通信链路相关研究.ppt

2007-08,1,现代移动通信技术,东南大学移动通信国家重点实验室,叶芝慧,2007-08,2,教学目标和教学要求,本课程是“通信与信息系统”学科硕士研究生的选修课，计划学时40学时，2学分。本课程教学方式为讲课、讨论、自学相结合，通过听课、讨论、撰写读书笔记、提交研究报告等形式，使学生掌握现代移动通信中的关键技术，了解最新的发展，培养创新能力。课程结束以学生提交的研究报告和（或）课程论文评定成绩。,2007-08,3,教学大纲,通信链路分析衰落信道扩频技术多路复用和多址接入现代移动通信系统原理与应用数字蜂窝移动通信主要技术原理低功率无线接入系统Ad hoc网络关键技术RFID课程总结,2007-08,4,第讲通信链路分析,通信工程中的系统链路预算信道接收信号功率和噪声功率量程方程噪声系数、噪声温度和系统温度链路分析系统权衡,2007-08,5,1.1 通信工程中的链路预算,链路不仅指发射机与接收机之间的信道或者区域，它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，通过发射机和信道，直到包含所有信号处理功能的接收机，最后结束于信宿。链路预算是一种评价通信系统差错性能的评估技术。链路分析结果即是链路预算，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制表。链路预算权衡了增益和损耗，概括了发送和接收资源、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。,2007-08,6,图1.1 通信链路分析,2007-08,7,图1.2 误差概率与Eb/N0的关系曲线,1.1 通信工程中的链路预算,2007-08,8,1.1 通信工程中的链路预算,对于附加高斯噪声信道的各种调制方式而言，其Eb/N0与误差概率相关联。一旦选定调制方式，给定的误差概率对应着曲线图上的某一点。换言之，要求的误差性能规定了满足性能要求的接收机所要达到的Eb/N0值。,2007-08,9,1.1 通信工程中的链路预算,链路分析的目的是确定图实际系统工作点，并证实该点的误差概率小于或者等于系统的要求。在通信系统设计时，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，可以知道整个系统的性能。例如链路余量说明系统是充裕地、刚好或不能满足设计需求。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它部分弥补。链路预算经常作为分析系统权衡、配置的参考依据，并且若与其它建模技术结合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”。,2007-08,10,1.2 信道,信道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、光纤电缆，若是射频链路则包括波导，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。对卫星链路而言，信道则主要由真空构成。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。,2007-08,11,自由空间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，若完全均匀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，到达接收机的RF能量只与到发射机的距离有关。自由空间信道是理想的RF传播路径。实际上在大气层和近地点的传播会有吸收、发射、衍射和散射等干扰，这些都会影响信号在自由空间的传输。,1.2 信道,自由空间,2007-08,12,1.2 信道,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。均衡技术是为了补偿由于ISI引起的性能降低。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不总能减少ISI引起的性能降低。,2007-08,13,1.2 信道,差错性能,数字通信中误差性能依赖于接收端的Eb/N0，它是归一化的信噪比（S/N或SNR）。SNR指平均信号功率与平均噪声功率之比。SNR降低的原因：降低有用信号的功率，称损耗；增大噪声功率或者干扰信号功率，称为噪声（或干扰）。信号的一部分在传播过程中被吸收、转向、分散或反射时就产生了损耗，结果使得部分发射能量不能到达接收端。电磁噪声和干扰的来源很多，如热噪声，银河系噪声，大气噪声，瞬时切换，互调制噪声以及其他信号源的干扰信号等。