卫星通信ppt课件第3章(xsy).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第三章 链路传输工程,影响卫星通信系统中的电波传播的因素,2,传播损耗,3.1 星地链路的传播特性,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星际链路传送可认为是自由空间传播，星-地之间的传播特性由自由空间和近地大气的传播特性所决定3.1.1.自由空间传播损耗,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,而移动卫星通信则不可避免3,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：,其中：,P,T,为发射功率;,G,T,为发射天线增益;,G,R,为接收天线增益；,L,P,为自由空间传播损耗,4,用分贝表示，则为：,例题：已知,IS-IV,号卫星作点波束1872路运用时，其等效全向辐射功率,EIRP,s,=34.2dBW,接收天线增益,G,RS,=16.7dB。

又知某地球站有效全向辐射功率,EIRP,E,=98.6dBW,接收天线增益,G,RE,=60.0dB,接收馈线损耗,L,FRE,=0.05dB试计算卫星接收机输入端的载波接收功率,C,S,和地球站接收机输入端的载波接收功率,C,E解：若上行工作频率为6,GHz，,下行频率为4,GHz，,距离为，,d=40000km5,上行线路传输损耗为：,Lu=92.44+20lgd(km)+20lgf(GHz),=92.44+20lg40000+20lg6,=200.04dBW,下行线路传输损耗为：,Ld=92.44+20lg40000+20lg4,=196.52,dB W,卫星接收机输入端的载波接收功率为：,Cs=,P,tE,+,G,tE,+G,RS,-Lu=,EIRP,E,+G,RS,-Lu,=98.6dBW+,16.7dBW-,200.04dBW,=-84.74dBW=-54.74dBmW,地球站接收机输入端的载波接收功率为：,C,E,=,EIRP,S,+G,RE,-Ld-L,FRF,=34.2dBW+60.0dBW-,196.52,dB W,-0.05dBW,=-102.37dBW=-72.37dBmW,6,3.1.2.链路附加损耗,1.,大气吸收损耗,在大气各种气体中，氧气、水蒸汽对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在,223,GHz，,氧气在60,GHz(507,0,GHz,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右图是不同仰角时的大气气体总衰减在,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30,GHz,附近也有一个低损耗区7,2、,大气折射的影响,大气折射率随着高度增加、大气密度减小电波射线因传播路径上的折射率随高度变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量而且这一偏移角还因传播途中大气折射率的变化而随时变化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,0,2,dB,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，导致波前到达大口面天线时振幅和相位不均匀分布，引起散射衰落，这类损耗较小示意见书,p32,图3-4,）,8,3.2 卫星移动通信链路特性,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,f,D,可由下式表示:,其中，,V,为卫星与用户的相对运动速度，,f,c,为射频频率，,C,为光速，而 为卫星与用户之间的连线与速度,V,方向的夹角(推导见书,p36)。

9,3.3 天线的方向性和电极化问题,3.3.1 天线增益和方向图,在同一输入功率下,，,某天线在最大辐射方向上的辐射强度与理想的各向同性天线均匀辐射强度的比值，称为,增益,G,（一般以分贝表示，画图）,天线辐射的功率在空间各方向上是不同的，表示这种辐射功率大小在空间的分布图称为天线的方向图，其主要参数是主瓣的半功率角（单位为度），通常称为,波束宽度,除主瓣波束宽度外，还有第一旁瓣、第二旁瓣，以及与主瓣方向相反的后瓣等，统称旁瓣10,3.3.2 极化隔离,天线发射或接收的无线电波极化方向是根据电波的电场矢量的取向来确定的一般情况下，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，称为椭圆极化对于一个椭圆极化波，可以用三个参数来描述它：1、旋转方向（,RH,或,LH）；2、,轴比（长轴与短轴之比）；3、倾角（长轴相对于基轴的倾角）工程上，通常采用圆极化（,CP，Circular polarization）,和线极化（,LP，Linear polarization）,两种极化工作方式它们是椭圆极化的两种特例：轴比为1的极化为圆极化，而轴比为无限大的极化为线极化11,3.4 噪声与干扰,3.4.1 系统热噪声,通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声。

为理解热噪声对系统性能的影响，这里以电路中的一个电阻为例来说明从电阻外部看，其内部电子自由运动产生的能量就像是其两端施加了一个随机起伏的电压,噪声系数,噪声系数,F（,或,N,F,）定义为输入信噪比与输出信噪比之比：,12,1,.,等效噪声温度,T,e,和噪声系数,N,F,卫星通信中，遇到的大部分电路是线性或近似线性的，因此，可以用一个线性网络来描述由于所有器件都会或多或少地产生噪声，这些内部噪声可能是热的也可能不是，而为了分析、设计线路的方便，希望能把它们统统等效成热噪声来处理，因而引人等效噪声温度的概念一个实际有源器件的,等效噪声温度,T,e,定义为：若在该有源器件（本身产生噪声）输人端连接一个无噪声电阻时的输出噪声功率为,N,（,相当于环境温度下该器件新增的噪声功率），则如果把该有源器件看成是理想（无噪声）有源器件，为在其输出端产生相同噪声功率而需要其输人端连接一个噪声温度为,T,e,的电阻，,T,e,称为网络的等效噪声温度这样网络输出端的噪声功率由两部分组成：一部分由网络输入端的匹配电阻产生的噪声所引起（记为,N,io,)，,另一部分为网络内部噪声的贡献,N这样，输出噪声功率为：,13,T,o,是输入匹配电阻的噪声温度，在输出端产生的噪声为上式第一项，第二项为网络内部噪声在其输出端的贡献。

