75微波与卫星通信
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75微波与卫星通信
第1章微波与卫星通信概述；微波与卫星通信的工作频率都属于微波频率，所以它们；1.1微波与卫星通信的基本概念与特点1.2微波通；1.4微波与卫星通信的天线馈线系统1.1微波与卫；微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波；微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电；卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反；卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一
第1章 微波与卫星通信概述微波与卫星通信的工作频率都属于微波频率，所以它们既有共同的特点，又各自具有本身的特点，且组成单独的通信系统。1.1
微波与卫星通信的基本概念与特点 1.2
微波通信系统的组成 1.3
卫星通信系统的组成1.4
微波与卫星通信的天线馈线系统 1.1
微波与卫星通信的基本概念与特点 1.微波与卫星通信微波是指频率为300MHz至300GHz的电磁波。微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它有三种形式： （1）宇宙站与地球站之间的通信； （2）宇宙站之间的通信；（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。2.微波通信的特点用于传输频分多路-调频制（FDM-FM）基带信号的系统叫作模拟制微波通信系统；用于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统。 “微波、多路、接力”。“微波”是指微波工作频段宽，它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。 “多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。 “接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通信的特点： （1）抗干扰性强、整个线路噪声不累积； （2）保密性强，便于加密；（3）器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少； （4）便于组成综合业务数字网（ISDN）。3.卫星通信的特点（1）静止卫星通信的优点① 通信距离远，且费用与通信距离无关 ② 覆盖面积大，可进行多址通信 ③ 通信频带宽，传输容量大④ 信号传输质量高，通信线路稳定可靠 ⑤ 建立通信电路灵活、机动性好（2）静止卫星通信的缺点 ① 静止卫星的发射与控制技术比较复杂。 ② 地球的两极地区为通信盲区，而且地球的高纬度地区通信效果不好。 ③ 存在星蚀和日凌中断现象。 ④ 有较大的信号传输时延和回波干扰。1.2
微波通信系统的组成 1.2.1系统组成一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波空间组成，如图1-1（a）所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去；或者反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站（不能上、下话路）、分路站和枢纽站（能上、下话路），如图1-1（b）所示。 图1-1
微波通信的信道构成 1.2.2微波收发信设备的组成 1.发信设备的组成从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机（使用微波调相器）和变频式发信机。中小容量的数字微波（480路以下）设备可用前一种方案。
下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如图1-2所示。 图1-2
变频式发信机方框图 2.发信设备的主要性能指标 （1）工作频段从无线电频谱的划分来看，我们把频率为0.3～300GHz的射频称为微波频率。 （2）输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。 （3）频率稳定度发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。 3.收信设备的组成数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两个部分。图1-3所示的是一个有空间分集接收的收信设备组成方框图。 图1-3
外差式收信机方框图 4.收信设备的主要性能指标 （1）工作频段收信机是与发信机配合工作的。 （2）收信本振的频率稳定度接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。 （3）噪声系数数字微波收信机的噪声系数一般为2.5～7dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。 （4）通频带收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱（的主要成分）要占有一定的带宽。 （5）选择性对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。（6）收信机的最大增益天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。 （7）自动增益控制范围以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。 1.3
卫星通信系统的组成 1.3.1 系统组成1.静止卫星通信系统卫星通信的工作频段与微波通信相同。图1-4所示的是卫星通信的示意图。 图1-4
卫星通信示意图静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道平面内。轨道离地面高度约为35800km（为简单起见，经常称36000km）。图1-5所示为静止卫星配置的几何关系示意图。 图1-5
静止卫星的配置目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（INTELSAT），简称IS，就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担着大约80%的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图1-6所示。图1-6
卫星通信示意图 2.卫星通信系统的组成
（1）卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统4大部分组成的，如图1-7所示。图1-7
卫星通信系统的组成 （2）卫星通信线路的组成两个地球站通过通信卫星进行通信的卫星通信线路的组成如图1-8所示，是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。图1-8
卫星通信线路的组成 1.3.2 地球站的组成及其工作原理1.对地球站的技术要求一般来说，对地球站应有以下几方面的要求。① 发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。② 可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。③ 性能稳定、可靠，维护、使用方便。
④ 建设成本和维护费用不应太高。（1）地球站的性能指标――品质因数（G/T）
G/T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。 （2）有效辐射功率及其稳定度为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦～十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。 （3）射频频率的稳定度地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。 （4）射频能量的扩散为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。 （5）干扰波辐射的限制为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。2.地球站的组成如图1-9所示的为国际卫星通信频分多址方式A型标准地球站的组成方框图，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组成。图1-9
地球站的总体方框图电视信号包括图像信号和伴音信号。图像信号经过电视通道的视频处理单元和调制器，成为70MHz的中频调频波，再经过中频放大、上变频以及功率放大，然后送往天线。伴音信号有时要利用多路电话的通道进行传送。接收信号时，过程与上述相反。并且在接收分离装置中把电视图像信号与多路电话信号分开，分别经不同的通道解调后送往终端设备。3.发射机分系统 （1）组成和要求由于发射卫星条件的限制，卫星转发器天线的口径和增益不能太大。发射机分系统的组成如图1-10所示，由上变频器、自动功率控制电路、发射波合成装置、激励器和大功率放大器等组成。图1-10
发射机分系统的组成对地球站发射机分系统的主要要求有以下几点。 ① 发射的功率大。② 频带宽，从而保证通信容量以及发射多个载波所需的带宽。 ③ 射频的频率稳定度高。 ④ 放大器的线性好。⑤ 增益稳定，对发射地球站的有效全向辐射功率要求保持在额定值的±0.5dB以内，以保证接收地球站的性能指标。（2）功率放大器发射机分系统中的功率放大器由行波管功率放大器或速调管功率放大器组成。（3）上变频器和本机振荡器发射机分系统中的上变频器一般都采用参量变频器，它的主要特点是噪声小而且有一定的增益。无论是上变频器或接收机分系统中用的下变频器，都要有本机振荡器。晶振倍频锁相振荡源的组成如图1-11所示。图1-11
晶振倍频锁相振荡源 4.接收机分系统 （1）组成与要求由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经200dB左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。 对接收机分系统的主要要求：① 噪声温度低，接收机分系统的噪声温度很低，一般只有几十开尔文（K）。 ② 工作频带宽，一般要求具有500MHz的带宽。 ③ 增益稳定。（2）低噪声放大器在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。 （3）下变频器经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器。5.信道终端设备分系统信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。 （1）上行部分 ① 预加重当解调器对多路电话信号的调频波解调时，噪声也进入解调器，使解调后输出的话路信噪比降低。但解调器输出的噪声功率谱密度n0为抛物线分布，如图1-12所示。图1-12
解调器输出的噪声功率谱上变频。为解决这个问题，需在发端调制器之前接一个预加重网络，将高端信号幅度提高，而使低端信号幅度适当降低。由于信道噪声功率谱的分布不受预加重电路的影响，因而使频带内各处的信噪比变得均匀了。在接收信号时再进行相反处理，即去加重以恢复原来的信号。② 加权由于人们听觉的频率特性是不平坦的，一般对1000Hz左右的噪声感觉最灵敏，对Hz以上或200～300Hz以下的噪声感觉迟钝，即实际感受的噪声较小。因此在测量话路的噪声时，为考虑受话人实际感受的噪声状况，需要接入加权网络，用来表示人们的主观评定，成为如图1-13所示的形状。图1-13
加权电路特性 ③ 能量扩散信号的处理由于发端行波管或速调管放大器在多载波工作时，会因管子所具有的非线性特性而产生交调干扰噪声。由实验得知，外加的信号用20～150Hz的三角波较为合适，如图1-14所示。 ④ 导频信号在卫星通信线路信号传输的过程中，有时因某种原因会发生所传送的信号太小甚至中断的现象。图1-14
能量扩散信号波形 (2)下行部分信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的70MHz信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送到终端接口设备，把基带信号进行分解。6.通信控制分系统地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。 7.电源分系统地球站电源分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。 1.3.3
静止卫星的运行轨道与观察参数 1.静止卫星的发射要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于8km/s。但单级火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端，如图1-15所示。图1-15
发射卫星的三级火箭示意图 2.发射过程一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程如图1-16所示，全部过程大体可分为如下几个阶段。（1）进入初始轨道开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。 图1-16
