第2章 链路传输工程

地大气的各种影响所确定
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卫星通信导论 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。
外逸层（Exosphere） 500 - 64,374 km
热层（热电离层）（Thermosphere） 80 - 500 km
中间层（Mesosphere）
的方法克服电离层闪烁的影响。
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卫星通信导论
电离层闪烁形成多径传播
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卫星通信导论
图2-8
地面反射形成的多径传播
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卫星通信导论
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。
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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卫星通信系统的主要技术参数
卫星通信导论
• 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)= P(dBW)+G(dB) • 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 • 品质因素（G/Te） 定义：天线增益与噪声温度的比值。 G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)
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卫星通信导论
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
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卫星通信导论
天线增益的计算公式
卫星移动通信系统中的天线增益可以按下式进行计算：
G 4 A

2

4

2
Ae
(2-3)
G
4 A
2
4 f 2 A 2 C
(2-3)式中，A是天线口面的有效面积(m2)，是工作波 长（m），为天线效率，Ae为接收天线有效面积。 其中=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。
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卫星通信导论
例一 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
G 4 A

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

2
2
3 0.55 2 (dB)
8
2
G 10 lg G 42.9
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卫星通信导论
例三
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），
Gt Pt P (W/m2 ) 4 d 2
'' r
(2-1)
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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卫星通信导论
大气吸收附加损耗与频率的关系
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卫星通信导论
链路附加损耗
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· (θ) lR 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。
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:
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卫星通信导论
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
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卫星通信导论
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。
50 - 80 km
平流层（Stratosphere）
16 - 50 km
对流层（Troposphere）
7- 16 km
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卫星通信导论
卫星通信系统的传播问题 传播问题 衰减和天空噪声增加 信号去极化 折射和大气多径 信号闪烁 物理原因 大气气体、云、雨 雨、冰结晶体 大气气体 对流层和电离层折射扰 动 主要影响 大约10GHz以上频率 C和Ku频段的双极化系 统（取决于系统结构） 低仰角跟踪和通信 对流层：低仰角和 10GHz以上频率 电离层：10GHz以下频 率 卫星移动业务
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卫星通信导论
图2-6 不同仰角时的雨衰频率特性
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卫星通信导论
降雨衰减系数γ R的频率特性
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卫星通信导论
降雨地区的等效路径长度
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卫星通信导论
链路附加损耗
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。
图2-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系
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卫星通信导论
图2-4 静止卫星与地球站的通信距离关系曲线
wenku.baidu.com
d 42238 1.023 0.302 cos cos
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卫星通信导论
有关链路计算的公式
自由空间传播损耗 功率密度 接收信号功率
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卫星通信导论
图2-7 微波信号通过大气层时产生折射
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链路附加损耗
4、电离层闪烁和多径
卫星通信导论
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
(2-8)
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卫星通信导论 例二
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（2-8），
L f 92.44 20lg d 20lg f (dB)
(2-8)
Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46 (dB)
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(2-4)
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卫星通信导论
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
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卫星通信导论
链路附加损耗
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，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。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。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。
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卫星通信导论
接收信号功率的计算公式
若接收信号的有效接收面积为A· ，则接收到的功率为：
GT P T PR P A A 2 4 d
'' r
若用接收天线增益（式2-3）来表示，上式可以改写为：
GR 4 A

2

4

2
Ae
(2-3)
2
P GT P GR R T 4 d
2
(2-11)
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
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卫星通信导论
功率密度的计算公式
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。可以表示为（2-1） 式。
Gt Pt P (W/m2 ) 4 d 2
'' r
(2-1)
（2-1）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。
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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卫星通信导论
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
空间传播损耗。
Lf 4 d
2
4 df c
2
(2-5)
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
L f 92.44 20lg d 20lg f (dB)
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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。
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卫星通信导论
图2-1 以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量
Pt Pr ' 4 d 2
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卫星通信导论
卫星通信导论
第2章 链路传输工程
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卫星通信导论
提要
一、星-地链路传播特性 二、卫星移动通信链路特性 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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链路传播特性
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