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第二章无线通信链路分析信源信源来自其他信源消息码元信道码元CH-信宿数字输入数笔输出拓/ ©3水')/ / A比特流I同步I群带通波形信 信道 冲激道 响应R，«)72(", YJ:II消息码元信道码元到其他目的地z(T)可选项匚二J基本项2.1系统工程中的系统链路预算通信链路(link)属于系统的哪一部分？链路不仅指发射机与接收机之间的信道或者区域，还包括整个通信路径：从信源开始，通过所有的编 码和调制过程，经由发射机和信道，直到包含所有信号处理功能的接收机, 最后结束于信宿。广面介绍链路分析的定义，并解释链路分析在通信系统设计中的作用o链路分析及其结果即是链路预算(link budget )，包括对接收端获得的有 用信号功率、干扰噪声功率的计算和表格化。链路预算权衡了增益和损耗, 概括了发送接收资源、噪声源和信号衰减的详细分配比例，及其对整个链 路过程的影响。一些预算参数是统计性的(比如信号衰落容许值)。链路预 算是一种评价通信系统差错性能的评估(estimation)技术。差错概率与Eb/No的关系曲线具有“像瀑布一样”的形状。对于高斯噪声信道的各种调的大小，满足需求的盈余。计算处理过程由距离方程（range equation） 开始，因为距离方程建立了接收功率与发射机和接收机之间距离的函数关 系。以下讨论距离方程。在无线通信系统下，载波由发射机通过发射天线传输。发射天线是将电信号转化为电磁波的转换器。在接收端，接收天线则执行相反的功能, 将电磁波转化成电信号。对发射机和接收机之间基本的功率关系的研究，通常以全方向RF源的假设（在4兀球面角度上均匀发射）为基础。此理想源 称为各向同性辐射器（isotropic radiator）,如图所示。假定球体上功率 密度p（d） （d是到源的距离）与发射功率只的关系为p（加磊W/m?球面面积为4兀（12。从接收天线提取的功率为门=如）4=鬻其中，参数Aer是接收天线的吸收剖面（有效面积），定义为总提取功率瞬时功率流量密度如果讨论的天线是发射天线，其有效范围记为Aet。如果讨论的天线不能确距离为d处球面的噪声密度'、=刍定是用做接收还是发射，其有效面积则记为Ae。各而同性/, A、殖射电/ /接收天线的提取功率/ U P p（M,图5. 3距离方程（用距离描述接收功率）天线的有效面积Ae和物理面积Ap由效率参数n相互关联，即4=Mp式（5.4）说明总的瞬时功率不能被全部提取，即由于各种因素会有损耗。碟形天线（抛物面反射器）n的为0.55,角形天线的n为0. 75.表示天线输出（输入）功率与各向同性辐射器功率之间关系的参数（纯几何比）称为天线方向性或方向增益（directive gain）,G二最大功率密度4n球面的平均功窣密度如果没有耗散损耗或阻抗失谐损耗，天线增益（在最大强度方向上）可以简单地用上式表示。但是只要存在耗散损耗或阻抗失谐损耗，天线增 益等于直接增益与这些损耗的损耗因子的乘积。本章假定耗散损耗为0并 且阻抗没有失谐。因此，上式也是天线峰值增益（peak antenna gain）, 它可以认为是将RF流量集中在某个比4兀球面小的限定区域内而产生的结 果，如图 所示。现在定义相对于各向同性辐射器的有效辐射功率（EIRP）,它是发射功率只与发射天线增益叹的乘积，即EIRP = P,G发射天线天线增益是将各向同性RF流量集中的结果证明使用Pt = 100 W或Pt=O. 1 W的发射机可以产生相同的EIRPo两 种情况都采用合适的天线。解：图 描述了连接各向同性天线且功率为100 W的发射机，EIRP=PtGt = 100 X 1=100 Wo图 描述了功率为Pt=0. 1 W的发射机，耦合到增益 Gt= 1000的天线上，EIRP = PtGt=0.1X1000=100 Wo如果用于测量有效 功率的场强仪按知图所示连接，那么两种条件下的测量结果相同。Gr=1000(b)图两种方式下获得相同的EIRP值距离方程的基础大多数情况下，相对于各向同性天线，发射机具有一些天线增益，用 Pt代替EIRP改写式(5.2),有A= EIRP4nd天线增益G和天线有效面积Ae的关系式为（4»T）其中，九是载波波长。