第4章 微波與衛(wèi)星通信

1、LOGOLOGO1第第4章章 微波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信2021年12月7日星期二2本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 無線通信基礎(chǔ)無線通信基礎(chǔ) 微波通信概述微波通信概述 衛(wèi)星通信概述衛(wèi)星通信概述本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 無線電波各波段特點(diǎn)無線電波各波段特點(diǎn) 微波通信的特點(diǎn)及應(yīng)用微波通信的特點(diǎn)及應(yīng)用 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)及應(yīng)用衛(wèi)星通信的特點(diǎn)及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)目的及要求本章學(xué)習(xí)目的及要求 掌握無線通信個(gè)波段特點(diǎn)掌握無線通信個(gè)波段特點(diǎn) 掌握微波和衛(wèi)星通信特點(diǎn)掌握微波和衛(wèi)星通信特點(diǎn) 知道無線通信的應(yīng)用知道無線通信的應(yīng)用 認(rèn)識(shí)幾種典型的無線通信系統(tǒng)認(rèn)識(shí)幾種典型的無線通信系統(tǒng)4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述4.2 4.2

2、 微波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信通信工程通信工程20122012級(jí)級(jí)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 通信工程系通信工程系第第4章章 微波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信一、無線通信簡史一、無線通信簡史u18371837年年莫爾斯莫爾斯發(fā)明了發(fā)明了電報(bào)電報(bào) 。u18641864年英國人年英國人麥克斯韋麥克斯韋提出了完整的提出了完整的電磁波理論電磁波理論，成為無線電通信，成為無線電通信的報(bào)春人。的報(bào)春人。u18761876年美國人年美國人貝爾貝爾發(fā)明了發(fā)明了電話電話u18871887年德國人年德國人赫茲赫茲第一次人工產(chǎn)生了第一次人工產(chǎn)生了電磁波電磁波。u18961896年，俄國人年，俄國人波波夫波

3、波夫和意大利人和意大利人 馬可尼馬可尼，在電磁波理論和實(shí)踐，在電磁波理論和實(shí)踐的臺(tái)階上，分別成功地進(jìn)行了的臺(tái)階上，分別成功地進(jìn)行了無線電通信的實(shí)驗(yàn)無線電通信的實(shí)驗(yàn)，在電氣通信史上，在電氣通信史上寫了光輝的一頁。寫了光輝的一頁。4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u 19011901年，無線電信號(hào)年，無線電信號(hào)跨越了大西洋跨越了大西洋。u 19061906年，世界上第一次年，世界上第一次廣播廣播在美國的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，廣播在美國的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，廣播的內(nèi)容是節(jié)日前夕的慶祝節(jié)目，聽的內(nèi)容是節(jié)日前夕的慶祝節(jié)目，聽“眾眾”只有一艘船上的幾名只有一艘船上的幾名報(bào)務(wù)員。報(bào)務(wù)員。 u電子器件電子器件

4、的發(fā)展，對(duì)無線電通信技術(shù)起著舉足輕重的作用。電的發(fā)展，對(duì)無線電通信技術(shù)起著舉足輕重的作用。電子器件經(jīng)歷了從電子管到半導(dǎo)體器件，再到集成電路的演變過子器件經(jīng)歷了從電子管到半導(dǎo)體器件，再到集成電路的演變過程；具有功能組件化、遙控、自動(dòng)調(diào)整特點(diǎn)的器件的出現(xiàn)，使程；具有功能組件化、遙控、自動(dòng)調(diào)整特點(diǎn)的器件的出現(xiàn)，使無線電通信面貌大為改觀。無線電通信面貌大為改觀。u 19631963年，第一顆年，第一顆同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星進(jìn)入軌道，無線電通信發(fā)生了上天入進(jìn)入軌道，無線電通信發(fā)生了上天入地的變化。地的變化。 4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述二、無線通信基礎(chǔ)知識(shí)二、無線通信基礎(chǔ)知識(shí)1.無線通信無線通信u

5、 指利用指利用無線電波作為載無線電波作為載波進(jìn)行的通信。波進(jìn)行的通信。u 無線電波是指在無線電波是指在自由空間自由空間（包括空氣和真空）傳播的（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段射頻頻段的電的電磁波。（磁波。（自由空間：自由空間：指真空，通常把滿足一定條件的空間也看做自指真空，通常把滿足一定條件的空間也看做自由空間。）由空間。）u 電磁波是在空間傳播的電磁波是在空間傳播的交變的電磁場交變的電磁場。 4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述傳播速度為常數(shù)傳播速度為常數(shù)C=3C=310E810E8米米/ /秒秒(30(30萬公里萬公里/ /秒秒) )2.2.電磁波的波長和頻率電磁波的波長和頻率4.1

6、4.1 無線通信概述無線通信概述無線電波105紅外線1010可見光紫外線1015X射線1020宇宙射線1025f/Hz/m3103310 2(3.87.8)10 7310 7310 12310 17u任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長。任何信號(hào)都具有一定的頻率或波長。u無線電波只是一種波長比較長的電磁波無線電波只是一種波長比較長的電磁波, , 占據(jù)的頻率范圍很廣。占據(jù)的頻率范圍很廣。 在自在自由空間中由空間中, , 波長與頻率存在以下關(guān)系波長與頻率存在以下關(guān)系: : c c = = f f * *= =無線電波傳播速度（無線電波傳播速度（300000300000公里公里/ /秒）秒）高頻信號(hào)高頻信

