第4章1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1、第第4 4章章 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 (Satellite (Satellite Communications)Communications) 1- - 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 張張 文勝文勝 School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineering Shandong UniversityShandong University Shandong, ChinaShandong, China 通信系統(tǒng)概論通信系統(tǒng)概論 衛(wèi)星衛(wèi)星 衛(wèi)星衛(wèi)星 衛(wèi)星天線群衛(wèi)星天線群 開普勒三大定律開普勒三大定

2、律 開普勒三大定律 開普勒第一定律 開普勒第三定律 開普勒第二定律 2021-7-411 1. 開普勒第一定律開普勒第一定律： 所有的行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓， 太陽處在所有橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。 FF 橢圓有兩個(gè)焦點(diǎn) 太陽 行星 2021-7-412 2.開普勒第二定律：開普勒第二定律： 太陽和行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。太陽和行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。 近日點(diǎn)速度快，遠(yuǎn)日點(diǎn)速度慢近日點(diǎn)速度快，遠(yuǎn)日點(diǎn)速度慢 S1 S2 S1=S2 2021-7-413 太陽 行星 FF O R R：半長軸 T：公轉(zhuǎn)周期 R3 T2 =K 3.開普勒第三定律開普勒第三定律： 所有行

3、星的軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的所有行星的軌道半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的 二次方的比值都相等。二次方的比值都相等。 2021-7-414 3.361018 3.361018 3.361018 3.361018 3.361018 3.361018 3.371018 3.371018 1.031013 1.031013 動(dòng)手算一算 動(dòng)手計(jì)算后，你得到了什么？ 所有行星的半長軸的三次方與周期的平方的比值都相等， 月球、衛(wèi)星的比值也相等 返回 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn) 覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)，三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋區(qū)域大，通信距離遠(yuǎn)，三顆同步衛(wèi)星即可 覆蓋全球；覆蓋全球； 頻帶寬頻帶寬，容

4、量大；容量大； 機(jī)動(dòng)性好機(jī)動(dòng)性好，不受地理?xiàng)l件限制；不受地理?xiàng)l件限制； 通信可靠性高通信可靠性高，質(zhì)量好質(zhì)量好而而穩(wěn)定；穩(wěn)定； 費(fèi)用與距離無關(guān)；費(fèi)用與距離無關(guān)； 有多址能力有多址能力，組網(wǎng)靈活；組網(wǎng)靈活； 可實(shí)現(xiàn)區(qū)域及全球個(gè)人移動(dòng)通信?？蓪?shí)現(xiàn)區(qū)域及全球個(gè)人移動(dòng)通信。 通信衛(wèi)星的分類通信衛(wèi)星的分類 按軌道分：赤道軌道，極軌道，傾斜軌道，同步按軌道分：赤道軌道，極軌道，傾斜軌道，同步 衛(wèi)星，移動(dòng)衛(wèi)星，衛(wèi)星，移動(dòng)衛(wèi)星，GEO，MEO，LEO； 按通信范圍分類：國際通信衛(wèi)星，區(qū)域性通信衛(wèi)按通信范圍分類：國際通信衛(wèi)星，區(qū)域性通信衛(wèi) 星，國內(nèi)通信衛(wèi)星；星，國內(nèi)通信衛(wèi)星； 按用途分類：綜合業(yè)務(wù)通信衛(wèi)星，軍事

5、通信衛(wèi)星，按用途分類：綜合業(yè)務(wù)通信衛(wèi)星，軍事通信衛(wèi)星， 海事通信衛(wèi)星，電視直播衛(wèi)星，氣象衛(wèi)星等；海事通信衛(wèi)星，電視直播衛(wèi)星，氣象衛(wèi)星等； 按轉(zhuǎn)發(fā)能力分類：無星上處理能力，有星上處理按轉(zhuǎn)發(fā)能力分類：無星上處理能力，有星上處理 能力；能力； 按頻段分類按頻段分類 0.1-0.3（GHz），），VHF，移動(dòng)移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)；導(dǎo)航業(yè)務(wù)； 0.3-1.0，UHF，移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)；移動(dòng)、導(dǎo)航業(yè)務(wù)； 1.0-2.0，L，移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸；移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸； 2.0-4.0，S，移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸；移動(dòng)業(yè)務(wù)、指令傳輸； 4.0-8.0 (4/6)，C，固定業(yè)務(wù)；固定業(yè)務(wù)； 8.0-12.0，X； 12.0-