,2007-08,14,图1.3 卫星通信链路信号损耗和噪声来源,2007-08,15,图1.4 从指定高度到大气顶端的理论单向衰减,2007-08,16,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,导致SNR降低的21个主要来源1.带限损耗。所有的系统在发射机中都使用滤波器，以确保发射能量集中在指定频带内，从而避免对其他信道和用户的干扰，并达到管理部门的要求。这些滤波降低了发射能量，造成了信号的损耗。2.码间串扰。系统中所有的滤波（包括在发射机、接收机和信道的滤波）都会产生ISI。接收脉冲互相叠加，产生的拖尾占据相邻码元的间隔，从而干扰检测过程。即使没有热噪声，不良滤波，系统带宽限制和信道衰落也会产生ISI导致信噪比降低。3.本地振荡相位噪声。如果在信号混合中使用LO，相位变化或抖动将会引入相位噪声。若在接收端的相关器中用该信号作为参考信号，相位跳变会导致检测器性能的降低，从而增加信号损耗。在发射端，相位跳变可能产生信号的带宽扩展，因此需要将扩展的部分滤除，从而造成信号的损耗。,2007-08,17,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,4.AM/PM 转换。在行波管（TWT）等非线性设备中AM到PM的转换就是一种相位噪声。信号幅度的波动（调幅）产生相位变化，这也给进行相干检测的信号带来了相位噪声。AM到PM的转换还能产生导致信号噪声的额外边带。5.限幅器损耗或增益。硬限幅器可以加强两个信号中较大的一个，抑制较小的一个，从而造成了信号损耗或者信号增益。6.多载波互调制产物。若几个具有不同载波频率的信号同时通过非线性设备（如TWT），则会导致不同载波频率间的多重交互作用，产生所有频率的和差组合的信号。这些伪信号（互调或IM产物）的能量就是损耗的信号能量。此外，如果这些互调产物出现在信号频带内，则产生了这些信号的附加噪声。,2007-08,18,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,7.调制损耗。链路预算计算接收的有用功率（或能量）。只有携带信息的信号功率才是有用的。任何用于发射载波而不是调制信号的功率都属于调制损耗（但是，载波能量对同步是有用的）。8.天线效率。天线是将电信号与电磁信号互相转换的转换器，也用于将电磁能量汇集于指定的方向。天线口径（面积）越大，指定方向上的信号功率密度也越大。天线效率可以用有效口径和物理口径之比来描述。造成效率降低的因素有幅度的衰减、口径拥塞、散射、再辐射、溢出、边缘衍射和耗散损失。由于这些因素的共同作用，导致典型的效率范围是50-80%。9.天线屏蔽器的损耗和噪声。天线屏蔽器是某些天线上为了防御气候影响而设置的保护层。信号传输路径中的天线屏蔽器会辐射、吸收部分信号能量，从而产生信号损耗。根据物理学基本原理，任何能吸收能量的物体也能辐射能量（温度在以上）。部分能量落在接收机带宽范围内而导致了注入噪声。,2007-08,19,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,10.定向损耗。指发射天线或接收天线不正确定向时所产生的损耗。11.偏振损耗。电磁偏振域是指磁力线所指方向的区域，天线的偏振则指其辐射域的偏振。在发射天线与接收天线之间，任何偏振不匹配都会产生信号损耗。12.大气损耗和噪声。大气会造成信号损耗，引进有害的噪声。大气的容积在大约20 km高度范围之内；在相对较短的信道中，大气会造成主要的损耗和噪声。大气还给链路带来噪声能量。在天线屏蔽器中，吸收能量的微粒也能辐射能量。氧气和水蒸气微粒在整个RF频谱中辐射噪声。落在给定通信系统带宽内的噪声部分会降低SNR。大气造成信号损耗、引进噪声的主要因素是降雨。降雨越稠密，被吸收的信号能量就越多。降雨时由于雨水接触天线束而对系统接收机造成的大气噪声辐射，远远大于晴天时的情况。,2007-08,20,图1.4 从指定高度到大气顶端的理论垂直单路衰减,2007-08,21,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,13.空间损耗。由于距离的作用，电磁场强度降低，信号强度（功率密度或流量密度）随之降低。卫星通信链路中，空间损耗是系统最大的损耗。从某种意义上说，没有汇聚到接收天线的所有能量都是损耗。14.邻道干扰。这种干扰产生的原因是其他频率信道信号的溢出，而导致的有害信号或者能量的插入。哪一个邻近的信道会落在频域内，由调制的频谱滚降、带宽和主瓣形状决定。15.同道干扰。这种干扰指信号带宽内的干扰波形引起的性能降低。