數(shù)字通信第九章.ppt

9 1光纖通信 9 1 1光纖通信的概念及特點(diǎn)一 概念 光纖通信是以光導(dǎo)纖維 簡稱光纖 作為傳輸介質(zhì) 以光波作為信息載體進(jìn)行的通信 二 特點(diǎn) 1 傳輸頻帶寬 通信容量大2 傳輸損耗小 中繼距離長3 重量輕 體積小4 抗電磁干擾性能好5 泄露小 保密性能好6 節(jié)省有色金屬和能源7 光纖不會(huì)銹蝕 使用壽命長8 光纖接頭不產(chǎn)生放電 沒有電火花 9 1 2光纖與光纖的導(dǎo)光原理1 光纖 1 光纖的結(jié)構(gòu)目前通信用的光纖大多采用石英玻璃 SiO2 制成的橫截面很小的雙層圓柱體 未經(jīng)涂覆和套塑時(shí)稱為裸光纖 如圖9 1所示 圖9 1光纖的結(jié)構(gòu)圖圖圖9 2光纖剖面結(jié)構(gòu)圖 從圖9 1中可以看出 光纖由纖芯和包層兩部分組成 纖芯和包層的材料都是SiO2 纖芯摻雜微量的其他材料 作用是為了提高材料的光折射率 包層一般用純SiO2 也有摻雜的 摻雜的作用是降低材料的光折射率 由于石英玻璃質(zhì)地脆 易斷裂 為保護(hù)光纖不受損害 提高抗拉度 一般需要在裸光纖外面再經(jīng)過兩次涂敷 它的剖面結(jié)構(gòu)如圖9 2所示 從圖中9 2可以看出 纖芯位于光纖中心 直徑 2a 為5 m 75 m 作用是傳輸光波 包層位于纖芯外層 直徑 2b 為100 m 150 m 作用是將光波限制在纖芯中 為了使光波在纖芯中傳送 包層材料的折射率n2應(yīng)小于纖芯材料的折射率n1 即要滿足n1 n2 2 光纖的分類光纖按傳輸模式劃分 可分為單模光纖和多模光纖 光纖按纖芯折射率分布劃分 可分為階躍型光纖 漸變型光纖和W型光纖 所謂模式 實(shí)質(zhì)上是電磁場的一種分布形式 階躍型光纖指纖芯和包層的折射率均呈均勻分布 纖芯和包層相對(duì)折射率差 為1 2 漸變型光纖指纖芯折射率呈非均勻分布 在軸心處最大 而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向逐漸減小 在纖芯與包層的界面上降到包層折射率n2 W型光纖 雙包層光纖 是指在纖芯與包層之間設(shè)一折射率低于包層的緩沖層 使纖芯到包層的折射率呈W型分布 3 光纖通信的實(shí)用工作波長目前光纖通信使用的波長是在近紅外區(qū) 即波長為0 8 m 1 8 m 可分為短波長波段和長波長波段 短波長波段是指波長為0 85 m 長波長波段是指波長為1 31 m和1 55 m 這是目前光纖通信所采用的三個(gè)工作波長 也叫工作窗口 4 光纜的結(jié)構(gòu)光纜一般由纜芯 加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成 纜芯 由單根或多根光纖組成 有緊 松套兩種結(jié)構(gòu) 緊套光纖有二層和三層結(jié)構(gòu) 加強(qiáng)元件 用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷 一般是用金屬絲或非金屬纖維制作 護(hù)層 具有阻燃 防潮 耐壓 耐腐蝕等特性 主要是對(duì)已成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù) 根據(jù)敷設(shè)條件可由鋁帶 聚乙烯綜合粘接外護(hù)層 鋼帶 或鋼絲 鎧裝和聚乙烯護(hù)層等組成 2 光纖的導(dǎo)光原理分析光纖的導(dǎo)光原理 一般可采用兩種方法 一種是波動(dòng)理論法 另一種是射線法 在這里 我們僅用射線法分析光波在光纖中的傳輸 光波屬于電磁波的范疇 在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí) 其軌跡是一條直線 當(dāng)光線射到兩種介質(zhì)的交界面時(shí) 將發(fā)生反射和折射 如圖9 3所示 圖9 3光的反射和折射 由電磁場理論知道 折射定律的關(guān)系式為 n1sin c n2sin 2產(chǎn)生全反射的條件是 n1 n290 1 c式中 c為對(duì)應(yīng)圖中光線 時(shí)的臨界入射角 其數(shù)值 c arcsin 階躍型光纖的折射率沿徑向呈階躍分布 n2是包層折射率 n1是纖芯折射率 假設(shè)階躍型光纖為理想的圓柱體 光線若垂直于光纖端面入射 并與光纖軸線重合或平行 這時(shí)光線將沿纖芯軸線方向向前傳播 階躍型光纖就是利用光波的全反射原理 將光波限制在纖芯中向前傳播 漸變型光纖的導(dǎo)光原理如圖9 4所示 圖9 4漸變型光纖的導(dǎo)光原理 為了分析漸變型光纖中光的傳播 將纖芯分成若干同軸的薄層 假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布 而每層折射率從里到外逐漸減小 即有n11 n12 n13 n14 若光以一定入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時(shí) 由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 折射角大于入射角 光線將折射進(jìn)第二層與第三層的交界面 并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層 依次類推 由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 入射角將隨折射次數(shù)增大 當(dāng)在某一界面處 圖中是在第三層和第四層的界面上 入射角大于臨界時(shí) 光線將出現(xiàn)全反射 方向不再朝向包層而是朝向軸心 