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1、第三章第三章 链路传输工程链路传输工程3.1 星星-地链路传输特性地链路传输特性传播损耗：传播损耗：自由空间传播损耗自由空间传播损耗大大气气、雨雨、云云、雪雪、雾雾等等造造成成的的吸吸收收和和散散射射损损耗耗卫卫星星移移动动通通信信系系统统还还会会因因为为受受到到某某种种阴阴影影遮遮蔽蔽(例例如如树树木木、建建筑筑物物的的遮遮挡挡等等)而而增增加加额额外外的的损损耗耗3.1.1 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 自自由由空空间间电电波波传传播播是是无无线线电电波波最最基基本本、最最简简单单的传播方式。的传播方式。若以若以 dB为单位，则为单位，则Lf可以表示为：可以表示为：Lf=92.44+2
2、0lgd+20lgf其中，其中，d的单位为的单位为km，f的单位为的单位为GHz。下下面面两两图图分分别别给给出出了了自自由由空空间间传传播播损损耗耗与与传传播播路路径径长长度度的的关关系系图图和和距距离离为为36000 km时时自自由由空空间传播损耗随频率变化的关系曲线。间传播损耗随频率变化的关系曲线。例题例题卫星和地面站之间的距离为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：由书上公式（解：由书上公式（38），），3.1.2 链路附加损耗链路附加损耗大气吸收损耗大气吸收损耗雨衰雨衰折折射射、散散射射与与反反射射、电电离离层层闪闪烁烁与
3、与多多径径等等引引起起的附加损耗。的附加损耗。链路附加损耗链路附加损耗 大气分层大气分层地球大气层的结构地球大气层的结构对流层：地面上对流层：地面上 0 10 km平流层：约平流层：约10 60 km电离层：约电离层：约60 400 km地 面对流层平流层电离层10 km60 km0 km1.大气吸收损耗大气吸收损耗 在在大大气气各各种种气气体体中中，氧氧气气、水水蒸蒸汽汽对对电电波波的的吸吸收收衰衰减减起起主主要要作作用用，水水蒸蒸汽汽的的第第一一吸吸收收峰峰在在223GHz，氧氧气气在在60GHz(5070GHz间间)。对对非非常常低低的的水水蒸蒸汽汽密密度度，衰衰减减可可假假定定与与水水
4、蒸蒸汽汽密密度度成正比。成正比。在在0.3l0GHz的的频频段段，大大气气损损耗耗小小，适适合合于于电电波波传传播播，这这一一频频段段是是当当前前应应用最多的频段。用最多的频段。30GHz附附近近也也有有一一个个低低损耗区。损耗区。2.2.雨衰雨衰产生：产生：雨滴的雨滴的吸收吸收和和散射散射。影影响响：雨雨滴滴会会吸吸收收入入射射电电波波的的一一部部分分电电能能，转转换换为为热热能能消消耗耗掉掉，同同时时又又把把部部分分电电波波能能量量散散射射到到周周围围空空间间，即即雨雨滴滴变变成成了了二二次次辐辐射源。射源。雨衰的产生及影响雨衰的产生及影响 2 2 不同波段信号受雨衰的影响不同波段信号受雨
5、衰的影响 雨衰的大小取决于雨滴直径和电磁波的波长雨衰的大小取决于雨滴直径和电磁波的波长当其当其波长远大于雨滴的直径波长远大于雨滴的直径时，降雨衰减差不多时，降雨衰减差不多是由吸收引起的，而是由吸收引起的，而当雨滴直径增加或者波长较当雨滴直径增加或者波长较短短时，散射引起的衰减较大。时，散射引起的衰减较大。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，单位长度上的衰减，单位dBkm。lR()是降雨地区的等效路径长度。是降雨地区的等效路径长度。3 3 降雨衰减量计算降雨
6、衰减量计算3.大气折射的影响大气折射的影响 在大气层中，离地球表面越高，空气密度越低，对电在大气层中，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，使电磁波在大气层中的传播路径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。出现弯曲。4.电离层、对流层闪烁电离层、对流层闪烁电离层、对流层中电离层、对流层中电子密度的随机不均匀性电子密度的随机不均匀性，造成了，造成了穿越其中的电波的散射。穿越其中的电波的散射。5 多径多径地面或环境设施地面或环境设施(包括建筑物和树木等包括建筑物和树木等)对对信号的反射，可形成多径传播。对于天线信号的反射，可形成多径传播。对于天线高度低、增益
