1、第四章 卫星链路设计v星地传输方程v卫星通信系统中的传播效应v卫星移动系统信道模型v系统噪声温度v链路预算第4章 卫星链路设计p传输方程：描述发送地球站发送的射频功率与接收地球站接收到的射频功率、传输频率和发射机到接收机距离间的关系1 星地传输方程p接收功率通量密度1 星地传输方程全向天线下通量密度方向性天线下通量密度有效全向辐射功率p传输方程1 星地传输方程无附加损耗的传输方程：接收功率接收天线口径面积接收天线效率RA路径损耗p传输方程1 星地传输方程有附加损耗的传输方程1 星地传输方程例4：已知IS-IV号卫星作点波束1872路运用时，其有效全向辐射功率EIPR=34.2 dBW，接收天线
2、的增益=60.0 dBi。接收馈线损耗=0.5 dB，其他损耗忽略时，试计算地球站接收机输入端的载波接收功率。解：若下行链路工作频率为4 GHz，距离d=40000km，下行链路自由空间传播损耗为 地球站接收机输入端的载波接收功率为2 传播效应p 卫星与地面间信号传播路径2 传播效应p许多现象都会导致通过地球大气层传输时的信号损耗，包括：与水汽凝结有关降雨衰减雨和冰晶去极化与水汽凝结无关大气吸收云层衰减对流层闪烁法拉第旋转电离层闪烁除了电离层效应以外，几乎所有的传播效应都随频率的升高而越来越剧烈2 传播效应p 降雨衰减 对于10GHz以上频率，雨衰是最重要的损耗；通常是Ku和Ka频段卫星链路设
3、计中的限制因素；当电磁波穿过降雨区域时，雨滴会对电波产生吸收和散射，导致信号幅度的衰减；雨衰几乎完全是由吸收引起的；雨衰产生的机理 从雨衰产生的机理可以得到雨衰减大小与雨滴半径和波长比值有密切的关系，当电波的波长可以和雨滴的尺寸相比拟时，将引起雨滴共振，产生最大的雨衰。2 传播效应与水汽凝结有关p 雨衰估计 信号沿一条倾斜路径穿过大气层，在一路上遇到不同类型和不同强度的降雨。沿一条到卫星路径所测得的衰减与在地面站处测得的降雨率之间不存在即时关系。降雨率的长期累积统计与倾斜路径衰减的长期统计之间有很强的统计联系。2 传播效应与水汽凝结有关p为规划适当的链路裕量，需要计算对一给定时间百分比预测的降
4、雨衰减p预测模型主要有三个步骤：确定所关心的时间百分比内的降雨强度；计算信号在该降雨强度下以dB/km为单位的单位衰减；求出受此单位衰减作用的路径有效长度。p预估计雨衰减的方法 物理方法：路径衰减是路径沿线上遇到的雨点所造成的单个降雨衰减增量的一个积分；预测模型：计算雨中有效路径长度Leff的半经验近似方法，在这个有效路径上假设降雨率不变。2 传播效应与水汽凝结有关p被广泛使用的衰减模型：Crane模型、简单衰减模型(SAM)、Dissanayake Haidara All-nutt(DAH)模型：讲述。以及几个由CCIR和ITU-R发布的模型。ReffAL单位衰减 雨中的有效路径长度p路径衰
5、减 A 由下式给出：2 传播效应与水汽凝结有关p单位衰减与降雨率R 之间的关系R0.01()dB/kmk RR的下标0.01表示一般年份0.01%的时间内测得的降雨率，0.01%是大多数模型的一个典型的输入时间百分比；参数k和a随频率而定。p 降雨率：雨下落的速率 是影响卫星链路设计最重要的因素；由一个累积概率分布或累积分布函数(cdf)来描述：通常指超过率曲线 给出降雨率超过某一给定值（通常是一年）的时间百分比；每年趋势相似，但具体衰减变化很大；在ITU站点上定期更新。不精确l 可以用如下多年测得的平均值作为长期统计资料：降雨气候图；超过率等值图。2 传播效应与水汽凝结有关p降雨衰减和去极化
