2011-9第4章_卫星通信系统2_ 链路传输工程

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图2-6 不同仰角时的雨衰频率特性
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降雨衰减系数的频率特性
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降雨地区的等效路径长度
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3、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。
外逸层（Exosphere） 500 - 64,374 km
热层（热电离层）（Thermosphere） 80 - 500 km
中间层（Mesosphere）
50 - 80 km
平流层（Stratosphere）
16 - 50 km
对流层（Troposphere）
7- 16 km
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提要
本章首先讨论信号传播过程中受到的各种损耗，然后 讨论链路中的各种噪声、干扰和链路传输质量问题。 一、星-地链路传播特性 二、卫星移动通信链路特性
2
(2-4)
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例2：计算频Байду номын сангаас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 G
4 A

2
4 f C2
9
2
A
G
4 6 10
3 10
8

2
2
3 0.55 2 (dB)
A r 2
12
2
G 10 lg G 42.9
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大气吸收附加损耗与频率的关系
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2、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。
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。
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。
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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
• 定义：功率密度（功率通量密度）是指发射功率 经过空间传播到达接收点后，在单位面积
内的功率。
• 计算过程： 第一步：各向同性辐射源的通量密度 第二步：发射端采用定向天线的通量密度
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各向同性辐射源的通量密度
各向同性辐射源：能量是向周围均匀扩 散，是一种理想化的辐射源；各方向辐 射的总功率PT . 在半径为d（卫星离地面的距离）的球 面上（其面积4d2)的功率通量密度，即 单位面积上的功率Pr’：
d为传播距离，为工作波长，C为光速，f为工作频率。 Lf 通常用分
贝表示，当d用km、f用GHz表示时，又可以表示为：
4 d 4 df Lf c
2
2
(2-5)
[L f ] 10lgL f 92.44 20lg d 20lg f (dB)
三、天线的方向性和电极化问题
四、噪声与干扰 五、卫星通信全链路质量 六、信道对传输信号的损害 七、上、下行链路的RF干扰
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一、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。
• 实际天线的接收功率：
PR P Ae
" r
-- Ae: 接收天线的有效接收面积=A〃（实际物理面积与天线效率的乘积） -- 为何不用理想接收天线面积A来计算接收功率？ 因为入射到天线孔径上的能量中，一部分能量会被反射到自由 空间中，一部 分能量会被有损元件吸收。利用Ae可以说明效率降低的程度.
理想接收天线 面积A
PT P 4d 2
' r
( 2 1)
图2-1 以确定的天线面积在不同 距离上接收辐射能量
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发射端采用定向天线的通量密度(1)
• 实际天线一般是有向天线，即在某方向的辐射功率大于其 它方向的辐射功功率，并用“天线增益”表示其方向性。 • 天线增益定义：每单位立体角在方向的辐射功率和每单位 立体角平均辐射功率的比值。通常以辐射功率最大的方向 作为的基准。 • 发射端采用定向天线的通量密度：
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Rician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：
r t ac t K as2 t
2
(2-11)
GT P T PR P A A 2 4 d • 若用接收天线增益(2-3)式来表示，上式可以改写为：
'' r
-- GR: 接收天线增益。
GR
4 A

2

4

2
Ae
(2-3)
是工作波长（m），其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)
P GT P GR R T 4 d
r1 t yc (t ) ac t ys (t ) as t
2
2
(2-12)
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。 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 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:
3.自由空间传播损耗计算公式
• 电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球 面上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增 益，那么到达接收点的信号功率为：
P GT GR P T R Lf
其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益；
Lf 为自由空间传播损耗。
其中ac t 和as t 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。 r(t)的概率密度函数为
r 2 Z 2 rZ f r (r ) 2 exp I0 2 2 2 r
反射多径和阻塞
地球表面及表面上物体
传播延迟、变化
对流层和电离层
精确的定时、定位、 TDMA系统
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二、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。 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。
(2 8)
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例3: 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 20lg d 20lg f (dB) Lf = 92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)
(2-8)
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图2-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系
例1: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（2-2），地面站的功率密度为
GT PT 104.94 Pr'' 4.33 (pW/m 2 ) 4 d 2 4 3.1416 40000 1000 2
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2.接收信号功率的计算公式
GT PT P (W / m) 2 4d
" r
(2 2)
（2-2）式中，PT为天线的发射功率（W)，
GT为发射天线的增益，
d为自由空间传播距离。
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发射端采用定向天线的通量密度(2)
-- (2-2)乘积项PT GT 通常称为等效全向辐射功率或EIRP -- 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。 表明了定向天线 在最大辐射方向实际所辐射的功率。 EIRP=P〃G,或 EIRP (dBW)= 10log(PG)=P (dBW) + G (dB)
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图2-4 静止卫星与地球站的通信距离关系曲线
d 42238 1.023 0.302cos cos
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链路附加损耗
大气吸收损耗 雨衰 大气折射的影响 电离层闪烁和多径