卫星通信第3章V3

1、1第三章第三章 卫星链路传输工程卫星链路传输工程3.1 链路传播特性链路传播特性 3.2 卫星移动通信链路特性卫星移动通信链路特性3.3 天线的方向性和电极化问题天线的方向性和电极化问题3.4 噪声与干扰噪声与干扰3.5 基本卫星链路分析基本卫星链路分析23.1 链路传播特性链路传播特性无线电链路设计分段无线电链路设计分段n地球站地球站 卫星链路卫星链路 （或上行链路）（或上行链路）n卫星卫星n卫星卫星 地球站地球站 （或下行链路）（或下行链路）用于从信号始发站到终点站的无线电链路划分用于从信号始发站到终点站的无线电链路划分 43.1 链路传播特性（续）链路传播特性（续）星际链路：只考虑自由空

2、间传播损耗星际链路：只考虑自由空间传播损耗星星-地链路：由自由空间传播损耗和近地地链路：由自由空间传播损耗和近地大气的各种影响所确定大气的各种影响所确定热层（热电离层）（热层（热电离层）（Thermosphere） 80 - 500 km中间层中间层（Mesosphere）50 - 80 km 平流层平流层（Stratosphere） 16 - 50 km对流层对流层（Troposphere） 7- 16 km外逸层（外逸层（Exosphere） 500 - 64,374 km63.1 链路传播特性（续）链路传播特性（续）卫星通信的电波途经卫星通信的电波途经n对流层（含云层和雨层）对流层（含云

3、层和雨层）n平流层平流层n电离层电离层n外层空间外层空间跨越距离大，影响电波传播的因素很多跨越距离大，影响电波传播的因素很多传播问题传播问题物理原因物理原因主要影响主要影响衰减和天空噪声增加衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大气气体、云、雨大约大约10GHz以上频率以上频率信号去极化信号去极化雨、冰结晶体雨、冰结晶体C和和Ku频段的双极化系统频段的双极化系统（取决于系统结构）（取决于系统结构）折射和大气多径折射和大气多径大气气体大气气体低仰角跟踪和通信低仰角跟踪和通信信号闪烁信号闪烁对流层和电离层对流层和电离层折射扰动折射扰动对流层：低仰角和对流层：低仰角和10GHz以上频率以上频率电离层：电

4、离层：10GHz以下频率以下频率反射多径和阻塞反射多径和阻塞地球表面及表面上物体地球表面及表面上物体卫星移动业务卫星移动业务传播延迟、变化传播延迟、变化对流层和电离层对流层和电离层精确的定时、定位、精确的定时、定位、TDMA系统系统卫星通信系统的传播问题卫星通信系统的传播问题8卫星通信系统的主要技术参数卫星通信系统的主要技术参数等效全向辐射功率（等效全向辐射功率（EIRP） 定义定义地球站或卫星的天线发射的功率地球站或卫星的天线发射的功率P与该天线增益与该天线增益G的乘积。的乘积。 EIRP = PG 表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率 E

5、IRP用用dBW单位来表示，即有：单位来表示，即有： EIRP (dBW) = 10 lg GT + 10 lg PT 或或 EIRP (dBW) = P(dBW)+G(dB)9卫星通信系统的主要技术参数（续）卫星通信系统的主要技术参数（续）噪声温度（噪声温度（Te） 定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度（计。噪声温度（Te）与噪声系数与噪声系数(NF）的关系为：的关系为： NF=10lg(1+Te/290)dB品质因数（品质因数（G/Te） 定义：天线增益与噪声温度的比值。定

6、义：天线增益与噪声温度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)10卫星通信系统中的天线增益可以按下式进行计算卫星通信系统中的天线增益可以按下式进行计算式中式中 A：天线口面的有效面积：天线口面的有效面积(m2) ：工作波长（：工作波长（m） ：天线效率：天线效率 Ae：接收天线有效面积：接收天线有效面积其中其中 = c/f，c为光速，取值为为光速，取值为3108(m/s)天线增益的计算公式天线增益的计算公式eAAG2244AcfAG2224411l例：计算频率为例：计算频率为6GHz时，口径时，口径3m的抛物面的抛物面天线的增益。（天线效率为天线的增益。（天线效率为0.55）解

7、：根据解：根据AcfAG2224429228461030.55231010 lg42.9 (dB)GGG123.1.1 3.1.1 星星- -地链路传播特性地链路传播特性 卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分。其它损耗的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分。其它损耗还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。还有大气、雨、云、雪、雾等造成的吸收和散射损耗等。卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽( (例如树木、例如树木、建筑物的遮挡等建筑物的遮挡等) )

8、而增加额外的损耗，固定业务卫星通信而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。133.1.1 星星-地链路传播特性（续）地链路传播特性（续）l自由空间传播损耗自由空间传播损耗 自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式。自由空间是一个理想化的概念，为人们研究播方式。自由空间是一个理想化的概念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。电波传播提供了一个简化的计算环境。以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量R1R2面积A面积A各向同