波长九和频率f互为倒数关系，即九=c/f, C是光速（约为3 x 108 m/s）o发射天线和接收天线的表达式类似。互易定理（reciprocity theorem）表明，给定天线和载波波长，发射增益和接收增益相等。通过天线场视图可以测量集中绝大多数场能量的固定角度，也可以测量天线的方向特性；它与天线增益成反比一高增益的天线与狭窄的场 视图相对应。通常我们不采用固定角度场视图测量方法，而采用以弧度或角度为单位的平面波束宽度（beamwidth）o图5. 4描述了方向天线模式，说明了天线束宽的一般定义。束宽指从最大场功率下降3 dB的角度。接下来讨论束宽与频率、天线大小与束宽之间的变化关系。由式（5. 8）可知,天线增益随波长减小（频率增加）而增加；天线增益还随有效面积增大而 增加。增加天线增益等效于将流量密度聚集在更小的圆锥角上，因此无论 增大信号频率还是天线大小，都会导致束宽窄化（narrower beamwidth ）。令式（5.8）中的G=1来计算各向同性天线的有效面积，Ae为为了求解接收功率Pr,当接收天线是各向同性时，将式（5. 9）代入式（5. 7）,p EIRP _ EIRP有 一（4加耐-ZT其中，（4兀（1/九）2称为路径损耗（path loss）或自由空间损耗（free-space loss）,用Ls表示。注意，式（5. 10）表明各向同性天线的接收功率等于 有效发射功率，它只受路径损耗的影响而降低。如果接收天线不是各向同性的，用式(5.8)的G九2/4兀取代式(5.7)中的Aer,可以得到更一般的(4tuZ)2 L1(4tuZ)2 L1EIRP G A2 EIRP G,表达式其中，Gr为接收天线增益。上式(5. 11)称为距离方程。2. 3. 2接收信号功率与频率的函数关系由于发射天线和接收天线都可以由增益或面积表示，因此，Pr有如下4种表示方法p JG4, p 也4尸二"G p JG”r 4nd2r42d2.47id2'以上表达式中，Ae,和人r分别是接收天线和发射天线的有效面积。式(5. 12)到式(5. 15)中，因变量是接收信号功率Pr 1自变量有发射功率、天线增益、天线面积、波长和范围。请思考问题：如果波长减少(频率增大)而其他自变量保持不变，接收功率将如何变化？由式(5. 12)和式(5. 14)可知，Pr与波长完全无关。由式(5. 13)看出，Pr与波长平方成反比；由式(5. 14)看出，Pr与波长平方成正比。当然这些表达式不是互相矛盾的。表面的矛盾是因为天线增益和天线面积与波长有关联，如式(5.8)所示。那么，什么时候才可以应用式(5. 12)到式(5. 15)来确定波长与Pr之间的关系呢？如果系统已经设计好，即天线已建好，大小确定(Aet和Aer确定),则可应用式(5. 13)计算Pr性能。式(5. 13)表明,对大小确定的天线来说，接收功率随波长的减少而增加。在式(5. 12)中，Gt和Aer是自变量，但在求Pr关于波长的变化范围时，希望固定Gt和Aer。当自变量九减小时，大小固定的发射天线的增益如 何变化？由式(5. 8)知Gt增加。但是根据假定条件Gt固定，所以式(5. 12)中的Gt不能增加。换言之，为确保在波长减小时Gt不变，需减小发射天 线的大小。显然式（5. 12）适用于发射天线增益（或束宽）固定而参数Aet不定的情况。类似地，式（5. 14）适用于Aet和Gr固定的情况，式（5. 15）适用于发射天线和接收天线增益（或束宽）固定的情况。图5.6说明卫星的一种应用：要求下行链路天线束能够提供全球覆盖（同步高度上束宽约为17度）。由于卫星天线增益Gt必须固定，由式（5. 12）可知Pr与波长无关。如果在频率fl （二c/八）上提供全球覆盖，若频率切 换成f2, f2>fl,覆盖率将下降（对给定天线，Gt增加）；因此必须减小天线的大小以保证覆盖率或束宽。可以看出，覆盖全球的天线在载波频率 增加时，需要减小尺寸。图5. 6接收功率作为频率的函数2. 3. 3路径损耗与频率的关系由式（5. 10）可知，路径损耗Ls与波长（频率）相关。路径损耗（它 只是几何上的平方倒数损耗）为什么是频率的函数？式（5. 