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1、第第3章章 链路传输工链路传输工程程1第1页，共65页，编辑于2022年，星期二第第3章章 链路传输工程链路传输工程v3.1 概述概述v3.2 星地链路传播特性星地链路传播特性v3.3 卫星通信全链路质量卫星通信全链路质量2第2页，共65页，编辑于2022年，星期二3.1 概述概述v星际链路：星际链路：只考虑自由空间传播损耗。只考虑自由空间传播损耗。v星星-地链路：地链路：由自由空间传播损耗和近地大气层的各种由自由空间传播损耗和近地大气层的各种影响所确定；影响所确定；卫星通信的电波要经过对流层（含云层和卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电离层和外层空间，跨雨层）、平流层、电离
2、层和外层空间，跨越距离大，影响电波传播的因素很多。越距离大，影响电波传播的因素很多。3第3页，共65页，编辑于2022年，星期二热层（电离层）热层（电离层）80-500 km中间层中间层50-80 km 平流层平流层16-50 km对流层对流层7-16 km外逸层外逸层500-64,374 km4第4页，共65页，编辑于2022年，星期二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衰减和天空噪声增加增加大气气体、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
3、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折对流层和电离层折射扰动射扰动对流层：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 地球表面及表面上地球表面及表面上物体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5第5页，共65页，编辑于2022年，星期二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6第6
4、页，共65页，编辑于2022年，星期二(1)天线增益天线增益Gv卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增益可按下式计算：等面天线的增益可按下式计算：v其中，其中，A为天线口面面积，为天线口面面积，为波长，为波长，为天线为天线效率，现代卡塞格伦天线的效率，现代卡塞格伦天线的 可达可达0.75(f=4GHz)或或0.65(f=6GHz)左右。左右。vA 也称也称为为天天线线的有效接收面的有效接收面积积Ae。7第7页，共65页，编辑于2022年，星期二(2)等效全向辐射功率（等效全向辐射功率（EIRP）v定义：地球站或卫星的天线发射的功率定义：地球站或
5、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。表明了定向天线的乘积。表明了定向天线 在最大辐射方向实际所辐射的功率。可表在最大辐射方向实际所辐射的功率。可表示为示为 EIRP=PG或或 EIRP(dBW)=P(dBW)+G(dB)上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐射功率（射功率（EIRP）来衡量。）来衡量。8第8页，共65页，编辑于2022年，星期二(3)馈线损耗馈线损耗(L)实际的发射装置中，发射机和天线之间实际的发射装置中，发射机和天线之间有一段馈线，馈线损耗定义为其输入端有一段馈线，馈线损耗定义为其输入端功率功率Pin与输出端功率与输出端功
6、率Pout的比值。的比值。L=Pin/Pout通常用通常用dB为单位，表示为为单位，表示为L(dB)=Pin(dBW)-Pout(dBW)9第9页，共65页，编辑于2022年，星期二(4)传输损耗传输损耗(L)卫星通信中，电波在上行或下行链路中卫星通信中，电波在上行或下行链路中传输时，会受到各种因素的影响而产生传输时，会受到各种因素的影响而产生损耗。最主要的是自由空间传播损耗，损耗。最主要的是自由空间传播损耗，此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差等所产生的损耗。差、极化方向误差等所产生的损耗。通常用通常用dB为单位。为单位。10第10页，共65页
