第3章 鏈路傳輸工程

1、1第3章 鏈路傳輸工程2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(zhì)量六、信道對傳輸信號的損害七、上、下行鏈路的RF干擾3鏈路傳播特性鏈路傳播特性u星際鏈路：只考慮自由空間傳播損耗u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4 衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)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 - 500 km中間層（Mesosphere）50 - 80 km 平流層（Stratosphere） 16 - 50 km對流層

2、（Troposphere） 7- 16 km 外逸層（外逸層（ExosphereExosphere） 500 - 64,374 km500 - 64,374 km5傳播問題傳播問題物理原因物理原因主要影響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(jié)晶體C和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)(取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu))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(wù)傳播延遲、變化對流層和電離層精確的定時(shí)、定位、TDMA系統(tǒng)表表3-1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題

3、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題6衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù) 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?qū)嶋H所輻射的功率。可表示為： EIRP=PG，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB) 噪聲溫度（Te） 定義：將噪聲系數(shù)折合為電阻元件在相當(dāng)于某溫度下的熱噪聲，溫度以絕對溫度K計(jì)。噪聲溫度（Te）與噪聲系數(shù)(NF）的關(guān)系為： NF=10lg(1+Te/290)(dB) 品質(zhì)因素（G/Te） 定義：天線增益與噪聲溫度的比值?？杀硎緸椋?G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)73.2 星-地鏈路傳播特性

4、 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?yàn)槭艿侥撤N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(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一額外的損耗。8 3.2.1 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 電波在傳播過程中，能量將隨傳輸距離的增大而擴(kuò)散，由此引起的傳播損耗稱為鏈路的自由空間傳播損耗。 在半徑為 d 的球面上（其面積為 4d2 ），功率密度（功率通量密度），即單位面積上的功率。也就是發(fā)射功率經(jīng)過空間傳播到達(dá)接收點(diǎn)后，在單位面積內(nèi)的功率。可以表示為

5、：式中，Pt 為輻射源的功率， 可以看做在距離輻射源 d 處，單位天線面積接收的功率，而式（3-1）的分母稱為傳播（或擴(kuò)散）因子。) 13(42dPPtrrP9圖圖3-1 以確定的天線面積在不同以確定的天線面積在不同距離上所接收的輻射能量距離上所接收的輻射能量10接收天線捕獲面積在工程上稱為接收天線捕獲面積在工程上稱為天線的有效面積天線的有效面積。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的天線都采用定向天線，并用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的天線都采用定向天線，并用“天線增益天線增益”來表征其方向性。其發(fā)送端（輻射源）采用定向天線，增來表征其方向性。其發(fā)送端（輻射源）采用定向天線，增益益 Gt 為為:率）單位立體角發(fā)射的功無方向天線

6、（各向同性單位立體角發(fā)射的功率通常是最大輻射方向）定向天線在某方向上（tG實(shí)際的物理面積有效面積天線的增益如果發(fā)射端采用定向天線，則根據(jù)式（如果發(fā)射端采用定向天線，則根據(jù)式（3-1）可以得到與發(fā)）可以得到與發(fā)射端距離為射端距離為 d 處的單位面積所接收的信號功率密度處的單位面積所接收的信號功率密度（功率通量密度）為：為：)2-3(42dPGPttr11接收信號功率的計(jì)算公式接收信號功率的計(jì)算公式顯然，接收天線有效接收面積為 Ae 時(shí)，接收信號功率 Pr 為：接收天線增益 Gr 可表示為：) 33(42erAG式中， 為電波波長，Ae 為接收天線的有效接收面積（等于實(shí)際的物理面積與天線效率的乘積

7、）。)43(444222ttrrtterrPGGdGdPGAPP12l 例: 衛(wèi)星的EIRP值為49.4dBW，計(jì)算衛(wèi)星離地面距離為40000km時(shí)，地面站的功率密度。解：根據(jù)式（3-2）， 4.94222104.33 (pW/m )44 3.141640000 1000TTrG PPd地面站的功率密度為)2-3(42dPGPttr13自由空間傳輸損耗的計(jì)算公式自由空間傳輸損耗的計(jì)算公式定義自由空間傳輸損耗自由空間傳輸損耗Lf 為：Lf 也可以理解為發(fā)射天線和接收天線增益都為1（0 dBi）時(shí)的傳輸損耗（發(fā)射功率與接收功率之比）。因?yàn)椋?4-3(444222dPGGGdPGPttrrttr)5