7、號(hào)低頻信號(hào)低頻信號(hào)波長波長4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u對(duì)頻率或波長進(jìn)行對(duì)頻率或波長進(jìn)行分段分段, , 分別稱為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、分別稱為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同放大和接收的方法不同, , 傳播的能力和方式也不同傳播的能力和方式也不同, , 因而它們的分析方因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。法和應(yīng)用范圍也不同。u通常無線電波所指的是從極低頻通常無線電波所指的是從極低頻10KHz10KHz到極超高頻的頂點(diǎn)到極超高頻的頂點(diǎn)300GHz300GHz（Giga HertzGiga Hertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域

8、，參看下表： 無線電波波段劃分無線電波波段劃分9波段波段波長波長頻率頻率傳播傳播方式方式主要用途主要用途長波長波30000m30000m3000m3000m10kHz10kHz100kHz100kHz地波地波超遠(yuǎn)程無線電通信超遠(yuǎn)程無線電通信和導(dǎo)航和導(dǎo)航中波中波3000m3000m200m200m100kHz100kHz1500kHz1500kHz地波和天地波和天波波調(diào)幅（調(diào)幅（AMAM）無線電）無線電廣播、電報(bào)、通信廣播、電報(bào)、通信中短波中短波200m200m50m50m1500kHz1500kHz6000kHz6000kHz短波短波50m50m10m10m6MHz6MHz30MHz30MHz

9、天波天波微微波波米波米波(VHF)(VHF)10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz近似直線近似直線傳播傳播調(diào)頻（調(diào)頻（FMFM）無線電）無線電廣播、電視、導(dǎo)航廣播、電視、導(dǎo)航分米波分米波(UHF)(UHF)1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3000MHz3000MHz直線傳播直線傳播電視、雷達(dá)、導(dǎo)航電視、雷達(dá)、導(dǎo)航厘米波厘米波10cm10cm1cm1cm3000MHz3000MHz30000MHz30000MHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30000MHz30000MHz300000MHz300000MHz4.1 4.1 無線通信概述無線通信

10、概述3.無線電波的傳播無線電波的傳播4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u無線電波在無線電波在均勻媒質(zhì)均勻媒質(zhì)中以中以恒定的速度沿直線傳播恒定的速度沿直線傳播，由于能量的擴(kuò)散，由于能量的擴(kuò)散和媒質(zhì)的吸收，離開波源越遠(yuǎn)強(qiáng)度越小和媒質(zhì)的吸收，離開波源越遠(yuǎn)強(qiáng)度越小u在在非均勻媒質(zhì)非均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，不但速度發(fā)生變化而且會(huì)產(chǎn)生中傳播時(shí)，不但速度發(fā)生變化而且會(huì)產(chǎn)生u反射反射u折射折射u繞射繞射u散射散射電波傳播的多樣性電波傳播的多樣性衍射衍射干涉干涉衍射衍射4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述相位疊加相位疊加11+224.1 4.1 無線通信概述無線通信概述4.無線電波的傳播方式無線電波的傳播方

11、式u無線電波的傳播方式是指無線電波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳播路徑無線電波的傳播方式是指無線電波從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的傳播路徑u根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象, , 電波的傳播方式主要有電波的傳播方式主要有：u直射（視距）傳播（超短波、微波）直射（視距）傳播（超短波、微波）u繞射（地波）傳播（超長波、長波、中波）繞射（地波）傳播（超長波、長波、中波）u反射（天波）傳播（中波、短波）反射（天波）傳播（中波、短波）u散射傳播（超短波）散射傳播（超短波）u決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。決定傳播方式和傳播特點(diǎn)的關(guān)鍵因素是無線電信號(hào)的頻率。4.1 4.1

12、 無線通信概述無線通信概述(a)射線(b)(c)電離層(d)對(duì)流層（a） 直射傳播直射傳播; （b） 地波傳播地波傳播; （c） 天波傳播天波傳播; （d） 散射傳播散射傳播4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述電離層電離層u 距地面距地面50300公里處公里處的空氣分子由于受到陽光、字宙射線等作用發(fā)生的空氣分子由于受到陽光、字宙射線等作用發(fā)生電離而形成的，這些電離層特別是其中自由電子的密度，是影響無線電電離而形成的，這些電離層特別是其中自由電子的密度，是影響無線電波傳播的主要因素。波傳播的主要因素。u 電離層的厚度和高度隨晝夜及季節(jié)的不同而變化。電磁波長不同，電離電離層的厚度和高度隨晝夜及

13、季節(jié)的不同而變化。電磁波長不同，電離層對(duì)它的反射和吸收也不同。一般而言，層對(duì)它的反射和吸收也不同。一般而言，波長愈長愈容易產(chǎn)生反射，但波長愈長愈容易產(chǎn)生反射，但電離層對(duì)其能量吸收也愈大，反之，波長愈短愈不容易產(chǎn)生反射，然而電離層對(duì)其能量吸收也愈大，反之，波長愈短愈不容易產(chǎn)生反射，然而電離層對(duì)其能量吸收也愈小電離層對(duì)其能量吸收也愈小。 4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述（1）多徑效應(yīng)：）多徑效應(yīng)： 大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述5.媒體空間對(duì)無線電波傳播的影響媒體空間對(duì)無線電波傳播的影響（2）陰影效應(yīng)