之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì) 入射角逐漸減小 直至穿過軸心后 光線又出現(xiàn)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 重復(fù)上述折射過程 因此 當(dāng)纖芯分層無限多 其厚度趨于零時(shí) 漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化 光線在其中的傳播軌跡不再是折線 而是一條近似于正弦形的曲線 9 1 3光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般是指以傳送數(shù)字話音為主的光纖通信系統(tǒng) 它主要由PCM終端設(shè)備 數(shù)字復(fù)用設(shè)備 光端機(jī) 光纖和光中繼設(shè)備組成 如圖9 5 圖9 5數(shù)字光纖通信系統(tǒng) 其中 光端機(jī)是由光發(fā)射機(jī) 光纖和光接收機(jī)組成的基本光纖通信系統(tǒng) 在實(shí)際應(yīng)用中 作為一個(gè)基本的光纖通信系統(tǒng) 還應(yīng)包括光中繼器 監(jiān)控系統(tǒng) 脈沖復(fù)接和脈沖分離系統(tǒng) 告警系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等 如圖9 6所示 圖9 6光纖通信系統(tǒng)組成方框圖 1 光端機(jī)由于光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的 因此將光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做在一起并稱為光端機(jī) 1 發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的作用是將電信號(hào)變成光信號(hào)然后送入光纖中傳輸出去 光發(fā)射機(jī)主要由光源 光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制以及信道編碼電路三部分組成 光源 光發(fā)射部分的核心是產(chǎn)生激光或熒光的光源 它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件 目前 用于光纖通信的光源主要是半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED 它們都屬于半導(dǎo)體器件 共同特點(diǎn)是體積小 重量輕 耗電量小 LD和LED相比 其主要區(qū)別表現(xiàn)在 前者發(fā)出的是激光 而后者發(fā)出的是熒光 LED的優(yōu)點(diǎn)是輸出特性曲線線性好 使用壽命長 成本低 適合于短距離 小容量的傳輸系統(tǒng) 而LD一般適用于長距離 大容量的傳輸系統(tǒng) 光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路 光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路主要包含下面幾個(gè)電路 光源驅(qū)動(dòng)電路 它用經(jīng)過編碼以后的數(shù)字信號(hào)去調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度 完成電 光變換任務(wù) APC 自動(dòng)功率控制電路 它的作用有三個(gè) 一是為了使光輸出信號(hào)電平保持穩(wěn)定 二是防止光源因電流過大損壞 三是防止因光輸出功率過大 而使光源的輸出散彈噪聲增加 系統(tǒng)的性能變差 ATC 自動(dòng)溫度控制電路 對(duì)激光二極管而言 結(jié)溫高時(shí)光輸出功率會(huì)下降 在APC的作用下控制電流就會(huì)自動(dòng)增加 使結(jié)溫進(jìn)一步升高 造成惡性循環(huán)而導(dǎo)致激光二極管損壞 ATC電路用以進(jìn)行光源的溫度補(bǔ)償 光監(jiān)測 用光電監(jiān)測二極管檢測激光器發(fā)出的光功率 經(jīng)放大器放大后控制激光器的偏置電流 使其輸出的平均功率保持恒定 信道編碼電路 信道編碼電路用于對(duì)基帶信號(hào)的波形和碼型進(jìn)行變換 使其適合作為光源的控制信號(hào) 它主要完成以下功能 均衡 由PCM端機(jī)送來的HDB3或CMI 又稱傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼 碼流 經(jīng)過均衡器均衡 用于補(bǔ)償由電纜傳輸產(chǎn)生的衰減和畸變 以便正確譯碼 碼型變換 將HDB3或CMI碼變換為非歸零碼 即NRZ碼 擾碼 擾碼電路可以有規(guī)律地破壞長連 0 或長連 1 的碼流 達(dá)到0 1等概率出現(xiàn) 時(shí)鐘提取 由時(shí)鐘提取電路提取時(shí)鐘信號(hào) 供碼型變換和擾碼電路使用 編碼 在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中 都對(duì)經(jīng)過擾碼以后的信碼流進(jìn)行信道編碼 經(jīng)過編碼以后 變?yōu)檫m合在光纖線路中傳送的線路碼型 2 光接收機(jī)光接收機(jī)的作用是接收經(jīng)光纖傳輸衰減后的十分微弱的光信號(hào) 從中檢測出傳送的信息 放大到足夠大后 供終端處理使用 它包括光電檢測器 光信號(hào)接收電路和信道解碼電路三部分 光電檢測器 