒng)內的其他噪聲干擾主要包括系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調干擾、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，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，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。互調干擾：當轉發(fā)器用于轉發(fā)多載波信號時，總是希望轉發(fā)器有較高的功率效率，但高效率的功放可能產生較明顯的非線性，使各載波信號之間形成互調干擾。

170五、衛(wèi)星通信的全鏈路質量鏈路預算分析全鏈路傳輸質量171鏈路預算分析圖2-15鏈路單元與功率平衡方程172

電波經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：(3-m)式稱為功率平衡方程。173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，；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。174除載噪比C/N作為系統(tǒng)的重要參數以外，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。175全鏈路傳輸質量衛(wèi)星通信系統(tǒng)全鏈路的傳輸質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)的品質因素，Lu和Ld分別為上行鏈路和下行鏈路的傳輸損耗。176

當衛(wèi)星轉發(fā)器的行波管放大器（TWTA）同時放大多個載波時，將產生互調噪聲，其影響也用載波噪聲溫度比(C/T)i來表示?；フ{噪聲的大小與載波數目、各載波間的相對電平、頻率配置方案和行波管工作點有關。全鏈路傳輸質量的載波噪聲溫度比C/T為：

其中，C/T為全鏈路傳輸的載波噪聲溫度比，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的條件下，根據實際應用的技術要求，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。177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。參數數值發(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

178C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：179

假定衛(wèi)星飽和EIRP=26dBW。考慮到轉發(fā)器工作在多載波情況，為減小互調干擾，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發(fā)器，典型的互調噪聲(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：180

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=24.99dB181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182例七假設衛(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：183例八

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：184六、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，傳輸函數是輸入信號幅度的函數。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，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生的，即在帶內不能提供平坦的群延時特性（調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。185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新的頻率成分失真產生的原因線性失真無呈線性為頻率或時間的函數不產生電抗元件的分布參數非線性失真有呈非線性為輸入信號幅度的函數產生非線性元器件線性失真與非線性失真的比較186圖2-17星上TWTA的典型特性187圖2-18FDMA系統(tǒng)的最佳TWTA工作點和相應的C/N188七、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(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。189圖2-19上、下行RF干擾示意圖190圖2-20上行C/I與地球站天線直徑的關系曲線191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192第4章多址技術193提要一、多路復用和多址聯(lián)接二、頻分多址（FDMA）三、時分多址（TDMA）四、碼分多址（CDMA）五、三種多址技術的RF利用方式六、衛(wèi)星分組數據通信協(xié)議194一、多路復用和多址聯(lián)接多路復用：將來自不同信息源的各路信息，按某種方式合并成一個多路信號，然后通過同一個信道傳送給接收端。接收端再從該多路信號中按相應方式分離出各路信號，分送給不同的用戶或終端。簡而言之，多路復用是利用一條信道同時傳輸多路信號的一種技術，可以解決在同一信道內同時傳送多個信號的問題。多路復用方式可分為頻分復用、時分復用、碼分復用、波分復用等。195多址聯(lián)接：指多個通信站的射頻信號在射頻信道上的復用，以實現各個通信站之間的通信。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，多址聯(lián)接指的是多個地球站發(fā)射的信號，通過衛(wèi)星轉發(fā)器的射頻信道復用，實現各站間通信的一種方式。常見的多址方式有頻分多址、時分多址、碼分多址和空分多址。多址聯(lián)接和多路復用的關系：多址聯(lián)接和多路復用的理論基礎都是信號的正交分割原理。但多址聯(lián)接是指多個電臺或通信站發(fā)射的信號在射頻信道上的復用，以達到各臺、站之間同一時間、同一方向的用戶間的多邊通信；多路復用是指一個電臺或通信站內的多路低頻信號在基帶信道上的復用，以達到兩個臺、站之間雙邊點對點的通信。196頻分多路復用（FDM）：按照頻率參量的正交分割原理，將各路信號的頻譜搬移至互不重疊的頻帶上同時在一個信道中傳輸。接收端通過不同中心頻率的帶通濾波器，可以將各路信號分離出來。頻分多路復用的各路信號在時域中混疊在一起，在頻域中可分辨。時分多路復用（TDM）：利用時間的正交性，即以時間作為信號分割的參量，使各路信號在時間軸上互不重疊，它利用不同時隙來傳送各路不同信號。在TDM系統(tǒng)中，每個信號占據著不同的時間區(qū)間，但每個信號均占有相同的頻域，各路信號在頻域中混疊在一起，在時域中可分辨。（一）多路復用197碼分多路復用（CDM）：根據碼型結構的不同實現信號的正交分割，各路信號在時間和頻率上是互相重疊的，接收端用相關器或匹配濾波器實現信號分離。波分復用（WDM）：為了增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，可以在一條光纖中傳輸多個不同波長的光信號，只要這些光源的波長有著適當的距離，接收端的光頻器件就可將它們分開。（二）多址聯(lián)接頻分多址（FDMA）：各站、臺發(fā)出的射頻信號在指定的射頻頻帶內，但在頻譜上互不重疊地排列，共同分用該射頻頻帶，接收端用帶通濾波器分離各路射頻信號。時分多址（TDMA）：以不同的時隙來區(qū)分地址，每站有一指定時隙，各站只是在自己的時隙內發(fā)射信號。碼分多址（CDMA）：每個用戶有一個特定結構的碼字作為地址，不同用戶的不同波形信號以同一頻率發(fā)射出去，各站的接收是根據相應的信號波形分離出自己需要的信號。空分多址（SDMA）：利用天線的方向性和用戶的地區(qū)隔離性實現信號的分離。198199二、頻分多址技術（FDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻分多址技術：頻分多址是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中普遍采用的一種多址技術。當多個地球站共用衛(wèi)星轉發(fā)器時，如果根據配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址，這種多址聯(lián)接方式就為頻分多址。它對各地球站配置不同的頻率，以實現不同地球站之間的聯(lián)接。這種頻率配置可以是預先固定指配的，也可以是按需分配的。對于分配給地球站的各個載波來說，可以是一個載波承載多個話路信號，也可以是一個載波只承載一個話路信號的方式進行傳輸，前者稱為每載波多路方式（MCPC），而后者為單路單載波方式（SCPC）。200圖3-2Intelsat的36MHz轉發(fā)器帶寬內SCPC信道安排方案

201圖3-3TWTA輸入回退與載波-互調干擾之比的典型關系線202FDMA的非線性效應頻譜擴展：相鄰信道干擾；交調（IM）諧波：鄰近業(yè)務信道的干擾。

交調干擾主