微波與衛(wèi)星通信（第二版）微波與衛(wèi)星通信傳輸通道

微波與衛(wèi)星通信傳輸通道2.1自由空間的電波傳播2.2

微波傳播的影響因素2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性2.4移動衛(wèi)星信道本章小結(jié)

2.1自由空間的電波傳播

2.1.1無線電波的傳播特性無線電波以多種傳輸方式從發(fā)射天線到達接收天線,主要包括自由空間波、對流層反射波、電離層波和地波。(1)如圖2-1中1所示,表面波傳播是電波沿著地球表面到達接收端的傳播方式。圖2-1無線電波的傳播特性

(2)天波傳播是自發(fā)射天線發(fā)出的電磁波,在高空被電離層反射回來到達接收點的傳播方式,如圖2-1中2所示。

(3)如圖2-1中3所示,視距傳播是電波依靠發(fā)射天線和接收天線之間直視的傳播方式,可以分為地對地視距傳播和地對空視距傳播。

(4)散射傳播是利用大氣層中對流層和電離層的不均勻性來散射電波,使電波到達視線以外的地方的傳播方式,如圖2-1中4所示。

(5)外層空間傳播是無線電波在對流層、電離層以外的外層空間中的傳播方式,如圖2-1中的5所示。

在電波的傳輸過程中,除了大氣、氣候?qū)ζ鋫鞑ギa(chǎn)生影響以外,地面的影響較大,主要表現(xiàn)在這幾方面:

①樹林、山丘、建筑物等能夠阻擋一部分電磁波的射線,從而增加了損耗;

②平滑的地面和水面可以將一部分的信號反射到接收天線上,反射波與入射波疊加后,有可能相互抵消而產(chǎn)生損耗;

③當(dāng)?shù)孛嫔蠠o明顯的障礙物時,主要表現(xiàn)為反射波對直

射波的影響,反射是電平產(chǎn)生衰落的主要因素。

2.1.2-自由空間的微波傳播

自由空間又稱為理想介質(zhì)空間,即相當(dāng)于真空狀態(tài)的理想空間。在自由空間傳播的電磁波不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象,也就是說,總能量并沒有被損耗掉。

微波在自由空間傳播時,其能量會因向空間擴散而衰耗。這種微波擴散衰耗就稱為自由空間傳播損耗。當(dāng)距離d以km為單位、頻率f以GHz為單位時,自由空間的傳播損耗Ls為

式中:d為收發(fā)天線的距離,f為發(fā)信頻率。

設(shè)Pt為發(fā)射機的功率電平,在自由空間傳播的條件下,接收機的輸入電平Pr為

其中:Gr、Gt分別為收、發(fā)天線的增益;Lfr、Lft分別為收、發(fā)兩端饋線的系統(tǒng)損耗;Lbr、Lbt為收、發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗。

2.2

微波傳播的影響因素

2.2.1地面反射對微波傳播的影響微波傳輸?shù)膶嶋H介質(zhì)是大氣層而非均勻的介質(zhì)自由空間。大氣是在不斷變化著的,這種變化對微波傳播的影響以距地面約10km以下的被稱為對流層的低層大氣層的影響為最甚。

理論上,自由空間是指無邊際的空間,實際上這樣的理想空間是不存在的。然而,對于某一特定方向而言,卻存在著可以被視為自由空間傳播的可能性,這種設(shè)定更有其實際的意義。從而引入電波傳播費涅耳區(qū)的概念。

如圖2-2所示,空間A處有一球面波源,以此為中心,半徑為R,構(gòu)筑一球面。圖2-2-費涅耳半波帶

根據(jù)惠更斯費涅耳原理,該球面上所有的同相惠更斯源可以視為遠區(qū)觀察點P的二次波源。設(shè)P點與A點相距d=R+r0,球面S可劃分成n個環(huán)形帶(n=1,2,3,…),相鄰兩帶的邊緣到P的距離相差半個波長(物理學(xué)上這種環(huán)帶被稱為費涅耳半波帶),即

假設(shè)第一費涅耳區(qū)的半徑為F1,則當(dāng)各參數(shù)如圖2-3所示時,根據(jù)第一費涅耳區(qū)半徑的定義,有

通常d1?F1,d2?F1,因此將上式作一級近似,可得

若λ的單位為m,d1、d2、d的單位為km,則以m為單位的F1可表示為

顯然,該半徑在路徑的中央d1=d2=d/2處達到最大值圖2-3費涅耳區(qū)及第一費涅耳區(qū)相關(guān)參數(shù)