光電檢測的作用是利用光電二級(jí)管將光發(fā)射機(jī)經(jīng)過光纖傳送過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 目前在光纖通信中廣泛使用的光電檢波管是半導(dǎo)體光電二極管 它具有尺寸小 靈敏度高 響應(yīng)速度快以及工作壽命長等優(yōu)點(diǎn) 光信號(hào)接收電路 光信號(hào)接收電路主要有以下三個(gè)作用 低噪聲放大 由于從光電檢測器出來的電信號(hào)非常微弱 在對(duì)其進(jìn)行放大時(shí)首先必須考慮的是抑制放大器的內(nèi)部噪聲 給光電二級(jí)管提供穩(wěn)定的反向偏壓 自動(dòng)增益控制 雖然光纖信道是恒參信道 但仍有可能因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)中光電器件的性能變化 控制電路的不穩(wěn)定以及器件的更換等原因 使光接收電路所接收到的信號(hào)電平發(fā)生波動(dòng) 因此光接收機(jī)必須有自動(dòng)增益控制的功能 信道解碼電路 信道解碼電路是與發(fā)端的信道編碼電路完全對(duì)應(yīng)的電路 即包含解碼電路 解擾電路和碼型反變換電路 中繼器在遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)中 由于受發(fā)送功率 光接收機(jī)靈敏度 光纖的損耗和色散的影響 將使光脈沖信號(hào)的幅度受到衰落 波形出現(xiàn)失真 這樣 就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中長距離的傳輸 為了延長通信距離 需在光波信號(hào)傳輸一定距離以后 加一個(gè)光中繼器 以放大信號(hào) 補(bǔ)償光能的衰減 恢復(fù)波形 光中繼器主要由光接收設(shè)備和光發(fā)送設(shè)備組成 其工作原理不再贅述 此外 為了使光中繼器正常工作 便于監(jiān)控 維護(hù) 必須有電源 公務(wù) 告警 監(jiān)控等設(shè)備 有的光中繼器還有區(qū)間通信接口 以提供一定的區(qū)間通信能力 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)光纖通信進(jìn)行監(jiān)測和控制的主要內(nèi)容有 1 監(jiān)測的內(nèi)容 誤碼率是否滿足指標(biāo)要求 各個(gè)中繼器是否有故障 接收光功率是否滿足指標(biāo)要求 光源的壽命 電源是否有故障 環(huán)境溫度 濕度是否在要求的范圍內(nèi) 包括火災(zāi)告警等 2 控制的內(nèi)容監(jiān)視控制系統(tǒng)能自動(dòng)地對(duì)通信線路的傳輸質(zhì)量和各個(gè)組成設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測 當(dāng)市電中斷后 監(jiān)控系統(tǒng)還要發(fā)出啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)發(fā)電的指令 當(dāng)中繼站溫度過高 則應(yīng)發(fā)出啟動(dòng)風(fēng)扇或空調(diào)的指令 同樣 還可根據(jù)需要設(shè)置其它控制內(nèi)容 9 2 1微波通信微波通信是在20世紀(jì)40年代至50年代開始使用的無線通信技術(shù) 經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用 衛(wèi)星通信可看作微波通信的一個(gè)具體應(yīng)用 所以把微波通信和衛(wèi)星通信放在同一章節(jié)中 下面主要介紹微波通信的概念和特點(diǎn) 微波通信系統(tǒng)的基本組成 微波站的設(shè)備組成及微波的傳輸特性和抗衰落技術(shù) 9 2衛(wèi)星通信 微波通信的概念和特點(diǎn) 1 微波的頻段劃分無線電波波段的劃分如表9 1所示 整個(gè)電磁頻譜 包含從電波到宇宙射線的各種波 光和射線的集合 不同頻段分別命名為無線電波 3kHz 3000GHz 紅外線 可見光 紫外線 射擊線 射線和宇宙射線 由于微波這種電磁波頻率非常高 故微波又稱為超高頻電磁波 所謂微波通信就是利用電磁波的微波波段進(jìn)行的通信 實(shí)際工程中 常用拉丁字母代表微波小段的名稱 例如S C X分別代表10厘米波段 5厘米波段和3厘米波段 Ka U F分別代表8毫米波段 6毫米波段和3毫米波段等等 詳見表9 2 表9 1無線電波波段的劃分 表9 2微波頻段的劃分 2 微波通信的特點(diǎn) 通信頻段的頻帶寬 傳輸信息容量大 微波頻段占用頻帶約300GHz 而全部長波 中波和短波頻段占有的頻帶總和不足30MHz 一套微波中繼通信設(shè)備可以容納幾千甚至上萬條話路同時(shí)工作 或傳輸電視圖像信號(hào)等寬頻帶信號(hào) 通信穩(wěn)定 可靠 當(dāng)通信頻率高于100MHz時(shí) 工業(yè)干擾 天電干擾及太陽黑子的活動(dòng)對(duì)其影響小 由于微波頻段頻率高 這些干擾對(duì)微波通信的影響極小 此外 數(shù)字微波通信中繼站能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行再生 使數(shù)字微波通信線路噪聲不逐站積累 增加了抗干擾性 因此 微波通信較穩(wěn)定和可靠 欲增加通信距離 需采用接力通信技術(shù) 由于微波的視距傳播特性和傳輸損耗隨距離增加的特性 所以在地面上進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí) 必須采用接力的方式 