14、）陰影效應(yīng)u高大建筑、山峰和叢林都會(huì)阻礙電波傳播，高大建筑、山峰和叢林都會(huì)阻礙電波傳播， 所以接收信號(hào)強(qiáng)度隨空間所以接收信號(hào)強(qiáng)度隨空間變化變化 u路徑損耗大小比較路徑損耗大小比較: :市區(qū)市區(qū) 郊區(qū)郊區(qū) 農(nóng)村農(nóng)村 （3）空間效應(yīng)）空間效應(yīng)u當(dāng)無線電波在空氣中傳播時(shí)，大氣會(huì)吸收一些無線電波的能量，接收當(dāng)無線電波在空氣中傳播時(shí)，大氣會(huì)吸收一些無線電波的能量，接收信號(hào)的強(qiáng)度與傳播距離和無線電波頻率有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，頻率越高，信號(hào)的強(qiáng)度與傳播距離和無線電波頻率有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，頻率越高，衰耗越大，即為空間效應(yīng)。衰耗越大，即為空間效應(yīng)。4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u多徑合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)

15、的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，這就是多徑合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，這就是所謂的所謂的快衰落或多徑衰落快衰落或多徑衰落。 u合成波的振幅和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起伏變化很大合成波的振幅和相位隨移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起伏變化很大 ，衰落的振幅、相位、，衰落的振幅、相位、角度隨機(jī)。角度隨機(jī)。（5）快衰落和慢衰落）快衰落和慢衰落快衰落快衰落4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)出現(xiàn)快衰落快衰落外，其場強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變外，其場強(qiáng)中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這就是所謂的出現(xiàn)較慢的變化，這就是所謂的慢衰落慢衰落或陰影衰落，慢衰落的場強(qiáng)

16、中值服或陰影衰落，慢衰落的場強(qiáng)中值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。u電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場的陰影。衰落深度與與位置會(huì)產(chǎn)生電磁場的陰影。衰落深度與與位置/ /地點(diǎn)相關(guān)，衰落的速度取決于移地點(diǎn)相關(guān)，衰落的速度取決于移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的速度。動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的速度。4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述距離距離(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)0dB發(fā)送信號(hào)-25dB接收信號(hào)0 + 發(fā)送信號(hào)接

17、收信號(hào)0 2 3 + 發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述u無線環(huán)境中的無線環(huán)境中的信號(hào)衰減分成三部分信號(hào)衰減分成三部分u路徑損耗：幅度衰減較大路徑損耗：幅度衰減較大u大尺度變化：伴隨中等幅度衰減的具有對(duì)數(shù)正態(tài)分布特大尺度變化：伴隨中等幅度衰減的具有對(duì)數(shù)正態(tài)分布特性的慢變化成分（慢衰落）性的慢變化成分（慢衰落）u小尺度衰落：衰減幅度較小的快變化成分（快衰落）小尺度衰落：衰減幅度較小的快變化成分（快衰落）u快衰落包絡(luò)分布的描述方法快衰落包絡(luò)分布的描述方法u瑞利分布：非視距傳播瑞利分布：非視距傳播u萊斯分布：視距傳播萊斯分布：視距傳播4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述20

18、21年12月7日星期二24Rayleigh fading channel4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述三、無線通信系統(tǒng)三、無線通信系統(tǒng)1.無線通信系統(tǒng)框圖無線通信系統(tǒng)框圖4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述(1)(1)由由高頻振蕩器高頻振蕩器產(chǎn)生產(chǎn)生高頻振蕩電流高頻振蕩電流(2)(2)把要傳遞的聲音和圖像信號(hào)變成電流信號(hào)把要傳遞的聲音和圖像信號(hào)變成電流信號(hào)( (電信號(hào)電信號(hào)) ) (3)(3)將振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流和聲音、圖像的信號(hào)電流一同輸入到將振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流和聲音、圖像的信號(hào)電流一同輸入到調(diào)制器調(diào)制器中，再把調(diào)制的高頻振蕩電流送到發(fā)射天線，發(fā)射的電磁波中，再把調(diào)

19、制的高頻振蕩電流送到發(fā)射天線，發(fā)射的電磁波就帶有要傳遞的聲音圖像信號(hào)了就帶有要傳遞的聲音圖像信號(hào)了. .即所謂的將要傳遞的信號(hào)即所謂的將要傳遞的信號(hào)“加加”到電磁波上到電磁波上. .把帶有信號(hào)的電磁波發(fā)射出去把帶有信號(hào)的電磁波發(fā)射出去. .無線電波的發(fā)射無線電波的發(fā)射(1)(1)用用天線天線接收電磁波接收電磁波. .(2)(2)用調(diào)諧器即收音機(jī)或電視機(jī)中選臺(tái)的電路選出所需要的電信號(hào)用調(diào)諧器即收音機(jī)或電視機(jī)中選臺(tái)的電路選出所需要的電信號(hào)(3)(3)讓高頻振蕩電流經(jīng)過讓高頻振蕩電流經(jīng)過檢波器檢波器，就能將要傳遞的聲音信號(hào)和圖像信號(hào)從，就能將要傳遞的聲音信號(hào)和圖像信號(hào)從高頻振蕩電流中高頻振蕩電流中“