10）的路径损 耗是对各向同性接收天线（Gr = l）的预测。因此，路径损耗能简便地预测各向同性接收天线的功率损耗。从几何意义来说，图5.3和式(5.1)指出 功率密度p(d)是距离的函数，而与频率无关。由于路径损耗的推算基于Gr= 1,计算各向同性天线(isotropic antenna)的Pr值与式(5.10)类似。再次强调一下，Ls可以看做所有称为路径损耗(pathloss)的项的集 合。这个命名描述了纯粹的几何效果，而忽略了对Gr=l的基本要求，将其 称为单位增益传播损耗(unity-gain propagation loss)更恰当。在无线通信系统中，路径损耗是信号功率中最大的损耗。卫星系统中，对同步高 度上C波段(6 GHz)的链路的路径耗损一般为200 dBo例5. 2测量路径损耗的天线设计设计一个刚童路径损耗Ls的实验，频率为fl=30 MHz和f2=60 MHz,发射机与接收机之间的距离为100 km,试求接收天线的有效面积，并计算两种情况下路径损耗的dB值。解:图5. 7给出分别在频率fl和f2点测量Ls的链路图。两个接收机的功率密度都等于p(d)=EIRP/47cd2功率密度的减少仅取决于平方倒数律。根据式(5. 7),每个接收机的实 际功率等于功率密度p(d)与接收机有效面积(接收天线的Aer)的乘积。 路径损耗的推算要求Gr=L应用式(5.9)计算频率fl和f2时的Aer：A”_ J (c/f)2 1 '4n 4nA”A”(3xl0R/30xl06)22= 8 mA, 24兀(3xl08/60xl06)2 2 m24n情况1频率：fl情况1频率：fl发射机EIRP情况2频率：fi （fz>fi）发射机EIRPEIRP A” = EIRP-W- = (4nd/X)2图5. 7路径损耗与频率关系（两个不同频率上测量路径损耗的链路）以分贝为单位表示的路径损耗为Ln=10xlog10Ln=10xlog10= 10xlog104nxlOsxlO/SOxlO7；= 102 dBf4M丫，八,（4nxl05 1 310x%k 尸。xlog获而两而J =108 dB2. 3. 4热噪声功率所有导体中电子热运动都会产生热噪声。热噪声在天线与接收机之间 以及接收机第一级的有损耦合中产生。热噪声功率谱密度在频率1012取以 下为常数，所以称为白噪声。通信接收机将热噪声过程看成加性高斯白噪 声（AWGN）o热噪声或散粒噪声的物理模型5. 6是开路均方电压为4kTWR 的噪声发生器，其中k=波尔兹曼常数= 1.38x 10J/K或W/K- Hz=-228.6 dBW/K - HzTo =温度，开尔文W=带宽(Hz)R=电阻(C)由噪声发生器耦合到放大器前端的热噪声功率最大值为N=kTW (W) (5. 16)所以，放大器输入端的最大单边噪声功率谱密度No (1 Hz带宽内的噪NNo = = kT° W/Hz声功率)为声功率)为0 W表面看来噪声功率与电阻大小有关，但其实两者无关。从直觉上就可以说明这一点。在电路中将大电阻与小电阻相连，大小电阻形成闭合通路, 它们的物理温度相同。若噪声功率是电阻的函数，那么将有从大电阻流向 小电阻的净功率流，大电阻变凉而小电阻变热。这个假设违背实际经验， 与热力学第二定理冲突。因此，从大电阻传送给小电阻的功率必与其接收 的功率相等。由式(5. 16)可知，热噪声的可实现功率与噪声源周围的温度(噪声温度,noise temperature)有关。因此引人一个有用概念：噪声源的有效噪声温度(effective noise temperature)并不是噪声源(例如星系、大气、干扰信号)进人接收天线的必要热量。噪声源的有效噪声温度定义为 能产生相同干扰功率的热噪声源估计温度。噪声温度的内容将在5.5节中 详细介绍。例5. 3噪声功率的最大值使用均方电压等于4kTWR的噪声发生器，证明从噪声源进入放大器的 最大嗓声功率值为Ni= kTWo解：根据网络理论，当负荷阻抗等于发生器阻抗的复共耗时，负荷的功率达到最大值。本题中发生器阻抗是纯电阻R；因此，最大传输功率条件是放大器的输入阻抗等于Ro网络图如图5. 8所示。精入热噪声源由等效电源 模型表示，由一个无噪声阻杭源和一个均方根噪声电压为创薄矛丽的理想 电压源串联而成。