將發(fā)端信號(hào)經(jīng)若干中間站多次轉(zhuǎn)發(fā) 才能到達(dá)收端 通信靈活性較大 微波中繼通信采用中繼方式 可以實(shí)現(xiàn)地面上的遠(yuǎn)距離通信 并且可以跨越沼澤 江河 高山等特殊地理環(huán)境 在遭遇地震 洪水 戰(zhàn)爭等災(zāi)禍時(shí) 通信的建立及轉(zhuǎn)移都較容易 這些方面較有線通信具有更大的靈活性 天線增益高 方向性強(qiáng) 當(dāng)天線面積給定時(shí) 天線增益與工作波長的平方成反比 由于微波通信的工作波長短 天線尺寸可做得很小 通常做成增益高 方向性強(qiáng)的面式天線 這樣可以降低微波發(fā)信機(jī)的輸出功率 利用方向性強(qiáng)的微波天線使微波電磁波的傳播方向?qū)?zhǔn)下一接收站 可減少通信中的相互干擾 投資少 建設(shè)快 與其他有線通信相比 在通信容量和質(zhì)量基本相同的條件下 按話路公里計(jì)算 微波中繼通信線路的建設(shè)費(fèi)用低 建設(shè)周期短 2 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成微波通信分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信兩類 模擬微波通信早已發(fā)展成熟 并逐漸被數(shù)字微波通信所取代 數(shù)字微波通信已成為一種重要的傳輸手段 對(duì)于地面上的微波通信 一般采用中繼 接力 方式進(jìn)行無線電通信 采用中繼方式的直接原因有兩個(gè) 一是因?yàn)槲⒉úㄩL短接近于光波 具有視距傳播特性 而地球表面是個(gè)曲面 當(dāng)通信距離超過一定數(shù)值時(shí) 電磁波傳播將受到地面的阻擋 二是因?yàn)槲⒉▊鞑ビ袚p耗 隨著通信距離的增加信號(hào)有衰減 因此為延長通信距離 有必要采用中繼方式 即在通信兩地之間設(shè)立若干中繼站 不斷對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 進(jìn)行電磁波傳播 1 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成廣義地說 數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備由用戶終端 交換機(jī) 終端復(fù)用設(shè)備 微波站等組成 如圖9 7所示 狹義地說 數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備僅僅指微波站設(shè)備 圖9 7數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖 2 微波通信系統(tǒng)的簡單工作過程用圖9 7來說明微波通信系統(tǒng)傳輸長途電話的簡單工作過程 甲地發(fā)端用戶的電話信號(hào) 首先由用戶所屬的市話局送到該端的微波站 或長途電信局 時(shí)分多路復(fù)用設(shè)備將多個(gè)用戶電話信號(hào)組成基帶信號(hào) 基帶數(shù)字信號(hào)在調(diào)制 解調(diào)設(shè)備中對(duì)70MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 調(diào)制器輸出的70MHz中頻已調(diào)波送到微波發(fā)信機(jī) 經(jīng)發(fā)信混頻得到微波射頻已調(diào)波 這時(shí)已將發(fā)端用戶的數(shù)字電話信號(hào)載到微波頻率上 經(jīng)發(fā)端的天線饋線系統(tǒng) 可將微波射頻已調(diào)波發(fā)射出去 若甲 乙兩地相距較遠(yuǎn) 需經(jīng)若干個(gè)中繼站對(duì)發(fā)端信號(hào)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)發(fā) 信號(hào)到達(dá)收端后 經(jīng)收端的天線饋線系統(tǒng)饋送到收信機(jī) 經(jīng)過收信混頻后 將微波射頻已調(diào)波變成70MHz中頻已調(diào)波 再送到調(diào)制 解調(diào)設(shè)備進(jìn)行解調(diào) 即可解調(diào)出多個(gè)用戶的數(shù)字電話信號(hào) 即基帶信號(hào) 再經(jīng)收端的時(shí)分多路復(fù)用設(shè)備進(jìn)行分路 將用戶電話信號(hào)送到市話局 最后到收端的用戶終端 電話機(jī) 送給乙地用戶 3 微波站設(shè)備數(shù)字微波站的主要設(shè)備包括發(fā)信設(shè)備 收信設(shè)備 天線設(shè)備 電源設(shè)備 監(jiān)測控制設(shè)備等 這里僅介紹數(shù)字微波收發(fā)信設(shè)備的組成和中繼設(shè)備及中繼站的轉(zhuǎn)接方式 1 發(fā)信設(shè)備微波發(fā)信設(shè)備組成如圖9 8所示 圖9 8發(fā)信設(shè)備組成方框圖 2 收信設(shè)備微波收信設(shè)備組成如圖9 9所示 圖9 9收信設(shè)備組成方框圖 4 中繼設(shè)備目前我國投入使用的中 小容量數(shù)字微波中繼設(shè)備以三次群設(shè)備 34Mbit s 480路 為主 一般用于國內(nèi)長途通信支線電路 省內(nèi)干線電路及專用通信網(wǎng) 通過二次復(fù)用實(shí)現(xiàn)電報(bào) 數(shù)據(jù) 廣播及會(huì)議電視等非電話通信業(yè)務(wù) 并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控 