實際上,劃分費涅耳半波帶的球面是任意選取的,因此當(dāng)球面半徑R變化時,盡管各費涅耳區(qū)的尺寸也在變化,但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定義恰恰就是以A、P為焦點的橢圓,如圖2-4所示。圖2-4費涅耳橢球

如圖2-5所示,即使地面上的障礙物遮擋了收、發(fā)兩點間的幾何射線,由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住,因此接收點仍然可以收到信號,此種現(xiàn)象稱為電波繞射。圖2-5不同波長的繞射能力

在不考慮地球的曲率,認為兩站之間的地形為平面時,此地球表面稱為平滑地面。在實際建設(shè)微波通信線路時,總是把收、發(fā)天線對準(zhǔn),以使收端收到較強的直射波。根據(jù)惠更斯原理,總會有一部分電波投射到地球表面,所以在收信點除收到直射波外,還要收到經(jīng)地面反射并滿足反射條件的反射波,如圖2-6所示。圖2-6平滑地面對微波的反射

1)余隙

路徑上O的余隙是指反射點O到TR的垂直距離。由于線路上距離d?h'c,為了方便,常用O點的垂直地面的線段hc近似表示余隙,即hc≈h'c,稱為O點的余隙。

2)直射波和反射波在收信點產(chǎn)生的合成場強

設(shè)E0為自由空間傳播時,直射波到達接收點的場強的有效值,則直射波場強的瞬時值為

反射波場強的瞬時值為

在R點的矢量合成為

將合成場強E與自由空間場強E0之比稱為地面反射引起的衰落因子,用V表示

通常用分貝(dB)來表示衰落損耗的程度,即

將地面影響(有反射時)考慮在內(nèi),實際的收信點的電平為

其中:Pr0是未考慮反射時的自由空間收信電平,以dBm為單位;Pr為有衰落時的收信電平以,dBm為單位。

圖2-7衰落因子V與Δr行程差的關(guān)系曲線

在工程上,一般不采用Δr去計算衰落因子V,而是借助余隙hc去計算V。

將其代入式(2-20),則

再將上式代入式(2-19),得

式中:hc為余隙;F1為第一費涅耳區(qū)半徑。

圖2-8VdB與hc/F1的關(guān)系曲線

2.2.2-大氣對微波傳播的影響

前面講的平滑地面的反射所指的空間環(huán)境為均勻的。因此,微波傳播中不論是直射波還是反射波都不會產(chǎn)生折射。但實際上大氣是不均勻的,大氣的成分、壓強、溫度和濕度都隨高度而變化,它們的變化引起大氣折射率也隨高度而變化,這將導(dǎo)致電波傳播方向發(fā)生變化,產(chǎn)生折射。

大氣折射由折射率n表示,指電波在自由空間的傳播速度c與電波在大氣中的傳播速度v的比值,記作

n值通常在1.0到1.00045之間,為了便于計算,又定義了折射率指數(shù)N=(n-1)×106。在自由空間N=0;在地球表面N=300左右。

圖2-9大氣折射對微波軌跡的影響

為了便于分析,引入等效地球半徑的概念。即把微波射線仍看成直線,而把地球半徑R0等效為Re,如圖2-10所示。圖2-10等效示意圖

等效的條件是:微波軌跡與地面之間的高度差hc相等,或等效前、后的微波路徑與球形地面之間的曲率之差保持不變。

定義K為等效地球半徑系數(shù)

圖2-11大氣折射的分類

大氣折射使微波射線路徑彎曲,將會導(dǎo)致余隙的增大或減小,余隙的變化必然引起VdB的變化,進而使得收信點接收電平Pr發(fā)生變化。當(dāng)使用等效地球半徑的概念后,我們?nèi)钥梢曃⒉ㄉ渚€為直線,而認為地球半徑有了變化,由實際半徑R0變?yōu)榈刃О霃絉e,如圖2-12所示。

圖2-12中虛線為等效后的地球凸起高度;實線為實際地球凸起高度。圖2-12-折射引起的余隙變化

通常所遵循的余隙標(biāo)準(zhǔn),如表2-1所示。

【例2-1】設(shè)微波通信頻率為8GHz,站距為50km,若路徑為真實的光滑球形地面,求:(1)當(dāng)不計氣象影響時(he=0),為保證h0的自由傳播空間不受阻擋,收、發(fā)天線高度H

min應(yīng)為多少米(設(shè)收發(fā)天線等高)?