6、的发生：雨点将入射的能量吸收一部分，同时散射一部分。其中 Dm 为雨点直径中值，N(D)dD 为每立方米中直径在 D 与 D+dD mm 间的雨点数。p降雨率R：与N(D)、以米每秒为单位的雨点下落终端速度V(D)和雨点直径D有如下关系：p雨点尺寸分布的数学描述：2 传播效应与水汽凝结有关p 雨衰预测 在已有某地长期衰减数据的前提下：将测量结果按比例换算到另一频率或仰角，将比从降雨率数据预测新的频率或仰角上的路径衰减要更准确一些p 经验法则 余割法则：假设降雨率不变且地球是平的，则以分贝为单位的路径衰减与仰角有一个比例关系；平方变化率法则：在约10GHz50GHz之间，单位为分贝的衰减随频率的
7、平方成比例变化。余割csc()=1/sin()2 传播效应与水汽凝结有关p 余割法则：（仰角小于10o这个法则不成立）从同一地点出发，在相同频率上仰角E1 和E2 方向上的衰减（以分贝为单位）有如下近似关系：p 平方频率变化法则假设同一条路径上在f1 GHz和f2 GHz频率上测得的衰减为A(f1)和A(f2)则它们有如下近似关系：这个公式建立起了长期统计值之间的联系，它不能用于链路上的短期频率变化或是靠近任何共振吸收线的频率。p ITU-R雨衰长期频率变化2 传播效应与水汽凝结有关p去极化:例如由于雨和冰晶引起 所有信号都有一个由信号电场矢量所定义的极化取向。一般来说，信号永远不会被完全极化
8、；成功的正交极化频率共用要求两个正交极化状态之间有足够的隔离区，以便在接收天线处分离有用极化（共极化信号）和无用极化（交叉极化信号）成为可能。左侧喇叭天线的取向使得电矢量被垂直极化右侧喇叭天线的取向使得电矢量被水平极化p去极化引起的衰减去极化引起的衰减：电磁波与大气中的各自组成成分间的相互作用 包括自由电子、离子、中性原子、分子和水汽凝结体p去极化：能量从有用信道（即共极化）到无用信道（即交叉极化）信道的转移 降雨也是引起去极化的一个主要原因。2 传播效应与水汽凝结有关V：垂直极化H：水平极化V极化和H极化的发射电场矢量的复矢量振幅分别为a和b，且a和b相等。晴天：矢量a、b分别在接收天 线处
9、引起振幅为ac和bc的共极化波；传输媒质中存在着非对称雨或冰晶微粒：矢量a、b中的有些能量将会耦合到交叉极化分量场上，在接收天线处引起振幅为ax和bx 的交叉极化波。2 传播效应与水汽凝结有关p去极化 由于传播路径中存在着非对称微粒(例如扁圆的大雨滴)，一个极化信号中的部分能量可能会“跨越”到另一个极化信号；这种交叉能量的产生称为去极化，它能够在两个相互正交的信号间引起干扰。去极化的度量 交叉极化隔离，即XPI(Cross-Polarization Isolation):XPIV=ac/bx or XPIV=20 lg|ac/bx|dB XPIH=bc/ax or XPIH=20 lg|bc/
10、ax|dB 交叉极化分辨力，即XPD(Cross-Polarization Discrimination):XPDV=ac/ax or XPIV=20 lg|ac/ax|dB XPDH=bc/bx or XPIH=20 lg|bc/bx|dB2 传播效应与水汽凝结有关p 冰晶去极化 在高仰角和10GHz以下频率上，冰晶去极化是很少出现的现象。在低仰角路径，特别是高于30GHz的频率上，冰晶去极化是非常重要的影响。/4.34b280(1 e)ATKp 雨对天线噪声的影响 在约50GHz以下的频率上，降雨衰减主要是由吸收引起的。任何物理温度大于热力学零度的吸收体都将表现为一个黑体辐射体。当雨滴下落