静止卫星的发射过程 （2）进入转移轨道卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道。（3）进入漂移轨道卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道，如图1-17所示。 （4）进入静止轨道卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位置是很近的。 图1-17
远地点的轨道变换 3.通信卫星的姿态控制卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。（1）角度惯性控制角度惯性控制也叫自旋稳定法，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。
采用自旋稳定法的卫星，如IS-Ⅲ，IS-Ⅳ等，卫星的天线要安装在一个平台上。（2）三轴稳定法三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴，如图1-18所示。三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。 图1-18
三轴稳定法示意图 4.静止卫星的观察参数在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球站天线工作时的方位角Φa和仰角Φe。此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道地球站与卫星之间的距离――站星距。图1-19示出了静止卫星S与地球站A的几何关系。 图1-19
静止卫星观察参数图解 【例1-1】“亚太一号”卫星的星下点s′的经度为φ2=138.00E(东经)，北京地球站的参数为φ1=116.45E,θ1=39.92°，求北京地球站的仰角、方位角和站星距。解
由已知条件得知：θ1=39.92°，经度差φ=φ2－φ1=138.00－116.45=21.55° 代入公式得仰角5.卫星通信系统的分类（1）按卫星的覆盖范围分，有国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。（2）按用户的性质分，有公用卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。（3）按卫星的制式分，有静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统（卫星绕地球运转一周不等于24小时）。 1.3.4 通信卫星的组成及其工作原理图1-20示出了通信卫星各系统的组成方框图。由通信分系统、控制分系统、遥测与指令分系统、电源分系统和温控分系统5个部分组成。 1.通信分系统的转发器通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分。 图1-20
通信卫星的组成 （1）单变频转发器单变频转发器是目前用得较多的转发器，如图1-21（a）所示。 （2）双变频转发器双变频转发器如图1-21（b）所示。 （3）处理转发器处理转发器除了转发信号外，主要还具有处理信号的功能。它的组成方框图如图1-21（c）所示。图1-21
卫星转发器组成的方框图卫星上的信号处理大体包括三种类型：一种是对数字信号进行判决和再生，使噪声不积累；另一种是在多个卫星天线波束之间进行信号交换与处理；第三种是对信号进行更复杂的变换、交换和处理。2.控制分系统控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成。 3.遥测指令分系统地球上的控制站经常不断地需要了解卫星内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的动作。 （1）遥测部分遥测部分用来了解卫星上各种设备的情况，例如表示某些部件的电流、电压和温度等信号，传感器的信息，指令证实信号以及反映控制用气体压力的信号等。 （2）遥控指令部分对卫星进行位置和姿态控制的各喷射推进器的点火与否，行波管高压电源的开、关，己发生故障的部件与备用部件的转换以及其他需要由地面对卫星某些设备的控制等，上述这些动作都要由遥控指令部分来进行。 4.电源分系统卫星上的电源除要求体积小、重量轻、效率高和可靠性之外，还要求电源能在长时间内保持足够的输出。 （1）太阳能电池太阳能电池由光电器件组成，其中最常用的是硅太阳能电池。 （2）化学电池为了使通信卫星在星蚀期间也能工作，一般常用可以充、放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用。 5.温控分系统在通信卫星里，会因为行波管功率放大器和电源系统等部分产生热而升温。 1.4
微波与卫星通信的天线馈线系统 1.4.1微波通信的天线馈线系统 1.天线馈线系统的型式微波通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导型两种型式。
图1-22所示的是同轴电缆型天、馈线系统。
图1-23所示的是圆波导型天、馈线系统。 图1-22
同轴电缆天馈线系统 图1-23
圆波导天馈线系统 2.对微波天线的技术要求常用微波天线的基本形式有：喇叭天线、抛物面天线、喇叭抛物面天线及潜望镜天线等。微波天线的主要技术指标有如下几个方面。（1）天线增益微波通信中使用的面式天线，其增益可用下式表示：式中，A为天线的口面面积，
λ为波长，
ηA为口面利用系数。(2)对主瓣宽度的要求在视距微波通信线路中，天线增益过高将使主瓣张角过小。 （3）天线与馈线应匹配良好在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而造成线路噪声。（4）交叉极化去耦在采用双极化的微波天线中，由于天线本身结构的不均匀性及不对称，不同极化波（即垂直极化波和水平极化波）可在天线中互相耦合，互为干扰，分别成为与之正交的主极化波的寄生波。 （5）天线防卫度天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。在微波线路中，由于采用二频制，因此在同一微波站中，两个方向的接收机工作在同一频率，如图1-24所示。 图1-24
天线防卫度图解 3.卡塞格林天线卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线，其外形简图如图1-25所示。图1-25（a）所示为一般式，较常见。近年来出现了不少加圆柱屏蔽罩式的抛物面天线，见图1-25（b），它可以降低向后方辐射的功率（降低后瓣）。又因为它可以减小初级辐射器（激励器）的直接辐射，所以对减弱旁瓣也有好处。图1-25
卡塞格林天线外形简图图1-26所示的是说明这种天线工作原理的简图。图1-26卡塞格林天线工作原理简图卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器、双曲面副反射器和抛物面主反射面三部分组成。1.4.2通信卫星的天线系统卫星天线有两种类型。一种是用于遥控、遥测和信标信号的全向天线，接收地面的指令及向地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚高频天线。另一种是用于通信的微波定向天线，根据波束宽度不同，分为三类。（1）全球波束天线：波束宽度约为17°～18°。（2）点波束天线：其波束比全球波束窄得多，故增益较高，但其辐射的区域比全球波束小得多。（3）区域波束天线：如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形波束天线。 其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。如图1-27及图1-28所示。图1-27
卫星天线系统示意图 图1-28
各种波束覆盖示意图 1.4.3地球站的天线馈线系统 1.概述地球站的天线是卫星通信中最具特色的设备，是一个庞大的系统。当卫星通信用C频段和Ku频段时，根据地球站天线的口径大小可划分为大、中、小三种站型。 2. 地球站天线馈线系统的组成图1-29所示的为地球站的天线馈线系统方框图。它与视距微波通信天馈线系统相比，显然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天线的轴要始终对准卫星方向。 图1-29
地球站天线馈线系统的组成 3.与天线馈源连接的低噪声放大器地球站的收信系统在接收信号的同时，也会有各种线路噪声被接收。 图1-30
天线系统与机房的连接 1.5 微波与卫星通信的频率配置 1.5.1微波通信的射频频率配置 1.频率配置的基本原则不论是模拟微波还是数字微波，其频率配置都应符合下面的基本原则。 （1）在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率，而且有足够大的间隔，以避免发送信号被本站的收信机收到，使正常的接收信号受到干扰。（2）多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔，以免互相发生干扰。（3）整个频谱安排必须紧凑，使给定的频段能得到经济的利用。（4）因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天线。所以选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到天线建设费用低，又能满足技术指标的目的。 （5）对于外差式收信机，不应产生镜像干扰，即不允许某一波道的发信频率等于其他波道收信机的镜像频率。图1-31
多波道二频制的频率配置方案 2.数字微波频率配置方案举例对于数字微波通信系统的频率配置，CCIR正在逐步提出相应的建议书。 图1-32
多波道的频率配置间隔 1.5.2卫星通信频段的选取 1.考虑的主要因素选取工作频段时，考虑的主要因素有：
（1）天线系统接收的外界干扰噪声要小；
（2）电波传播损耗要小；（3）适用于该频段的设备重量要轻，且体积小；（4）可用频带宽，以便满足传输信息的要求；（5）与其他地面无线系统（雷达系统、地面微波中继通信系统等）之间的相互干扰要尽量小；（6）尽可能地利用现有的通信技术和设备。 2.卫星通信的无线电窗口目前大多数卫星通信系统选择了如下频段： （1）UHF（超高频）频段――400/200MHz； （2）微波L频段――1.6/1.5GHz; （3）微波C频段――6.0/4.0GHz; （4）微波X频段――8.0/7.0GHz;（5）微波Ku频段――14.0/12.0GHz和14.0/11.0GHz; （6）微波Ka频段――30/20GHz。随着通信业务的迅速增长，人们正在探索应用更高频段的可能性。1971年的世界无线电行政会议已确定将宇宙通信的频段扩展到275GHz。 第3章 卫星通信的多址方式卫星通信系统和卫星移动通信系统中所使用的信道分配技术和多址技术（频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA））等进行介绍。3.1
多址技术与信道分配技术的概念 3.2
频分多址技术 3.3
时分多址技术3.4
随机多址和可控多址访问方式3.1 多址技术与信道分配技术的概念多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。 3.1.1 信道分配方式信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多址方式不同，其信道的内含不同。1．预分配（PA）方式预分配（PA）方式又分为固定预分配（FPA）和按时预分配（TPA）方式，具体如下。（1）固定预分配方式固定预分配（FPA）是指按事先规定半永久性地分配给每个地球站固定数量的信道，这样各地球站只能各自在特定的信道上完成与其他地球站的通信，其他地球站不得占用。（2）按时预分配（TPA）方式根据统计，事先知道了各地球站间业务量随时间的变化规律，因而在一天内可按约定对信道做几次固定的调整，这种方式就是按时预分配（TPA）方式。 2．按需分配方式按需分配（DA）方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。 （1）收端可变、发端固定的DA方式 （2）收端固定、发端可变的DA方式 （3）收、发可变DA方式3．动态分配动态分配是系统根据终端申请要求，将系统的频带资源（传输速率）实时地分配给地球站或卫星移动通信终端，从而能高效率地利用转发器的频带。 4．随机分配它是指通信中各种终端随机地占用卫星信道的一种多址分配制度。 3.1.2 多址技术在卫星通信中的信号分割和识别是以载波频率出现的时间或空间位置为参量实现的，归纳起来可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。频分多址访问（FDMA）方式是卫星通信多址技术中的一种比较简单的多址访问方式。在FDMA中是以频率来进行分割的，其在时间和空间上无法分开，故此不同的信道占用不同的频段，互不重叠。时分多址访问（TDMA）方式是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间是无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。空分多址访问（SDMA）方式是以空间作为参量来进行分割的，其频率和时间无法分开，因而不同的信道占据不同的空间，这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。码分多址访问（CDMA）方式是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间和空间上均无法分开，因而不同的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或准正交。 3.2
频分多址技术3.2.1
频分多址技术原理与应用特点 1.