6、18.0 (12/14)，Ku，固定業(yè)務(wù)；固定業(yè)務(wù)； 18.0-24.0，K ；24.0-30.0，Ka； 33.0-50.0，Q ； 50.0-75.0，V。 按重量分類按重量分類 大型衛(wèi)星，大型衛(wèi)星，Large，1000kg，1億美元；億美元； 小衛(wèi)星，小衛(wèi)星，Small，500-1000kg，0.5-1億美元；億美元； 微小衛(wèi)星，微小衛(wèi)星，Mini，100-500kg，500-2000萬美元；萬美元； 微衛(wèi)星，微衛(wèi)星，Micro，10-100kg，200-300萬美元；萬美元； 納衛(wèi)星，納衛(wèi)星，Nano，10kg，100萬美元；萬美元； 皮衛(wèi)星，皮衛(wèi)星，Pico ，1kg。 世界衛(wèi)星通信

7、發(fā)展簡史世界衛(wèi)星通信發(fā)展簡史 1000AD中國發(fā)明火箭中國發(fā)明火箭 1945AutherC Clarke 提出三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球提出三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球 1957前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星SPUTNIK 1963美國發(fā)射世界上第一顆同步衛(wèi)星美國發(fā)射世界上第一顆同步衛(wèi)星SYNCOM 1964INTELSAT建立建立 1965第一顆商用同步衛(wèi)星第一顆商用同步衛(wèi)星INTELSAT-1 1979INMARSAT（海事）（海事）建立建立 1970中國發(fā)射第一顆衛(wèi)星中國發(fā)射第一顆衛(wèi)星DFH-1 世界衛(wèi)星通信發(fā)展簡史世界衛(wèi)星通信發(fā)展簡史 截止截止1999年底全球有年底全球有300

8、顆同步通信衛(wèi)星提顆同步通信衛(wèi)星提 供供60洲際通信和洲際通信和100國際電視轉(zhuǎn)播全球國際電視轉(zhuǎn)播全球 在軌轉(zhuǎn)發(fā)器在軌轉(zhuǎn)發(fā)器4467個(gè)正在建造的轉(zhuǎn)發(fā)器個(gè)正在建造的轉(zhuǎn)發(fā)器1793 個(gè)個(gè) 1997年世界衛(wèi)星市場(chǎng)售業(yè)額年世界衛(wèi)星市場(chǎng)售業(yè)額512億美元億美元 2007年預(yù)計(jì)達(dá)年預(yù)計(jì)達(dá)1900億美元億美元 20042010年將發(fā)射年將發(fā)射350顆同步通信衛(wèi)星顆同步通信衛(wèi)星 中國衛(wèi)星通信的發(fā)展史中國衛(wèi)星通信的發(fā)展史 1000AD中國發(fā)明火箭；中國發(fā)明火箭； 1970中國發(fā)射第一顆衛(wèi)星中國發(fā)射第一顆衛(wèi)星DFH-1 ； 19841984年年4 4月，發(fā)射了第一顆試驗(yàn)用月，發(fā)射了第一顆試驗(yàn)用“同步通信衛(wèi)同步通信衛(wèi)

9、 星星” STW-1STW-1（即東方紅二號(hào)）（即東方紅二號(hào)）； 19861986年年2 2月于我國西昌發(fā)射場(chǎng)，用長征月于我國西昌發(fā)射場(chǎng)，用長征3 3號(hào)火箭號(hào)火箭 成功發(fā)射第二顆成功發(fā)射第二顆“實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星”STW-2STW-2； 19881988年年3 3月，又于西昌發(fā)射場(chǎng)，用長征月，又于西昌發(fā)射場(chǎng)，用長征3 3號(hào)火箭號(hào)火箭 發(fā)射成功第一顆發(fā)射成功第一顆“實(shí)用通信衛(wèi)星實(shí)用通信衛(wèi)星”，即，即“東二甲東二甲” 衛(wèi)星衛(wèi)星； 到到20022002底中國共發(fā)射約底中國共發(fā)射約60顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。 衛(wèi)星通信在中國的特殊地位衛(wèi)星通信在中國的特殊地位 地域遼闊，地域遼闊，960萬平方公里，東西南

10、北跨度均超萬平方公里，東西南北跨度均超 過過5000公里，地形復(fù)雜，山區(qū)占公里，地形復(fù)雜，山區(qū)占31%，高原高原 26%，丘陵丘陵10%，平原僅占平原僅占31% ； 人口眾多，人口眾多，13億人口，億人口，8億農(nóng)村人口，全國億農(nóng)村人口，全國1/5 以上以上行政村尚無電話；行政村尚無電話； 經(jīng)濟(jì)增長迅速，西部和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。經(jīng)濟(jì)增長迅速，西部和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。 下圖是靜止衛(wèi)星與地球相對(duì)位置的示意圖。由此可見， 只需三顆等間隔配置靜止衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全球通信。 衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星的主要設(shè)備包括下列衛(wèi)星的主要設(shè)備包括下列 七大系統(tǒng)七大系統(tǒng) 位置與姿態(tài)控制系統(tǒng)位置與姿態(tài)控制

