第六无线电通信微波与无线电通信部分课件

1、1 第五章 无线电通信概述 短波通信 微波通信 卫星通信 微波概念Microwave Concept究竟什么是微波？这是我们关心的首要问题。 从现象看，如果把电磁波按波长(或频率)划分，则大致可以把300MHz300GHz，(对应空气中波长是1m 0.1mm)这一频段的电磁波称之为微波。纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间。图 1-1 5.3微波通信5.3.1微波通信概述1. 微波通信微波频段的波长范围为lm1mm，频率范围为300MHz300GHz， (频率与波长的关系：f=C/ )微波最常用的通信的频率范围 ：1GHz40GHz 目前微波系统的工作上限只到50GHz，在60GHz遇到

2、了氧气所吸收。微波干线传输BLUETOOTHWLAN无线光纤 5.3.1 微波通信的特点3、传输质量高，通信稳定可靠。2、天线增益高，方向性好，通信保密性好。1、通频带宽，通信容量大。5.3 基本概念4、组网灵活，建设周期短、成本低。5、对于地面远距离通信，采用“中继”传输。 利用微波作为载波,采用中继（接力方式）进行无线电通信。特点：采用中继传输方式，一般50KM左右一个中继站。原因：微波是沿直线传播的； 微波传播时，存在能量损耗。 5.3.2地面微波中继通信17.1.3 微波通信的用途(1) 传送电话语音信号(2) 传送数据信号(3) 传送传真信号(4) 传送宽频带信号及彩色电视信号(5)

3、 移动通信系统基站与移动业务交换中心之间的信息交换数字微波通信已成为一种重要的传输手段，并与卫星通信，光纤通信一起作为当今三大传输手段。 20.2 数字微波中继通信的特点 （1）通信频段的频带宽 微波频段占用的频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。占用的频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备就越多，通信容量也就越大。一套短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作，而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，并可传输电视图像等宽频带信号。 （2）受外界干扰的影响小。 工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对微波频段通信的影响

4、小（当通信频率高于100MHz时，这些干扰对通信的影响极小），但这些干扰源严重影响短波以下频段的通信。因此，微波中继通信信号比较稳定和可靠。（3）通信灵活性较大。 采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、时，通信的建立撤收及转移都比较容易，这些方面比电缆通信具有更大的灵活性。 （4）天线增益高、方向性强。 中继通信可以减小对发射功率的要求； 由于微波具有直线传播特性，因此，可利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，使微波天线具有很强的方向性。（5）投资少、建设快。 在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信

5、线路的建设费用不到同轴电缆通信线路的一半，而且还可以节省大量的有色金属，另外，建设时间也比后者短。5.3 数字微波中继通信系统的组成下图是一条微波中继通信线路的示意图，其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，支线可以有多条。除了在线路未端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。微波卫星通信特点： 中继站在卫星上； 使用微波波段，技术与微波相通，但有自己的特点；5.3.4 微波通信的分类（3/4）5.3 基本概念5.3.5 数字微波通信系统组成系统组成 微波终端站 微波站的主要设备包括 微波发信设备： 微波收信设备、 微波天线馈电设备、 电源设备、监测控制设备等。

6、馈线：馈线将高功率微波射频信号传输到双工器 有同轴电缆型和波导型两种。 一般在分米波波段采用同轴电缆馈线，在厘米波波段因同轴电缆损耗较大，故采用波导馈线。 波导馈线又分为圆波导馈线和矩形波导馈线。 天线 ：发射无线电波 微波的天线的类型很多，其基本形式有： 角反射天线 抛物面天线 微波加热的原理微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电波，被加热介质物料中的水分子是极性分子。它在快速变化的高频点磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成分子的运动秀相互摩擦效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。 热惯性小微波对介

7、质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。 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。 卫星通信 卫星电视系统 作为无线电通信中继站。通信卫星像一个国际信使，收集来自地面的各种“信件”，然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它是“站”在36000 公里的高空，所以它的“投递”覆盖面特别大，一颗卫星就可以负责 1/3地球表面的通信。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星，便可以实现除南北极之外的全球通信。

8、当卫星接收到从一个地面站发来的微弱无线电信号后，会自动把它变成大功率信号，然后发到另一个地面站，或传送到另一颗通信卫星上后，再发到地球另一侧的地面站上，这样，我们就收到了从很远的地方发出的信号。 5.4 卫星通信5.4.1概念 1卫星通信的定义卫星通信系统的组成 卫星通信：以人造地球卫星作为中继站的微波通信系统。 2卫星的轨道 （1）轨道形状 圆形：地球的中心处于圆形轨道的圆心 椭圆形：地球中心应处于椭圆轨道一个焦点上 （2）卫星轨道倾角 赤道轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道倾角为0 极地轨道：卫星轨道平面与地球南北极的轴线重合，即轨道倾角为90 倾斜轨道：卫星轨道平面与地球赤道平

9、面之间的夹角在090之间 5.4.1概述（3）卫星轨道离地面的高度 低轨道（LEO）。高度为500km2000km或500km3000km（许多在1500km以下），运行周期约24h 中轨道（MEO）。高度为2000km20000km或3000km20000km，周期约为5h6h（对约10000km高度而言） 高轨道（HEO）。通常高度在20000km以上，周期大于12h。 5.4.1概述3. 同步卫星（静止卫星）卫星通信的通信范围 何谓同步卫星： 卫星的轨道与地球赤道平面相重合、且离地球表面高度为35786.6km的圆形轨道上沿与地球的自转方向相同的方向飞行，则卫星绕地球一周的时间为23小时

10、56分04秒。 同步卫星的通信范围 卫星所能照射的地球上区域 全球表面积的42.4% 18.4 卫星通信的特点 卫星通信系统以通信卫星为中继站，与其它通信系统相比较，卫星通信有如下特点： (1)覆盖区域大，通信距离远。一颗同步通信卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域，因而利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远距离越洋通信和电视转播的主要手段。 (2)具有多址连接能力。地面微波中继的通信区域基本上是一条线路，而卫星通信可在通信卫星所覆盖的区域内，所有四面八方的地面站都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称卫星通信的这种能同时实现多方向、多个地面站之间的相互联系的特性为多址连接。(3)频带宽，通信

11、容量大。卫星通信采用微波频段，传输容量主要由终端站决定，卫星通信系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发射功率，而且一颗卫星可设置多个（如IS-有46个）转发器，故通信容量很大。例如，利用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输30000路电话和若干路彩色电视。 (4) 通信质量好，可靠性高。卫星通信的电波主要在自由（宇宙）空间传播，传输电波十分稳定，而且通常只经过卫星一次转接，其噪声影响较小，通信质量好。通信可靠性可达99.8%以上。 (5) 通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地理条件的限制，地面站可以建立在边远山区、海岛、汽车、飞机和舰艇上。 (6)线路使用费用与通信距离无关。地面微波中继或

12、光缆通信系统，其建设投资和维护使用费用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空间转发器这一区间并不需要投资，因此线路使用费用与通信距离无关。 (7)对卫星通信系统也有一些特殊要求：一是由于通信卫星的一次投资费用较高，在运行中难以进行检修，故要求通信卫星具备高可靠性和较长的使用寿命；二是卫星上能源有限， 卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦，因此要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线，这使得地面站比较庞大；三是由于卫星通信传输距离很长，使信号传输的时延较大，其单程距离（地面站A卫星转发地面站B）长达80000km，需要时间约270ms；双向通信往返约160000km，延时约540ms，

13、所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。图185 通信卫星组成示意图 5.4.3通信卫星与地球站 1.通信卫星 通信卫星是卫星通信系统的核心，由通信装置及其辅助设备组成。 通信装置包括卫星天线和通信转发器， 辅助设备由姿态控制（跟踪、遥测与指令分系统）、电源等辅助设备组成。 卫星天线1)卫星天线 通信卫星上使用的天线有两种类型：全向测控天线和定向通信天线 (1)全向测控天线 用来接收地球站发给卫星的指令，并向地球站发送遥测数据和信号。以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向地面发射遥测数据及信号； 当卫星收到指令后，将它送到控制单元，以调整卫星的运行轨道和卫星的自旋姿态，使卫星天线准确地

14、指向地球上的波束覆盖区。卫星天线(2)定向通信天线 它与地面微波通信天线类似。 参见图5-29，按照天线发射电磁波束所覆盖地面区域的大小，可将定向通信天线分为以下三类： 卫星转发器2)卫星转发器 通信用的转发器是卫星上的主要设备，直接起中继站作用的部分。完成接收、处理、发射信号作用。 对卫星通信而言，转发器是一台宽频带的微波收发信机； 在卫星通信系统中，转发器给系统引进的附加噪声和失真应该尽可能小，并能够提供足够的功率放大能力，以输出足够的微波信号功率，有效、可靠地为地球站转发微波信号 卫星上转发器的数量各不相同，通常把卫星的整个工作频带划分为多个信道，每个信道占用不同的频带，并且有各自的功放

15、。 信道数目就是该卫星的转发器数目。 例如，IS-卫星把整个通信频带（500MHz）划分为12个信道，因此该卫星共有12个转发器。 通信卫星的轨道校正与姿态控制 3)轨道校正与姿态控制 卫星在其轨道上运行时，由于受到地球、月亮、太阳等引力的作用而缓缓移动，使卫星偏离预定的轨道而产生“摄动”，并使卫星不能保持一定的姿态而翻滚。将使通信用天线的波束不能对准地球，将导致通信无法进行。 需要对卫星进行姿态控制 1卫星通信系统的组成卫星通信系统由通信卫星和地球站两部分组成； 传输线路分地球站至卫星的上行链路和卫星 至地球站的下行链路。5.4.4卫星通信系统的基本组成2.卫星通信系统的工作过程 5.4.5

16、卫星通信中的多址方式1.卫星通信中的多路复用 卫星通信中多路复用是指把通过一个地球站传输的多个用户的信号，如电话或电视信号，通过变换组合在一起，形成一路复用信号。 目前常用的复用方式有频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。 这与前面几章中所讲的相关内容并无什么差异。 5.4.5卫星通信中的多址方式 2.卫星通信中的多址连接 :卫星同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信常用的多址连接方式（多址方式） 频分多址FDMA 时分多址TDMA 码分多址CDMA 空分多址SDMA 或混合多址如TDMAFDMA、CDMAFDMA等。 5.4.5卫星通信中的多址方式(1)频分多址(FDMA) 示意

17、图 当多个地球站共用卫星转发器时，如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址，这种多址连接方式就叫FDMA方式。 其转发器频带资源占用特点是：频分复用的多址用户（地球站）用不同的频段，分别占用不同的频带资源。(2)时分多址(TDMA) 时分多址 TDMA的原理是用不同的时隙来区分地球站（地址） 该系统中只允许各地球站在规定时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排序、互不重叠的。 采用TDMA方式，一般需要一个时间基准站提供共同的标准时间，保证各地球站发射的信号进入转发器时在规定的时隙而不互相干扰。 其转发器资源占用特点是：时分复用的各用户在某个相同的的载波频率上，

18、利用不同的时隙共享该频带。5.4.5卫星通信中的多址方式 (4)码分多址(CDMA) CDMA方式是按照信号码型不同来区分地球站的。 码分多址是近年来推出的新的多址方式，由于其抗干扰性强，高保密性等特点，早期在军事通信领域应用较广，近年逐步发展到民用技术如卫星通信和移动通信中。 VSATVSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径地球终端）是20世纪80年代末发展起来并于90年代得到广泛应用的新一代数字卫星通信系统。VSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。 适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以VSAT网常用来来建设内部专用网图2-15 VSAT网络组成GPS Gl