7、小的移动终端更容易出现这高度低、增益小的移动终端更容易出现这样的情况，如图样的情况，如图3-63-6所示。所示。信号通过多径信道到达接收端时，由于不同信号通过多径信道到达接收端时，由于不同路径的信号延时不一样，接收端多径信号可路径的信号延时不一样，接收端多径信号可能同相叠加，合成信号增强；也可能各多径能同相叠加，合成信号增强；也可能各多径信号反相抵消，合成信号被减弱，从而形成信号反相抵消，合成信号被减弱，从而形成信号的衰落。信号的衰落。3.2 卫星移动通信链路特性卫星移动通信链路特性 向用户提供优质可靠的移动通信服务调制方式、多址访问方式、编码方式信道传播特性信道传播特性传播模型传播模型 接接
8、收收信信号号由由建建筑筑物物、树树木木或或其其它它反反射射物物形形成成的的反反射射波波构构成成的的多多径径信信号号分分量量与与直直射射波波信信号号分分量量合成。合成。包络包络r(t)服从服从 分布，分布，相位服从的相位服从的均匀分布，均匀分布，r(t)可表示为可表示为概率密度函数曲线概率密度函数曲线(z=1,=2.4)r-接收信号的包络接收信号的包络z-直射波信号的幅度直射波信号的幅度2-平均多径功率平均多径功率 -是第一类零阶修正贝塞尔函是第一类零阶修正贝塞尔函数数传播模型传播模型Rayleigh密密度度是是Rician分分布布的的特特殊殊情情况况，即即当当没没有有直直射射分分量量(z0)时
9、时，接接收收信信号号全全部部由由多多径径信信号号组组成成，其其信信号号包络包络r的概率密度函数为：的概率密度函数为：式中，式中，是平均多径功率。是平均多径功率。瑞利分布的概率密度瑞利分布的概率密度 信号包络低于信号包络低于的概率为的概率为 传播模型传播模型卫卫星星与与地地面面站站之之间间的的直直射射信信号号被被路路边边的的树树木木或或其其它它障障碍碍物物吸吸收收或或散散射射掉掉时时，阴阴影影效效应应出出现现。此时的信号包络此时的信号包络r由于阴影而成为由于阴影而成为lognormal的。的。概率密度函数曲概率密度函数曲线线（）其中，其中，和和 分别是分别是 的均的均值值和方差。和方差。1.天线
10、方向图：天线方向图：描述天线在整个空间内辐射描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况。功率的分布情况。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。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 天线方向图的主要参数天线方向图的主要参数:主瓣的半功率角（波束宽度）主瓣的半功率角（波束宽度）在主瓣最大辐射方向两在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）（功率密度降低一半）的两点间的夹角。的两点间的夹角。波束宽度越窄，方向性越好，作用距离越波束宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。远，抗干扰能力越强。
11、通通过过副副瓣瓣发发送送的的某某些些功功率率，可可能能对对其其他他无无线线电电系系统统形形成成干干扰扰；反反之之，它它本本身身也也可可能能接接收收到到由由其他站发出、其他站发出、通过副瓣进来的干扰信号。通过副瓣进来的干扰信号。注意喇叭天线（喇叭天线（horn）3.4 噪声干扰噪声干扰 卫星通信系统涉及空间段和地面段，存在有各卫星通信系统涉及空间段和地面段，存在有各种各样的噪声和干扰，主要包括种各样的噪声和干扰，主要包括系统热噪声系统热噪声、宇宙噪声宇宙噪声和和外部环境干扰外部环境干扰等。等。3.4.1 系统热噪声系统热噪声热噪声热噪声通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪通信系统中使用的所有
