通信鏈路相關研究課件

現(xiàn)代移動通信技術2007-081教學目標和教學要求本課程是“通信與信息系統(tǒng)”學科碩士研究生的選修課，計劃學時40學時，2學分。本課程教學方式為講課、討論、自學相結合，通過聽課、討論、撰寫讀書筆記、提交研究報告等形式，使學生掌握現(xiàn)代移動通信中的關鍵技術，了解最新的發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。課程結束以學生提交的研究報告和（或）課程論文評定成績。

2007-082教學大綱通信鏈路分析衰落信道擴頻技術多路復用和多址接入現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)原理與應用數(shù)字蜂窩移動通信主要技術原理低功率無線接入系統(tǒng)Adhoc網(wǎng)絡關鍵技術RFID課程總結2007-083現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.1通信工程中的鏈路預算

鏈路不僅指發(fā)射機與接收機之間的信道或者區(qū)域，它還包括整個通信路徑：從信源開始，通過所有的編碼和調制過程，通過發(fā)射機和信道，直到包含所有信號處理功能的接收機，最后結束于信宿。

鏈路預算是一種評價通信系統(tǒng)差錯性能的評估技術。鏈路分析結果即是鏈路預算，包括對接收端獲得的有用信號功率、干擾噪聲功率的計算和制表。鏈路預算權衡了增益和損耗，概括了發(fā)送和接收資源、噪聲源和信號衰減的詳細分配比例，及其對整個鏈路過程的影響。

2007-085圖1.1通信鏈路分析2007-086現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.2誤差概率與Eb/N0的關系曲線

1.1通信工程中的鏈路預算

2007-087現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.1通信工程中的鏈路預算

鏈路分析的目的是確定圖實際系統(tǒng)工作點，并證實該點的誤差概率小于或者等于系統(tǒng)的要求。在通信系統(tǒng)設計時，鏈路預算是一個重要的基本工具，它為系統(tǒng)工程師提供對系統(tǒng)的整體了解。通過鏈路預算，可以知道整個系統(tǒng)的性能。例如鏈路余量說明系統(tǒng)是充裕地、剛好或不能滿足設計需求。鏈路分析可以反映系統(tǒng)是否存在硬件限制，以及是否能在鏈路的其它部分彌補。鏈路預算經(jīng)常作為分析系統(tǒng)權衡、配置的參考依據(jù)，并且若與其它建模技術結合有助于預測設備的重量和大小、主要功率要求、技術風險以及系統(tǒng)成本。鏈路預算對系統(tǒng)工程師來說至關重要，它代表了系統(tǒng)性能優(yōu)化的“底線”。

2007-089現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信道是連接發(fā)射機和接收機的傳播媒介或電磁波通道。通信信道一般包括導線、同軸電纜、光纖電纜，若是射頻鏈路則包括波導，大氣層或真空。對大多數(shù)地面通信鏈路來說，信道空間由大氣層構成，部分與地球表面相連。對衛(wèi)星鏈路而言，信道則主要由真空構成。通常大氣層容積定義在高度為20km的范圍內。因此，在同步高度（35,800km）路徑中只有很少一部分（0.05%）才是大氣層。2007-0810現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室自由空間是指在射頻傳播中沒有任何吸收、反射、輻射或衍射等干擾的信道。如果信道中有大氣存在，若完全均勻且能滿足上述所有要求。同時還假定地面是無窮遠的，或者地面的反射系數(shù)可以忽略不計，到達接收機的RF能量只與到發(fā)射機的距離有關。自由空間信道是理想的RF傳播路徑。實際上在大氣層和近地點的傳播會有吸收、發(fā)射、衍射和散射等干擾，這些都會影響信號在自由空間的傳輸。1.2信道

自由空間2007-0811現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

差錯性能數(shù)字通信中誤差性能依賴于接收端的Eb/N0，它是歸一化的信噪比（S/N或SNR）。SNR指平均信號功率與平均噪聲功率之比。SNR降低的原因：降低有用信號的功率，稱損耗；增大噪聲功率或者干擾信號功率，稱為噪聲（或干擾）。信號的一部分在傳播過程中被吸收、轉向、分散或反射時就產(chǎn)生了損耗，結果使得部分發(fā)射能量不能到達接收端。電磁噪聲和干擾的來源很多，如熱噪聲，銀河系噪聲，大氣噪聲，瞬時切換，互調制噪聲以及其他信號源的干擾信號等。2007-0813現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.3衛(wèi)星通信鏈路信號損耗和噪聲來源

2007-0814現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.4從指定高度到大氣頂端的理論單向衰減