8、-3(4422cdfdLf14自由空間傳輸損耗的計(jì)算公式自由空間傳輸損耗的計(jì)算公式注意：式（3-8）中 d 的單位為km，f 的單位為GHz。若以dB為單位，并將，c等常數(shù)代入， Lf(dB)可表示為：)8-3()(lg20)(lg2044.92GHzfkmddBLf圖圖3-2 3-2 自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系15l例： 衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計(jì)算6GHz時(shí)的自由空間損耗。解：根據(jù)公式（3-8）， Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)92.4420lg20lg (dB) (2-8)fLdf16圖3-

9、3 衛(wèi)星與地球站的幾何關(guān)系arccoscos eeRRh靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系17靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系靜止衛(wèi)星與地球站的通信距離關(guān)系式中，地心角 ，e 為地球站的緯度，g 為地球站與星下點(diǎn)的經(jīng)度差。地球站到靜止衛(wèi)星的通信距離（鏈路長度）d 和仰角 的計(jì)算公式為：)9-3(coscos302. 0023. 142238kmged)10-3(sincos61073. 6arctangecoscosarccos1819例1（ P48 ）：若靜止衛(wèi)星定位于E90o，求位于（110oE，40oN）的地球站對衛(wèi)星的仰角和信號傳播距離。若射頻頻率為6GHz，計(jì)

10、算鏈路的自由空間傳播損耗。解：地球站與衛(wèi)星之間的距離為 d ，地球站的緯度e=40o，地球站與星下點(diǎn)的經(jīng)度差 g=110o-90o=20o，則：gedcoscos302. 0023. 14223820cos40cos302. 0023. 142238)(37910 km鏈路的自由空間傳輸損耗自由空間傳輸損耗 Lf 為：fdLflg20lg2044.92dB578.1996lg2037910lg2044.92dB578.19920根據(jù)公式：2cos2222eeeRdRdhR式中 為地球站對衛(wèi)星的仰角，由于Re=6356.755km，h=35800km，所以可求得 =39.3o。213.2.2 鏈

11、路附加損耗l大氣吸收損耗l雨衰和云霧的影響l大氣折射的影響l電離層閃爍的影響l多徑傳播221. 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(1535GHz間)，氧氣在60GHz(3580GHz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。 從總體上看，大氣吸收損耗隨頻率的增加而增大。在0.3l0GHz的頻段，大氣損耗小，適合于電波傳播。30GHz附近也有一個(gè)低損耗區(qū)。3.2.2 鏈路附加損耗23圖圖3-5 大氣吸收附加損耗與

12、頻率的關(guān)系大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系242、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）的微波能量會產(chǎn)生散射和吸收作用，從而引入較大的附加損耗，稱為雨衰雨衰。 仰角為 的傳播路徑上的降雨衰減量為： LR=RlR() 式中，R 是降雨衰減系數(shù)，定義為由雨滴引起的單位長度上的衰減，單位dB/km； lR() 是降雨地區(qū)的等效路徑長度，定義為當(dāng)仰角為 時(shí)，傳播路徑上產(chǎn)生的總降雨衰減(dB)與對應(yīng)于地球站所在地降雨強(qiáng)度的降雨衰減系數(shù)比(dB/km)，單位為km。3.2.2 鏈路附加損耗25圖圖3-6 不同仰角時(shí)的雨衰頻率特性不同仰角時(shí)的雨衰頻率特性26云、霧引起

13、的損耗可用下式計(jì)算：其中 f 為頻率，單位為GHz；Vm 為能見度，單位為m。l 密霧：Vm50ml 濃霧：50Vm200ml 中等霧：200Vm500m雪引起的附加損耗可用下式計(jì)算：其中 f 為頻率，單位為GHz；I 為降雪強(qiáng)度，單位為mm/h。在15GHz以下的頻率，只有中等強(qiáng)度以上的雪才有影響。21.430.148/ (dB/km) cmLfv5530.67.47 10(1 5.77 10) (dB/km) sLf If I 273、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(chǎn)生彎曲，波束上翹一個(gè)角度增量。3.2.2 鏈路附加損耗 圖圖2