9、性源14d各向同性源各向同性源功率密度功率密度各向同性天线各向同性天线3.1.1 星星-地链路传播特性（续）地链路传播特性（续）24 dPPtr15定向增益天线定向增益天线22 44dEIRPdPGPttr接收天线增益接收天线增益接收天线功率接收天线功率ttrerrPGGdAPP2 43.1.1 星星-地链路传播特性（续）地链路传播特性（续）AcfAG2224416ttrerrPGGdAPP2 43.1.2 传输方程传输方程分贝形式表示：分贝形式表示： Pr (dBW) = PT (dBW) + GT (dB) + GR (dB) 20 lg (4 d/) 传输方程传输方程17 3.1.2 传

10、输方程（续）传输方程（续）传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。机之间距离的关系。 183.1.2 传输方程（续）传输方程（续）22 (W/m ) (2-1)4ttrG PPdl例：例：卫星的卫星的EIRP值为值为49.4dBW，计算卫星离地面距离计算卫星离地面距离为为40000km时，地面站的功率密度。时，地面站的功率密度。解：根据式（解：根据式（2-1），），

11、地面站的功率密度为地面站的功率密度为4.94222104.33 (pW/m )44 3.141640000 1000TTrG PPd193.1.3 自由空间传播损耗自由空间传播损耗d 为传播距离，为传播距离， 为工作波长，为工作波长，c 为光速，为光速，f 为工作频率。为工作频率。2244cdfdLf自由空间传播损耗自由空间传播损耗Lf 通常用分贝表示，当通常用分贝表示，当d 用用km、f 用用GHz表示时，又可表示时，又可以表示为以表示为dBlg20lg2044.92fdLf20自由空间损耗与传播路径长度的关系自由空间损耗与传播路径长度的关系星星-地链路传播特性地链路传播特性21l例：卫星和

12、地面站之间的距离为例：卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算计算6GHz时的自由空间损耗。时的自由空间损耗。解：根据公式解：根据公式Lf = 92.44 + 20lg42000 + 20lg6 = 200.46 (dB)3.1.3 自由空间传播损耗（续）自由空间传播损耗（续）dBlg20lg2044.92fdLf22 3.1.4 链路附加损耗链路附加损耗1. 大气吸收损耗大气吸收损耗2. 雨衰雨衰3. 大气层折射影响大气层折射影响4. 电离层闪烁和多径影响电离层闪烁和多径影响23 1. 大气吸收损耗大气吸收损耗 在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电

13、波的吸收衰减起主要作用。收衰减起主要作用。 总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。 在在0.3-l0GHz的频段，大气损耗小，适合于电波的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段。传播，这一频段是当前应用最多的频段。 30GHz附近也有一个低损耗区。附近也有一个低损耗区。 3.1.4 链路附加损耗（续）链路附加损耗（续）大气吸收附加损耗与频率的关系大气吸收附加损耗与频率的关系l水蒸汽的第一吸收峰在水蒸汽的第一吸收峰在22GHzl氧气在氧气在60GHz (3580GHz间间)。l对非常低的水蒸汽密度，衰减可对非常低的水蒸汽密度，衰减

14、可假定与水蒸汽密度成正比。假定与水蒸汽密度成正比。l在在22GHz和和60GHz不宜用于星不宜用于星-地地链路，但可用于星间链路。链路，但可用于星间链路。l总体上，大气吸收损耗随频率的总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。增加而增大。l在在0.3-l0GHz的频段，大气损耗小，的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段。应用最多的频段。l30GHz附近也有一个低损耗区。附近也有一个低损耗区。25 2、雨衰、雨衰 在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和

15、吸以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。 3.1.4 链路附加损耗（续）链路附加损耗（续）263.1.4 链路附加损耗（续）链路附加损耗（续） 仰角为仰角为的传播路径上的降雨衰减量为：的传播路径上的降雨衰减量为： LR=RlR() R是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长是降雨衰减系数，定义为由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位度上的衰减，单位dBkm；lR()是降雨地区的等是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为效路径长度，定义为当仰角为时传播路径上产生时传播路径上产生的总降雨衰减的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地

16、降雨强与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比度的降雨衰减系数比(dBkm)，单位为单位为km。不同仰角时的雨衰频率特性不同仰角时的雨衰频率特性降雨衰减系数的频率特性降雨衰减系数的频率特性降雨地区的等效路径长度降雨地区的等效路径长度30 3、大气折射的影响、大气折射的影响 大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。束上翘一个角度增量。 大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产

17、生微小的散焦衰减，衰减量与透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于频率无关。在仰角大于5度时，散焦衰减小于度时，散焦衰减小于0.2dB。此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致电波到达大口面天线时振幅和各个方向上散射，导致电波到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。 3.1.4 链路附加损耗（续）链路附加损耗（续）微波信号通过大气层时产生折射微波信号通过大气层时产生折射32 4、电离层闪烁和多径、电离层闪烁和多径 电离层内存在电

18、子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。信号产生折射。 电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。 对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量衰落，减少电离层闪