2007-0815現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信號損耗和噪聲來源4.AM/PM轉換。在行波管（TWT）等非線性設備中AM到PM的轉換就是一種相位噪聲。信號幅度的波動（調幅）產(chǎn)生相位變化，這也給進行相干檢測的信號帶來了相位噪聲。AM到PM的轉換還能產(chǎn)生導致信號噪聲的額外邊帶。5.限幅器損耗或增益。硬限幅器可以加強兩個信號中較大的一個，抑制較小的一個，從而造成了信號損耗或者信號增益。6.多載波互調制產(chǎn)物。若幾個具有不同載波頻率的信號同時通過非線性設備（如TWT），則會導致不同載波頻率間的多重交互作用，產(chǎn)生所有頻率的和差組合的信號。這些偽信號（互調或IM產(chǎn)物）的能量就是損耗的信號能量。此外，如果這些互調產(chǎn)物出現(xiàn)在信號頻帶內，則產(chǎn)生了這些信號的附加噪聲。2007-0817現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信號損耗和噪聲來源7.調制損耗。鏈路預算計算接收的有用功率（或能量）。只有攜帶信息的信號功率才是有用的。任何用于發(fā)射載波而不是調制信號的功率都屬于調制損耗（但是，載波能量對同步是有用的）。8.天線效率。天線是將電信號與電磁信號互相轉換的轉換器，也用于將電磁能量匯集于指定的方向。天線口徑（面積）越大，指定方向上的信號功率密度也越大。天線效率可以用有效口徑和物理口徑之比來描述。造成效率降低的因素有幅度的衰減、口徑擁塞、散射、再輻射、溢出、邊緣衍射和耗散損失。由于這些因素的共同作用，導致典型的效率范圍是50-80%。9.天線屏蔽器的損耗和噪聲。天線屏蔽器是某些天線上為了防御氣候影響而設置的保護層。信號傳輸路徑中的天線屏蔽器會輻射、吸收部分信號能量，從而產(chǎn)生信號損耗。根據(jù)物理學基本原理，任何能吸收能量的物體也能輻射能量（溫度在０Ｋ以上）。部分能量落在接收機帶寬范圍內而導致了注入噪聲。2007-0818現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信號損耗和噪聲來源10.定向損耗。指發(fā)射天線或接收天線不正確定向時所產(chǎn)生的損耗。11.偏振損耗。電磁偏振域是指磁力線所指方向的區(qū)域，天線的偏振則指其輻射域的偏振。在發(fā)射天線與接收天線之間，任何偏振不匹配都會產(chǎn)生信號損耗。12.大氣損耗和噪聲。大氣會造成信號損耗，引進有害的噪聲。大氣的容積在大約20km高度范圍之內；在相對較短的信道中，大氣會造成主要的損耗和噪聲。大氣還給鏈路帶來噪聲能量。在天線屏蔽器中，吸收能量的微粒也能輻射能量。氧氣和水蒸氣微粒在整個RF頻譜中輻射噪聲。落在給定通信系統(tǒng)帶寬內的噪聲部分會降低SNR。大氣造成信號損耗、引進噪聲的主要因素是降雨。降雨越稠密，被吸收的信號能量就越多。降雨時由于雨水接觸天線束而對系統(tǒng)接收機造成的大氣噪聲輻射，遠遠大于晴天時的情況。2007-0819現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信號損耗和噪聲來源13.空間損耗。由于距離的作用，電磁場強度降低，信號強度（功率密度或流量密度）隨之降低。衛(wèi)星通信鏈路中，空間損耗是系統(tǒng)最大的損耗。從某種意義上說，沒有匯聚到接收天線的所有能量都是損耗。14.鄰道干擾。這種干擾產(chǎn)生的原因是其他頻率信道信號的溢出，而導致的有害信號或者能量的插入。哪一個鄰近的信道會落在頻域內，由調制的頻譜滾降、帶寬和主瓣形狀決定。15.同道干擾。這種干擾指信號帶寬內的干擾波形引起的性能降低。造成同道干擾的原因有很多，例如意外發(fā)射，高度和寬度不足的偏振識別，或天線旁瓣（主天線束周圍的低能量束）的輻射溢出等等。這種干擾也可能由同頻譜的其他授權用戶造成。2007-0821現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.2信道

信號損耗和噪聲來源16.互調制噪聲。由于非線性設備中多載波信號相互作用會產(chǎn)生IM產(chǎn)物。該IM產(chǎn)物有時也稱為能動互調，它會造成信號能量損耗，或者向鏈路引入噪聲。這里討論被動互調，這是由于多載波發(fā)射信號與發(fā)射機輸出端的非線性設備相互作用而產(chǎn)生的。這些非線性主要產(chǎn)生于波導耦合連接處、被腐蝕的表面以及弱電的表面。當大的電磁波投射在具有二極管傳輸函數(shù)的表面時，將產(chǎn)生大量的噪聲。如果這些噪聲輻射到附近的接收天線，將嚴重降低接收性能。17.銀河系或宇宙、恒星以及地面噪聲。所有天體如恒星、行星等都會輻射能量。這些噪聲能量作用在天線工作范圍內就會降低SNR。18.饋線損耗。接收天線和接收機前端之間的波導和電纜（饋線）都會造成信號衰減和熱噪聲。2007-0822現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室19.接收機噪聲。即接收機中產(chǎn)生的熱噪聲20.實施損耗。這種性能損耗是理論檢測性能和實際性能的差值。實際運用中的種種缺陷，例如定時錯誤、頻率偏移、波形的上升下降次數(shù)以及有限值的運算等，都會造成與理論值的偏差。21.不良的同步參考。若能正確產(chǎn)生載波相位、子載波相位和信號定時參考，誤差概率將與理論推導的Eb/N0一致。但通常情況下這些對象并不能完全正確地產(chǎn)生，從而導致系統(tǒng)損耗。1.2信道