根据网络定理，放大器的输入阻抗等于R。放大器输入端 的噪声电压等于发生器电压的一半。放大器输入端的噪声功率为N,二（4仃施/2）2R= kTcWR i （理想）羊4kT°WR4,图5. 8放大器输入端获得最大热噪声功率的电路模型2. 4链路预算分析在评估系统性能时，由于主要考虑的是在可接受差错概率下对含噪信号的检测能力，所以最重要的参数是信噪比（SNR）或Eb/Noo在卫星通信 系统中，最常用的信号结构是包络不变的已调制载波，这时可以将平均载 波功率/噪声功率（carrier power-to-noise power, C/N）之比作为检波 前的SNR。实际应用中，对包络不变的信号，检波前的SNR可以表示为Pr _s _c _ c N - N N - kT°W其中，Pr, S, C和N分别是接收功率、信号功率、载波功率和噪声功率；k、 制方式而言，其Eb/No与差错概率相关联。一旦选定调制方式，给定的差 错概率对应着曲线图上的某一点。换言之，要求的差错性能规定了满足性 能要求的接收机所要达到的Eb/No值。链路分析的主要目的是确定图3.6 的实际(actual)系统工作点，并验证该点的差错概率小于或者等于系统 的要求。在通信系统设计时使用的许多说明、分析和制表中，链路预算是 一个重要的基本工具，它为系统工程师提供对系统的整体了解。通过链路预算，人们可以知道整个系统的设计和性能。例如，链路余量说明系统能充裕地满足需求，还是刚好或根本不能满足需求。链路分析 可以反映系统是否存在硬件限制，以及是否能在链路的其他部分弥补该限 制。链路预算经常作为分析系统权衡、配置变化以及系统细微变化和相关 性的参考依据，并且，若将其与其他建模技术结合将有助于预测设备的重 量和大小、主要功率要求、技术风险以及系统成本。链路预算对系统工程 师来说至关重要，它代表了系统性能优化的“底线”。2.2信道信道(channel)是连接发射机和接收机的传播媒介或电磁波通道。通信信道一般包括导线、同轴电缆、光纤线缆，若是射频(RF)链路，则包 括波导、大气层或真空。对大多数地面通信链路来说，信道空间由大气层 构成，部分与地球表面相连。而对于卫星链路而言，信道则主要由真空构成。尽管在100 km的高度上仍存在一定的大气影响，但是通常大气层容积定义在高度为20 km的范围内。因此，在同步高度(35 800 km)路径中只有很少一部分(0.05%)才是大气层。这样的链路是卫星通信链路，地面无T、W分别是波尔兹曼(Boltzmann)常数、开尔文温度和带宽。Pr/N或S/N 并不总是与C/N相等，信号功率和载波功率只有对包络不变信号(角调制) 才相等。例如，用调制消息波形m(t)表示的调频(FM)载波，表达式为$«) = A cos(f + K J其中，K是系统常量。调制信号的平均功率是 小。增加调制功率只会增加s(t)的频率偏移，这说明载波的频谱得到拓展，但平均功率/与调制 信号的功率变化无关，仍保持A2/2不变。所以，FM (包络不变)信号具有 接收信号功率与载波功率相等的特点o对于线性调制，如幅度调制(AM),调制信号的功率与载波功率不同。例如，分析调制信号为m(t)的AM载波:s(t) = 1 + m(t)A cos(oQt)A252(O=l+m(O= yl + (0+2m(0假定m(t)的均值为0,则平均载波功率为F 4, A2 -TS = + 由上式可知，此例中载波功率与信号功率不同。简言之，对于包络不变信号(如PSK, FSK),参数C/N和Pr/N相同，而对于包络变化信号(如ASK, QAM)则不同。将式(5. 11)除以噪声功率N得到Pr/N- EIRPGJN N L.式(5. 18)可应用于任何单向RF链路。若采用模拟接收机(analogreceiver）,解调噪声带宽（通常指有效或等效噪声带宽）往往比信号带宽 大，Pr/N是测量信号的可检测性和性能质量的主要参数。若采用数字接收 机（digital receiver）,则通常采用相关器或匹配滤波器并使得信号带宽与噪声带宽相等。数字链路通常的处理模式是用噪声功率谱密度（noisepower spectral density）代替噪声功率。