20、檢檢”出出. .把聲音信號(hào)和圖象信號(hào)分別送到揚(yáng)聲器和把聲音信號(hào)和圖象信號(hào)分別送到揚(yáng)聲器和電視機(jī)，就能聽到聲音和看到圖像電視機(jī)，就能聽到聲音和看到圖像. . 無線電波的接收無線電波的接收2 2、無線通信系統(tǒng)的類型、無線通信系統(tǒng)的類型 按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性分類按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性分類: : 按照工作頻段或傳輸手段分類按照工作頻段或傳輸手段分類, , 有有中波通信、中波通信、 短波通信、短波通信、 超短波通信超短波通信、 微波通信和衛(wèi)星通信微波通信和衛(wèi)星通信等。等。 所謂工作頻率所謂工作頻率, , 主要指發(fā)射與接收的射頻主要指發(fā)射與接收的射頻（RFRF）頻率。）頻率。

21、 射頻實(shí)際上就是射頻實(shí)際上就是“高頻高頻”的廣義詞的廣義詞, , 它是指適合無線電它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。發(fā)射和傳播的頻率。 無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。 按照通信方式來分類按照通信方式來分類, , 主要有主要有（全）雙工、（全）雙工、 半雙工和單工方式半雙工和單工方式。按照調(diào)制方式的不同來劃分按照調(diào)制方式的不同來劃分, , 有有調(diào)幅、調(diào)幅、 調(diào)頻、調(diào)頻、 調(diào)相以及混合調(diào)制調(diào)相以及混合調(diào)制等。等。 4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述四、無線通信系統(tǒng)的研究內(nèi)容四、無線通信系統(tǒng)的研究內(nèi)容u信道編碼信道編碼/解碼的研究（糾錯(cuò)編碼

22、）解碼的研究（糾錯(cuò)編碼）uBCH碼，卷積碼，碼，卷積碼，turbo碼，碼，LDPC碼碼u調(diào)制調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的研究解調(diào)技術(shù)的研究uBPSK，QAM，OFDMu天線與傳輸技術(shù)的研究天線與傳輸技術(shù)的研究u天線發(fā)射天線發(fā)射/接收，方向性天線，智能天線，多天線技術(shù)接收，方向性天線，智能天線，多天線技術(shù)u無線通信系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)u給出解決方案，進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)給出解決方案，進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述五、系統(tǒng)性能評(píng)估五、系統(tǒng)性能評(píng)估 u通常的方法是使用在一定噪聲條件下誤碼率（通常的方法是使用在一定噪聲條件下誤碼率（Bit Error Rate ,BERBit Err

23、or Rate ,BER）。）。4.1 4.1 無線通信概述無線通信概述六、無線通信面臨的挑戰(zhàn)六、無線通信面臨的挑戰(zhàn)u隨時(shí)隨地連接網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地連接網(wǎng)絡(luò)u多種業(yè)務(wù)多種設(shè)備的集合多種業(yè)務(wù)多種設(shè)備的集合u語音，數(shù)字，音頻，視頻語音，數(shù)字，音頻，視頻u電話，電視，照相機(jī)，計(jì)算機(jī)電話，電視，照相機(jī)，計(jì)算機(jī)u產(chǎn)品的小型化、低功耗、低成本產(chǎn)品的小型化、低功耗、低成本現(xiàn)有常用的無線通信系統(tǒng)現(xiàn)有常用的無線通信系統(tǒng)n移動(dòng)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)n第二代（第二代（GSM, IS-95)GSM, IS-95)n第三代（第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMACDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA

24、）n3G 4G3G 4Gn局域網(wǎng)系統(tǒng)局域網(wǎng)系統(tǒng)n無線局域網(wǎng)（無線局域網(wǎng)（WLANWLAN）n無線廣域網(wǎng)（無線廣域網(wǎng)（WMAXWMAX）n廣播電視系統(tǒng)廣播電視系統(tǒng)n衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)n近距無線通信網(wǎng)絡(luò)近距無線通信網(wǎng)絡(luò)n無線個(gè)域網(wǎng)（無線個(gè)域網(wǎng)（WPANWPAN）n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNWSN）n無線寬帶（無線寬帶（WiFiWiFi，Wireless FidelityWireless Fidelity）n無線射頻識(shí)別（無線射頻識(shí)別（RFIDRFID）2013年10月15日星期二324.1 4.1 無線通信概述無線通信概述4.2 4.2 微波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信第第4章章 微

25、波與衛(wèi)星通信微波與衛(wèi)星通信4.2.1 微波通信微波通信v一、微波通信概述一、微波通信概述v二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)v三、三、數(shù)字微波通信的特點(diǎn)數(shù)字微波通信的特點(diǎn) 34v 微波：微波： 是一是一種種具有具有極極高頻率高頻率（通常為通常為 300MHz300MHz-300GHz)300GHz)，波，波長長很短，通常為很短，通常為1m1m-1mm1mm的電磁波的電磁波。一、一、微波微波通信概述通信概述v 微波通信：微波通信： 利用利用微波做微波做載波載波進(jìn)行進(jìn)行的通信，叫微波通信。它往往是的通信，叫微波通信。它往往是長長途途、大容量通信的大容量通信的無線傳輸無線傳輸工具。工具。 目前

