链路传输工程教学课件PPT.ppt

2019 12 21 1 第2章链路传输工程 2019 12 21 2 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 2019 12 21 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的各种影响所确定 2019 12 21 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 热层 热电离层 thermosphere 80 500km 中间层 mesosphere 50 80km 平流层 stratosphere 16 50km 对流层 troposphere 7 16km 外逸层 exosphere 500 64 374km 2019 12 21 5 卫星通信系统的传播问题 2019 12 21 6 卫星通信系统的主要技术参数 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 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 2019 12 21 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 2 3 式中 a是天线口面的有效面积 m2 是工作波长 m 为天线效率 ae为接收天线有效面积 其中 c f c为光速 取值为3 108 m s 2019 12 21 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 2019 12 21 9 一 星 地链路传播特性 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 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 2019 12 21 10 图2 1以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量 2019 12 21 11 图2 2自由空间损耗与传播路径长度的关系 2019 12 21 12 图2 4静止卫星与地球站的通信距离关系曲线 2019 12 21 13 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 2019 12 21 14 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 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 d为传播距离 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 2019 12 21 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 lf 92 44 20lg42000 20lg6 200 46 db 2019 12 21 16 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 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 2019 12 21 17 例三卫星的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 地面站的功率密度为 2019 12 21 18 接收信号功率的计算公式 若接收信号的有效接收面积为a 则接收到的功率为 若用接收天线增益 式2 3 来表示 上式可以改写为 2019 12 21 19 链路附加损耗 大气吸收损耗雨衰大气折射的影响电离层闪烁和多径 2019 12 21 20 链路附加损耗 1 大气吸收损耗在大气各种气体中 水蒸汽 氧气对电波的吸收衰减起主要作用 水蒸汽的第一吸收峰在22ghz 氧气在60ghz 35 80ghz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 由于在22ghz和60ghz处有较大的损耗峰存在 这些频率不宜用于星 地链路 但可用于星间链路 总体上 大气吸收损耗随频率的增加而增大 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 2019 12 21 21 大气吸收附加损耗与频率的关系 2019 12 21 22 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 的传播路径上的降雨衰减量为 lr r lr r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 是降雨地区的等效路径长度 定义为当仰角为 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 2019 12 21 23 图2 6不同仰角时的雨衰频率特性 2019 12 21 24 降雨衰减系数 r的频率特性 2019 12 21 25 降雨地区的等效路径长度 2019 12 21 26 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 2019 12 21 