用式（5. 17）重写式（5. 18）, 有(5. 19)B =EIRPG,/T。 瓦=也4其中，系统有效温度几是辐射到天线的噪声和接收机第一级产生的热噪声 两者共同作用的结果。注意，接收天线增益Gr和系统温度TO组合为一个 整体Gr/To,有时称为接收机的品质因数（figure-of-merit）。值得强调的是，有效温度To是建模各种噪声源的参数，这部分内容将在2.5节详细介绍。式（5. 19）中引人了术语Lo,用来表示其他损耗和式（5. 18）中未说明的其他降损因子。可以用因子Lo对不同损耗和噪声源的种类做大的分类。式（5. 19）概括了所有链路分析的关键参数：接收信号 功率与噪声功率谱密度之比（Pr/No）,有效各向同性辐射功率（EIRP）,接 收品质因数（Gr/To）和损耗（Ls, Lo）o下面介绍分析通信链路记录增益和损耗的方法。首先应用式（5.19）,由功率源计算到达检测端（检前点） 的净SNR。这类似于商业“记账”系统，记录资产、负债、利润（或亏损） 的底线。式（5. 19）就相当于这样的一个企业形式。所有分子参数（有效 辐射功率，接收品质因数）就像企业的资产，所有的分母参数（热噪声、 空间损失、其他损耗）则像企业的负债。假定调制（信息承载）信号包含了所有的接收功率Pr,由式（3. 30）可以得到Eb/No和SNR的关系式旦均(5. 20a)(5. 20b)(5. 20c)(5. 20a)(5. 20b)(5. 20c)N° n（r）旦=2住N。NSr）以及N。 N。其中，R是比特速率。如果部分的接收功率是载波功率（信号功率损耗）， 除非载波功率会影响式（5. 19）的损耗因子Lo,否则都可以应用式（5. 20）o 在设计和评估系统时，经常会用到式（5. 20）中Eb/No和Pr/No的基本关 系。2. 4. 1两个重要的Eb/No值Eb/No是指为了获得一定的差错概率而需要的比特能量与噪声功率谱 密度之比。为了便于计算余量或安全因子M,需要获得所需Eb/No与实际 Eb/No （或接收Eb/No）的差值。因此，将前者表达为（Eb/No） “，将后者 表达为（Eb/No）r。图5. 9描述了一个具有两个工作点的例子。一个点的PB = 10%这是系统所需差错性能的工作点。假定（Eb/No） ”=10 dB就可以得 到所需的性能。能否建立一个系统以使解调器刚好能接收到10 dB?显然不行。应该设计一个具有安全余量的系统，使得实际接收的（Eb/No） r大于（Eb/No） reqdo所以设计的系统，其工作点应该是图5. 9的另一个点。这时（Eb/No） r =12 dB, P,=10-5o在这个例子中，我们可以将安全余量或链路余量（link margin）表示能为提供2次塞的PB改善；或者换用更常（Eb/No）来描述（Eb/No）来描述用的说法，我们可以用提供比所需的（Eb/No）大2 dB的链路余量。用链路余量参数M来改写式（5.20c）有Rreqd(5.21)链路余量就是（Eb/No） r和（Eb/No） reqd的差值（dB）E(dB)* zreqd(5. 22)M(dB)=3(dB)-Jo参数（Eb/No） reqd反映了不同系统设计间的差别；这些差别可能是由于调制或编码方式的不同而导致的。在次最佳RF系统中，可能需要采用比（Eb/No） reqd大的（Eb/No）,因为这时会出现较大的定时误差，或者在检测过程中有比理想匹配滤波器中更多的噪声出现。Eb/No (dB)（EJN。）,图5. 9两个重要的Eb/No值联立式（5. 19）和式（5.21）,得到链路余量M:EIRP G/r0(5. 23)(5. 23)一(EJN)wRkLL式(5. 23)的链路余量方程(link margin equation)包括了所有影响 链路差错概率的参数，某些参数是根据特定的链路位置定义的。例如，Eb/No 定义在接收机的输人端，更精确地说，应该是定义在检测器的输人端(检 前点)，这里，系统判决的基础是解调波形的电压幅度与接收能量成正比。 类似地，用于描述接收能量或功率的参数，无论是有用的还是有害的，都 是在检前点定义的。接收机品质因数Gr/To定义在接收天线的输人端，Gr 是接收天线的增益，To是有效系统温度。