無人值守的功能 大容量中繼設(shè)備以四次群設(shè)備 140Mbit s 1920路 為主 多為引進(jìn)設(shè)備 在微波中繼通信系統(tǒng)中 同一方向的每套收發(fā)信機(jī)必須使用不同的微波收發(fā)頻率 以避免相互干擾 所謂射頻波道的頻率配置 就是如何分配各相鄰微波站收發(fā)信機(jī)的微波收發(fā)頻率 頻率配置的基本原則是盡可能在給定的微波頻段內(nèi)多安排一些波道 以增加傳輸容量 盡可能減小波道之間的相互干擾 以保證系統(tǒng)總體指標(biāo)和通信質(zhì)量 盡可能有利于通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化 系列化生產(chǎn) 以便于維修和降低成本 圖9 10 圖9 11是常采用的二頻制方案和四頻制方案 圖9 10二頻制頻率配置 采用二頻制方案時(shí) 每個(gè)中間站的兩個(gè)通信方向的收發(fā)頻率均相同 但收發(fā)頻率逐站更換一次 其優(yōu)點(diǎn)是占用頻帶窄 頻譜利用率高 缺點(diǎn)是存在反向干擾和越站同頻干擾問題 采用四頻制方案時(shí) 沒有反向干擾問題 但仍然存在越站同頻干擾問題 且其占用頻帶比二頻制方案寬一倍 圖9 11四頻制頻率配置 5 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用由于微波具有頻率高 頻帶寬 信息量大的特點(diǎn) 所以被廣泛應(yīng)用于各種通信業(yè)務(wù) 包括微波多路通信 微波中繼通信 移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合如下 1 干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a(bǔ)充 主要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自然災(zāi)害時(shí)的緊急修復(fù) 以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場合 2 邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中 如農(nóng)村 海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場合 這些場合可以使用微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng) 微波頻段的無線用戶環(huán)路也屬于這一類 3 城市內(nèi)的短距離直線連接 如移動(dòng)通信的基站之間 基站控制器與基站之間的互連 局域網(wǎng)之間的無線聯(lián)網(wǎng)等等 9 2 2衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是當(dāng)今主要通信方式之一 特別是國際通信衛(wèi)星 Intelsat 國際衛(wèi)星移動(dòng)通信等都是近年來的研究熱點(diǎn) 本小節(jié)將簡要介紹衛(wèi)星通信的概念和特點(diǎn) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及各部分功能等 1 衛(wèi)星通信概況 1 衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站 轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào) 在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信 地球站是指設(shè)在地球表面的通信站 用于轉(zhuǎn)發(fā)各地球站信號(hào)的人造地球衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星 2 衛(wèi)星通信分類同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)又稱為靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng) 因衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)同步 運(yùn)行周期T為23時(shí)56分04秒 運(yùn)行速度v 3 075km s 軌道高度H 35786km 從地面上看衛(wèi)星是靜止不動(dòng)的 故稱為靜止 或同步 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)又分為中軌道 H 10000 20000km 和低軌道 H 5000km 衛(wèi)星系統(tǒng)兩大類 中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度為10371km 低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度為765km 這種系統(tǒng)中 衛(wèi)星離地面高度較低 在這樣的距離內(nèi)可以使用小天線 小功率 重量輕的移動(dòng)手機(jī) 與地面蜂窩式移動(dòng)電話系統(tǒng)的基本原理相似 可采用劃分小區(qū)和重復(fù)使用頻率的方法進(jìn)行通信 當(dāng)然衛(wèi)星通信系統(tǒng)還有其他的分類等等 3 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信與其他通信手段相比 