11、系統(tǒng) ； 天線系統(tǒng)天線系統(tǒng) ； 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng) ； 遙測(cè)指令系統(tǒng)遙測(cè)指令系統(tǒng) ； 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) ； 溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng) ； 入軌和推進(jìn)系統(tǒng)入軌和推進(jìn)系統(tǒng)。 推進(jìn)系統(tǒng)的自旋控制推進(jìn)系統(tǒng)的自旋控制 1970年4月24日發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星。 星上的儀器艙裝有電源、測(cè)軌用的雷達(dá)應(yīng)答機(jī)、 雷達(dá)信標(biāo)機(jī)、遙測(cè)裝置、電子樂音發(fā)生器和發(fā)射 機(jī)、科學(xué)試驗(yàn)儀器等。 衛(wèi)星的主要任務(wù)是向太空播放“東方紅”樂曲， 同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)，探測(cè)電離層和大氣密度。 星上采用銀鋅蓄電池作電源，電池壽命有限，衛(wèi) 星運(yùn)行20天后，電池耗盡，“東方紅”樂曲停止 播放，衛(wèi)星結(jié)束了它的工作壽命。 東方紅一號(hào)東方紅一號(hào) 28

12、鏈路傳輸工程 概述 星地鏈路傳播特性 衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量 29 概述 星際鏈路： 只考慮自由空間傳播損耗。 星-地鏈路： 由自由空間傳播損耗和近地大氣層的各種影響所 確定； 衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對(duì)流層（含云層和雨層）、 平流層、電離層和外層空間，跨越距離大，影響 電波傳播的因素很多。 30 熱層（電離層）熱層（電離層） 80 - 500 km80 - 500 km 中間層中間層50 - 80 km50 - 80 km 平流層平流層 16 - 50 km16 - 50 km 對(duì)流層對(duì)流層 7- 16 km7- 16 km 外逸層外逸層500 - 64,374 km500 - 64,374 km

13、D層： 6090km E層： 100110km ES層： 120km F1層： 170220km F2層： 225450km 電離層基本分層特性 32 傳播問題傳播問題物理原因物理原因主要影響主要影響 衰減和天空噪聲衰減和天空噪聲 增加增加 大氣氣體、云、雨大氣氣體、云、雨大約大約10GHz以上頻率以上頻率 信號(hào)去極化信號(hào)去極化雨、冰結(jié)晶體雨、冰結(jié)晶體C和和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)頻段的雙極化系統(tǒng) （取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）（取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)） 折射和大氣多徑折射和大氣多徑 大氣氣體大氣氣體低仰角跟蹤和通信低仰角跟蹤和通信 信號(hào)閃爍信號(hào)閃爍對(duì)流層和電離層折對(duì)流層和電離層折 射擾動(dòng)射擾動(dòng) 對(duì)流層：低仰角和對(duì)流

14、層：低仰角和10GHz 以上頻率以上頻率 電離層：電離層：10GHz以下頻率以下頻率 反射多徑和阻塞反射多徑和阻塞 地球表面及表面上地球表面及表面上 物體物體 衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù) 傳播延遲、變化傳播延遲、變化 對(duì)流層和電離層對(duì)流層和電離層精確的定時(shí)、定位、精確的定時(shí)、定位、 TDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題 33 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù) 34 (1)天線增益G 衛(wèi)星通信中所使用的喇叭天線、拋物面天線 等面天線的增益可按下式計(jì)算： 2 4 A G v其中，其中，A為天線口面面積，為天線口面面積， 為波長，為波長， 為天為天 線效率，現(xiàn)代卡塞格倫天線的線效率

15、，現(xiàn)代卡塞格倫天線的 可達(dá)可達(dá) 0.75(f=4GHz)或或0.65(f=6GHz)左右。左右。 vA 也稱為天線的有效接收面積也稱為天線的有效接收面積Ae。 35 (2) 等效全向輻射功率（EIRP） v 定義：地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)射的功率P與該天 線增益G的乘積。表明了定向天線 在最大輻射 方向?qū)嶋H所輻射的功率?？杀硎緸?EIRP=PG 或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB) v 上行鏈路功率輻射能力通常用等效全向輻射功 率（EIRP）來衡量。 Equivalent Isotropic Radiated Power 36 (3) 饋線損耗(L) 實(shí)際的發(fā)射裝置中，發(fā)射機(jī)和天線之

