第4章1 卫星通信系统

N n0 B kTB

其中，k为波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K； T为噪声源的噪声温度，单位为K。B为系 统带宽为B，单位Hz。
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• 在实际卫星通信中，其内部总是会产生热噪 声或其他噪声。为了链路分析和设计的方便， 把这些噪声统统等效成热噪声来处理，因而 引入等效噪声温度Te的概念。 • 假设网络内部产生噪声为N，如果一个输入 匹配电阻在温度Te时产生的噪声功率刚好等 于N，则Te即为该网络的等效噪声温度。
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地面反射形成的多径传播
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6、系统热噪声 • 热噪声，又称白噪声。只要传导媒质不处于 绝对零度 （-273C），其中的带电粒子就 存在随机运动，产生对信号形成干扰的噪声， 称为热噪声。 • 热噪声是由导体中电子的热震动引起的，它 是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。 热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布， 它是不能够消除的。
Equivalent Isotropic Radiated Power
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(3) 馈线损耗(L)
– 实际的发射装置中，发射机和天线之间有一 段馈线，馈线损耗定义为其输入端功率Pin与 输出端功率Pout的比值。 L=Pin/Pout – 通常用dB为单位，表示为 [L](dB)=[Pin](dBW)-[Pout](dBW)
2
4 2 2 10 lg 10 lg d 10 lg f c 4 3.14 20 lg 20 lg d 20 lg f 8 3 10 92.44 20 lg d 20 lg f
自由空间损耗与传播路径长度的关系
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例：卫星和地面站之间的距离为40,000km。 计算6GHz时的自由空间损耗。 解： L 92.44 20 lg d 20 lg f f
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1 自由空间传播损耗
• 自由空间传播，是指天线周围为无限大真空 时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在 自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所 吸收，也不会产生反射或散射。 • 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。
下图是静止卫星与地球相对位置的示意图。由此可见， 只需三颗等间隔配置静止卫星就可以实现全球通信。
卫星系统的结构
卫星的主要设备包括下列 七大系统
位置与姿态控制系统 ；
天线系统 ；
转发器系统 ；
遥测指令系统 ；
电源系统 ； 温控系统 ； 入轨和推进系统。
推进系统的自旋控制
链路传输工程
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2、 雨衰和云雾雪的影响 • 由降雨引起的电波传播损耗的增加则称为 雨衰。雨衰是雨滴对微波能量的吸收和散 射产生的，并随着频率的增高而加大。通 常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影响不 容忽视。 • 雨衰的大小与雨量大小，以及电波穿过雨 区的有效传输距离有关。 • 为保证可靠通信，在进行链路设计时，通 常先以晴天为基础进行计算，然后留有一 定余量，以保证降雨、下雪等情况仍然满 足通信质量要求，这个余量叫降雨余量。
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• 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不 产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但 是，当电波经过一段路径传播之后，能量 仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而 引起的。 • 电波在传播过程中，能量将随传输距离的 增大而扩散，由此引起的传播损耗称为链 路的自由空间传播损耗。
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• 经电磁场理论推导，自由空间传播损耗Lf为
2
（二）自由空间传播损耗
(4 d )
2
Lf

2
4 2 2 d f c
2
式中，f为电波频率；c为电波传播速度，约为3×108 m/s 。
（二）自由空间传播损耗
用分贝表示自由空间电波传播损耗时，Lf为
L f 10 lg
(4 d )
2
2
2
4 2 2 10 lg d f c
按频段分类
•0.1-0.3（GHz），VHF，移动、导航业务； •0.3-1.0，UHF，移动、导航业务； •1.0-2.0，L，移动业务、指令传输；
•2.0-4.0，S，移动业务、指令传输；
•4.0-8.0 (4/6)，C，固定业务； •8..0-12.0，X； •12.0-18.0 (12/14)，Ku，固定业务； •18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka； •33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。

92.44 20 lg 40000 20 lg 6 200.05 (dB)
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2 链路附加损耗和噪声
• 卫星通信系统涉及空间段和地面段，存在各 种各样的噪声和干扰。信号传播过程中除自 由空间传播损耗外，还有其它一些附加损耗。 1、 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，称为大气吸收损耗。
（二）自由空间传播损耗
自由空间传播损耗
在不考虑发射与接收天线增益的情况下（即Gt、Gr都为1） 发射功率与接收功率之比定义为自由空间传播损耗，记作Lf。 于是有
pt Lf pr
Gt Gr Pt 2 (4 d )
2
pt

(4 d )
2

2
4 2 2 d f c
N kTe B
• Te是一个等效温度，不等于环境的物理温度。
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• 除等效噪声温度外，通常噪声系数也被用来 表示系统的噪声性能。噪声系数定义为：室 温(290K)条件下，网络的输入信噪比和输出 信噪比的比值
Si / N i NF So / N o
• 噪声温度(Te)与噪声系数(NF)的关系为
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自由空间传播损耗计算
于是，若接收机与辐射源（发射机）相隔的距离为d，接
收天线的有效面积为A，则所接收的信号载波功率pr为（假定 辐射源是定向辐射，其天线增益为Gt）
pr pr A Gt Gr Pt 2 (4 d )
2 '
2 A Gr 4
pt Gt pr 2 4 d
'
外逸层500 - 64,374 km
中间层50 - 80 km 平流层
16 - 50 km
对流层
7- 16 km
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卫星通信系统的主要技术参数
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(1)天线增益G
• 卫星通信中所使用的喇叭天线、抛物面天线 等面天线的增益可按下式计算：
Baidu Nhomakorabea
G