14、-7 微波信號通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射微波信號通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射28 大氣折射率的變動對穿越大氣的電波起到一個(gè)凹透鏡的作用，使電波產(chǎn)生微小的散焦衰減，衰減量與頻率無關(guān)。在仰角大于5度時(shí)，散焦衰減小于0.2dB。 此外，因大氣湍流引起的大氣指數(shù)的變化，使電波向各個(gè)方向上散射，導(dǎo)致電波到達(dá)大口面天線時(shí)振幅和相位不均勻分布，引起散射衰落，這類損耗較小。294、電離層、對流層閃爍的影響 電離層內(nèi)存在電子密度的隨機(jī)不均勻性而引起閃爍，可使信號產(chǎn)生折射，其強(qiáng)度大致與頻率的平方成反比。 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(shí)空中重新分布，造成電波信號的幅度、相位、到達(dá)角、極

15、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(shù)，來克服衰落，減少電離層閃爍的影響；其它地區(qū)可用適當(dāng)增加儲備余量的方法克服電離層閃爍的影響。 3.2.2 鏈路附加損耗30地磁中緯度地區(qū)（非閃爍增強(qiáng)帶）電離層閃爍造成的衰落（地磁中緯度地區(qū)（非閃爍增強(qiáng)帶）電離層閃爍造成的衰落（dBdB）31電離層閃爍儲備余量電離層閃爍儲備余量32對流層閃爍的影響: 對流層閃爍特性主要對較高頻段（10GHz以上）的電波傳播造成較大的影響。 對流層的閃爍強(qiáng)度與物理參數(shù)（溫度、濕度、風(fēng)速等）、緯度位置和時(shí)節(jié)（包括日變化、季變化）有關(guān)，閃爍將導(dǎo)致信號衰落，特別是在低仰角時(shí)，衰落可大10dB。 3

16、35、多徑傳播 地面或環(huán)境設(shè)施（包括建筑物和樹木等）對信號的反射，可形成信號的多徑傳播。對于天線高度低、增益小的移動終端更容易出現(xiàn)這樣的情況。如圖3-8所示。3.2.2 鏈路附加損耗圖圖3-8 3-8 地面反射形成的多徑傳播地面反射形成的多徑傳播34電離層閃爍形成多徑傳播電離層閃爍形成多徑傳播3536 3.3 衛(wèi)星移動通信鏈路特性 衛(wèi)星移動通信信道的分析模型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、幾何分析模型、概率分布模型。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停翰荒芙沂緜鞑ミ^程的物理本質(zhì)，但可以描述出對重要參數(shù)的敏感度；幾何分析模型：用幾何分析的方法，能預(yù)測單個(gè)或多個(gè)散射源的作用，解釋衰落機(jī)制，但需將結(jié)果擴(kuò)展到實(shí)際的復(fù)雜情況；概率分布模型：建立了對

17、傳播過程的理解，對實(shí)際情況作了簡化假設(shè)。 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。37l 多徑衰落：電波在移動環(huán)境中傳播時(shí)，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射，到達(dá)接收天線時(shí)，已經(jīng)成為通過各個(gè)路徑到達(dá)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。l 陰影衰落：電波途經(jīng)建筑物、樹木等時(shí)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。383.3.1 衰落信道模型 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(luò) r(t) 服從萊斯（ Rice） 分布，相位服從0, 2的均勻分布，r(t) 可以表

18、示為：其中 ac(t) 和 as(t) 為相互正交的高斯過程，而參數(shù) 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，即： ) 11-3(22taKtatrsc多徑分量功率和直流分量功率K39 當(dāng)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(shí)，接收信號的強(qiáng)度 r1(t) 服從對數(shù)高斯條件下的 Rice 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(shù)高斯過程，其特性由均值 和方差 2 確定。 )21-3(221tatytatytrsscc40(3-13)式中的參數(shù)K0，K1,由表2.1給出。表表2.1 經(jīng)驗(yàn)

19、公式（經(jīng)驗(yàn)公式（2-13）中的參數(shù)值）中的參數(shù)值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.002774 0=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.04910-5 0=4.51=-0.05 萊斯信道的萊斯因子 K 和對數(shù)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(guān)。在農(nóng)村樹木遮蔽條件下，K、 和 2 可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： ) 31-3(103322102210KKKK41圖圖3-9 不同仰角時(shí)接收信號電平衰落積累分布特性不同仰角時(shí)接收信號電平衰落積累分布特性 衰落電平衰落電平：是指接收電平低于無衰落信道（無多徑：是指接收電平低于無衰落信道（無多徑效應(yīng)