在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。 2． FDMA的应用特点频分多址方式是最基本的多址方式，也是最古老的多址方式，其最突出的特点是简单、可靠和易于实现。其特点可进一步归纳如下：（1）要求解决好卫星的功率和带宽之间的关系。 （2）必须严格控制功率。 （3）设置适当的保护频带。 （4）尽量减少互调的影响。3.2.2
FDMA的分类1.每载波多路MCPC-FDMA方式如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。在FDM-FM-FDMA方式中，首先基带模拟信号以频分复用方式复用在一起，然后以调频方式调制到一个载波频率上，最后再以FDMA方式发射和接收。
在TDM-PSK-FDMA方式中，首先将多路数字基带信号用时分复用方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。 2．每载波单路SCPC-FDMA方式由于SCPC方式主要应用于业务量较小的、同时通信路数最多只有几条甚至一条的地球站，显然采用固定分配载波的MCPC方式会造成频带的浪费。3． 星上交换SS-FDMA在图3-5中给出SS-FDMA卫星转发器方框图。从图中可以看出，上行链路和下行链路各包含3个波束（空分频率复用）。其星上交换功能是由一组滤波器和一个由微波二极管门电路组成的交换矩阵完成的。 图3-5
SS-FDMA卫星转发器方框图 3.2.3
SCPC系统SCPC是英文Single Channel Per Carrier的缩写，是每载波单路的FDMA方式。 1． 预分配的SCPC数字制的预分配SCPC又包括PCM-PSK-SCPC和DM-PSK-SCPC方式，我们首先从PCM-PSK-SCPC方式开始介绍。（1）PCM-PSK-SCPC在预分配SCPC方式中，任意两地球站之间进行通信时，其下行链路的载波只携带一路信号，并且占用一条卫星通道。 ① SCPC的频率配置在采用SCPC方式工作的IS-IV卫星通信系统中，将其中一个卫星转发器的36MHz带宽等间隔地分为800个通道，其频率分配如图3-6所示。 图3-6
SCPC系统的频率配置 ② SCPC终端设备结构图3-7给出了在SCPC方式下工作的各地球站的终端设备结构图。
地面接口单元：负责话音业务和数据业务的输入与输出功能。 图3-7
SCPC终端设备结构图 信道单元包含话音接口、数据接口、话音编码/译码器、数据编码/译码器、话音检测器、信道同步器、频率合成器和相位调制/解调器等用来完成语音信号和数据信号的编码、调制功能的设备。 公用单元公用单元主要包括中频单元和定时与频率单元等。 ③ 话音信号的传输过程话音的传输与话音信号的传输格式是分不开的，因而我们首先对话音信号的传输格式进行介绍。a. 话音信号的传输格式
载波恢复和位定时恢复码为了提高卫星系统的信道利用率，在PCM-PSK-SCPC系统中采用了话音激活技术。SOM的作用由于在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是绝对QPSK调制方式，对这种已调制信号进行相干解调时，在其所恢复的载波中会出现“0°”或“180°”的相位不确定的现象，这就是相位模糊现象。 b. 话音信号的传输过程如图3-7所示，话音信号首先通过话音接口被送入PCM编码/译码器进行编码。 ④ 数据信号的传输过程在SCPC系统中，也可以传输数据信息。但由于数据信号是以连续发送的形式进行的，因而在接收端不存在相位模糊问题，因此无需为恢复载波和相位定时而增加附加字头。⑤ 导频和导频校正技术（AFC）导频是指在已调信号谱中额外地插入一个低功率的载波频率或其有关的频率信号谱线，其对应的正弦波就称为导频信号。
在SCPC系统中需要引入导频的原因
导频的插入与校正 （2）DM-PSK-SCPC与PCM-PSK-SCPC系统结构相比，在DM-PSK-SCPC中进行了如下调整。① 用DM编码/译码器代替PCM编码/译码器 ② 采用BPSK调制/解调在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是QPSK调制解调技术，而在DM-PSK-SCPC系统中，一般使用的是BPSK调制解调器。
2.按需分配的SCPC系统（SPADE）SPADE是Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment 的英文缩写。 （1）SPADE的频率配置如图3-10所示，在采用SPADE方式工作的卫星通信系统中，通常将一个卫星转发器的一部分频率配置为公用传输信道（CSC），而另一部分频率配置为话音通道（CH）。图3-10
SPADE系统的频率配置 （2）终端设备结构公共控制部分包括地面接口单元（TIU）、按需分配传信和交换单元（DASS）、定时和频率单元（TFU）、中频单元（IF）和运行监控单元（CMC）。 ①
地面接口单元通过地面接口单元可实现电话交换中心（长途台）和SPADE终端之间的接口以及SPADE终端之间的电话信号的连接。 ②
按需分配传信与交换单元（DASS）如图3-11所示，DASS单元是由传信和交换处理机（SSP）、公用信号信道同步器和公用信号信道调制解调器组成，所完成的功能如下：
监视和处理长途电话局来的电话信号；
建立系统载频忙闲表；
控制SPADE终端发出申请信息；
对呼叫本站用户的信息进行检测处理； 自动完成对公共信号通道上用于广播的本站分帧的差错检测编码；
自动故障检测和指示。图3-11
SPADE终端设备组成图（3）按需分配方式下的信息传递过程如图3-11所示，各地球站设置有按TDMA方式（在后面将详细介绍）工作的公用信令信道和话音传输信道。 ① 公共信令信道的信令格式为了实现按需分配，各地球站是按TDMA方式工作的，即按时分多址方式工作的。② 公共信道工作特性由上面的分析可知，SPADE系统可为48个地球站提供397条双向通路（如图4-10所示），这就是说，每个地球站可以每隔50ms向信道申请一次。③ 按需分配方式下的通信过程
在SPADE系统中，当某用户通过长途台将呼叫通信请求送至SPADE终端时，SPADE终端为其从397条卫星线路中选择任意一条空闲信道，并进行连通，同时通过此信道将呼叫请求帧送到对方用户所在的地球站，并由该站与对方局连通。 3.3
时分多址技术3.3.1
时分多址的概念及其应用特点
1．TDMA的基本概念如图3-14所示的是TDMA系统模型。从中可以清楚地看出，在按时分多址方式工作的系统中，由于分配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，并经放大后沿下行链路重新发回地面。 图3-14
TDMA系统模型 2． TDMA技术的应用特点TDMA技术有如下优点。（1）不存在FDMA中的互调问题。
（2）系统容量大，卫星功率利用率高。（3）提高信号传输质量，有利于综合业务的接入。
（4）使用灵活。虽然存在如上优点，但也存在以下不足。（1）必须保持各地球站之间的同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。
（2）要求采用突发解调器（系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号）。（3）模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输。
（4）初期的投资较大，系统实现复杂。3.3.2
TDMA地球站设备如图3-15所示为一个TDMA地球站设备组成示意图。 图3-15
TDMA地球站设备 1． TDMA帧结构如图3-16所示，TDMA系统的帧结构主要包括同步分帧（也称为基准分帧）（RB）和数据（业务）分帧（DB）。 图3-16
TDMA系统帧结构 （1）同步分帧同步分帧中包括载波、位定时恢复（CR和BTR）、独特码（UW）、站址识别码（SIC）和指令信号（CW）。
（2）数据分帧一个数据分帧包含了若干个业务分帧，并且每个业务分帧由分帧报头和多个PCM数据信道构成。 （3）帧效率若帧长为Tf ，从图3-16中可以看出，每一帧包含一个同步分帧和m个业务分帧，这说明该系统可以与m个地球站实现互通。 ① 系统传输速率Rb② 帧长这就要求在KTs时间内能够存入的KS比特与Tf时间内读出的比特数L相等，即L=KS，故
?【例3-1】 已知一个TDMA系统，采用QPSK调制方式。设帧长Tf=250μs，系统中所包含的站数m=5，各站所包含的通道数n = 4相同，保护时间Tg = 0.1μs，基准分帧的比特数Br与各报头的比特数Bp均为90比特，每个通道传输24路（PCM编码，每取样值编8比特码，一群加一位同步比特）。求PCM编码器输出速率Rs，系统传输的比特率Rb、分帧长度Tb、帧效率ηf及传输线路要求带宽B。解：Ts =125μs，S=8×24+1=193（bit），又一个码符含两比特K=2，L=2S=386（bit），所以2.地面接口地面接口是与用户进行信息交互的输入、输出接口。
克服这种时钟频差的方法有跳帧法和码速调整法。码速调整法是指在信号中插入（或扣除）一定比例的不含信息的脉冲，这样可通过调控所插入（或扣除）的脉冲比例来调节地面线路所送入的信号与卫星系统时钟之间的频差。 3．TDMA终端（1）TDMA终端功能① 完成帧发送和接收。② 实现网络同步，即完成系统的初始捕获和分帧同步。
③ 实现对卫星线路的分配与控制。 （2）帧的发送与接收在TDMA系统中，不同性质的信号，其发送和接收过程不同。 ①
话音信号的传送 ②
数据传送数据传送原理与话音信号的传送原理相同，所不同的是用异步合路器和异步分路器取代PCM编码和解码器。 （3）系统的定时与同步就目前的卫星发射技术而言，如果使卫星的位置保持在精度±0.1°范围，高度变化在0.1%以内，那么卫星可在75km×75km×75km的立体空间内漂移。