4A

2

其中，A为天线口面面积，为波长，为天 线效率，现代卡塞格伦天线的可达 0.75(f=4GHz)或0.65(f=6GHz)左右。
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微波信号通过大气层时产生折射
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4、电离层、对流层闪烁的影响
• 闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波 通过电离层和对流层时，由于该层媒质小 范围折射率不规则的起伏变化，使地面接 收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现 象，这种起伏变化称为闪烁。
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电离层闪烁形成多径传播
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• 电离层闪烁：由电离层内电子密度的随机不 均匀性，可使信号产生折射。主要对较低频 段(1GHz以下)的电波产生明显的散射和折射， 引起信号衰落。 • 对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆 变或湍流运动，引起折射指数的不均匀性， 对电波产生散射。主要影响低仰角和10GHz以 上频率，强度随电波频率的升高而增大 。 • 对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发 等技术来克服衰落，减少闪烁的影响；其它 地区可用适当增加储备余量的方法克服闪烁 的影响。

A•也称为天线的有效接收面积Ae。
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(2) 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。可表示为 EIRP=P· G 或 [EIRP](dBW)= [P](dBW)+[G](dB) 上行链路功率辐射能力通常用等效全向辐射功 率（EIRP）来衡量。
通信卫星的分类
按轨道分：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步 卫星，移动卫星，GEO，MEO，LEO； 按通信范围分类：国际通信卫星，区域性通信卫 星，国内通信卫星； 按用途分类：综合业务通信卫星，军事通信卫星， 海事通信卫星，电视直播卫星，气象卫星等； 按转发能力分类：无星上处理能力，有星上处理 能力；
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O2
H2O
大气吸收附加损耗与频率的关系
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• 如图，总体上看，大气吸收损耗随频率的 增加而加大。由于在22GHz和60GHz处有 较大的损耗峰存在，这些频率不宜用于星地链路，但可用于星间链路。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，正式Ka频段的 “无线电窗口”。
按重量分类
大型卫星，Large，>1000kg，>1亿美元；
小卫星，Small，500-1000kg，0.5-1亿美元； 微卫星，Micro，10-100kg，200-300万美元； 纳卫星，Nano，<10kg，<100万美元； 皮卫星，Pico ，<1kg。
微小卫星，Mini，100-500kg，500-2000万美元；
L (dB) 92.44 20 lg d 20 lg f
f
其中，d为传播距离，单位为km f为工作频率，单位为GHz 传播距离d越远，自由空间路径损耗Lf越 大，当传播距离d加大一倍时，自由空间 路径损耗Lf就增加6dB。 电波频率f 越高，自由空间路径损耗Lf就 越大，当电波频率f 提高一倍时，自由空 间传播损耗Lf就增加6 dB。
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(4) 传输损耗(L)
– 卫星通信中，电波在上行或下行链路中传输 时，会受到各种因素的影响而产生损耗。最 主要的是自由空间传播损耗，此外，还应考 虑大气损耗、天线跟踪误差、极化方向误差 等所产生的损耗。 – 通常用dB为单位。
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(5) 等效噪声温度（Te）和噪声系数(NF)
• 噪声温度是通信接收机中的一个重要概念， 利用它可以衡量接收系统中产生的热噪声 大小。 • 噪声功率为
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热噪声功率
N kTB
k为波耳兹曼常数，1.38×10-23J/K； T为噪声源的噪声温度，单位为K； B为系统带宽，单位Hz 。
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5、多径传播 • 电波在移动环境中传输时，会受到地形、地 物的影响而产生反射、绕射、散射等，从而 使电波沿着各种不同的路径传播，到达接收 天线时，已经成为通过各个路径到达的合成 波，这称为多径传播。 • 各传播路径分量的幅度和相位各不相同，接 收端多径信号可能同相叠加，信号增强，也 可能反相抵消，合成信号被减弱，由此形成 的合成信号起伏不定，称为多径衰落。
[NF]=10lg(1+Te/290)dB
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(6) 品质因数（G/T ）
下行接收系统的性能主要通过品质因数G/T来 体现。 定义：接收天线增益与接收系统总的等效噪 声温度的比值。
[G/T]=[G](dB)-10lgT (dB/K)
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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。
• 概述
• 星地链路传播特性 • 卫星通信全链路质量
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概述
• 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层的各种影响所 确定；
– 卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、 平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，影响 电波传播的因素很多。
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热层（电离层） 80 - 500 km
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降雨衰减系数的频率特性
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3、大气折射的影响 • 在大气层中，离地球表面越高，空气密度 越低，对电波的折射率也随之减小，使电 磁波在大气层中的传播路径出现弯曲。 • 由于折射的影响，这就使得电磁波到达卫 星站 (或地球站 )时偏离了原来的位置。因 此，地球站对准卫星的仰角，卫星的可视 性都与在自由空间时不同且还产生附加损 耗等。相比自由空间传播，波束上翘一个 角度增量。 • 大气折射在低仰角通信时比较严重。