有效辐射功率EIRP定义为发射天 线输出端的电磁波功率。参数Eb/No, Gr/To和EIRP都定义于特定的系统2. 4. 2链路预算的分贝形式由于链路预算分析通常以分贝为单位，因此将式(5. 23)表示为M (dB) = EIRP(dBW)+Gf(dBi)-隹1 (dB) - R(dB - b/s)(5. 24)(5. 24)-fcT°(dBW/Hz) - L,(dB) - Lo(dB)发射信号功率EIRP的单位为分贝瓦(dBW)；噪声功率谱密度No的单位为分贝瓦/赫(dBW/Hz)；天线增益Gr是以分贝为单位以各向同性增益(dBi)为参照的增益；数据速率R表示为1 b/s的分贝值(dB-b/s)；其他参数的单位都为dBo式(5. 24)的参数值构成了链路预算，它是分配通信资源的有效工具。在维持正的余量值的前提下，可以在各种参数之间进行 权衡。例如，通过放弃过多的余量来减小发射功率；通过降低(Eb/No) reqd(通过改进调制和编码方式)来增加数据速率。式(5. 24)中所有的分贝参数一律都是dB量。发射系统“不知道也不关心”这些dB的来源。只要接 收机的Eb/No符合要求，就可以达到期望的系统差错性能。同时为达到差 错性能还需具备两个条件一实现同步，最小化或均衡ISI失真。读者可能 会问，既然系统不知道Eb/No dB值的来源，如何获得充足的dB值？答案是，寻找最高性价比的dB值。这个目标促使我们做纠错编码。为提高差错 性能，采用纠错编码可以减少电子设备的投入。2. 4. 3链路余量的充足值系统设计时需要多少链路余量？答案是，如果所有的增益、损耗和噪声源都已严格设计（最坏情况），并且具有较大方差的链路参数（比如，天 气造成的衰落）能达到链路可用性的统计需求，那么只需要很小的额外余 量。所需的余量取决于各部分链路预算的可信度，而采用新技术或新工作 频率的系统，则比已经反复构建和测试的系统需要更多的余量。有的时候, 链路预算允许直接将天气引起的衰落作为一个线性项；不过其他时候，所 需余量值则反映了降雨影响性能时的链路需求。对于在C波段（上行链路 为6 GHz,下行链路为4 GHz）上运行的卫星通信系统，假设所有参数已知而且正常工作，那么可能只需要1 dB的链路余量。只用于接收的电视台使用直径为16英尺（1英尺=0.304 8 m）运行在C波段的碟形卫星天线;设计的余量往往比1 dB小得多。但是标准为99. 9%可靠度的卫星电话系统需要相当大的余量；一些INTELSAT系统需要45 dB的余量。当计算基于一般情况而不是最坏情况时，通常允许各单元设备在工作温度范围、线性 电压偏差和工作时间范围内变化。同样，对于空间通信，也允许跟踪卫星 定位出现误差。使用较高频率（例如，14/12 GHz）的设计通常需要更大的（天气）余量，这是因为大气损耗随频率增加而且较易变化。注意，由于天线损耗导致的衰减副产物要比天线噪声大。对低噪声放大器而言，小的天气变化会 导致天线温度4050 K的增加。表5.1是卫星电视公司(SatelliteTelevision Corporation）向联邦通信委员会（Federal CommunicationsCommission, FFC）提交的用于提供卫星直播（Direct Broadcast Satellite,DBS)服务的链路分析。注意，下行链路预算列出两种天气条件的选择：晴天和5 dB衰减的雨天。晴天时，由天气衰减造成的信号损耗远小于1 dB,而雨天时最大可达5 dBo下行链路表中下一项的本地接收机Gr/T。是因降雨造成的额外降级；扩散到接收天线的附加热噪声造成系统有效噪声温度 增加,而使本地接收机Gr/To减小(从9.8dB/K到8. 1 dB/K)。因此,在增加天气损耗额外余量的同时，要加大补偿系统噪声温度增加的额外余量。对于卫星链路，常有“链路能够闭合”的说法，意思是以分贝为单位的余量值是一个正值并且能满足所需的差错性能，而“链路不能闭合”的 意思是余量值为负值，不能满足所需的差错性能。虽然“链路闭合”和“链 路不闭合”的说法有“开一关”条件的意思，但是它强调的是，链路不闭 合或负的余量值意味着差错性能不能达到系统需求，而并不指停止通信。