7、，编辑于2022年，星期二(5)等效噪声温度（等效噪声温度（Te）和噪声系数）和噪声系数(NF)v噪声温度是通信接收机中的一个重要概念，噪声温度是通信接收机中的一个重要概念，利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声大小。大小。v噪声功率为噪声功率为v其中，其中，k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为为噪声源的噪声温度，单位为噪声源的噪声温度，单位为K。B为系统带宽为为系统带宽为B，单位，单位Hz。11第11页，共65页，编辑于2022年，星期二v在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪声或其他噪声。为
8、了链路分析和设计的方便，声或其他噪声。为了链路分析和设计的方便，把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而引入等效噪声温度引入等效噪声温度Te的概念。的概念。v假设网络内部产生噪声为假设网络内部产生噪声为 N，如果一个输入，如果一个输入匹配电阻在温度匹配电阻在温度Te时产生的噪声功率刚好等时产生的噪声功率刚好等于于 N，则，则Te即为该网络的等效噪声温度。即为该网络的等效噪声温度。vTe是一个等效温度，不等于环境的物理温度。是一个等效温度，不等于环境的物理温度。12第12页，共65页，编辑于2022年，星期二v除等效噪声温度外，通常噪声系数也被用来除等效噪声温
9、度外，通常噪声系数也被用来表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室温温(290K)条件下，网络的输入信噪比和输出条件下，网络的输入信噪比和输出信噪比的比值信噪比的比值v噪声温度噪声温度(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)dB13第13页，共65页，编辑于2022年，星期二(6)品质因素（品质因素（G/T）下行接收系统的性能主要通过品质因素下行接收系统的性能主要通过品质因素G/T来体现。来体现。定义：接收天线增益与接收系统总的等定义：接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值。效噪声温度的比值。G/T=G(d
10、B)-10lgT(dB/K)14第14页，共65页，编辑于2022年，星期二3.2 星星-地链路传播特性地链路传播特性v卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中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、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)而增加额外的损耗，固定业而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系
11、统则可通过适当选址避免这一务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。额外的损耗。15第15页，共65页，编辑于2022年，星期二3.2.1 自由空间传播损耗自由空间传播损耗v自由空间传播，是指天线周围为无限大真空自由空间传播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。时的电波传播，它是理想传播条件。电波在电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。吸收，也不会产生反射或散射。v自由空间电波传播是无线电波最基本、最简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单的传播方式。自由
12、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念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。计算环境。16第16页，共65页，编辑于2022年，星期二v对一个各向同性的辐射源，其能量是向周围均匀对一个各向同性的辐射源，其能量是向周围均匀扩散的。扩散的。17第17页，共65页，编辑于2022年，星期二v虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩
13、散而引起的。引起的。v电波在传播过程中，能量将随传输距离的电波在传播过程中，能量将随传输距离的增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗。路的自由空间传播损耗。18第18页，共65页，编辑于2022年，星期二v经电磁场理论推导，自由空间传播损耗经电磁场理论推导，自由空间传播损耗Lf为为其中，其中，d为传播距离，单位为为传播距离，单位为km f为工作频率，为工作频率，单位为单位为GHzv传播距离传播距离d越远，自由空间路径损耗越远，自由空间路径损耗Lf越大，越大，当传播距离当传播距离d加大一倍时，自由空间路径损耗加大一倍时，自由空间路径损耗Lf就