19、烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。的方法克服电离层闪烁的影响。 3.1.4 链路附加损耗（续）链路附加损耗（续）电离层闪烁形成多径传播电离层闪烁形成多径传播34 3.2 卫星移动通信链路特性卫星移动通信链路特性l多径衰落：电波在移动环境中传播时，会遇到各多径衰落：电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波。各传播路已经成为通过各个路径到达的合成波。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏大，称为多径衰

20、落。伏大，称为多径衰落。l阴影衰落：电波途经建筑物、树木等时受到阻挡阴影衰落：电波途经建筑物、树木等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地卫星移动通信系统被衰减，这种阴影遮蔽对陆地卫星移动通信系统的电波传播影响很大。的电波传播影响很大。地面反射形成的多径传播地面反射形成的多径传播36 3.2 卫星移动通信链路特性卫星移动通信链路特性l卫星移动信道的分析模型：经验模型、几何分析卫星移动信道的分析模型：经验模型、几何分析模型、概率分布模型。模型、概率分布模型。l经验模型不能揭示传播过程的物理本质，但可以描述经验模型不能揭示传播过程的物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；出对重要参数的敏感度；l几

21、何分析模型用几何分析的方法，能预测单个或多个几何分析模型用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实际的复杂情况；际的复杂情况；l概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作了简化假设。下面基于概率模型来描述卫星移动通作了简化假设。下面基于概率模型来描述卫星移动通信信道的电波传播特性。信信道的电波传播特性。37Rician概率密度函数概率密度函数由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号，与直射波信号合成，其信

22、号包络多径信号，与直射波信号合成，其信号包络r(t)服服从从Rician分布，相位服从分布，相位服从0,2的均匀分布的均匀分布，r(t)可可以表示为：以表示为： 22 (2-11)csr tatKat其中其中 和和 为相互正交的高斯过程，而参为相互正交的高斯过程，而参数数K称为莱斯因子，它是直射分量的功率与其他多称为莱斯因子，它是直射分量的功率与其他多径分量功率之和的比值。径分量功率之和的比值。 cat sat38Rician概率密度函数概率密度函数 r(t)的概率密度函数为 220222( )exp 2rrrZrZf rI 是电压的标准差， 2是平均多径功率，I0( )是第一类零阶修正贝塞尔

23、函数。Z为直射波分量。定义Rice因子K为直射波功率与平均多径功率的比值，K值反映了多径散射对信号分布的影响。39 当信号的直射波分量被树木、输电线或高的地面障碍物所遮蔽时，接收信号的强度r1(t)服从对数高斯条件下的Rician分布，相位服从0,2的均匀分布，r1(t)可以表示为 221( )( ) (2-12)ccssr ty taty tat其中，yc(t)和ys(t)是互为正交的对数高斯过程，其特性由均值 和方差2确定。 40 莱斯信道的莱斯因子K和对数正态莱斯信道的均值和方差2都与用户对卫星的仰角 有关。在农村树木遮蔽条件下，K、 和2可用下面的经验公式进行计算: 201223012

24、301 (2-13)KKKK 41经验公式（经验公式（2-13）中的参数值）中的参数值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.002774 0=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.04910-5 0=4.51=-0.05 不同仰角时接收电平累不同仰角时接收电平累积积分布分布 43接收信号有效性分别为接收信号有效性分别为90，95和和99%时的余量时的余量44多普勒频移多普勒频移l在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相对运动，因而它们作为发射机或接收机的载体，接收信号对运动，因而它们作为发射机或接收机的载体

25、，接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频移移fD可由下式表示可由下式表示其中，其中，V为卫星与用户的相对运动速度，为卫星与用户的相对运动速度，fc为射频频率，为射频频率，C为光速，为光速， 为卫星与用户之间的连线与速度为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹方向的夹角。角。cosCVffcD453.3 天线的方向性和电极化问题天线的方向性和电极化问题l天线增益和方向图 天线增益通常是指最大辐射方向上信号功率增加的倍数，天线方向图可以描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况。方向图的主要参数是主瓣的半功率角0.5（单位为度），常称

26、为波束宽度，对于抛物面天线，其近似估算公式为0.5 ND 其中，D为抛物面天线的口面直径，单位为m；N是一个与场分布图在天线口面上的分布规律有关的常数。当场在天线口面上呈均匀分布时，N=58；当场在天线口面上呈锥形分布时，N=70。 锥形分布是指场分布图在天线口面上从中心向四周逐渐减弱的分布，即口面中心的场强最强，而边缘的场强最弱。47 1sin (2-20)sinDJG 为以主瓣中心轴线为参考的方向角；而J1( )为第一类一阶贝塞尔函数。 对于同相均匀激励的圆口径天线来说，方向图可用下式表示泄漏对地面微波系统产生干扰泄漏对地面微波系统产生干扰49l天线的极化隔离 一般情况下，在一个周期内电场

