第05章数字微波中继通信与卫星通信解析课件

第五章数字微波中继通信与卫星通信5.1数字微波中继通信5.2卫星通信第五章数字微波中继通信与卫星通信5.1数字微波中继通5.1数字微波中继通信5.1.1微波通信的特点 （1）微波波段的载波工作频率高（相对短波波段而言），在相对带宽相同的情况下，其信道的绝对带宽比短波要大得多，因而，可传送较多的信息量。 （2）由于微波波段波长短，所以容易制成高增益天线。天线增益可达几十dB。5.1数字微波中继通信5.1.1微波通信的特点（3）天电干扰、工业干扰及太阳黑子的变化在微波波段基本不起作用。（4）与有线通信相比，微波中继通信有较大的灵活性。（5）在微波波段，电磁波的传播是直线视距的传播方式。要进行远距离通信，必须采用中继通信方式，即每隔50km左右设置一个中继站，将前一站的信号接收下来，经过放大，再向下一站传输下去。（3）天电干扰、工业干扰及太阳黑子的变化在微波波段基本不起作5.1.2数字微波通信系统的组成 数字微波系统方框图如图5-1-1所示。 微波站分为两大类：终端站和中继站。5.1.3数字信号的调制与解调 数字信号的调制与解调是数字微波通信中的关键技术。5.1.2数字微波通信系统的组成图5-1-1数字微波通信系统方框图图5-1-1数字微波通信系统方框图图5-1-2正弦信号的旋转相量表示图5-1-2正弦信号的旋转相量表示1．四相移相键控（4PSK或QPSK） 4PSK调制如图5-1-3所示。由图可见，输入的二进制码流（信息速率为fb）经串并变换，转变为并行的两路二进制码流，其速率是fb/2。1．四相移相键控（4PSK或QPSK）图5-1-34PSK示意图图5-1-34PSK示意图2．正交幅度调制（QAM） M-QAM调制器方框图如图5-1-4所示。M-QAM信号是一种幅度、相位复合调制信号。M表示已调波的状态数，不同状态与不同的幅度和相位相对应。2．正交幅度调制（QAM）图5-1-4M-QAM调制器方框图图5-1-4M-QAM调制器方框图第05章数字微波中继通信与卫星通信解析课件3．解调 数字微波的发送端通过调制把基带信号变成微波频带信号，接收端通过解调把频带信号逆变换为基带信号。4．各种调制方式性能比较（1）各种调制方式信道频带利用率 2ASK方式的高频信道利用率为fb／2fb=1／2 bit／s,Hz 2FSK方式的高频信道利用率为fb／[(fc2－fc1+2fb]＜1／2bit／s，Hz3．解调（2）误码性能比较 经分析可得如下结论：在信噪比相同的情况下，多相调制的相数越多，误码率越高。对不同的调制方式，当已调波相量点数相同时，M-QAM、M-PSK、M-ASK误码率依次增高。（2）误码性能比较5.2卫星通信5.2.1卫星通信概述 卫星通信是利用地球卫星作为中继站转发微波信号，在两个或多个地球站之间进行通信。 卫星与地球的相对位置关系如图5-2-1所示。5.2卫星通信5.2.1卫星通信概述图5-2-1静止卫星通信示意图图5-2-1静止卫星通信示意图卫星通信具有以下特点。（1）卫星通信覆盖区域大、通信距离远，在跨越高山、海洋时，更能显示其优越性。（2）卫星通信便于实现多址连接。（3）工作频带宽，通信容量大，适用于多种业务（例如电话、传真、电视、高速数据等）传输。（4）通信质量好、可靠性高。卫星通信具有以下特点。5.2.2卫星通信系统的组成1．系统构成 卫星通信系统组成方框图如图5-2-2所示。5.2.2卫星通信系统的组成图5-2-2卫星通信系统组成方框图图5-2-2卫星通信系统组成方框图2．通信卫星的组成及功能 通信卫星由天线分系统、通信分系统、遥测与指令分系统、控制分系统和电源分系统五部分组成，如图5-2-3所示。2．通信卫星的组成及功能图5-2-3通信卫星的组成图5-2-3通信卫星的组成（1）天线分系统：卫星天线有两类。一类是遥测、遥控和信标天线，一般采用全向天线，以便可靠地接收地面指令和向地面发射遥测数据和信标。（2）通信分系统：卫星上的通信分系统又称转发器，起通信中继器的作用。它实际是一部宽频带收发信机，对它的基本要求是以最小的附加噪声和失真，并以足够的功率，安全可靠地为地球站转发无线电信号。