电子科大 链路传输工程(课件)
合集下载
电子科技大学通信原理(李晓峰版)课件第4章_数字基带传输.
27/196
注意：数字信号的 PSD 取决于 脉冲形状 幅度随机序列的统计特性
为了分析方便，可把数字基带信号的形成分为两步： 1、线路编码 2、波形形成
bn
二元符 号序列
M元符 号序列
gT t
线路编码
an
波形形成
st
an gT t nTS
an t nTS
Rs 1/ Ts symbol / s （或 baud ）、（或 Bd ）
（2）比特率（Bit rate）：每秒传送的比特数目
Rb kRs Rs log2 M (bps)
单位: bits/s b/s bps
Ts kTb 与
Rs Rb / K
M 2k
相同比特率的代码序列用不同元数的数字基带信号传，则符号速率不同。
2 a
E
an2
ma2
则
Ps
(
f
)
2 a
Ts
GT
(
f
)
2
ma2 Ts2
k
k
GT
Ts
2
f
k Ts
( 4.2.2 )
证明：
Ra (k) E anank
2 a
ma2
ma2
k 0 k 0
( 4.2.4 )
于是，
将式 (4.2.6) 代入式 (4.2.1) 可得式 (4.2.2)
Ps
(
f
)
1 Ts
GT ( f ) 2 Pa ( f )
( 4.2.1 )
电子科技大学-数字通信课件整理版
同相分量 正交分量
18
2.1 带通与低通信号的表示
xl (t ) xi (t ) jxq (t )
ˆ(t )sin 2 f0t ] xi (t ) [ x(t )cos 2 f0t x
ˆ(t )cos 2 f0t x(t )sin 2 f0t ] xq (t ) [ x
其中：
2 rx (t ) xi2 (t ) xq (t )
代入 x(t ) Re rx (t )e j 2 f0t x ( t )
(t ) tan 1
xq (t ) xi (t )
19
x(t ) rx (t )cos[2 f0t x (t )]
极坐标表达式
本节目的：
希望将所有带通信号与系统简化为等效低通信号，这样可以 大大简化带通信号的处理。
14
2.1 带通与低通信号的表示
理论依据：
实信号x(t)的傅里叶变换特性：
X ( f ) X ( f )
*
X ( f ) X ( f )
X * ( f ) X ( f )
幅度偶对称 相位奇对称
低通变为带通 的处理过程 —— 调制
调制器
21
2.1 带通与低通信号的表示
ˆ(t )]e j 2 f0t xl (t ) x (t )e j 2 f0t [ x(t ) jx ˆ(t )sin 2 f0t ] j[ x ˆ(t )cos 2 f0t x(t )sin 2 f0t ] xl (t ) [ x(t )cos 2 f0t x
n sin2wt n / 2w s(t ) s 2w 2wt n / 2w n
Hartle数据） 结论： 当最大的信号幅度限于Amax，且幅度分辨率为Aδ时，存 在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。
18
2.1 带通与低通信号的表示
xl (t ) xi (t ) jxq (t )
ˆ(t )sin 2 f0t ] xi (t ) [ x(t )cos 2 f0t x
ˆ(t )cos 2 f0t x(t )sin 2 f0t ] xq (t ) [ x
其中：
2 rx (t ) xi2 (t ) xq (t )
代入 x(t ) Re rx (t )e j 2 f0t x ( t )
(t ) tan 1
xq (t ) xi (t )
19
x(t ) rx (t )cos[2 f0t x (t )]
极坐标表达式
本节目的：
希望将所有带通信号与系统简化为等效低通信号，这样可以 大大简化带通信号的处理。
14
2.1 带通与低通信号的表示
理论依据：
实信号x(t)的傅里叶变换特性：
X ( f ) X ( f )
*
X ( f ) X ( f )
X * ( f ) X ( f )
幅度偶对称 相位奇对称
低通变为带通 的处理过程 —— 调制
调制器
21
2.1 带通与低通信号的表示
ˆ(t )]e j 2 f0t xl (t ) x (t )e j 2 f0t [ x(t ) jx ˆ(t )sin 2 f0t ] j[ x ˆ(t )cos 2 f0t x(t )sin 2 f0t ] xl (t ) [ x(t )cos 2 f0t x
n sin2wt n / 2w s(t ) s 2w 2wt n / 2w n
