数字通信第九章

数字通信第九章第1页，课件共54页，创作于2023年2月9.1光纤通信9.1.1光纤通信的概念及特点一、概念：光纤通信是以光导纤维（简称光纤）作为传输介质，以光波作为信息载体进行的通信。二、特点：1．传输频带宽，通信容量大2．传输损耗小，中继距离长3．重量轻、体积小4．抗电磁干扰性能好5．泄露小，保密性能好6．节省有色金属和能源7．光纤不会锈蚀，使用寿命长

8．光纤接头不产生放电，没有电火花

第2页，课件共54页，创作于2023年2月9.1.2光纤与光纤的导光原理1．光纤(1)光纤的结构目前通信用的光纤大多采用石英玻璃（SiO2）制成的横截面很小的双层圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图9-1所示。图9-1光纤的结构图图图9-2光纤剖面结构图第3页，课件共54页，创作于2023年2月从图9-1中可以看出，光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯和包层的材料都是SiO2，纤芯掺杂微量的其他材料，作用是为了提高材料的光折射率。包层一般用纯SiO2，也有掺杂的，掺杂的作用是降低材料的光折射率。

由于石英玻璃质地脆，易断裂，为保护光纤不受损害，提高抗拉度，一般需要在裸光纤外面再经过两次涂敷。它的剖面结构如图9-2所示。从图中9-2可以看出：纤芯位于光纤中心，直径(2a)为5μm~75μm，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，直径(2b)为100μm~150μm，作用是将光波限制在纤芯中。为了使光波在纤芯中传送，包层材料的折射率n2应小于纤芯材料的折射率n1，即要满足n1＞n2。第4页，课件共54页，创作于2023年2月

(2)光纤的分类光纤按传输模式划分，可分为单模光纤和多模光纤。光纤按纤芯折射率分布划分，可分为阶跃型光纤、渐变型光纤和W型光纤。

所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。

阶跃型光纤指纤芯和包层的折射率均呈均匀分布，纤芯和包层相对折射率差⊿为1%~2%。渐变型光纤指纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降到包层折射率n2。W型光纤（双包层光纤）是指在纤芯与包层之间设一折射率低于包层的缓冲层，使纤芯到包层的折射率呈W型分布。第5页，课件共54页，创作于2023年2月(3)光纤通信的实用工作波长

目前光纤通信使用的波长是在近红外区，即波长为0.8μm~1.8μm，可分为短波长波段和长波长波段，短波长波段是指波长为0.85μm，长波长波段是指波长为1.31μm和1.55μm，这是目前光纤通信所采用的三个工作波长，也叫工作窗口。(4)光缆的结构光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。①缆芯：由单根或多根光纤组成，有紧、松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。②加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷，一般是用金属丝或非金属纤维制作。③护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可由铝带/聚乙烯综合粘接外护层，钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。第6页，课件共54页，创作于2023年2月2．光纤的导光原理分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：一种是波动理论法，另一种是射线法。在这里，我们仅用射线法分析光波在光纤中的传输。光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是一条直线，当光线射到两种介质的交界面时，将发生反射和折射。如图9-3所示。图9-3光的反射和折射第7页，课件共54页，创作于2023年2月由电磁场理论知道，折射定律的关系式为：n1sinθc=n2sinθ2产生全反射的条件是：n1＞n290°＞θ1＞θc式中，θc为对应图中光线②时的临界入射角，其数值：θc=arcsin，阶跃型光纤的折射率沿径向呈阶跃分布。n2是包层折射率，n1是纤芯折射率。假设阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。渐变型光纤的导光原理如图9-4所示。图9-4渐变型光纤的导光原理第8页，课件共54页，创作于2023年2月

为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯分成若干同轴的薄层，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有n11＞n12＞n13＞n14……。若光以一定入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射角大于入射角，光线将折射进第二层与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依次类推，由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。当在某一界面处（图中是在第三层和第四层的界面上），入射角大于临界时，光线将出现全反射，方向不再朝向包层而是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。因此，当纤芯分层无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦形的曲线。

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9.1.3光纤通信系统数字光纤通信系统一般是指以传送数字话音为主的光纤通信系统，它主要由PCM终端设备、数字复用设备、光端机、光纤和光中继设备组成，如图9-5。图9-5数字光纤通信系统其中，光端机是由光发射机、光纤和光接收机组成的基本光纤通信系统。在实际应用中，作为一个基本的光纤通信系统，还应包括光中继器、监控系统、脉冲复接和脉冲分离系统、告警系统以及电源系统等。如图9-6所示。第10页，课件共54页，创作于2023年2月

