第3章 链路传输工程b

卫星通信系统第三章

第三章 链路传输工程

星－地链路传输特性，卫星通信研究基础，链路预算是卫星通信系统设计的基础。

l 信号存在噪声和各类干扰，系统热噪声等效为接收机的噪声温度。 l 依据天线增益、发射功率和传输带宽或速率进行链路预算，是卫星通信系统设计重要环节。

l 卫星通信系统中，信号的传送路径主要是星－地之间和星际之间。星－地之间的传播特性由自由空间传播特性和近地大气的各种影响所确定，而星际链路传送可认为是自由空间传播。

3．1星－地链路传输特性

本节主要讨论同步卫星与地球站之间的链路传播特性。同步卫星由于和地面距离大，因此传播损耗大。

l 电波在传播过程中，能量随着传输距离的增加而增加，由此而引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗。

3.1.1 自由空间传播损耗

各向同性辐射源，能量向周围均匀扩散，半径为d的球面上的功率密度，即单位面积上的接收功率为

PPr'=t

2 (3-1) 4pd

其中，Pt是辐射功率（一般在通信系统中，可以理解为是天线发射前的射频功率），分母为传播因子。

图3-1给出了在不同距离时以相同的接收天线面积A捕获能量的情况。

图3-1 不同距离上天线接收辐射能量

l 接收机离发射机越远，接收到的信号越弱。

l 接收天线捕获面积称为天线的有效面积

l 天线效率：是有效面积与实际的物理面积之比。在低于1GHz的频段提高天线的效率是困难的。

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卫星通信系统中，都一般采用定向天线，并用天线增益表征其方向性，定义为：发送端采用定向天线，天线在某方向（一般为最大辐射方向）上单位立体角发射的功率与无方向天线（各向同性）的单位立体角发射的功率之比。

l 如果采用定向天线，则由式（3-1），在距发射端为d的单位面积接收的信号

功率为

PGPr''=tt

2 (3-2) 4pd

l 其中，Gt发射天线增益。同理，接收天线也有天线增益，定义为Gr

Gr=4pAe (3-3) 2l

l为电波波长，Ae为接收天线的有效接收面积。

l 这样，实际接收的信号功率为

Pr=Pr''Ae=PGttGr(l2) （3-4） 4pd

l 由上式，定义自由空间损耗Lf 为

4pd2Lf=() （3-5） l

Lf可以理解为发送和接收天线增益都为1时的传输损耗。

l 根据波长与频率的关系l=

Lf=(c，可得自由空间损耗Lf 表达式为 f4pdf2) （3-6） c

其中，f为电波频率，c为光速。

l 将式（3-6）以dB表示为

Lf=92.44+20lgd+20lgf dB (3-7)

其中，d的单位为km，f的单位为GHz。

l 地球站到静止卫星的通信距离d可由式(8)计算

d= (3-8)

其中，e为地球站的纬度，Dg为地球站与卫星定点的经度差。

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图3-2 自由空间损耗与传播路径长度的关系

图3-3 同步轨道地球卫星与地球站的通信距离关系曲线

3.1.2 链路附加损耗

星－地链路传播损耗除自由空间损耗外，还有其他附加损耗，包括大气吸收损耗、雨衰、折射、散射和绕射、电离层闪烁与多径等。

一．大气吸收损耗

即使在晴朗天气，大气对电波传播也会带来吸收损耗。如图3-4所示。

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图3-4 大气吸收附加损耗与频率的关系

在15GHz～35GHz的频率范围，主要是水蒸气对电波的吸收带来损耗，在22GHz处有峰值；在35GHz～80GHz的频率范围，主要是氧分子的吸收，并在60GHz处有峰值。因此在22GHz和60GHz处，这些频率不适宜用于星－地链路。

二．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。

雨衰的大小与雨量和电波穿过雨区的有效距离有关。

仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：

LR=γR·lR(θ) (3-9)

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。如图3-5所示。

图3-5 不同仰角时雨衰与频率的关系

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l 通常在ku频段及其以上频段，雨衰的影响不容忽视。

l 当暴雨时，由于雨滴不再是球形，将对电波的极化也产生影响

l 地球站的设立（例如中心站）要考虑当地的降雨量。

三．大气折射的影响

l 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。如图3-6所示。地球站在几何直线上对准的只是卫星的一个虚位置。

图3-6 微波通过大气产生的折射

l 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。

l 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0.6dB。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。

四．电离层闪烁

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，引起闪烁，使信号产生折射。折射信号也可到达卫星，形成多径传输。如图3-7所示。

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图3-7 电离层闪烁引起多径传播

l 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。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。

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