例如，分析这样一个系统，其(Eb/No)reqd=10 dB, (Eb/No)r=8 dB，如图 5. 9所示。假定8 dB对应于匕=10-2,因而有一2 dB的余量，差错概率约 是指定差错概率的10倍。链路的性能虽然降低但仍是可用的。表5.1卫星电视公司提供的卫星直播（DBS ）链路分析上行箧路地面站EIRP自由空间损耗（17.6GHz, 48仰角）雨天衰减卫星G/F上行链路C/kT88.6 dBW208.9 dB12.0 dB7.8 dB/K102.0 dB-Hz下行健路晴天天气状况5 dB雨天衰减卫星EIRP57.0 dBW57.0 dBW自由空间损耗（12.5GHz, 30°仰角）206.1 dB206. IdB大气衰减0.14 dB5.0 dB本地接收机G/T' （0.75m碟形天线）9.4 dB/K8.1dB/K接收机定点损耗（0.5。误差）0.6 dB0.6dB极化失配损耗（均值）0.04 dB0.04 dB下行链路C 伙广88.1 dB-Hz82.0 dB-Hz总体ClkT，87.9 dB-Hz82.0 dB-Hz总体 C/N (16 MHz )15.9 dB10.0 dB参考门限C/N10.0 dBlO.OdB门限余量5.9 dB0.0 dB2. 4. 4链路可用率链路可用率是基于年平均的对链路长期使用状况的衡量；对于给定的 地理位置，链路可用率是指链路闭合时间的百分比。2. 5噪声系数、噪声温度和系统温度2. 5.1噪声系数噪声系数F表示网络输人端SNR与网络输出端SNR的关系，因此，噪 声系数可用于测量网络产生的SNR降级。图5. 14给出了一个示例。图5. 14a 描述放大器输人端的SNR,即（SNR）in与频率的关系，在其峰值处，信号比 噪声底部高40 dB.图5. 14b描述放大器输出端的SNR,即（SNR）out。放大器 增益将信号增加了 20 dB,但同时，放大器也加入了额外的噪声。输出信号 在其峰值处仅比噪声底部高30 dB。因此,从输入到输出SNR的降级是10 dB, 这相当于放大器具有10 dB的噪声系数。噪声系数用于描述放大器等二端 口网络或设备输出端噪声与输入端的参考噪声之比较，表示为.二(SNR% :(SNRL GSJGN+N.)其中，Si=放大器输入端的信号功率；Ni=放大器输人入端的噪声功率;Nai=加在输入端的放大器噪声； G=放大器增益。(5. 25)(SNR)in最大值为40 dB一 一 一 一 一 一 一 一 6 405060708090001020240 dB-12011'2.62.652.7频率(GHz)(SNR)out最大值为30 dB2.65频率(GHz)放大器输入端(b)放大器输出端图5. 14放大器信号和噪声电平与频率的关系图5.15给出了式(5. 25)的一个例子。图5. 15a表示增益G= 100,内部 噪声功率Na=10 的可实现放大器的例子。放大器外部的源噪声Ni = 1哪。 在图5. 15b中假定放大器是理想的，并且将图中(a)部分的实际放大器的噪声归属为与原始噪声Ni串联的一个外部噪声源Nai。Nai的值等于Na减去 放大器增益的值。如图5. 15b所示，式(5. 25)包含了放大器输入端的所有噪声，而无论这些噪声是在输人端口还是在设备内部。由图5. 15可知, 实际放大器的输出噪声功率与等价电路模型的值相等。Ni= 1 gWNi= 1 gW(a)G(M + MDHOgW图5.15放大器噪声处理举例式(5. 25)可以简化为注意，由式(5. 26)可知，噪声系数反映了网络噪声和输入源噪声的关系。噪声系数不是测量噪声的绝对测量值。不产生噪声(Na=O)的理想放大器 或网络，其噪声系数为1 (0 dB )o为了正确应用噪声系数，需要根据式(5. 26)对设备做公正的比较。因此，选择Ni值作为参考，这样，任何设备的噪声系数反映了该设备的噪 声与参考值之比较。1944年，Friis提出噪声系数应该定义在参考温度 To=290 K的噪声源上。IEEE随后接受了这个建议并将之作为噪声系数标准定义的一部分。由式(5.17)可知，任何阻抗源的噪声功率谱密度的最大 值都可以通过设置其温度而获得。之所以选择290 K作为参考值，是因为它是大多数链路噪声源温度的合理近似值。