微波与卫星通信

微波与卫星通信第一页，共八十七页，2022年，8月28日1第4章微波与卫星通信本章内容：无线通信基础微波通信概述卫星通信概述本章重点：无线电波各波段特点微波通信的特点及应用卫星通信的特点及应用本章学习目的及要求掌握无线通信个波段特点掌握微波和卫星通信特点知道无线通信的应用认识几种典型的无线通信系统2第二页，共八十七页，2022年，8月28日4.1无线通信概述4.2微波与卫星通信通信工程2012级计算机与通信工程学院通信工程系第4章微波与卫星通信第三页，共八十七页，2022年，8月28日一、无线通信简史1837年莫尔斯发明了电报。1864年英国人麦克斯韦提出了完整的电磁波理论，成为无线电通信的报春人。1876年美国人贝尔发明了电话1887年德国人赫兹第一次人工产生了电磁波。1896年，俄国人波波夫和意大利人马可尼，在电磁波理论和实践的台阶上，分别成功地进行了无线电通信的实验，在电气通信史上写了光辉的一页。4.1无线通信概述第四页，共八十七页，2022年，8月28日1901年，无线电信号跨越了大西洋。1906年，世界上第一次广播在美国的一个实验室里进行，广播的内容是节日前夕的庆祝节目，听“众”只有一艘船上的几名报务员。电子器件的发展，对无线电通信技术起着举足轻重的作用。电子器件经历了从电子管到半导体器件，再到集成电路的演变过程；具有功能组件化、遥控、自动调整特点的器件的出现，使无线电通信面貌大为改观。1963年，第一颗同步卫星进入轨道，无线电通信发生了上天入地的变化。4.1无线通信概述第五页，共八十七页，2022年，8月28日二、无线通信基础知识1.无线通信指利用无线电波作为载波进行的通信。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。（自由空间：指真空，通常把满足一定条件的空间也看做自由空间。）电磁波是在空间传播的交变的电磁场。4.1无线通信概述传播速度为常数C=3×10E8米/秒(30万公里/秒)第六页，共八十七页，2022年，8月28日2.电磁波的波长和频率4.1无线通信概述任何信号都具有一定的频率或波长。无线电波只是一种波长比较长的电磁波,占据的频率范围很广。在自由空间中,波长与频率存在以下关系:c=f*λ=无线电波传播速度（300000公里/秒）第七页，共八十七页，2022年，8月28日高频信号低频信号波长4.1无线通信概述对频率或波长进行分段,分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同,因而它们的分析方法和应用范围也不同。通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点300GHz（GigaHertz）。通常划分成八个区域，参看下表：第八页，共八十七页，2022年，8月28日无线电波波段划分波段波长频率传播方式主要用途长波30000m～3000m10kHz～100kHz地波超远程无线电通信和导航中波3000m～200m100kHz～1500kHz地波和天波调幅（AM）无线电广播、电报、通信中短波200m～50m1500kHz～6000kHz短波50m～10m6MHz～30MHz天波微波米波(VHF)10m～1m30MHz～300MHz近似直线传播调频（FM）无线电广播、电视、导航分米波(UHF)1m～0.1m300MHz～3000MHz直线传播电视、雷达、导航厘米波10cm～1cm3000MHz～30000MHz毫米波10mm～1mm30000MHz～300000MHz9第九页，共八十七页，2022年，8月28日4.1无线通信概述第十页，共八十七页，2022年，8月28日3.无线电波的传播4.1无线通信概述无线电波在均匀媒质中以恒定的速度沿直线传播，由于能量的扩散和媒质的吸收，离开波源越远强度越小在非均匀媒质中传播时，不但速度发生变化而且会产生反射折射绕射散射第十一页，共八十七页，2022年，8月28日电波传播的多样性衍射干涉衍射4.1无线通信概述第十二页，共八十七页，2022年，8月28日相位叠加11+224.1无线通信概述第十三页，共八十七页，2022年，8月28日4.无线电波的传播方式无线电波的传播方式是指无线电波从发射点到接收点的传播路径根据无线电波在传播过程所发生的现象,电波的传播方式主要有：直射（视距）传播（超短波、微波）绕射（地波）传播（超长波、长波、中波）反射（天波）传播（中波、短波）散射传播（超短波）决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。4.1无线通信概述第十四页，共八十七页，2022年，8月28日（a）直射传播;（b）地波传播;（c）天波传播;（d）散射传播4.1无线通信概述第十五页，共八十七页，2022年，8月28日电离层

