第二章 无线通信链路分析

第二章无线通信链路分析2.1系统工程中的系统链路预算通信链路（link）属于系统的哪一部分？链路不仅指发射机与接收机之间的信道或者区域，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，经由发射机和信道，直到包含所有信号处理功能的接收机，最后结束于信宿。

下面介绍链路分析的定义，并解释链路分析在通信系统设计中的作用。

链路分析及其结果即是链路预算（link budget ),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表格化。

链路预算权衡了增益和损耗，概括了发送接收资源、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。

一些预算参数是统计性的（比如信号衰落容许值）。

链路预算是一种评价通信系统差错性能的评估（estimation）技术。

差错概率与Eb/No的关系曲线具有“像瀑布一样”的形状。

对于高斯噪声信道的各种调制方式而言，其Eb/No与差错概率相关联。

一旦选定调制方式，给定的差错概率对应着曲线图上的某一点。

换言之，要求的差错性能规定了满足性能要求的接收机所要达到的Eb/No值。

链路分析的主要目的是确定图3.6的实际（actual）系统工作点，并验证该点的差错概率小于或者等于系统的要求。

在通信系统设计时使用的许多说明、分析和制表中，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，人们可以知道整个系统的设计和性能。

例如，链路余量说明系统能充裕地满足需求，还是刚好或根本不能满足需求。

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他部分弥补该限制。

链路预算经常作为分析系统权衡、配置变化以及系统细微变化和相关性的参考依据，并且，若将其与其他建模技术结合将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”。

2.2信道信道（channel）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、光纤线缆，若是射频（RF）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。

而对于卫星链路而言，信道则主要由真空构成。

尽管在100 km的高度上仍存在一定的大气影响，但是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。

这样的链路是卫星通信链路，地面无线链路是衰落信道链路。

2.2.1自由空间的概念自由空间（free space）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，也是完全均匀的并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，并且到达接收机的RF能量只与到发射机的距离有关（符合光学中平方倒数定律）。

自由空间信道是理想的RF传播路径。

但是实际上，在大气层和近地点的传播会有吸收、反射、衍射和散射等干扰，这些都会影响信号在自由空间的传输。

大气吸收将在后面几节中介绍。

反射、衍射和散射对地面通信性能产生的重要影响将在后面介绍。

2.2.2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。

均衡技术就是为了补偿由于ISI引起的性能降低。

本节重点关注信号功率、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并不总能减少ISI引起的性能降低。

在数字通信中，差错性能依赖于接收端的Eb/No，它的定义见式，即换言之，Eb/No是归一化的信噪比（SIN或SNR）。

若没有其他说明，SNR指平均信号功率与平均噪声功率之比。

信号可以是信息信号、基带波形或经调制的载波。

SNR降低的原因有两种：（1)降低有用信号的功率；（2)增大噪声功率或者干扰信号功率。

这两种原因分别称为损耗（loss）和噪声（noise，或干扰interference）。

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，比如热噪声、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。

使用损耗和噪声这两个术语容易混淆信噪比降低的机理，但它们对SNR的影响其实是相同的。

2.2.3信号损耗和噪声的来源图是卫星通信链路的方框图，该图强调了信号损耗和噪声的来源。

为了区别信号损耗和噪声源，前者用点状图形表示，后者用线条图形表示，信号损耗和噪声共同作用时用交叉线图形表示。

下面列出的是导致 SNR降低的21个主要来源，其序号与图的编号一致。

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的频带内，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(ISI）系统中所有的滤波（包括发射机、接收机和信道中的滤波）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，从而导致信噪比降低。

3.本地振荡器（LO）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。

4. AM/PM转换在行波管（Traveling-Wave Tube, 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.限幅器损耗或增强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，从而造成信号损耗或者信号增益。

6.多载波互调制（IM）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。

7.调制损耗链路预算是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。

差错性能是每个传输码元能量的函数。

任何用于发射载波信号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，它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（信号强度的损耗）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%一80%。

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0 K以上）。

部分能量落在接收机带宽范围内而导致了注人噪声。

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.极化损耗电磁场极化是指磁力线所指方向的区域，天线的极化则指其辐射域的极化。

在发射天线与接收天线之间，任何极化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。

图5.2描述了理论上从指定高度到大气顶端的单向衰减情况，它是在假定地球表面的水蒸气密度为7.5 g/m3时，针对不同高度计）和水蒸气吸收导致的信号幅度算得到的（海平面为O km）。

由于氧气（02损耗量是载波频率的函数。

对水蒸气而言，衰减的最大值发生在22 GHz附近的频段，对氧气而言为60 GHz和120 GHz。

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。

后面几节中将详细讨论大气噪声。

13.空间损耗电磁场强度的降低，进而引起信号强度（功率密度或流量密度）降低，它是距离的函数。

在卫星通信链路中，空间损耗是系统最大的损耗。

从某种意义上说，没有会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人。

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、缺乏水平和垂直极化识别或天线旁瓣（主天线束周围的低能量束）的辐射溢出等。

这种干扰也可能由同频谱的其他授权用户造成。

图从指定高度到大气顶端的理论垂直单向衰减，假定表面水蒸气密度为7.5 g/m3（不含雨云的衰减效果）16.互调制噪声第6项已介绍，非线性设备中多载波信号的相互作用会产生IM产物。

该IM产物有时也称为能动互调（active intermod），正如第6项所述的，它会造成信号能量损耗，或者向链路引人噪声。

这里讨论被动互调（passive intermod），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藕合连接处、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（势强）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.线路损耗若接收信号的功率很小（例如仅有1012 W），该信号就特别容易受噪声的影响。

因此在接收机的前端必须特别注意保证噪声足够小，以便能可靠地放大信号。

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。

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，例如定时误差、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，差错概率将与推导的Eb/No一致。