（1）天线分系统：卫星天线有两类。一类是遥测、遥控和信标天线（3）遥测与指令系统：其功能是了解星内设备的工作情况；对卫星的工作、位置和姿态进行控制。（4）控制分系统：共有两种控制，一是姿态控制，二是位置控制。（5）电源分系统：常用的电源有太阳能电池和化学能电池。（3）遥测与指令系统：其功能是了解星内设备的工作情况；对卫星3．地球站设备（1）地球站的组成和性能要求 图5-2-4所示为标准地球站的方框图。从图中可以看出，地球站由天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和电源系统六部分组成。3．地球站设备图5-2-4地球站总体方框图图5-2-4地球站总体方框图 对地球站的性能要求如下： ①工作频率范围宽：国际卫星通信组织工作在6/4GHz频段的地球站，其上下行带宽均为500MHz。 ②地球站的品质因数G/T高:G为天线增益，T为放大器的等效噪声温度。

对地球站的性能要求如下： ③等效全向辐射功率（EIRP）的稳定度高：地球站天线增益与馈入功率之积称为EIRP。 ④载波频率的准确度和稳定度高。 ⑤互调引起的带外辐射及寄生辐射的容许电平小。（2）天线分系统 天线系统通常都是收发共用一副天线。 ③等效全向辐射功率（EIRP）的稳定度高：地球站天线增益与（3）大功率发射分系统发射系统由大功率放大器、激励器、发射波合成器、上变频器及自动功率控制电路等组成。（4）低噪声接收分系统 由于卫星转发器的发射功率只有几瓦至几十瓦，卫星天线的增益小，卫星转发的信号经下行线路约4万公里的传输，衰减达200dB，因此信号到达地球站时已极微弱，只有10～17瓦或10～18瓦左右。（3）大功率发射分系统5.2.3卫星通信的技术体制1．频段分配 国际电联对卫星通信应用的各个频段 有详尽建议。我国选用如下：6/4GHz频段：上行5.925~6.425GHz,下行3.7~4.2GHz。2．调制方式和多址联接方式 卫星通信的技术体制涉及以下几方面的问题：基带信号和多路信号的复用方式、调制方式、多址连接方式及信道分配技术。5.2.3卫星通信的技术体制3．频分多址（FDMA）方式 FDMA方式是网内各地球站共用一个转发器，将卫星转发器的可用带宽分割成若干互不重叠的部分，分配给各个地球站使用。（1）频分多路/调频/频分多址（FDM/FM/FDMA） 这种方式有两种不同的构成方法：3．频分多址（FDMA）方式第一种方法：每个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载波，即与几个站通信就发几个载波。第二种方法：每个地球站把发送到其他地球站的电话信号分别复用到基带的某一指定频段上，而后调制到一个载频上，每个地球站只发射一个载波，这个载波包含了其余地球站的全部信息，因而接收端要接收整个频带的信息，再从中取出与本站有关的信息。第一种方法：每个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载（2）单路单载波/频分多址（SCPC/FDMA） 当传输电话路数较多，但每个话路业务量较少时，可以采用一个载波上只传送一路电话，按照FDMA方式送往卫星转发器。（3）按需分配——频分多址（SPADE）方式 SPADE实际上就是按需分配的SCPC系统。（2）单路单载波/频分多址（SCPC/FDMA）4．时分多址（TDMA）方式 在TDMA方式中，分配给各地球站的是一个特定的时隙，各地球站在基准站发出的定时同步信号的控制下，只在指定的时隙内向卫星发射信号（称为射频突发信号），这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。5．码分多址（CDMA）方式 有关码分多址的讨论请见本书第六章移动通信。4．时分多址（TDMA）方式5.2.4甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统 VSAT系统指由天线口径小，G/T值低于19.7dB/K，并用软件控制的大量地球站构成的卫星传输系统。 