Hartle数据） 结论： 当最大的信号幅度限于Amax，且幅度分辨率为Aδ时，存 在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率。
杭州电子科技大学《计算机网络》物理层.ppt
频率低
随调制信 号的振幅 大小聚拢
或扩展
基带信号 载波信号
调幅信号 调频信号 调相信号
与载波相似 调制波增大， 调相波聚拢
调制波减小， 调相波扩展
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
信道的极限容量
• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会 产生各种失真以及带来多种干扰。
➢ 数据传输方式选择（全双工、半双工与单工方式？）
数据传输
• 单向通信（单工） • 双向交替通信（半双工） • 双向同时通信（全双工）
单工
发送
单向通道
接收
(a)
发送
接收
半双工
接收
双向通道
发送
(b)
发送
接收
全双工
双向通道
接收
发送
(c)
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的特征
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据数据链链路路层层
1 物理层
• 应用层(application layer) • 运输层(transport layer) • 网络层(network layer) • 数据链路层(data link layer) • 物理层(physical layer)
此外，信道带宽B内的噪声功率N=n0B，n0是单边功率谱密度
lim
S
C
lim
S
B log2
1
S n0 B
物理传输媒体
主机 2 AP2 5
4
3
数据链 路层 物理层
物理层的主要任务
• 物理层向数据链路层提供的服务：
随调制信 号的振幅 大小聚拢
或扩展
基带信号 载波信号
调幅信号 调频信号 调相信号
与载波相似 调制波增大， 调相波聚拢
调制波减小， 调相波扩展
信道的相关概念和信道的极限容量
• 调制和调制的方法 • 信道的极限容量
信道的极限容量
• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会 产生各种失真以及带来多种干扰。
➢ 数据传输方式选择（全双工、半双工与单工方式？）
数据传输
• 单向通信（单工） • 双向交替通信（半双工） • 双向同时通信（全双工）
单工
发送
单向通道
接收
(a)
发送
接收
半双工
接收
双向通道
发送
(b)
发送
接收
全双工
双向通道
接收
发送
(c)
物理层的主要任务及特性
• 物理层的主要任务 • 物理层的特征
物理层的特征
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据数据链链路路层层
1 物理层
• 应用层(application layer) • 运输层(transport layer) • 网络层(network layer) • 数据链路层(data link layer) • 物理层(physical layer)
此外，信道带宽B内的噪声功率N=n0B，n0是单边功率谱密度
lim
S
C
lim
S
B log2
1
S n0 B
物理传输媒体
主机 2 AP2 5
4
3
数据链 路层 物理层
物理层的主要任务
• 物理层向数据链路层提供的服务：
《链路上的通信技术》课件
多路复用技术
多路复用技术是将多个信号合并到一 个信道中进行传输的技术。在链路通 信中，多路复用技术可以提高信道的 利用率和传输效率。
常见多路复用技术：常见的多路复用 技术包括频分多路复用（FDM）、时 分多路复用（TDM）和波分多路复用 （WDM）等。这些技术可以根据信 号的特点和应用场景选择合适的复用 方式。
感谢您的观看
PPP协议用于在点对点链路上建立、配置和维护数据链路层连接，它支持多种网络层协议，并提供了错误检测和压缩等功能 。
SLIP协议
SLIP（Serial Line Internet Protocol）是一种串行通信协议。
SLIP协议允许在串行链路上传输IP数据包，它简化了数据包的封装和解封装过程，但缺乏错误检测和 流量控制功能。
要点二
详细描述
卫星通信技术通过地球同步轨道卫星实现全球范围内的信 息传输和数据交互，广泛应用于军事、气象、新闻媒体等 领域。
车联网通信
总结词
车联网通信是链路通信的重要应用之一，实现车辆之间 的信息传输和数据交互。
详细描述