信號損耗和噪聲來源2007-0823現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.5量程方程（用距離描述接收功率）

1.3接收信號功率和噪聲功率

量程方程2007-0825現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室假定球體上功率密度p(d)

與發(fā)射功率Pt的關系為1.3接收信號功率和噪聲功率

量程方程球面面積為4d2。從接收天線提取的功率為其中參數(shù)Ae是接收天線的有效面積，定義為Ae=總提取功率瞬時功率流量密度（1.1）（1.2）（1.3）2007-0826現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室表示天線輸出（輸入）功率與各向同性輻射器功率之間關系的參數(shù)（純幾何比）稱為天線方向性或方向增益，即1.3接收信號功率和噪聲功率

量程方程G=最大功率密度４球面的平均功率密度（1.4）天線增益可以認為是將RF流量集中在某個比4球面小的限定區(qū)域內而產(chǎn)生的結果。

2007-0827現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室EIRP:定義相對于各向同性輻射器的有效輻射功率（EIRP）,它是發(fā)射功率Pt和發(fā)射天線增益Gt的乘積，即EIRP=PtGt1.3接收信號功率和噪聲功率

量程方程2007-0829現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.3接收信號功率和噪聲功率

量程方程的基礎用EIRP代替Pt有

天線增益G和天線有效面積Ae的關系式為

λ是載波波長，和頻率f互為倒數(shù)關系，即λ=c/f，c是光速（3108m/s）。天線增益隨波長減?。l率增加）而增加；天線增益還隨有效區(qū)域增大而增加。（1.5）（1.6）將（1.6）代入（1.5）有其中，(4d/λ)2稱為鏈路損耗或自由空間損耗，用Ls表示。Gr為接收天線增益。式（1.7）稱為量程方程。

（1.7）2007-0830現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室衛(wèi)星的一種應用：要求下行鏈路天線束能夠提供全球覆蓋（同步高度上束寬約為17o）。如果在頻率f1（=c/

1）提供全球覆蓋，若頻率切換成f2，f2>f1，覆蓋率將下降（對給定天線，G=4Ae/2,G增加，等效于將流量密度聚集在更小的圓錐角上，導致束寬變窄）；因此必須減小天線的大小以保證覆蓋率或束寬。因此覆蓋全球的天線在載波頻率增加時需要減小尺寸。

接收功率作為頻率的函數(shù)

1.3接收信號功率和噪聲功率

接收信號功率與頻率的函數(shù)關系2007-0831現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.3接收信號功率和噪聲功率

熱噪聲功率所有導體中電子熱運動都會產(chǎn)生熱噪聲。噪聲可以用噪聲功率譜密度來描述。在頻率1012Hz以下熱噪聲功率譜密度為常數(shù)，所以稱之為白噪聲。通信接收機將熱噪聲過程看成加性高斯白噪聲（AWGN）。熱噪聲或散粒噪聲的物理模型是開路均方電壓為4kToWR的噪聲發(fā)生器，其中2007-0832現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.3接收信號功率和噪聲功率

熱噪聲功率由噪聲發(fā)生器耦合到放大器前端的熱噪聲功率最大值為

所以，放大器輸入端的最大單邊噪聲功率譜密度N0為（1.8）

（1.9）

由熱噪聲功率最大值可知，熱噪聲的可實現(xiàn)功率與噪聲源周圍的溫度有關（噪聲溫度）。因此噪聲源的有效噪聲溫度定義為能產(chǎn)生相同干擾功率的熱噪聲源估計溫度。2007-0833現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

在評估系統(tǒng)性能時，主要考慮的是在可接受誤差概率下對含噪信號的檢測能力，所以最重要的參數(shù)是SNR或Eb/N0。將量程方程中的Pr除以N得到Pr/N=EIRPGr/NLs（1.10）

若采用模擬接收機，Pr/N是測量信號性能質量的主要參數(shù)。若是數(shù)字接收機，則通常采用相關器或匹配濾波器，數(shù)字鏈路通常的處理模式是用噪聲功率譜密度代替噪聲功率。此時有