一个VSAT系统可以包括几百个甚至几千个终端小站。5.2.4甚小天线地球站（VSAT）卫星网络系统VSAT网由中心站、小型站和微型站三种地球站组成（后两种站也称远端站）。VSAT网的构成形式可以有单跳、双跳、单双跳混合以及全连接网等，如图5-2-5所示。单跳网络又称星形网络，它将多个远端VSAT站与中心站连接起来。VSAT网由中心站、小型站和微型站三种地球站组成（后两种站也图5-2-5VSAT网的构成形式图5-2-5VSAT网的构成形式在双跳形式的VSAT网络中，各远端站可以通过中心站进行通信。单双跳混合形式的中心站和远端站之间可以通电话和数据；各远端站之间可以通数据和录音电话。全连接网络需设一个枢纽站（控制站），以根据各站的业务需求分配信道。VSAT网以SCPC/FDMA方式工作。在双跳形式的VSAT网络中，各远端站可以通过中心站进行通信。第五章数字微波中继通信与卫星通信5.1数字微波中继通信5.2卫星通信第五章数字微波中继通信与卫星通信5.1数字微波中继通5.1数字微波中继通信5.1.1微波通信的特点 （1）微波波段的载波工作频率高（相对短波波段而言），在相对带宽相同的情况下，其信道的绝对带宽比短波要大得多，因而，可传送较多的信息量。 （2）由于微波波段波长短，所以容易制成高增益天线。天线增益可达几十dB。5.1数字微波中继通信5.1.1微波通信的特点（3）天电干扰、工业干扰及太阳黑子的变化在微波波段基本不起作用。（4）与有线通信相比，微波中继通信有较大的灵活性。（5）在微波波段，电磁波的传播是直线视距的传播方式。要进行远距离通信，必须采用中继通信方式，即每隔50km左右设置一个中继站，将前一站的信号接收下来，经过放大，再向下一站传输下去。（3）天电干扰、工业干扰及太阳黑子的变化在微波波段基本不起作5.1.2数字微波通信系统的组成 数字微波系统方框图如图5-1-1所示。 微波站分为两大类：终端站和中继站。5.1.3数字信号的调制与解调 数字信号的调制与解调是数字微波通信中的关键技术。5.1.2数字微波通信系统的组成图5-1-1数字微波通信系统方框图图5-1-1数字微波通信系统方框图图5-1-2正弦信号的旋转相量表示图5-1-2正弦信号的旋转相量表示1．四相移相键控（4PSK或QPSK） 4PSK调制如图5-1-3所示。由图可见，输入的二进制码流（信息速率为fb）经串并变换，转变为并行的两路二进制码流，其速率是fb/2。1．四相移相键控（4PSK或QPSK）图5-1-34PSK示意图图5-1-34PSK示意图2．正交幅度调制（QAM） M-QAM调制器方框图如图5-1-4所示。M-QAM信号是一种幅度、相位复合调制信号。M表示已调波的状态数，不同状态与不同的幅度和相位相对应。2．正交幅度调制（QAM）图5-1-4M-QAM调制器方框图图5-1-4M-QAM调制器方框图第05章数字微波中继通信与卫星通信解析课件3．解调 数字微波的发送端通过调制把基带信号变成微波频带信号，接收端通过解调把频带信号逆变换为基带信号。4．各种调制方式性能比较（1）各种调制方式信道频带利用率 2ASK方式的高频信道利用率为fb／2fb=1／2 bit／s,Hz 2FSK方式的高频信道利用率为fb／[(fc2－fc1+2fb]＜1／2bit／s，Hz3．解调（2）误码性能比较 经分析可得如下结论：在信噪比相同的情况下，多相调制的相数越多，误码率越高。对不同的调制方式，当已调波相量点数相同时，M-QAM、M-PSK、M-ASK误码率依次增高。（2）误码性能比较5.2卫星通信5.2.1卫星通信概述 卫星通信是利用地球卫星作为中继站转发微波信号，在两个或多个地球站之间进行通信。 卫星与地球的相对位置关系如图5-2-1所示。5.2卫星通信5.2.1卫星通信概述图5-2-1静止卫星通信示意图图5-2-1静止卫星通信示意图卫星通信具有以下特点。（1）卫星通信覆盖区域大、通信距离远，在跨越高山、海洋时，更能显示其优越性。（2）卫星通信便于实现多址连接。