距地面50～300公里处的空气分子由于受到阳光、字宙射线等作用发生电离而形成的，这些电离层特别是其中自由电子的密度，是影响无线电波传播的主要因素。

电离层的厚度和高度随昼夜及季节的不同而变化。电磁波长不同，电离层对它的反射和吸收也不同。一般而言，波长愈长愈容易产生反射，但电离层对其能量吸收也愈大，反之，波长愈短愈不容易产生反射，然而电离层对其能量吸收也愈小。4.1无线通信概述第十六页，共八十七页，2022年，8月28日（1）多径效应：

大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象接收信号时间强度0发射信号4.1无线通信概述5.媒体空间对无线电波传播的影响第十七页，共八十七页，2022年，8月28日（2）阴影效应高大建筑、山峰和丛林都会阻碍电波传播，所以接收信号强度随空间变化路径损耗大小比较:市区>郊区>农村（3）空间效应当无线电波在空气中传播时，大气会吸收一些无线电波的能量，接收信号的强度与传播距离和无线电波频率有关，距离越远，频率越高，衰耗越大，即为空间效应。4.1无线通信概述第十八页，共八十七页，2022年，8月28日多径合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，这就是所谓的快衰落或多径衰落。合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大，衰落的振幅、相位、角度随机。（5）快衰落和慢衰落快衰落4.1无线通信概述第十九页，共八十七页，2022年，8月28日移动台接收的信号除瞬时出现快衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这就是所谓的慢衰落或阴影衰落，慢衰落的场强中值服从对数正态分布。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。衰落深度与与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台移动的速度。4.1无线通信概述第二十页，共八十七页，2022年，8月28日距离(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落4.1无线通信概述第二十一页，共八十七页，2022年，8月28日发送信号接收信号干扰0dB发送信号-25dB接收信号衰落0

+发送信号接收信号时延023

+发送信号接收信号抖动4.1无线通信概述第二十二页，共八十七页，2022年，8月28日无线环境中的信号衰减分成三部分路径损耗：幅度衰减较大大尺度变化：伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分（慢衰落）小尺度衰落：衰减幅度较小的快变化成分（快衰落）快衰落包络分布的描述方法瑞利分布：非视距传播莱斯分布：视距传播4.1无线通信概述第二十三页，共八十七页，2022年，8月28日Rayleighfadingchannel4.1无线通信概述24第二十四页，共八十七页，2022年，8月28日三、无线通信系统1.无线通信系统框图4.1无线通信概述第二十五页，共八十七页，2022年，8月28日(1)由高频振荡器产生高频振荡电流(2)把要传递的声音和图像信号变成电流信号(电信号)(3)将振荡器产生的高频振荡电流和声音、图像的信号电流一同输入到调制器中，再把调制的高频振荡电流送到发射天线，发射的电磁波就带有要传递的声音图像信号了.即所谓的将要传递的信号“加”到电磁波上.把带有信号的电磁波发射出去.

无线电波的发射第二十六页，共八十七页，2022年，8月28日(1)用天线接收电磁波.(2)用调谐器即收音机或电视机中选台的电路选出所需要的电信号(3)让高频振荡电流经过检波器，就能将要传递的声音信号和图像信号从高频振荡电流中“检”出.把声音信号和图象信号分别送到扬声器和电视机，就能听到声音和看到图像.无线电波的接收第二十七页，共八十七页，2022年，8月28日2、无线通信系统的类型按照无线通信系统中关键部分的不同特性分类:按照工作频段或传输手段分类,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率,主要指发射与接收的射频（RF）频率。射频实际上就是“高频”的广义词,它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。按照通信方式来分类,主要有（全）双工、半双工和单工方式。按照调制方式的不同来划分,有调幅、调频、调相以及混合调制等。4.1无线通信概述第二十八页，共八十七页，2022年，8月28日四、无线通信系统的研究内容信道编码/解码的研究（纠错编码）BCH码，卷积码，turbo码，LDPC码调制/解调技术的研究BPSK，QAM，OFDM…天线与传输技术的研究天线发射/接收，方向性天线，智能天线，多天线技术无线通信系统的硬件实现给出解决方案，进行硬件实现4.1无线通信概述第二十九页，共八十七页，2022年，8月28日五、系统性能评估通常的方法是使用在一定噪声条件下误码率（BitErrorRate,BER）。4.1无线通信概述六、无线通信面临的挑战随时随地连接网络多种业务多种设备的集合语音，数字，音频，视频电话，电视，照相机，计算机产品的小型化、低功耗、低成本第三十页，共八十七页，2022年，8月28日现有常用的无线通信系统移动蜂窝网系统第二代（GSM,IS-95)第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA）3G4G局域网系统无线局域网（WLAN）无线广域网（WMAX）广播电视系统卫星通信系统近距无线通信网络无线个域网（WPAN）无线传感器网络（WSN）无线宽带（WiFi，WirelessFidelity）无线射频识别（RFID）第三十一页，共八十七页，2022年，8月28日年10月15日星期二324.1无线通信概述4.2微波与卫星通信第4章微波与卫星通信第三十二页，共八十七页，2022年，8月28日4.2.1微波通信一、微波通信概述二、数字微波通信系统三、数字微波通信的特点