14、增加就增加6dB。v电波频率电波频率f 越高，自由空间路径损耗越高，自由空间路径损耗Lf就越大，就越大，当电波频率当电波频率f 提高一倍时，自由空间传播损耗提高一倍时，自由空间传播损耗Lf就增加就增加6 dB。19第19页，共65页，编辑于2022年，星期二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20第20页，共65页，编辑于2022年，星期二v例：卫星和地面站之间的距离为例：卫星和地面站之间的距离为40,000km。计。计算算6GHz时的自由空间损耗。时的自由空间损耗。解：解：21第21页，共65页，编辑于2022年，星期二自由空间传播损耗自由空间传播损耗Lf为为v例
15、：若静止卫星定位于例：若静止卫星定位于90 E，地球站位于，地球站位于(110 E,40 N)，若射频频率为，若射频频率为6GHz，计算，计算链路的自由空间传播损耗。链路的自由空间传播损耗。解：信号传输距离为解：信号传输距离为22第22页，共65页，编辑于2022年，星期二3.2.2 链路附加损耗和噪声链路附加损耗和噪声v卫星通信系统涉及空间段和地面段，存在各卫星通信系统涉及空间段和地面段，存在各种各样的噪声和干扰。信号传播过程中除自种各样的噪声和干扰。信号传播过程中除自由空间传播损耗外，还有其它一些附加损耗。由空间传播损耗外，还有其它一些附加损耗。1、大气吸收损耗大气吸收损耗v在大气各种气体
16、中，水蒸汽、氧气对电波的在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减起主要作用，称为大气吸收损耗。吸收衰减起主要作用，称为大气吸收损耗。23第23页，共65页，编辑于2022年，星期二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H2OO224第24页，共65页，编辑于2022年，星期二v如图，总体上看，大气吸收损耗随频率的如图，总体上看，大气吸收损耗随频率的增加而加大。由于在增加而加大。由于在22GHz和和60GHz处有处有较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星-地链路，但可用于星间链路。在地链路，但可用于星间链路。在0.3-l0GHz的频段，大
17、气损耗小，适合于电波传播，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。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，正式附近也有一个低损耗区，正式Ka频段的频段的“无线电窗口无线电窗口”。25第25页，共65页，编辑于2022年，星期二2、雨衰和云雾雪的影响雨衰和云雾雪的影响v由降雨引起的电波传播损耗的增加则称为由降雨引起的电波传播损耗的增加则称为雨衰。雨衰是雨滴对微波能量的吸收和散雨衰。雨衰是雨滴对微波能量的吸收和散射产生的，并随着频率的增高而加大。通射产生的，并随着频率的增高而加大。通常在常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影响不波段及其以上波段，雨衰的影
18、响不容忽视。容忽视。v雨衰的大小与雨量大小，以及电波穿过雨雨衰的大小与雨量大小，以及电波穿过雨区的有效传输距离有关。区的有效传输距离有关。v为保证可靠通信，在进行链路设计时，通为保证可靠通信，在进行链路设计时，通常先以晴天为基础进行计算，然后留有一常先以晴天为基础进行计算，然后留有一定余量，以保证降雨、下雪等情况仍然满定余量，以保证降雨、下雪等情况仍然满足通信质量要求，这个余量叫降雨余量。足通信质量要求，这个余量叫降雨余量。26第26页，共65页，编辑于2022年，星期二降雨衰减系数的频率特性降雨衰减系数的频率特性27第27页，共65页，编辑于2022年，星期二3 3、大气折射的影响、大气折射
19、的影响v在大气层中，离地球表面越高，空气密度在大气层中，离地球表面越高，空气密度越低，对电波的折射率也随之减小，使电越低，对电波的折射率也随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。v由于折射的影响，这就使得电磁波到达卫由于折射的影响，这就使得电磁波到达卫星站星站(或地球站或地球站)时偏离了原来的位置。因时偏离了原来的位置。因此，地球站对准卫星的仰角，卫星的可视此，地球站对准卫星的仰角，卫星的可视性都与在自由空间时不同且还产生附加损性都与在自由空间时不同且还产生附加损耗等。相比自由空间传播，耗等。相比自由空间传播，波束上翘一个波束上翘一个角度增量。角度增量