(2)當(dāng)K=2/3時,即考慮氣象條件對電波傳播的影響,且要求hc≥h0時,收、發(fā)信天線高度至少應(yīng)為多少米?

解(1)根據(jù)題意,所給地形為光滑球面,故可設(shè)線路中點為地球凸起高度最高點和反射點,因設(shè)收、發(fā)天線等高(H1=H2),可畫出圖2-13。圖2-13例2-1圖

(2)考慮氣象條件的影響,K=2/3時,地球凸起高度為

復(fù)雜地形地面的典型斷面如圖2-14所示,實際微波路徑多類似為這種斷面。圖2-14復(fù)雜地形地面斷面圖

從幾何關(guān)系可導(dǎo)出考慮大氣折射時余隙hce的表達式為

式中:H1、H2-為收、發(fā)點山頂海拔高度(m);H3為反射點海拔高度(m);h1、h2-為收、發(fā)天線的高度(m);d1、d2-為收、發(fā)點到反射點的位置(km);d為站距(km);he為反射點等效地球凸起高度(m)。

2.2.3微波傳播中的衰落特性

實際中,微波傳播路徑的大氣不可能總是混合得非常均勻,因此存在對流、平流、湍流及雨霧等大氣現(xiàn)象,它們都是由對流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的,并且呈現(xiàn)隨機性。加上地面反射對電波傳播的影響,就使發(fā)信端到接收端之間的電波被散射、折射、吸收,或被地面反射。在同一瞬間,可能只有一種現(xiàn)象發(fā)生(影響較明顯),也可能幾種現(xiàn)象同時發(fā)生,其發(fā)生的次數(shù)及影響程度都帶有隨機性。這些影響會使收信點場強(或電平)隨時間而變化,這種收信電平隨時間起伏變化的現(xiàn)象,叫做微波傳播的衰落現(xiàn)象。

衰落的持續(xù)時間有長有短。持續(xù)時間短的為幾毫秒至幾秒,稱為快衰落;持續(xù)時間長的從幾分至幾小時,稱為慢衰落。當(dāng)衰落發(fā)生時,接收電平低于自由空間電平時稱為下衰落;高于自由空間電平時稱為上衰落。

研究表明:視距傳播衰落的主要原因是大氣與地面效應(yīng)。就發(fā)生衰落的物理原因而言,可以分成以下幾類

1.大氣吸收衰落

物體都是由帶電的粒子組成,這些粒子都有其固定的電磁諧振頻率。

2.雨霧引起的散射衰落

雨霧中的小水滴會使電磁波產(chǎn)生散射,從而造成電磁波的能量損失,產(chǎn)生散射衰落。

3.K型衰落

K型衰落是一種由多徑傳輸引起的干涉型衰落,它是由于直射波與地面反射波(或在某種情況下的繞射波)到達接收端因相位不同互相干涉造成的微波衰落。

4.波導(dǎo)型衰落

由于各種氣象條件的影響,如早晨地面被太陽曬熱,夜間地面的冷卻,以及海面和高氣壓地區(qū)等都會造成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波通過對流層中這些不均勻?qū)訒r,將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象,形成大氣波導(dǎo)。只要微波射線通過大氣波導(dǎo),而收、發(fā)兩點在波導(dǎo)層下面,如圖2-15所示,則收信點的電場強度除了直射波和地面反射波外,還可能收到波導(dǎo)層的反射波,形成嚴重的干涉型衰落,并往往造成通信中斷,這種衰落稱為波導(dǎo)型衰落。圖2-15大氣波導(dǎo)形成的反射波

5.閃爍衰落

對流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等、無規(guī)則的漩渦運動,稱為大氣湍流。大氣湍流形成的一些不均勻小塊或?qū)訝钗锸菇殡姵?shù)ε與周圍不同,并能使電波向周圍輻射,這就是對流層散射,如圖2-16所示。圖2-16對流層散射

6.頻率選擇性衰落

由前面討論的內(nèi)容知道,對一個微波接收站而言,收信點除了可以收到直射波外,還會收到來自路徑某點的反射波。大氣效應(yīng)又使大氣層中產(chǎn)生一些隨機的、不依賴于任何固定反射面的反射和散射電波,即收信點可以收到多個途徑傳來的電波,這就是多徑傳播現(xiàn)象。

