卫星通信课件第3章(xsy)(NXPowerLite)

卫星通信课件第3章(xsy)(NXPowerLite)第一页，共33页。影响卫星通信系统中的电波传播的因素2第二页，共33页。传播损耗3.1星—地链路的传播特性

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，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。星际链路传送可认为是自由空间传播，星-地之间的传播特性由自由空间和近地大气的传播特性所决定。

3.1.1.自由空间传播损耗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(例如树木、建筑物的遮挡等)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,而移动卫星通信则不可避免。3第三页，共33页。电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率为：

其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；

LP为自由空间传播损耗4第四页，共33页。用分贝表示，则为：

例题：已知IS-IV号卫星作点波束1872路运用时，其等效全向辐射功率[EIRP]s=34.2dBW,接收天线增益GRS=16.7dB。又知某地球站有效全向辐射功率[EIRP]E=98.6dBW,接收天线增益GRE=60.0dB,接收馈线损耗LFRE=0.05dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率CS和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。

解：若上行工作频率为6GHz，下行频率为4GHz，距离为，d=40000km。5第五页，共33页。上行线路传输损耗为：[Lu]=92.44+20lgd(km)+20lgf(GHz)=92.44+20lg40000+20lg6=200.04dBW下行线路传输损耗为：[Ld]=92.44+20lg40000+20lg4=196.52dBW卫星接收机输入端的载波接收功率为：[Cs]=[PtE]+[GtE]+[GRS]-[Lu]=[EIRP]E+[GRS]-[Lu]=98.6dBW+16.7dBW-

200.04dBW=-84.74dBW=-54.74dBmW

地球站接收机输入端的载波接收功率为：[CE]=[EIRP]S+[GRE]-[Ld]-[LFRF]=34.2dBW+60.0dBW-196.52dBW-0.05dBW=-102.37dBW=-72.37dBmW6第六页，共33页。3.1.2.链路附加损耗

1.大气吸收损耗

在大气各种气体中，氧气、水蒸汽对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在22．3GHz，氧气在60GHz(50－70GHz间)。对非常低的水蒸汽密度，衰减可假定与水蒸汽密度成正比。右图是不同仰角时的大气气体总衰减。在0.3-l0GHz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。30GHz附近也有一个低损耗区。7第七页，共33页。2、大气折射的影响 大气折射率随着高度增加、大气密度减小。电波射线因传播路径上的折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。而且这一偏移角还因传播途中大气折射率的变化而随时变化。 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，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5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，使电波向各个方向上散射，导致波前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。（示意见书p32图3-4）

8第八页，共33页。3.2卫星移动通信链路特性

多普勒频移

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，接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频移fD可由下式表示:

其中，V为卫星与用户的相对运动速度，fc为射频频率，C为光速，而为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹角(推导见书p36)。

9第九页，共33页。3.3天线的方向性和电极化问题

3.3.1天线增益和方向图

在同一输入功率下，某天线在最大辐射方向上的辐射强度与理想的各向同性天线均匀辐射强度的比值，称为增益G

（一般以分贝表示，画图）。

天线辐射的功率在空间各方向上是不同的，表示这种辐射功率大小在空间的分布图称为天线的方向图，其主要参数是主瓣的半功率角（单位为度），通常称为波束宽度。除主瓣波束宽度外，还有第一旁瓣、第二旁瓣……，以及与主瓣方向相反的后瓣等，统称旁瓣。

10第十页，共33页。3.3.2极化隔离

天线发射或接收的无线电波极化方向是根据电波的电场矢量的取向来确定的。一般情况下，在一个周期内电场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。 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（RH或LH）；2、轴比（长轴与短轴之比）；3、倾角（长轴相对于基轴的倾角）。 工程上，通常采用圆极化（CP，Circularpolarization）和线极化（LP，Linearpolarization）两种极化工作方式。它们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。11第十一页，共33页。3.4噪声与干扰