车联网通信技术包括DSRC、4G/5G等，通过车载终端设 备实现车辆之间的信息传输和控制，提高道路安全和交 通效率。
信道编码解码技术
信道编码解码技术是对传输信号进行编码和解码的过程，以提高信号的抗干扰能 力和传输可靠性。在链路通信中，信道编码解码技术是实现可靠传输的重要手段 之一。
常见编码方式：常见的编码方式包括奇偶校验、海明码、循环冗余校验（CRC） 等。这些编码方式可以在数据传输过程中检测和纠正错误，提高数据传输的准确 性。
链路上的通信技术
• 链路通信技术概述 • 链路通信的核心技术 • 链路通信协议与标准 • 链路通信的应用场景与案例分析 • 链路通信的未来发展趋势与挑战
数据链路层PPT课件
3.2 点对点协议 PPP—4帧格式
先发送
首部
FAC 7E FF 03
字节 1 1 1
协议 2
IP 数据报
信息部分 不超过 1500 字节 PPP 帧
尾部
FCS
F 7E
2
1
3.2 点对点协议 PPP—4帧格式
当 PPP 用在同步传输链路时 ，采用比特填充。
在发送端，只要发现有 5 个 连续 1，则立即填入一个 0 。接收端对帧中的比特流进 行扫描。每当发现 5 个连续 1时，就把这 5 个连续 1 后 的一个 0 删除，
1. 进行串行/并行转换 2. 对数据进行缓存 3. 在计算机的操作系统安装设备驱动程序 4. 实现以太网协议
40
3.3 使用广播信道的数据链路层—概述
IP 地址
计算机
硬件地址
CPU 和 存储器
并行 通信
适配器 （网卡）
至局域网 串行通信
生成发送的数据 把帧发送到局域网 处理收到的数据 从局域网接收帧
(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制 (4)最大传送单元 (5)网络层地址协商
1. PPP 协议不需满足的需求 (1) 纠错
(2) 流量控制
3.2 点对点协议 PPP—3组成部分
PPP 协议有三个组成部分 1. 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法 2. 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol) 3. 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)
3.2 点对点协议 PPP—1应用范围
现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对 点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
电子科大)第三章 光纤传输理论(1)
根据自聚焦透镜的传光原理,对于1/4节距的自聚焦透镜, 当汇 聚光从自聚焦透镜一端面输入时, 经过自聚焦透镜后会转变成 平行光线。自聚焦光纤很长时，光线在里面传播相当于一个不 断聚焦的过程。
光的电磁理论
1 波动基本方程 1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上， 得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在。 在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性 的极化介质中传输的波动方程式 2 亥姆霍兹方程 由麦克斯韦方程组的微分形式，可以推导真 空中亥姆霍兹方程
第三章 光纤传输理论
光线理论
在 n0 / n1界面
sinmax n1 斯涅尔定律
sin(900 c ) n0
全反射时 sinc n2 / n1
sin max
(n12
n22 )1/ 2 n0
光从空气进入光纤时 n0 1
sin max (n12 n22 )1/ 2
定义数值孔径 NA n12 n22 n1 2
阶跃光纤矢量模式理论
H D E B
t
t
H 0
B0
2E
2E t 2
1
E
1
E
0
2H
2H t 2
1
H
1
H
0
▪ 光纤中 0 且处处相等, 0
2E
1
E
0
2E t 2
2H
1
H
0
2H t 2
矢量亥姆霍兹方程
(描述光波在非均匀介质中 传播的基本方程)
第三章 光纤传输理论
❖设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey，则它 满足下面的标量波动方程：
2Ey k02n2Ey 0
❖求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件，即是 光纤的标量解。