① TDMA系统定时通常TDMA帧周期（Tf）是话音取样周期（125μs）的整数倍，它与频率为f0的高稳定度（10-11）的时钟周期一致。 ② TDMA系统的同步TDMA系统的同步内容包括载波同步、时钟同步和分帧同步。其中要求在极短的时间内从各接收分帧报头中完成基准载波和时钟信号的提取工作。
分帧同步包括两方面的内容，其一是指在地球站开始发射数据时，如何使其进入指定的时隙，而不会对其他分帧构成干扰，这就是分帧的初始捕获。其二是指如何使进入指定时隙的分帧信号处于稳定的工作状态，即使该分帧与其他分帧维持正确的时间关系，不致出现相互重叠的现象，这就是分帧同步技术。 分帧的初始捕获在TDMA系统中，各地球站是以基准站所发射的独特码（UW）作为基准信号来确定自己的发射时间的。其捕获的具体步骤，如图3-19所示。 图3-19 捕获过程及所用时间（实验）的示意图 图3-20
报头结构 分帧同步分帧同步是指在完成初始捕获之后，为使所发射的业务分帧稳定在指定的时隙之内，而对分帧进行的定时控制。 图3-21 分帧同步原理图（4）独特码（UW）的检测由前面的分析可知，独特码的检测是非常重要的一个环节，它直接决定整个系统是否能够正常工作。3.3.3
SDMA-SS-TDMA方式SDMA-SS-TDMA系统称为卫星交换TDMA系统，简称SS-TDMA。由于在卫星交换TDMA系统中，多采用多波束来实现空分多址（SDMA），这可以改善系统性能，但使处于某波束中的地球站无法与其他波束管辖下的地球站进行直接通信。 1．多波束卫星多波束卫星是指具有多波束天线的卫星。这种卫星通常使用在两种环境之下。其一，将原一个单一业务区分成若干小区，用高增益天线所发射的点波束分别覆盖这些小区，这样可以减小地球站天线的尺寸。其二，用多个不同的波束分别覆盖彼此分开的几个业务区域，这样在卫星功率充裕的情况下，可以实现对频率的重复利用，从而使卫星转发器的容量成倍地增加。
2．工作原理如图3-23所示的是SDMA-SS-TDMA系统的基本原理图。由图可以看出该系统共包含控制电路部分和信号接收与发送电路部分。 （1）控制电路部分（2）信号接收和发送电路部分图3-23
SDMA-SS-TDMA系统原理图3．分帧排列进行分帧的排列的主要目的是为了便于在DSM中进行帧交换，因此在介绍分帧的排列之前，我们首先要介绍帧交换矩阵的概念。 （1）帧交换矩阵帧交换矩阵又称为业务交换矩阵，它表示SDMA-SS-TDMA系统中各波束之间的通信交换量。 （2）分帧的编排分帧的编排是指把已知系统的交换矩阵分解为若干分帧矩阵，而每个分帧矩阵中的各波束区域之间的交换具有一对一的关系，因此各分帧矩阵能够用各行各列中最多只有一个非零元素表示。4．SS-TDMA帧同步在SDMA-SS-TDMA系统中，由于要求通信卫星能够提供定时切换功能，因而该系统与普通的TDMA系统不同，要求地面上能够检测出卫星切换器的切换定时，从而使DSM能够按分帧编排顺序进行切换。控制帧同步的方法有两种：一种是星载定时，另一种是地球定时。下面分别进行介绍。 （1）星载定时是以卫星上切换电路所提供的定时为基准的一种帧同步方法，这就要求地面上的各地球站以此为基准，随时保持同步。（2）地球定时是由基准地球站控制星上的切换电路，而其他地球站受基准站的控制，从而实现帧同步。3.3.4
多载波TDMA多载波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一个TDMA系统中采用多载波，而在每条载波上以TDMA方式工作，可以传送相对较低（几十kbit/s到20Mbit/s）的信号速率。从图3-26可以看出，当MC-TDMA系统中仅使用一条载波时，就是传统的单载波的TDMA方式；当使用多条载波，并且每条载波只有一路信号时，就是SCPC方式；当采用多条载波，而且每条载波传送同一个地球站发送的多路信号时，则工作于MCPC方式。图3-26
TDMA，SCPC和MC-TDMA使用转发器频带对比 3.4
随机多址和可控多址访问方式
随机多址访问方式在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。常用的随机多址方式有：ALOHA，S-ALOHA等，下面逐一进行介绍。1．ALOHAALOHA是最早的随机多址访问方式。 （1）工作过程如图3-27所示的是一个数据卫星通信系统的结构示意图。 （2）受损时间由于在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。 图3-27
卫星分组通信原理（3）ALOHA方式的应用特点从上面的介绍可以清楚地看到，ALOHA系统具有以下特点。
① 系统结构简单，用户入网方便，无需协调。
② 当业务量较小时具有良好的通信性能。
③ 存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。④ 存在信道不稳定性。即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有信息传输的时间占总的可用时间之比）加大。极限情况下，信道内充斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。可见信道吞吐量低和不稳定性是ALOHA的主要缺点。
2．S-ALOHA由上面的分析可以看出，在ALOHA系统中，由于各站可以随时发送信息。因而在一个分组的受损时间内，如果其他站也正随机地发送信息的话，那么很容易出现碰撞，导致分组丢失。 3．SREJ-ALOHASREJ（Selective Reject）―ALOHA称为选择拒绝ALOHA方式，它是提高ALOHA方式吞吐量的另一种方法。 4．C-ALOHAC-ALOHA称为具有捕获效应的ALOHA，它是改善系统吞吐量的一种方式。在ALOHA方式中，由于卫星转发器所接收的两个分组功率相同，因而发生碰撞情况下，接收端无法正常接收分组。 3.4.2
可控多址访问方式可控多址访问方式又称为预约（reservation）协议。
1．R-ALOHAR-ALOHA被称为预约ALOHA方式。在卫星通信网中可接入的用户类型有多种，总的来说，不同时间、不同的地球站的通信业务类型不同，通信业务量也不同。 2．AA-TDMAAA-TDMA称为自适应TDMA，也是一种预约协议。它可以看成TDMA方式的改进型，其性能优于R-ALOHA方式，工作原理与R-ALOHA方式相似。 第4章
微 波 传 播 4.1
自由空间的电波传播4.2
地面反射对电波传播的影响 4.3
对流层对电波传播的影响4.4
几种大气和地面效应造成的衰落 4.5
频率选择性衰落 4.6
抗衰落技术4.7
卫星通信电波传播的特点1.电波与自由空间的概念微波是一种电磁波，微波射频为300～300×103MHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。 4.1
自由空间的电波传播 2.自由空间传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。 自由空间损耗3.自由空间传播条件下收信电平的计算微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线，当收发天线增益分别为Gr（dB）,Gt（dB）；收发两端馈线系统损耗分别为Lfr（dB）,Lft（dB）；收发两端分路系统损耗分别为Lbr（dB）,Lbt（dB）时，则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为
Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）
－（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls【例4-1】已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，Gt＝Gr＝39dB，Lft＝Lfr＝2 dB，Lbt＝Lbr＝1 dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。解
由已知条件站距d＝45km，工作频率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得Ls（dB）=32.4+20lg 45 +20lg
将Pt=1W换算成电平值：
Pt=10lg1000mW＝30 dBm4.2 地面反射对电波传播的影响不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。 4.2.1
费涅耳区的概念 1.惠更斯―费涅耳原理惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。 2.费涅耳区的概念 3.费涅耳区半径我们把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。第一费涅耳区半径用F1表示。第一费涅耳区半径为 ：
或第n费涅耳区半径为：4.收信点场强与各费涅耳区参量的关系经分析可以知道，相邻费涅耳区在收信点R产生的场强反相（相位相差180°）。也就是说，第二费涅耳区在R点产生的场强与第一费涅耳区反相；第三费涅耳区在R点产生的场强与第二费涅耳区反相，但与第一费涅耳区同相。 4.2.2 地面反射对收信电平的影响 1.平坦地形对电波的反射这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。下面所研究的环境己不再是自由空间，而是在真实大气中地面对电波的反射。 在接收点R的合成场强的有效值为：式中：?为反射系数的模；?为反射系数的相角；?r =r 1-r 2为反射波与直射波的行程差。将合成场强E与E0之比称为地面反射引起的衰落因子，用V表示，即： 考虑地面反射波的影响后，实际的收信点 电平为：式中：VdB ―衰落因子Pro(dBm) ―自由空间传播时收信功率电平