頻率選擇性衰落是由多徑傳播產(chǎn)生的干涉型衰落現(xiàn)象引起的。我們可把多徑傳播歸納為兩種類型:一種是直射波與地面反射波形成的多徑;另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成

的幾種途徑并存的多徑。一般地說,第一種是主要的,是必然發(fā)生的。第二種是次要的,不一定經(jīng)常發(fā)生。但是,當(dāng)?shù)孛娣瓷洳◤姸群苋?甚至很微弱時,第二種多徑影響就將成為主要因素。因多徑干涉型衰落是由幾條不同路徑的電波相干涉而產(chǎn)生的,所以從原理上講,對其衰落模型的研究應(yīng)該由幾條波束進行合成。但是,在視距微波線路上,三條以上波束相干涉所造成的衰落使微波電路質(zhì)量變壞的概率較小,故一般都是對兩條波束模型產(chǎn)生的干涉型衰落機理進行研究。

兩條射線(波束)傳輸信道的等效電路如圖2-17所示。圖2-17兩條射線傳輸信道的等效電路

在圖2-18(a)中,橫坐標(biāo)表示微波信號的頻率,縱坐標(biāo)表示幅頻特性,從左到右排列8個波道的帶寬。如圖2-18(a)所示第4、5波道無頻率選擇性衰落,幅頻特性是平坦的;而第2、7波道卻有很深的頻率選擇性衰落,通帶內(nèi)的幅頻特性偏差較大,呈現(xiàn)一個很深的凹陷;而1、3、6、8波道則有較明顯的幅頻特性傾斜。

如圖2-18所示的頻率選擇性衰落將使微波信號產(chǎn)生帶內(nèi)失真;如果系統(tǒng)的頻率配置采用同頻雙極化工作,還會使交叉極化鑒別度下降;另外,系統(tǒng)具有的抗深度衰落能力(衰落儲備)也要受到影響。圖2-18兩條射線信道的傳輸特性

(1)引起帶內(nèi)失真。

帶內(nèi)失真是指微波信號(已調(diào)波)在通帶內(nèi)的幅頻特性和群時延頻率特性具有非線性,信號的各頻譜成分的A(f)、T(f)特性隨頻率呈起伏變化的失真,如圖2-18所示。

(2)使交叉極化鑒別度下降。

在收發(fā)共用天線系統(tǒng)中,采用同頻(雙極化)再用方案時,會引起頻率相同、極化正交的兩個波道之間的干擾,稱之為交叉極化干擾。

交叉極化鑒別度用XDP電平值表示,即

式中:P為收端某一波道接收到與發(fā)端極化相同信號的功率。PX為該波道極化失配時接收到的信號功率。XPD值越大,表示一種極化狀態(tài)經(jīng)傳輸變成正交極化狀態(tài)的能量越少。

(3)使系統(tǒng)原有的衰落儲備值下降。

當(dāng)不考慮頻率選擇性衰落時,系統(tǒng)的抗衰落能力是以平坦衰落儲備表征的。平坦衰落儲備是指與自由空間傳播條件相比,當(dāng)熱噪聲增加時,為了在不超過門限誤碼的情況下系統(tǒng)仍能正常工作,所必須留有的電平余量。

數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲備的概念,它表示與自由空間傳播條件相比,當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時,為了在不超過門限誤碼率時系統(tǒng)仍能工作,所必須留有的電平余量。有效衰落儲備是兼顧平坦衰落儲備、多徑衰落儲備和考慮熱噪聲、干擾所需儲備的綜合衰落儲備。由于頻率選擇性衰落對微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量帶來了不利的影響,為了改善微波通信系統(tǒng)的性能,提高通信的質(zhì)量,解決的辦法是采用抗衰落技術(shù),以改善系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落的能力。

2.2.4抗衰落技術(shù)

微波傳播中的衰落現(xiàn)象給微波傳輸帶來了不利的影響,所以人們在研究電波傳播統(tǒng)計規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了各種對付微波衰落的技術(shù)措施,即抗衰落技術(shù)。

分集技術(shù)包括分集發(fā)送技術(shù)和分集接收技術(shù)。從分集的類型看,使用較多的是空間分集和頻率分集,這里以分集接收來了解這些技術(shù)