27 图2 7微波信号通过大气层时产生折射 2019 12 21 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 2019 12 21 29 电离层闪烁形成多径传播 2019 12 21 30 图2 8地面反射形成的多径传播 2019 12 21 31 二 卫星移动通信链路特性 多径衰落 电波在移动环境中传播时 会遇到各种物体 经反射 散射 绕射 到达接收天线时 已经成为通过各个路径到达的合成波 各传播路径分量的幅度和相位各不相同 因此合成信号起伏大 称为多径衰落 阴影衰落 电波途经建筑物 树木等时受到阻挡被衰减 这种阴影遮蔽对陆地卫星移动通信系统的电波传播影响很大 卫星移动信道的分析模型 经验模型 几何分析模型 概率分布模型 经验模型不能揭示传播过程的物理本质 但可以描述出对重要参数的敏感度 几何分析模型用几何分析的方法 能预测单个或多个散射源的作用 解释衰落机制 但需将结果扩展到实际的复杂情况 概率分布模型建立了对传播过程的理解 对实际情况作了简化假设 下面基于概率模型来描述卫星移动通信信道的电波传播特性 2019 12 21 32 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 服从rician分布 相位服从 0 2 的均匀分布 r t 可以表示为 其中和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 是电压的标准差 2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 2019 12 21 33 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 的均匀分布 r1 t 可以表示为 其中 yc t 和ys t 是互为正交的对数高斯过程 其特性由均值 和方差 2确定 莱斯信道的莱斯因子k和对数正态莱斯信道的均值 和方差 2都与用户对卫星的仰角有关 在农村树木遮蔽条件下 k 和 2可用下面的经验公式进行计算 2019 12 21 34 2 13 式中的参数k0 k1 由表2 1给出 表2 1经验公式 2 13 中的参数值 2019 12 21 35 图2 9不同仰角时接收电平累积分布 2019 12 21 36 表2 2接收信号有效性分别为90 95和99 时的余量 2019 12 21 37 rayleigh概率密度函数 rayleigh概率密度函数是rician分布的特殊情况 即当没有直射波分量 z 0 时 接收信号全部由多径信号组成 其信号包络r的概率密度函数为 2019 12 21 38 lognormal概率密度函数 卫星与地面站之间的直射波被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时 要出现阴影衰落 此时的电压变量是由于阴影而成为lognormal的 随机变量z的概率密度函数为 和d0分别是lnz的均值和方差 2019 12 21 39 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 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 为卫星与用户之间的连线与速度v方向的夹角 2019 12 21 40 三 天线的方向性和电极化问题 天线增益和方向图天线增益通常是指最大辐射方向上信号功率增加的倍数 天线方向图可以描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况 方向图的主要参数是主瓣的半功率角 0 5 单位为度 常称为波束宽度 对于抛物面天线 其近似估算公式为 其中 d为抛物面天线的口面直径 单位为m n是一个与场分布图在天线口面上的分布规律有关的常数 当场在天线口面上呈均匀分布时 n 58 当场在天线口面上呈锥形分布时 n 70 锥形分布是指场分布图在天线口面上从中心向四周逐渐减弱的分布 即口面中心的场强最强 而边缘的场强最弱 2019 12 21 41 2019 12 21 42 为以主瓣中心轴线为参考的方向角 而j1 为第一类一阶贝塞尔函数 对于同相均匀激励的圆口径天线来说 方向图可用下式表示 2019 12 21 43 图2 12泄漏对地面微波系统产生干扰 2019 12 21 44 天线的极化隔离一般情况下 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 从天线顺着电波传播方向看 若电场矢量顺时针旋转 称为右旋 若逆时针旋转 称为左旋 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 2 轴比 3 倾角 长轴相对于基轴的倾角 圆极化和线极化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 任何一种极化方式 极化波矢量都可以分解为相互正交的两个分量 对于圆极化波 分解为左旋和右旋两个极化波矢量 对于线极化波 分解为水平极化和垂直极化两个分量 2019 12 21 45 理论上两个正交极化波是完全隔离的 一个天线可以配置两个接收或发送端口 每个端口只与一个极化波匹配 而与另一个极化波正交 在卫星通信系统中 由于实际收 发设备的误差以及电波传播过程中降雨的去极化作用等因素的影响 发送波的极化方向与接收端所要求的极化方向有误差 这将引起两个结果 