（1.11）其中的系統(tǒng)有效溫度To是輻射到天線的噪聲和接收機第一級產(chǎn)生的熱噪聲兩者共同作用的結果。注意到接收天線增益Gr和系統(tǒng)溫度To組合為一個整體，Gr/To有時稱為接收機的品質因數(shù)。

2007-0834現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

有效溫度To是建模各種噪聲源的參數(shù)。式（1.11）中引入了術語Lo，用來表示其他損耗。式（1.11）概括了所有鏈路分析的關鍵參數(shù)：接收信號功率與噪聲功率譜密度之比（Pr/N0），有效各向同性輻射功率（EIRP），接收品質因數(shù)（Gr/To）和損耗（Ls，Lo）。下面介紹分析通信鏈路增益和損耗的方法。首先應用式（1.11），由源計算到達檢測端（檢前點）的凈SNR。這類似于商業(yè)“記帳”系統(tǒng)，記錄資產(chǎn)、債務、利潤（或虧損）的底線。式（1.11）就相當于這樣的一個企業(yè)形式。所有分子參數(shù)（有效輻射功率，接收品質因數(shù)）就象企業(yè)的資產(chǎn)，所有的分母參數(shù)（熱噪聲，空間損失，其他損耗）則象企業(yè)的債務。2007-0835現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

假定調制信號包含了所有的接收功率Pr，可以得到Eb/N0和SNR的關系式

（1.20a）

（1.20b）

（1.20c）

式中R是比特速率。在設計和評估系統(tǒng)時經(jīng)常會用到式（1.20）中Eb/N0和Pr/N0的基本關系。

2007-0836現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

兩個Eb/N0值

Eb/No是指為了獲得一定的誤差概率而需要的比特能量與噪聲功率譜密度之比。為計算余量或安全因子M，需要所需Eb/N0與實際Eb/N0（或接收Eb/N0）的差值。前者稱為(Eb/N0)reqd，后者稱為(Eb/N0)r。圖1.9。一點的PB=10-3，是系統(tǒng)所需誤差性能的工作點。假定(Eb/N0)reqd=10dB就可得所需性能。能否使系統(tǒng)解調器剛好能收10dB？應設計具有安全余量的系統(tǒng)，使實際接收的(Eb/N0)r大于(Eb/N0)reqd。設計系統(tǒng)的工作點應是圖1.9的另一點。這時(Eb/N0)r=12dB，PB=10-5。此例中可以將安全余量或鏈路余量表示為提供2次冪的PB提高；或者說可以用提供比所需的Eb/N0大2dB的Eb/N0來描述鏈路余量。2007-0837現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.9兩個重要的Eb/N0值

2007-0838現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

兩個Eb/N0值

鏈路余量就是(Eb/N0)r和(Eb/N0)reqd的差值（dB）

（1.22）

參數(shù)(Eb/N0)reqd反映了不同系統(tǒng)設計間的差別；這些差別可能是由于調制或編碼方式的不同而導致的。鏈路余量M

（1.23）

此即鏈路余量方程。2007-0839現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室鏈路余量方程包括了所有影響鏈路誤差概率的參數(shù)。在這些參數(shù)中：Eb/N0定義在接收機輸入端，更確切地說，是定義在檢測器（檢前點）輸入端。用于描述接收能量或功率的參數(shù)，無論是有用的還是有害的，都定義在檢前點。接收機品質因數(shù)Gr/To定義在接收天線的輸入端，Gr是接收天線的增益，To是有效系統(tǒng)溫度。有效輻射功率EIRP定義為發(fā)射天線輸出端的電磁波功率。參數(shù)Eb/N0，Gr/To和EIRP都定義于特定的系統(tǒng)位置。1.4鏈路預算分析

兩個Eb/N0值

2007-0840現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路預算的分貝形式

由于鏈路預算分析通常以分貝為單位，因此將式（1.23）表示為

（1.24）

此表達式的參數(shù)值構成鏈路預算，是分配通信資源的有效工具。在維持正的余量值的前提下，可在各種參數(shù)間權衡。通過放棄過多的余量來減小發(fā)射功率；通過降低(Eb/N0)reqd（改進調制和編碼方式）來增加數(shù)據(jù)速率。發(fā)射系統(tǒng)“不知道也不關心”這些dB的來源。只要接收機的Eb/N0符合要求，就可達到期望的系統(tǒng)誤差性能。2007-0841現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路余量的充足值