27、矢量的顶点在垂直于传播方向的平面上的投影为一个椭圆，称为椭圆极化。从天线顺着电波传播方向看，若电场矢量顺时针旋转，称为右旋，若逆时针旋转，称为左旋。 对于一个椭圆极化波，可以用三个参数来描述它：(1)旋转方向，（2）轴比，（3）倾角（长轴相对于基轴的倾角）。 50l圆极化和线极化是椭圆极化的两种特例：轴比为1的极化为圆极化，而轴比为无限大的极化为线极化。任何一种极化方式，极化波矢量都可以分解为相互正交的两个分量。对于圆极化波，分解为左旋和右旋两个极化波矢量；对于线极化波，分解为水平极化和垂直极化两个分量。 51 理论上两个正交极化波是完全隔离的，一个天线可理论上两个正交极化波是完全隔离的，一个

28、天线可以配置两个接收或发送端口。每个端口只与一个极化波以配置两个接收或发送端口。每个端口只与一个极化波匹配，而与另一个极化波正交。匹配，而与另一个极化波正交。 在卫星通信系统中，由于实际收、发设备的误差以在卫星通信系统中，由于实际收、发设备的误差以及电波传播过程中降雨的去极化作用等因素的影响，发及电波传播过程中降雨的去极化作用等因素的影响，发送波的极化方向与接收端所要求的极化方向有误差，这送波的极化方向与接收端所要求的极化方向有误差，这将引起两个结果：首先，接收的正交分量将有泄漏、并将引起两个结果：首先，接收的正交分量将有泄漏、并对匹配接收的有用信号形成干扰；其次，匹配接收信号对匹配接收的有用

29、信号形成干扰；其次，匹配接收信号将因误差而有所减小，称为极化损耗。将因误差而有所减小，称为极化损耗。由馈源喇叭形成的垂直和水平极化波由馈源喇叭形成的垂直和水平极化波电波传播方向电波传播方向533.4 噪声与干扰噪声与干扰系统热噪声系统热噪声宇宙噪声宇宙噪声外部环境干扰外部环境干扰其他干扰其他干扰54系统热噪声系统热噪声l等效噪声温度等效噪声温度 热噪声：只要传导媒质不处于绝对温度的零度，其中的带电热噪声：只要传导媒质不处于绝对温度的零度，其中的带电粒子就存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声，称为热噪声。粒子就存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声，称为热噪声。 噪声功率谱密度噪声功率谱密度n

30、 n0 0：其中，其中，k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为噪声源的噪声温为噪声源的噪声温度，单位为度，单位为K。噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪声。噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪声。 网络输出噪声功率网络输出噪声功率No：其中，其中，To是输入匹配电阻的噪声温度是输入匹配电阻的噪声温度 ，Te称为网络的等效噪声温称为网络的等效噪声温度度 ，A为网络增益，为网络增益，B为网络的带宽。为网络的带宽。kTn 0BAkTBAkTNNNeoioo55等效噪声温度与噪声系数等效噪声温度与噪声系数l天线噪声温度：天线噪声温度是衡量通过天线进入接天线噪声温度：天线噪声温度是

31、衡量通过天线进入接收机的噪声量的一个指标，通过对所有来自外部噪声收机的噪声量的一个指标，通过对所有来自外部噪声源的噪声分量进行积分求得。源的噪声分量进行积分求得。l噪声温度：随着损耗的增加，辐射噪声也相应增加。噪声温度：随着损耗的增加，辐射噪声也相应增加。大气对地球站天线噪声温度的影响可以用下式计算：大气对地球站天线噪声温度的影响可以用下式计算：其中，其中，Ts为天线接收到的天电噪声温度（为天线接收到的天电噪声温度（K）；）；Tm为传播为传播媒质的有效温度（媒质的有效温度（K）；）； L为路径损耗（为路径损耗（dB）。）。10/101LmsTT56l噪声系数噪声系数NF：定义为输入信噪比与输出

32、信噪比的比值：定义为输入信噪比与输出信噪比的比值 。网络的等效噪声温度网络的等效噪声温度Te可以表示为：可以表示为：等效噪声温度与噪声系数等效噪声温度与噪声系数0001/TTTTkBSkBTSNSNSNeeiiooiiF01TNTFe57有耗无源网络有耗无源网络(馈线等馈线等)的等效噪声温度的等效噪声温度 在输入、输出端匹配的情况下，输出端负载得到的噪声功率在输入、输出端匹配的情况下，输出端负载得到的噪声功率No为为同时输出噪声功率还可以表示为输入噪声功率对输出的贡献，加同时输出噪声功率还可以表示为输入噪声功率对输出的贡献，加上网络内部噪声对输出的贡献。假设无源网络的损耗为上网络内部噪声对输出

33、的贡献。假设无源网络的损耗为LF，增益，增益为为A=1/LF。则网络输出噪声功率为：。则网络输出噪声功率为：等效噪声温度（特指损耗等效噪声温度（特指损耗LF的温度，的温度，Te改用改用TF表示表示 )为：为：无源有耗网络的噪声系数为无源有耗网络的噪声系数为00kBTN FeFLkBTLkBTN0001TLTFFFFLN58级联网络的等效噪声温度级联网络的等效噪声温度 n个级联网络的输出噪声功率分别为：个级联网络的输出噪声功率分别为：其中，其中，T为输入端噪声温度为输入端噪声温度 。A1, A2, , An 和和Te1, Te2, , Ten 级联的级联的n个网络的增益和等效噪声温度个网络的增益

