第七章微波通信和卫星通信

第7章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：微波通信的概念和特点数字微波通信系统的基本组成卫星通信的概念和特点卫星通信系统的基本组成通信卫星和地球站的设备组成卫星通信的多址方式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，光纤通信一起作为通信的三大传输手段。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的频段划分微波中继通信的概念微波通信的特点1．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（3kHz～3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、χ射线、У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，故微波又称为超高频电磁波。电磁波的传播速度与其频率f、波长λ又有下列固定关系：f·λ=v

若微波是在真空中传播，则速度为

v=c=3×108m/s1．微波通信频段划分无线电波波段的划分1m---1mm300MHz—300GHz1．微波通信频段划分微波频段的划分10cm5cm3cm8mm6mm3mm微波波段300MHz~300GHz1．微波通信频段划分调幅广播540kHz~1650kHz调频广播88MHz~108MHz了解：可见光的波长红620nm--760nm橙592nm--620nm黄578nm--592nm绿500nm--578nm青464nm--500nm蓝446nm--464nm紫400nm--446nm人眼可见范围为312nm-1050nm

微波的性质微波的基本性质通常呈现为穿透、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．微波通信频段划分我国选用2GHz,4GHz,6GHz,7GHz,8GHz,11GHz作为微波通信的主要工作频段，其中2GHz,4GHz,6GHz频段主要用于干线微波中继，2GHz,7GHz,8GHz,11GHz主要用于支线或专用网。微波通信是利用微波信号作为载波信号，并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线通信。也就是利用传输的模拟信号或数字信号来调制微波信号，将传输的信号调制到适合微波传输的高频段上，进行传输。什么是微波通信？2．微波中继通信微波的波长比较短，接近光波，是直线传播，具有视距传播特性。由于地球表面是曲面，当远距离传输时，需采用中继的方式。沿地球表面直线传播，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则距离可增大到l00km。3．微波通信的特点通信频段的频带宽，传输信息容量大通信稳定、可靠接力传输通信灵活性较大天线增益高、方向性强投资少、建设快数字化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至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号通信稳定可靠当通信频率高于100MHz时，工业干扰、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。接力传输在进行地面上的远距离通信时，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，才能到达收端。通信灵活性较大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，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性。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，减少通信中的相互干扰。投资少建设快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，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。数字化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数字微波通信系统微波站的分类终端站：传输末梢分路站：可以上、下话路（信道）枢纽站：沟通多个方向的微波站中继站：无需上、下话路（信道）7.1.2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7.1.3微波站设备微波收、发信设备微波天线设备中继设备电源设备监测设备7.1.3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微波的传播特性多径传播特性短波电离层反射离地面60~600km的大气层为电离层。当频率范围为3~30MHz的短波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面。7.1.4微波的传播特性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、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间。①均匀无损耗的无限大空间；②各向同性；③电导率σ=0，介电系数ε=ε0=

（法/米），导磁系数μ=μ0=

（亨/米）。在自由空间传播条件下，传输损耗Ls的表达式为：Ls（dB）＝32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）（或＝92.45+20lgf（GHz）+20lgd（km））其中d为收、发天线间的距离，f为工作频率。7.1.4微波的传播特性从自由空间损耗公式可以看出传播距离d和使用频段f成反比。设发射功率为Pt，发射天线增益为Gt（dB），发端馈线系统损耗为Lft（dB）；发端分路系统损耗为Lbt（dB）。接收功率为Pr；接收天线增益为Gr（dB），收端馈线系统损耗为Lfr（dB），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：Pr（dBm）=Pt（dBm）+（Gt+Gr）-（Lft+Lfr）-（Lbt+Lbr）-Ls7.1.4微波的传播特性影响微波传播损耗的因素①大气吸收衰减②雨雾衰减③地面反射的影响地面反射的影响7.1.4微波传输补偿技术均衡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。分集接收7.1.5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我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输中小容量（如8Mbit/s，34Mbit/s）的数字微波通信系统N×155Mbit/s的SDH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数字微波技术在固定宽带接入领域的应用7.2卫星通信卫星通信实际上是微波中继传输技术与空间技术的结合。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）。因此，卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。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）利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的微波通信。7.2卫星通信将微波中继站放在人造卫星上时，便形成了卫星通信系统。利用35786.6km高的人造同步地球卫星7.2.1卫星通信的特点通信覆盖面积大1颗卫星覆盖地球表面42%通信距离远卫星单跳最大通信距离达1800km传输容量大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。线路稳定可靠，质量高畅通率在99.8%以上。通信灵活不受地形、地貌等自然条件的影响。传输延迟大往返传播延迟约为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。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，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或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卫星通信线路。7.2.2卫星通信系统7.2.2卫星通信系统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7.2.2卫星通信系统卫星通信系统的分类同步卫星通信系统(GEO)卫星绕地球的运行周期与地球自转同步，而对地球应相对静止，又称为静止轨道卫星系统。

非同步卫星通信系统中轨道卫星系统(ICO或MEO)椭圆轨道卫星系统(HEO)低轨道卫星系统(LEO)7.2.2卫星通信系统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球的表面。

7.2.3同步通信卫星的设置和可通信区频分多址时分多址空分多址码分多址7.2.4卫星通信多址方式7.3微波与卫星通信业务及应用7.3.1微波通信业务及应用1.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为广泛，其业务包含：UHF、电视频段、卫星通信、雷达、专业集群通信、公众移动通信、PCS业务、点对点、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（MMDS）、本地多点分配业务（LMDS）。另外，射频识别技术（RFID）、工科医（ISM）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的范围。7.3.1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主要应用场合如下：（1）干线光纤传输的备份及补充如点对点的SDH微波、PDH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。（2）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。（3）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数字扩频系统。（4）无线微波接入系统可将微波技术用于的宽带业务接入（如LMDS等）。7.3.2卫星通信业务及应用1．卫星通信业务（1）卫星移动通信业务（2）卫星国际专线业务（3）卫星转发器出租、出售业务（4）国内甚小口径终端地球站（VSAT）通信业务7.3.2卫星通信业务及应用2．卫星通信的应用（1）VSAT卫星通信系统（2）卫星移动通信系统（3）直播卫星系统（4）全球导航卫星系统7.4实做项目及教学情