造成同道干扰的原因有很多，例如意外发射，高度和宽度不足的偏振识别，或天线旁瓣（主天线束周围的低能量束）的辐射溢出等等。这种干扰也可能由同频谱的其他授权用户造成。,2007-08,22,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,16.互调制噪声。由于非线性设备中多载波信号相互作用会产生IM产物。该IM产物有时也称为能动互调，它会造成信号能量损耗，或者向链路引入噪声。这里讨论被动互调，这是由于多载波发射信号与发射机输出端的非线性设备相互作用而产生的。这些非线性主要产生于波导耦合连接处、被腐蚀的表面以及弱电的表面。当大的电磁波投射在具有二极管传输函数的表面时，将产生大量的噪声。如果这些噪声辐射到附近的接收天线，将严重降低接收性能。17.银河系或宇宙、恒星以及地面噪声。所有天体如恒星、行星等都会辐射能量。这些噪声能量作用在天线工作范围内就会降低SNR。18.馈线损耗。接收天线和接收机前端之间的波导和电缆（馈线）都会造成信号衰减和热噪声。,2007-08,23,19.接收机噪声。即接收机中产生的热噪声20.实施损耗。这种性能损耗是理论检测性能和实际性能的差值。实际运用中的种种缺陷，例如定时错误、频率偏移、波形的上升下降次数以及有限值的运算等，都会造成与理论值的偏差。21.不良的同步参考。若能正确产生载波相位、子载波相位和信号定时参考，误差概率将与理论推导的Eb/N0一致。但通常情况下这些对象并不能完全正确地产生，从而导致系统损耗。,1.2 信道,信号损耗和噪声来源,2007-08,24,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,链路预算的目的是检测通信系统能否按计划运行，即误差性能能否达到指定要求。链路预算分析出从发射机到接收机的全过程中传输信号的“升”和“降”（增益和损耗）。综合计算接收Eb/N0的大小，满足需求的盈余。计算处理过程由量程方程开始，因为量程方程建立了接收功率与收发之间距离的函数关系。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。,2007-08,25,图1.5 量程方程（用距离描述接收功率）,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,2007-08,26,假定球体上功率密度p(d)与发射功率Pt的关系为,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,球面面积为4d2。从接收天线提取的功率为,其中参数Ae是接收天线的有效面积，定义为,Ae=,总提取功率瞬时功率流量密度,（1.1）,（1.2）,（1.3）,2007-08,27,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，即,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,G=,最大功率密度球面的平均功率密度,（1.4）,天线增益可以认为是将RF流量集中在某个比4球面小的限定区域内而产生的结果。,2007-08,28,图1.6 天线增益是将各向同性RF通量集中的结果,2007-08,29,EIRP: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Pt和发射天线增益Gt的乘积，即EIRP=Pt Gt,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程,2007-08,30,1.3 接收信号功率和噪声功率,量程方程的基础,用EIRP代替Pt有,天线增益G和天线有效面积Ae的关系式为,是载波波长，和频率f互为倒数关系，即=c/f，c是光速（3108m/s）。天线增益随波长减小（频率增加）而增加；天线增益还随有效区域增大而增加。,（1.5）,（1.6）,将（1.6）代入（1.5）有,其中，(4d/)2称为链路损耗或自由空间损耗，用Ls表示。Gr为接收天线增益。式（1.7）称为量程方程。,（1.7）,2007-08,31,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17o）。如果在频率f1（=c/1）提供全球覆盖，若频率切换成f2，f2f1，覆盖率将下降（对给定天线，G=4Ae/2,G增加，等效于将流量密度聚集在更小的圆锥角上，导致束宽变窄）；因此必须减小天线的大小以保证覆盖率或束宽。因此覆盖全球的天线在载波频率增加时需要减小尺寸。,接收功率作为频率的函数,1.3 接收信号功率和噪声功率,接收信号功率与频率的函数关系,2007-08,32,1.3 接收信号功率和噪声功率,热噪声功率,所有导体中电子热运动都会产生热噪声。