第2章 链路传输工程

8
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 = 4π A
λ
2
4π f η = C 2
9
2
Aη
2
G =
4π × ( 6 × 10
[G ] = 10 lg G
(3 × 1 0 )
8
)
2
2
3 × π × 0.5 5 2
= 4 2.9 (d B )
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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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 ' = 4π d 2
(2-1)
11
图2-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系
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图2-4 静止卫星与地球站的通信距离关系曲线
21
大气吸收附加损耗与频率的关系
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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·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。
d = 42238 × 1.023 − 0.302 cos ϕ ⋅ cos θ
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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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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：
3
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 地大气层的各种影响所确定
4
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） 外逸层（Exosphere） 500 - 64,374 km
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图2-6 不同仰角时的雨衰频率特性 (10mm/h，有效性表明超过图示曲线标明雨衰数 ， 值的概率为0.5%) 值的概率为
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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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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。
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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/m 2 ) 4π 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。
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例三
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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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 精确的定时、定位、 TDMA系统
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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t)可以表示为：
r ( t ) = ac ( t ) + K + as2 ( t )
2
(2-11)
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图2-7 微波信号通过大气层时产生折射
28
链路附加损耗
4、电离层闪烁和多径
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 储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。
7
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= 4π A
λ
2
η=
4π
λ
2
Ae
2
(2-3)
G =
4π A
λ
2
4π f η = C2
Aη
(2-3)式中，A是天线口面的有效面积(m2)，λ是工作波 长（m），η为天线效率，Ae为接收天线有效面积。 其中λ=c/f，c为光速，取值为3*108(m/s)。
σ是电压的标准差， σ2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 π]的均匀分布，r1(t)可以表示为
PR
PT G T G = L f
R
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。
L 4π d = λ
2
f
4π d f = c
2
(2 -5 )
d为传播距离，λ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
第2章 链路传输工程
1
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
2
卫星通信工作频段的选择
•工作频率选择考虑:系统的通信容量,质量,可靠性,设备实现的复杂 性和成本,与其它通信系统的协调. 卫星通信工作频段的选择，通常 要从以下几个方面来综合考虑: (1) 到外层空间，要穿出电离层、电波传播损耗 损耗要小。 损耗 (2) 收到外界附加噪声 噪声应可能的小。 噪声 (3) 较宽的可用频带，尽可能增大通信容量 容量。 容量 (4) 合理使用无线电频谱，防止与宇宙及地面通信系统之间(微波 中继通信系统、雷达系统等)产生相互干扰 干扰。 干扰 (5) 充分利用现有通信技术和设备以及与现有通信设备配合使用。 (6) 设备重量要轻，耗电要小。 •微波频段：2.5/2.69，4/6，11/14, 20/30GHz等到更高频段 (275GHz)。
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/m 2 ) 4π d 2
'' r
(2-1)
地面站的功率密度为 GT PT 104.94 = = 4.33 (pW/m 2 ) Pr'' = 4π d 2 4 × 3.1416 × ( 40000 × 1000 )2
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反射多径和阻塞 传播延迟、变化
地球表面及表面上物体 对流层和电离层
卫星通信系统的主要技术参数
• 等效全向辐射功率（EIRP—Equivalent Isotropically Radiated Power） 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)
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 σ 2σ σ r
L f = 92.44 + 20 lg d (km) + 20 lg f (GHz)
(dB)
(2-8)15
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 + 20 lg d + 20 lg f (dB)