1.空間分集接收

分集接收就是采用兩種或兩種以上的不同的方法接收同一信號,以減少衰減帶來的影響,是一種有效的抗衰落的措施。其基本思想是將接收到的信號分成多路的獨立不相關(guān)信號,然后將這些不同能量的信號按不同的規(guī)則合并起來。

空間分集接收是指在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線,同時接收一個發(fā)射天線的微波信號,然后合成或選擇其中一個強信號,這種方式稱為空間分集接收。有幾副天線就稱為幾重分集。若架設(shè)的鐵塔上有兩副天線作接收,就叫做二重空間分集接收,如圖2-19所示。圖2-19二重空間分集接收示意圖

當(dāng)存在地面反射時,由平滑地面反射知,發(fā)生地面發(fā)射而引起衰落時,衰落大小與行程差、余隙有關(guān),所以接收場強或電平隨接收點高度的變化而變化,呈瓣狀圖形,如圖2-20所示。氣象條件變化時,引起余隙變化,瓣狀結(jié)構(gòu)會上下移動。如果用一個固定高度的天線接收,這種變化無疑會引起信號的衰落。如果采用兩個固定天線,使其高度差等于場強分布相鄰最大和最小值的間距,這樣兩天線可以互相補償,使衰落大大地降低。圖2-20干涉長的空間分布和分集天線的位置

為了使兩天線的信號變化相反,上、下天線所接收的合成電場強度相位差應(yīng)為

即

分集技術(shù)由分集改善度表示,是指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)之比。在ITU－R3764建議中,給出了當(dāng)忽略地面反射時分集改善度的經(jīng)驗公式為

式中:D為站距,以km為單位;f為頻率,以GHz為單位;V為衰落因子,VdB=20lgV為衰落深度;S為天線間的距離,以m為單位;U為副天線相對于主天線的增益。

圖2-21是根據(jù)式(2-38)繪制的分集改善度列線圖。圖2-21對于分集天線高度差較小,改善度I<10的系統(tǒng)不適用,若參數(shù)不符合式(2-38)所定義的范圍及條件,由列線圖求出的I值將有誤差。圖2-21分集改善度列線圖

【例2-2】有一多徑傳播路由,若地面反射可忽略不計時,站距D=40km,頻率f=4GHz,天線高度差S=9m,副天線相對于主天線的增益U=1,當(dāng)衰落深度VdB=-40dB時,求分集改善度I。

解(1)在圖中的D尺上找到D=40km之點及f尺上f=4GHz之點,通過兩點的直線與A1輔助尺交于a點;

(2)通過a點與S尺S=9m之點作直線與A2-輔助尺交于b點;

(3)通過b點與U尺U=1之點作直線與A3輔助尺交于c點;

(4)通過c點與VdB=-40dB之點作直線與I輔助尺相交,讀得I=100

分集改善度是指在某一相對的收信電平時,單一接收與分集接收的衰落累積時間百分比之比。其比值越大,說明分集改善效果越好。在圖2-22中,當(dāng)收信電平低于自由空間收

信電平20dB時,單一接收與分集接收一起接收同一收信電平,其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%,兩者的比值為100,即分集改善度為100。圖2-22-累積分布曲線

2.頻率分集接收

采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發(fā)送和接收同一信息,然后進行合成或選擇,以減輕衰落影響,這種工作方式叫做頻率分集。當(dāng)采用兩個微波頻率時,稱為二重頻率分集。

同頻段分集是指所發(fā)送和接收的兩個微波信號頻率f1和f2-位于同一微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-23所示。圖2-23同頻段分集系統(tǒng)示意圖

跨頻段分集是指發(fā)送和接收的兩個微波信號頻率f1和f2-分別位于不同的微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-24所示。圖2-24跨頻段分集系統(tǒng)示意圖

3.自適應(yīng)均衡技術(shù)

均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性,用來抵消信道的時變多徑傳播特性引起的干擾,即通過均衡器消除時間和信道的選擇性。均衡技術(shù)用于解決符號間干擾

的問題,適用于信號不可分離多徑的條件下,且時延擴展遠大于符號的寬度。均衡技術(shù)可分為頻域均衡和時域均衡兩種。頻域均衡指的是總的傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件,即校正幅度特性和群時延特性。時域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無碼間干擾的條件,數(shù)字通信多采用時域均衡,而模擬通信則多采用頻域均衡。