噪声可以用噪声功率谱密度来描述。在频率1012Hz以下热噪声功率谱密度为常数，所以称之为白噪声。通信接收机将热噪声过程看成加性高斯白噪声（AWGN）。热噪声或散粒噪声的物理模型是开路均方电压为4kToWR的噪声发生器，其中,2007-08,33,1.3 接收信号功率和噪声功率,热噪声功率,由噪声发生器耦合到放大器前端的热噪声功率最大值为,所以，放大器输入端的最大单边噪声功率谱密度N0为,（1.8）,（1.9）,由热噪声功率最大值可知，热噪声的可实现功率与噪声源周围的温度有关（噪声温度）。因此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。,2007-08,34,1.4 链路预算分析,在评估系统性能时，主要考虑的是在可接受误差概率下对含噪信号的检测能力，所以最重要的参数是SNR或Eb/N0。将量程方程中的Pr除以N得到,Pr/N=,EIRPGr/NLs,（1.10）,若采用模拟接收机，Pr/N是测量信号性能质量的主要参数。若是数字接收机，则通常采用相关器或匹配滤波器，数字链路通常的处理模式是用噪声功率谱密度代替噪声功率。此时有,（1.11）,其中的系统有效温度To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。注意到接收天线增益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。,2007-08,35,1.4 链路预算分析,有效温度To是建模各种噪声源的参数。式（1.11）中引入了术语Lo，用来表示其他损耗。式（1.11）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/N0），有效各向同性辐射功率（EIRP），接收品质因数（Gr/To）和损耗（Ls，Lo）。下面介绍分析通信链路增益和损耗的方法。首先应用式（1.11），由源计算到达检测端（检前点）的净SNR。这类似于商业“记帐”系统，记录资产、债务、利润（或亏损）的底线。式（1.11）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）就象企业的资产，所有的分母参数（热噪声，空间损失，其他损耗）则象企业的债务。,2007-08,36,1.4 链路预算分析,假定调制信号包含了所有的接收功率Pr，可以得到Eb/N0和SNR的关系式,（1.20a）,（1.20b）,（1.20c）,式中R是比特速率。在设计和评估系统时经常会用到式（1.20）中Eb/N0和Pr/N0的基本关系。,2007-08,37,1.4 链路预算分析,两个Eb/N0值,Eb/No是指为了获得一定的误差概率而需要的比特能量与噪声功率谱密度之比。为计算余量或安全因子M，需要所需Eb/N0与实际Eb/N0（或接收Eb/N0）的差值。前者称为(Eb/N0)reqd，后者称为(Eb/N0)r。图1.9。一点的PB=10-3，是系统所需误差性能的工作点。假定(Eb/N0)reqd=10dB就可得所需性能。能否使系统解调器刚好能收10dB？应设计具有安全余量的系统，使实际接收的(Eb/N0)r大于(Eb/N0)reqd。设计系统的工作点应是图1.9的另一点。这时(Eb/N0)r=12dB，PB=10-5。此例中可以将安全余量或链路余量表示为提供2次幂的PB提高；或者说可以用提供比所需的Eb/N0大2dB的Eb/N0来描述链路余量。,2007-08,38,图1.9 两个重要的Eb/N0值,2007-08,39,1.4 链路预算分析,两个Eb/N0值,链路余量就是(Eb/N0)r和(Eb/N0)reqd的差值（dB）,（1.22）,参数(Eb/N0)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。链路余量M,（1.23）,此即链路余量方程。,2007-08,40,链路余量方程包括了所有影响链路误差概率的参数。在这些参数中：Eb/N0定义在接收机输入端，更确切地说，是定义在检测器（检前点）输入端。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，都定义在检前点。接收机品质因数Gr/To定义在接收天线的输入端，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/N0，Gr/To和EIRP都定义于特定的系统位置。,1.4 链路预算分析,两个Eb/N0值,2007-08,41,1.4 链路预算分析,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（1.23）表示为,（1.24）,此表达式的参数值构成链路预算，是分配通信资源的有效工具。