11、穿过天线波束时，它们各向同性辐射的部分热能将会被接收机检测到 降雨不仅引起信号衰减和去极化，而且还将引起天空温度的升高，这又将会增大系统的总噪声温度，导致雨中载噪比有所下降。噪声温度升高值：其中A（dB）为降雨衰减，而280 K是降雨媒质一个单位为K的有效温度，273-290 K间的值都可用，取决于是寒带或是热带气候。2 传播效应与水汽凝结无关p大气吸收 在微波频率及其以上，电磁波会与大气中的分子相互作用从而造成信号衰减；共振吸收峰：在某些频率上，会发生共振吸收并且可能导致严重的衰减。2 传播效应与水汽凝结无关p云层衰减 云对于某些Ka频段路径和所有V频段系统来说，都是一个重要的因素；对云层衰
12、减进行建模的困难在于云有许多种类并且可能存在于许多层上，每一种类都有着一个不同的出现频率；对充水云而言：温带纬度范围内仰角接近30o的路径上于30GHz频率附近的云层衰减的典型值在1dB2dB之间；在更温暖的气候里，这里的云层通常更厚，出现的概率比温带纬度内的更大，云层衰减预计也会更大；同大多数传播效应一样，路径的仰角越低，云层衰减也就越大。2 传播效应与水汽凝结无关p对流层闪烁 来自太阳的能量使地球表面温度升高，气体发生对流活动，这导致地球附近大气的不同部分紊流混合，引起折射率的小尺度变化。当信号遇到紊流大气时，沿该路径的折射率的快速变化会使接收信号电平在一个恒定值附近波动，称为闪烁。因为大
13、多数波动都产生于距地球表面4km以内，所以称为对流层闪烁。2 传播效应与水汽凝结无关p低角度衰落 当路径仰角降到低于10o 时，另一种传播效应就会变得明显：低角度衰落；低角度衰落与陆上通信路径中的多径衰落现象近似。从卫星传送来的一个信号会经过不同路径并以不同相移到达地面站接收天线。在合并时，合成波形可能会自一般晴天时的水平增强或减弱；低角度衰落的机理已经被解释为大气多径，而形成多径的机理是一种折射，而不是在大气层分界线处的反射；对于卫星通信路径来说，当其仰角大于10o时，一般不考虑低角度衰落。2 传播效应与水汽凝结无关p 法拉第旋转：两种特征极化态：水平（H）和垂直（V)当一个线性极化的卫星路
14、径信号到达电离层时，它会激励具有两种特征极化态的波。当它们离开电离层时，它们的相对相位与进来时已经不同；离开电离层的波具有一个与被发射线性（LP）波不同的极化态，称为法拉第旋转。它的影响本质上是给发射的LP波的场矢量旋转一个角度p 电离层：是地球大气中含有大量电子和离子的部分 从距地面40千米延伸到600千米以上 对大多数通信卫星所使用频率的影响较小。2 传播效应与水汽凝结无关p总电子含量（TEC）1m2中的垂直柱体中的电子总数 来自太阳的能量使电离层在白天里不断地“生长”，同时使总电子含量（TEC）以尺寸的二次方或更高次的幅度增长；p电离层闪烁：TEC从日间到夜间值的快速变化会引起电离层中的
15、不规则性。进而造成信号幅度和相位的快速变化，即信号快速波动，称为电离层闪烁；电离层闪烁的大小随着一天中的时间，一年中的月份以及11年的太阳黑子周期中的年份变化。3 卫星移动系统信道模型p C.Loo信道模型 表示直射波信号 表示纯多径信号 表示阴影衰落系数 z t d t s tp Corazza模型p Lutz信道模型和M状态信道模型Suzuki 过程是一个瑞利过程和一个对数正态过程的乘积过程。4 系统噪声温度p噪声功率p噪声功率谱kTs：单位为W/Hz 当频率为300GHz以下时，不随频率值变化而变化p噪声温度Ts：用来确定接收系统中有源和无源器件产生的噪声大小或-228.6dBW/（KH
16、z）4 系统噪声温度p等效噪声温度：将元器件等效为一个等效噪声温度为Ts的黑体辐射体p降低噪声功率的方法 调整中频放大器的级数，使带宽降低到信号恰能无阻通过p噪声温度会随频率的增加而增加 物理温度与噪声温度的区别4 系统噪声温度p 确定系统的热噪声总功率和待解调信号功率之比，假设：Ts：位于无噪声接收机输入端的噪声温度Bn：带宽Gr：接收机RF输入端到解调器输入端的增益p 接收机输入端的噪声功率：p 解调器输入端的噪声功率：p 解调器输入端的载噪比：p C/N在天线输出端就可以计算了！p 利用单一参数表示接收端所有噪声源：单个噪声温度4 系统噪声温度p放大器的噪声温度噪声系数 单放大器噪声温度
