第三章 图片 卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的,靠大气层外卫星 的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层,经过很长的距离在地面站和卫 星之间传播,因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能,这也是 造成系统运转中断的一个原因,因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统 设计和线路设计时必须考虑的基本特性 图片2 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,因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题 链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中,由于移动用 户的特点,使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落, 这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等 引起的多径衰落影响。固定站通信时,虽然存在多径传播,但信号不会快衰落,只有由温度、 湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化,当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反 射等情况发生。 图片3 图片4: 图片5 图片6:电波在往返大气层时,要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些 损耗附加在自由空间传播损耗上,随天气的变化比较明显 图片7雨衰 降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减,在 1~50GHz的频带内,降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴 的直径时,衰减主要由雨滴吸收引起,当电波的波长变小或雨滴的直径增大时, 散射衰减的作用就增大,如图可以查到相应雨衰系数 仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为 LR=YRIR(O) YR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, 见左下图;lR(θ)是降雨地区的等效路径长度,定义为当仰角为θ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,右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区 的等效路径长度。 中国电波传播研究所于1987年底在全国选取了65个点进行降雨率的统计 研究,编制了“中国降雨率统计”。丨993年《电波科学学报》有文献硏究了我
第三章 图片 1： 卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的，靠大气层外卫星 的中继实现远程通信。其载荷信息的无线电波要穿越大气层，经过很长的距离在地面站和卫 星之间传播，因此它受到多种因素的影响。传播问题会影响到信号质量和系统性能，这也是 造成系统运转中断的一个原因，因此电波传播特性是卫星通信及其它无线通信系统进行系统 设计和线路设计时必须考虑的基本特性。 图片 2： 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，因此影响电波传播的因素很多。下表列出了有关的传播问题。 链路预算在不同的卫星业务方面有不同的计算方法。卫星移动通信系统中，由于移动用 户的特点，使接收电波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落， 这是不同于固定业务卫星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等 引起的多径衰落影响。固定站通信时，虽然存在多径传播，但信号不会快衰落，只有由温度、 湿度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化，当然条件是不能有其它移动物体造成电波的反 射等情况发生。 图片 3： 图片 4： 图片 5： 图片 6： 电波在往返大气层时，要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的衰减损耗。这些 损耗附加在自由空间传播损耗上，随天气的变化比较明显。 图片 7 雨衰 降雨衰减是电波在雨中传播时由于雨滴吸收和散射而产生的衰减，在 1~50GHz 的频带内，降雨衰减量与降雨强度成正比。当电波的波长远大于雨滴 的直径时，衰减主要由雨滴吸收引起，当电波的波长变小或雨滴的直径增大时， 散射衰减的作用就增大，如图可以查到相应雨衰系数。 仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为： LR=γR·lR(θ) γR 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， 见左下图；lR(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ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，右下图给出了以降雨强度为参变量的不同仰角时的降雨地区 的等效路径长度。 中国电波传播研究所于 1987 年底在全国选取了 65 个点进行降雨率的统计 研究，编制了“中国降雨率统计”。l 993 年《电波科学学报》有文献研究了我
国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨 衰减的方法、同时给出了0.01%时间的雨强的中国等值线图,提出了由10mn 积分雨强(常规气象数据)换算1m5n积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度 统计换算最坏月统计的转换方法 图片8大气折射的影响 大气折射率随着高度增加,并随大气密度减小而减小,电波射线因传播路径 上的折射率随髙度变化而产生弯曲,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。 实际上大气折射还产生了大气闪烁现象 大气折射率的不规则变化,引起信号电波强度的变化,叫大气闪烁。这种闪 烁的衰落周期为数十秒。2-10GHz的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使 电波聚焦与散焦,与频率无关。30米天线,5度仰角,信号强度的起伏幅度o.6dB。 系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏 图片9电离层闪烁和多径 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市,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。 