20、。v大气折射在低仰角通信时比较严重。大气折射在低仰角通信时比较严重。28第28页，共65页，编辑于2022年，星期二29第29页，共65页，编辑于2022年，星期二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30第30页，共65页，编辑于2022年，星期二4 4、电离层、对流层闪烁的影响、电离层、对流层闪烁的影响v闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时，由于该层媒质小通过电离层和对流层时，由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化，使地面接范围折射率不规则的起伏变化，使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现收到的信号振幅与相位
21、发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。象，这种起伏变化称为闪烁。31第31页，共65页，编辑于2022年，星期二电离层闪烁形成多径传播电离层闪烁形成多径传播32第32页，共65页，编辑于2022年，星期二v电离层闪烁：由电离层内电子密度的随机不电离层闪烁：由电离层内电子密度的随机不均匀性，可使信号产生折射。主要对较低频均匀性，可使信号产生折射。主要对较低频段段(1GHz(1GHz以下以下)的电波产生明显的散射和折射，的电波产生明显的散射和折射，引起信号衰落。引起信号衰落。v对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆变或湍流运动，引起折射指数的不均匀性，变或
22、湍流运动，引起折射指数的不均匀性，对电波产生散射。主要影响低仰角和对电波产生散射。主要影响低仰角和10GHz10GHz以以上频率，上频率，强度随电波频率的升高而增大强度随电波频率的升高而增大。v对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术来克服衰落，减少闪烁的影响；其它等技术来克服衰落，减少闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服闪烁地区可用适当增加储备余量的方法克服闪烁的影响。的影响。33第33页，共65页，编辑于2022年，星期二5 5、多径传播、多径传播v电波在移动环境中传输时，会受到地形、地电波在移动环境中传输时，会受到地形、地物的影响而
23、产生反射、绕射、散射等，从而物的影响而产生反射、绕射、散射等，从而使电波沿着各种不同的路径传播，到达接收使电波沿着各种不同的路径传播，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波，这称为多径传播。波，这称为多径传播。v各传播路径分量的幅度和相位各不相同，接各传播路径分量的幅度和相位各不相同，接收端多径信号可能同相叠加，信号增强，也收端多径信号可能同相叠加，信号增强，也可能反相抵消，合成信号被减弱，由此形成可能反相抵消，合成信号被减弱，由此形成的合成信号起伏不定，称为多径衰落。的合成信号起伏不定，称为多径衰落。34第34页，共65页，编辑于2022年，星
24、期二地面反射形成的多径传播地面反射形成的多径传播35第35页，共65页，编辑于2022年，星期二6 6、系统热噪声、系统热噪声v热噪声，热噪声，又称白噪声。又称白噪声。只要传导媒质不处于只要传导媒质不处于绝对零度绝对零度 （-273-273 C C），其中的带电粒子就），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，存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声，称为热噪声。称为热噪声。v热噪声是由导体中电子的热震动引起的，它热噪声是由导体中电子的热震动引起的，它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，热噪声是在所