17、噪声系数与噪声温度间关系4 系统噪声温度 级联放大器噪声温度噪声系数：两个情况：多个情况：4 系统噪声温度p 描述噪声经过有损介质到达接收机的情况 波导和降雨 衰减辐射噪声 噪声功率和辐射强度有关p 有损器件的噪声模型4 系统噪声温度p无源器件的噪声温度FL 输入端的噪声 输出端的噪声增益为G器件或物质温度为T0（热力学温度）有损器件的噪声模型4 系统噪声温度p接收系统品质因素/G T接收系统的品质因素是用来衡量接收系统性能的指标，其中G指接收定向天线相对于全向天线获得的增益，T是接收到的外部噪声以及天线噪声加在一起的等效噪声温度。p链路方程p利用G/T来表示卫星或地面站性能的提高，即提高C/
18、Np 载波功率与等效噪声功率谱密度的比值关系5 链路预算p链路预算：通过查表估计无线链路中接收功率和噪声功率采用dB的表示形式；加减运算反复过程p考虑链路最差的情况：C/N最小地面站位于卫星距离最远地面站仰角很低：大气衰减大最大雨衰5 链路预算模拟卫星p上行链路预算（1）卫星饱和功率通量密度（2）卫星输入补偿后的EIRP（3）地球站高功放功放与天线间损耗5 链路预算模拟卫星p 下行链路预算（1）输出补偿（2）卫星TWTA的输出5 链路预算数字卫星p误码率pC/Np 门限余量5 链路预算完整链路预算p基带信号的BER或S/N 位于IF放大器中的C/NpIF放大器中的噪声：接收机热噪声 大气辐射和
19、降雨产生的噪声 接收机本身 接收天线 卫星转发器 同频段其他卫星和地面发射机p总载干比：将C/N和C/I相加的方法（结果与基准电路法相同）5 链路预算完整链路预算p 总载噪比p 最优输入功率5 链路预算完整链路预算p 地面站接收机的(C/N)D为15dB，来自弯管转发器信号的(C/N)U15dB。地面站处的总载噪比(C/N)0是多少？若转发器引入了交调干扰，即(C/I)20dB，则地面站的总载波比(C/N)0是多少？p 解：5 链路预算完整链路预算p转发器的影响p降雨时上下行链路衰减（1）上行链路衰减若转发器工作在线性模式下若采用非线性转发器若采用数字正反馈转发器（2）下行链路衰减（3）总载噪
20、比为：有用信号功率的损耗噪声功率增量5 链路预算完整链路预算p 单工卫星通信链路的设计步骤可归纳为以下十步，双工系统的另一对链路可参照相同的步骤进行设计。（1）确定系统的工作频段。通常利用比较设计来帮助选择频段。（2）确定卫星的通信参数。估计未知参数值。（3）确定发射地面站和接收地面站的参数。（4）从发射地面站开始，建立上行链路预算和转发器噪声功率预算，从而确定转发器内的C/NU（5）根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率。（6）建立接收地面站的下行链路功率和噪声预算。计算位于覆盖区边缘的地面站的C/ND和C/N0（7）计算基带信道的S/N或BER。确定链路裕量。（8）估计计算结果，并与规定性能进行比较。根据需要调整系统参数，直到获得合理的C/N0或S/N或BER。该过程可能要反复进行数次。（9）确定链路工作所要求的传输条件。分别计算出上行链路和下行链路的中断时间。（10）若链路裕量不够，可通过调整某些参数，对系统重新设计。最后，检验所有的参数是否都符合要求，及设计是否可以按照预算正常工作。C l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .
