第七章微波通信和卫星通信

1、第第7章章 微波通信与卫星通信微波通信与卫星通信 本章内容： 微波通信 卫星通信本章重点：l 微波通信的概念和特点l 数字微波通信系统的基本组成l 卫星通信的概念和特点l 卫星通信系统的基本组成l 通信卫星和地球站的设备组成l 卫星通信的多址方式微波通信微波通信 微波通信是在 20 世纪 40 年代开始使用的无线电通信技术。微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。模拟微波通信已被数字微波通信所取代，微波通信与卫星通信，光纤通信卫星通信，光纤通信一起作为通信的三大传输手段三大传输手段。卫星通信可看作微波通信的一个具体应用。 7.1 微波通信的概念和特点微波通信的概念和特点 微波的频段划分微波

2、的频段划分 微波中继通信的概念微波中继通信的概念 微波通信的特点微波通信的特点1微波通信频段划分微波通信频段划分 整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。 不同频率段分别命名为无线电波无线电波（3kHz3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、射线、射线和宇宙射线。 微波(Microwave )是超高频率的无线电波。由于这种电磁波的频率非常高，故微波又称为超超高频电磁波高频电磁波。电磁波的传播速度与其频率 f 、波长又有下列固定关系： f =v 若微波是在真空中传播，则速度为 v=c=3108m/s1微波通信频段划分微波通信频段划分无线电波波段的划分无线电波波段的划分1m-

3、1mm300MHz300GHz1微波通信频段划分微波通信频段划分 微波频段的划分微波频段的划分10cm5cm3cm8mm6mm3mm微波波段300MHz300GHz1微波通信频段划分微波通信频段划分调幅广播540kHz1650kHz调频广播88MHz108MHz了解：可见光的波长了解：可见光的波长 红红620nm-760nm 橙橙592nm-620nm 黄黄578nm- 592nm 绿绿500nm- 578nm 青青464nm-500nm 蓝蓝446nm -464nm 紫紫400nm-446nm 人眼可见范围为人眼可见范围为312nm - 1050nm 微波的性质微波的性质 微波的基本性质通常

4、呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。 1微波通信频段划分微波通信频段划分 我国选用我国选用 2GHz, 4GHz, 6GHz, 7GHz, 8GHz , 11GHz 作为微波通信的主要工作频段，其作为微波通信的主要工作频段，其中中 2GHz , 4GHz , 6GHz 频段主要用于干线频段主要用于干线微波中继，微波中继，2GHz , 7GHz , 8GHz , 11GHz 主主要用于支线或专用网。要用于支线或专用网。 微波通信微波通信是是利用利用微波信号作为载波信号微波信号作为载波

5、信号，并采用中继（接力）方式在地面上进行并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线通信。的无线通信。 也就是利用也就是利用传输的模拟信号或数字信号传输的模拟信号或数字信号来调制来调制微波信号，将传输的信号调制到微波信号，将传输的信号调制到适合微波传输的高频段上，进行传输。适合微波传输的高频段上，进行传输。什么是微波通信？什么是微波通信？2微波中继通信微波中继通信 微波的波长比较短，接近光波，是直线传播，具有微波的波长比较短，接近光波，是直线传播，具有视视距传播特性距传播特性。由于地球表面是曲面，当远距离传输时，。由于地球表面是曲面，当远距离传输时，需采用中继的方式。需采用中继的方式。 沿地球表面

6、直沿地球表面直线线传播传播，一般只有一般只有50km左右。但若采用左右。但若采用100m高的天线塔高的天线塔，则距离可增大到则距离可增大到l00km。3微波通信的特点微波通信的特点 通信频段的频带宽，传输信息容量大通信频段的频带宽，传输信息容量大 通信稳定、可靠通信稳定、可靠 接力传输接力传输 通信灵活性较大通信灵活性较大 天线增益高、方向性强天线增益高、方向性强 投资少、建设快投资少、建设快 数字化数字化 通信频带宽传输容量大通信频带宽传输容量大 一套微波中继通信设备可以容纳几千甚一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽

7、频带信号像信号等宽频带信号 通信稳定可靠通信稳定可靠 当通信频率高于当通信频率高于100MHz时，工业干扰、时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。由于微波频段频率高，这些干扰对微波由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小。数字微波通信中继站通信的影响极小。数字微波通信中继站能对数字信号进行再生，使数字微波通能对数字信号进行再生，使数字微波通信线路噪声不逐站积累，增加了抗干扰信线路噪声不逐站积累，增加了抗干扰性。因此，微波通信较稳定和可靠。性。因此，微波通信较稳定和可靠。 接力传输接力传输 在进行地面上的远距离通信时，针对微在进行地面上的远

8、距离通信时，针对微波视距传播特性和传输损耗随距离增加波视距传播特性和传输损耗随距离增加的特性，必须采用接力的方式，发端信的特性，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收号经若干中间站多次转发，才能到达收端。端。通信灵活性较大通信灵活性较大 微波中继通信采用中继方式，可以实现微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。在遭泽、江河、高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线建立及转移都较容易，这些方面比有线

9、通信具有更大的灵活性。通信具有更大的灵活性。 天线增益高方向性强天线增益高方向性强 当天线面积给定时，天线增益与工作波当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。由于微波通信的工作长的平方成反比。由于微波通信的工作波长短，天线尺寸可做得很小，通常做波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线。这样成增益高，方向性强的面式天线。这样可以降低微波发信机的输出功率，利用可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播微波天线强的方向性使微波电磁波传播特方向对准下一接收站，减少通信中的特方向对准下一接收站，减少通信中的相互干扰。相互干扰。 投资少建设快投资少

10、建设快 与其它有线通信相比，在通信容量和质与其它有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。周期短。数字化数字化 对于数字微波通信系统来说，是利用微对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统。数字信号，所以称为数字微波通信系统。 7.1.2 数字微波通信系统数字微波通信系统 微波站的分类微波站的分类 终端站：传输末梢终端站：传输末梢 分路站：可以上、下话路（信道）分路站：

11、可以上、下话路（信道） 枢纽站：沟通多个方向的微波站枢纽站：沟通多个方向的微波站 中继站：无需上、下话路（信道）中继站：无需上、下话路（信道）7.1.2 数字微波通信系统数字微波通信系统终端站、分路站、枢纽站和中继站 微波通信系统的组成微波通信系统的组成7.1.3 微波站设备微波站设备 微波收、发信设备微波收、发信设备 微波天线设备微波天线设备 中继设备中继设备电源设备电源设备监测设备监测设备7.1.3 微波站设备微波站设备微波发信设备微波收信设备电源设备监测控制设备图7-3 微波通信系统组成示意图7.1.4 微波的传播特性微波的传播特性 多径传播特性多径传播特性短波电离层反射短波电离层反射

12、离地面离地面60600 km的大气层为电离层。当的大气层为电离层。当频率范围为频率范围为330 MHz 的短波射入电离层的短波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面。返回地面。0FFED300 kmAB地球FBA地球反射点7.1.4 微波的传播特性微波的传播特性微波在自由空间的传播损耗微波在自由空间的传播损耗无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间。单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间。均匀无损耗的无限大空间；均匀无损耗的无限大

13、空间；各向同性；各向同性；电导率电导率=0，介电系数介电系数=0= （法（法/米），米），导磁系数导磁系数=0= （亨（亨/米）。米）。在自由空间传播条件下，传输损耗在自由空间传播条件下，传输损耗Ls的表达式为：的表达式为：Ls（dB）32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）（或（或92.45+20lgf（GHz）+20lgd（km）其中其中d为收、发天线间的距离，为收、发天线间的距离，f为工作频率。为工作频率。m/103619Fm/1047H7.1.4 微波的传播特性微波的传播特性从自由空间损耗公式可以看出传播距离从自由空间损耗公式可以看出传播距离d和使用频段和使用频段f成反比。