25、有频谱中以相同的形态分布，它是不能够消除的。它是不能够消除的。36第36页，共65页，编辑于2022年，星期二热噪声功率热噪声功率k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；T为噪声源的噪声温度，单位为为噪声源的噪声温度，单位为K；B为系统带宽，单位为系统带宽，单位Hz。37第37页，共65页，编辑于2022年，星期二7 7、宇宙噪声、宇宙噪声v宇宙噪声来自于外层空间星体的热气体在星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，包括银河系辐射噪声、太阳际空间的辐射，包括银河系辐射噪声、太阳辐射噪声和月球、行星等射电源辐射噪声，辐射噪声和月球、行星等射电源辐射噪声，其中最主
26、要的噪声干扰源来自太阳。其中最主要的噪声干扰源来自太阳。v在太阳处于寂静期时，只要接收机的天线不在太阳处于寂静期时，只要接收机的天线不对准太阳，太阳噪声对系统的影响不大。但对准太阳，太阳噪声对系统的影响不大。但在每年的春分和秋分前后若干天，每天会有在每年的春分和秋分前后若干天，每天会有几分钟时间日凌中断，造成严重干扰。干扰几分钟时间日凌中断，造成严重干扰。干扰发生的具体时间与地球站位置有关。发生的具体时间与地球站位置有关。38第38页，共65页，编辑于2022年，星期二8、大气和降雨噪声、大气和降雨噪声v电波穿过电离层、对流层时，水蒸气和氧分电波穿过电离层、对流层时，水蒸气和氧分子的谐振会吸收
27、电波能量而带来附加损耗，子的谐振会吸收电波能量而带来附加损耗，同时产生电磁辐射形成噪声，即大气噪声。同时产生电磁辐射形成噪声，即大气噪声。v降雨除了衰减信号以外还引起噪声温度的增降雨除了衰减信号以外还引起噪声温度的增加和去极化的发生，降雨引起的衰减对信号加和去极化的发生，降雨引起的衰减对信号影响较明显，因此，一般情况下都要考虑雨影响较明显，因此，一般情况下都要考虑雨衰的影响，在进行较精确的计算时也还要考衰的影响，在进行较精确的计算时也还要考虑降雨噪声和去极化等因素。虑降雨噪声和去极化等因素。v工程上，降雨噪声和雨衰往往一并考虑，用工程上，降雨噪声和雨衰往往一并考虑，用留有足够系统余量的方法来解
28、决。留有足够系统余量的方法来解决。39第39页，共65页，编辑于2022年，星期二9 9、其它噪声干扰、其它噪声干扰v卫星通信系统内的其他噪声干扰主要包括系卫星通信系统内的其他噪声干扰主要包括系统间干扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化统间干扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。干扰等。v系统间干扰系统间干扰：如卫星通信系统与地面微波通：如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰。信系统之间的干扰。v共道干扰共道干扰：为了充分利用频率资源，常采用：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，但波束间的向不同地
29、区的两个波束覆盖区，但波束间的隔离往往并不十分理想，从而产生共信道干隔离往往并不十分理想，从而产生共信道干扰。扰。40第40页，共65页，编辑于2022年，星期二v交叉极化干扰交叉极化干扰：为了充分利用频率资源，卫：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，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。由于极化的不完全正交实现信号间的隔离。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可能造成干扰，即能
30、量从一种极化状态耦合到另一种极化状态引起的干扰。这也是一种到另一种极化状态引起的干扰。这也是一种共道干扰。共道干扰。在微波和波长更短的波段，去极在微波和波长更短的波段，去极化主要产生于雨、冰晶。化主要产生于雨、冰晶。41第41页，共65页，编辑于2022年，星期二v互调干扰互调干扰：v卫星转发器中采用了高功率放大器卫星转发器中采用了高功率放大器(HPA,High Power Amplifier)，当转发器用于转发当转发器用于转发多载波信号时多载波信号时，HPA可以同时放大多个载波可以同时放大多个载波信号信号(几个、十几个甚至几百个载波几个、十几个甚至几百个载波)。v目前卫星转发器的功放级大都采
31、用行波管放目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器大器(TWTA)，作为功放级的，作为功放级的TWTA，是一个，是一个非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，交调干扰主要是由放大器的非线性特性引起交调干扰主要是由放大器的非线性特性引起的。的。42第42页，共65页，编辑于2022年，星期二输入相对功率输入相对功率输出相对功率输出相对功率饱和点饱和点工作点工作点输出回退值输出回退值输入回退值输入回退值43第43页，共65页，编辑于2022年，星期二v在功率放大器正常的工作范围内，功放的输在功率放大器正常的工作范围内，功放的输出功率与输入功率间存在着线性关系。