光的电磁理论
1 波动基本方程 1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上， 得出麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在。 在无源空间可得到光在非磁性的、各向同性 的极化介质中传输的波动方程式 2 亥姆霍兹方程 由麦克斯韦方程组的微分形式，可以推导真 空中亥姆霍兹方程
第三章 光纤传输理论
光线理论
在 n0 / n1界面
sinmax n1 斯涅尔定律
sin(900 c ) n0
全反射时 sinc n2 / n1
sin max
(n12
n22 )1/ 2 n0
光从空气进入光纤时 n0 1
sin max (n12 n22 )1/ 2
定义数值孔径 NA n12 n22 n1 2
阶跃光纤矢量模式理论
H D E B
t
t
H 0
B0
2E
2E t 2
1
E
1
E
0
2H
2H t 2
1
H
1
H
0
▪ 光纤中 0 且处处相等, 0
2E
1
E
0
2E t 2
2H
1
H
0
2H t 2
矢量亥姆霍兹方程
(描述光波在非均匀介质中 传播的基本方程)
第三章 光纤传输理论
❖设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey，则它 满足下面的标量波动方程：
2Ey k02n2Ey 0
❖求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件，即是 光纤的标量解。
第3章链路传输工程ppt课件
❖ A• 也称为天线的有效接收面积Ae。
7
(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。
第3章 链路传输工程
张燕 zy29209163
1
第3章 链路传输工程
❖ 3.1 概述 ❖ 3.2 星地链路传播特性 ❖ 3.3 卫星通信全链路质量
2
3.1 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
❖ 例：若静止卫星定位于90 E，地球站位于 (110 E, 40 N) ，若射频频率为6GHz， 计算链路的自由空间传播损耗。
解：信号传输距离为
d42231.80230.30c2os1cos2(1)
42231.80230.30c2o4s0co2s0
3791(k0m )
自由空间传播损耗Lf为
L f 9 . 4 2 l 4 d g 0 2 lf g 0 1 . 5 9 ( d 22) 7
大气折射在低仰角通信时比较严重。
28
29
微波信号通过大气层时产生折射
30
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。
7
(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。
第3章 链路传输工程
张燕 zy29209163
1
第3章 链路传输工程
❖ 3.1 概述 ❖ 3.2 星地链路传播特性 ❖ 3.3 卫星通信全链路质量
2
3.1 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
❖ 例：若静止卫星定位于90 E，地球站位于 (110 E, 40 N) ，若射频频率为6GHz， 计算链路的自由空间传播损耗。
解：信号传输距离为
d42231.80230.30c2os1cos2(1)
42231.80230.30c2o4s0co2s0
3791(k0m )
自由空间传播损耗Lf为
L f 9 . 4 2 l 4 d g 0 2 lf g 0 1 . 5 9 ( d 22) 7
大气折射在低仰角通信时比较严重。
28
29
微波信号通过大气层时产生折射
30
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。
电子科大计算机网络PPT第二章
不需要编写网络核心设备上的软件
网络核心设备不作用于应用层 这种设计使得能够快速开发应用
application transport network data link physical
application transport network data link physical
2: Application Layer
某些应用（如音频）能够容
忍某些丢失
其他应用（如文件传输，
Telnet）要求100%可靠数 据传输
