卫星通信第3章V3剖析

1第三章卫星链路传输工程3.1链路传播特性3.2卫星移动通信链路特性3.3天线的方向性和电极化问题3.4噪声与干扰3.5基本卫星链路分析23.1链路传播特性无线电链路设计分段地球站~卫星链路（或上行链路）卫星卫星~地球站（或下行链路）用于从信号始发站到终点站的无线电链路划分43.1链路传播特性（续）星际链路：只考虑自由空间传播损耗星-地链路：由自由空间传播损耗和近地大气的各种影响所确定热层（热电离层）（Thermosphere）80-500km中间层（Mesosphere）50-80km平流层（Stratosphere）16-50km对流层（Troposphere）7-16km外逸层（Exosphere）500-64,374km63.1链路传播特性（续）卫星通信的电波途经对流层（含云层和雨层）平流层电离层外层空间跨越距离大，影响电波传播的因素很多传播问题物理原因主要影响衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大约10GHz以上频率信号去极化雨、冰结晶体C和Ku频段的双极化系统（取决于系统结构）折射和大气多径大气气体低仰角跟踪和通信信号闪烁对流层和电离层折射扰动对流层：低仰角和10GHz以上频率电离层：10GHz以下频率反射多径和阻塞地球表面及表面上物体卫星移动业务传播延迟、变化对流层和电离层精确的定时、定位、TDMA系统卫星通信系统的传播问题8卫星通信系统的主要技术参数等效全向辐射功率（EIRP）定义——地球站或卫星的天线发射的功率P与该天线增益G的乘积。EIRP=P·G表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率EIRP用dBW单位来表示，即有：EIRP(dBW)=10lgGT+10lgPT或EIRP(dBW)=P(dBW)+G(dB)9卫星通信系统的主要技术参数（续）噪声温度（Te）定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度（Te）与噪声系数(NF）的关系为：NF=10lg(1+Te/290)dB品质因数（G/Te）定义：天线增益与噪声温度的比值。G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)10卫星通信系统中的天线增益可以按下式进行计算式中A：天线口面的有效面积(m2)：工作波长（m）：天线效率Ae：接收天线有效面积其中=c/f，c为光速，取值为3×108(m/s)天线增益的计算公式eAAG22π4π4AcfAG222π4π411例：计算频率为6GHz时，口径3m的抛物面天线的增益。（天线效率为0.55）解：根据AcfAG222π4π4123.1.1星-地链路传播特性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。卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽(例如树木、建筑物的遮挡等)而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗。133.1.1星-地链路传播特性（续）自由空间传播损耗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念，为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境。以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量R1R2面积A面积A各向同性源14d各向同性源功率密度各向同性天线3.1.1星-地链路传播特性（续）2'π4dPPtr15定向增益天线22''π4π4dEIRPdPGPttr接收天线增益接收天线功率ttrerrPGGdAPP2''π43.1.1星-地链路传播特性（续）AcfAG222π4π416ttrerrPGGdAPP2''π43.1.2传输方程分贝形式表示：Pr(dBW)=PT(dBW)+GT(dB)+GR(dB)–20lg(4πd/λ)传输方程173.1.2传输方程（续）传输方程是设计无线电链路的基础。这个方程描述发送地球站发送的射频功率，与接收地球站收到的射频信号功率、传输频率、和发射机到接收机之间距离的关系。183.1.2传输方程（续）''22(W/m)(2-1)4ttrGPPd例：卫星的EIRP值为49.4dBW，计算卫星离地面距离为40000km时，地面站的功率密度。解：根据式（2-1），地面站的功率密度为4.94''222104.33(pW/m)443.1416400001000TTrGPPd193.1.3自由空间传播损耗d为传播距离，为工作波长，c为光速，f为工作频率。22π4π4cdfdLf自由空间传播损耗Lf通常用分贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为dBlg20lg2044.92fdLf20自由空间损耗与传播路径长度的关系星-地链路传播特性21例：卫星和地面站之间的距离为42,000km。计算6GHz时的自由空间损耗。解：根据公式Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)3.1.3自由空间传播损耗（续）dBlg20lg2044.92fdLf223.1.4链路附加损耗1.大气吸收损耗2.雨衰3.大气层折射影响4.电离层闪烁和多径影响231.大气吸收损耗在大气各种气体中，水蒸汽、氧气对电波的吸收衰减起主要作用。总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。在0.3-l0GHz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。30GHz附近也有一个低损耗区。3.1.4链路附加损耗（续）大气吸收附加损耗与频率的关系水蒸汽的第一吸收峰在22GHz氧气在60GHz(35－80GHz间)。对非常低的水蒸汽密度，衰减可假定与水蒸汽密度成正比。在22GHz和60GHz不宜用于星-地链路，但可用于星间链路。总体上，大气吸收损耗随频率的增加而增大。在0.3-l0GHz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。