16、間有一 段饋線，饋線損耗定義為其輸入端功率Pin與 輸出端功率Pout的比值。 L=Pin/Pout 通常用dB為單位，表示為 L(dB)=Pin(dBW)-Pout(dBW) 37 (4) 傳輸損耗(L) 衛(wèi)星通信中，電波在上行或下行鏈路中傳輸 時(shí)，會(huì)受到各種因素的影響而產(chǎn)生損耗。最 主要的是自由空間傳播損耗，此外，還應(yīng)考 慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極化方向誤差 等所產(chǎn)生的損耗。 通常用dB為單位。 38 (5) 等效噪聲溫度（Te）和噪聲系數(shù)(NF) 噪聲溫度是通信接收機(jī)中的一個(gè)重要概念， 利用它可以衡量接收系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱噪聲 大小。 噪聲功率為 kTBBnN 0 v其中，其中，k為波耳茲

17、曼常數(shù)，為波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； T為噪聲源的噪聲溫度，單位為為噪聲源的噪聲溫度，單位為K。B為系為系 統(tǒng)帶寬為統(tǒng)帶寬為B，單位，單位Hz。 39 在實(shí)際衛(wèi)星通信中，其內(nèi)部總是會(huì)產(chǎn)生熱噪 聲或其他噪聲。為了鏈路分析和設(shè)計(jì)的方便， 把這些噪聲統(tǒng)統(tǒng)等效成熱噪聲來處理，因而 引入等效噪聲溫度Te的概念。 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生噪聲為N，如果一個(gè)輸入 匹配電阻在溫度Te時(shí)產(chǎn)生的噪聲功率剛好等 于N，則Te即為該網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。 Te是一個(gè)等效溫度，不等于環(huán)境的物理溫度。 BkTN e 40 除等效噪聲溫度外，通常噪聲系數(shù)也被用來 表示系統(tǒng)的噪聲性能。噪聲系數(shù)定義為：室 溫(290K)條

18、件下，網(wǎng)絡(luò)的輸入信噪比和輸出 信噪比的比值 噪聲溫度(Te)與噪聲系數(shù)(NF)的關(guān)系為 NF=10lg(1+Te/290)dB oo ii F NS NS N / / 41 (6) 品質(zhì)因數(shù)（G/T ） v 下行接收系統(tǒng)的性能主要通過品質(zhì)因數(shù)G/T來 體現(xiàn)。 v 定義：接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪 聲溫度的比值。 G/T=G(dB)-10lgT (dB/K) 42 星-地鏈路傳播特性 衛(wèi)星通信的電波在傳播中要受到損耗，其中 最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗 的大部分。其它損耗還有大氣、雨、云、雪、 霧等造成的吸收和散射損耗等。衛(wèi)星移動(dòng)通 信系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N陰影遮蔽(例如樹木、 建

19、筑物的遮擋等)而增加額外的損耗，固定業(yè) 務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過適當(dāng)選址避免這一 額外的損耗。 43 1 自由空間傳播損耗 自由空間傳播，是指天線周圍為無限大真空 時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。 電波在 自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所 吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。 自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡 單的傳播方式。自由空間是一個(gè)理想化的概 念，為人們研究電波傳播提供了一個(gè)簡化的 計(jì)算環(huán)境。 44 雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不 產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但 是，當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量 仍會(huì)受到衰減，這是由輻射能量的擴(kuò)散而 引起的。 電波在傳播過程中，能量將隨

20、傳輸距離的 增大而擴(kuò)散，由此引起的傳播損耗稱為鏈 路的自由空間傳播損耗。 45 經(jīng)電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)，自由空間傳播損耗Lf為 fddBL f lg20lg2044.92)( 其中，其中，d為傳播距離，單位為為傳播距離，單位為km f為工作頻率，為工作頻率，單位為單位為GHz 傳播距離傳播距離d越遠(yuǎn)，自由空間路徑損耗越遠(yuǎn)，自由空間路徑損耗Lf越越 大，當(dāng)傳播距離大，當(dāng)傳播距離d加大一倍時(shí)，自由空間加大一倍時(shí)，自由空間 路徑損耗路徑損耗Lf就增加就增加6dB。 電波頻率電波頻率f 越高，自由空間路徑損耗越高，自由空間路徑損耗Lf就就 越大，當(dāng)電波頻率越大，當(dāng)電波頻率f 提高一倍時(shí)，自由空提高一倍時(shí)，自