在维持正的余量值的前提下，可在各种参数间权衡。通过放弃过多的余量来减小发射功率；通过降低(Eb/N0)reqd（改进调制和编码方式）来增加数据速率。发射系统“不知道也不关心”这些dB的来源。只要接收机的Eb/N0符合要求，就可达到期望的系统误差性能。,2007-08,42,1.4 链路预算分析,链路余量的充足值,系统设计时需要多少链路余量？答案：若所有的增益、损耗和噪声源都已严格设计（最坏情况），且方差较大的链路参数（如天气造成的衰落）能达到链路可用性的统计需求，则只需很小的额外余量。所需余量取决于各部分链路预算的可信度。新技术或新工作频率的系统比已反复构建和测试的系统需要更多的余量。有时链路预算允许直接将气候引起的衰落作为一项；有时所需余量值则反映了降雨影响性能时的链路需求。对C波段（上行链路6G Hz,下行链路4G Hz）上运行的卫星通信系统，假设所有参数已知且正常工作，则只需要1dB的链路余量。只用于接收的电视台使用直径为16英尺、运行在C波段的碟形卫星天线，设计余量往往比1dB小得多。但是标准为99.9%可靠度的卫星电话系统需要很大余量；一些INTELSAT系统需要45dB的余量。,2007-08,43,1.4 链路预算分析,链路预算的分贝形式,使用高频率（如14/12 GHz）的设计通常需要更大的天气余量，因为大气损耗随频率增加而且较易变化。对低噪声放大器，小的天气变化会导致天线温度4050K的增加。表1.1是卫星电视集团向联邦通信委员会（FFC）提供的为提供卫星直播服务的链路分析。下行链路预算列出两种天气条件选择：晴天和5dB衰减的雨天。晴天时天气衰减造成的信号损耗远小于1dB，雨天时最大可达5dB。下行链路表中下一项的本地接收机Gr/To是因下雨造成的额外降级；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8.1dB/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。,2007-08,44,表1.1 卫星电视集团提供的卫星直播（DBS）链路分析上行链路地面站EIRP 88.6dBW自由空间损耗（17.6GHz，48o仰角）208.9dB雨天衰减 12.0dB卫星 G/To 7.8dB/K上行链路 C/kTo 102.0dB-Hz 天气状况下行链路 晴天 5dB雨天衰减卫星EIRP 57.0dBW 57.0dBW自由空间损耗（12.5GHz，30o仰角）206.1dB 206.1dB大气衰减 0.14dB 5.0dB本地接收机 G/To（0.75m 碟形天线）9.4dB/K 8.1dB/K接收机定点损耗（0.5o差错）0.6dB 0.6dB极化失配损耗（均值）0.04dB 0.04dB下行链路 C/kTo 88.1dB-Hz 82.0dB-Hz总体 C/kTo 87.9dB-Hz 82.0dB-Hz总体 C/N（16MHz）11.9dB 10.0dB参考门限 C/N 10.0dB 10.0dB 门限余量 1.9dB 0.0dB,2007-08,45,卫星链路“链路能闭合”，指以分贝为单位的余量值是正值且能满足所需的差错性能，而“链路不能闭合”指余量值为负值，不能满足所需的差错性能。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。例如某个系统，其(Eb/N0)reqd=10dB，(Eb/N0）r=8dB，如图1.9所示。假定8dB对应于PB=10-2，因而有-2dB的余量，误差概率约是指定误差概率的10倍。链路的性能虽然降低但仍是可用的。,1.4 链路预算分析,链路预算的分贝形式,2007-08,46,1.4 链路预算分析,链路可用率,链路可用率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，链路可用率指链路闭合时间的百分比。如对Washington到卫星中继器间的指定链路,长期天气模型10dB的余量足以使98%时间内链路闭合，而2%时间内暴雨造成10dB以上的SNR降级，链路不能闭合。因为降雨对SNR降级的影响与信号频率有关，链路可用性与所需的余量必须根据特定发射频率而定。图1.10总结了44GHz时全球范围卫星链路的可用率。采用3个等空间分布、对地静止卫星时，地面覆盖率百分比（链路闭合，达到指定误差概率）对余量的函数关系。地球卫星位于35,800km的同步高度上，轨道与地球赤道在同一平面上。卫星轨道的周期与地球自转的周期相同。图1.10展示了不同链路可用率的覆盖率曲线族，从良性（可用率为95%）到完全合格（可用率为99%）。