具有以下優(yōu)點(diǎn) 通信距離遠(yuǎn) 通信覆蓋面積大 通信機(jī)動(dòng)靈活 可進(jìn)行多址通信 通信頻帶寬 傳輸容量大 傳播穩(wěn)定可靠 通信質(zhì)量高 成本與通信距離無關(guān) 缺點(diǎn) 主要有以下幾個(gè)方面 衛(wèi)星通信有較大的傳輸時(shí)延和回波干擾 存在臨時(shí)中繼現(xiàn)象 10GHz以上的頻帶受降雨的影響 衛(wèi)星通信技術(shù)復(fù)雜 2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的任務(wù) 一條衛(wèi)星通信線路要由發(fā)端地面站 上行線路 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 下行線路和收端地面站組成 如圖9 12所示 圖9 12衛(wèi)星通信線路組成框圖 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 各地面站發(fā)射的信號(hào)都是經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方地面站的 一般來說 一顆通信衛(wèi)星主要由天線系統(tǒng) 通信系統(tǒng) 遙測指令系統(tǒng) 控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等五大部分組成 如圖9 13所示 圖9 13通信衛(wèi)星各系統(tǒng)組成方框圖 1 天線系統(tǒng)天線系統(tǒng)包括通信用的微波天線和遙測遙控用的高頻 或甚高頻 天線 微波天線采用定向性強(qiáng)的面天線 有的星上還采用點(diǎn)波束天線 因波束較窄而具有較高的增益 用來把輻射的電磁功率集中到地球上較小的區(qū)域內(nèi) 以使波束對(duì)準(zhǔn)地球上的通信區(qū)域 實(shí)際中衛(wèi)星要采用自旋方式以保持姿態(tài)的穩(wěn)定 故星上作通信用的微波天線要采用消旋天線 才能使波束始終對(duì)準(zhǔn)地球 2 通信系統(tǒng) 轉(zhuǎn)發(fā)器 通信系統(tǒng)又稱為通信中繼機(jī) 它實(shí)質(zhì)上是一組寬頻帶收 發(fā)信機(jī) 通常由多個(gè) 可達(dá)24個(gè)或更多 信道轉(zhuǎn)發(fā)器互相連接而組成 其任務(wù)是把接收的信號(hào)放大 并利用變頻器變換成下行頻率后再發(fā)射出去 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中最重要的組成部分 它起著衛(wèi)星中繼站的作用 其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量 3 遙測指令系統(tǒng)遙測指令系統(tǒng)包括遙測和遙控指令系統(tǒng)兩個(gè)部分 遙測部分的作用是在地球站上測試衛(wèi)星的各種設(shè)備的工作情況 包括表示有關(guān)部分電流 電壓 溫度等工作狀態(tài)的信號(hào) 來自各傳感器的信息 指令證實(shí)信號(hào)以及作控制用的氣體壓力等等 上述各種數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)送往地面監(jiān)測中心 遙控指令系統(tǒng)包括對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)和位置控制的噴射推進(jìn)裝置的點(diǎn)火控制指令 行波管高壓電源的開 關(guān)控制指令 發(fā)生故障的部件與備用部件的轉(zhuǎn)換指令 以及其它由地面對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的控制指令等等 指令信號(hào)由地面的控制站發(fā)出 在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)被分離出來 經(jīng)檢波 解碼后送至控制設(shè)備 以控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施指令 4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括位置控制和姿態(tài)控制兩部分 位置控制系統(tǒng)用來消除 攝動(dòng) 的影響 以便使衛(wèi)星與地球的相對(duì)位置固定 姿態(tài)控制是使衛(wèi)星對(duì)地球或其它基準(zhǔn)物保持正確的姿態(tài) 衛(wèi)星姿態(tài)是否正確 不僅影響衛(wèi)星上的定向通信天線是否指向覆蓋區(qū) 還會(huì)影響太陽能電池帆板是否朝向太陽 5 電源系統(tǒng)衛(wèi)星上的電源要求體積小 重量輕和壽命長 常用的電源有太陽能電池和化學(xué)能電池 6 衛(wèi)星通信地面站地面站的基本作用是向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào) 同時(shí)接收由其它地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號(hào) 任何一條衛(wèi)星通信線路都包括發(fā)端和收端地面站 上行和下行線路以及通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 地面站種類繁多 典型的地面站由天線系統(tǒng) 發(fā)射系統(tǒng) 接收系統(tǒng) 