系統(tǒng)設計時需要多少鏈路余量？答案：若所有的增益、損耗和噪聲源都已嚴格設計（最壞情況），且方差較大的鏈路參數(shù)（如天氣造成的衰落）能達到鏈路可用性的統(tǒng)計需求，則只需很小的額外余量。所需余量取決于各部分鏈路預算的可信度。新技術或新工作頻率的系統(tǒng)比已反復構建和測試的系統(tǒng)需要更多的余量。有時鏈路預算允許直接將氣候引起的衰落作為一項；有時所需余量值則反映了降雨影響性能時的鏈路需求。對C波段（上行鏈路6GHz,下行鏈路4GHz）上運行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，假設所有參數(shù)已知且正常工作，則只需要1dB的鏈路余量。只用于接收的電視臺使用直徑為16英尺、運行在C波段的碟形衛(wèi)星天線，設計余量往往比1dB小得多。但是標準為99.9%可靠度的衛(wèi)星電話系統(tǒng)需要很大余量；一些INTELSAT系統(tǒng)需要4~5dB的余量。2007-0842現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路預算的分貝形式

使用高頻率（如14/12GHz）的設計通常需要更大的天氣余量，因為大氣損耗隨頻率增加而且較易變化。對低噪聲放大器，小的天氣變化會導致天線溫度40~50K的增加。表1.1是衛(wèi)星電視集團向聯(lián)邦通信委員會（FFC）提供的為提供衛(wèi)星直播服務的鏈路分析。下行鏈路預算列出兩種天氣條件選擇：晴天和5dB衰減的雨天。晴天時天氣衰減造成的信號損耗遠小于1dB，雨天時最大可達5dB。下行鏈路表中下一項的本地接收機Gr/To是因下雨造成的額外降級；擴散到接收天線的附加熱噪聲造成系統(tǒng)有效噪聲溫度增加，而使本地接收機Gr/To減小（從9.8dB/K到8.1dB/K）。因此，在增加天氣損耗額外余量的同時，要加大補償系統(tǒng)噪聲溫度增加的額外余量。

2007-0843現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室表1.1衛(wèi)星電視集團提供的衛(wèi)星直播（DBS）鏈路分析上行鏈路地面站EIRP88.6dBW自由空間損耗（17.6GHz，48o仰角）208.9dB雨天衰減12.0dB衛(wèi)星G/To7.8dB/K上行鏈路C/kTo102.0dB-Hz

天氣狀況下行鏈路晴天5dB雨天衰減衛(wèi)星EIRP57.0dBW57.0dBW自由空間損耗（12.5GHz，30o仰角）206.1dB206.1dB大氣衰減0.14dB5.0dB本地接收機G/To（0.75m碟形天線）9.4dB/K8.1dB/K接收機定點損耗（0.5o差錯）0.6dB0.6dB極化失配損耗（均值）0.04dB0.04dB下行鏈路C/kTo88.1dB-Hz82.0dB-Hz總體C/kTo87.9dB-Hz82.0dB-Hz總體C/N（16MHz）11.9dB10.0dB參考門限C/N10.0dB10.0dB門限余量1.9dB0.0dB2007-0844現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室衛(wèi)星鏈路“鏈路能閉合”，指以分貝為單位的余量值是正值且能滿足所需的差錯性能，而“鏈路不能閉合”指余量值為負值，不能滿足所需的差錯性能。鏈路不閉合或負的余量值意味著差錯性能不能達到系統(tǒng)需求，而并不指停止通信。例如某個系統(tǒng)，其(Eb/N0)reqd=10dB，(Eb/N0）r=8dB，如圖1.9所示。假定8dB對應于PB=10-2，因而有-2dB的余量，誤差概率約是指定誤差概率的10倍。鏈路的性能雖然降低但仍是可用的。

1.4鏈路預算分析

鏈路預算的分貝形式

2007-0845現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路可用率

鏈路可用率基于年平均的對鏈路長期使用狀況的衡量；對于給定的地理位置，鏈路可用率指鏈路閉合時間的百分比。如對Washington到衛(wèi)星中繼器間的指定鏈路,長期天氣模型10dB的余量足以使98%時間內鏈路閉合，而2%時間內暴雨造成10dB以上的SNR降級，鏈路不能閉合。因為降雨對SNR降級的影響與信號頻率有關，鏈路可用性與所需的余量必須根據(jù)特定發(fā)射頻率而定。圖1.10總結了44GHz時全球范圍衛(wèi)星鏈路的可用率。采用3個等空間分布、對地靜止衛(wèi)星時，地面覆蓋率百分比（鏈路閉合，達到指定誤差概率）對余量的函數(shù)關系。地球衛(wèi)星位于35,800km的同步高度上，軌道與地球赤道在同一平面上。衛(wèi)星軌道的周期與地球自轉的周期相同。圖1.10展示了不同鏈路可用率的覆蓋率曲線族，從良性（可用率為95%）到完全合格（可用率為99%）。一般地，若確定鏈路余量，覆蓋率與所需的可用率成反比；若確定鏈路可用率，覆蓋率隨余量單調上升。2007-0846現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.10不同鏈路可用率的地面覆蓋率與鏈路余量的關系曲線

2007-0847現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.11至圖1.13描繪了在44GHz頻率時三個不同余量鏈路的閉合情況，非陰影和陰影區(qū)域對應鏈路在99%時間上閉合和不閉合的區(qū)域。圖1.11表示余量值為14dB的鏈路覆蓋范圍。1.4鏈路預算分析