观测数据表明,电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关, 衰落强度还与工作频率有关。当频率髙于1GHz时影响一般大大减轻,卫星移动 通信系统的工作频率一般较低,电离层闪烁效应必须考虑,但即使是工作在C 波段的系统,在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区 指地磁赤道及其南北20°以内区域,20~50为中纬度区,地磁50以上为高纬度 区。在特定的条件下,更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如,日本冲绳记录 到12GHz卫星信号PP值最大3dB的电离层闪烁事件,日本山川记录到2GHz 卫星信号P一P值为2.5dB的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常 驼峰区域之一,峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区,南海在地 磁赤道附近;长江一线以北地区属于中纬度区,但其中很大一部分地区属于闪烁 增强带,衰落明显大于一般中纬度区。 图片10: 有3类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性.即经验模型、概率分 布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质,但可以描述出 对重要参数的敏感度;概率分市模型建立了对传播过程的理解,对实际情况作7 简化假设;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。 本节基于概率模型,描述卫星移动通信系统信道电波传播特性
国各地及邻近地区的雨衰测量数据。提出了由地面雨衰减测量数据换算斜路径雨 衰减的方法、同时给出了 0．01％时间的雨强的中国等值线图，提出了由 10min 积分雨强(常规气象数据)换算 1m5n 积分雨强(无线电气象数据)、由雨强的年度 统计换算最坏月统计的转换方法。 图片 8 大气折射的影响 大气折射率随着高度增加，并随大气密度减小而减小，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。 实际上大气折射还产生了大气闪烁现象。 大气折射率的不规则变化，引起信号电波强度的变化，叫大气闪烁。这种闪 烁的衰落周期为数十秒。2—10GHz 的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性使 电波聚焦与散焦，与频率无关。30 米天线，5 度仰角，信号强度的起伏幅度 o．6dB。 系统低仰角工作时应考虑大气折射和大气闪烁引起的信号强度的起伏。 图片 9 电离层闪烁和多径 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市，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。 观测数据表明，电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关， 衰落强度还与工作频率有关。当频率高于 1GHz 时影响一般大大减轻，卫星移动 通信系统的工作频率一般较低，电离层闪烁效应必须考虑，但即使是工作在 C 波段的系统，在地磁低纬度地区也会发现电离层闪烁的影响。赤道区或低纬度区 指地磁赤道及其南北 20o 以内区域，20o~50o 为中纬度区，地磁 50o 以上为高纬度 区。在特定的条件下，更高的频段也能记录到电离层闪烁。例如，日本冲绳记录 到 12GHz 卫星信号 P-P 值最大 3dB 的电离层闪烁事件，日本山川记录到 20GHz 卫星信号 P－P 值为 2．5dB 的闪烁事件。我国处于世界上两个电离层赤道异常 驼峰区域之—，峰顶对着韶关一带。长江一线以南地区属于低纬度区，南海在地 磁赤道附近；长江一线以北地区属于中纬度区，但其中很大一部分地区属于闪烁 增强带，衰落明显大于一般中纬度区。 图片 10： 有 3 类分析模型被用来描述卫星移动信诅的特性．即经验模型、概率分 布模型、几何分析模型。经验模型不能揭示传播过程伪物理本质，但可以描述出 对重要参数的敏感度；概率分市模型建立了对传播过程的理解，对实际情况作 7 简化假设；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。 本节基于概率模型，描述卫星移动通信系统信道电波传播特性
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中 常用的概率密度函数: Rayleigh, Rician和 lognormal,并且基于某些物理原因在 分析过程中将其进行适当组合。 Rayleigh, Rician用于描述多径效应, lognormal 用于描述阴影返蔽作用。 图12 Rayleigh密度是 Rician分布的特殊情况,即当没有直视分量(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: 图13: lognormal模型 卫星与地面站之间的直视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 u/J和众。分别是1nZ的均值和方差。 当Z是用瓦特表示的功率时,则功率Z的对数正态密度函数是 f7(Z)」L12-.ex。m量坐之二尘1 图17 对于任何通信系统来说,噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫 星通信系统的接收信号功率非常小,因此,对噪声的影响就更加敏感。对于一条 卫星通信链路来说,有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的 热噪声是由接收机的第一级引人的;系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产 生的;互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型 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,此电压的均方值 e2(m)为: e(0=4kTB,R (2) 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为以K为单位的电阻的绝对温度;R为电阻值;Bn为测量带宽。 因此,电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时,它能产生的最大功 率从为: P=e(0)/(4R)=kTB 这样,任何有源电子器件(如放大器)的噪声特征都可用上式所示的一个等效电 阻来定量表示其噪声功率。通常,一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效 噪声温度来表示。 图18 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