实时性保障 某些实时应用（如因特网 电话、交互式游戏）要求 “有效的”低时延 其他应用（如文件传输） 对时延较为宽容
最小带宽保障（吞吐量） 某些带宽敏感应用（如多 媒体）要求“有效的”最 小量的带宽 其他应用（”弹性应用 “）充分利用可供使用的 带宽 自适应编码技术，使得如 多媒体应用有一定的弹性 安全性保障
很多应用是客户机/服务器与P2P 的混合
voice-over-IP P2P 应用 集中式的服务器: 获得对方的地址 用户之间的连接: 直接 (不通过服务器) 文件传送P2P 集中式文件搜索：
Napster（类似于国内的酷狗）
即时讯息qq等
• 对等方在中心服务器上注册内容 • 对等方查询相同的中心服务器以定位内容
应用层
19
Chapter 2:应用层
2.1 应用层协议原理 2.2 Web和HTTP 2.3 FTP *2.6 P2P 文件共享 2.7 TCP的套接字编程 2.8 UDP的套接字编程
2.4 电子邮件 SMTP, POP3, IMAP
2.5 DNS
2: Application Layer
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
50 - 80 km
平流层Stratosphere
16 - 50 km
对流层Troposphere
7- 16 km
25
2.3 无线传播特性 续1
卫星通信系统关心的传播特性
传播衰减
物理原因
主要影响
衰减和天空噪声的增加 大气气体，云，雨 10 GHz以上频率
信号去极化 折射、大气多径
雨，冰晶 大气气体
损耗
31
2.3 无线传播特性 续7
自由空间传输损耗
➢ 如距离d 的单位为km，频率f 的单位为GHz，则 自由空间传输损耗可表示为：
Lf (dB)= 92.44+20lgd+20lgf ➢ 自由空间传输损耗随着距离的增加，频率的增高
而增大
32
2.3 无线传播特性 续8
自由空间传输损耗
FSTL (dB)
➢ 例如，对于直径为3米，工作于6GHz的抛物面反 射天线(λ=5米)，其远场区域大致在距离天线360 米左右
17
2.2 极化 续1
横电磁波的矢量图描述
➢ 磁场 H ➢ 电场 E ➢ 传播矢量 k ➢ E-H-k 构成一个
右手坐标系
18
2.2 极化 续2
横电磁波的特性
➢ 电场和磁场随时间改变 ➢ 磁场与电场是同相变化的，磁场的幅度与电场的
天线方向图
(a)极坐标表示；(b)笛卡尔坐标表示
14
2.1 天线 续12
半功率波束宽度（半功率角）
➢ 通常采用半功率波束宽度来表征天线方向图的宽度
➢ 半功率波束宽度定义为天线增益下降到最大值的一半时所 对应的角度大小，通常也称为半功率角
➢ 半功率角θ3dB 的经验计算公式为
3dB
70
D
70
上行自由空间传输损 耗 下行频率
下行自由空间传输损 耗
LEO卫星 2763 km 1.6 GHz 165.3 dB
1.5 GHz 164.8 dB
GEO卫星 40000 km
6 GHz 200.05 dB
4 GHz 196.53 dB
34
2.3 无线传播特性 续10
例3.1 某反射面天线的直径为3米，天线效率为 0.55，工作频率为6GHz。计算其天线增益。
2
10 lg a
Df
/ c
2 12
2.1 天线 续10
天线方向图
➢ 天线方向图描述了天线在不同方向上的增益变化 ➢ 对圆孔径天线和反射面天线，方向图具有对轴线
的旋转对称性(rotational symmetry)，因此可以 用任何包含轴线的切面内的辐射变化来表征
13
2.1 天线 续11
C和Ku波段的双极化系统（依赖于 系统设计）
低仰角的通信和跟踪
信号闪烁 反射多径，阻塞 传播延时，延时抖动
对流层和电离层的 折射率波动
地区表面以及地面 物体
对流层和电离层
对流层影响10 GHz以上频段和低仰 角；电离层影响10 GHz以下频段 移动卫星通信服务
精确定时和定位系统，TDMA系统
系统间干扰
36
2.3 无线传播特性 续12
传输衰减
➢ 卫星和地球站之间的传送信号穿越地球的 大气层，包括电离层，因而导致了某些衰 减，包括 ✓ 大气损耗 ✓ 电离层效应 ✓ 雨衰 ✓ 其它传输衰减
37
2.3 无线传播特性 续13
大气损耗
➢ 大气吸收
大气层气体对信号的能量吸收
➢ 大气闪烁
无线电波在大气中的聚焦和散焦导致的衰减
220
210
200
190
180
170
160
150
L band(1.5GHz)
C band(4GHz)
140
Ku band(12GHz)
Ka band(20GHz)
130