鏈路可用率

2007-0848現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.11三個等空間分布、同步衛(wèi)星的地面覆蓋率（非陰影），f=44GHz，鏈路余量為14dB，鏈路可用率為0.992007-0849現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.12三個等空間分布、同步衛(wèi)星的地面覆蓋范圍（非陰影），f=44GHz，鏈路余量為10dB鏈路可用率為0.992007-0850現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.13三個等空間分布、同步衛(wèi)星的地面覆蓋范圍（非陰影），f=44GHz，鏈路余量為6dB，鏈路可用率為0.99

2007-0851現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路可用率

圖1.11中三個衛(wèi)星觀測范圍的東部和西部都出現(xiàn)了陰影條紋。為什么這些區(qū)域達不到要求的鏈路可用率？這是因為在地球的邊緣處，衛(wèi)星與地面之間的傳播信道要比衛(wèi)星下面的直接信道遠。有三種降級方式：（1）較遠的信道引起接收天線功率密度的減少；（2）覆蓋區(qū)邊緣的衛(wèi)星天線增益減少，除非衛(wèi)星天線被設計成整個觀察區(qū)域內增益一致的模式（典型模式是邊緣增益比射束中心增益降3dB）；（3）由于信道的傾斜和地球的曲度，到達地球邊緣需要經(jīng)過厚厚的大氣層。第3點是在最易受大氣衰減的信號頻段上的關鍵因素。為什么圖1.11中南極和北極區(qū)域沒有陰影部分？因為降雪不會象降雨那樣給信號傳輸造成有害影響，這種現(xiàn)象稱為凍結效果。2007-0852現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.4鏈路預算分析

鏈路可用率

圖1.12描繪了44GHz頻率時鏈路余量為10dB，在99%時間上閉合和不閉合的地面區(qū)域?？梢钥吹?，與14dB余量的情況相比，該圖中的陰影區(qū)域明顯增大；美國的東海岸，地中海和大部分日本在99%時間上鏈路不能閉合。圖1.13描繪了余量為6dB的類似的鏈路性能。與圖1.11用于定位最大降雨地區(qū)不同，圖1.13適于定位天氣最干燥的地區(qū)，這些地區(qū)有美國的西南部，澳大利亞的大部分，秘魯和智利的海岸以及非洲的撒哈拉沙漠。2007-0853現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)F表示網(wǎng)絡輸入端SNR與網(wǎng)絡輸出端SNR的關系，可用于測量網(wǎng)絡產(chǎn)生的SNR降級。例如，放大器輸入端的信號比噪聲高40dB，經(jīng)放大，放大器增益將信號增加了20dB，但同時放大器也加入了額外的噪聲，使得輸出信號僅比噪聲底部高30dB。因此從輸入到輸出SNR的降級是10dB，這相當于放大器具有10dB的噪聲系數(shù)。

噪聲系數(shù)用于描述放大器等二端口網(wǎng)絡或設備輸出端噪聲與輸入端的參考噪聲之比較，表示為（1.25）

F=(SNR)in(SNR)out2007-0854現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

噪聲溫度和線路損耗

用表示接收機（或網(wǎng)絡）的有效噪聲溫度，則其中是噪聲源的參考溫度，通?？烧J為是290K。噪聲功率譜密度和有效噪聲溫度是描述噪聲源的等效方法。有損線路或網(wǎng)絡的功率損耗定義為L=輸入功率輸出功率由此網(wǎng)絡增益G等于1/L（對有損線路<1）。2007-0855現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

復合噪聲系數(shù)和復合噪聲溫度

由于噪聲系數(shù)F和有效噪聲溫度To都表示設備的噪聲性能，兩者各有所長。對于地面應用，通常采用F；在溫度為290K時SNR降級的概念很有意義，因為地面溫度總是接近于290K。地面噪聲系數(shù)總是落在1~10dB之間。對于空間應用，To是更為通用的性能系數(shù)。給定系統(tǒng)性能比較的方法后，商用系統(tǒng)To值一般為30~150K。對低噪聲網(wǎng)絡而言，采用噪聲系數(shù)的缺點是獲得的值總是接近單位值（0.5-1.5dB），這使得設備間的比較變得困難?？臻g應用與地面應用不同，取參考溫度為290K并不適宜。一般地說，在噪聲很低的設備中適宜采用有效溫度而不是噪聲系數(shù)。

2007-0856現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室系統(tǒng)溫度ToS是所有系統(tǒng)噪聲共同作用的結果（在有效溫度下），為

1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

系統(tǒng)有效溫度

其中ToA是天線溫度，Tocomp是線路和前置放大器的復合溫度。上式描述了接收機的兩種噪聲來源和干擾降級：一個噪聲源由ToA表示，代表“外界”通過天線造成的降級；另一個噪聲源由Tocomp表示，代表所有導體中電子運動導致的熱噪聲。2007-0857現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