32、然而出功率与输入功率间存在着线性关系。然而随着输入电压的不断增大，输出功率的增长随着输入电压的不断增大，输出功率的增长会逐步降低。此时，意味这功率放大器已经会逐步降低。此时，意味这功率放大器已经开始进入饱和状态。输出功率与输入功率间开始进入饱和状态。输出功率与输入功率间的关系也逐步偏离线性关系，最终达到无论的关系也逐步偏离线性关系，最终达到无论输入功率再增大多少，而输出功率将不在随输入功率再增大多少，而输出功率将不在随之增大。功放在给定的频率点能够输出的最之增大。功放在给定的频率点能够输出的最大的功率，我们称为饱和功率。大的功率，我们称为饱和功率。v行波管工作点越接近于饱和点，效率越高，行波管
33、工作点越接近于饱和点，效率越高，多载波条件下的最大输出功率越高，但非线多载波条件下的最大输出功率越高，但非线性失真也越严重。性失真也越严重。44第44页，共65页，编辑于2022年，星期二v转发器在多载波工作时，由于放大器的非线转发器在多载波工作时，由于放大器的非线性，从而将产生各种组合频率成分，这些组性，从而将产生各种组合频率成分，这些组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，就会产生干扰，称为互而顺利通过接收机，就会产生干扰，称为互调干扰，从而使接收机的信噪比恶化，降低调干扰，从而使接收机的信噪比恶化，降低通信质量。通信质量。v为了避免
34、交调干扰，所有载波的总功率应该为了避免交调干扰，所有载波的总功率应该不超过转发器的线性功率，以使转发器工作不超过转发器的线性功率，以使转发器工作在线性条件下。因此，发射功率输出电平要在线性条件下。因此，发射功率输出电平要比饱和点电平足够低比饱和点电平足够低(称电平称电平“回退回退”补偿补偿)，以保证，以保证HPA的线性，因此功率利用率不高。的线性，因此功率利用率不高。45第45页，共65页，编辑于2022年，星期二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衰减和天空噪声增加增加大气气体、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
35、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折对流层和电离层折射扰动射扰动对流层：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 地球表面及表面上地球表面及表面上物体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46第46页，共65页，
36、编辑于2022年，星期二3.3 卫星通信全链路质量卫星通信全链路质量v链路预算分析链路预算分析47第47页，共65页，编辑于2022年，星期二PT：发射功率：发射功率Pr：电波经自由空间传播后的接收信号功率：电波经自由空间传播后的接收信号功率Lt：发射机到发射天线的波导传播损耗（馈线）：发射机到发射天线的波导传播损耗（馈线）Lr：接收天线到接收机的波导传播损耗：接收天线到接收机的波导传播损耗Lf：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗由此获得功率平衡方程由此获得功率平衡方程v若功率单位为若功率单位为dBW，损耗单位为，损耗单位为dB，则功率平衡方程可，则功率平衡方程可写为写为48第48页，共65页
37、，编辑于2022年，星期二v传输损耗传输损耗(L)实际卫星通信中，除自由空间传播损耗，实际卫星通信中，除自由空间传播损耗，此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误此外，还应考虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差等所产生的损耗。差、极化方向误差等所产生的损耗。总的传输损耗是各种损耗之和。总的传输损耗是各种损耗之和。v定义发射机的等效全向辐射功率定义发射机的等效全向辐射功率EIRP为：为：EIRP=Pt-Lt+Gtv由此，功率平衡方程可写为由此，功率平衡方程可写为49第49页，共65页，编辑于2022年，星期二v根据前面对热噪声的分析，接收机的输入噪根据前面对热噪声的分析，接收机的输入噪声功率为声功率