20、且信號直射分量不被遮蔽）接收電平的數(shù)值。效應(yīng)且信號直射分量不被遮蔽）接收電平的數(shù)值。42表表3-3 接收信號有效性分別為接收信號有效性分別為90%、95%和和99%時(shí)的平均衰落余量時(shí)的平均衰落余量433.3.2 多普勒頻移l 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(yùn)動，因而它們作為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的載體，接收信號相對于發(fā)送信號將產(chǎn)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(yùn)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。)41-3(coscVffcD表表3-4 不同軌道系統(tǒng)的多普勒頻移不同軌道系統(tǒng)的多普勒

21、頻移443.4 天線的方向性和電極化問題 3.4.1 天線增益和方向圖 通常，將天線在最大輻射方向上的場強(qiáng) E 與理想的各向同性天線均勻輻射場強(qiáng) E0 的比值，以功率密度計(jì)的倍數(shù)（或分貝數(shù)）稱為天線的增益 G ：)51-3(lg200202dBiEEEEGt 對于接收天線而言，可以將增益理解為天線接收來自某一指定方向電磁波的能力。此時(shí)，增益為天線的有效接收面積 Ae 與理想的各向同性天線的接收面積 A0 比值，即：0AAGer45 各向同性天線的接收面積 A0 為：）（16-3420A式中， 為波長。 于是，接收天線增益（與式(3-3)相同，這里只是將Ae用A表示）：)173(4lg10422

22、2dBiADAGr式中， 為天線效率，D 為天線直徑（拋物面天線的口面直徑）。46 由上可知，天線增益通常是指最大輻射方向上信號功率增加的倍數(shù)。天線方向圖可以描述天線在整個(gè)空間內(nèi)輻射功率的分布情況。方向圖的主要參數(shù)是主瓣的半功率角0.5（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 ：拋物面天線的口面直徑，單位為m； N ：一個(gè)與場分布圖在天線口面上的分布規(guī)律有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)場在天線口面上呈均勻分布時(shí)，N=58；當(dāng)場在天線口面上呈錐形分布時(shí)，N=70。錐形分布錐形分布是指場分是指場分布圖在天線口面上布圖在天線口面上從中心向四周逐漸從中心向四周逐漸減弱的分布，即口減弱的分

23、布，即口面中心的場強(qiáng)最強(qiáng)，面中心的場強(qiáng)最強(qiáng)，而邊緣的場強(qiáng)最弱。而邊緣的場強(qiáng)最弱。）（18-35 . 0DN4748 為以主瓣中心軸線為參考的方向角，即偏軸角；而J1()為第一類一階貝塞爾函數(shù)。 對于同相均勻激勵(lì)的圓口徑天線來說，方向圖可用下式表示： ）（02-3sinsin1DJG4950圖圖3-12 泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾泄漏對地面微波系統(tǒng)產(chǎn)生干擾51 3.4.2 極化隔離 天線的極化特性：是以天線輻射的電磁波在最大輻射方向上電場強(qiáng)度矢量的空間取向來定義的，是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數(shù)。（由于電場與磁場有恒定的關(guān)系，故一般都以電場矢量的空間指向作為天線輻射電磁波的極化方向。）一

24、般情況下，在一個(gè)周期內(nèi)電場矢量的頂點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面上的投影為一個(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋，若逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。 52 對于一個(gè)橢圓極化波，可以用三個(gè)參數(shù)來描述它：旋轉(zhuǎn)方向、軸比（長短軸之比）、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(gè)分量。對于圓極化波，分解為左旋和右旋兩個(gè)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(gè)分量。 53圖圖3-13 由饋源喇叭形成的垂直和水平極化波由饋源喇叭形成的

25、垂直和水平極化波電波傳播方向電波傳播方向54 理論上兩個(gè)正交極化波是完全隔離的，一個(gè)天線可以配置兩個(gè)接收或發(fā)送端口。每個(gè)端口只與一個(gè)極化波匹配，而與另一個(gè)極化波正交。 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于實(shí)際收、發(fā)設(shè)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(gè)結(jié)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。553.5 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563.5.1 系統(tǒng)熱噪聲1、噪聲功率譜密度和噪聲功率 熱噪聲：只要傳導(dǎo)媒質(zhì)不處于絕對溫度的