系統(tǒng)有效溫度

圖1.18接收天線的主要噪聲來源

2007-0858現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

系統(tǒng)有效溫度

圖1.18給出了接收天線的簡單示意圖，包括天線、線路和前置放大器，這些設備在SNR降級中起到主要作用。前置放大器的降級作用是向鏈路引入額外的噪聲。線路損耗引起信號衰減。其余的降級原因是自然和人工噪聲源對接收天線產(chǎn)生干擾而引起的降級。自然源包括閃電、天體無線電源、大氣源和地面以及其他物理結構輻射的熱量。人工源包括汽車點火系統(tǒng)，電力機械以及落在接收機帶寬內的其他用戶的無線發(fā)射。可以把天線類比為鏡頭，其噪聲影響取決于天線“看到”的內容。如果天線指向天空冷的區(qū)域，就只會產(chǎn)生很少的熱噪聲。天線溫度是整個天線模式綜合作用下有效溫度的量度。

2007-0859現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

系統(tǒng)有效溫度

噪聲一部分由天線注入，一部分是在接收機前端內部產(chǎn)生。通過前端設計而得到的系統(tǒng)改進量依賴于前端產(chǎn)生的噪聲占全部噪聲的比例。如果前端產(chǎn)生了大部分的噪聲，則通過采用低噪聲前置放大器的方式能明顯提高系統(tǒng)的SNR。如果噪聲主要是由天線引起的，則使用低噪聲前置放大器對SNR沒有明顯改進。2007-0860現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

天電噪聲溫度

接收天線收集星系、太陽和地面源發(fā)射的隨機噪聲，形成天電背景噪聲，它是天體共同作用的結果，并且隨頻率而降低；大氣影響從10GHz開始變得顯著且隨頻率增加。圖1.20描述了從地球觀測到的，受到兩種因素共同影響的天空溫度。在1到1GHz的區(qū)域內溫度最低；宇宙噪聲在1GHz變得很小，而對10GHz以下的衛(wèi)星通信，由于大氣吸收，黑體輻射的噪聲不明顯。這個區(qū)域稱為微波窗或空間窗，它在衛(wèi)星通信或深層空間通信中特別有用。這些系統(tǒng)主要使用該部分頻譜上的載波的主要原因是較低的天電噪聲。圖1.20中星系和大氣噪聲曲線是關于不同仰角θ的一組曲線。如果θ為0，接收天線指向水平面，傳播路徑包括可能的最遠大氣層。θ為90o時，接收天線指向上空,傳播路徑包括可能的最近大氣層。因此曲線族上方曲線表示最壞情況的天空噪聲與頻率的關系，下方曲線表示最優(yōu)情況。圖1.20也給出了下雨時噪聲溫度與頻率的關系曲線。因為降雨的強度只能統(tǒng)計表示，降雨時的噪聲溫度將增加25%（在頂點方向）。如果考慮到降雨因素，空間通信的哪個譜區(qū)域是最優(yōu)的？是空間窗低端的區(qū)域。因此，空間地面子系統(tǒng)、統(tǒng)一S波段遙測、追蹤和控制系統(tǒng)（NASA）等系統(tǒng)都定位在1.8-2.4GHz內。2007-0861現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室圖1.20天電噪聲溫度

2007-0862現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

天空射電圖

許多研究人員以頻率為自變量繪制星系噪聲輻射圖形。圖1.21是一張從地面觀察時在250MHz區(qū)域內的天空溫度的等高線。一般地，天空由固定的星系源（太陽、月亮、行星等）組成，每個源都有自己的溫度。射電天圖是各個星系源溫度加上天空背景噪聲常數(shù)的有效加權和。在圖1.21中，溫度輪廓范圍是從90K到1000K。這些測量是在黑夜進行的。圖中心的天線波束表示所測量的天體面積大?。看螠y量值是該定向發(fā)射區(qū)域的平均值）。波束越窄，得到的溫度輪廓清晰度越高；波束越寬，清晰度越差。圖1.22是另一張射電天圖，頻率為600MHz。正如圖1.20所預示的，該頻率上的銀河噪聲較之圖1.21的要少；溫度最低為8K，最高為280K。2007-0863現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

天空射電圖

圖1.21頻率為250MHz的天空背景射電天圖2007-0864現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.5噪聲系數(shù)、噪聲溫度和系統(tǒng)溫度