图9-6光纤通信系统组成方框图第11页，课件共54页，创作于2023年2月1．光端机由于光纤通信系统一般都是双向的，因此将光发射机和接收机做在一起并称为光端机。(1)发射机光发射机的作用是将电信号变成光信号然后送入光纤中传输出去。光发射机主要由光源、光源驱动与调制以及信道编码电路三部分组成。①光源。光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主要是半导体激光器LD和半导体发光二极管LED，它们都属于半导体器件，共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。LD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出的是激光，而后者发出的是荧光。LED的优点是输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适合于短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输系统。第12页，课件共54页，创作于2023年2月②光源驱动与调制电路。光源驱动与调制电路主要包含下面几个电路：光源驱动电路。它用经过编码以后的数字信号去调制发光器件的发光强度，完成电/光变换任务。APC（自动功率控制电路）。它的作用有三个，一是为了使光输出信号电平保持稳定；二是防止光源因电流过大损坏；三是防止因光输出功率过大，而使光源的输出散弹噪声增加，系统的性能变差。ATC（自动温度控制电路）。对激光二极管而言，结温高时光输出功率会下降，在APC的作用下控制电流就会自动增加，使结温进一步升高，造成恶性循环而导致激光二极管损坏。ATC电路用以进行光源的温度补偿。光监测。用光电监测二极管检测激光器发出的光功率，经放大器放大后控制激光器的偏置电流，使其输出的平均功率保持恒定。第13页，课件共54页，创作于2023年2月③信道编码电路。信道编码电路用于对基带信号的波形和码型进行变换，使其适合作为光源的控制信号。它主要完成以下功能：均衡。由PCM端机送来的HDB3或CMI（又称传号反转码）码流，经过均衡器均衡，用于补偿由电缆传输产生的衰减和畸变，以便正确译码。码型变换。将HDB3或CMI码变换为非归零码（即NRZ码）。扰码。扰码电路可以有规律地破坏长连“0”或长连“1”的码流，达到0、1等概率出现。时钟提取。由时钟提取电路提取时钟信号，供码型变换和扰码电路使用。编码。在实际的光纤通信系统中，都对经过扰码以后的信码流进行信道编码，经过编码以后，变为适合在光纤线路中传送的线路码型。第14页，课件共54页，创作于2023年2月(2)光接收机

光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微弱的光信号，从中检测出传送的信息，放大到足够大后，供终端处理使用。它包括光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分。①光电检测器。光电检测的作用是利用光电二级管将光发射机经过光纤传送过来的光信号转换为电信号。目前在光纤通信中广泛使用的光电检波管是半导体光电二极管，它具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快以及工作寿命长等优点。第15页，课件共54页，创作于2023年2月②光信号接收电路。光信号接收电路主要有以下三个作用：低噪声放大。由于从光电检测器出来的电信号非常微弱，在对其进行放大时首先必须考虑的是抑制放大器的内部噪声。给光电二级管提供稳定的反向偏压。自动增益控制。虽然光纤信道是恒参信道，但仍有可能因为整个系统中光电器件的性能变化、控制电路的不稳定以及器件的更换等原因，使光接收电路所接收到的信号电平发生波动，因此光接收机必须有自动增益控制的功能。③信道解码电路。信道解码电路是与发端的信道编码电路完全对应的电路，即包含解码电路、解扰电路和码型反变换电路。第16页，课件共54页，创作于2023年2月２．中继器在远距离光纤通信系统中，由于受发送功率、光接收机灵敏度、光纤的损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰落，波形出现失真。这样，就限制了光脉冲信号在光纤中长距离的传输。为了延长通信距离，需在光波信号传输一定距离以后，加一个光中继器，以放大信号，补偿光能的衰减，恢复波形。光中继器主要由光接收设备和光发送设备组成，其工作原理不再赘述。此外，为了使光中继器正常工作，便于监控、维护，必须有电源、公务、告警、监控等设备。有的光中继器还有区间通信接口，以提供一定的区间通信能力。第17页，课件共54页，创作于2023年2月３．监控系统对光纤通信进行监测和控制的主要内容有：(1)监测的内容①误码率是否满足指标要求；②各个中继器是否有故障；③接收光功率是否满足指标要求；④光源的寿命；⑤电源是否有故障；⑥环境温度、湿度是否在要求的范围内，包括火灾告警等。(2)控制的内容监视控制系统能自动地对通信线路的传输质量和各个组成设备的工作状态进行监测，。当市电中断后，监控系统还要发出启动备用发电机发电的指令；当中继站温度过高，则应发出启动风扇或空调的指令。同样，还可根据需要设置其它控制内容。第18页，课件共54页，创作于2023年2月9.2.1微波通信微波通信是在20世纪40年代至50年代开始使用的无线通信技术，经过多年的发展已经获得广泛的应用。卫星通信可看作微波通信的一个具体应用，所以把微波通信和卫星通信放在同一章节中。下面主要介绍微波通信的概念和特点，微波通信系统的基本组成，微波站的设备组成及微波的传输特性和抗衰落技术。9.2卫星通信第19页，课件共54页，创作于2023年2月

