第二章 无线通信链路分析

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1、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（linkbudget),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）。

2、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

3、。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

4、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100km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20km的范围内。因此，在同步高度（35800km）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（freespace）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

5、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，

6、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，

7、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