3.4.1系统热噪声

通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。为理解热噪声对系统性能的影响，这里以电路中的一个电阻为例来说明。从电阻外部看，其内部电子自由运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压。噪声系数

噪声系数F（或NF）定义为输入信噪比与输出信噪比之比：12第十二页，共33页。1.等效噪声温度Te和噪声系数NF

卫星通信中，遇到的大部分电路是线性或近似线性的，因此，可以用一个线性网络来描述。由于所有器件都会或多或少地产生噪声，这些内部噪声可能是热的也可能不是，而为了分析、设计线路的方便，希望能把它们统统等效成热噪声来处理，因而引人等效噪声温度的概念。

一个实际有源器件的等效噪声温度Te定义为：若在该有源器件（本身产生噪声）输人端连接一个无噪声电阻时的输出噪声功率为ΔN（相当于环境温度下该器件新增的噪声功率），则如果把该有源器件看成是理想（无噪声）有源器件，为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为Te的电阻，Te称为网络的等效噪声温度。这样网络输出端的噪声功率由两部分组成：一部分由网络输入端的匹配电阻产生的噪声所引起（记为Nio)，另一部分为网络内部噪声的贡献ΔN。这样，输出噪声功率为：

13第十三页，共33页。To是输入匹配电阻的噪声温度，在输出端产生的噪声为上式第一项，第二项为网络内部噪声在其输出端的贡献。噪声系数为：14第十四页，共33页。2.级联网络的等效噪声温度

卫星通信接收机是由天线、馈线、低噪声放大器、混频器等一系列网络级联组成的.假定级联的n个网络的增益和等效噪声温度分别为和。并认为n个网络的等效噪声带宽B都相同，可得1、2、…，n级网络输出噪声功率分别为：

kB(T+Te1)A1kB(T+Te1)A1A2+kBTe2A2……kB(T+Te1)A1A2…An+kBTe2A2A3…An+…+kBTen其中T为输入端噪声温度。（参见书p41附页）15第十五页，共33页。如果用表示n个网络级联后的等效噪声温度，则n级网络输出噪声功率可表示为：其中表示n个网络级联后的总等效噪声温度：16第十六页，共33页。例题1(3-9)天线噪声温度为35K，与之匹配的接收机噪声温度为100K。计算（a）噪声功率谱密度（b）带宽为36MHz的噪声功率解：总的等效噪声温度T等于各网络的等效噪声温度之和。（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第十七页，共33页。例题2(3-10)LNA与一个接收机相联，接收机的噪声系数为12dB，LNA增益为40dB，噪声温度120K。计算LNA输入的全噪声温度(总等效输入噪声温度）。解：环境温度为T0=290K，NF2=12dB＝15.85，因此接收机的等效噪声温度为：Te2=(NF2-1)T0=(15.85-1)×290＝4306K增益A1=40dB相当于10000，LNA输入的全噪声温度为：Tin=Te1+Te2/A1=120+4360/10000=120.43K18第十八页，共33页。3.4.2宇宙噪声及其他干扰 宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物质的热气体辐射的。平均宇宙噪声功率随着频率的增加而下降，当频率高于1GHz时，宇宙噪声功率可以忽略。在天空中的某些部分，其噪声功率非常低（有时称为“冷空”）；而在其他地方则相对较高（称为“热空”）。天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源（即通常所说的“射电星”）。 太阳的噪声温度也与太阳的状态有关，当处在太阳黑子活跃期时约会增加102~104K。在春分和秋分前后，所有地球站天线的主瓣都会直接对着太阳，因此天线噪声温度会大大增加，造成通信中断，这就是所谓的“日凌中断”。 其他干扰见书P4319第十九页，共33页。3.5卫星通信全链路质量

