無線通信技術

1、第三章第三章 鏈路傳輸工程鏈路傳輸工程 3.1 星星-地鏈路傳輸特性地鏈路傳輸特性傳播損耗：傳播損耗： 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收和散射損耗耗 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還會因為受到某種陰影遮蔽(例如樹木、建筑物的遮擋等例如樹木、建筑物的遮擋等)而增加額外的損而增加額外的損耗耗 3.1.1 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單自由空間電波傳播是無線電波最基本、最簡單的傳播方式。的傳播方式。 若以若以 db為單位，則為單位，則lf可以表示為：可以表示

2、為： lf=92.44+20lgd+20lgf 其中，其中，d的單位為的單位為km，f的單位為的單位為ghz。下面兩圖分別給出了自由空間傳播損耗與傳播下面兩圖分別給出了自由空間傳播損耗與傳播路徑長度的關系圖和距離為路徑長度的關系圖和距離為36000 km時自由空時自由空間傳播損耗隨頻率變化的關系曲線。間傳播損耗隨頻率變化的關系曲線。 例題例題 衛(wèi)星和地面站之間的距離為衛(wèi)星和地面站之間的距離為42,000km。計算。計算6ghz時的自由空間損耗：時的自由空間損耗： 解：由書上公式（解：由書上公式（38），）， fsl=(92.4+20log42000+20log6)=200.4db3.1.2 鏈

3、路附加損耗鏈路附加損耗 大氣吸收損耗大氣吸收損耗 雨衰雨衰 折射、散射與反射、電離層閃爍與多徑等引起折射、散射與反射、電離層閃爍與多徑等引起的附加損耗。的附加損耗。鏈路附加損耗鏈路附加損耗 大氣分層大氣分層 地球大氣層的結(jié)構(gòu)地球大氣層的結(jié)構(gòu) 對流層：地面上對流層：地面上 0 10 km 平流層：約平流層：約10 60 km 電離層：約電離層：約60 400 km地 面對流層平流層電離層10 km60 km0 km1. 大氣吸收損耗大氣吸收損耗 在大氣各種氣體中，氧氣、水蒸汽對電波的吸在大氣各種氣體中，氧氣、水蒸汽對電波的吸收衰減起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰在收衰減起主要作用，水蒸汽的第一吸收

4、峰在223ghz，氧氣在，氧氣在60ghz(5070ghz間間)。對。對非常低的水蒸汽密度，衰減可假定與水蒸汽密非常低的水蒸汽密度，衰減可假定與水蒸汽密度成正比。度成正比。在在0.3l0ghz的頻段，的頻段，大氣損耗小，適合于電大氣損耗小，適合于電波傳播，這一頻段是當波傳播，這一頻段是當前應用最多的頻段。前應用最多的頻段。30ghz附近也有一個低附近也有一個低損耗區(qū)。損耗區(qū)。2.2.雨衰雨衰 產(chǎn)生：產(chǎn)生：雨滴雨滴的的吸收吸收和和散射散射。 影響：影響：雨滴會吸收入射電波的一部分電能，雨滴會吸收入射電波的一部分電能，轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，同時又把部分電波能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，同時又把部分電波能量散射到

5、周圍空間，即雨滴變成了二次輻量散射到周圍空間，即雨滴變成了二次輻射源。射源。雨衰的產(chǎn)生及影響雨衰的產(chǎn)生及影響 2 2 不同波段信號受雨衰的影響不同波段信號受雨衰的影響 雨衰的大小取決于雨滴直徑和電磁波的波長雨衰的大小取決于雨滴直徑和電磁波的波長 當其當其波長遠大于雨滴的直徑波長遠大于雨滴的直徑時，降雨衰減差不多時，降雨衰減差不多是由吸收引起的，而是由吸收引起的，而當雨滴直徑增加或者波長較當雨滴直徑增加或者波長較短短時，散射引起的衰減較大。時，散射引起的衰減較大。 仰角為仰角為的傳播路徑上的降雨衰減量為：的傳播路徑上的降雨衰減量為：lr=rlr() r是降雨衰減系數(shù)，定義為由雨滴引起的單位是降雨

6、衰減系數(shù)，定義為由雨滴引起的單位長度上的衰減，單位長度上的衰減，單位dbkm。 lr()是降雨地區(qū)的等效路徑長度。是降雨地區(qū)的等效路徑長度。3 3 降雨衰減量計算降雨衰減量計算3.大氣折射的影響大氣折射的影響 在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對電在大氣層中，離地球表面越高，空氣密度越低，對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。出現(xiàn)彎曲。 4.電離層、對流層閃爍電離層、對流層閃爍 電離層、對流層中電離層、對流層中電子密度的隨機不均勻性電子密度的隨機不均勻性，造成了，造成了穿越其中的電波的散射。穿越其中的電波的散射