Pr(dBm) ―有衰落的收信功率电平 2. 用费涅耳区的概念分析地面反射影响当图4-6中的投射角θ很小时（这符合实际情况），φ 接近180°，可按φ＝180°计算（角TPR为φ角）。 将?r 及φ值代入，得：式中：hc ―余隙；F1―余隙处的第一费涅耳区半径；
hc /F1 ：相对余隙。Φ=1时，考虑地面影响，第一次出现收信 电平等于自由空间传播条件下的接收电平时，
hc /F1 =0.577。把hc /F1 =0.577时的余隙称为自由空间余隙， 用h0表示，记为：衰落因子V的大小主要与余隙有关。hc
&0.577 F1时，发生绕射衰落且衰落幅度较大。
&0.577 F1时，直射波和反射波产生干涉而
使收信电平急剧变化，发生电波衰落。
在工程设计中，要合理选择天线高度。 3.路径上刃形障碍物的阻挡损耗在实际的微波线路中，有时会遇到传输路径上的刃形障碍物，如图4-8所示。这时，因为刃形障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区，所以在收信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡，电波就能绕过刃形障碍物，使收信电平达到一定的数值。图4-8
传输路径上的刃形障碍物 【例4-2】已知条件见［例题4-1］，且传播路径上有如图4-8所示的刃形障碍物，若余隙hc＝0，求收信电平。解
（1）求刃形障碍物的阻挡损耗，由hc＝0 ，查图4-9 得
VdB＝－6dB（2）根据【例4-1】得出的结果，收信电平为pr（dBm）= －35dBm，故实际的收信电平为pr（dBm）= －35dBm＋（－6）＝－41 dBm图4-9
刃形障碍物的阻挡损耗刃形绕射与球面绕射衰减因子的对比曲线 4.微波线路的分类视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类： （1）hc ≥h0称为开路线路；（2）0＜ hc ＜ h0称为半开路线路； （3）hc ≤0称为闭路线路。对应于三种情况，衰落因子V的计算方法：（1）对于开路线路，粗略估算时可用图4-7；但因曲线族数量有限，作精确计算时使用式（4-11）为宜。（2）对刃形障碍物，V值可由图4-9所示的曲线查出。（3）对于由较大高地、山岭等障碍物造成的半开路线路和闭路线路，衰落因子V应按绕射公式求出（下节讲述），也可由图4-7左半部所示的曲线查出。4.3 对流层对电波传播的影响从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层。 对流层集中了整个大气质量的四分之三。 地面上空大气层概况对流层对微波传播的影响，主要表现在以下几点。 （1）由于气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收。 （2）由雨、雾、雪引起对电磁波能量的吸收。（3）由于气象因素等影响，使对流层也会形成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中的不均匀结构。 4.3.1 大气折射 1.大气折射率我们知道，电波在自由空间的传播速度为n值通常在1.0到1.00045之间，为了便于计算，有时用折射指数N：
N＝（n－1）×106在自由空间N＝0，在地球表面N＝300左右。 2.折射率梯度折射率梯度表示折射率随高度的变化率，从而体现了不同高度的大气压力、温度及湿度对大气折射的影响，表示为
＞0，n随高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v与n成反比。 （2）
＜0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲，如图4-10（b）所示。图4-10
大气折射对电波轨迹的影响 3.等效地球半径由上所述，由于大气的折射作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是按曲线传播的。
定义K为等效地球半径系数
K与折射率的关系为在温带地区，称
时的大气为“标准大气”。
叫作标准等效地球半径。的大气折射叫作标准折射。K值的选取，是天线高度设计中的一项主要工作。为便于计算，一般取K值等于4/3，并认为K的变化为2/3到?。 4.折射的分类我们可以根据电波受大气折射后的轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类。（1）无折射：当
＝0时，N不随大气的垂直高度而变化，由式（4-16）得，K＝1或ae＝a。（2）负折射：当
＞0时，由图4-10（a）可见，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，使电波传播轨迹向上弯曲。（3）正折射：当
＜0时，由图4-10（b）可见，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，使电波传播轨迹向下弯曲。 在温带地区，称
时的大气为“标准大气”。叫作标准等效地球半径。的大气折射叫作标准折射。K值的选取，是天线高度设计中的一项主要
工作。为便于计算，一般取K值等于4/3，并
认为K的变化为2/3到?。当气象条件变化时，使K值较小时（如K=2/3），余隙hc将减小，可使电波产生绕射衰落，使收信电平降低，所以天线的高度不能太低。当为天线高度较高时，若气象条件变化而使K较大时（如K=?），这时hc将增加，天线的高度超出实际需要，造成浪费。对所选天线高度应按下述标准检查：（1）Φ≤0.5，主要防止过大的绕射衰落，标准为（2）Φ＞0.7，地面有较强的反射，尤其要注意反射衰落，标准为 4.3.2 大气折射引起的余隙变化 1.地球的凸起高度前面已经讨论过，当使用等效地球半径的概念后，虽然折射使电波射线弯曲，但我们仍可视电波射线为直线，而认为地球半径有了变化，即由实际半径a变为等效半径ae。2.余隙的变化与选取图4-13
折射引起余隙的变化考虑电波折射后，地球等效半径为ae，等效后地球凸起高度为式中：a=6370Km，代入后得设地球凸起高度的变化为?he，余隙的 变化为?hc，在数值上，余隙的变化就是 地球凸起高度的变化，则有：考虑折射后的等效余隙为hce，则K＞1（正折射）时，等效的余隙hce增大； K＜1（负折射）时，等效的余隙hce减小； 例：某段微波线路，工作频率6GHz， 站距 50Km，反射点在中点，? ? 1， 在无折射时余隙hc=20m，如考虑折射 并K=1.24，求两种情况下的衰落因子 VdB。（a=6370Km） 解： （1）不考虑折射时查VdB与hc/F1的关系曲线，可得： VdB ? +4dB（2）考虑折射时查VdB与hc/F1的关系曲线，可得： VdB ? +4dB利用公式直接计算：4.3.3
复杂球形地面引起电波衰落的计算1.路径中地势最高点为反射点时VdB的计算如图4-14所示为复杂球形地面的地形剖图。 图4-14
复杂球形地面的剖面图 根据几何推导：主要考虑反射和折射，求出如要求在该地形条件下收信电平，利用公式【例4-3】设微波通信频率为8GHz，站距为50km，若路径为真实的光滑球形地面，求：（1）当不计及气象影响时（he=0），为保证h0的自由传播空间不受阻挡，收、发天线高度Hmin为多少米（设收发天线等高）？（2）当K＝2/3时，即考虑气象条件对电波传播影响，且要求hc≥h0时，收、发信天线高度至少应为多少米？ 图4-15
【例4-3】的题图解
（1）根据题意，所给地形为光滑球面，故可设线路中点为地球凸起高度最高点和反射点，因设收、发天线等高（H1＝H2），可画出图4-15。
根据上面的假设，d1＝d2＝25km，自由空间余隙为
(2)考虑气象条件影响，K＝2/3时，地球凸起高度为讨论：本题是以保证自由空间余隙为前提的，当不考虑气象条件影响时，即he=0，当K=∞时，地球凸起高度为零，最小天线高度将最矮；当K＝2/3时，因地球凸起高度增大，最小天线高度将最高。2.平原地区反射点的确定及VdB计算当天线高度已经确定，路径基本属于平原地形时，欲求出地面反射对电波传播的影响，首先应求出反射点。反射点确定后，可知d1、d2，求出hce。由hce/F1值，求出VdB。反射点的求法（1）地形复杂，地势相差明显，往往以地势
最高点为反射点。（2）当微波线路路径为平地、湖面、海面等情况时，应根据反射条件，列出反射点
位置方程求解。工程上常采用图解法。
计算步骤如下：先由h 1、h 2、d 和K求出参数m 和c，其计算
公式为查m、c曲线得到b，则例：有一个中继段为平原地区，h 1=120m，
h 2=40m，d =50Km，K=4/3，求
反射点。 解：根据已知条件查表：b ? 0.36，则3.余隙较小时绕射衰落的计算当hc很小或为负值时，电路呈半开路或闭路线路状态。对绕射公式的理论推导相当麻烦，这里只讲工程上对绕射衰落的近似计算方法，用下述三种情况加以说明。 V0dB为hc＝0时 衰耗因子之电平值V0dB是通过反映障碍物地形的参数?来 确定的： 式中，
；r0为传播方向的障碍物宽度， 可由作图法得出。它在数值上等于由障碍 物顶点向下作铅垂长度h0，通过此h0的端 点作TR平行线，即求出平行线与障碍物交 点之间的宽度。
路由设计（选择）
1、注意反射点。
2、合理选择站距。
3、合理选择hc余隙。
4、避免越站干扰。5、避免其他微波电路干扰。
天线高度选取1、做路径剖面图。2、计算第一费涅耳区半径。
3、选取天线高度及余隙的计算。
4、反射衰落的计算。
5、绕射衰落的计算。6、当等效地球半径系数K变化时，验证
余隙标准。7、天线高度确定时，对收信电平的计算。
例：某高原牧场地区微波线路，工作频率
为2GHz,站距为38Km，发信功率为
1W，收、发信天线增益(直径3.2m）
G t=G r=34dB，馈线损耗Lft=Lfr=3dB，