終端系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng) 電源系統(tǒng)等組成 如圖9 14所示 圖9 14地球站組成方框圖圖 天線系統(tǒng)完成發(fā)送信號(hào) 接收信號(hào)的任務(wù) 在大型地面站中還要完成跟蹤衛(wèi)星的任務(wù) 以保證地球站天線始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星 發(fā)射系統(tǒng)的主要作用是將終端系統(tǒng)送來的基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 再經(jīng)過上變頻和功率入大后饋送給天線發(fā)往衛(wèi)星 接收系統(tǒng)的主要作用是將天線系統(tǒng)收到的由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大 下變頻和解調(diào) 并將解調(diào)后的基帶信號(hào)送至終端系統(tǒng) 終端系統(tǒng)有兩個(gè)作用 一個(gè)是對(duì)經(jīng)地面接口線路傳來的各種用戶信號(hào)分別用相應(yīng)的終端設(shè)備對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換 編排及其它基帶處理 形成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào) 第二個(gè)作用是將接收系統(tǒng)收到并解調(diào)的基帶信號(hào)進(jìn)行與上述相反的處理 然后經(jīng)地面接口線路送到各有關(guān)用戶 監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控臺(tái)監(jiān)測各種設(shè)備是否發(fā)生故障 主要設(shè)備的工作參數(shù)是否正常等 便于及時(shí)處理 以及有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理 電源系統(tǒng)對(duì)所有通信設(shè)備及輔助設(shè)備供電 長期以來 人們?cè)谏a(chǎn)和生活實(shí)踐中發(fā)明了多種導(dǎo)航定位技術(shù) 但性能都不盡滿意 隨著空間技術(shù) 大地和大氣測量技術(shù) 通信電子技術(shù)的發(fā)展 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 該項(xiàng)技術(shù)已在和正在軍事 民用生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用 它為人類帶來了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)國家能夠自主研制生產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 正在運(yùn)行的有美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng) 正在建造的有中國的北斗定位系統(tǒng) 歐洲的伽利略全球衛(wèi)星定位計(jì)劃也在緊鑼密鼓地進(jìn)行當(dāng)中 下面僅對(duì)GPS系統(tǒng)作一簡介 9 3衛(wèi)星定位技術(shù) 9 3 1GPS系統(tǒng)1 GPS概述從根本上來講 GPS系統(tǒng)屬于一種通信系統(tǒng) GPS系統(tǒng)全稱為導(dǎo)航衛(wèi)星測時(shí)和測距全球定位系統(tǒng) NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositionSystem 是美國為滿足陸?？杖姾兔裼貌块T對(duì)導(dǎo)航越來越高的要求而提出的一個(gè)技術(shù)解決方案 它不受地形地貌 氣象條件 航行距離的限制 可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位 現(xiàn)在國際上已經(jīng)公認(rèn)將這一系統(tǒng)簡稱為全球定位系統(tǒng)GPS 2 GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三大部分組成 即GPS衛(wèi)星 地面控制系統(tǒng)和用戶GPS接收機(jī) 1 空間段 2 地面段 3 用戶段 3 工作原理GPS系統(tǒng)的定位過程可描述為 圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)波無線電信號(hào) 信號(hào)中含有衛(wèi)星信號(hào)準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間 以及不同的時(shí)間衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置 由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)描述 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號(hào) 測量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間 計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離 用導(dǎo)航算法解算得到用戶的位置 其中 準(zhǔn)確描述衛(wèi)星位置 