当叮=290 K时，噪声率谱密度No具有满意的数值No=kTo=1.38 x 10290=4.00 W/Hz或以分贝表示为线链路是衰落信道链路。2. 2.1自由空间的概念自由空间（free space）是指在射频传播中没有任何吸收、反射、辐 射或衍射等干扰的信道。如果信道中有大气存在，也是完全均匀的并且能 满足上述所有要求。同时，还假定地面是无穷远的，或者地面的反射系数 可以忽略不计，并且到达接收机的RF能量只与到发射机的距离有关（符合 光学中平方倒数定律）。自由空间信道是理想的RF传播路径。但是实际上, 在大气层和近地点的传播会有吸收、反射、衍射和散射等干扰，这些都会 影响信号在自由空间的传输。大气吸收将在后面几节中介绍。反射、衍射 和散射对地面通信性能产生的重要影响将在后面介绍。2. 2. 2差错性能的降低差错性能降低的两个主要原因。首先是信噪比的损失，其次是码间串扰（ISI）导致的信号失真。均衡技术就是为了补偿由于ISI引起的性能降 低。本节重点关注信号功率、噪声功率的增益和损耗。ISI不属于链路预算 的范围，这是因为信号功率的增加并不总能减少ISI引起的性能降低。在数字通信中，差错性能依赖于接收端的Eb/No,它的定义见式，即”=当竺） N。换言之，Eb/No是归一化的信噪比（SIN或SNR）。若没有其他说明，SNR指 平均信号功率与平均噪声功率之比。信号可以是信息信号、基带波形或经 调制的载波。SNR降低的原因有两种：（1）降低有用信号的功率；（2）增大噪 声功率或者干扰信号功率。这两种原因分别称为损耗（loss）和噪声（noise,No=-204 dBW/Hz由于噪声系数F是在噪声源温度为290 K的基础上定义的，因此，值 得强调的是，式(5. 25)和式(5. 26)的噪声系数关系只在噪声源温度为 290 K的条件下才是正确的。若从不是290 K,则应当将式(5. 25)和式26) 的F改名为运行噪声系数Fop (operational noise figure)o Fop与F的 关系见式(5.48)。2.5.2 噪声温度对式(526)重新整理，有N*(F-DM(5.27)由式(5.16),可以用kToW代替Ni,用kTW代替Na,其中，To是噪声源 的参考温度，Tr是接收机(或网络)的有效噪声温度(effective noise temperature )o 因此有kT；W = (F-l)kT°W或北=(尸 1)兀又因为To选定为290 K,又有T；=(F-1)290 K(5.28)式(5.26)采用噪声系数的概念来描述放大器的噪声量，式(5.28)是有效 噪声温度的另一个等效表达式。注意，噪声系数是与参考量有关的测量方 法，而噪声温度则没有这样的限制。由式(5.17)可以认为，噪声功率谱密度和有效噪声温度是描述噪声源 的等效方法。式(5.28)说明，放大器的噪声相当于一个附加的噪声源，见图515b,在有效温度Tr上运行。对于纯阻抗终端，Tr绝不会低于周围温 度，除非已经冷却。值得注意的是，对于电抗终端，例如未冷却的参量放 大器或其他低噪声设备，即使在外部温度很高的情况下，Tr也可以远小于290 Ko由于放大器的输出是其有效温度的函数，结合式（56）、式（5.25）和式（5.28）,有N-GNi+GN. 、=GkrwGkTW = Gk 8 + T)W(5.29c)GkT；W+(F-l)GkTW其中，Tg是噪声源温度，To为290 K。2.5.3 线路损耗前面已经介绍，放大器网络和有损耗线路网络的区别，可以从引起降 级的损耗和噪声的角度分析，如前所述。251节和节中的有噪网络实 际上是与放大器一起讨论的。SNR的降级是由于在链路中注入附加（放大 器）噪声而导致的结果，如图5.15所示。然而，在有损线路中，即使噪声 保持不变，信号遭受的衰减也会造成SNR降级（在这种情况下，线路温度 小于等于源温度）。尽管如此，噪声系数或有效噪声温度的增加同样可用于 测量降级效应。分析图5.16所示的有损线路或网络，假定线路与源和负载的特性阻抗 相匹配。定义功率损耗为输入功率1=输出功率由此网络增益G等于1/L （对有损线路小于1）。令所有元件的温度都为Tgo 从网络进入负载的总输出噪声功率为