分路系统损耗Lbt=Lbr=1dB，38Km内的
地势（海拔）高度如下表：d(Km)(从发端起)0
38 高度H(m)80
75 求：（1）做路径剖面图，确定反射点。
（2）选取天线高度，K值变化时验证
余隙标准。 （3）计算最低收信电平。解：一、绘制路径剖面图及有关参数计算
（1）计算等效地球凸起高度利用公式 分别对于不同的K值(
不同的d1值、d2值时计算he，其中d1取
表中各点，d2=38-d1 （2）用坐标纸做路径剖面图分别对应不同的K值，剖面图应有三条
等效地势高度曲线，其各点的等效高度
为各点的海拔高度与该点的等效地球凸
起高度相加。例题.doc （3）反射点位置确定从剖面图中看出，路径中间有一凸起
高地， 故选该处为反射点，即：
d1=33Km， d2=38-33=5Km （4）对?值的估计本中继段给定为高原牧场，为保证通信
可靠，按?=0.7计算。 （5）计算第一费涅耳区半径F1二、选取天线高度及验证余隙标准假定一组收发信天线高度，对应不同的K值，根据公式算出余隙hce值，再求出VdB。当K=2/3时，可能hc&h0 ，要求这时的绕射衰落一般不超过8dB；
当k=?时可能hc & h0 ，要求这时的反射衰落一般不超过8dB；
这样的天线设计合理。
Φ?0.7时，应符合余隙标准：本题中：（1）就地安装天线本题中，天线直径3.2m，天线中心离地面 高度按2m计算，即h1=h2=2m。根据公式，可得： K=2/3时，hce为负，将产生较大的绕射衰落，所以应加大余隙，增加天线高度。 （2）等高天线法假定每端建10m天线，即h1=h2=10m。 则：根据余隙标准进行验证，K=2/3时，hce&0.3F 1，将产生较大的绕射衰落。采用等高天线法，另选取其他高度时，也较难满足三个余隙标准。（3）高低天线法将一端（地势高端）的天线架得高，另一 端（地势低端）天线架得较低，加大两端高度 差，设发端天线h1=25m，收端天线h2=10m。 则：用高低天线法算出的三个余隙符合标准，天线 高度选定。三、计算最低收信电平 （1）对电波衰落的计算K=2/3时，hce=8.22m，小于h0（14.71m），
应按绕射法计算VdB，经作图得r0=3Km。
K=4/3时，hce=17.92m&h0（14.71m），
应按反射公式计算VdB 。K=?时，hce=27.63m&h0，仍按反射公式计算。（2）计算最低收信电平只有当K=2/3时， VdB为负，出现收信机 的最低收信电平。
自由空间传播损耗自由空间传播下收信电平最低收信电平4.4
几种大气和地面效应造成的衰落 4.4.1
概述大气中有对流、平流、端流以及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的，并且是随机产生的。 4.4.2
衰落的种类 1.大气吸收衰耗众所周知，任何物质的分子都是由带电的粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。2.雨雾引起的散射衰耗雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗。 3.K型衰落这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。4.波导型衰落由于各种气象条件的影响，如地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区，都会形成大气层中的不均匀结构。 5.闪烁衰落对流层中的大气常常发生体积大小不等现象。无规则的漩涡运动，称为大气湍流。4.4.3
衰落的统计特性 1.衰落特性的表示方法描述衰落的统计特性可以有不同的方法。例如可用连续记录收信场强（或收信电平）随时间变化的时间分布曲线；也可将场强记录中低于某一场强的时间加起来，再除以总时间，得到低于该场强的时间百分数或概率，绘出收信场强的累积分布曲线等。衰落对视距传播的影响主要有两方面：
1、接收电平下跌―平衰落（1）在信号传输带宽内具有相同的电平
衰落深度。（2）多径效应所引起的相位干涉现象是
平衰落的主要原因。（3）接收点场强的概率密度服从瑞利
分布。2、由于衰落的频率选择性而引起传输
波形的失真。2.瑞利衰落概率的经验公式当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件时，衰落的瑞利概率为式中，d为站距（km）；f为微波工作频率（GHz）； K为环境条件因子； Q为地形条件因子；W0为无衰落时的接收功率； W为有衰落时的接收功率； 3.衰落深度的计算衰落深度又叫衰落储备，但数字微波通信中的衰落储备与模拟微波中的衰落储备值不同。
【例4-4】某平原地区的数字微波通信线路用于数据传输，线路长度为1000km，通信频率为7GHz，全线路误码率为10-6时的中断概率为0.01％，该中继段站距为40km。求衰落深度。例：已知不考虑特定衰落深度时（F=0）， Pr=0.63，求1%时间和0.1%时间的衰落 深度F（dB）。 解：即有1%时间收信电平比自由空间电平低18dB,有0.1%时间收信电平比自由空间电平低28dB。4.5
频率选择性衰落4.5.1
电波的多径传播现象 1.基本概念由本章前几节讨论的内容知道，对一个中继段而言，收信点除可以收到直射波外，还会收到来自路径某点的反射波。 两条射线传输信道的等效网络等效网络的传输函数：其中：?表示干涉波对直射波的振幅比；?表示反射波与直射波的初始相位差；? 表示反射波和直射波的传播迟延时间差。 2.对多径传播的进一步分析可把多径传播归纳为两种类型：一种是直射波与反射波形成的多径；另一种是低空大气层大气效应造成的几种途径并存的多径。 3.频率选择性衰落若固定某一时刻， A（ω，t）和 T（ω，t）就变成只是频率的函数了，相应的幅频特性A（f）和时延特性T（f）曲线如图4-24所示。 图4-24
两条射线信道的传输特性4.5.2
频率选择性衰落对微波通信系统传输质量的影响 1.引起带内失真带内失真会导致解调后数字信号的波形失真，波形失真又会造成码间干扰。有关资料表明，在信号的通频带内，5～6dB的振幅起伏就会使数字微波通信系统产生不能允许的高误码率，使系统性能变坏。决定频率选择性衰落程度的基本参数是两条射线的振幅比r和路径时延差τ0。当τ0一定时，r越接近1，衰落越严重；当r一定时，τ0越大，信号的色散越严重。2.使交叉极化鉴别度下降 3.使系统原有的衰落储备值下降这里所指的衰落储备值下降，往往指数字微波的有效衰落储备。数字微波通信系统经常用到有效衰落储备的概念：它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时，为了在不超过门限误码率时系统仍能工作，所必须留有的电平余量。4.6
抗衰落技术数字微波传输系统中的特性恶化因素：
时变：电平衰落、频率选择性衰落、
非时变：系统设备的不完善可采用固定补偿特性的频域
均衡器消除噪声、干扰及波形失真是造成数字微波通
信统瞬断的三个因素。波形失真：自动均衡技术及使频率特性
平坦化的各种分集技术是有效的。干扰噪声：交叉极化波间的干扰补偿技
术、增大接收电平以减小干扰噪声的分
集接收技术、改进天线方向性以避免收
到干扰电波的天线技术。热噪声：为增大发射功率或为防止接收
功率降低而用的非线性补偿技术、分集
合并技术。自适应均衡是对抗多径衰落的主要及
有效手段。频域自适应均衡AFE
时域自适应均衡ATE 4.6.1
概述对抗衰落的技术措施可以从两个方面去考虑：一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，另一个方面是对已建成微波电路的衰落严重接力段的考虑。1.准备建设的微波电路首先要按设计程序选好路由，为了防止地面反射造成的干涉型K型衰落，应避免使线路穿越水网、湖面或海面等强反射区域。 2.已建成的微波电路 （1）分集技术与种类目前在微波通信和卫星通信系统中，抗衰落的主要手段是采用分集技术。分集就是指通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。图4-25
累积分布曲线 （2）分集改善效果分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果（好处）。分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。4.6.2
微波通信常用的空间分集接收方式空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统，本书以空间分集接收为例说明这种技术。空间分集接收是指在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。
下面列举的几种空间分集均为二重空间分集接收方式。 1.同相合成分集接收同相合成又叫最大功率合成，有微波同相合成和中频同相合成两种形式。2.最小振幅偏差合成分集接收 （1）工作原理如图4-27所示为最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图。 （2）与同相合成性能比较如图4-28所示的为最小振幅偏差合成与同相合成在改善带内失真方面的性能比较，合成过程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示。图4-27
最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图 图4-28
同相与最小振幅偏差合成性能比较 3.基带开关分集接收这种分集接收方式是把上、下两天线接收的信号分别经过各自的接收机，变成中频信号并解调成基带信号后，由分集开关盘进行选择倒换，选择误码率较低的一路作为基带信号输出。 4.分集改善效果在数字微波通信系统中，不管采用哪一种空间分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强，还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。 最大信噪比同相合成 4.6.3