34、和等效噪声温度 。n级网络输出噪声功率为：级网络输出噪声功率为：A1A2An输出输入ennneneeeeTkBAAAAkBTAAATTkBAkBTAATTkBATTkB3222112221111nneAAATTkB2159n级网络的输出噪声功率也可以表示为：级网络的输出噪声功率也可以表示为：其中，其中，A0=1。nkkneknoAAAAAAkBTAAAkBTN1110212160n级网络总的等效噪声温度为：级网络总的等效噪声温度为： 各级网络的内部噪声对总的等效噪声温度的贡献均各级网络的内部噪声对总的等效噪声温度的贡献均要折算到系统的输入端，第要折算到系统的输入端，第k级网络内部噪声对总的等级

35、网络内部噪声对总的等效噪声温度的贡献为：效噪声温度的贡献为：niijjeieniininjjeineATTAATT2111111121kekAAAT61一个由一个由n级放大器级联而成的网络，其等效噪声温度也可级放大器级联而成的网络，其等效噪声温度也可以表示为：以表示为：n级级联网络的噪声系数为：级级联网络的噪声系数为：其中，其中，Fn是第是第n级放大器的噪声系数。级放大器的噪声系数。121213121/neneeeeAAATAATATTT 121213121/1/1/1nnAAAFAAFAFFF62例：例： 两个放大器级联，每个有两个放大器级联，每个有10dB的增益，噪声温度的增益，噪声温度2

36、00K，计算总增益和相对输入的等效噪声温度。计算总增益和相对输入的等效噪声温度。解：总增益为：解：总增益为：G=G1+G2= 20 (dB)， 而相对输入的等效噪声温度为：而相对输入的等效噪声温度为： K22010200200121GTTTeeie63宇宙噪声宇宙噪声宇宙噪声来自于外层空间星体的热气体在星际空间的宇宙噪声来自于外层空间星体的热气体在星际空间的辐射，其中最主要的噪声干扰源来自太阳。辐射，其中最主要的噪声干扰源来自太阳。 太阳寂静期的噪声温度（天线增益太阳寂静期的噪声温度（天线增益53dB53dB）64其他干扰其他干扰 卫星通信系统内的其他噪声干扰主要包括系统间干扰、卫星通信系统内

37、的其他噪声干扰主要包括系统间干扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。l系统间干扰：如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰系统间干扰：如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰l共信道干扰：为了充分利用频率资源，常采用空间频率复用技术，相共信道干扰：为了充分利用频率资源，常采用空间频率复用技术，相同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区，但波束间的隔离同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区，但波束间的隔离往往并不十分理想，从而产生共信道干扰。往往并不十分理想，从而产生共信道干扰。l交叉极化干扰：为了充分利用频率资源，卫星通信系统常采用极化隔交叉

38、极化干扰：为了充分利用频率资源，卫星通信系统常采用极化隔离频率复用技术，即两个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同离频率复用技术，即两个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同的频率，通过使用不同的极化方式来实现信号间的隔离。由于极化的的频率，通过使用不同的极化方式来实现信号间的隔离。由于极化的不完全正交可能造成干扰，即能量从一种极化状态耦合到另一种极化不完全正交可能造成干扰，即能量从一种极化状态耦合到另一种极化状态引起的干扰。这也是一种共道干扰。状态引起的干扰。这也是一种共道干扰。l互调干扰：当转发器用于转发多载波信号时，总是希望转发器有较高互调干扰：当转发器用于转发多载波信号时，总是希望转

39、发器有较高的功率效率，但高效率的功放可能产生较明显的非线性，使各载波信的功率效率，但高效率的功放可能产生较明显的非线性，使各载波信号之间形成互调干扰。号之间形成互调干扰。 653.5 基本卫星链路分析基本卫星链路分析就一定的信息比特率而言，欲达到要求就一定的信息比特率而言，欲达到要求的信息传输质量，需要在信号调制类型的信息传输质量，需要在信号调制类型和卫星链路的载噪比之间加以折衷。卫和卫星链路的载噪比之间加以折衷。卫星链路的载噪比是本章讨论的重点。星链路的载噪比是本章讨论的重点。663.5.1 上行载噪比计算上行载噪比计算(透明转发器透明转发器)基本卫星链路基本卫星链路 (睛天，卫星转发器是透

40、明型睛天，卫星转发器是透明型) 67发射机接收机发射天线接收天线自由空间传播PtPrLtLrGtGrLf基本卫星链路单元与传输方程基本卫星链路单元与传输方程 Pt - Lt + Gt - Lf + Gr - Lr = Pr68地球站发射载波地球站发射载波 s(t) 功率功率EIRPTTGPEIRP 上行自由空间传播损耗上行自由空间传播损耗 LpU2244cfddLUUUUpU69卫星接收载波功率卫星接收载波功率 CU2/4cfdLGEIRPLLGEIRPCUUUpUUU式中式中L为天线跟踪损耗和大气衰减之和为天线跟踪损耗和大气衰减之和上行噪声功率上行噪声功率NUBkTNUU70上行载噪比为：上