首先 接收的正交分量将有泄漏 并对匹配接收的有用信号形成干扰 其次 匹配接收信号将因误差而有所减小 称为极化损耗 2019 12 21 46 图2 13由馈源喇叭形成的垂直和水平极化波 电波传播方向 电波传播方向 2019 12 21 47 四 噪声与干扰 系统热噪声宇宙噪声外部环境干扰其他干扰 2019 12 21 48 系统热噪声 系统热噪声热噪声 只要传导媒质不处于绝对温度的零度 其中的带电粒子就存在随机运动 产生对信号形成干扰的噪声 称为热噪声 噪声功率谱密度n0 其中 k为波耳兹曼常数 1 38 10 23j k t为噪声源的噪声温度 单位为k 噪声的功率谱密度与频率无关 为白噪声 网络输出噪声功率n0 其中 t0是输入匹配电阻的噪声温度 te称为网络的等效噪声温度 a为网络增益 b为网络的带宽 2019 12 21 49 等效噪声温度与噪声系数 天线噪声温度 天线噪声温度是衡量通过天线进入接收机的噪声量的一个指标 通过对所有来自外部噪声源的噪声分量进行积分求得 噪声温度 随着损耗的增加 辐射噪声也相应增加 大气对地球站天线噪声温度的影响可以用下式计算 其中 ts为天线接收到的天电噪声温度 k tm为传播媒质的有效温度 k l为路径损耗 db 噪声系数nf 定义为输入信噪比与输出信噪比的比值 网络的等效噪声温度te可以表示为 2019 12 21 50 有耗无源网络 馈线等 的等效噪声温度 在输入 输出端匹配的情况下 输出端负载得到的噪声功率no为 同时输出噪声功率还可以表示为输入噪声功率对输出的贡献 加上网络内部噪声对输出的贡献 假设无源网络的损耗为lf 增益为a 1 lf 则网络输出噪声功率为 等效噪声温度 特指损耗lf的温度 te改用tf表示 为 无源有耗网络的噪声系数为 2019 12 21 51 级联网络的等效噪声温度 n个级联网络的输出噪声功率分别为 其中 t为输入端噪声温度 和级联的n个网络的增益和等效噪声温度 n级网络输出噪声功率为 a1 a2 an 输出 输入 2019 12 21 52 n级网络的输出噪声功率也可以表示为 其中 a0 1 2019 12 21 53 n级网络总的等效噪声温度为 各级网络的内部噪声对总的等效噪声温度的贡献均要折算到系统的输入端 第k级网络内部噪声对总的等效噪声温度的贡献为 2019 12 21 54 一个由n级放大器级联而成的网络 其等效噪声温度也可以表示为 n级级联网络的噪声系数为 其中 fn是第n级放大器的噪声系数 2019 12 21 55 例四两个放大器级联 每个有10db的增益 噪声温度200k 计算总增益和相对输入的等效噪声温度 解 总增益为 g g1 g2 20 db 而相对输入的等效噪声温度为 2019 12 21 56 宇宙噪声 宇宙噪声来自于外层空间星体的热气体在星际空间的辐射 其中最主要的噪声干扰源来自太阳 太阳寂静期的噪声温度 天线增益53db 2019 12 21 57 其他干扰 卫星通信系统内的其他噪声干扰主要包括系统间干扰 共道干扰 互调干扰 交叉极化干扰等 系统间干扰 如卫星通信系统与地面微波通信系统之间的干扰共道干扰 为了充分利用频率资源 常采用空间频率复用技术 相同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区 但波束间的隔离往往并不十分理想 从而产生共信道干扰 交叉极化干扰 为了充分利用频率资源 卫星通信系统常采用极化隔离频率复用技术 即两个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同的频率 通过使用不同的极化方式来实现信号间的隔离 由于极化的不完全正交可能造成干扰 即能量从一种极化状态耦合到另一种极化状态引起的干扰 这也是一种共道干扰 互调干扰 当转发器用于转发多载波信号时 总是希望转发器有较高的功率效率 但高效率的功放可能产生较明显的非线性 使各载波信号之间形成互调干扰 2019 12 21 58 五 卫星通信的全链路质量 链路预算分析接收系统的等效噪声温度全链路传输质量 2019 12 21 59 链路预算分析 图2 15链路单元与功率平衡方程 2019 12 21 60 电波经自由空间传播后的接收信号功率pr 若考虑发射机到发射天线的波导传播损耗 馈线 lt和接收天线到接收机的波导传播损耗lr 则接收信号功率为 2019 12 21 61 接收机的输入噪声功率可以表示为 t为接收系统的等效噪声温度 它包括从天线进入接收机的噪声的等效噪声温度和接收机内部噪声折算至其输入端的等效噪声温度 k为波耳兹曼常数 b为系统的带宽 接收信号的载噪比c n为 其中 c为接收载波功率 n表示接收端的噪声功率 c eirp g lfltlr n kbt g为接收天线增益 2019 12 21 62 除载噪比c n作为系统的重要参数以外 也常用载波功率与等效噪声温度之比c t反映系统的性能 其中 c eirp g l l lfltlr g t为接收系统的品质因素 不同类型的卫星通信系统 对g t的要求有较大差异 例如 国际卫星七号 is 的工作于全球波束的空间站g t值为 11 5db k 而天线仰角大于5度的a型标准地球站 在晴天的g t值应满足 g t 40 7 20lg f 4 欧洲通信卫星 eutelsat 是区域性波束覆盖 空间站g t值为 5 3db k 而对地球站g t的要求为37 7db k 20lgf 4 卫星移动通信的地面移动终端天线增益通常只有1 2db g t在 22 23db k左右 2019 12 21 63 