噪声系数为：,14,2.级联网络的等效噪声温度,卫星通信接收机是由天线、馈线、低噪声放大器、混频器等一系列网络级联组成的.假定级联的,n,个网络的增益和等效噪声温度分别为 和 并认为,n,个网络的等效噪声带宽,B,都相同，可得1、2、，,n,级网络输出噪声功率分别为：,kB,(T+Te,1,)A,1,kB,(T+Te,1,)A,1,A,2,+kBTe,2,A,2,kB,(T+Te,1,)A,1,A,2,An+kBTe,2,A,2,A,3,An+,kBTen,其中,T,为输入端噪声温度参见书,p41,附页,）,15,如果用表示,n,个网络级联后的等效噪声温度，则,n,级网络输出噪声功率可表示为：,其中 表示,n,个网络级联后的总等效噪声温度：,16,例题1(3-9),天线噪声温度为35,K，,与之匹配的接收机噪声温度为100,K计算,（,a）,噪声功率谱密度,（,b）,带宽为36,MHz,的噪声功率,解,：总的等效噪声温度,T,等于各网络的等效噪声温度之和a）n,0,=,kT,=1.3810,-23,(35+100)=1.8610,-21,J,(b)P,N,=n,0,f=1.8610,-21,3610,6,0.067pW（,皮瓦）,17,例题2(3-10),LNA,与一个接收机相联，接收机的噪声系数为12,dB，LNA,增益为40,dB，,噪声温度120,K。

计算,LNA,输入的全噪声温度(总等效输入噪声温度）解：环境温度为,T,0,=,290K，N,F2,=,12,dB15.85，,因此接收机的等效噪声温度为：,T,e2,=(N,F2,-1)T,0,=(15.85-1)2904306K,增益,A,1,=40dB,相当于10000，,LNA,输入的全噪声温度,为：,T,in,=Te,1,+Te2/A,1,=120+4360/10000=120.43K,18,3.4.2 宇宙噪声及其他干扰,宇宙噪声源自外层空间，是由恒星和星际物质的热气体辐射的平均宇宙噪声功率随着频率的增加而下降，当频率高于,1,GHz,时，宇宙噪声功率可以忽略在天空中的某些部分，其噪声功率非常低（有时称为“冷空”）；而在其他地方则相对较高（称为“热空”）天空中也存在一些离散的高强度的点噪声源（即通常所说的“射电星”）太阳的噪声温度也与太阳的状态有关，当处在太阳黑子活跃期时约会增加 10,2,10,4,K在春分和秋分前后，所有地球站天线的主瓣都会直接对着太阳，因此天线噪声温度会大大增加，造成通信中断，这就是所谓的“,日凌中断,”其他干扰见书,P43,19,3.5 卫星通信全链路质量,(1)天线的增益和波束宽度,卫星通信中，一般使用定向天线，它把电磁能量聚集在某一方向辐射。

定向天线增益,G,的定义为,上式中，,G,用分贝为单位时，除用(,dB),符号外，还有的用(,dBi,),的符号，以示相对于无方向性,(,各向同性)天线而言卫星通信中使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增益可按下式计算：,式中，,A,为天线口面面积（,m,2,）;,为工作波长（,m）；,为天线效率f,为以,GHz,为单位的载波频率，,D,为天线口径（,m）现代卡塞哥伦天线的,可达0.75(,f=4GHz)、0.65（f=6GHz）,左右抛物面天线波束的半功率点宽度,0.5,近似为,20,式中，,D,为抛物面天线主反射器的口面直径(,m），,由此可见天线直径越大，其方向性越好例题,口径为3,m,的抛物面天线，工作频率12,GHz，,天线效率为0.55，计算该天线增益解：,G=,=0.55（10.472123）,2,7816848.9dB,21,(2),有效全向辐射功率,卫星通信中，常常用有效全向辐射功率,EIRP(,或,e.i.r.p),来代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力它指的是天线所发射的功率,P,T,与该天线增益,G,T,的乘积，即,EIRP,P,T,G,T,(W),它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率它比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大,G,T,倍，名称上。

有效”也就是这个含义例题：卫星下行链路工作在12,GHz，,有6,W,的发射功率，天线增益48.2,dB计算以,dBW,表示的,EIRP,值解：,EIRP=10log6+48.2=56dBW,22,(3)接收系统性能因数,GT,为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的,裁噪比(信噪比）,当工作频率、信号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗,L,以及接收系统的噪声等效带宽,B,n,也就基本确定，这样，载噪比就决定于发端的,EIRP,及收端的,G,T,我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比,G,T,的分贝值，称为接收系统,性能因数,或,品质因数,23,(4)载噪比,解调器输出的被恢复的基带信号质量的好坏，通常模拟制用信噪比（,S,N）、,数字制用误码率（,P,e,）,或误比特率（,P,b,）,作为最基本的度量而其好坏，在设备一定的条件下，。