第三十三页，共八十七页，2022年，8月28日微波：是一种具有极高频率（通常为300MHz--300GHz)，波长很短，通常为1m--1mm的电磁波。一、微波通信概述微波通信：利用微波做载波进行的通信，叫微波通信。它往往是长途、大容量通信的无线传输工具。目前使用的范围只有1GHz--40GHz。各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。34第三十四页，共八十七页，2022年，8月28日传播方式：在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播。优点：传播较稳定，受外界干扰小（与短波比）缺点：受到地形，地物及气候状况的影响而引起反射，折射，散射和吸收现象，产生传播衰落和传播失真。一、微波通信概述第三十五页，共八十七页，2022年，8月28日二、数字微波通信系统数字微波通信是指利用微波携带数字信息，通过电波空间，同时传送若干相互无关信息，并进行再生中继的通信方式。数字信号用微波信道进行传输的通信方式，兼有数字通信和微波通信的特点。地面微波接力通信系统工作在46GHz，它通过地面多座中继站在两地之间建立通信链路，相邻中继站的距离为视距（约50Km）。36第三十六页，共八十七页，2022年，8月28日中继传输方式二、数字微波通信系统37第三十七页，共八十七页，2022年，8月28日地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km；频率：2G--40GHz依赖于天气和频率应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连地面站之间的直视线路微波传送塔地球二、数字微波通信系统38第三十八页，共八十七页，2022年，8月28日数字微波系统组成市内电话局用户终端市内电话局用户终端微波中继站微波收发信设备调制解调设备时分复用设备调制解调设备时分复用设备甲地乙地微波收发信设备二、数字微波通信系统39第三十九页，共八十七页，2022年，8月28日三、数字微波通信的特点

1.频带宽干扰小2.中继传输组网灵活3.抗干扰性强4.保密性好5.便于组成数字通信网

40第四十页，共八十七页，2022年，8月28日4.2.2卫星通信利用人造地球卫星作为中继站在多个地球站之间进行转发无线电信号的微波通信。第四十一页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信的基本原理什么是卫星通信?卫星通信，简单地说，就是地球上（包括地面、水面和低层大气中）无线电通信站之间利用人造卫星作中继站而进行的通信，它覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信频带宽、容量大、机动灵活，因而在国际和国内通信领域中，成为不可缺少的通信手段。第四十二页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信示意图第四十三页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信系统的分类第四十四页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信发展概况卫星通信的发展过程，大致经历了两个阶段：1.卫星通信的实验阶段(1954～1964):2.卫星通信的实用与提高阶段(1965--).利用卫星进行通信的科学设想，是在1945年由英国的克拉克首先提出的，在《无线电杂志》上发表了《地球外的中继站》一文。但直至1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，人们才真正看到实现卫星通信的希望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信卫星,试验了横跨大西洋的电话传输。于是，经过二十多年的探索和试验，卫星通信终于跨入了实用阶段，渐渐走近我们的生活。第四十五页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信的基本原理静止卫星：如果卫星的轨道是圆形且在赤道轨道上，卫星离地面约35860km时，其飞行的方向与地球自转的方向相同，则从地面上任何一点看去，卫星都是“静止”不动的，这种对地静止的同步卫星简称为静止卫星。利用静止卫星作为中继站的通信系统，称为静止卫星通信系统。地球卫星的轨道第四十六页，共八十七页，2022年，8月28日同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球第四十七页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信的特点