26、目前使用的范圍只有使用的范圍只有1GHz-40GHz1GHz-40GHz。各各國國的通信的通信設(shè)備設(shè)備已已使用到使用到2 2、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、1111、1515、20GHz20GHz等各頻段。等各頻段。v 傳播方式：傳播方式： 在微波頻段，由在微波頻段，由于于頻率很高，電波的頻率很高，電波的繞繞射能力弱，所以射能力弱，所以信信號(hào)號(hào)的的傳輸傳輸主要是利用微波在主要是利用微波在視線視線距距離內(nèi)離內(nèi)的直的直線傳播線傳播，又又稱視稱視距距傳播傳播。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 傳傳播播較穩(wěn)較穩(wěn)定，受外界干定，受外界干擾小（與短波比）擾?。ㄅc短波比） 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 受到地形，地物及受到地形，地

27、物及氣氣候候狀況狀況的影的影響響而引起反射，折射，散而引起反射，折射，散射和吸收射和吸收現(xiàn)現(xiàn)象，象，產(chǎn)產(chǎn)生生傳傳播衰落和播衰落和傳傳播失真播失真。一、一、微波微波通信概述通信概述36二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)p 數(shù)字微波通信數(shù)字微波通信 是指利用微波攜帶數(shù)字信息，通過電波空間，同時(shí)傳送若干相互無關(guān)是指利用微波攜帶數(shù)字信息，通過電波空間，同時(shí)傳送若干相互無關(guān)信息，并進(jìn)行再生中繼的通信方式。信息，并進(jìn)行再生中繼的通信方式。 數(shù)字信號(hào)用微波信道進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑嬗袛?shù)字通信和微波通信數(shù)字信號(hào)用微波信道進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，兼有?shù)字通信和微波通信的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 地面微波接力通信系統(tǒng)工作

28、在地面微波接力通信系統(tǒng)工作在4 4 6GHz6GHz，它通過地面多座中繼站在兩地，它通過地面多座中繼站在兩地之間建立通信鏈路，之間建立通信鏈路，相鄰中繼站的距離為視距（約相鄰中繼站的距離為視距（約50Km50Km）。）。37p中繼傳輸方式中繼傳輸方式微波中繼接力線路微波中繼接力線路微波中繼接力線路微波中繼接力線路二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)38p地面微波接力v 兩個(gè)地面站之間傳送v 距離：50 -100 km；頻率：2G -40GHzv 依賴于天氣和頻率v 應(yīng)用：長距離傳輸話音和電視信號(hào)；大廈之間LAN互連地面站之間的直視線路 微波傳送塔地球二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)

29、39v 數(shù)字微波系統(tǒng)組成數(shù)字微波系統(tǒng)組成市內(nèi)電話局用戶終端市內(nèi)電話局用戶終端微波中繼站微波收發(fā)信設(shè)備調(diào)制解調(diào)設(shè)備時(shí)分復(fù)用設(shè)備調(diào)制解調(diào)設(shè)備時(shí)分復(fù)用設(shè)備甲地乙地微波收發(fā)信設(shè)備二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)二、數(shù)字微波通信系統(tǒng)40三、數(shù)字微波通信的特點(diǎn)三、數(shù)字微波通信的特點(diǎn) 1.1.頻帶寬干擾小頻帶寬干擾小2.2.中繼傳輸組網(wǎng)靈活中繼傳輸組網(wǎng)靈活3.3.抗干擾性強(qiáng)抗干擾性強(qiáng)4.4.保密性好保密性好5.5.便于組成數(shù)字通信網(wǎng)便于組成數(shù)字通信網(wǎng) 4.2.2 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站在多個(gè)地球站之間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號(hào)的微波通信。 什么是什么是衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信? ?衛(wèi)星通信，簡單地說，就是地球上（包

30、括地面、水面衛(wèi)星通信，簡單地說，就是地球上（包括地面、水面和低層大氣中）無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作中和低層大氣中）無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作中繼站而進(jìn)行的通信，它覆蓋面積大、不受地理?xiàng)l件的繼站而進(jìn)行的通信，它覆蓋面積大、不受地理?xiàng)l件的限制、通信頻帶寬、容量大、機(jī)動(dòng)靈活，因而在國際限制、通信頻帶寬、容量大、機(jī)動(dòng)靈活，因而在國際和國內(nèi)通信領(lǐng)域中，成為不可缺少的通信手段。和國內(nèi)通信領(lǐng)域中，成為不可缺少的通信手段。 v 衛(wèi)星通信的發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段：衛(wèi)星通信的發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段：1.1.衛(wèi)星通信的實(shí)驗(yàn)階段衛(wèi)星通信的實(shí)驗(yàn)階段(1954(19541964): 1964): 2.