38、为k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，1.3810-23J/K；B为系统的带宽；为系统的带宽；T为接收系统的为接收系统的等效噪声温度等效噪声温度，它包括天线、馈，它包括天线、馈线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温度。以线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温度。以接收机输入端为参考点，将天线、馈线的噪声温接收机输入端为参考点，将天线、馈线的噪声温度折算到接收机输入端，并与接收机内部噪声折度折算到接收机输入端，并与接收机内部噪声折算的等效噪声温度相加。算的等效噪声温度相加。50第50页，共65页，编辑于2022年，星期二v（地球站）天线噪声主要包括了由天线主瓣（地球站）天线噪声主要包括了由天线主瓣进入
39、天线的宇宙噪声、大气噪声，和由天线进入天线的宇宙噪声、大气噪声，和由天线旁瓣进入的地面噪声、大气噪声和太阳噪声。旁瓣进入的地面噪声、大气噪声和太阳噪声。同时，下雨时还有雨的吸收噪声。同时，下雨时还有雨的吸收噪声。v一般来说，晴天条件下天线噪声温度大约在一般来说，晴天条件下天线噪声温度大约在30-50K30-50K的范围，然而它与下列因素有关：仰的范围，然而它与下列因素有关：仰角（仰角越大，噪声越小）；天线直径（直角（仰角越大，噪声越小）；天线直径（直径越大，噪声越小）；天气条件（雨天噪声径越大，噪声越小）；天气条件（雨天噪声剧增，特别是剧增，特别是10GHz10GHz以上的频段）。以上的频段）
40、。51第51页，共65页，编辑于2022年，星期二v卫星通信中，通常用载噪比来衡量整个链路卫星通信中，通常用载噪比来衡量整个链路性能。性能。v用用C表示接收信号载波功率表示接收信号载波功率(相当于前面的相当于前面的Pr)，G表示接收天线增益表示接收天线增益(相当于前面的相当于前面的Gr)，N表示接收端的噪声功率表示接收端的噪声功率v于是，接收信号的载噪比（载波功率与噪声于是，接收信号的载噪比（载波功率与噪声功率之比）功率之比）C/N为为52第52页，共65页，编辑于2022年，星期二vEIRP=PtGtvL=LfLtLr 为系统总的传输损耗，为系统总的传输损耗，G/T为接收系为接收系统的品质因
41、数，统的品质因数，于是，于是，C/N化简为化简为v以以dB为单位为单位53第53页，共65页，编辑于2022年，星期二v在进行链路预算分析时，为了避免涉及接收在进行链路预算分析时，为了避免涉及接收机的带宽，也常用载波功率与等效噪声温度机的带宽，也常用载波功率与等效噪声温度之比之比C/T反映系统的性能反映系统的性能v式中，式中，L=LfLtLr 为总的传输损耗，为总的传输损耗，G/T为接收为接收系统的品质因数，它是评价接收机性能好坏的系统的品质因数，它是评价接收机性能好坏的重要参数，重要参数，G/T越大，接收性能越好。越大，接收性能越好。54第54页，共65页，编辑于2022年，星期二v不同类型
42、的卫星通信系统，对不同类型的卫星通信系统，对G/T的要求有较的要求有较大差异。例如大差异。例如v国际卫星七号（国际卫星七号（IS-）的工作于全球波束的）的工作于全球波束的空间站空间站G/T值为值为-11.5dB/K，天线仰角大于，天线仰角大于5度度的的A型标准地球站，在晴天的型标准地球站，在晴天的G/T值应满足：值应满足：G/T40.7+20lg(f/4)。v欧洲通信卫星（欧洲通信卫星（EUTELSAT）是区域性波束）是区域性波束覆盖，空间站覆盖，空间站G/T值为值为-5.3dB/K，而对地球，而对地球站站G/T的要求为的要求为37.7 dB/K+20lgf/4。v卫星移动通信的地面移动终端天
43、线增益通常卫星移动通信的地面移动终端天线增益通常只有只有12dB，G/T在在-22-23 dB/K左右。左右。55第55页，共65页，编辑于2022年，星期二v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，余量和其它损耗总计为它损耗总计为 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。值。（假设带宽为（假设带宽为36MHz）解：解：56第56页，共65页，编辑于2022年，星期二v例：例：载波频率载波频率12GHz，自由空间损耗，自由空间损耗206dB，天线指向损耗，天线指向损耗1d