1、通信范围大，三颗同步卫星即可覆盖全球（除两极外）。只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信。

2、不易受陆地灾害的影响，可靠性高。

3、只要设置地球站，电路即可开通，开通电路迅速。

4、同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）。

5、电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量。

6、同一信道可用于不同方向或不同区间，多址联接。第四十八页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信系统的一些特殊问题：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，所以，在通过卫星打电话时，通信双方会感到很不习惯。

第四十九页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信频段和频率再用适用于宇宙通信的频段为1GHZ--10GHZ，这频段一般称为无线电窗口。根据无线电规则分配的频率，目前大多数卫星固定业务使用6/4GHZ频段（C频段）。同时，因采用了相应的降雨补偿措施，14/12GHZ频段(Ku频段)也开始使用。目前，一些国家和国际组织也在加紧Ka频段（30/20GHZ）的开发与利用。第五十页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信频段第五十一页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信频段C频段：上行频率：5925-6425MHZ下行频率：3700-4200MHZ，

带宽：500MKu频段：上行频率：14.0-14.5GHZ下行频率：10.95-11.20GHZ11.45-11.70GHZ带宽：500M第五十二页，共八十七页，2022年，8月28日影响静止卫星通信的因素摄动：在地球卫星轨道上运行的卫星除了受到地球的引力，还受到其他一些次要因素的影响，使卫星实际的运行轨道逐渐偏离确定的理想运行轨道，这就是所谓的摄动。其他原因：如地球引力的不均匀，地球大气层的阻力和太阳辐射压力等。第五十三页，共八十七页，2022年，8月28日影响静止卫星通信的因素星蚀：在每年的春分和秋分前后各23天中，静止卫星和地心的连线在地球表面的交点(称为星下点)进入当地的午夜时间前后，太阳、地球和卫星处在一条直线上，此时卫星进入地球的阴影区，即地球挡住了照射到太阳上的阳光，发生了卫星的日蚀，这就是星蚀。静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理日凌中断：地球站天线在对准卫星的同时也会对准太阳，这时强大的太阳噪声使通信无法进行，这种现象通常称为日凌中断。第五十四页，共八十七页，2022年，8月28日影响静止卫星通信的因素

圆形倾斜轨道同步卫星视在位置的日漂移第五十五页，共八十七页，2022年，8月28日影响静止卫星通信的因素轨道平面的倾斜效应和位置控制当静止卫星因某种原因发生相对于赤道平面向上或向下一个固定的偏离值时，必然形成卫星轨道的倾角不为0，于是卫星的视在位置或星下点就不再固定，这就是所谓的倾斜效应。由于倾斜效应的存在，同步卫星的视在位置和星下点的每日漂移轨迹就成为一个两圈高、宽不等的“8”字形。第五十六页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信的传输时延和回波干扰时延：指信号在传输过程中所产生的时间延迟。单跳：任意两个在同一卫星覆盖区域内的地球站经静止卫星一次转接的通信为单跳。传输时间为0.54s卫星通信的缺点之一是：传输时延大。传输时延大会产生2个问题：1、传输电话信号时，会使双方通话重叠而使通话者觉得很不习惯；2、会出现回波干扰。回波的抑制和抵消：回波抑制器回波抵消器第五十七页，共八十七页，2022年，8月28日通信卫星系统的组成第五十八页，共八十七页，2022年，8月28日通信卫星系统的组成通信卫星：在卫星通信系统中，所有地面站发出的信号都是经过卫星中继转发到地面接收站的。卫星上必须配备转发无线电信号的通信系统与天线系统。为了保证通信卫星的正常工作，还必须配备控制系统、遥测系统和电源系统。59第五十九页，共八十七页，2022年，8月28日通信卫星组成

控制系统：根据地面指令信号来控制卫星姿态和位置等。通信卫星的控制系统包括卫星的位置控制系统和卫星的姿态控制系统。

通信卫星天线：包括通信天线和遥测指令天线两种。它们的特点是：体积小、重量轻、馈电容易，有便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等。60第六十页，共八十七页，2022年，8月28日遥测指令系统