26、零度，其中的帶電粒子就存在隨機(jī)的熱運(yùn)動，從而產(chǎn)生對有用信號形成干擾的噪聲。 噪聲功率譜密度 n0 ：式中，k=1.3810-23J/K，為玻爾茲曼常數(shù)；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(guān)，為白噪聲。 網(wǎng)絡(luò)總的輸出噪聲功率 N0 ：式中，T0 是輸入匹配電阻的噪聲溫度 ，Te 稱為網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 ，A 為網(wǎng)絡(luò)增益，B 為網(wǎng)絡(luò)的帶寬。）（12-30kTn ）（22-300BAkTBAkTNNNeio572、等效噪聲溫度與噪聲系數(shù)l 天線噪聲溫度：天線噪聲溫度是衡量通過天線進(jìn)入接收機(jī)的噪聲量的一個(gè)指標(biāo)，通過對所有來自外部噪聲源的噪聲分量進(jìn)行積分求得。l 噪聲溫度：隨著損

27、耗的增加，輻射噪聲也相應(yīng)增加。大氣對地球站天線噪聲溫度的影響可以用下式計(jì)算：/10(1 10) LsmTT其中，Ts 為天線接收到的天電噪聲溫度（K）；Tm 為傳播媒質(zhì)的有效溫度（K）； L 為路徑損耗（dB）。l噪聲系數(shù) NF ：定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值 。網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 Te 可以表示為：）（42-310TNTFe）（32-31000eeiiooiiFeTTTTkBSkBTSNSNSNT583、有耗無源網(wǎng)絡(luò)（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(fù)載得到的噪聲功率 No 為：00 NkBT00/ FeFNkBTLkBTL01 (2-25)FFTLT (2-

28、26)FFNL同時(shí)輸出噪聲功率還可以表示為輸入噪聲功率對輸出的貢獻(xiàn)，加上網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對輸出的貢獻(xiàn)。假設(shè)無源網(wǎng)絡(luò)的損耗為 LF ，增益為A=1/LF 。則網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率為：等效噪聲溫度（因?yàn)樘刂笓p耗 LF 的溫度，遂將 Te 改用 TF 表示 )為：無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為：594、級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 n個(gè)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率分別為：0110112220112223eeeenennenkB TTAkB TTA AkBT AkB TTA AAkBT A AAkBA T012nenkB TTA AA其中，T0 為輸入端噪聲溫度 。 和 是級聯(lián)的n個(gè)網(wǎng)絡(luò)的增益和等效噪聲溫度 。12,nA AA

29、12,eeenTTTn級網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲功率為：A1A2An輸出輸入60n級網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率也可以表示為：12012101 neknonkkKBTA AANKBTA AAAA其中，A0=1。61n級網(wǎng)絡(luò)總的等效噪聲溫度為：111121nneijijineniineieiijjTATATTA 各級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻(xiàn)均要折算到系統(tǒng)的輸入端，第 k 級網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對總的等效噪聲溫度的貢獻(xiàn)為：121ekkTA AA(3-27）62一個(gè)由 n 級放大器級聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)，其等效噪聲溫度也可以表示為：121312121/()/() eeeeennTTTATA ATA AA121312121(

30、1)/(1)/()(1)/() nnFFFAFA AFA AAn 級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)為：其中，F(xiàn)n 是第 n 級放大器的噪聲系數(shù)。63例：兩個(gè)放大器級聯(lián)，每個(gè)有10dB的增益，噪聲溫度200K，計(jì)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：121/200200/10220 (K)ieeeTTTG64P56 例2：如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)由天線、接收機(jī)和LNA組成，接收機(jī)噪聲指數(shù)為12dB，LNA增益為50dB，其噪聲溫度為150K，接收機(jī)和LNA之間的電纜損耗為5dB，天線的噪聲溫度為35K。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)相對于輸入端的噪聲溫度。假定環(huán)境

31、溫度為290K。65解：對于接收機(jī)，因?yàn)槠湓肼曋笖?shù)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(wǎng)絡(luò)相對于輸入端的噪聲溫度為：553.16 12903.16 (15.85 1) 29035 150185 (K)1010sT00111(1)(1)santeLTL FTTTTGG 對于饋線，因?yàn)槠鋼p耗為 5dB，即 L=100.5=3.16。66例：已知條件同P56 例2 。如下圖所示， 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(jī)之間。環(huán)境溫度為290K。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)相對于輸入端的等效噪聲溫度。67解：對于接收機(jī)，因?yàn)?/p>

