第第 66 章 微波与卫星通信的线章 微波与卫星通信的线路噪声及线路参数计算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 6.1 数字微波通信的假想参数字微波通信的假想参考通道与误码性能指标考通道与误码性能指标

6.1.1 6.1.1 SDHSDH 体制下的数字体制下的数字微波通信微波通信

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。

1.1. 假设参考数字连接模型假设参考数字连接模型（（ 11 ）假设参考数字连接（）假设参考数字连接（ HRXHRX ））

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。

（（ 22 ）假想参考数字链路（或通道））假想参考数字链路（或通道）（（ HRDLHRDL ））

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。

（（ 33 ）假设参考数字段（）假设参考数字段（ HRDSHRDS ））

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。

2.2.SDHSDH网络的误码评定参数网络的误码评定参数 表表 6-16-1 高比特率通道的端到端误码性能要求高比特率通道的端到端误码性能要求

（（ 11 ）误块（）误块（ EBEB ））

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。

（（ 22 ）误码性能参数）误码性能参数① ① 误块秒比（误块秒比（ ESRESR ））

②② 严重误块秒比（严重误块秒比（ SESRSESR ））

③ ③ 背景误块比（背景误块比（ BBERBBER ））

6.1.2 6.1.2 误码性能规范误码性能规范1.1. 全程误码指标全程误码指标

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。

2.2. 指标分配指标分配 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。

（（ 11 ）国际部分）国际部分 国际部分是指两个终端国家的 IG 之间的部分。

（（ 22 ）国内部分）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 6.2 数字微波的信道噪声与数字微波的信道噪声与噪声指标分配噪声指标分配6.2.1 6.2.1 噪声的分类噪声的分类

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。

1.1. 热噪声热噪声 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。

（（ 11 ）收信机的固有热噪声）收信机的固有热噪声N 固 =NFKT0B

（（ 22 ）收发本振源的热噪声）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。

2.2. 各种干扰噪声各种干扰噪声 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。

（（ 11 ）回波干扰）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。

（（ 22 ）交叉极化干扰）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。

（（ 33 ）收发干扰）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。

（（ 44 ）邻近波道干扰）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。

（（ 55 ）天线系统的同频干扰）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 6.2.2 噪声指标的分配噪声指标的分配1.1. 载噪比的概念载噪比的概念

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. 2. 噪声性质评价噪声性质评价 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 6.3.1 信道的基本性能和主要线信道的基本性能和主要线路参数计算路参数计算1.1. 一定误码率要求下的实际门限电一定误码率要求下的实际门限电平值平值

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。

2.2. 衰落储备衰落储备 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。

（（ 11 ）平衰落储备）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。

（（ 22 ）多径衰落储备）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。

（（ 33 ）复合平衰落储备）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。

3.3. 衰落概率指标分配衰落概率指标分配 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。

（（ 11 ）不同信道的衰落概率分配）不同信道的衰落概率分配

① ① 电话传输信道电话传输信道 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 ② 数据传输信道数据传输信道 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：

（（ 22 ）衰落概率的估算）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 PPmm==PPmfmf++PPmsms

① ① 平衰落所引起的衰落概率平衰落所引起的衰落概率 PPmfmf

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：

②② 频率选择性衰落引起的衰落概率频率选择性衰落引起的衰落概率 PPmsms

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 6.3.2 改善误码性能的措施改善误码性能的措施1.1. 采用备用波道时的衰落概率改善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 P x 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：

2.2. 采用分集技术时的衰落概率改善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+sd

6.4 6.4 卫星接收机载噪比与卫星接收机载噪比与G/TG/T 值的计算值的计算

6.4.1 6.4.1 卫星系统中存在的噪声与卫星系统中存在的噪声与干扰类型干扰类型

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。

1.1. 噪声类型噪声类型 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。

（（ 11 ）热噪声）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=KT 0B ，与数字微波中的噪声功率的形式相同。

（（ 22 ）天线噪声）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）。

2.2. 干扰干扰 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。

（（ 11 ）交调干扰）交调干扰

（（ 22 ）邻道干扰）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 ① 相邻波道间隔过小或接收滤波器相邻波道间隔过小或接收滤波器特性不完善造成的干扰特性不完善造成的干扰

② ② 其他站寄生发射造成的干扰其他站寄生发射造成的干扰

（（ 33 ）相邻波束间的干扰）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。

（（ 44 ）交叉极化干扰）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。

（（ 55 ）码间干扰）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。

（（ 66 ）同频干扰）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 6.4.2 接收机载噪比与地球站性接收机载噪比与地球站性能因数能因数 G/TG/T 值值1.1. 接收机输入端的信号功率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 G T 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。

2.2. 接收机输入端载噪比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。

3.3. 地球站性能因数地球站性能因数 G/TG/T 值值 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 6.5 卫星通信线路的卫星通信线路的 C/TC/T值值 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 与 的关系可表示为 。

6.5.1 6.5.1 热噪声影响下的上下行链热噪声影响下的上下行链路中的路中的 C/TC/T 值值1.1. 上行链路上行链路 C/TC/T 值值

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：

（（ 11 ）单载波上行链路的）单载波上行链路的 C/TC/T值值

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 CT U 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：

（（ 22 ）多载波条件下的）多载波条件下的 C/TC/T 值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：

［［ EIRPEIRP ］］ EMEM== ［［ EIRPEIRP ］］ ESES －［－［ BOBO ］］ ll

式中［ BO ］ l 为输入补偿值。

2.2. 下行链路的下行链路的 C/TC/T 值值 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 6.5.2 交调噪声影响条件下的交调噪声影响条件下的C/TC/T 值值

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 6.5.3 卫星链路的总卫星链路的总 C/TC/T 值值 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 T t 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 6.5.4 卫星链路的卫星链路的 C/TC/T 门限余量门限余量 一般我们将 值与 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 6.6 FDM/FM/FDMAFDM/FM/FDMA 系统中系统中的卫星线路参数设计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 6.7 TDMATDMA 系统中的卫星线系统中的卫星线路参数设计及容量计算路参数设计及容量计算1.1. 卫星线路参数设计卫星线路参数设计

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。

2.2. 容量计算容量计算 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。

（（ 11 ）卫星转发器处于功率受限状态）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：

（（ 22 ）卫星转发器处于频率受限）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：