（3）工作频带宽，通信容量大，适用于多种业务（例如电话、传真、电视、高速数据等）传输。（4）通信质量好、可靠性高。卫星通信具有以下特点。5.2.2卫星通信系统的组成1．系统构成 卫星通信系统组成方框图如图5-2-2所示。5.2.2卫星通信系统的组成图5-2-2卫星通信系统组成方框图图5-2-2卫星通信系统组成方框图2．通信卫星的组成及功能 通信卫星由天线分系统、通信分系统、遥测与指令分系统、控制分系统和电源分系统五部分组成，如图5-2-3所示。2．通信卫星的组成及功能图5-2-3通信卫星的组成图5-2-3通信卫星的组成（1）天线分系统：卫星天线有两类。一类是遥测、遥控和信标天线，一般采用全向天线，以便可靠地接收地面指令和向地面发射遥测数据和信标。（2）通信分系统：卫星上的通信分系统又称转发器，起通信中继器的作用。它实际是一部宽频带收发信机，对它的基本要求是以最小的附加噪声和失真，并以足够的功率，安全可靠地为地球站转发无线电信号。（1）天线分系统：卫星天线有两类。一类是遥测、遥控和信标天线（3）遥测与指令系统：其功能是了解星内设备的工作情况；对卫星的工作、位置和姿态进行控制。（4）控制分系统：共有两种控制，一是姿态控制，二是位置控制。（5）电源分系统：常用的电源有太阳能电池和化学能电池。（3）遥测与指令系统：其功能是了解星内设备的工作情况；对卫星3．地球站设备（1）地球站的组成和性能要求 图5-2-4所示为标准地球站的方框图。从图中可以看出，地球站由天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和电源系统六部分组成。3．地球站设备图5-2-4地球站总体方框图图5-2-4地球站总体方框图 对地球站的性能要求如下： ①工作频率范围宽：国际卫星通信组织工作在6/4GHz频段的地球站，其上下行带宽均为500MHz。 ②地球站的品质因数G/T高:G为天线增益，T为放大器的等效噪声温度。

对地球站的性能要求如下： ③等效全向辐射功率（EIRP）的稳定度高：地球站天线增益与馈入功率之积称为EIRP。 ④载波频率的准确度和稳定度高。 ⑤互调引起的带外辐射及寄生辐射的容许电平小。（2）天线分系统 天线系统通常都是收发共用一副天线。 ③等效全向辐射功率（EIRP）的稳定度高：地球站天线增益与（3）大功率发射分系统发射系统由大功率放大器、激励器、发射波合成器、上变频器及自动功率控制电路等组成。（4）低噪声接收分系统 由于卫星转发器的发射功率只有几瓦至几十瓦，卫星天线的增益小，卫星转发的信号经下行线路约4万公里的传输，衰减达200dB，因此信号到达地球站时已极微弱，只有10～17瓦或10～18瓦左右。（3）大功率发射分系统5.2.3卫星通信的技术体制1．频段分配 国际电联对卫星通信应用的各个频段 有详尽建议。我国选用如下：6/4GHz频段：上行5.925~6.425GHz,下行3.7~4.2GHz。2．调制方式和多址联接方式 卫星通信的技术体制涉及以下几方面的问题：基带信号和多路信号的复用方式、调制方式、多址连接方式及信道分配技术。5.2.3卫星通信的技术体制3．频分多址（FDMA）方式 FDMA方式是网内各地球站共用一个转发器，将卫星转发器的可用带宽分割成若干互不重叠的部分，分配给各个地球站使用。（1）频分多路/调频/频分多址（FDM/FM/FDMA） 这种方式有两种不同的构成方法：3．频分多址（FDMA）方式第一种方法：每个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载波，即与几个站通信就发几个载波。第二种方法：每个地球站把发送到其他地球站的电话信号分别复用到基带的某一指定频段上，而后调制到一个载频上，每个地球站只发射一个载波，这个载波包含了其余地球站的全部信息，因而接收端要接收整个频带的信息，再从中取出与本站有关的信息。第一种方法：每个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载（2）单路单载波/频分多址（SCPC/FDMA） 当传