14、成反比。设发射功率为设发射功率为Pt，发射天线增益为，发射天线增益为Gt（dB），发端馈），发端馈线系统损耗为线系统损耗为Lft（dB）；发端分路系统损耗为）；发端分路系统损耗为Lbt（dB）。接收功率为）。接收功率为Pr；接收天线增益为；接收天线增益为Gr（dB），），收端馈线系统损耗为收端馈线系统损耗为Lfr（dB），收端分路系统损耗为），收端分路系统损耗为Lbr（dB）。）。在自由空间传播的条件下，接收机的输入电平为：在自由空间传播的条件下，接收机的输入电平为：Pr（dBm）=Pt（dBm）+（Gt+Gr）-（Lft+Lfr）-（Lbt+Lbr）-Ls7.1.4 微波的传播特性微波的传播

15、特性影响微波传播损耗的因素影响微波传播损耗的因素 大气吸收衰减大气吸收衰减 雨雾衰减雨雾衰减 地面反射的影响地面反射的影响 地面反射的影响地面反射的影响7.1.4 微波传输微波传输 补偿技术补偿技术 均衡均衡 频域均衡器用于减少频率选择性衰落的影响。频域均衡器用于减少频率选择性衰落的影响。 时域均衡利用波形补偿法将失真的波形加以校正。时域均衡利用波形补偿法将失真的波形加以校正。 分集接收分集接收7.1.5 数字微波通信技术的发展数字微波通信技术的发展 通信网长途传输干线的重要传输手段通信网长途传输干线的重要传输手段 我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是

16、微波传输波传输 中小容量（如中小容量（如8Mbit/s，34Mbit/s）的数字微波通）的数字微波通信系统信系统 N155Mbit/s的的SDH大容量数字微波通信系统大容量数字微波通信系统 微波中继通信系统已被光纤通信系统所替代微波中继通信系统已被光纤通信系统所替代 数字微波技术在固定宽带接入领域数字微波技术在固定宽带接入领域的应用的应用7.2 卫星通信卫星通信 卫星通信实际上是微波中继传输技术与空间技卫星通信实际上是微波中继传输技术与空间技术的结合。术的结合。 把微波中继站设在卫星上（称为转发器），线把微波中继站设在卫星上（称为转发器），线路两端的终点站设在地球上（称为地球站）。路两端的终点

17、站设在地球上（称为地球站）。因此，卫星通信系统由因此，卫星通信系统由卫星卫星和和地球站地球站两部分组两部分组成。成。 地球站实际上是卫星系统与地面通信网的接口，地球站实际上是卫星系统与地面通信网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统，形成通信地面用户通过地球站出入卫星系统，形成通信线路。因此，卫星通信是地球上多个地球站线路。因此，卫星通信是地球上多个地球站（包括陆地、水面和大气层）利用空中人造通（包括陆地、水面和大气层）利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的微波通信。信卫星作为中继站而进行的微波通信。 7.2 卫星通信卫星通信 将微波中继站放在人造卫星上时，便形将微波中继站放在人造卫星上时，便

18、形成了卫星通信系统。成了卫星通信系统。 利用利用35786.6km高的人造同步地球卫星高的人造同步地球卫星地球AB7.2.1 卫星通信的特点卫星通信的特点 通信覆盖面积大通信覆盖面积大 1颗卫星覆盖地球表面颗卫星覆盖地球表面42%通信距离远通信距离远 卫星单跳最大通信距离达卫星单跳最大通信距离达1800km 传输容量大传输容量大 一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电话，其通信容量仅次于光纤通信。话，其通信容量仅次于光纤通信。 线路稳定可靠，质量高线路稳定可靠，质量高 畅通率在畅通率在99.8%以上以上 。通信灵活通信灵活 不受地形、地貌等自然条件的影响不受地

19、形、地貌等自然条件的影响 。传输延迟大传输延迟大 往返传播延迟约为往返传播延迟约为0.54s 7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成 卫星通信系统是由通信卫星、地球站和遥测指令分系统和监控管理分系统。 通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制分系统、遥测指令分系统、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号转发各地球站信号。 地球站由天线、发射、接受、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接受用户发射和接受用户信号信号。 跟踪遥测指令分系统是用来接收卫星发来的信标和各种数据，然后经过分析处理，再向卫星发出指令去控制卫星的位置、姿态及

