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第三章链路传输工程 3 1星 地链路传输特性传播损耗 自由空间传播损耗大气 雨 云 雪 雾等造成的吸收和散射损耗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 3 1 1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 若以dB为单位 则Lf可以表示为 Lf 92 44 20lgd 20lgf其中 d的单位为km f的单位为GHz 下面两图分别给出了自由空间传播损耗与传播路径长度的关系图和距离为36000km时自由空间传播损耗随频率变化的关系曲线 例题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 由书上公式 3 8 FSL 92 4 20log42000 20log6 200 4dB 3 1 2链路附加损耗 大气吸收损耗雨衰折射 散射与反射 电离层闪烁与多径等引起的附加损耗 链路附加损耗 大气分层 地球大气层的结构对流层 地面上0 10km平流层 约10 60km电离层 约60 400km 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 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 雨衰 产生 雨滴的吸收和散射 影响 雨滴会吸收入射电波的一部分电能 转换为热能消耗掉 同时又把部分电波能量散射到周围空间 即雨滴变成了二次辐射源 雨衰的产生及影响 2不同波段信号受雨衰的影响 雨衰的大小取决于雨滴直径和电磁波的波长当其波长远大于雨滴的直径时 降雨衰减差不多是由吸收引起的 而当雨滴直径增加或者波长较短时 散射引起的衰减较大 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 3降雨衰减量计算 3 大气折射的影响在大气层中 离地球表面越高 空气密度越低 对电波的折射率也随之减小 使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲 4 电离层 对流层闪烁电离层 对流层中电子密度的随机不均匀性 造成了穿越其中的电波的散射 5多径 地面或环境设施 包括建筑物和树木等 对信号的反射 可形成多径传播 对于天线高度低 增益小的移动终端更容易出现这样的情况 如图3 6所示 信号通过多径信道到达接收端时 由于不同路径的信号延时不一样 接收端多径信号可能同相叠加 合成信号增强 也可能各多径信号反相抵消 合成信号被减弱 从而形成信号的衰落 3 2卫星移动通信链路特性 向用户提供优质可靠的移动通信服务 1 Rician传播模型 接收信号由建筑物 树木或其它反射物形成的反射波构成的多径信号分量与直射波信号分量合成 包络r t 服从分布 相位服从的均匀分布 r t 可表示为 概率密度函数曲线 z 1 2 4 r 接收信号的包络z 直射波信号的幅度 2 平均多径功率 是第一类零阶修正贝塞尔函数 2 Rayleigh传播模型Rayleigh密度是Rician分布的特殊情况 即当没有直射分量 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 式中 是平均多径功率 瑞利分布的概率密度 信号包络低于 的概率为 3 lognormal传播模型卫星与地面站之间的直射信号被路边的树木或其它障碍物吸收或散射掉时 阴影效应出现 此时的信号包络r由于阴影而成为lognormal的 概率密度函数曲线 其中 和分别是的均值和方差 1 天线方向图 描述天线在整个空间内辐射功率的分布情况 方向图通常都有两个或多个瓣 其中辐射强度最大的瓣称为主瓣 其余的瓣称为副瓣或旁瓣 3 3天线的方向性和电极化问题 天线方向图的主要参数 主瓣的半功率角 波束宽度 在主瓣最大辐射方向两侧 辐射强度降低3dB 功率密度降低一半 的两点间的夹角 波束宽度越窄 方向性越好 作用距离越远 抗干扰能力越强 通过副瓣发送的某些功率 可能对其他无线电系统形成干扰 反之 它本身也可能接收到由其他站发出 通过副瓣进来的干扰信号 注意 喇叭天线 horn 3 4噪声干扰 卫星通信系统涉及空间段和地面段 存在有各种各样的噪声和干扰 主要包括系统热噪声 宇宙噪声和外部环境干扰等 3 4 1系统热噪声热噪声通信系统中使用的所有有源器件都会产生热噪声 只要传导媒质不处于热力学温度的零度 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 噪声的大小以功率谱密度n0来量度 它与温度有关 其中 k为波尔兹曼常数 1 38054 10 23 焦耳 K 计算中常取为 228 6dBW K Hz T为噪声源的噪声温度 注意 噪声的功率谱密度与频率无关 为白噪声 3 4 2宇宙噪声 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 太阳 对于低轨道卫星移动通信系统 星座的运行可使太阳处于某些星际链路的延长线上 此时太阳在某卫星天线的前向视角内 其干扰将阻塞该链路 甚至对灵敏的光接收机前端造成物理性损害 若空间网某些链路被阻塞 将影响空中网的路由选择 卫星通信网的连接拓扑 3 4 3外部环境干扰 外部环境干扰主要包括大气噪声 降雨噪声 地面噪声 3 4 3其他干扰卫星通信系统的其他干扰主要包括 系统间干扰 共道干扰 互调干扰 交叉极化干扰等 图3 8示出了典型的在卫星天线方向上与共用频段的地面微波系统之间产生干扰的情况 为了避免系统间的严重干扰 国际电联对卫星发射功率 天线的方向性 工作条件等作出了相应的规定 系统间干扰1 不同卫星系统地球站之间的干扰和相邻卫星之间的干扰也可能出现 为此 在天线旁瓣的抑制 指向精度的控制 地球站的选址和站间距离 卫星位置精度保持等方面也有相应的限制 系统间干扰2 为了充分利用频率资源 提高系统得频率再利用率 相同频道可能分配在指向不同地区的两个波束覆盖区 或利用相互正交的极化方式来隔离同频信道 共道干扰 当转发器用于转发多载波信号时 互调干扰是需要考虑的问题 由于总是希望星载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