自适应均衡技术 1.频域自适应均衡器在模拟微波通信系统中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是该均衡器仅作静态特性的补偿。图4-30（a）左边部分示出了因多径传播造成的频率选择性衰落时，凹陷点的频率及其陡度（特性会随时变化）。图4-30（b）所示的是这种频域均衡器的原理电路。 设二径衰落模型H（?）为频域均衡器的均衡 衰落特性，则自动均衡器所要求的特性E（?） 为：?&1发散（不收敛），非最小相位衰落，采用 时域均衡器；?&1收敛，最小相位衰落，采用 频域均衡器。图4-30
中频可变调谐的自适应均衡器 中频自适应幅频倾斜均衡器 补偿函数的传递函数为： 2.时域自适应均衡器时域自适应均衡器的方案很多，下面列举的是一种应用较广，加在基带电路中的横向滤波器式均衡器。与AFE相比ATE的均衡能力要强：最小与非最小相位失真均可有效均衡，
而AFE只能均衡最小相位失真。
ATE不受径数影响。
能均衡大时延失真。均衡因设备非线性造成的失真。
交叉极化干扰抵消器（XPIC）交叉极化干扰抵消器由横向滤波器、控制电路 等部分组成。其原理是：从所传输的信号相正 交的干扰信道中取出部分信号，经过适当处理 后与有用信号相加，用以抵消叠加在有用信号 上的来自正交信号的干扰。基带交叉极化干扰的消除方法 CARR RECOV：载波恢复 X：同波道交叉极化波 X PIE：交叉极化波干扰估值 TRSV EQL：横向均衡器非线性失真及其补偿技术信道的非线性特性主要取决于信道中的 功率有源部件，主要是发信功率放大器和上 变频器等。除了基波信号及它们的各次谐波外，其 它新的频率信号统称为非线性交调产物。称为N阶交调产物。
非线性指标1分贝压缩点功率P1dB放大器功率增益G=（Gmax-1）dB时所对应
的输出功率。
三阶交调系数三阶交调频率信号的幅度与基波信号的幅
AM-PM转换输出信号的相位变化与输入信号幅度变化
之比。改善微波功放线性的措施
1、功率回退法与功率合成功率回退：把线性输出功率从1分贝压缩点
降低6到10分贝。
2、中频预畸变法
3、前馈法4、自适应基带预畸变法
自适应发信功率控制ATPC微波发信机的输出功率在ATPC的控制范围内 自动地跟踪接收端接收电平的变化而变化。
ATPC的主要优点：1、降低了对相邻系统的干扰
2、减小了上衰落对系统的影响
3、降低了电源消耗4、改善了系统残余比特差错性能 ATPC电路工作原理数字微波通信系统的倒换
波道备份（异频备份）
N：1备份设备备份（同频备份）无损伤切换（Hitlles Switching）：切换 过程中，无感觉、数据无滑动，不会 因倒换而引入误码。4.7卫星通信电波传播的特点1.影响卫星通信中电波传播的因素由于卫星通信的电波传播路径需要通过对流层中的云层和雨层以及再上面的同温层、中间层、电离层和外层空间，故电波传播都会受到它们的影响。2.地球站天线仰角与通信距离的关系地球站天线的仰角应始终跟踪卫星上的天线，以便使地球站的收信机得到较高的收信电平。3.自由空间传输损耗及环境影响
（1）卫星通信的自由空间传输损耗计算公式与微波通信相同，只是损耗值要大得多。Ls＝92.4＋20lgd（km）+20lgf（GHz）
（dB） （2）大气衰减损耗大气气体对卫星通信的电波产生的损耗既与星站间距离有关，也与地球站天线的仰角有关。（3）云层和降雨影响云层损耗主要是由云层对电波吸收造成的，仰角θ愈小，通信频率愈高，其损耗愈大。（4）闪烁衰落的影响由于卫星通信的电波路径比微波通信要长得多，所以其闪烁情况及影响也与微波通信不同。① 闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时，由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化，使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。② 电离层闪烁：频率较低时，如1～2GHz，以电离层闪烁为主。③ 对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆变或湍流运动，引起折射指数的不均匀性，对电波产生散射。4.卫星通信常用的分集接收方式为了卫星通信的可靠性，克服上述各种因素造成的损耗和衰落，仅靠预留功率损耗余量是不够的，还应采用分集技术才能得到好的效果。5.卫星通信中的多谱勒效应当以一定速率运动的物体，例如飞机，发出了一个载波频率f1，地面上的固定接收点收到的载波频率就不会是f1，并产生了一个频移fd。
其频移大小表示为式中，λ为接收信号载频的波长；第6章
微波与卫星通信的线路噪声及线路参数计算 6.1
数字微波通信的假想参考通道与误码性能指标 6.2
数字微波的信道噪声与噪声指标分配 6.3 数字微波信道线路参数计算6.4
卫星接收机载噪比与G/T值的计算 6.5 卫星通信线路的C/T值6.6
FDM/FM/FDMA系统中的卫星线路参数设计 6.7
TDMA系统中的卫星线路参数设计及容量计算数字信道是指对话音信号进行PCM处理后的数字化语音信号经过多路复用的信道。通常一个数字通道是指与交换机或终端设备相连接的两个数字配线架DDF或等效设备（如DXC设备）间的全部传输手段，一般含概了一个或几个数字段。 6.1
数字微波通信的假想参考通道与误码性能指标 6.1.1
SDH体制下的数字微波通信在PDH系统中，信息是以串行比特流的形式传输的，可用严重误码秒、误码秒来衡量系统误码性能。 1.假设参考数字连接模型（1）假设参考数字连接（HRX）ITU-T规定，在全球范围内任意两个用户间的最长假想数字通道的长度为27500km，其中包括国内部分；最长假想参考数字通道的长度为6900km，这部分又可分为长途网、中继网和用户网（接入网）三部分。可见ITU-T建议的一个标准的最长HRX包含14个假设参考数字链路和13个交换节点。（2）假想参考数字链路（或通道）（HRDL）为了简化数字传输系统的研究，把HRX中的两个相邻交换点的数字配线架间所有的传输系统、复接和分接设备等各种传输单元（不包括交换），用假想参考数字链路（HRDL）表示。（3）假设参考数字段（HRDS）一个假想参考链路（HRDL）是由多个假想参考数字段（HRDS）构成的。而一个假想参考数字段HRDS是指两个相邻的数字配线架DDF或等效设备（例如两个分插复用器ADM）之间用来传输特定速率的数字信号的线路及设备。 2.SDH网络的误码评定参数表6-1高比特率通道的端到端误码性能要求 （1）误块（EB）由于SDH帧结构采用块状结构，因而当同一块内的任意比特发生差错时，则认为该块出现差错，通常称该块为差错块，或误块。 （2）误码性能参数 ① 误块秒比（ESR）② 严重误块秒比（SESR） ③ 背景误块比（BBER） 6.1.2
误码性能规范 1.全程误码指标由假设参考通道模型可知，对于STM-1数字微波通信系统，其最长的假设参考数字通道为27500km，这样其全程端到端的误码特性应满足表6-1的要求。 2.指标分配为了将图6-3所示的27500km端到端光纤通信系统的指标分配到更小的组成部分，G.826采用了一种新的分配法，即在按区段分配的基础上结合按距离分配的方法。（1）国际部分国际部分是指两个终端国家的IG之间的部分。 （2）国内部分国内部分从IG到通道终端点（PTP）之间的部分，如图6-3所示。通常PTP位于用户处。图6-3
高比特率通道全程指标分配6.2
数字微波的信道噪声与噪声指标分配 6.2.1
噪声的分类数字微波的信道噪声可分为4类：分别为热噪声（包括本振噪声）、各种干扰噪声、波形失真噪声和其他噪声。 1.热噪声本节中讨论的热噪声是指收信机的固有热噪声和收发本振热噪声。 （1）收信机的固有热噪声 N固=NFKT0B（2）收发本振源的热噪声对收发本振源而言，热噪声主要由寄生调相噪声和寄生调幅噪声组成。2.各种干扰噪声从干扰噪声的性质来看，基本上可分为两大类：一类是设备及馈线系统造成的，例如回波干扰、交叉极化干扰等就属于这一类；另一类属于其他干扰，可认为是外来干扰。（1）回波干扰在馈线及分路系统中，有很多导波元件，当导波元件之间的连接处的连接不理想时，会形成对电波反射。 （2）交叉极化干扰为了提高高频信道的频谱利用率，在数字微波通信中用同一个射频的两种正交极化波（即利用水平极化波和垂直极化波的相互正交性）来携带不同波道的信息，这就是同频再用方案。 （3）收发干扰在同一个微波站中，对某个通信方向的收信和发信通常是共用一副天线的。这样发支路的电波就可以通过馈线系统的收发公用器件（也可能通过天线端的反射）而进入收信机，从而形成收发支路间的干扰。 （4）邻近波道干扰当多波道工作时，发端或收端各波道的射频频率之间应有一定的间隔，否则就会造成对邻近波道的干扰。 （5）天线系统的同频干扰天线间的耦合会使二频制系统通过多种途径产生同频干扰，如图6-4所示。图6-4
天线间耦合产生的同频干扰 6.2.2
噪声指标的分配 1.载噪比的概念载噪比是指载波功率与噪声功率之比。通常用符号C/N表示。载噪比越低，误码率就越高，信道的传输质量也就越差。 2. 噪声性质评价按其性质噪声干扰可分为固定恶化干扰、恒定恶化干扰和变化恶化干扰，对噪声干扰的这种分类法是与数字微波信道传播特点相适应的。恒定恶化干扰是指与电波衰落无关的各种噪声，例如回波干扰、越站干扰、邻近波道干扰和本振噪声等。 6.3 数字微波信道线路参数计算6.3.1