這種均衡器是一個諧振頻率fr和回路Q值可變的中頻諧振電路。用該中頻諧振電路產(chǎn)生的與多徑衰落造成的幅頻特性相反的特性,去抵消帶內(nèi)振幅偏差。

圖2-25(a)左邊部分示出了因多徑傳播造成的頻率選擇性衰落時,凹陷點的頻率及其陡度(特性)會隨時變化。

圖2-25(b)所示的是這種頻域均衡器的原理電路。均衡器電路用分布參數(shù)和變?nèi)荻O管構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,當(dāng)改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容時,可改變電路的中心諧振頻率。圖2-25衰落特性、均衡特性及均衡器原理圖

橫向濾波器式均衡器的結(jié)構(gòu)示于圖2-26。圖2-26橫向濾波器式均衡器結(jié)構(gòu)

下面用圖2-27對均衡原理簡單說明如下。圖2-27橫向濾波器式均衡器原理框圖

橫向濾波器能夠均衡空間分集和頻域自適應(yīng)均衡器沒有完全均衡的剩余波形失真。在實際使用中,往往將橫向濾波器式均衡器與頻域自適應(yīng)均衡器配合使用,在理論上講,可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真

2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性

2.3.1衛(wèi)星通信中存在的電波傳播問題衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面微波中繼通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,靠大氣層外的衛(wèi)星的中繼實現(xiàn)遠程通信。其載荷信息的無線電波要穿越大氣層,經(jīng)過很長的距離在地面站和衛(wèi)星之間傳播,因此它受到多種因素的影響。傳播問題會影響到信號質(zhì)量和系統(tǒng)性能,這也是造成系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中斷的原因之一,因此電波傳播特性是衛(wèi)星通信以及其他無線通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)設(shè)計和線路設(shè)計時必須考慮的基本特性。

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,因此影響電波的傳播因素很多。表2-2列出了有關(guān)衛(wèi)星通信的電波傳播問題。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中,由于移動用戶的特點,使接收電波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮擋反射、折射,從而引起多徑衰落,這是不同于固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飛機還會受到海面反射等引起的多徑衰落影響。固定站通信的時候,雖然存在多徑傳播,但是信號不會快衰落,只有由溫度等引起的信號包絡(luò)相對時間的緩慢變化,當(dāng)然條件是不能有其他移動物體發(fā)射電磁波情況發(fā)生。

2.3.2-衛(wèi)星通信中通信電波的傳播噪聲

接收機輸入端的噪聲功率分別由內(nèi)部(接收機)和外部(天線引入)噪聲源引入,外部噪聲源可以分為兩類:地面噪聲和太空噪聲。地面噪聲對天線噪聲影響最大,來源于大氣、降雨、地面、工業(yè)活動(人為噪聲)等;太空噪聲來源于宇宙、太陽系等。

1)太陽系噪聲

它指的是太陽系中太陽、各行星以及月亮輻射的電磁干擾被天線接收而形成的噪聲,其中太陽是最大的熱輻射源。

2)宇宙噪聲

宇宙噪聲是指外空間星體的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲,在銀河系中心的指向上達到最大值(通常稱為指向熱空),在天空其他某些部分的指向上是很低的(稱為冷空)。

3)大氣噪聲與降雨噪聲

電離層、對流層不但吸收電波的能量,還會產(chǎn)生電磁輻射從而形成噪聲,其中主要是氧氣和水蒸氣構(gòu)成的大氣噪聲,大氣噪聲是頻率和仰角的函數(shù)。

4)內(nèi)部噪聲

內(nèi)部噪聲來源于接收機,由于接收機中含有大量的電子元件,而這些電子元件由于溫度的影響,其中自由電子會做無規(guī)則的運動,這些運動實際上影響了電路的工作,這就是熱噪聲,因為在理論上,如果溫度降低到絕對溫度,那么這種內(nèi)部噪聲將為零,但實際上達不到絕對溫度,所以內(nèi)部噪聲不可根除,只可抑制。

2.3.3衛(wèi)星通信中的多普勒效應(yīng)

當(dāng)以一定速率運動的物體,例如飛機,發(fā)出了一個載波頻率f1,地面上的固定接收點收到的載波頻率就不會是f1,會產(chǎn)生一個頻移fd。其頻移大小表示為