21、由空 間傳播損耗間傳播損耗Lf就增加就增加6 dB。 于是，若接收機(jī)與輻射源（發(fā)射機(jī)）相隔的距離為于是，若接收機(jī)與輻射源（發(fā)射機(jī)）相隔的距離為d d，接，接 收天線的有效面積為收天線的有效面積為A A，則所接收的信號(hào)載波功率，則所接收的信號(hào)載波功率p pr r為（假定為（假定 輻射源是定向輻射，其天線增益為輻射源是定向輻射，其天線增益為G Gt t） 自由空間自由空間傳播傳播損耗計(jì)算損耗計(jì)算 2 2 (4) rrtrt pp AGG P d 2 4 r AG 2 4 tt r p G p d 自由空間自由空間傳播損耗傳播損耗 在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情

22、況下（即G Gt t、G Gr r都為都為1 1） 發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作L Lf f。 于是有于是有 （二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗 2 2 22 22 2 (4)4 (4) tt f r trt ppd Ld f pc GG P d （二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗 2 2 22 2 (4)4 f d Ld f c 式中，式中，f f為電波頻率；為電波頻率；c c為電波傳播速度，約為為電波傳播速度，約為3 310108 8 m/s m/s 。 （二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗

23、 用分貝表示自由空間電波傳播損耗時(shí)，用分貝表示自由空間電波傳播損耗時(shí)，L Lf f為為 2 2 22 2 2 22 8 (4)4 10lg10lg 4 10lg10lg10lg 43.14 20lg20lg20lg 3 10 92.4420lg20lg f d Ld f c df c df df 50 自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系自由空間損耗與傳播路徑長度的關(guān)系 51 v例：衛(wèi)星和地面站之間的距離為例：衛(wèi)星和地面站之間的距離為40,000km。 計(jì)算計(jì)算6GHz時(shí)的自由空間損耗。時(shí)的自由空間損耗。 解：解： )(05.200 6lg2040000lg2044.92 lg20lg2044.9

24、2 dB fdL f 52 2 鏈路附加損耗和噪聲 衛(wèi)星通信系統(tǒng)涉及空間段和地面段，存在各 種各樣的噪聲和干擾。信號(hào)傳播過程中除自 由空間傳播損耗外，還有其它一些附加損耗。 1、 大氣吸收損耗 在大氣各種氣體中，水蒸汽、氧氣對(duì)電波的 吸收衰減起主要作用，稱為大氣吸收損耗。 53 大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系大氣吸收附加損耗與頻率的關(guān)系 H2O O2 54 如圖，總體上看，大氣吸收損耗隨頻率的 增加而加大。由于在22GHz和60GHz處有 較大的損耗峰存在，這些頻率不宜用于星- 地鏈路，但可用于星間鏈路。在0.3-l0GHz 的頻段，大氣損耗小，適合于電波傳播， 這一頻段是當(dāng)前應(yīng)用最多的頻段。3

25、0GHz 附近也有一個(gè)低損耗區(qū)，正式Ka頻段的 “無線電窗口”。 55 2、 雨衰和云霧雪的影響 由降雨引起的電波傳播損耗的增加則稱為 雨衰。雨衰是雨滴對(duì)微波能量的吸收和散 射產(chǎn)生的，并隨著頻率的增高而加大。通 常在Ku波段及其以上波段，雨衰的影響不 容忽視。 雨衰的大小與雨量大小，以及電波穿過雨 區(qū)的有效傳輸距離有關(guān)。 為保證可靠通信，在進(jìn)行鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，通 常先以晴天為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，然后留有一 定余量，以保證降雨、下雪等情況仍然滿 足通信質(zhì)量要求，這個(gè)余量叫降雨余量。 56 降雨衰減系數(shù)的頻率特性降雨衰減系數(shù)的頻率特性 57 3、大氣折射的影響 在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度 越低，對(duì)

26、電波的折射率也隨之減小，使電 磁波在大氣層中的傳播路徑出現(xiàn)彎曲。 由于折射的影響，這就使得電磁波到達(dá)衛(wèi) 星站 (或地球站 )時(shí)偏離了原來的位置。因 此，地球站對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的仰角，衛(wèi)星的可視 性都與在自由空間時(shí)不同且還產(chǎn)生附加損 耗等。相比自由空間傳播，波束上翹一個(gè) 角度增量。 大氣折射在低仰角通信時(shí)比較嚴(yán)重。 58 59 微波信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射微波信號(hào)通過大氣層時(shí)產(chǎn)生折射 60 4、電離層、對(duì)流層閃爍的影響 閃爍的概念：地球站與衛(wèi)星間的無線電波 通過電離層和對(duì)流層時(shí)，由于該層媒質(zhì)小 范圍折射率不規(guī)則的起伏變化，使地面接 收到的信號(hào)振幅與相位發(fā)生快速的起伏現(xiàn) 象，這種起伏變化稱為閃爍。 61