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Link Length (km)
4
x 10
33
2.3 无线传播特性 续9自Leabharlann 空间传输损耗链路长度 上行频率
椭圆极化
21
2.2 极化 续5
椭圆极化
22
2.2 极化 续6
圆极化
➢ (a) 圆极化 ➢ (b) 右旋圆极化 (RHCP)： 按顺时针方向旋转 ➢ (c) 左旋圆极化 (LHCP)： 按逆时针方向旋转 ➢ 右旋和左旋圆极化是正交的圆极化 ➢ IEEE沿传播方向观察，即“后方”， 与光学视角恰好相反
闪烁带来的衰减
41
2.3 无线传播特性 续17
电离层效应
➢ 电离层位于地球大气的较高区域，是被太阳辐射 电离化了的区域
➢ 电离层中的自由电子是非均匀分布的，不过却形 成层状
➢ 电子云(也称为移动电离层扰动)可能在电离层中 游动并对传输信号产生不规则波动
42
2.3 无线传播特性 续18
雨衰
➢ 雨衰是降雨量的函数 ➢ 降雨使得传输无线电信号发生散射并吸收其能量，
10º的波束宽度
6
2.1 天线 续4
抛物面反射天线
7
2.1 天线 续5
双发射面天线
8
2.1 天线 续6
阵列天线
MBSAT
9
2.1 天线 续7
天线增益
➢ 所有的天线都具有一定的方向性，在某些方向上 辐射的能量会较强一些
➢ 天线增益定义为：在馈源功率相同的情况下，天 线在指定方向上单位立体角发射/接收的功率与全 向(isotropic)天线在单位立体角发射/接收的功率 之比
线形天线
➢ 线形天线主要工作在VHF和UHF频段，完 成与TT&C系统的通信
➢ 线形天线提供全向辐射
4
2.1 天线 续2
喇叭天线
➢ 光滑内壁圆锥形天线 ➢ 波纹内壁圆锥形天线 ➢ 角锥形天线
5
2.1 天线 续3
喇叭天线
➢ 圆锥形喇叭天线支持线性极化和圆极化 ➢ 角锥形喇叭天线主要用于线性极化 ➢ 喇叭天线难以获得超过23dB的增益和窄于
幅度成正比关系，因此在讨论中通常仅考虑电场 ➢ 电场矢量末端扫出的轨迹线的方向确定了电磁波
的极化方向
19
2.2 极化 续3
横电磁波的极化方式
➢ 椭圆极化：电场合成矢量末端的轨迹线为椭圆形 ➢ 圆极化： 电场合成矢量末端的轨迹线为圆形 ➢ 线性极化：电场合成矢量末端的轨迹线为直线
20
2.2 极化 续4
c Df
(degrees)
➢ 可见，半功率角θ3dB 随着天线直径的减小而增大，这意味着 小口径天线将无法实现很窄的辐射波束
15
2.1 天线 续13
指向损失
➢ 在接近轴线方向的角度θ(θ3dB/2)内，天线增益可 以按照下式进行估算
G(
)(dBi)
Gmax
(dBi)
12
3dB
2
进行估计，不过其衰减量小很多。 ➢ 例如，频率为10GHz时，含水量为0.25 g/m3
的云带来的衰减约为0.05dB/km，而含水量为 2.5 g/m3时的衰减约为0.2。
44
2.4 移动卫星信道特性
45
2.4 移动卫星信道特性 续1
收发信机之间的空间定义为传输信道 对移动卫星链路，有效性达到80–99%为通
23
2.2 极化 续7
线性极化
➢ 水平极化 (HP) ➢ 垂直极化 (VP) ➢ 水平和垂直极化是正交 的线性极化
Ey(ωt) VP/ HP
HP/VP
Ex(ωt)
24
2.3 无线传播特性
外逸层Exosphere
500 - 64,374 km
热层Thermosphere
80 - 500 km
中间层Mesosphere
➢ 接收功率可表示为 PR = (PTGT)·GR·(λ/(4πd)) 2
29
2.3 无线传播特性 续5
等效全向辐射功率(EIRP)
➢ 将PTGT称为等效全向辐射功率，通常以W为功率单 位 EIRP = PT ·GT (W) EIRP (dBW) = PT (dBW) +GT (dBi)
➢ EIRP描述了天线在轴线方向上的最大辐射功率
大气波导，散射和 目前主要影响C频段。降雨散射2在6 更
衍射
高频段更加显著
2.3 无线传播特性 续2
发射和接收功率
全向天线
GT=1
实际天线
GT
PT
PT
单位立体角的辐射功 单位立体角的辐射功率
率为PT/(4π)
为PTGT/(4π)
d
面积 A 立体角 = A/d2
➢ 面积A内接收的信号功率 = (PT /4πd2)·GT ·A
常的设计目标 有3种类型的移动卫星链路
➢ 陆地移动链路 ➢ 航空链路 ➢ 海事链路
46
2.4 移动卫星信道特性 续2
陆地移动链路
➢ 直射视距(LOS) 波到达接收机时没有通过周围环境 的反射