41、行载噪比为： ,142kBTGdfcLEIRPNCUUUUUkBTGfcPNCuuudfu142271用分贝表示的上行载噪比： dBlg10BkTGLLEIRPNCUUmUpUU式中式中EIRP地球站有效全向辐射功率地球站有效全向辐射功率 LpU上行链路自由空间传播损耗上行链路自由空间传播损耗 LmU最坏情况下上行链路附加损耗最坏情况下上行链路附加损耗 GU卫星接收天线增益卫星接收天线增益 TU卫星接收系统噪声温度（卫星接收系统噪声温度（K） B卫星转发器带宽卫星转发器带宽 k波尔兹曼常数波尔兹曼常数72按按物理意义用分贝数写出下行链路载噪比为：物理意义用分贝数写出下行链路载噪比为： dB)l

42、og(10/kTBGLLEIRPNCEmDpDsD式中式中EIRPs卫星有效全向辐射功率卫星有效全向辐射功率 LpD下行链路自由空间传播损耗下行链路自由空间传播损耗 LmD最坏情况下下行链路附加损耗最坏情况下下行链路附加损耗 GE地球站接收天线增益地球站接收天线增益 T地球站接收系统噪声温度（地球站接收系统噪声温度（K） B地球站信道滤波器带宽地球站信道滤波器带宽 k波尔兹曼常数波尔兹曼常数 3.5.2 下行载噪比计算下行载噪比计算 73地球站接收噪声温度的构成地球站接收噪声温度的构成IDUTTTT式中式中TD下行链路噪声温度下行链路噪声温度 TU上行链路噪声温度上行链路噪声温度 TI卫星系统

43、噪声温度卫星系统噪声温度地球站接收噪声的构成地球站接收噪声的构成BTTTkNIDU 3.5.2 下行载噪比计算（下行载噪比计算（2） 74 3.5.2 下行载噪比计算下行载噪比计算 （3）设设 为卫星重发为卫星重发载波载波 时的时的EIRP，则有：则有： 或或 SEIRP)(tsu,)/(/uNCNC.)/(uSNCEIRPN 75忽略卫星卫星本身的噪声，忽略卫星卫星本身的噪声，在在接收地球站接收地球站，合，合成成噪声功率为：噪声功率为：kTBGNGdfcLEIRPNNtntnEtntnENdduSddd122224)()()()( 3.5.3 总的载噪比计算总的载噪比计算76整个卫星链路载噪

44、比整个卫星链路载噪比 1121122)1)()4()()/)(/()4/)()/()4/)(kBTGdfcLEIRPNCkTBNCLGdfcEIRPLGdfcEIRPNCddSuuddSddS3.5.3 总的载噪比计算（总的载噪比计算（2）773.5.3 总的载噪比计算（总的载噪比计算（3）链链路总载噪比为：路总载噪比为： 111duNCNCNC考虑卫星卫星本身的噪声时考虑卫星卫星本身的噪声时链链路总载噪比为：路总载噪比为： 1111IduNCNCNCNC783.5.4 链路余量链路余量BkTNUUSueuTGLEIRPTCedsdTGLEIRPTC由由 推得推得同理可得同理可得1111Idu

45、NCNCNCNC门限值门限值实际链路的载噪比要高于门限值实际链路的载噪比要高于门限值79链路余量链路余量增加方式增加方式：l 上上式右端增加一项式右端增加一项( (C/T)p作为系统的余量作为系统的余量l 规定链路实际信噪比高于门限信噪比规定链路实际信噪比高于门限信噪比edsdTGLEIRPTC3.5.4 链路余量（链路余量（2）803.5.4 链路余量（链路余量（3）链路预算链路预算的任务有两类：l 在选定空间转发器和地球站设备的情况下，验证系统能否满足用户的使用要求；l 在已知空间站或地球站部分参数的条件下，根据实际应用的技术要求，确定对设备另一部分指标的要求，如地球站天线尺寸、接收机噪声

46、性能等。余量考虑因素余量考虑因素l 雨衰l 大气衰耗l 天线指向和跟踪误差引起的损耗l 多径衰落l 设备不理想81例：假设卫星链路的传播损耗为例：假设卫星链路的传播损耗为200dB，余量和其它余量和其它损耗总计为损耗总计为 3dB，接收机的接收机的G/T值为值为11dB/K，EIRP值为值为45dBW。计算系统接收到的计算系统接收到的C/N值。（假设带值。（假设带宽为宽为36MHz）解：解：计算举例计算举例 dB04. 656.756 .22831120045BkTGLEIRPNCTGkBLLLEIRPkBTLLLGEIRPNCESpESp82例：例： 载波频率载波频率12GHz，自由空间损耗