卫星移动信道传播特性的概率分布模型用到了几种无线电波传播描述中 常用的概率密度函数：Rayleigh，Rician 和 1ognormal，并且基于某些物理原因在 分析过程中将其进行适当组合。Rayleigh，Rician 用于描述多径效应，1ognormal 用于描述阴影返蔽作用。 图 12： Rayleigh 密度是 Rician 分布的特殊情况，即当没有直视分量(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： 图 13：lognormal 模型 卫星与地面站之间的直视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； μ／J 和众。分别是 1nZ 的均值和方差。 当 Z 是用瓦特表示的功率时，则功率 Z 的对数正态密度函数是： f7(Z)—』』L12—．ex。r—量坐之二尘 1 图 17： 对于任何通信系统来说，噪声是限制其容量和性能的一个基本因素。由于卫 星通信系统的接收信号功率非常小，因此，对噪声的影响就更加敏感。对于一条 卫星通信链路来说，有几个源可能引入噪声。自然和人为噪声是由天线接收到的； 热噪声是由接收机的第一级引人的；系统内部噪声是由系统内部器件的非线性产 生的；互调噪声是由于转发器的非线性造成的。本节将介绍主要的噪声类型。 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，此电压的均方值 ( ) 2 e t n 为： ( ) 4 ( ) 2 2 en t = kTBnR V 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 为以 K 为单位的电阻的绝对温度；R 为电阻值；Bn 为测量带宽。 因此，电阻就像是一个噪声产生器。当负载与其匹配时，它能产生的最大功 率从为： n n n P = e (t)/(4R) = kTB 2 这样，任何有源电子器件（如放大器）的噪声特征都可用上式所示的一个等效电 阻来定量表示其噪声功率。通常，一个有源器件产生的噪声都用噪声系数和等效 噪声温度来表示。 图 18 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T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岀噪声功率为ΔN(相当于环境温度下 该器件新増的噪声功率),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Tε的电 阻 图19 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,当频率髙于lGHz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”)。 图20: 卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长,电磁波在转播过程 中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有40,000公里的路径,当 工作频率为6GHz时,仅自由空间传播损耗就达200分贝之多。因而卫星或地球 纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微 瓦.所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路 传输质量的最主要指标是,接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值,简称 信噪比。因为,对于模拟制卫星通信系统来说,载噪比决定了系统输岀端的信号 功率与噪声功率之比(信噪比):对于数字制卫星通信系统来说,载噪比决定了系 统输出端信号的误比特率。大家知道,信噪比与误比特率分别是这两类通信系统 的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析,就必定要计算载噪比。这涉 及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入 的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素;这些因素中很多 又与工作频率有关。 这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先An0 图片21 卫星通信中,常常用有效全向辐射功率EIRP(或eirp)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P与该天线增益Gr的乘 EJRP=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Gr倍,名称上。“有效”也就是这个含义 图片22 为保证接收信号的质量,接收系统必须具有足够的裁噪比.当工作频率、信 号形式、卫星和地球站位置确定后,信号的传输损耗L以及接收系统的噪声等 效带宽Bn也就基本确定,这样,载噪比就决定于发瑞的ⅠRP]及收端的[G/∏ 我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G/T的分贝值,称为接
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。 图 19 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”）。 图 20： 卫星通信的一个显著特点是电波传扔的路径非常长，电磁波在转播过程 中将受到极大的衰减。譬如静止卫星与地球站之间约有 40,000 公里的路径，当 工作频率为 6GHz 时，仅自由空间传播损耗就达 200 分贝之多。因而卫星或地球 纳接收到的信号非常微弱。地球站接收到来自卫星的信号强度一般只有几个微微 瓦．所以卫星通信中噪声的影响是一个非常突出的问题。决定一条卫星通信线路 传输质量的最主要指标是，接收系统治入端的载波功率与噪声功率之比值，简称 信噪比。因为，对于模拟制卫星通信系统来说，载噪比决定了系统输出端的信号 功率与噪声功率之比(信噪比)；对于数字制卫星通信系统来说，载噪比决定了系 统输出端信号的误比特率。大家知道，信噪比与误比特率分别是这两类通信系统 的关锭性能指标。进行卫星通信线路的设计或分析，就必定要计算载噪比。这涉 及到发射端的发射功率与天线增益、传输过程中的各种损耗、传输过程中所引入 的各种噪声与干扰以及接收系统的天线增益、噪声性能等因素；这些因素中很多 又与工作频率有关。 这一节我们讨论卫星通信线路计算的基本公式。首先ληθ 图片 21 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 EJRP＝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。 图片 22 为保证接收信号的质量，接收系统必须具有足够的裁噪比．当工作频率、信 号形式、卫星和地球站位置确定后，信号的传输损耗 L 以及接收系统的噪声等 效带宽 Bn 也就基本确定，这样，载噪比就决定于发瑞的[EIRP]及收端的[G／T]。 我们把接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比 G／T 的分贝值，称为接
收系统性能因数或品质因数
收系统性能因数或品质因数．