➢ 散射分量包括来自于周围环境的多径反射信号 ➢ 镜面反射波是来自于接收天线附近地面的反射信号 ➢ 当障碍物(如树木或建筑物)阻碍了到卫星的视线时，
27
2.3 无线传播特性 续3
发射和接收功率
GT PT
GR
d
PR
Aeff
➢ 定义Φ = (PT GT )/(4πd2)为功率通量密度(power flux density)
➢ 接收功率 PR = PT GT Aeff /(4πd2) =ΦAeff
28
2.3 无线传播特性 续4
发射和接收功率
➢ 根据天线基础理论，天线的增益和有效面积满足 GR = 4π Aeff /λ2 Aeff =GR /(4π/λ2)
平流层Stratosphere
16 - 50 km
对流层Troposphere
7- 16 km
25
2.3 无线传播特性 续1
卫星通信系统关心的传播特性
传播衰减
物理原因
主要影响
衰减和天空噪声的增加 大气气体，云，雨 10 GHz以上频率
信号去极化 折射、大气多径
雨，冰晶 大气气体
损耗
31
2.3 无线传播特性 续7
自由空间传输损耗
➢ 如距离d 的单位为km，频率f 的单位为GHz，则 自由空间传输损耗可表示为：
Lf (dB)= 92.44+20lgd+20lgf ➢ 自由空间传输损耗随着距离的增加，频率的增高
而增大
32
2.3 无线传播特性 续8
自由空间传输损耗
FSTL (dB)
➢ 例如，对于直径为3米，工作于6GHz的抛物面反 射天线(λ=5米)，其远场区域大致在距离天线360 米左右
17
2.2 极化 续1
横电磁波的矢量图描述
➢ 磁场 H ➢ 电场 E ➢ 传播矢量 k ➢ E-H-k 构成一个
右手坐标系
18
2.2 极化 续2
横电磁波的特性
➢ 电场和磁场随时间改变 ➢ 磁场与电场是同相变化的，磁场的幅度与电场的
天线方向图
(a)极坐标表示；(b)笛卡尔坐标表示
14
2.1 天线 续12
半功率波束宽度（半功率角）
➢ 通常采用半功率波束宽度来表征天线方向图的宽度
➢ 半功率波束宽度定义为天线增益下降到最大值的一半时所 对应的角度大小，通常也称为半功率角
➢ 半功率角θ3dB 的经验计算公式为
3dB
70
D
70
上行自由空间传输损 耗 下行频率
下行自由空间传输损 耗
LEO卫星 2763 km 1.6 GHz 165.3 dB
1.5 GHz 164.8 dB
GEO卫星 40000 km
6 GHz 200.05 dB
4 GHz 196.53 dB
34
2.3 无线传播特性 续10
例3.1 某反射面天线的直径为3米，天线效率为 0.55，工作频率为6GHz。计算其天线增益。
2
10 lg a
Df
/ c
2 12
2.1 天线 续10
天线方向图
➢ 天线方向图描述了天线在不同方向上的增益变化 ➢ 对圆孔径天线和反射面天线，方向图具有对轴线
的旋转对称性(rotational symmetry)，因此可以 用任何包含轴线的切面内的辐射变化来表征
13
2.1 天线 续11
C和Ku波段的双极化系统（依赖于 系统设计）
低仰角的通信和跟踪
信号闪烁 反射多径，阻塞 传播延时，延时抖动
对流层和电离层的 折射率波动
地区表面以及地面 物体
对流层和电离层
对流层影响10 GHz以上频段和低仰 角；电离层影响10 GHz以下频段 移动卫星通信服务
精确定时和定位系统，TDMA系统
系统间干扰
36
2.3 无线传播特性 续12
传输衰减
➢ 卫星和地球站之间的传送信号穿越地球的 大气层，包括电离层，因而导致了某些衰 减，包括 ✓ 大气损耗 ✓ 电离层效应 ✓ 雨衰 ✓ 其它传输衰减
37
2.3 无线传播特性 续13
大气损耗
➢ 大气吸收
大气层气体对信号的能量吸收
➢ 大气闪烁
无线电波在大气中的聚焦和散焦导致的衰减
220
210
200
190
180
170
160
150
L band(1.5GHz)
C band(4GHz)
140
Ku band(12GHz)
Ka band(20GHz)
130
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Link Length (km)
4
x 10
33
2.3 无线传播特性 续9自Leabharlann 空间传输损耗链路长度 上行频率
椭圆极化
21
2.2 极化 续5
椭圆极化
22
2.2 极化 续6
圆极化
➢ (a) 圆极化 ➢ (b) 右旋圆极化 (RHCP)： 按顺时针方向旋转 ➢ (c) 左旋圆极化 (LHCP)： 按逆时针方向旋转 ➢ 右旋和左旋圆极化是正交的圆极化 ➢ IEEE沿传播方向观察，即“后方”， 与光学视角恰好相反