30GHz附近也有一个低损耗区。252、雨衰在雨天或有雾的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。3.1.4链路附加损耗（续）263.1.4链路附加损耗（续）仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：LR=γR·lR(θ)γR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dB／km；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数比(dB／km)，单位为km。不同仰角时的雨衰频率特性降雨衰减系数的频率特性降雨地区的等效路径长度303、大气折射的影响大气折射率随着高度的增加、大气密度的减小而减小，电波射线因折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量。大气折射率的变动对穿越大气的电波起到一个凹透镜的作用，使电波产生微小的散焦衰减，衰减量与频率无关。在仰角大于5度时，散焦衰减小于0.2dB。此外，因大气湍流引起的大气指数的变化，使电波向各个方向上散射，导致电波到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小。3.1.4链路附加损耗（续）微波信号通过大气层时产生折射324、电离层闪烁和多径电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，造成电波信号的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术，来克服衰落，减少电离层闪烁的影响；其它地区可用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。3.1.4链路附加损耗（续）电离层闪烁形成多径传播343.2卫星移动通信链路特性多径衰落：电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏大，称为多径衰落。阴影衰落：电波途经建筑物、树木等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地卫星移动通信系统的电波传播影响很大。地面反射形成的多径传播363.2卫星移动通信链路特性卫星移动信道的分析模型：经验模型、几何分析模型、概率分布模型。经验模型不能揭示传播过程的物理本质，但可以描述出对重要参数的敏感度；几何分析模型用几何分析的方法，能预测单个或多个散射源的作用，解释衰落机制，但需将结果扩展到实际的复杂情况；概率分布模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作了简化假设。下面基于概率模型来描述卫星移动通信信道的电波传播特性。37Rician概率密度函数由建筑物、树木或其它反射物造成的反射波形成的多径信号，与直射波信号合成，其信号包络r(t)服从Rician分布，相位服从[0,2]的均匀分布，r(t)可以表示为：22(2-11)csrtatKat其中和为相互正交的高斯过程，而参数K称为莱斯因子，它是直射分量的功率与其他多径分量功率之和的比值。catsat38Rician概率密度函数r(t)的概率密度函数为220222()exp2rrrZrZfrI是电压的标准差，2是平均多径功率，I0()是第一类零阶修正贝塞尔函数。Z为直射波分量。定义Rice因子K为直射波功率与平均多径功率的比值，K值反映了多径散射对信号分布的影响。39当信号的直射波分量被树木、输电线或高的地面障碍物所遮蔽时，接收信号的强度r1(t)服从对数高斯条件下的Rician分布，相位服从[0,2]的均匀分布，r1(t)可以表示为221()()(2-12)ccssrtytatytat其中，yc(t)和ys(t)是互为正交的对数高斯过程，其特性由均值和方差2确定。40莱斯信道的莱斯因子K和对数正态莱斯信道的均值和方差2都与用户对卫星的仰角α有关。在农村树木遮蔽条件下，K、和2可用下面的经验公式进行计算:201223012301(2-13)KKKK41经验公式（2-13）中的参数值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.0027740=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.049×10-50=4.51=-0.05不同仰角时接收电平累积分布43接收信号有效性分别为90，95和99%时的余量44多普勒频移在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相对运动，因而它们作为发射机或接收机的载体，接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频移fD可由下式表示其中，V为卫星与用户的相对运动速度，fc为射频频率，C为光速，为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹角。cosCVffcD453.3天线的方向性和电极化问题天线增益和方向图天线增益通常是指最大辐射方向上信号功率增加的倍数，天线方向图可以描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况。方向图的主要参数是主瓣的半功率角θ0.5（单位为度），常称为波束宽度，对于抛物面天线，其近似估算公式为0.5ND其中，D为抛物面天线的口面直径，单位为m；N是一个与场分布图在天线口面上的分布规律有关的常数。当场在天线口面上呈均匀分布时，N=58；当场在天线口面上呈锥形分布时，N=70。锥形分布是指场分布图在天线口面上从中心向四周逐渐减弱的分布，即口面中心的场强最强，而边缘的场强最弱。471sin(2-20)sinDJGθ为以主瓣中心轴线为参考的方向角；而J1()为第一类一阶贝塞尔函数。对于同相均匀激励的圆口径天线来说，方向图可用下式表示泄漏对地面微波系统产生干扰49天线的极化隔离一般情况下，在一个周期内电场矢量的顶点在垂直于传播方向的平面上的投影为一个椭圆，称为椭圆极化。从天线顺着电波传播方向看，若电场矢量顺