卫星通信系统链路传输工程.pptx
《卫星通信系统链路传输工程.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《卫星通信系统链路传输工程.pptx(70页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、1链路传播特性 在卫星通信系统中,信号的传播路径主要是在星际之间、星-地之间。u星际链路:只考虑自由空间传播损耗u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第1页/共70页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,影响电波传播的因素很多。热层(热电离层)(Thermosphere)80-500 km中间层(Mesosphere)50-80 km 平流层(Stratosphere)16-50 km对流层(Troposphere)7-16 km 外逸层(Exosphere)500-64,374 km第2页/共70页3提要 本章首先讨论信号
2、传播过程中受到的各种损耗,然后讨论链路中的各种噪声、干扰和链路传输质量问题。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干扰第3页/共70页4一、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 链路附加损耗第4页
3、/共70页5 1。功率通量密计算公式:2。接收信号功率计算公式:3。自由空间传播损耗计算公式: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。第5页/共70页61.1.功率通量密度的计算公式定义: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。计算过程:第一步:各向同性辐射源的通量密度 第二步:发射端采用定向天线的通量密度第6页/共70页7图2-1 以确定的天线面积在不同距离上接收辐射能量各向同性辐射源的通量密度 各向同性辐射源:能量是向周围均匀扩散,是一种理想化的
4、辐射源;各方向辐射的总功率PT.在半径为d(卫星离地面的距离)的球面上(其面积4d2)的功率通量密度,即单位面积上的功率Pr:理想接收天线面积A第7页/共70页8发射端采用定向天线的通量密度发射端采用定向天线的通量密度(1)实际天线一般是有向天线,即在某方向的辐射功率大于其它方向的辐射功功率,并用“天线增益”表示其方向性。天线增益定义:每单位立体角在方向的辐射功率和每单位立体角平均辐射功率的比值。通常以辐射功率最大的方向作为的基准。发射端采用定向天线的通量密度:(2-2)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。第8页/共70页9发射端采用定向天线的通量密度
5、(2)-(2-2)乘积项PT GT 通常称为等效全向辐射功率或EIRP-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=PG,或 EIRP(dBW)=10log(PG)=P(dBW)+G(dB)l例1: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(2-2),地面站的功率密度为第9页/共70页102.2.接收信号功率的计算公式实际天线的接收功率:实际天线的接收功率:-A-Ae e:接收天线的有效接收面积=A(实际物理面积与天线效率的乘积)-为何不
6、用理想接收天线面积A来计算接收功率?因为入射到天线孔径上的能量中,一部分能量会被反射到自由 空间中,一部分能量会被有损元件吸收。利用Ae可以说明效率降低的程度.若用接收天线增益若用接收天线增益(2-3)(2-3)式来表示,上式可以改写为:式来表示,上式可以改写为:-GR:接收天线增益。是工作波长(m),其中=c/f,c为光速,取值为3*108(m/s)第10页/共70页11l例2: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:根据第11页/共70页123.3.自由空间传播损耗计算公式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
7、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;L Lf f 为自由空间传播损耗。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:第12页/共70页13l例3: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 Lf=92.44+20lg42000+20lg6=200.46(dB)第13页/共70页14图2-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系第14页/共70页15图2-
8、4 静止卫星与地球站的通信距离关系曲线第15页/共70页16 链路附加损耗l大气吸收损耗l雨衰l大气折射的影响l电离层闪烁和多径第16页/共70页171.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(3580GHz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
9、。第17页/共70页18大气吸收附加损耗与频率的关系大气吸收附加损耗与频率的关系第18页/共70页192、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=RlR()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dBkm;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(dBkm),单位为km。第19页/共70页20图图2-6 不同仰角时的雨衰频率特性不同仰角时的雨衰频率特性第20页
10、/共70页21降雨衰减系数的频率特性降雨衰减系数的频率特性第21页/共70页22降雨地区的等效路径长度降雨地区的等效路径长度第22页/共70页233、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。第23页/共70页24图图2-7 微波信号通过大气
11、层时产生折射微波信号通过大气层时产生折射第24页/共70页254、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。第25页/共70页26电离层闪烁形成多径传播电离层闪烁形成多径传播第26页/共70页27图图2-8 2-8 地面反射形成的多径传播地面反射形成的多径传播第27页/共
12、70页28传播问题物理原因主要影响衰减和天空噪声增加大气气体、云、雨大约10GHz以上频率信号去极化雨、冰结晶体C和Ku频段的双极化系统(取决于系统结构)折射和大气多径大气气体低仰角跟踪和通信信号闪烁对流层和电离层折射扰动对流层:低仰角和10GHz以上频率电离层:10GHz以下频率反射多径和阻塞地球表面及表面上物体卫星移动业务卫星移动业务传播延迟、变化对流层和电离层精确的定时、定位、TDMA系统总结:卫星通信系统的传播问题第28页/共70页29 二、卫星移动通信链路特性二、卫星移动通信链路特性l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
13、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。l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。l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。第29页/共70页30Rician概率密度函数由建筑
14、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。第30页/共70页31 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
15、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:第31页/共70页32(2-13)式中的参数K0,K1,由表2.1给出。表表2.1 经验公式(经验公式(2-13)中的参数值)中的参数值KK0=2.731K1=-0.1074K2=0.002774 0=2.3311=0.11422=-0.0019393=1.04910-5 0=4.51=-0.05 第32页/共70页33图图2-9 不
16、同仰角时接收电平累不同仰角时接收电平累积积分布分布 第33页/共70页34表表2-2 接收信号有效性分别为接收信号有效性分别为90,95和和99%时的余量时的余量第34页/共70页35Rayleigh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:第35页/共70页36Lognormal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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 卫星通信 系统 传输 工程
限制150内