7、。5 多徑多徑 地面或環(huán)境設施地面或環(huán)境設施( (包括建筑物和樹木等包括建筑物和樹木等) )對對信號的反射，可形成多徑傳播。對于天線信號的反射，可形成多徑傳播。對于天線高度低、增益小的移動終端更容易出現(xiàn)這高度低、增益小的移動終端更容易出現(xiàn)這樣的情況，如圖樣的情況，如圖3-63-6所示。所示。 信號通過多徑信道到達接收端時，由于不同信號通過多徑信道到達接收端時，由于不同路徑的信號延時不一樣，接收端多徑信號可路徑的信號延時不一樣，接收端多徑信號可能同相疊加，合成信號增強；也可能各多徑能同相疊加，合成信號增強；也可能各多徑信號反相抵消，合成信號被減弱，從而形成信號反相抵消，合成信號被減弱，從而形成信

8、號的衰落。信號的衰落。3.2 衛(wèi)星移動通信鏈路特性衛(wèi)星移動通信鏈路特性 向用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的移動通信服務調(diào)制方式、多址訪問方式、編碼方式信道傳播特性信道傳播特性1.rician傳播模型傳播模型 接收信號由建筑物、樹木或其它反射物形成的接收信號由建筑物、樹木或其它反射物形成的反射波構(gòu)成的多徑信號分量與直射波信號分量反射波構(gòu)成的多徑信號分量與直射波信號分量合成。合成。包絡包絡r(t)服從服從 分布，分布， 相位服從相位服從的均勻分布，的均勻分布，r(t)可表示為可表示為rician)()2exp()(202222zrizrrrfr概率密度函數(shù)曲線概率密度函數(shù)曲線 (z =1, = 2.4) )()

9、2exp()(202222zrizrrrfrr-接收信號的包絡接收信號的包絡z-直射波信號的幅度直射波信號的幅度2-平均多徑功率平均多徑功率 -是第一類零階修正貝塞爾函是第一類零階修正貝塞爾函數(shù)數(shù))(0 xi 2.rayleigh傳播模型傳播模型 rayleigh密度是密度是rician分布的特殊情況，即當沒有直射分布的特殊情況，即當沒有直射分量分量(z0)時，接收信號全部由多徑信號組成，其信號時，接收信號全部由多徑信號組成，其信號包絡包絡r的概率密度函數(shù)為：的概率密度函數(shù)為：)2exp()(222rrrfr式中，式中， 是平均多徑功率。是平均多徑功率。 2)2exp()(222rrrfr瑞利

10、分布的概率密度瑞利分布的概率密度 信號包絡低于信號包絡低于的概率為的概率為 39. 01)(210edrrp 3.lognormal傳播模型傳播模型 衛(wèi)星與地面站之間的直射信號被路邊的樹木或衛(wèi)星與地面站之間的直射信號被路邊的樹木或其它障礙物吸收或散射掉時，陰影效應出現(xiàn)。其它障礙物吸收或散射掉時，陰影效應出現(xiàn)。此時的信號包絡此時的信號包絡r由于陰影而成為由于陰影而成為lognormal的。的。概率密度函數(shù)曲線（概率密度函數(shù)曲線（ ）1 . 0, 5 . 10d 2)(lnexp21)(020drdrrfr其中，其中， 和和 分別是分別是 的均的均值和方差。值和方差。rln0d 1. 天線方向圖：

11、天線方向圖：描述天線在整個空間內(nèi)輻射描述天線在整個空間內(nèi)輻射功率的分布情況。功率的分布情況。方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。 3.3 天線的方向性和電極化問題天線的方向性和電極化問題 天線方向圖的主要參數(shù)天線方向圖的主要參數(shù): : 主瓣的半功率角（波束寬度）主瓣的半功率角（波束寬度）在主瓣最大輻射方向兩在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強度降低側(cè)，輻射強度降低 3 db（功率密度降低一半）（功率密度降低一半）的兩點間的夾角。的兩點間的夾角。 波束寬度越窄，方向性越好，作用距離波束寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強。越遠，抗干擾能力越強

12、。 d705 . 0 通過副瓣發(fā)送的某些功率，可能對其他無線電通過副瓣發(fā)送的某些功率，可能對其他無線電系統(tǒng)形成干擾；反之，它本身也可能接收到由系統(tǒng)形成干擾；反之，它本身也可能接收到由其他站發(fā)出、其他站發(fā)出、 通過副瓣進來的干擾信號。通過副瓣進來的干擾信號。注意 喇叭天線（喇叭天線（horn）3.4 噪聲干擾噪聲干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)涉及空間段和地面段，存在有各衛(wèi)星通信系統(tǒng)涉及空間段和地面段，存在有各種各樣的噪聲和干擾，主要包括種各樣的噪聲和干擾，主要包括系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲、宇宙噪聲宇宙噪聲和和外部環(huán)境干擾外部環(huán)境干擾等。等。 3.4.1 系統(tǒng)熱噪聲系統(tǒng)熱噪聲 熱噪聲熱噪聲 通信系統(tǒng)中使用的所有有