31、2.衛(wèi)星通信的實(shí)用與提高階段衛(wèi)星通信的實(shí)用與提高階段(1965-).(1965-).v 利用衛(wèi)星進(jìn)行通信的科學(xué)設(shè)想，是在1945年由英國的克拉克首先提出的，在無線電雜志上發(fā)表了地球外的中繼站一文。但直至1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，人們才真正看到實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的希望。v 1962年，美國成功地發(fā)射了第一顆通信衛(wèi)星,試驗(yàn)了橫跨大西洋的電話傳輸。于是，經(jīng)過二十多年的探索和試驗(yàn)，衛(wèi)星通信終于跨入了實(shí)用階段，漸漸走近我們的生活。靜止衛(wèi)星：靜止衛(wèi)星：如果衛(wèi)星的軌道是圓如果衛(wèi)星的軌道是圓形且在赤道軌道上，衛(wèi)星離地面形且在赤道軌道上，衛(wèi)星離地面約約35860km35860km時(shí)，其飛行的方

32、向與時(shí)，其飛行的方向與地球自轉(zhuǎn)的方向相同，則從地面地球自轉(zhuǎn)的方向相同，則從地面上任何一點(diǎn)看去，衛(wèi)星都是上任何一點(diǎn)看去，衛(wèi)星都是“靜靜止止”不動(dòng)的，這種對(duì)地靜止的不動(dòng)的，這種對(duì)地靜止的同步衛(wèi)星簡稱為靜止衛(wèi)星。同步衛(wèi)星簡稱為靜止衛(wèi)星。 利用靜止衛(wèi)星作為中繼站利用靜止衛(wèi)星作為中繼站的通信系統(tǒng)，稱為的通信系統(tǒng)，稱為靜止衛(wèi)星通靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)信系統(tǒng)。地球衛(wèi)星的軌道赤道赤道赤道軌道傾斜軌道極軌道北極同步衛(wèi)星同步衛(wèi)星極通信衛(wèi)星1地球通信衛(wèi)星2通信衛(wèi)星3靜止軌道 1 1、通信范圍大通信范圍大，三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋全球（除兩極外）。只要在衛(wèi)，三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋全球（除兩極外）。只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍

33、內(nèi)，從任何兩點(diǎn)之間都可進(jìn)行通信。星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點(diǎn)之間都可進(jìn)行通信。 2 2、不易受陸地災(zāi)害的影響，、不易受陸地災(zāi)害的影響，可靠性高可靠性高。 3 3、只要設(shè)置地球站，電路即可開通，、只要設(shè)置地球站，電路即可開通，開通電路迅速開通電路迅速。 4 4、同時(shí)可在多處接收同時(shí)可在多處接收，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播、多址通信（多址特點(diǎn)）。，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播、多址通信（多址特點(diǎn)）。 5 5、電路設(shè)置非常靈活電路設(shè)置非常靈活，可隨時(shí)分散過于集中的話務(wù)量。，可隨時(shí)分散過于集中的話務(wù)量。 6 6、同一信道可用于不同方向或不同區(qū)間，、同一信道可用于不同方向或不同區(qū)間，多址聯(lián)接多址聯(lián)接。 v 一是由于

34、通信衛(wèi)星的一次投資費(fèi)用較高，在運(yùn)行中難以進(jìn)行檢修，故要一是由于通信衛(wèi)星的一次投資費(fèi)用較高，在運(yùn)行中難以進(jìn)行檢修，故要求通信衛(wèi)星具備高可靠性和較長的使用壽命；求通信衛(wèi)星具備高可靠性和較長的使用壽命；v 二是衛(wèi)星上能源有限，衛(wèi)星的發(fā)射功率只能達(dá)到幾十至幾百瓦，因此要二是衛(wèi)星上能源有限，衛(wèi)星的發(fā)射功率只能達(dá)到幾十至幾百瓦，因此要求地面站要有大功率發(fā)射機(jī)、低噪聲接收機(jī)和高增益天線，這使得地面求地面站要有大功率發(fā)射機(jī)、低噪聲接收機(jī)和高增益天線，這使得地面站比較龐大；站比較龐大；v 三是由于衛(wèi)星通信傳輸距離很長，使信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延較大，其單程距離三是由于衛(wèi)星通信傳輸距離很長，使信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延較大，其單程距離

35、（地面站（地面站AA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面站地面站B B）長達(dá)）長達(dá)80000km80000km，需要時(shí)間約，需要時(shí)間約270ms270ms；雙；雙向通信往返約向通信往返約160000km160000km，延時(shí)約，延時(shí)約540ms540ms，所以，在通過衛(wèi)星打電話時(shí)，所以，在通過衛(wèi)星打電話時(shí)，通信雙方會(huì)感到很不習(xí)慣。通信雙方會(huì)感到很不習(xí)慣。 v 適用于宇宙通信的頻段為適用于宇宙通信的頻段為1GHZ -10GHZ1GHZ -10GHZ，這頻段一般稱，這頻段一般稱為無線電窗口。為無線電窗口。v 根據(jù)無線電規(guī)則分配的頻率，目前大多數(shù)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)根據(jù)無線電規(guī)則分配的頻率，目前大多數(shù)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)使用使用6