天空射電圖

圖1.22頻率為600MHz的天空背景射電天圖2007-0865現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析本節(jié)利用前面推導的基本的鏈路參數(shù)關系這些關系來計算采樣鏈路預算，如表1.2所示。這張表列出了一大堆術語；讀者可能會認為鏈路預算是一個復雜的分析過程。然而事實恰恰相反，現(xiàn)在引用圖1.23來強調這個結論。該圖將表1.2中的項目減少為幾個關鍵參數(shù)。鏈路分析的目的是判斷是否達到了所要求的誤差性能；這是將實際檢測的Eb/N0與系統(tǒng)所需Eb/N0進行比較而得到判斷的。用于這種判斷的主要指標是EIRP（傳輸?shù)挠行Чβ适嵌嗌伲?，品質因數(shù)Gr/To（接收機收集此功率的能力），Ls（最大的單徑損失、空間損失）和Lo（其他損耗、衰減）。這些就是鏈路分析的全部參數(shù)。

2007-0866現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析圖1.23鏈路分析的關鍵參數(shù)

2007-0867現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析鏈路預算細節(jié)

表1.2的鏈路預算例子包括了三列數(shù)據(jù)：只有中間的一列表示鏈路預算，其它兩列是輔助信息，如天線波束寬度、支持主列的輔助計算。損耗表示在中括號內。如果某個值未用括號，則它代表增益。加框數(shù)據(jù)表示的是部分和。從中間列的首行開始，將所有的損耗和增益進行代數(shù)相加。鏈路余量結果位于第21行的雙框方形中。該結果通過式（1.24）求得，現(xiàn)重復該公式，并將Gr/To代替分立的Gr和To：2007-0868表1.2

地球終端到衛(wèi)星的鏈路預算范例：頻率為8GHz，范圍=21,915海里

現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析鏈路預算細節(jié)

1.發(fā)射功率（dBW）(100.00W)20.0Pt2.發(fā)射電路損耗（dB）<2.0>Lo3.發(fā)射天線增益(峰值dBi)51.6Gt碟形直徑（ft）20.00半功率波束帶寬（度）0.454.終端EIRP（dBW）69.6EIRP5.路徑損耗（dB）<10o仰角>

<202.7>Ls6.天氣的衰減值（dB）<4.0>Lo7.其它損耗（dB）<6.0>Lo8.各向同性接收功率（dBW）-143.19.接收機天線增益（峰值dBi）35.1Gr碟形直徑（ft）3.00半功率波束帶寬（度）2.9910.覆蓋邊緣損耗（dB）<2.0>Lo2007-0869現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析鏈路預算細節(jié)

表1.2

地球終端到衛(wèi)星的鏈路預算范例：頻率為8GHz，范圍=21,915海里

11.接收信號功率（dBW）-110.0Pr接收機天線端的噪聲值（dB）11.5接收機溫度（dB-K）31.8（3806K）接收機天線溫度（dB-K）24.8（300K）12.系統(tǒng)溫度（dB-K）36.1（4106K）13.系統(tǒng)Gr/To（dB/K）-1.0G/To14.Boltzmann常數(shù)（dBW/K-Hz）-228.6011.噪聲譜密度（dBW/Hz）<-192.5>N0=kTo16.接收的Pr/N0（dB-Hz）82.5(Pr/N0)r17.數(shù)據(jù)速率（dB-bit/s）（2Mbit/s）<63.0>R18.接收的Eb/N0（dB）19.5(Eb/N0)r19.實施損耗（dB）<1.5>Lo20.所需的Eb/N0（dB）<10.0>(Eb/N0)reqd21.余量（dB）8.0M2007-0870現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析鏈路預算細節(jié)

下面分析表1.2中所列出的21個參數(shù)。1.傳輸功率為100W（20dBW）。2.發(fā)射機和天線之間的電路損耗為2dB。3.發(fā)射天線增益為51.6dBi。4.第1~3項產(chǎn)生的網(wǎng)絡EIRP=69.6dBW。5.表中給出了地球終端10o仰角的路徑損耗。6、7.天氣衰落和其它減損的余量。8.各向同性接受功率是指如果天線是各向同性的，那么可以接收到的功率為-143.1dBW。9.接收天線的峰值增益為31.1dBi。10.造成覆蓋邊緣損耗的原因是軸外天線增益（與頂端增益相比）和通信覆蓋域邊緣區(qū)增加的用戶數(shù)（一般有2dB的損耗）。11.根據(jù)第8~10項，接收端的輸入功率為-110dBW。2007-0871現(xiàn)代移動通信技術東南大學移動通信國家重點實驗室1.6采樣鏈路分析鏈路預算細節(jié)

12.系統(tǒng)溫度由（1.46）得到。此例中假定從接收天線到前端的線路無損耗，因此線路損耗參數(shù)L為1，系統(tǒng)溫度計算在第3列中，即13.結合接收天線增益Gr（第9項）和系統(tǒng)溫度得到接收的增益率Gr/To。它列在左欄而不是中間。因為Gr在鏈路預算的第9項中計算，而ToS在第15項中計算。如果Gr/To被放在中間一欄中，就重復了。14.波爾茲曼常數(shù)為-228.dBW/K-Hz。11.由波爾茲曼常數(shù)的分貝值（第