(1)天线的增益和波束宽度 卫星通信中，一般使用定向天线，它把电磁能量聚集在某一方向辐射。定向天线增益G的定义为

上式中，G用分贝为单位时，除用(dB)符号外，还有的用(dBi)的符号，以示相对于无方向性(各向同性)天线而言。 卫星通信中使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增益可按下式计算：式中，A为天线口面面积（m2）;λ为工作波长（m）；η为天线效率。f为以GHz为单位的载波频率，D为天线口径（m）。现代卡塞哥伦天线的η可达0.75(f=4GHz)、0.65（f=6GHz）左右。抛物面天线波束的半功率点宽度θ0.5近似为20第二十页，共33页。式中，D为抛物面天线主反射器的口面直径(m），由此可见天线直径越大，其方向性越好。

例题口径为3m的抛物面天线，工作频率12GHz，天线效率为0.55，计算该天线增益。解：G==0.55×（10.472×12×3）2＝78168＝48.9dB21第二十一页，共33页。(2)有效全向辐射功率 卫星通信中，常常用有效全向辐射功率EIRP(或e.i.r.p)来代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力。它指的是天线所发射的功率PT与该天线增益GT的乘积，即EIRP＝PTGT(W) 它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率．它比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大GT倍，名称上。“有效”也就是这个含义。

例题：卫星下行链路工作在12GHz，有6W的发射功率，天线增益48.2dB。计算以dBW表示的EIRP值。解：[EIRP]=10log6+48.2=56dBW22第二十二页，共33页。(3)接收系统性能因数G／T 为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的裁噪比(信噪比）．当工作频率、信号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗L以及接收系统的噪声等效带宽Bn也就基本确定，这样，载噪比就决定于发端的[EIRP]及收端的[G／T]。我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G／T的分贝值，称为接收系统性能因数或品质因数。

23第二十三页，共33页。(4)载噪比 解调器输出的被恢复的基带信号质量的好坏，通常模拟制用信噪比（S／N）、数字制用误码率（Pe）或误比特率（Pb）作为最基本的度量。而其好坏，在设备一定的条件下，就取决于解调器输人端的载噪比。 我们采用卫星通信系统常用的符号C，G和N来表示接收信号（载波）功率，接收天线增益和接收端的噪声功率，接收信号的信（载）噪比C/N为：

24第二十四页，共33页。在进行链路预算分析时，为了避免涉及接收机的带宽，除载噪比C/N作为系统的重要参数外，也常用载波功率与等效噪声温度之比C/T。将N=kTB代入上式，有

25第二十五页，共33页。例题(3-12)载波频率12GHz，自由空间损耗206dB，天线指向损耗1dB，大气损耗2dB，接收机的G/T值为19.5dB/K，接收机馈线损耗1dB，EIRP为48dBW。计算载噪比频谱密度。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的频率为参考的分贝值（相对于1Hz的分贝值）。26第二十六页，共33页。链路预算分析

方程参数（以dB计）与微波链路单元电路的对应关系

发射机接收机PtPr发送波导Lt接收波导Lr发射天线Gt接收天线Gr自由空间传播LfPt－Lt＋Gt－Lf＋Gr－Lr＝Pr27第二十七页，共33页。接收系统的等效噪声温度 在一个接收机中，通常用接收系统（等效）噪声温度来衡量所有噪声的综合影响，它是把所有噪声源的噪声温度都折算到低噪声放大器（LNA）输人端后相加得到的。书p45画出了接收机中对接收系统噪声温度有影响的主要噪声来源。天线噪声功率被无源器件（馈源、传输线）衰减1／LF，但它们同时也会引人噪声。Tae=

Ta/LF馈线噪声温度折算到接收机输入端为(见书p45附)

TFe=

T0(1-1/LF)

28第二十八页，共33页。接收系统噪声温度可用下式来计算：

T＝Ta/LF＋T0(1-1/LF)＋Tre(见书p45(3-33)式）其中，T0为环境噪声温度（通常假定为290K）；Ta为天线噪声温度；LF为天线到LNA之间的衰减量；