44、B，大气损耗，大气损耗2dB，接收机，接收机的的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。计算载噪比。（假设带宽为。（假设带宽为10MHz）解：解：57第57页，共65页，编辑于2022年，星期二v例：例：已知已知IS-IV号卫星工作在号卫星工作在C波段，卫星和波段，卫星和地球站相距地球站相距d=40000km，作点波束，作点波束1872路运路运用时，其有效全向辐射功率用时，其有效全向辐射功率EIRPS=34.2dBW，接收天线增益，接收天线增益GRS=16.7dB。又知某地球站。又知某地球站有效全向辐射功率有效全向辐射功率EIR
45、PE=98.6dBW，接收天，接收天线增益线增益GRE=60.0dB。接收馈线损耗。接收馈线损耗LF=0.05dB。试计算卫星接收机输入端的载波。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率接收功率Cs和地球站接收机输入端的载波接和地球站接收机输入端的载波接收功率收功率CE。58第58页，共65页，编辑于2022年，星期二解：距离解：距离d=40000km，C波段上行链路工作频波段上行链路工作频率为率为6GHz，下行链路工作频率为，下行链路工作频率为4GHz，则上，则上行链路自由空间传播损耗为行链路自由空间传播损耗为下行链路自由空间传播损耗为下行链路自由空间传播损耗为59第59页，共65页，编辑于20
46、22年，星期二v上行链路，地球站发射，卫星接收。地球站有效上行链路，地球站发射，卫星接收。地球站有效全向辐射功率全向辐射功率EIRPE=98.6dBW，卫星接收天，卫星接收天线增益线增益GRS=16.7dB，接收机载波功率，接收机载波功率v下行链路，卫星发射，地球站接收。卫星下行链路，卫星发射，地球站接收。卫星 EIRPS=34.2dBW，地球站接收天线增益，地球站接收天线增益GRE=60.0dB，接收馈线损耗，接收馈线损耗LF=0.05dB。地球站。地球站接收机载波功率接收机载波功率60第60页，共65页，编辑于2022年，星期二全链路传输质量全链路传输质量v总的等效噪声温度总的等效噪声温度
47、T应为各部分的噪声温度之应为各部分的噪声温度之和。因此，全链路传输质量将由上行链路载和。因此，全链路传输质量将由上行链路载波噪声温度比波噪声温度比(C/T)u、下行链路载波噪声温、下行链路载波噪声温度比度比(C/T)d、互调载波噪声温度比、互调载波噪声温度比(C/T)i以以及其它干扰载波噪声温度比及其它干扰载波噪声温度比(C/T)p组成。组成。v注意：上式各部分取真值计算之后再取分贝数，注意：上式各部分取真值计算之后再取分贝数，得到总载波噪声温度比。得到总载波噪声温度比。61第61页，共65页，编辑于2022年，星期二v例：求全链路例：求全链路C/T值，已知值，已知上行链路上行链路(C/T)u
48、=-126.33(dB/K)下行链路下行链路(C/T)d=-100(dB/K)互调噪声互调噪声(C/T)i=-10(dB/K)其他干扰其他干扰(C/T)p=-13(dB/K)v解解62第62页，共65页，编辑于2022年，星期二链路预算实例链路预算实例例：例：Ku波段直接到户电视波段直接到户电视(DTH TV)系统下行系统下行链路预算链路预算v已知条件：静止卫星发射功率为已知条件：静止卫星发射功率为250W(即即24dBW)，天线增益为，天线增益为30dBi，馈线损耗为，馈线损耗为1dB，传输带宽为，传输带宽为27MHz；地面为小型单收；地面为小型单收站站(RO)，其天线直径，其天线直径45c
49、m，馈线损耗，馈线损耗0.5dB，等效噪声温度为，等效噪声温度为140K。v要求最低载噪比为要求最低载噪比为8dB。63第63页，共65页，编辑于2022年，星期二参数参数数值数值发射功率发射功率250W或或24.0dBw发射波导损耗发射波导损耗1.0dB发射天线增益发射天线增益30.0dBiEIRP53.0dBw自由空间损耗自由空间损耗205.6dB接收机天线增益（接收机天线增益（45cm直径）直径）32.7dBi接收端波导损耗接收端波导损耗0.5dB接收信号功率接收信号功率-120.4dBw接收噪声功率接收噪声功率T=140K,B=27MHz-132.8dBwC/N12.4dB64第64页
50、，共65页，编辑于2022年，星期二v在只计入自由空间传播损耗和收、发两端馈在只计入自由空间传播损耗和收、发两端馈线损耗的条件下，接收的线损耗的条件下，接收的C/N为为12.4dB，而，而要求的要求的C/N为为8dB，尚有，尚有4.4dB的余量。的余量。v但是，当出现暴雨或严重的多径衰落时，余但是，当出现暴雨或严重的多径衰落时，余量可能不足。量可能不足。v通常，链路余量由所要求的有效性来确定，通常，链路余量由所要求的有效性来确定，而有效性的定义为而有效性的定义为C/N高于门限的时间百分数，高于门限的时间百分数，在卫星链路中要求的典型值为在卫星链路中要求的典型值为99%99.5%。65第65页，