式中,λ為接收信號載頻的波長。

在衛(wèi)星移動通信中,當(dāng)飛機移向衛(wèi)星時,頻率變高,遠離衛(wèi)星時,頻率變低,而且由于飛機的速度十分快,所以我們在衛(wèi)星移動通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。另外一方面,由于非靜止衛(wèi)星本身也具有很高的速度,所以目前主要用靜止衛(wèi)星與飛機進行通信,為了避免這種影響造成通信中的問題,不得不在技術(shù)上加以各種考慮。這也加大了衛(wèi)星移動通信的復(fù)雜性。

2.4移動衛(wèi)星信道

在衛(wèi)星通信中,固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)一般采用點對點或者一點對多點的傳播模式;上行鏈路和下行鏈路均為視距內(nèi)的電波傳播;地面采用非移動的終端收發(fā)信裝置。

基于上述因素。移動衛(wèi)星信道當(dāng)中包含了由于電波的非視距傳播所形成的各種效應(yīng),信號將會發(fā)生如下變化:

(1)時延;

(2)相位和幅度的變化;

(3)與干擾信號的穿插作用。

因此,移動衛(wèi)星的信道具有獨特性。其對系統(tǒng)鏈路的功率分析、設(shè)計以及移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程實踐至關(guān)重要。

2.4.1移動信道傳播

一般而言,移動通信信道與其應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān),涉及的環(huán)境因素包括自然形成的地形地物、地面建筑物以及其他存在于移動終端周邊的障礙物等。固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)的地面接收設(shè)備具有非移動性,因此可以采用高增益的定向天線,有效地降低地形、地物對信道的影響,從而提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量;與此相反,移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)的移動終端一般采用低增益的全向性天線,移動終端周邊的環(huán)境容易引起移動信道環(huán)境的惡化,從而影響通信的效率和質(zhì)量。為此,移動信道可以分類為三種傳播狀態(tài),即多徑、陰影和阻擋。

形成信道多徑的主要原因包括:建筑物墻體和金屬標(biāo)牌的反射;建筑屋頂、山峰、尖塔等尖銳邊角的繞射;街道、樹木和水的散射等。此外,大氣成分,云、雨的吸收,大氣分層和天氣條件也將影響信號的電平。此外,移動終端天線的性能,包括增益方向圖、旁瓣、后瓣也將影響整個信號的特點。

圖2-28(a)所示為窄帶衰落時的信道示意圖。在移動終端的附近,由散射引起的多路徑的路徑差很小,一般在幾個波長以內(nèi),因此,不同路徑信號的相位差別很大。同時,由于沿不同路徑的電波幾乎同時到達接收端,因此,帶寬內(nèi)所有頻點的信號以同樣的方式發(fā)生衰落。

除了視距路徑之外,衛(wèi)星發(fā)射機和移動接收機之間會存在由散射形成的多徑現(xiàn)象,形成寬帶衰落,如圖2-28(b)所示。散射越強,不同路徑的時延差越大,當(dāng)相對時延大于發(fā)射信號的碼元或者比特周期時,在信息帶寬內(nèi),信號會發(fā)生巨大的變形,導(dǎo)致所謂的選擇性衰落。該信道則為寬帶衰落信道,在構(gòu)建寬帶衰落信道模型時,需將這些因素均考慮在內(nèi)。圖2-28移動衛(wèi)星的窄帶衰落和寬帶衰落

2.4.2-窄帶信道

如上所述,窄帶衰落信道是由移動終端周圍的散射體引起相對較小的路徑差所形成的,各路徑的相位相差較大,而電波到達終端的時間近乎相同,帶寬內(nèi)所有頻點以同樣的方式發(fā)生變化和衰落。

依據(jù)變化的快慢,窄帶衰落呈現(xiàn)兩個層級。圖2-29所示為在移動終端移動距離相對較小時(如15m的范圍內(nèi)),移動終端接收的信號電平值。

這一電平的慢變化被稱為陰影衰落,或慢衰落、大范圍衰落;相較而言,電平的快變化則被稱為多徑衰落,或快衰落、小范圍衰落。圖2-29窄帶衰落移動信道移動接收機的接收信號功率

2.4.3寬帶信道

當(dāng)信號到達移動終端的波束存在兩個或兩個以上的時候,則發(fā)生寬帶衰落。

設(shè)移動終端y的接收信號是N個散射波路徑信號的疊加,其第i路信號的相位為θi,幅度為ai,時延為τi,則

上式中,每一項表示發(fā)射信號的一個“回波”。

在窄帶信道中,到達信號的時間延遲近似相等,信號的幅度不因載