27、電離層閃爍形成多徑傳播電離層閃爍形成多徑傳播 62 電離層閃爍：由電離層內(nèi)電子密度的隨機(jī)不 均勻性，可使信號(hào)產(chǎn)生折射。主要對(duì)較低頻 段(1GHz以下)的電波產(chǎn)生明顯的散射和折射， 引起信號(hào)衰落。 對(duì)流層閃爍：由于對(duì)流層的溫度、濕度的逆 變或湍流運(yùn)動(dòng)，引起折射指數(shù)的不均勻性， 對(duì)電波產(chǎn)生散射。主要影響低仰角和10GHz以 上頻率，強(qiáng)度隨電波頻率的升高而增大 。 對(duì)閃爍深度大的地區(qū)，用編碼、交織、重發(fā) 等技術(shù)來克服衰落，減少閃爍的影響；其它 地區(qū)可用適當(dāng)增加儲(chǔ)備余量的方法克服閃爍 的影響。 63 5、多徑傳播 電波在移動(dòng)環(huán)境中傳輸時(shí)，會(huì)受到地形、地 物的影響而產(chǎn)生反射、繞射、散射等，從而 使電波沿

28、著各種不同的路徑傳播，到達(dá)接收 天線時(shí)，已經(jīng)成為通過各個(gè)路徑到達(dá)的合成 波，這稱為多徑傳播。 各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，接 收端多徑信號(hào)可能同相疊加，信號(hào)增強(qiáng)，也 可能反相抵消，合成信號(hào)被減弱，由此形成 的合成信號(hào)起伏不定，稱為多徑衰落。 64 地面反射形成的多徑傳播地面反射形成的多徑傳播 65 6、系統(tǒng)熱噪聲 熱噪聲，又稱白噪聲。只要傳導(dǎo)媒質(zhì)不處于 絕對(duì)零度 （-273C），其中的帶電粒子就 存在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)信號(hào)形成干擾的噪聲， 稱為熱噪聲。 熱噪聲是由導(dǎo)體中電子的熱震動(dòng)引起的，它 是溫度變化的結(jié)果，但不受頻率變化的影響。 熱噪聲是在所有頻譜中以相同的形態(tài)分布， 它是不能夠消除

29、的。 66 熱噪聲功率 kTBN k為波耳茲曼常數(shù)，為波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； T為噪聲源的噪聲溫度，單位為為噪聲源的噪聲溫度，單位為K； B為系統(tǒng)帶寬，單位為系統(tǒng)帶寬，單位Hz 。 67 7、宇宙噪聲 宇宙噪聲來自于外層空間星體的熱氣體在星 際空間的輻射，包括銀河系輻射噪聲、太陽 輻射噪聲和月球、行星等射電源輻射噪聲， 其中最主要的噪聲干擾源來自太陽。 在太陽處于寂靜期時(shí)，只要接收機(jī)的天線不 對(duì)準(zhǔn)太陽，太陽噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響不大。但 在每年的春分和秋分前后若干天，每天會(huì)有 幾分鐘時(shí)間日凌日凌中斷，造成嚴(yán)重干擾。干擾 發(fā)生的具體時(shí)間與地球站位置有關(guān)。 68 8、大氣和降雨噪聲 電

30、波穿過電離層、對(duì)流層時(shí)，水蒸氣和氧分 子的諧振會(huì)吸收電波能量而帶來附加損耗， 同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射形成噪聲，即大氣噪聲。 降雨除了衰減信號(hào)以外還引起噪聲溫度的增 加和去極化的發(fā)生，降雨引起的衰減對(duì)信號(hào) 影響較明顯，因此，一般情況下都要考慮雨 衰的影響，在進(jìn)行較精確的計(jì)算時(shí)也還要考 慮降雨噪聲和去極化等因素。 工程上，降雨噪聲和雨衰往往一并考慮，用 留有足夠系統(tǒng)余量的方法來解決。 69 9、其它噪聲干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)的其他噪聲干擾主要包括系 統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化 干擾等。 系統(tǒng)間干擾：如衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面微波通 信系統(tǒng)之間的干擾。 共道干擾：為了充分利用頻率資源，常采用 空間頻率