一般地，若确定链路余量，覆盖率与所需的可用率成反比；若确定链路可用率，覆盖率随余量单调上升。,2007-08,47,图1.10 不同链路可用率的地面覆盖率与链路余量的关系曲线,2007-08,48,图1.11至图1.13描绘了在44GHz频率时三个不同余量链路的闭合情况，非阴影和阴影区域对应链路在99%时间上闭合和不闭合的区域。图1.11表示余量值为14dB的链路覆盖范围。,1.4 链路预算分析,链路可用率,2007-08,49,图1.11 三个等空间分布、同步卫星的地面覆盖率（非阴影），f=44GHz，链路余量为14dB，链路可用率为0.99,2007-08,50,图1.12三个等空间分布、同步卫星的地面覆盖范围（非阴影），f=44GHz，链路余量为10dB链路可用率为0.99,2007-08,51,图1.13三个等空间分布、同步卫星的地面覆盖范围（非阴影），f=44GHz，链路余量为6dB，链路可用率为0.99,2007-08,52,1.4 链路预算分析,链路可用率,图1.11中三个卫星观测范围的东部和西部都出现了阴影条纹。为什么这些区域达不到要求的链路可用率？这是因为在地球的边缘处，卫星与地面之间的传播信道要比卫星下面的直接信道远。有三种降级方式：（1）较远的信道引起接收天线功率密度的减少；（2）覆盖区边缘的卫星天线增益减少，除非卫星天线被设计成整个观察区域内增益一致的模式（典型模式是边缘增益比射束中心增益降3dB）；（3）由于信道的倾斜和地球的曲度，到达地球边缘需要经过厚厚的大气层。第3点是在最易受大气衰减的信号频段上的关键因素。为什么图1.11中南极和北极区域没有阴影部分？因为降雪不会象降雨那样给信号传输造成有害影响，这种现象称为冻结效果。,2007-08,53,1.4 链路预算分析,链路可用率,图1.12描绘了44GHz频率时链路余量为10dB，在99%时间上闭合和不闭合的地面区域。可以看到，与14dB余量的情况相比，该图中的阴影区域明显增大；美国的东海岸，地中海和大部分日本在99%时间上链路不能闭合。图1.13描绘了余量为6dB的类似的链路性能。与图1.11用于定位最大降雨地区不同，图1.13适于定位天气最干燥的地区，这些地区有美国的西南部，澳大利亚的大部分，秘鲁和智利的海岸以及非洲的撒哈拉沙漠。,2007-08,54,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,噪声系数,噪声系数F表示网络输入端SNR与网络输出端SNR的关系，可用于测量网络产生的SNR降级。例如，放大器输入端的信号比噪声高40dB，经放大，放大器增益将信号增加了20dB，但同时放大器也加入了额外的噪声，使得输出信号仅比噪声底部高30dB。因此从输入到输出SNR的降级是10dB，这相当于放大器具有10dB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,（1.25）,2007-08,55,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,噪声温度和线路损耗,用表示接收机（或网络）的有效噪声温度，则,其中是噪声源的参考温度，通常可认为是290K。,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。,有损线路或网络的功率损耗定义为,由此网络增益G等于1/L（对有损线路1）。,2007-08,56,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,复合噪声系数和复合噪声温度,由于噪声系数F和有效噪声温度To都表示设备的噪声性能，两者各有所长。对于地面应用，通常采用F；在温度为290K时SNR降级的概念很有意义，因为地面温度总是接近于290K。地面噪声系数总是落在110dB之间。对于空间应用，To是更为通用的性能系数。给定系统性能比较的方法后，商用系统To值一般为30150K。对低噪声网络而言，采用噪声系数的缺点是获得的值总是接近单位值（），这使得设备间的比较变得困难。空间应用与地面应用不同，取参考温度为290K并不适宜。一般地说，在噪声很低的设备中适宜采用有效温度而不是噪声系数。,2007-08,57,系统温度ToS是所有系统噪声共同作用的结果（在有效温度下），为,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,系统有效温度,其中ToA是天线温度，Tocomp是线路和前置放大器的复合温度。上式描述了接收机的两种噪声来源和干扰降级：一个噪声源由ToA表示，代表“外界”通过天线造成的降级；另一个噪声源由Tocomp表示，代表所有导体中电子运动导致的热噪声。