12、有源器件都会产生热噪声。只要传导媒质不处于热力学温度的零度，声。只要传导媒质不处于热力学温度的零度，其中的带电粒子就存在随机运动，产生对信号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。噪声的大小以形成干扰的噪声，称为热噪声。噪声的大小以功率谱密度功率谱密度n0来量度，它与温度有关：来量度，它与温度有关：其中：其中：k为波尔兹曼常数（为波尔兹曼常数（1.380541023”焦耳焦耳K），计算中常取为），计算中常取为-2286dBWKHz；T为噪声源的噪声温度。为噪声源的噪声温度。注意：注意：噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪声。声。3.4
13、.2 宇宙噪声宇宙噪声 宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物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。质的热气体辐射的。太阳太阳对于低轨道卫星移动通信系统，星座的运行可对于低轨道卫星移动通信系统，星座的运行可使太阳处于某些星际链路的延长线上，此时太使太阳处于某些星际链路的延长线上，此时太阳在某卫星天线的前向视角内，其干扰将阻塞阳在某卫星天线的前向视角内，其干扰将阻塞该链路，甚至对灵敏的光接收机前端造成物理该链路，甚至对灵敏的光接收机前端造成物理性损害，若空间网某些链路被阻塞，将影响空性损害，若空间网某些链路被阻塞，将影响空中网的路由选择。中网的路由选择。卫星通信网的连接拓扑卫星
14、通信网的连接拓扑3.4.3 外部环境干扰外部环境干扰外部环境干扰主要包括大气噪声、降雨噪声、外部环境干扰主要包括大气噪声、降雨噪声、地面噪声。地面噪声。3.4.3 其他干扰其他干扰卫星通信系统的其他干扰主要包括：卫星通信系统的其他干扰主要包括：系统间干系统间干扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰扰、共道干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。等。图图3-8示出了典型的在卫星天线方向上与共用频示出了典型的在卫星天线方向上与共用频段的地面微波系统之间产生干扰的情况。为了段的地面微波系统之间产生干扰的情况。为了避免系统间的严重干扰，国际电联对卫星发射避免系统间的严重干扰，国际电联对卫星发射功率、天线的方向性
15、、工作条件等作出了相应功率、天线的方向性、工作条件等作出了相应的规定。的规定。(系统间干扰系统间干扰1)不同卫星系统地球站之间的干扰和相邻卫星之不同卫星系统地球站之间的干扰和相邻卫星之间的干扰也可能出现。为此，在天线旁瓣的抑间的干扰也可能出现。为此，在天线旁瓣的抑制、指向精度的控制，地球站的选址和站间距制、指向精度的控制，地球站的选址和站间距离、卫星位置精度保持等方面也有相应的限制。离、卫星位置精度保持等方面也有相应的限制。(系统间干扰系统间干扰2)为了充分利用频率资源，提高系统得频率再利为了充分利用频率资源，提高系统得频率再利用率，相同频道可能分配在指向不同地区的两用率，相同频道可能分配在指
16、向不同地区的两个波束覆盖区，或利用相互正交的极化方式来个波束覆盖区，或利用相互正交的极化方式来隔离同频信道。隔离同频信道。(共道干扰共道干扰)当转发器用于转发多载波信号时，互调干扰是当转发器用于转发多载波信号时，互调干扰是需要考虑的问题。由于总是希望星载转发器有需要考虑的问题。由于总是希望星载转发器有较高的功率效率，但高效率的功放可能产生较较高的功率效率，但高效率的功放可能产生较明显的非线性，使各载波信道的信号之间形成明显的非线性，使各载波信道的信号之间形成互调干扰互调干扰。互互调调干干扰扰是是由由传传输输信信道道中中的的非非线线性性电电路路产产生生的的。例例如如，当当两两个个或或多多个个不不同同频频率率的的信信号号同同时时输输入入到到非非线线性性电电路路时时，由由于于非非线线性性器器件件的的作作用用，会会产产生生许许多多谐谐波波和和组组合合频频率率分分量量，其其中中与与所所需需信信号号频频率率。相相接接近近的的组组合合频频率率分分量量会会顺顺利利地地通通过过接接收收机机而形成干扰，这就是互调干扰。而形成干扰，这就是互调干扰。