为了保持卫星的正常运转和通信，需要及时了解卫星内部的各种情况和设备的工作是否正常。在必要时，应该通过遥测信号（即指令信号）去控制卫星上某些设备的动作；另外，当一些部件发生故障时，还需自动将备份件转换上去等。所有这些工作都是通过卫星上的遥测系统来完成。61第六十一页，共八十七页，2022年，8月28日卫星转发器（通信系统）

在通信卫星的各组成系统中，真正起到卫星通信中继站作用的是通信系统，也叫转发器。前放变频器中放限幅器变频器高放倍频器倍频器本振

双变频转发器62第六十二页，共八十七页，2022年，8月28日电源系统

通信卫星的电源一般同时采用太阳能电池和化学电池。

通常太阳能电池作为常用电源使用，当卫星进入地球阴影区(或者说卫星日蚀)时，使用化学电池供电。63第六十三页，共八十七页，2022年，8月28日卫星地面站

64第六十四页，共八十七页，2022年，8月28日地面站的组成

发射系统接收系统控制系统终端系统电源系统馈电设备跟踪设备天线系统市内电话

65第六十五页，共八十七页，2022年，8月28日地面站发射系统的组成

调制器中频放大器上变频器自动功率控制发射波合成行波管放大激励器大功率放大器传输波导基带信号66第六十六页，共八十七页，2022年，8月28日地面站接收系统的组成

馈电设备低噪声放大器传输放大器晶体管放大器接收波分离下变频器中频放大器基带转换装置解调器椭圆波导67第六十七页，共八十七页，2022年，8月28日馈线

68第六十八页，共八十七页，2022年，8月28日地面站电源系统

一般情况下使用交流市电供电偶然断电时使用蓄电池供电长期或定期断电时使用柴油发电机69第六十九页，共八十七页，2022年，8月28日电源机柜与蓄电池70第七十页，共八十七页，2022年，8月28日卫星通信的新技术

VSAT系统低轨道卫星系统71第七十一页，共八十七页，2022年，8月28日VSAT系统

PCPC计算中心PCPC市话局用户小站

用户小站

卫星

中心站

72第七十二页，共八十七页，2022年，8月28日VSAT系统的发展

目前，VSAT系统主要正在以下几个方面进行改进：

·降低成本和安装费用

·扩大业务范围

·完成多种连接

·开发新的网络系统73第七十三页，共八十七页，2022年，8月28日LEO系统

低轨道卫星通信系统，简称LEO，由距地面高度500～1500Km左右的众多卫星组成，运行在多个轨道上，与地球自转不能保持同步，所以也叫非同步卫星通信系统。

衰耗小时延短通信质量好容量大发射成本低移动终端小型化74第七十四页，共八十七页，2022年，8月28日LEO系统的原理

LEO系统与地面蜂窝移动通信系统的基本原理相似，都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信。不同的是LEO系统相当于把基站安装在天空上，一个卫星就相当于一个基站。由于天线和中继器等都安装在卫星上，所以随着卫星的移动，基站、天线等都是不停地移动着的。75第七十五页，共八十七页，2022年，8月28日典型商用卫星通信系统

铱系统全球星系统海事卫星通信系统76第七十六页，共八十七页，2022年，8月28日铱系统

由美国摩托罗拉公司在1988年提出的覆盖全球的LEO系统，1998年投入使用。原计划采用77颗卫星，与铱原子的电子数相等，故名。

后来铱系统实际采用66颗卫星，环绕6条均匀分布的近极圆轨道运行。相邻轨道平面上的卫星按相反方向运行。轨道高度约为780km，每个轨道平面分布11颗卫星及1颗备用卫星。77第七十七页，共八十七页，2022年，8月28日全球星系统

美国劳拉公司和高通公司发起。有48颗卫星，另加8颗备用卫星，分布在8个倾角为520的圆轨道上。轨道高度为1414Km,每个轨道分布6颗卫星和1颗备用卫星。系统覆盖南北纬700以内地区，在其中每个区有2～4颗卫星加以覆盖。78第七十八页，共八十七页，2022年，8月28日全球星系统组成

79第七十九页，共八十七页，2022年，8月28日海事卫星通信系统

1979年国际海事卫星组织(INMARSAT)宣告正式成立，当时共有28个成员国。INMARSAT卫星系统属GEO模式，由分布在大西洋、印度