接收系统的等效噪声温度 图2 16接收系统噪声温度计算图 2019 12 21 64 接收系统的等效噪声温度 包括天线 馈线和接收机在内的所有噪声的等效噪声温度 以接收机输入端为参考点 将天线 馈线的噪声温度折算到接收机输入端 并与接收机的等效噪声温度相加 地球站 天线噪声主要包括了由天线主瓣进入天线的宇宙噪声 大气噪声 和由天线旁瓣进入的地面噪声 大气噪声和太阳噪声 同时 下雨时还有雨的吸收噪声 一般来说 晴天条件下天线噪声温度大约在30 50k的范围 然而它与下列因素有关 仰角 仰角越大 噪声越小 天线直径 直径越大 噪声越小 天气条件 雨天噪声剧增 特别是10ghz以上的频段 天线的噪声温度用ta表示 它是在馈线的输入端的数值 假设馈线损耗为lf 则将其折算到馈线输出端 即接收机输入端时 其等效值tae为 2019 12 21 65 假定馈线环境温度为t0 根据式 2 33 可得馈线的噪声温度 由于馈线噪声已折算到其输入端 此时馈线已为无噪声的理想馈线 其输入和输出的信噪比相等 与噪声功率成比例的噪声温度折算到其输出端后为tfe 1 1 lf t0 2 34 若接收机等效噪声温度为tre 接收机的等效噪声温度tre主要由接收机的前级低噪声放大器lna确定 则整个接收系统的等效噪声温度t为 2019 12 21 66 全链路传输质量 卫星通信系统全链路的传输质量主要决定于上行和下行链路的载波 功率 与噪声温度之比 对于上 下行链路 分别有 2 36 和 2 37 中 eirp e和 eirp s分别为地球站和卫星的等效全向辐射功率 g t s和 g t e分别为卫星接收系统和地球站接收系统的品质因素 lu和ld分别为上行链路和下行链路的传输损耗 2019 12 21 67 当卫星转发器的行波管放大器 twta 同时放大多个载波时 将产生互调噪声 其影响也用载波噪声温度比 c t i来表示 互调噪声的大小与载波数目 各载波间的相对电平 频率配置方案和行波管工作点有关 全链路传输质量的载波噪声温度比c t为 其中 c t为全链路传输的载波噪声温度比 总的等效噪声温度t为各部分的噪声温度之和 链路余量 2 38 式右端增加一项作为系统的余量 规定链路实际信噪比高于门限信噪比 链路预算的任务有两类 在选定空间转发器和地球站设备的情况下 验证系统能否满足用户的使用要求 或者 在已知空间站或地球站部分参数的条件下 根据实际应用的技术要求 确定对设备另一部分指标的要求 如地球站天线尺寸 接收机噪声性能等 2019 12 21 68 链路预算实例 ku波段dth系统下行链路预算已知条件 卫星发射功率为250w 天线增益为30dbi 传输带宽为27mhz 地面为小型单收站 ro 其天线直径为45cm 等效噪声温度假定为140k 2019 12 21 69 c波段多载波系统链路预算 1 上行链路频率为6ghz 传送距离假定为38607km 仰角30 上行链路自由空间传播损耗为 假定 地球站eirp 85dbw 卫星接收机g t 11 6db k 则上行链路的c t值 2 下行链路频率为4ghz 传送距离仍为38607km 则下行链路的自由空间传播损耗为 2019 12 21 70 假定卫星饱和eirp 26dbw 考虑到转发器工作在多载波情况 为减小互调干扰 卫星实际工作的eirp为20dbw 假定地球站g t 41db k 则下行链路c t值为 对于多载波工作的转发器 典型的互调噪声 c t im为 131 7dbw k 而上 下链路受到的其他干扰的 c t i典型值为 130 5dbw k 全链路的c t值为 2019 12 21 71 在确定系统带宽b后 可求得接收信 载 噪比c n 噪声功率n kbt 接收站的载波功率为c eirp g lfltlr 则载波噪声功率比c n为 则 那么c n c t k b 138 05 228 6 65 56 24 99db 2019 12 21 72 因为 其中 噪声功率为n ktb 噪声功率谱密度为n0 kt 则载噪比频谱密度c n0为 2019 12 21 73 例五假设卫星链路的传播损耗为200db 余量和其它损耗总计为3db 接收机的 g t 值为11db k eirp值为45dbw 计算系统接收到的 c n 值 假设带宽为36mhz 解 2019 12 21 74 例六载波频率12ghz 自由空间损耗206db 天线指向损耗1db 大气损耗2db 接收机的g t值为19 5db k 接收机馈线损耗1db eirp为48dbw 计算载噪比频谱密度 解 载噪比频谱密度为 2019 12 21 75 六 信道对传输信号的损害 通信系统中 实际的非理想信道会对传输信号造成损害 这种损害不是由于噪声或外部干扰造成的 而是由于信道的线性失真和非线性失真所引起的 由于系统特性而产生的失真称为线性失真 与信号本身幅度无关 输出信号与输入信号之间保持线性关系 传输函数只与频率或时间有关 信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时称为非线性失真 传输函数是输入信号幅度的函数 信道的线性失真包括幅度频率失真和相位频率失真 前者是在信号带宽内 信道不能提供平坦的增益特性 而相位频率失真是由于相频特性的非线性产生的 即在带内不能提供平坦的群延时特性 调相信号在通过滤波器时 其包络的传播时间延迟称作时间延迟或群延时 非线性失真主要由功率放大器 特别是星载行波管放大器twta 产生 信道的非线性失真分为幅度非线性失真和相位非线性失真 2019 12 21 76 线性失真与非线性失真的