36、/4GHZ6/4GHZ頻段（頻段（C C頻段）。同時(shí)，因采用了相應(yīng)的降雨頻段）。同時(shí)，因采用了相應(yīng)的降雨補(bǔ)償措施，補(bǔ)償措施，14/12GHZ14/12GHZ頻段頻段(Ku(Ku頻段頻段) )也開始使用。目前，也開始使用。目前，一些國家和國際組織也在加緊一些國家和國際組織也在加緊KaKa頻段（頻段（30/20GHZ30/20GHZ）的開）的開發(fā)與利用。發(fā)與利用。 C C頻段頻段 ：上行頻率：上行頻率：5925- 6425MHZ5925- 6425MHZ下行頻率：下行頻率：3700 - 4200MHZ3700 - 4200MHZ， 帶帶 寬：寬：500M500MKuKu頻段：頻段：上行頻率：上行頻

37、率：14.0 - 14.5GHZ 14.0 - 14.5GHZ 下行頻率：下行頻率：10.95 - 11.20GHZ10.95 - 11.20GHZ 11.45 - 11.70GHZ 11.45 - 11.70GHZ 帶帶 寬：寬：500M500Mv 攝動(dòng)：攝動(dòng)：在地球衛(wèi)星軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星除了受到地球的引力在地球衛(wèi)星軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星除了受到地球的引力，還受到其他一些次要因素的影響，使衛(wèi)星實(shí)際的運(yùn)行軌，還受到其他一些次要因素的影響，使衛(wèi)星實(shí)際的運(yùn)行軌道逐漸偏離確定的理想運(yùn)行軌道，這就是所謂的攝動(dòng)。道逐漸偏離確定的理想運(yùn)行軌道，這就是所謂的攝動(dòng)。v 其他原因：其他原因：如地球引力的不均勻，地球大氣

38、層的阻力和太如地球引力的不均勻，地球大氣層的阻力和太陽輻射壓力等陽輻射壓力等。星蝕：星蝕：在每年的春分和秋分前后各在每年的春分和秋分前后各2323天天中，靜止衛(wèi)星和地心的連線在地球中，靜止衛(wèi)星和地心的連線在地球表面的交點(diǎn)表面的交點(diǎn)( (稱為星下點(diǎn)稱為星下點(diǎn)) )進(jìn)入當(dāng)?shù)剡M(jìn)入當(dāng)?shù)氐奈缫箷r(shí)間前后，太陽、地球和衛(wèi)的午夜時(shí)間前后，太陽、地球和衛(wèi)星處在一條直線上，此時(shí)衛(wèi)星進(jìn)入星處在一條直線上，此時(shí)衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)，即地球擋住了照射地球的陰影區(qū)，即地球擋住了照射到太陽上的陽光，發(fā)生了衛(wèi)星的日到太陽上的陽光，發(fā)生了衛(wèi)星的日蝕，這就是星蝕。蝕，這就是星蝕。靜止衛(wèi)星發(fā)生星蝕和日凌中斷的原理日凌中斷：日凌中斷

39、：地球站天線在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也會(huì)對(duì)準(zhǔn)太陽，這時(shí)強(qiáng)地球站天線在對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí)也會(huì)對(duì)準(zhǔn)太陽，這時(shí)強(qiáng)大的太陽噪聲使通信無法進(jìn)行，這種現(xiàn)象通常稱為日凌中斷。大的太陽噪聲使通信無法進(jìn)行，這種現(xiàn)象通常稱為日凌中斷。 圓形傾斜軌道同步衛(wèi)星視在位置的日漂移影響靜止衛(wèi)星通信的因素影響靜止衛(wèi)星通信的因素v軌道平面的傾斜效應(yīng)和位置控制軌道平面的傾斜效應(yīng)和位置控制 當(dāng)靜止衛(wèi)星因某種原因發(fā)生相對(duì)于赤道平面向上或向下當(dāng)靜止衛(wèi)星因某種原因發(fā)生相對(duì)于赤道平面向上或向下一個(gè)固定的偏離值時(shí)，必然形成衛(wèi)星軌道的傾角不為一個(gè)固定的偏離值時(shí)，必然形成衛(wèi)星軌道的傾角不為0 0，于是衛(wèi)星的視在位置或星下點(diǎn)就不再固定，這就是所謂于是衛(wèi)星的視

40、在位置或星下點(diǎn)就不再固定，這就是所謂的傾斜效應(yīng)。的傾斜效應(yīng)。v由于傾斜效應(yīng)的存在，同步衛(wèi)星的視在位置和星下點(diǎn)的由于傾斜效應(yīng)的存在，同步衛(wèi)星的視在位置和星下點(diǎn)的每日漂移軌跡就成為一個(gè)兩圈高、寬不等的每日漂移軌跡就成為一個(gè)兩圈高、寬不等的“8”8”字形。字形。v 時(shí)延：指信號(hào)在傳輸過程中所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。時(shí)延：指信號(hào)在傳輸過程中所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。v 單跳：任意兩個(gè)在同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站經(jīng)靜止衛(wèi)單跳：任意兩個(gè)在同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站經(jīng)靜止衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)接的通信為單跳。傳輸時(shí)間為星一次轉(zhuǎn)接的通信為單跳。傳輸時(shí)間為0.54s 0.54s v 衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)之一是：傳輸時(shí)延大。傳輸時(shí)延大會(huì)產(chǎn)生衛(wèi)星通