31、復(fù)用技術(shù)，相同頻道可能分配在指 向不同地區(qū)的兩個(gè)波束覆蓋區(qū)，但波束間的 隔離往往并不十分理想，從而產(chǎn)生共信道干 擾。 70 交叉極化干擾：為了充分利用頻率資源，衛(wèi) 星通信系統(tǒng)常采用極化隔離頻率復(fù)用技術(shù)， 即兩個(gè)波束的指向區(qū)域可能是重疊的并且使 用相同的頻率，通過使用不同的極化方式來 實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的隔離。由于極化的不完全正交 可能造成干擾，即能量從一種極化狀態(tài)耦合 到另一種極化狀態(tài)引起的干擾。這也是一種 共道干擾。在微波和波長更短的波段，去極 化主要產(chǎn)生于雨、冰晶。 71 互調(diào)干擾： 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中采用了高功率放大器(HPA, High Power Amplifier)，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波 信號(hào)

32、時(shí)，HPA可以同時(shí)放大多個(gè)載波信號(hào)(幾 個(gè)、十幾個(gè)甚至幾百個(gè)載波) 。 目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級(jí)大都采用行波管放 大器(TWTA) ，作為功放級(jí)的TWTA，是一個(gè)非 線性放大器，它的幅度特性是非線性的，交 調(diào)干擾主要是由放大器的非線性特性引起的。 72 傳播問題傳播問題物理原因物理原因主要影響主要影響 衰減和天空噪聲衰減和天空噪聲 增加增加 大氣氣體、云、雨大氣氣體、云、雨大約大約10GHz以上頻率以上頻率 信號(hào)去極化信號(hào)去極化雨、冰結(jié)晶體雨、冰結(jié)晶體C和和Ku頻段的雙極化系統(tǒng)頻段的雙極化系統(tǒng) （取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）（取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)） 折射和大氣多徑折射和大氣多徑 大氣氣體大氣氣體低仰角跟蹤和通信低

33、仰角跟蹤和通信 信號(hào)閃爍信號(hào)閃爍對(duì)流層和電離層折對(duì)流層和電離層折 射擾動(dòng)射擾動(dòng) 對(duì)流層：低仰角和對(duì)流層：低仰角和10GHz 以上頻率以上頻率 電離層：電離層：10GHz以下頻率以下頻率 反射多徑和阻塞反射多徑和阻塞 地球表面及表面上地球表面及表面上 物體物體 衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù) 傳播延遲、變化傳播延遲、變化 對(duì)流層和電離層對(duì)流層和電離層精確的定時(shí)、定位、精確的定時(shí)、定位、 TDMA系統(tǒng)系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳播問題 73 3.3 衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量 鏈路預(yù)算分析 74 PT：發(fā)射功率 Pr：電波經(jīng)自由空間傳播后的接收信號(hào)功率 Lt：發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線的波導(dǎo)傳播損耗（饋線

34、） Lr：接收天線到接收機(jī)的波導(dǎo)傳播損耗 Lf：自由空間傳播損耗 由此獲得功率平衡方程 frt rtt r LLL GGP P v若功率單位為若功率單位為dBW，損耗單位為，損耗單位為dB，則功率平衡，則功率平衡 方程可寫為方程可寫為 rrrfttt PLGLGLP 75 傳輸損耗(L) 實(shí)際衛(wèi)星通信中，除自由空間傳播損耗，此 外，還應(yīng)考慮大氣損耗、天線跟蹤誤差、極 化方向誤差等所產(chǎn)生的損耗。 總的傳輸損耗是各種損耗之和。 v定義發(fā)射機(jī)的等效全向輻射功率定義發(fā)射機(jī)的等效全向輻射功率EIRP為：為： EIRP=Pt-Lt+Gt v由此，功率平衡方程可寫為由此，功率平衡方程可寫為 rrrf PLG

35、LEIRP 76 根據(jù)前面對(duì)熱噪聲的分析，接收機(jī)的輸入噪 聲功率為 kTBBnN 0 k為波耳茲曼常數(shù)，為波耳茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K； B為系統(tǒng)的帶寬；為系統(tǒng)的帶寬； T為接收系統(tǒng)的為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度等效噪聲溫度，它包括天線、，它包括天線、 饋線和接收機(jī)在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫饋線和接收機(jī)在內(nèi)的所有噪聲的等效噪聲溫 度。以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)，將天線、饋度。以接收機(jī)輸入端為參考點(diǎn)，將天線、饋 線的噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端，并與接線的噪聲溫度折算到接收機(jī)輸入端，并與接 收機(jī)內(nèi)部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。收機(jī)內(nèi)部噪聲折算的等效噪聲溫度相加。 77 （地球站）天線噪聲主要包括