,2007-08,58,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,系统有效温度,图1.18 接收天线的主要噪声来源,2007-08,59,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,系统有效温度,图1.18给出了接收天线的简单示意图，包括天线、线路和前置放大器，这些设备在SNR降级中起到主要作用。前置放大器的降级作用是向链路引入额外的噪声。线路损耗引起信号衰减。其余的降级原因是自然和人工噪声源对接收天线产生干扰而引起的降级。自然源包括闪电、天体无线电源、大气源和地面以及其他物理结构辐射的热量。人工源包括汽车点火系统，电力机械以及落在接收机带宽内的其他用户的无线发射。可以把天线类比为镜头，其噪声影响取决于天线“看到”的内容。如果天线指向天空冷的区域，就只会产生很少的热噪声。天线温度是整个天线模式综合作用下有效温度的量度。,2007-08,60,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,系统有效温度,噪声一部分由天线注入，一部分是在接收机前端内部产生。通过前端设计而得到的系统改进量依赖于前端产生的噪声占全部噪声的比例。如果前端产生了大部分的噪声，则通过采用低噪声前置放大器的方式能明显提高系统的SNR。如果噪声主要是由天线引起的，则使用低噪声前置放大器对SNR没有明显改进。,2007-08,61,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,天电噪声温度,接收天线收集星系、太阳和地面源发射的随机噪声，形成天电背景噪声，它是天体共同作用的结果，并且随频率而降低；大气影响从10 GHz开始变得显著且随频率增加。图1.20描述了从地球观测到的，受到两种因素共同影响的天空温度。在1到1GHz的区域内温度最低；宇宙噪声在1GHz变得很小，而对10GHz以下的卫星通信，由于大气吸收，黑体辐射的噪声不明显。这个区域称为微波窗或空间窗，它在卫星通信或深层空间通信中特别有用。这些系统主要使用该部分频谱上的载波的主要原因是较低的天电噪声。图1.20中星系和大气噪声曲线是关于不同仰角的一组曲线。如果为0，接收天线指向水平面，传播路径包括可能的最远大气层。为90o时，接收天线指向上空,传播路径包括可能的最近大气层。因此曲线族上方曲线表示最坏情况的天空噪声与频率的关系，下方曲线表示最优情况。图1.20也给出了下雨时噪声温度与频率的关系曲线。因为降雨的强度只能统计表示，降雨时的噪声温度将增加25%（在顶点方向）。如果考虑到降雨因素，空间通信的哪个谱区域是最优的？是空间窗低端的区域。因此，空间地面子系统、统一S波段遥测、追踪和控制系统（NASA）等系统都定位在1.8-2.4 GHz内。,2007-08,62,图1.20 天电噪声温度,2007-08,63,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,天空射电图,许多研究人员以频率为自变量绘制星系噪声辐射图形。图1.21是一张从地面观察时在250 MHz区域内的天空温度的等高线。一般地，天空由固定的星系源（太阳、月亮、行星等）组成，每个源都有自己的温度。射电天图是各个星系源温度加上天空背景噪声常数的有效加权和。在图1.21中，温度轮廓范围是从90K到1000K。这些测量是在黑夜进行的。图中心的天线波束表示所测量的天体面积大小（每次测量值是该定向发射区域的平均值）。波束越窄，得到的温度轮廓清晰度越高；波束越宽，清晰度越差。图1.22是另一张射电天图，频率为600MHz。正如图1.20所预示的，该频率上的银河噪声较之图1.21的要少；温度最低为8K，最高为280K。,2007-08,64,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,天空射电图,图1.21 频率为250 MHz的天空背景射电天图,2007-08,65,1.5 噪声系数、噪声温度和系统温度,天空射电图,图1.22 频率为600 MHz的天空背景射电天图,2007-08,66,1.6 采样链路分析,本节利用前面推导的基本的链路参数关系这些关系来计算采样链路预算，如表1.2所示。这张表列出了一大堆术语；读者可能会认为链路预算是一个复杂的分析过程。然而事实恰恰相反，现在引用图1.23来强调这个结论。该图将表1.2中的项目减少为几个关键参数。链路分析的目的是判断是否达到了所要求的误差性能；这是将实际检测的Eb/N0与系统所需Eb/N0进行比较而得到判断的。