41、信的缺點(diǎn)之一是：傳輸時(shí)延大。傳輸時(shí)延大會(huì)產(chǎn)生2 2個(gè)問題：個(gè)問題：1 1、傳輸電話信號(hào)時(shí)，會(huì)使雙方通話重疊而使通、傳輸電話信號(hào)時(shí)，會(huì)使雙方通話重疊而使通話者覺得很不習(xí)慣；話者覺得很不習(xí)慣；2 2、會(huì)出現(xiàn)回波干擾。、會(huì)出現(xiàn)回波干擾。v 回波的抑制和抵消：回波抑制器回波的抑制和抵消：回波抑制器 回波抵消器回波抵消器59通信衛(wèi)星組成通信衛(wèi)星組成Company Logo60遙測指令系統(tǒng)遙測指令系統(tǒng) Company Logo6162衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器（通信系統(tǒng)）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器（通信系統(tǒng)） 在通信衛(wèi)星的各組成系統(tǒng)中，真正起到衛(wèi)星通信中繼站作用的是通信系統(tǒng)，也叫轉(zhuǎn)發(fā)器。 前放變頻器中放限幅器變頻器高放倍頻器倍頻器本振

42、雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器63電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 通信衛(wèi)星的電源一般同時(shí)采用太陽能電池和化學(xué)電池。 通常太陽能電池作為常用電源使用，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)(或者說衛(wèi)星日蝕)時(shí)，使用化學(xué)電池供電。 64衛(wèi)星地面站衛(wèi)星地面站 65地面站的組成地面站的組成 發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)控制系統(tǒng)終端系統(tǒng)電源系統(tǒng)饋電設(shè)備跟蹤設(shè)備天線系統(tǒng)市內(nèi)電話 66地面站發(fā)射系統(tǒng)的組成地面站發(fā)射系統(tǒng)的組成 調(diào)制器中頻放大器上變頻器自動(dòng)功率控制發(fā)射波合成行波管放大激勵(lì)器大功率放大器傳輸波導(dǎo)基帶信號(hào)67地面站接收系統(tǒng)的組成地面站接收系統(tǒng)的組成 饋電設(shè)備低噪聲放大器傳輸放大器晶體管放大器接收波分離下變頻器中頻放大器基帶轉(zhuǎn)換裝置解調(diào)器橢圓波導(dǎo)68饋線饋線

43、69地面站電源系統(tǒng)地面站電源系統(tǒng) 70電源機(jī)柜與蓄電池電源機(jī)柜與蓄電池71衛(wèi)星通信的新技術(shù)衛(wèi)星通信的新技術(shù) pVSAT系統(tǒng)p低軌道衛(wèi)星系統(tǒng) 72VSATVSAT系統(tǒng)系統(tǒng) PCPC計(jì)算中心PCPC市話局用戶小站 用戶小站 衛(wèi)星 中心站 73VSATVSAT系統(tǒng)的發(fā)展系統(tǒng)的發(fā)展 目前，VSAT系統(tǒng)主要正在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)： 降低成本和安裝費(fèi)用擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍 完成多種連接開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 74LEOLEO系統(tǒng)系統(tǒng) 低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，簡稱LEO，由距地面高度5001500Km左右的眾多衛(wèi)星組成，運(yùn)行在多個(gè)軌道上，與地球自轉(zhuǎn)不能保持同步，所以也叫非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 衰耗小時(shí)延短 通信質(zhì)量好 容量大

44、 發(fā)射成本低 移動(dòng)終端小型化 75LEOLEO系統(tǒng)的原理系統(tǒng)的原理 LEO系統(tǒng)與地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本原理相似，都采用劃分小區(qū)和重復(fù)使用頻率的方法進(jìn)行通信。不同的是LEO系統(tǒng)相當(dāng)于把基站安裝在天空上，一個(gè)衛(wèi)星就相當(dāng)于一個(gè)基站。由于天線和中繼器等都安裝在衛(wèi)星上，所以隨著衛(wèi)星的移動(dòng)，基站、天線等都是不停地移動(dòng)著的。76典型商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)典型商用衛(wèi)星通信系統(tǒng) 銥系統(tǒng) 全球星系統(tǒng) 海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)77銥系統(tǒng)銥系統(tǒng) 由美國摩托羅拉公司在1988年提出的覆蓋全球的LEO系統(tǒng)，1998年投入使用。原計(jì)劃采用77顆衛(wèi)星，與銥原子的電子數(shù)相等，故名。 后來銥系統(tǒng)實(shí)際采用66顆衛(wèi)星，環(huán)繞6條均勻分布的近極圓軌道運(yùn)行。相鄰軌道平面上的衛(wèi)星按相反方向運(yùn)行。軌道高度約為780 km，每個(gè)軌道平面分布11顆衛(wèi)星及1顆備用衛(wèi)星。78全球星系統(tǒng)全球星系統(tǒng) 美國勞拉公司和高通公司發(fā)起。有48顆衛(wèi)星，另加8顆備用衛(wèi)星，分布在8個(gè)傾角為520的圓軌道上。軌道高度為1414Km,每個(gè)軌道分布6顆衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星。