32、其噪聲指數(shù)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(wǎng)絡(luò)相對于輸入端的噪聲溫度為：53.16 (15.85 1) 29035 (3.16 1) 290 3.16 1501136 (K)10sT 0011(1)(1)santeL FTTTLTL TG 對于饋線，因?yàn)槠鋼p耗為 5dB，即 L=100.5=3.16。68圖圖3-17 接收系統(tǒng)噪聲溫度計(jì)算圖接收系統(tǒng)噪聲溫度計(jì)算圖5、接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度（P60）69 “接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度”包括天線、饋線和接收機(jī)在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫度。以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)，將天線、饋線的

33、噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端，并與接收機(jī)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(jìn)入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由天線旁瓣進(jìn)入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。同時(shí)，下雨時(shí)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(guān)：仰角（仰角越大，噪聲越?。惶炀€直徑（直徑越大，噪聲越?。?；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(shù)值。假設(shè)饋線損耗為 LF，則將其折算到饋線輸出端，即接收機(jī)輸入端時(shí)，其等效值 Tae為：/ (2-33)aeaFTTL70 假定饋線環(huán)境溫度為 T

34、0，根據(jù)式（3-25） 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(shí)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 (3-34) 若接收機(jī)等效噪聲溫度為 Tre (接收機(jī)的等效噪聲溫度 Tre 主要由接收機(jī)的前級低噪聲放大器 LNA 確定)，則整個(gè)接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度 T為：011 -35aeFereareFFTTTTTTTLL（2）01FFTLT713.5.2 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。 72頻率（MHz）噪聲溫度（oK）300

35、7*1056004.6*10510003.6*10530006.5*104100001.1*104太陽寂靜期的噪聲溫度（天線增益太陽寂靜期的噪聲溫度（天線增益53dB53dB）733.5.3 其他干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包括系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾等。l 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l 共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用空間頻率復(fù)用技術(shù)，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個(gè)波束覆蓋區(qū)，但波束間的隔離往往并不十分理想，從而產(chǎn)生共信道干擾。l 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(fù)用技術(shù)，即兩個(gè)波束的指向

36、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(shí)現(xiàn)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。l 互調(diào)干擾：當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時(shí)，總是希望轉(zhuǎn)發(fā)器有較高的功率效率，但高效率的功放可能產(chǎn)生較明顯的非線性，使各載波信號之間形成互調(diào)干擾。 743.6 衛(wèi)星通信的全鏈路質(zhì)量l鏈路預(yù)算分析l全鏈路傳輸質(zhì)量75 電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號功率 Pr ： ttrrftrP G GPLL L2 4rrttPG G Pd若考慮發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線的波導(dǎo)傳播損耗（饋線）Lt和接收天線到接收機(jī)的波導(dǎo)傳播損耗 Lr ，則接

37、收信號功率為：(3-28)式稱為功率平衡方程。(3-28)3.6.1 鏈路預(yù)算分析76圖圖3-16 微波鏈路單元與功率平衡方程微波鏈路單元與功率平衡方程77接收機(jī)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(jìn)入接收機(jī)的噪聲的等效噪聲溫度和接收機(jī)內(nèi)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(shù)， ；B 為系統(tǒng)的帶寬。接收信號的載噪比 C/N 為：/ (2-30)ftrEIRP GC NL L L kBT其中， C 為接收信號載波功率， N 表示接收端的噪聲功率，C=(EIRPG)/LfLtLr , N=kBT , G 為接收天線增益。231.38 10/kJ K7

38、8除載噪比 C/N 作為系統(tǒng)的重要參數(shù)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。/ (2-32)EIRP GC TLT其中， C=(EIRPG)/L，L=LfLtLr , G/T 為接收系統(tǒng)的品質(zhì)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-）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(biāo)準(zhǔn)地球站，在晴天的G/T值應(yīng)滿足：G/T40.7+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37.7 dB/K +20lgf/4

39、。衛(wèi)星移動通信的地面移動終端天線增益通常只有12dB，G/T在-22-23 dB/K左右。793.6.2 全鏈路傳輸質(zhì)量 衛(wèi)星通信系統(tǒng)全鏈路的傳輸質(zhì)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 / -36eusuEIRPGCTLT（ 2）/ -37sdedEIRPGC TLT（2）（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(zhì)因素，Lu 和 Ld 分別為上行鏈路和下行鏈路的傳輸損耗。80 當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器（TWTA）同