信道的基本性能和主要线路参数计算 1.一定误码率要求下的实际门限电平值理论载噪比表示的是一定误码率指标F信号与高斯白噪声的比值，这些噪声包括热噪声和各种干扰噪声，但没有考虑设备性能不完善的影响（指N固）。 【例6-1】已知某数字微波通信系统的技术指标如下：门限载噪比=23.1dB（没有考虑固定恶化成分）, 接收机噪声系数=1.62 ,接收机的等效带宽=25.833MHz，试计算出该系统的实际门限电平值。2.衰落储备衰落储备包括平衰落储备和多径衰落储备，下面分别进行介绍。 （1）平衰落储备首先介绍一下平衰落的概念。平衰落是指频带内的各种频率分量所受到的衰减近似相等的衰落。 （2）多径衰落储备当宽带信号经多径传播时，由于所传输的路径不同，因此信号到达接收端的时延不同，从而造成相互干扰，使得带内各频率分量的幅度受到的衰减程度不同，这就是多径衰落。（3）复合平衰落储备在采用空间分集技术的系统中，由于接收信号分别经过主接收系统和分接收系统，然后被送入中频合成器进行同相合成，此时系统的衰落特性就得到了改善，我们称通过空间分集而改善的特性为复合平衰落储备Mfc，可用下式计算：其中Mf1，Mf2分别表示两个分集接收系统的平衰落储备，而Max（Mf1，Mf2）则代表取两者中间最大的数值，d12表示两个分集系统的天线收信电平差。3.衰落概率指标分配数字微波传输信道是以高误码率作为设计指标的，所以这里所指的分配当然是指高误码率时对应的衰落概率指标分配。 （1）不同信道的衰落概率分配 ① 电话传输信道当一条实际微波电路的总长为d公里时，则该电路分配允许的衰落概率指标不得超过② 数据传输信道当实际电路长度为d公里时，其允许的衰落概率指标不得超过：（2）衰落概率的估算在大容量的数字微波通信系统中，影响衰落概率指标的因素有平衰落和频率选择性衰落，因此系统的衰落概率Pm可以用平衰落引起的衰落概率Pmf和频率选择性衰落引起的衰落概率Pms来表示，即
Pm=Pmf+Pms ① 平衰落所引起的衰落概率Pmf我国在确定衰落概率时是根据ITU的规定，以下列经验式进行计算的：②频率选择性衰落引起的衰落概率Pms当存在多径衰落时，由于不同路径的信号，其传输时延不同，会对主信号构成干扰，而且Ms越小，造成系统瞬间中断的概率（即衰落概率）越高。 6.3.2
改善误码性能的措施1.采用备用波道时的衰落概率改善当某中继段的衰落概率指标大于式（6-6）（针对电话传输波道）计算出的分配值Px时，我们可以考虑采用备用波道方式来改善系统性能，为此提出了备用波道改善系数 Ifd，它表示改善后的衰落概率Pfd与平衰落情况下的衰落概率Pmf的关系，并可用下式表述：2.采用分集技术时的衰落概率改善常用的分集技术有空间分集和频率分集。对于地面反射所引起的多径衰落，常采用空间分集的方式来克服其影响。我们用Pfd+sd来表示采用空间分集时的衰落概率，具体表示式如下：【例6-3】现有一数字微波通信系统，某中继段d=50km，处在C型端面，f=5GHz，自由空间收信电平Pr0 = -43.6dBm，接收机实际门限电平Pr门= -74.8dBm(BER≤10-3),实际门限载噪比（C实/N固）=23.1dB，系统采用6：1波道备份和二重空间分集接收。试求如下参数：
（1）1平衰落储备Mf（2）该段电路的瞬断率Pm（3）采用6：1备用波道后的瞬断率Pfd
（4）采用二重空间分集后的瞬断率Pfd+sd6.4
卫星接收机载噪比与G/T值的计算 6.4.1
卫星系统中存在的噪声与干扰类型在卫星通信系统中存在着多种噪声与干扰，它们分别是由不同的器件引入的，而且与系统所采用的寻址方式有关，下面分别进行介绍。1.噪声类型卫星通信系统是以大气作为传输介质来完成地球站与卫星转发器之间的信息交互的。由于其传输路径长，接收机所接收的信号功率非常弱，因此对噪声非常敏感。 （1）热噪声系统中的任何器件和设备工作时，都会给系统引入热噪声，其功率为N=KT0B，与数字微波中的噪声功率的形式相同。（2）天线噪声无论是在微波系统中，还是在卫星系统中，天线都是用来完成射频信号的发送与接收工作的设备。根据噪声源产生的原因，噪声源大致可分为自然噪声源和人为噪声源两大类。自然噪声源包括宇宙噪声、太阳噪声、地面噪声、大气层吸收和降雨损耗等产生的噪声。由于噪声是通过接收机天线进入系统的，为了衡量进入接收系统的噪声大小，因而我们提出了一个新的物理量――天线噪声温度。在图6-5中给出了一个典型地面站受到大气吸收（实线）和银河系外噪声（虚线）影响时的天线噪声温度示意图。图6-5
天线噪声温度与仰角和频率的关系曲线在第1章中我们已经介绍了卫星接收系统的结构，除接收天线会给系统引入噪声外，其他器件如低噪声放大器、下变频器以及天线与低噪声放大器间的馈线都会是系统的重要噪声来源。如果天线与低噪声放大器间的馈线对信号具有1/L的衰减量，那么接收系统噪声温度Tt可用下式来表示：
Tt=TA/L+Ti（1－1/L）+Tr其中，Ti为环境噪声温度（通常假设为290K）；TA为天线噪声温度；L为天线到低噪声放大器之间的衰减量；Tr为接收机有效噪声温度（如低噪声放大器、下变频器等内部器件）。 2.干扰卫星系统中所能存在的干扰有很多种，而且与系统中运用的多址方式有关，这里我们详细介绍几种常见的干扰。 （1）交调干扰（2）邻道干扰邻道干扰是指相邻波道或相近波道所带来的干扰，其产生的原因主要如下。① 相邻波道间隔过小或接收滤波器特性不完善造成的干扰② 其他站寄生发射造成的干扰（3）相邻波束间的干扰当卫星系统中采用了空分多址方式时，即采用波束隔离方式，它首先是将地球表面分成若干个区域，不同的区域用不同的波束覆盖，而且彼此互不重叠。这样不同波束可以采用相同频带，但由于天线方向图的旁瓣效应，使得两个彼此接近的波束之间存在相互干扰，这就是相邻波束间的干扰。 （4）交叉极化干扰为了提高频带利用率，在卫星通信系统中（或卫星移动通信系统中）可以采用空间区域彼此重叠、空间指向一致、工作频率相同、极化方式不同的两个波束（一个是水平极化波，另一个是垂直极化波）来实现信号隔离。 （5）码间干扰当数字序列经过具有理想低通特性的信道时，如果其传输速率以及所占用信道带宽满足奈奎斯特准则，那么其输出信号序列中各比特间不存在码间干扰。 （6）同频干扰所有进入接收机通带内的、与本信道频率相同的或相近的无用信号都会对本信道信号构成干扰，这种干扰就是同频干扰。 6.4.2
接收机载噪比与地球站性能因数G/T值 1.接收机输入端的信号功率如果某系统中的发射天线与接收天线之间的距离为d，接收天线效率为ηR，AR为接收天线开口面积，因而接收天线的增益为当以PT功率发射，同时发信天线的功率增益为GT时，那么接收站所接收的信号功率C可用下式表示： 其中Lp=（4πd/λ）2为自由空间的传输衰减。 2.接收机输入端载噪比接收机输入端载噪比是指接收机输入端所接收到的有用信号功率与噪声之比，用符号C/N表示。 3.地球站性能因数G/T值由式（6-18）可以看出，当设计好一个卫星转发器之后，那么卫星转发器的有效全向辐射功率［EIRP］s就确定了。 6.5 卫星通信线路的C/T值由前面的分析可知，当接收机输入端匹配时，折合到输入端的热噪声功率为N=KTB。这样
的关系可表示为
热噪声影响下的上下行链路中的C/T值 1.上行链路C/T值在介绍上行链路CT值之前，我们首先引入一个新的概念――转发器灵敏度。转发器灵敏度是指卫星 转发器达到最大饱和输出时，其输入端所需的信号功率，通常用单位面积上的有效全向辐射功率Ws 表示：（1）单载波上行链路的C/T值为了与下行链路中的接收系统等效噪声温度加以区别，我们用CTU来表示上行链路所受热噪声影响的程度。由以上分析我们可以顺利地写出
值的表达式： （2）多载波条件下的C/T值具体方法就是进行输入补偿，即使总的输入信号功率从饱和点减少一定数值，保证转发器处于正常工作状态。这时多载波工作的卫星转发器的EIRPEM为地球站所发射的EIRP的总和，它将比单载波条件下工作的卫星转发器的EIRPES要小，它们的关系可用下式表示：［EIRP］EM=［EIRP］ES－［BO］l 式中［BO］l为输入补偿值。 2.下行链路的C/T值与上行链路C/T值的表示方式相对应，我们用C/TD来表示下行链路中的C/T值。如果我们只考虑下行链路本身的噪声的话，那么可得6.5.2
交调噪声影响条件下的C/T值在第3章中我们曾经指出，在采用FDMA的卫星系统之中，由于卫星转发器必须具有同时对多载波进行放大的能力，因而在转发器中采用行波管放大器来完成放大功能。6.5.3 卫星链路的总C/T值为了便于分析，我们在对某卫星系统链路进行计算时，假设其卫星链路的等效噪声温度Tt是上行链路噪声Tu（与前面Tsat意义相同）、下行链路噪声TD和交调噪声TtD三部分组成的，即Tt=TU+TD+TtD ，显然有 6.5.4
卫星链路的C/T门限余量一般我们将
门值之间的差值定义为“门限余量”［M］门，即
通常考虑到雨、雪等气象条件设备的不稳定性及器件的老化等因素的影响，因此该门限余量应取适当值。6.6
FDM/FM/FDMA系统中的卫星线路参数设计在FDM/FM/FDMA系统中，某基站欲与系统中的另一个基站进行通话时，首先将所要传输的多路信号复用到基带中的相应位置，然后用基带信号对本站的发射载频进行调频，最后通过其上行链路向卫星发送。 6.7
TDMA系统中的卫星线路参数设计及容量计算 1.卫星线路参数设计由TDMA工作方式决定了该方式适合于数字通信系统。对于数字通信系统而言，衡量其系统性能的技术指标是误码率和传输速率，其卫星线路参数设计过程如下。2.容量计算在采用TDMA方式的系统中，卫星转发器既可以工作于功率受限情况下，也可以工作于频带受限情况下，而且其系统容量与系统中所使用的卫星转发器的工作状态有关，下面分别进行分析。 （1）卫星转发器处于功率受限状态当卫星转发器工作于功率受限情况下时，卫星的有效全向辐射功率［EIRP］S固定不变，这时下行链路满足下面的方程： （2）卫星转发器处于频率受限当卫星转发器工作于频率受限情况下时，一般用转发器的带宽与码元速率之比KWB来表示：包含各类专业文献、应用写作文书、专业论文、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、行业资料、中学教育、75微波与卫星通信等内容。
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