測量衛(wèi)星與用戶之間的距離和解算用戶的位置是GPS定位導(dǎo)航的關(guān)鍵 GPS定位的基本幾何原理為三球交會(huì)原理 如果用戶到衛(wèi)星S1 S2和S3的真實(shí)距離為R1 R2和R3 那么用戶的真實(shí)位置必定同時(shí)在以S1為球心 R1為半徑的球面C1 以 2為球心 R2為半徑的另一球面C2 以及以S3為球心 R3為半徑的另一球面C3上 也即三球面的交點(diǎn)上 9 3 2中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng) COMPASS 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是用很少投資建成的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 計(jì)劃由五顆靜止軌道衛(wèi)星和三十顆非靜止軌道衛(wèi)星組成 2008年完成部署 系統(tǒng)建成后提供兩種服務(wù)方式 即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù) 北斗系統(tǒng)有三大功能 快速定位 為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶提供全天候 實(shí)時(shí)定位服務(wù) 定位精度與GPS相當(dāng) 短報(bào)文通信 一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息 精密授時(shí) 精度達(dá)20納秒 北斗系統(tǒng)不僅解決了我國有無自主導(dǎo)航系統(tǒng)的問題 而且較GPS應(yīng)用也有五大優(yōu)勢(shì) 一 它同時(shí)具備定位與通訊功能 不需要其他通訊系統(tǒng)支持 二 覆蓋范圍大 沒有通訊盲區(qū) 三 特別適合于集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用 四 融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源 因此也可利用GPS使之應(yīng)用更加豐富 五 自主系統(tǒng) 安全 可靠 穩(wěn)定 保密性強(qiáng) 適合關(guān)鍵部門應(yīng)用 9 4 1概述 藍(lán)牙 Bluetooth 是一種短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱 藍(lán)牙的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn) 藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備 如PC 撥號(hào)網(wǎng)絡(luò) 筆記本電腦 打印機(jī) 數(shù)碼相機(jī) 移動(dòng)電話和高品質(zhì)耳機(jī)等 通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng) 多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡(luò) 從而方便 快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信 藍(lán)牙技術(shù)使用全球通行的 無需申請(qǐng)即可使用的2 45GHzISM 工業(yè)Industry 科學(xué)Science 醫(yī)學(xué)Medicine 頻段 由于采用低功率時(shí)分復(fù)用方式工作 發(fā)射 其有效傳輸距離大約為10m 加上功率放大器時(shí) 傳輸距離可擴(kuò)大到100m 9 4藍(lán)牙技術(shù) 9 4 2藍(lán)牙系統(tǒng)組成藍(lán)牙系統(tǒng)一般由四個(gè)功能單元組成 無線射頻單元 連接控制 固件 單元 鏈路管理 軟件 單元和藍(lán)牙軟件 協(xié)議 單元 1 無線射頻單元藍(lán)牙系統(tǒng)采用跳頻技術(shù) 系統(tǒng)的最大跳頻速率為1600跳 秒 在2 402GHz 2 480GHz的ISM頻段之間 采用79個(gè)1GHz帶寬的頻點(diǎn) 在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí) 其有效數(shù)據(jù)速率為721kb s 最高數(shù)據(jù)速度可達(dá)1Mb s 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通信距離為0 1 10m 如果增加發(fā)射功率 這一距離也可以達(dá)到100m 2 連接控制單元連接控制單元 即基帶 描述了數(shù)字信號(hào)處理的硬件部分 鏈路控制器 它實(shí)現(xiàn)了基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程 3 鏈路管理鏈路管理器軟件實(shí)現(xiàn)鏈路的建立 認(rèn)證及鏈路配置等 鏈路管理器可發(fā)現(xiàn)其他的鏈路管理器 并通過連接管理協(xié)議建立通信聯(lián)系 鏈路管理器利用鏈路控制器提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)上述功能 鏈路控制器的服務(wù)項(xiàng)目包括 接收和發(fā)送數(shù)據(jù) 設(shè)備號(hào)請(qǐng)求 鏈路地址查詢 建立連接 認(rèn)證 協(xié)商并建立連接方式 確定