47、自由空间损耗206dB，天线指向天线指向损耗损耗1dB，大气损耗大气损耗2dB，接收机的接收机的G/T值为值为19.5dB/K，接收机馈线损耗接收机馈线损耗1dB。EIRP为为48dBW。计算载噪比频计算载噪比频谱密度。谱密度。解：载噪比频谱密度为：解：载噪比频谱密度为：计算举例计算举例 dBHz1 .866 .2281212065 .19480kLTGEIRPnC833.6 信道对传输信号的损害信道对传输信号的损害 通信系统中，实际的非理想信道会对传输信号造成损通信系统中，实际的非理想信道会对传输信号造成损害害, , 这种损害不是由于噪声或外部干扰造成的，而是由于这种损害不是由于噪声或外部干

48、扰造成的，而是由于信道的线性失真和非线性失真所引起的。信道的线性失真和非线性失真所引起的。 由于系统特性而产生的失真称为由于系统特性而产生的失真称为线性失真线性失真，与信号本，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系，传身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系，传输函数只与频率或时间有关；信号在传输中引起的失真与输函数只与频率或时间有关；信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时称为被传输信号本身的幅度有关时称为非线性失真非线性失真，传输函数，传输函数是输入信号幅度的函数。是输入信号幅度的函数。 843.6 信道对传输信号的损害信道对传输信号的损害 信道的线性失真包

49、括幅度频率失真和相位频率失真，信道的线性失真包括幅度频率失真和相位频率失真，前者是在信号带宽内，信道不能提供平坦的增益特性；而前者是在信号带宽内，信道不能提供平坦的增益特性；而相位频率失真是由于相频特性的非线性产生的，即在带内相位频率失真是由于相频特性的非线性产生的，即在带内不能提供平坦的群延时特性（调相信号在通过滤波器时，不能提供平坦的群延时特性（调相信号在通过滤波器时，其包络的传播时间延迟称作时间延迟或群延时）。其包络的传播时间延迟称作时间延迟或群延时）。 非线性失真主要由功率放大器（特别是星载行波管放非线性失真主要由功率放大器（特别是星载行波管放大器大器TWTA）产生。信道的非线性失真分

50、为幅度非线性失）产生。信道的非线性失真分为幅度非线性失真和相位非线性失真。真和相位非线性失真。 85失真类型失真类型与输入信与输入信号幅度的号幅度的关系关系输出与输输出与输入信号的入信号的关系关系传输函数传输函数新的频新的频率成分率成分失真产生的失真产生的原因原因线性失真线性失真无无呈线性呈线性为频率或为频率或时间的函时间的函数数不产生不产生电抗元件的电抗元件的分布参数分布参数非线性非线性失真失真有有呈非线性呈非线性为输入信为输入信号幅度的号幅度的函数函数产生产生非线性元器非线性元器件件线性失真与非线性失真的比较线性失真与非线性失真的比较86星上星上TWTA的典型特性的典型特性功率器件功率器件

51、I/O非线性特性非线性特性87卫星上高功放的卫星上高功放的输入和输出回退量输入和输出回退量用于单载波放大的用于单载波放大的HPA，典型的归一化典型的归一化功率增益特性如下图功率增益特性如下图 所示。所示。HPA输出功输出功率最大的工作点称为饱和点。率最大的工作点称为饱和点。 卫星上高功放的卫星上高功放的输入和回退量输入和回退量89设BOi和BO0分别是输入和输出回退量，它们定义为： 或1/EIRPEIRPBOstui1/,fdstufdiPPBO1/,sstusoEIRPEIRPBO卫星上高功放的卫星上高功放的输入和输出回退量输入和输出回退量90可得出：可得出：,14112LBOkBTGdfc

52、EIRPNCiuuuustuu,14122,iuuustudfuBOkBTGfcPNC,1412,LBOkBTGdfcEIRPNCoddstuSd卫星上高功放的卫星上高功放的输入和输出回退量输入和输出回退量FDMA系统的最佳系统的最佳TWTA工作点和相应的工作点和相应的C/N92卫星链路计算实例卫星链路计算实例某某Ku波段（波段（12/14GHz）的卫星系统，采用）的卫星系统，采用QPSK调制，调制，单载波单载波TDMA方式工作。系统参量如下：方式工作。系统参量如下：载波调制参数载波调制参数l 比特率：比特率：60Mbit/sl 噪声带宽：噪声带宽：36MHz卫星参数卫星参数l 天线增益噪声带

53、宽：天线增益噪声带宽：36MHzl 天线增益噪声温度比：天线增益噪声温度比：1.6dB/Kl 卫星饱和卫星饱和EIRP：44dBWl TWTA的输入回退量：的输入回退量：0dBl TWTA的输出回退量：的输出回退量：0dB地球站参数地球站参数l 天线直径：天线直径：7ml 发射天线增益（发射天线增益（14GHz）：）：57.6dBWl 接收天线增益（接收天线增益（12GHz）：）：56.3dBWl 进入天线的载波功率：进入天线的载波功率：174Wl 最大上下行距离：最大上下行距离：37506kml 跟踪损耗：跟踪损耗：1.2dB（上）和（上）和0.9dB（下）（下）l 系统噪声温度：系统噪声温