20、各部分工作状态控制卫星的位置、姿态及各部分工作状态。 监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道前的监测和业务开通后的例行监测与控制监测与控制，以便保证通信卫星的正常运行和工作。7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统的线路卫星通信系统的线路 在一个卫星通信系统中，各地球站经过通信卫星转发器可以组成多条单跳单工单跳单工或双跳单工双跳单工卫星通信线路。 单工是指通信的双方分别被固定为发信站和收信站。 发信站发送的信号只经一次卫星转发后就被接收站接收的卫星通信线路叫做单跳单工单跳单工卫星通信线路。 发信站发送的信号经过两次卫星转发后被接收站接收的卫星通信线路叫做双跳单工双跳单工

21、卫星通信线路。7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统的工作过程卫星通信系统的工作过程 从地球站1发出无线电信号f1，这个微弱的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波f2重新发向地球站2，从而实现两个地球站或多个地球站的远距离通信，图中f3、f4是另一条卫星通信线路所用的频率。 7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类 同步卫星通信系统同步卫星通信系统(GEO) 卫星绕地球的运行周期与地球自转同步，而对地球应相

22、对静止，又称为静止轨道卫星系统。 非同步卫星通信系统非同步卫星通信系统 中轨道卫星系统中轨道卫星系统(ICO或或MEO) 椭圆轨道卫星系统椭圆轨道卫星系统(HEO) 低轨道卫星系统低轨道卫星系统(LEO) 7.2.2 卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统频段的划分卫星通信系统频段的划分 7.2.3 同步通信卫星的设置和可通信区同步通信卫星的设置和可通信区 通信卫星一般是指同步卫星，同步卫星的轨道是圆形且在赤道平面上，同步卫星离地面35785.6公里，飞行方向与地球自转方向相同时，从地面上任意一点看，卫星都是静止不动，这种对地静止的卫星称为通信卫星。利用三或四颗同步卫星，就能够使信号基本覆盖地

23、球的表面。 7.2.3 同步通信卫星的设置和可通信区同步通信卫星的设置和可通信区 频分多址频分多址 时分多址时分多址 空分多址空分多址 码分多址码分多址7.2.4 卫星通信多址方式卫星通信多址方式7.3 微波与卫星通信业务及应用微波与卫星通信业务及应用7.3.1 微波通信业务及应用微波通信业务及应用1. 微波通信业务微波通信业务因为微波频段很宽，所以微波通信涉及的业务范围较因为微波频段很宽，所以微波通信涉及的业务范围较为广泛，其业务包含：为广泛，其业务包含：UHF、电视频段、卫星通信、雷、电视频段、卫星通信、雷达、专业集群通信、公众移动通信、达、专业集群通信、公众移动通信、PCS业务、点对业务

24、、点对点、点对多点、无线宽带业务、无线局域网、蓝牙技点、点对多点、无线宽带业务、无线局域网、蓝牙技术、多路微波分配系统（术、多路微波分配系统（MMDS）、本地多点分配业务）、本地多点分配业务（LMDS）。另外，射频识别技术（）。另外，射频识别技术（RFID）、工科医）、工科医（ISM）及家用电器等非通信设备也使用了一定的微波）及家用电器等非通信设备也使用了一定的微波频段，随着物联网的发展，这也将成为微波通信业务频段，随着物联网的发展，这也将成为微波通信业务的范围。的范围。7.3.1 微波通信业务及应用微波通信业务及应用2. 数字微波通信系统的应用数字微波通信系统的应用数字微波通信系统的主要应用

25、场合如下：数字微波通信系统的主要应用场合如下：（1）干线光纤传输的备份及补充）干线光纤传输的备份及补充如点对点的如点对点的SDH微波、微波、PDH微波等。主要用于干线光纤传输系统在遇到自灾微波等。主要用于干线光纤传输系统在遇到自灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。（2）边远地区和专用通信网中）边远地区和专用通信网中如农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合，这些如农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合，这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。属于这一类。（3）城市内的短距离直线连接）城市内的短距离直线连接如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等。既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波网等等。既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率