40、時(shí)放大多個(gè)載波時(shí)，將產(chǎn)生互調(diào)噪聲，其影響也用載波噪聲溫度比 (C/T)i 來表示?；フ{(diào)噪聲的大小與載波數(shù)目、各載波間的相對電平、頻率配置方案和行波管工作點(diǎn)有關(guān)。 全鏈路傳輸質(zhì)量的載波噪聲溫度比 C/T 為：1111/ -38udiC TC TC TC T（2）其中，C/T 為全鏈路傳輸?shù)妮d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(xiàng)作為系統(tǒng)的余量；規(guī)定鏈路實(shí)際信噪比高于門限信噪比。 鏈路預(yù)算的任務(wù)有兩類：在選定空間轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站設(shè)備的情況下，驗(yàn)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(shù)的條件下，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)要求，

41、確定對設(shè)備另一部分指標(biāo)的要求，如地球站天線尺寸、接收機(jī)噪聲性能等。813.6.3 鏈路預(yù)算實(shí)例 Ku波段DTH系統(tǒng)下行鏈路預(yù)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(shù)數(shù)值發(fā)射功率發(fā)射波導(dǎo)損耗發(fā)射天線增益EIRP自由空間損耗接收機(jī)天線增益（45cm直徑）接收端波導(dǎo)損耗接收信號功率接 收 噪 聲 功 率 （ T = 1 4 0 K , B=27MHz）C/N 24.0 dBw 或 250 W 1.0 dB 30.0 dBi 53.0 dBw 205.6 dB 32.7 dBi

42、 0.5 dB-120.4 dBw-132.8 dBw 12.4 dB 82 C波段多載波系統(tǒng)鏈路預(yù)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:92.4491.7315.56199.73dBfuL 假定：地球站EIRP=85dBw ,衛(wèi)星接收機(jī)G/T=-11.6dB/K，則上行鏈路的C/T值：/85 11.6 199.73126.33dBw/KuC T （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：92.4491.73 12.04196.21dBfdLdB92.4420logkm20lgGHz

43、 fLdf/ EIRP GC TLT83 假定衛(wèi)星飽和 EIRP=26dBW?？紤]到轉(zhuǎn)發(fā)器工作在多載波情況，為減小互調(diào)干擾，衛(wèi)星實(shí)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：/2041 196.21135.21dBW/KdC T 對于多載波工作的轉(zhuǎn)發(fā)器，典型的互調(diào)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： 111111213131313/4.61 103.327 101.479 101.122 106.389 10udimiC TC T

44、C TC TC T/138.05dBW /KCT 84 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) , 則載噪比 C/N 為：/ ftrEIRP GC NL L L kBT則/ C TC NkB那么C/N=C/T-k-B= -138.05+228.6-65.56= 24.99 dB85/ ftrEIRP GC NL L L kBT因?yàn)槠渲?，噪聲功率?N=kTB 。0/ ftrEIRP GC nL L L kT 0/ ftrC nEIRPG TLLLk噪聲功率譜密度為 n0=kT ，則載噪比頻譜密度

45、 C/n0 為：86例七 假設(shè)衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余量和其它損耗總計(jì)為 3dB，接收機(jī)的G/T值為11dB/K，EIRP值為45dBW。計(jì)算系統(tǒng)接收到的C/N值。（假設(shè)帶寬為36MHz）解： / 45 11 2003228.675.56 6.04 (dB)C NEIRPG TLkB / ftrEIRP GC NL L L kBT87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(jī)的G/T值為19.5dB/K，接收機(jī)饋線損耗1dB。EIRP為48dBW。計(jì)算載噪比頻譜密度。解：載噪比頻譜密度為：0(/) / 48 19.5206 1 2 1228.6 86.1 (dBHz)C nEIRPG TLk 0/ ftrC nEIRPG TLLLk0/ ftrEIRP GC nL L L kT883.7 信道對傳輸信號的損害 通信系統(tǒng)中，實(shí)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(chǎn)生的失真稱為線性失真，與信號本身幅度無關(guān)，輸出信號與輸入信號之間保持線性關(guān)系，傳輸函數(shù)只與頻率或時(shí)間有關(guān)；信號在傳輸中引起的失真與被傳輸信號本身的幅度有關(guān)時(shí)稱為非線性失真，傳輸函數(shù)是輸入信號幅度的函數(shù)。