13、源器件都會產(chǎn)生熱噪通信系統(tǒng)中使用的所有有源器件都會產(chǎn)生熱噪聲。只要傳導媒質(zhì)不處于熱力學溫度的零度，聲。只要傳導媒質(zhì)不處于熱力學溫度的零度，其中的帶電粒子就存在隨機運動，產(chǎn)生對信號其中的帶電粒子就存在隨機運動，產(chǎn)生對信號形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。噪聲的大小以形成干擾的噪聲，稱為熱噪聲。噪聲的大小以功率譜密度功率譜密度n0來量度，它與溫度有關：來量度，它與溫度有關： 其中：其中：k為波爾茲曼常數(shù)（為波爾茲曼常數(shù)（1.380541023”焦耳焦耳k），計算中常取為），計算中常取為-2286dbwkhz；t為噪聲源的噪聲溫度。為噪聲源的噪聲溫度。 注意：注意：噪聲的功率譜密度與頻率無關，為白噪噪聲的

14、功率譜密度與頻率無關，為白噪聲。聲。ktn 03.4.2 宇宙噪聲宇宙噪聲 宇宙噪聲源自外層空間，是由恒星和星際物宇宙噪聲源自外層空間，是由恒星和星際物質(zhì)的熱氣體輻射的。質(zhì)的熱氣體輻射的。太陽太陽 對于低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，星座的運行可對于低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，星座的運行可使太陽處于某些星際鏈路的延長線上，此時太使太陽處于某些星際鏈路的延長線上，此時太陽在某衛(wèi)星天線的前向視角內(nèi)，其干擾將阻塞陽在某衛(wèi)星天線的前向視角內(nèi)，其干擾將阻塞該鏈路，甚至對靈敏的光接收機前端造成物理該鏈路，甚至對靈敏的光接收機前端造成物理性損害，若空間網(wǎng)某些鏈路被阻塞，將影響空性損害，若空間網(wǎng)某些鏈路被阻塞，將影響空中

15、網(wǎng)的路由選擇。中網(wǎng)的路由選擇。衛(wèi)星通信網(wǎng)的連接拓撲衛(wèi)星通信網(wǎng)的連接拓撲3.4.3 外部環(huán)境干擾外部環(huán)境干擾 外部環(huán)境干擾主要包括大氣噪聲、降雨噪聲、外部環(huán)境干擾主要包括大氣噪聲、降雨噪聲、地面噪聲。地面噪聲。 3.4.3 其他干擾其他干擾 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的其他干擾主要包括：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的其他干擾主要包括：系統(tǒng)間干系統(tǒng)間干擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾擾、共道干擾、互調(diào)干擾、交叉極化干擾等。等。 圖圖3-8示出了典型的在衛(wèi)星天線方向上與共用頻示出了典型的在衛(wèi)星天線方向上與共用頻段的地面微波系統(tǒng)之間產(chǎn)生干擾的情況。為了段的地面微波系統(tǒng)之間產(chǎn)生干擾的情況。為了避免系統(tǒng)間的嚴重干擾，國際電聯(lián)對衛(wèi)星

16、發(fā)射避免系統(tǒng)間的嚴重干擾，國際電聯(lián)對衛(wèi)星發(fā)射功率、天線的方向性、工作條件等作出了相應功率、天線的方向性、工作條件等作出了相應的規(guī)定。的規(guī)定。(系統(tǒng)間干擾系統(tǒng)間干擾1) 不同衛(wèi)星系統(tǒng)地球站之間的干擾和相鄰衛(wèi)星之不同衛(wèi)星系統(tǒng)地球站之間的干擾和相鄰衛(wèi)星之間的干擾也可能出現(xiàn)。為此，在天線旁瓣的抑間的干擾也可能出現(xiàn)。為此，在天線旁瓣的抑制、指向精度的控制，地球站的選址和站間距制、指向精度的控制，地球站的選址和站間距離、衛(wèi)星位置精度保持等方面也有相應的限制。離、衛(wèi)星位置精度保持等方面也有相應的限制。(系統(tǒng)間干擾系統(tǒng)間干擾2) 為了充分利用頻率資源，提高系統(tǒng)得頻率再利為了充分利用頻率資源，提高系統(tǒng)得頻率再利用率，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩用率，相同頻道可能分配在指向不同地區(qū)的兩個波束覆蓋區(qū)，或利用相互正交的極化方式來個波束覆蓋區(qū)，或利用相互正交的極化方式來隔離同頻信道。隔離同頻信道。 (共道干擾共道干擾) 當轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時，互調(diào)干擾是當轉(zhuǎn)發(fā)器用于轉(zhuǎn)發(fā)多載波信號時，互調(diào)干擾是需要考慮的問題。由于總是希望星載轉(zhuǎn)發(fā)器有需要考慮的問題。由于總是希望星載轉(zhuǎn)發(fā)器有較高的功率效率，但高效率的功放可能產(chǎn)生較較高的功率效率，但高效率的功放可能產(chǎn)生較明顯的非線性，使各載波信道的信號之間形成明顯的非線性，使各載波信道的信號之間形成互調(diào)干