卫星通信课件第3章(xsy) (NXPowerLite)

例题 口径为3m的抛物面天线，工作频率12GHz，天线效率 为0.55，计算该天线增益。
解：G= (10.472 fD) 2
=0.55×（10.472×12×3）2＝78168＝48.9dB
(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 PT与该天线增益 GT的乘积， 即 EIRP＝PTGT (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GT倍， 名称上。“有效”也就是这个含义。 例题：卫星下行链路工作在12GHz，有6W的发射功率，天线增益 48.2dB。计算以dBW表示的EIRP值。 解：[EIRP]=10log6+48.2=56dBW
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
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。
1. 等效噪声温度Te和噪声系数NF
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Te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ΔN（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Te的电阻， Te 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Nio)，另 一部分为网络内部噪声的贡献ΔN 。这样，输出噪声功率 为：





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 =196.52dB W 卫星接收机输入端的载波接收功率为： [Cs]= [PtE]+[GtE] +[GRS]-[Lu]=[EIRP]E +[GRS]-[Lu]
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 。
1.
噪声系数
噪声系数F（或NF）定义为输入信噪比与Biblioteka Baidu出信噪比之比：
= 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： [CE]= [EIRP]S +[GRE]-[Ld]-[LFRF] = 34.2dBW +60.0dBW- 196.52dB W - 0.05dBW =-102.37dBW=-72.37dBmW
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：
kB(T Ten ) A1 A2 ...An
其中 n eT 表示n个网络级联后的总等效噪声温度：
n Tei A j n T i 1 j i T ei Te n e1 n i 1 i 2 Ai Aj i 1 j 1 Te 2 Te3 Ten Te1 ... A1 A1 A2 A1 A2 ...An 1 n
2
式中，A为天线口面面积（m2）; λ 为工作波长（m）；η 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η 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θ0.5近似为
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。
N o N io N kTo BA kTe BA


To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：
S i / N i S i /( N io / A) N 0 kBT0 Te Te NF 1 S0 / N0 Si A / N 0 N io kBT0 T0
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： 4A G (10.472 fD) 2
其中：PT为发射功率;GT为发射天线增益;GR为接收天线增益； LP为自由空间传播损耗
( 4df 2 ) c
用分贝表示，则为：
4 20lg( ) 92.44 , d的单位为km, f 的单位为GHz c
L 92 .44 20 lg d 20 lg f P
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GRS=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 GRE=60.0dB,接收馈线损耗LFRE=0.05dB。试计算卫星接收机输入 端的载波接收功率CS和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。 解：若上行工作频率为6GHz，下行频率为4GHz，距离为， d=40000km。

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） 。
E2 E G 2 20lg (dB) E0 E0
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。
Tin=Te1+Te2/A1=120+4360/10000=120.43K

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1GHz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 102~104K。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
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

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：

3.3.2 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。
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 fD可由下式表示 :
Vf c fD cos C
其中，V为卫星与用户的相对运动速度，fc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)。
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 22．3GHz，氧气在60GHz(50－ 70GHz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。30GHz附近也有一个低损 耗区。
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 ． 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 ）
例题1(3-9) 天线噪声温度为35K，与之匹配的接收机噪声温度为100K。 计算 （a）噪声功率谱密度 （b）带宽为36MHz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）n0=kT=1.38×10-23 × (35+100) =1.86×10-21J (b) PN=n0f=1.86×10-21 ×36×106 ＝0.067pW（皮瓦）
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 A1 , A2 ,, An 和 Te1 , Te 2 ,, Ten 。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+Te1)A1 kB(T+Te1)A1A2+kBTe2A2 …… kB(T+Te1)A1A2…An+kBTe2A2A3…An+…+kBTen 其中T为输入端噪声温度。（参见书p41附页）
例题2(3-10)

LNA与一个接收机相联，接收机的噪声系数为12dB， LNA增益为40dB，噪声温度120K。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T0=290K，NF2=12dB＝15.85，因此接收机的 等效噪声温度为： Te2=(NF2-1)T0=(15.85-1)×290＝4306K 增益A1=40dB相当于10000， LNA输入的全噪声温度为：