36、了由天線主瓣 進(jìn)入天線的宇宙噪聲、大氣噪聲，和由天線 旁瓣進(jìn)入的地面噪聲、大氣噪聲和太陽噪聲。 同時(shí)，下雨時(shí)還有雨的吸收噪聲。 一般來說，晴天條件下天線噪聲溫度大約在 30-50K的范圍，然而它與下列因素有關(guān)：仰 角（仰角越大，噪聲越小）；天線直徑（直 徑越大，噪聲越?。?；天氣條件（雨天噪聲 劇增，特別是10GHz以上的頻段）。 78 衛(wèi)星通信中，通常用載噪比載噪比來衡量整個(gè)鏈路 性能。 用C表示接收信號(hào)載波功率(相當(dāng)于前面的Pr)， G表示接收天線增益(相當(dāng)于前面的Gr)，N表 示接收端的噪聲功率 于是，接收信號(hào)的載噪比（載波功率與噪聲 功率之比）C/N為 kTB LLL GGP N C f

37、rt rtt 79 EIRP=PtGt L=LfLtLr 為系統(tǒng)總的傳輸損耗，G/T為接收系統(tǒng) 的品質(zhì)因數(shù)，于是，C/N化簡為 )(6 .228dBBL T G EIRP N C BLkT G EIRP kTB LLL GGP N C frt rtt 111 v以以dB為單位為單位 80 在進(jìn)行鏈路預(yù)算分析時(shí)，為了避免涉及接收 機(jī)的帶寬，也常用載波功率與等效噪聲溫度 之比C/T反映系統(tǒng)的性能 T G L EIRP T G LLL EIRP TC frt / v式中，式中，L=LfLtLr 為總的傳輸損耗，為總的傳輸損耗，G/T為接為接 收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，它是評(píng)價(jià)接收機(jī)性能收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，它是

38、評(píng)價(jià)接收機(jī)性能 好壞的重要參數(shù)，好壞的重要參數(shù)，G/T越大，接收性能越好。越大，接收性能越好。 )/(L T G EIRPKdB T C 81 不同類型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)G/T的要求有較 大差異。例如 國際衛(wèi)星七號(hào)（IS-）的工作于全球波束的 空間站G/T值為-11.5dB/K，天線仰角大于5度 的A型標(biāo)準(zhǔn)地球站，在晴天的G/T值應(yīng)滿足： G/T40.7+20lg(f/4)。 歐洲通信衛(wèi)星（EUTELSAT）是區(qū)域性波束 覆蓋，空間站G/T值為-5.3dB/K，而對(duì)地球站 G/T的要求為37.7 dB/K +20lgf/4。 衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面移動(dòng)終端天線增益通常 只有12dB，G/T在-22

39、-23 dB/K左右。 82 例：假設(shè)衛(wèi)星鏈路的傳播損耗為200dB，余 量和其它損耗總計(jì)為 3dB，接收機(jī)的G/T值 為11dB/K，EIRP值為45dBW。計(jì)算系統(tǒng)接 收到的C/N值。（假設(shè)帶寬為36MHz） 解：解： kTBLLL GEIRP NC frt / )(04. 6 56.756 .22832001145 / dB BkLTGEIRPNC 83 例：載波頻率12GHz，自由空間損耗206dB， 天線指向損耗1dB，大氣損耗2dB，接收機(jī)的 G/T值為19.5dB/K，接收機(jī)饋線損耗1dB。 EIRP為48dBW。計(jì)算載噪比。（假設(shè)帶寬為 10MHz） 解：解： )(1 .16

40、706 .2281212065 .1948 / dB BkLTGEIRPNC 84 例：已知IS-IV號(hào)衛(wèi)星工作在C波段，衛(wèi)星和 地球站相距d=40000km，作點(diǎn)波束1872路運(yùn) 用時(shí)，其有效全向輻射功率EIRPS=34.2dBW， 接收天線增益GRS=16.7dB。又知某地球站有 效全向輻射功率EIRPE=98.6dBW，接收天線 增益GRE=60.0dB。接收饋線損耗LF=0.05dB。 試計(jì)算衛(wèi)星接收機(jī)輸入端的載波接收功率Cs 和地球站接收機(jī)輸入端的載波接收功率CE。 85 解：距離解：距離d=40000km， C波段上行鏈路工作波段上行鏈路工作 頻率為頻率為6GHz，下行鏈路工作頻率為，下行鏈路工作頻率為4GHz， 則上行鏈路自由空間傳播損耗為則上行鏈路自由空間傳播