54、度：169K93卫星链路计算实例卫星链路计算实例利益载噪比计算公式计算结果利益载噪比计算公式计算结果上行（上行（14.25GHz）下行（下行（11.95GHz）载波载波EIRP80dBW卫星卫星EIRP44dBW自由空间损耗自由空间损耗206.9dB自由空间损耗自由空间损耗205.5dB天线跟踪损耗天线跟踪损耗1.2dB天线跟踪损耗天线跟踪损耗0.9dB卫星卫星G/T1.6dB/K地球站地球站G/T34.3dB/K波尔兹曼常数波尔兹曼常数-228.6dBW/KHz波尔兹曼常数波尔兹曼常数-228.6dBW/KHz噪声带宽噪声带宽75.6dBHz噪声带宽噪声带宽75.6dBHz（C/N）u26.

55、5dB（C/N）d24.9dB总载噪比总载噪比22.6dB943.7 上下行链路的射频干扰上下行链路的射频干扰 卫星通信系统上、下行链路之间造成卫星通信系统上、下行链路之间造成RF干扰的原因之干扰的原因之一是地球站或卫星相关设备电磁兼容性方面存在缺陷。一是地球站或卫星相关设备电磁兼容性方面存在缺陷。 卫星系统上、下行链路的卫星系统上、下行链路的RF干扰也可以是由地面微波干扰也可以是由地面微波中继通信系统或其它卫星通信系统引入的。中继通信系统或其它卫星通信系统引入的。 上行干扰是地球站在向自己的上行干扰是地球站在向自己的“目标卫星目标卫星”发送信号发送信号的同时，向相邻卫星辐射了不希望有的信号而

56、形成干扰。的同时，向相邻卫星辐射了不希望有的信号而形成干扰。该地球站在该地球站在“相邻卫星相邻卫星”的（天线波束）的覆盖范围内的（天线波束）的覆盖范围内(通通常卫星都具较宽的天线波束覆盖范围常卫星都具较宽的天线波束覆盖范围)。理论上，地球站天。理论上，地球站天线应当有窄的波束，只瞄准自己的线应当有窄的波束，只瞄准自己的“目标卫星目标卫星”，而下行，而下行干扰是由于地球站天线波束不够尖锐，而在较宽的方向上干扰是由于地球站天线波束不够尖锐，而在较宽的方向上的辐射引起的。的辐射引起的。 上、下行上、下行RF干扰示意图干扰示意图96进入或来自邻近卫星系统的干扰进入或来自邻近卫星系统的干扰来自地球站天线

57、旁瓣进入到邻近卫星的来自地球站天线旁瓣进入到邻近卫星的干扰，如图干扰，如图4-84-8所示。所示。 图图4-8 天线辐射方向性图天线辐射方向性图 一个地球站看到的两颗卫星之间的间距一个地球站看到的两颗卫星之间的间距 99已知已知，和和d d有下列关系有下列关系 , 。 cos2222BABAddddd)cos1 (2cos222222rrrdBABAddrdd2)cos1 (2cos2221邻近邻近卫星卫星系统系统干扰干扰 101干扰功率可表示为干扰功率可表示为载波干扰比（载干比）载波干扰比（载干比） uuuuGdfcEIRPI24定义信号载波功率与干扰功率之比为载干比定义信号载波功率与干扰功

58、率之比为载干比uuuuuuuuuuuGGEIRPEIRPGGdfdfEIRPEIRPICIC2102从地球站从地球站A2到卫星到卫星A的的上行载波干扰比上行载波干扰比为为 )( )()log2529()()(*)()/(dBGdBGdBGdBWEIRPdBWEIRPICuuiu)( )()log2529()()/(*)/()/(22dBGdBGdBGmdBWPmdBWPICuuifdfdu或或103从地球站从地球站A到卫星到卫星A1的下的下行载波干扰比行载波干扰比为为 )log2529()()( )()/(dBGdBWEIRPdBWEIRPICSSd104邻近卫星系统引起的总载波干扰比为邻近卫

59、星系统引起的总载波干扰比为 111duICICIC上行上行C/I与地球站天线直径的关系曲线与地球站天线直径的关系曲线 DTH系统下行系统下行C/I与接收天线直径和卫星间隔的关系与接收天线直径和卫星间隔的关系 1073.8 卫星链路干扰分析卫星链路干扰分析 假定所有干扰信号假定所有干扰信号 (包括包括AWGN )，都是彼都是彼此无关的广义平稳随机过程，其均值为零。此无关的广义平稳随机过程，其均值为零。108 3.8.1 载波噪声干扰功率比载波噪声干扰功率比总的卫星链路的载波噪声干扰比为：总的卫星链路的载波噪声干扰比为：111dIuIINCNCNC1093.8.2 地面微波等其它干扰地面微波等其它干扰1. 地面微波干扰地面微波干扰2. 正交极化干扰正交极化干扰3. 邻近信道干扰邻近信道干扰 110 3.8.3 交调干扰产生的噪声交调干扰产生的噪声 1. FDMA多址联接时的交调干扰多址联接时的交调干扰2. 交调干扰