闪烁带来的衰减
41
2.3 无线传播特性 续17
电离层效应
➢ 电离层位于地球大气的较高区域，是被太阳辐射 电离化了的区域
➢ 电离层中的自由电子是非均匀分布的，不过却形 成层状
➢ 电子云(也称为移动电离层扰动)可能在电离层中 游动并对传输信号产生不规则波动
42
2.3 无线传播特性 续18
雨衰
➢ 雨衰是降雨量的函数 ➢ 降雨使得传输无线电信号发生散射并吸收其能量，
10º的波束宽度
6
2.1 天线 续4
抛物面反射天线
7
2.1 天线 续5
双发射面天线
8
2.1 天线 续6
阵列天线
MBSAT
9
2.1 天线 续7
天线增益
➢ 所有的天线都具有一定的方向性，在某些方向上 辐射的能量会较强一些
➢ 天线增益定义为：在馈源功率相同的情况下，天 线在指定方向上单位立体角发射/接收的功率与全 向(isotropic)天线在单位立体角发射/接收的功率 之比
线形天线
➢ 线形天线主要工作在VHF和UHF频段，完 成与TT&C系统的通信
➢ 线形天线提供全向辐射
4
2.1 天线 续2
喇叭天线
➢ 光滑内壁圆锥形天线 ➢ 波纹内壁圆锥形天线 ➢ 角锥形天线
5
2.1 天线 续3
喇叭天线
➢ 圆锥形喇叭天线支持线性极化和圆极化 ➢ 角锥形喇叭天线主要用于线性极化 ➢ 喇叭天线难以获得超过23dB的增益和窄于
幅度成正比关系，因此在讨论中通常仅考虑电场 ➢ 电场矢量末端扫出的轨迹线的方向确定了电磁波
的极化方向
19
2.2 极化 续3
横电磁波的极化方式
➢ 椭圆极化：电场合成矢量末端的轨迹线为椭圆形 ➢ 圆极化： 电场合成矢量末端的轨迹线为圆形 ➢ 线性极化：电场合成矢量末端的轨迹线为直线
20
2.2 极化 续4
c Df
(degrees)
➢ 可见，半功率角θ3dB 随着天线直径的减小而增大，这意味着 小口径天线将无法实现很窄的辐射波束
15
2.1 天线 续13
指向损失
➢ 在接近轴线方向的角度θ(θ3dB/2)内，天线增益可 以按照下式进行估算
G(
)(dBi)
Gmax
(dBi)
12
3dB
2
进行估计，不过其衰减量小很多。 ➢ 例如，频率为10GHz时，含水量为0.25 g/m3
的云带来的衰减约为0.05dB/km，而含水量为 2.5 g/m3时的衰减约为0.2。
44
2.4 移动卫星信道特性
45
2.4 移动卫星信道特性 续1
收发信机之间的空间定义为传输信道 对移动卫星链路，有效性达到80–99%为通
23
2.2 极化 续7
线性极化
➢ 水平极化 (HP) ➢ 垂直极化 (VP) ➢ 水平和垂直极化是正交 的线性极化
Ey(ωt) VP/ HP
HP/VP
Ex(ωt)
24
2.3 无线传播特性
外逸层Exosphere
500 - 64,374 km
热层Thermosphere
80 - 500 km
中间层Mesosphere
➢ 接收功率可表示为 PR = (PTGT)·GR·(λ/(4πd)) 2
29
2.3 无线传播特性 续5
等效全向辐射功率(EIRP)
➢ 将PTGT称为等效全向辐射功率，通常以W为功率单 位 EIRP = PT ·GT (W) EIRP (dBW) = PT (dBW) +GT (dBi)
➢ EIRP描述了天线在轴线方向上的最大辐射功率
大气波导，散射和 目前主要影响C频段。降雨散射2在6 更
衍射
高频段更加显著
2.3 无线传播特性 续2
发射和接收功率
全向天线
GT=1
实际天线
GT
PT
PT
单位立体角的辐射功 单位立体角的辐射功率
率为PT/(4π)
为PTGT/(4π)
d
面积 A 立体角 = A/d2
➢ 面积A内接收的信号功率 = (PT /4πd2)·GT ·A
常的设计目标 有3种类型的移动卫星链路
➢ 陆地移动链路 ➢ 航空链路 ➢ 海事链路
46
2.4 移动卫星信道特性 续2
陆地移动链路
➢ 直射视距(LOS) 波到达接收机时没有通过周围环境 的反射
➢ 散射分量包括来自于周围环境的多径反射信号 ➢ 镜面反射波是来自于接收天线附近地面的反射信号 ➢ 当障碍物(如树木或建筑物)阻碍了到卫星的视线时，
27
2.3 无线传播特性 续3
发射和接收功率
GT PT
GR
d
PR
Aeff
➢ 定义Φ = (PT GT )/(4πd2)为功率通量密度(power flux density)
➢ 接收功率 PR = PT GT Aeff /(4πd2) =ΦAeff
28
2.3 无线传播特性 续4
发射和接收功率
➢ 根据天线基础理论，天线的增益和有效面积满足 GR = 4π Aeff /λ2 Aeff =GR /(4π/λ2)