用于这种判断的主要指标是EIRP（传输的有效功率是多少），品质因数Gr/To（接收机收集此功率的能力），Ls（最大的单径损失、空间损失）和Lo（其他损耗、衰减）。这些就是链路分析的全部参数。,2007-08,67,1.6 采样链路分析,图1.23 链路分析的关键参数,2007-08,68,1.6 采样链路分析,链路预算细节,表1.2的链路预算例子包括了三列数据：只有中间的一列表示链路预算，其它两列是辅助信息，如天线波束宽度、支持主列的辅助计算。损耗表示在中括号内。如果某个值未用括号，则它代表增益。加框数据表示的是部分和。从中间列的首行开始，将所有的损耗和增益进行代数相加。链路余量结果位于第21行的双框方形中。该结果通过式（1.24）求得，现重复该公式，并将Gr/To代替分立的Gr和To：,2007-08,69,表1.2 地球终端到卫星的链路预算范例：频率为8GHz，范围=21,915海里,1.6 采样链路分析,链路预算细节,1.发射功率（dBW）(100.00W)20.0 Pt2.发射电路损耗（dB）Lo3.发射天线增益(峰值dBi)51.6 Gt 碟形直径（ft）20.00 半功率波束带宽（度）0.454.终端EIRP（dBW）69.6 EIRP5.路径损耗（dB）Ls6.天气的衰减值（dB）Lo7.其它损耗（dB）Lo8.各向同性接收功率（dBW）-143.19.接收机天线增益（峰值dBi）35.1 Gr 碟形直径（ft）3.00 半功率波束带宽（度）2.9910.覆盖边缘损耗（dB）Lo,2007-08,70,1.6 采样链路分析,链路预算细节,表1.2 地球终端到卫星的链路预算范例：频率为8GHz，范围=21,915海里,11.接收信号功率（dBW）-110.0 Pr 接收机天线端的噪声值（dB）11.5 接收机温度（dB-K）31.8（3806K）接收机天线温度（dB-K）24.8（300K）12.系统温度（dB-K）36.1（4106K）13.系统Gr/To（dB/K）-1.0 G/To14.Boltzmann常数（dBW/K-Hz）-228.6011.噪声谱密度（dBW/Hz）N0=kTo16.接收的Pr/N0（dB-Hz）82.5(Pr/N0)r17.数据速率（dB-bit/s）（2M bit/s）R18.接收的Eb/N0（dB）19.5(Eb/N0)r19.实施损耗（dB）Lo20.所需的Eb/N0（dB）(Eb/N0)reqd21.余量（dB）8.0 M,2007-08,71,1.6 采样链路分析,链路预算细节,下面分析表1.2中所列出的21个参数。1.传输功率为100 W（20 dBW）。2.发射机和天线之间的电路损耗为2dB。3.发射天线增益为51.6dBi。4.第13项产生的网络 EIRP=69.6dBW。5.表中给出了地球终端10o仰角的路径损耗。6、7.天气衰落和其它减损的余量。8.各向同性接受功率是指如果天线是各向同性的，那么可以接收到的功率为-143.1dBW。9.接收天线的峰值增益为31.1dBi。10.造成覆盖边缘损耗的原因是轴外天线增益（与顶端增益相比）和通信覆盖域边缘区增加的用户数（一般有2dB的损耗）。11.根据第810项，接收端的输入功率为-110dBW。,2007-08,72,1.6 采样链路分析,链路预算细节,12.系统温度由（1.46）得到。此例中假定从接收天线到前端的线路无损耗，因此线路损耗参数L为1，系统温度计算在第3列中，即13.结合接收天线增益Gr（第9项）和系统温度得到接收的增益率Gr/To。它列在左栏而不是中间。因为Gr在链路预算的第9项中计算，而ToS在第15项中计算。如果Gr/To被放在中间一栏中，就重复了。14.波尔兹曼常数为-228.dBW/K-Hz。11.由波尔兹曼常数的分贝值（第14项），加上系统温度分贝值（第12项），得到噪声功率谱密度。16.最后，将接收信号功率分贝值（第11项）减去噪声谱密度分贝值（第15项），得到接收到的信号-噪声谱密度为82.5dB Hz。17.将数据速率转换成以dB-bit/s为单位。18.由于Eb/N0=(1/R)(Pr/N0)，应当从Pr/N0的分贝值中减去R的分贝值（第17项），得到(Eb/N0)r=19.5dB。19.1.5dB的实施损耗是由于理论性能与实际性能的差别引起的。,2007-08,73,20.此即在选择的调制和编码方式下，满足所需误差概率所要求的Eb/N0。21.求接收的Eb/N0和所要求的Eb/N0之差别（考虑实施损耗），得到了最终的余量（以分贝值表示）。链路预算中的增益项或损耗项，通常是先提出一个理想化或最简的结果，然后用增益项或损耗项来修正简化结果，从而得到一个实际值。换言之，链路预算一般是根据模式化步骤来确定增益和衰减，这样在一定程度上适应了任何系统的需要。请看该方式的例子。在表1.2中，第1项给出了