１．微波通信的概念和特点(1)微波的频段划分无线电波波段的划分如表9-1所示。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。不同频段分别命名为无线电波（3kHz~3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、χ射击线、γ射线和宇宙射线。由于微波这种电磁波频率非常高，故微波又称为超高频电磁波。所谓微波通信就是利用电磁波的微波波段进行的通信。实际工程中，常用拉丁字母代表微波小段的名称，例如S，C，X分别代表10厘米波段、5厘米波段和3厘米波段；Ka，U，F分别代表8毫米波段、6毫米波段和3毫米波段等等，详见表9-2。第20页，课件共54页，创作于2023年2月名称英文波长范围频率范围极低频（极长波）ELF100000km~10000km3Hz~30Hz超低频（超长波）SLF10000km~1000km30Hz~300Hz特低频（特长波）ULF1000km~100km300Hz~3000Hz甚低频（甚长波）VLF100km~10km3kHz~30kHz低频（长波）LF10km~1km30kHz~300kHz中频（中波）MF1000m~100m300kHz~3000kHz高频（短波）HF100m~10m3MHz~30MHz甚高频（米波）VHF10m~1m30MHz~300MHz微波特高频（分米波）UHF10dm~1dm300MHz~3000MHz超高频（厘米波）SHF10cm~1cm3GHz~30GHz极高频（毫米波）EHF10mm~1mm30GHz~300GHz至高频（亚毫米波）1mm~0.3mm300GHz~1000GHz表9-1无线电波波段的划分第21页，课件共54页，创作于2023年2月

波段频率范围（GHz）波段频率范围(GHz)UHF0.30～1.12Ka26.50～40.00L1.12～1.70Q33.00～50.00LS1.70～2.60U40.00～60.00S2.60～3.95M50.00～75.00C3.95～5.85E60.00～90.00XC5.85～8.20F90.00～140.00X8.20～12.40G140.00～220.00Ku12.40～18.00R220.00～325.00K18.00～26.50表9-2微波频段的划分第22页，课件共54页，创作于2023年2月(2)微波通信的特点①通信频段的频带宽，传输信息容量大。微波频段占用频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz。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。②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。此外，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。③欲增加通信距离，需采用接力通信技术。由于微波的视距传播特性和传输损耗随距离增加的特性，所以在地面上进行远距离通信时，必须采用接力的方式，将发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。第23页，课件共54页，创作于2023年2月④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，这些方面较有线通信具有更大的灵活性。⑤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，利用方向性强的微波天线使微波电磁波的传播方向对准下一接收站，可减少通信中的相互干扰。⑥投资少、建设快。与其他有线通信相比，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。第24页，课件共54页，创作于2023年2月

2．数字微波通信系统的组成微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。模拟微波通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波通信所取代，数字微波通信已成为一种重要的传输手段。对于地面上的微波通信，一般采用中继（接力）方式进行无线电通信。采用中继方式的直接原因有两个：一是因为微波波长短接近于光波，具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡。二是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号有衰减。因此为延长通信距离，有必要采用中继方式，即在通信两地之间设立若干中继站，不断对信号进行转发，进行电磁波传播。第25页，课件共54页，创作于2023年2月(1)数字微波通信系统的组成广义地说，数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。如图9-7所示。狭义地说，数字微波通信系统设备仅仅指微波站设备。图9-7数字微波通信系统设备组成示意图第26页，课件共54页，创作于2023年2月(2)微波通信系统的简单工作过程用图9-7来说明微波通信系统传输长途电话的简单工作过程。甲地发端用户的电话信号，首先由用户所属的市话局送到该端的微波站（或长途电信局）。时分多路复用设备将多个用户电话信号组成基带信号，基带数字信号在调制--解调设备中对70MHz的中频信号进行调制。调制器输出的70MHz中频已调波送到微波发信机，经发信混频得到微波射频已调波，这时已将发端用户的数字电话信号载到微波频率上。经发端的天线馈线系统，可将微波射频已调波发射出去。若甲、乙两地相距较远，需经若干个中继站对发端信号进行多次转发。信号到达收端后，经收端的天线馈线系统馈送到收信机，经过收信混频后，将微波射频已调波变成70MHz中频已调波，再送到调制--解调设备进行解调，即可解调出多个用户的数字电话信号（即基带信号）。再经收端的时分多路复用设备进行分路，将用户电话信号送到市话局，最后到收端的用户终端（电话机），送给乙地用户。第27页，课件共54页，创作于2023年2月3．微波站设备数字微波站的主要设备包括发信设备、收信设备、天线设备、电源设备、监测控制设备等。这里仅介绍数字微波收发信设备的组成和中继设备及中继站的转接方式。(1)发信设备微波发信设备组成如图9-8所示。图9-8发信设备组成方框图第28页，课件共54页，创作于2023年2月(2)收信设备微波收信设备组成如图9-9所示。图9-9收信设备组成方框图第29页，课件共54页，创作于2023年2月4．中继设备目前我国投入使用的中、小容量数字微波中继设备以三次群设备（34Mbit/s,480路）为主，一般用于国内长途通信支线电路、省内干线电路及专用通信网。通过二次复用实现电报、数据、广播及会议电视等非电话通信业务，并具有远程监控、无人值守的功能。大容量中继设备以四次群设备（140Mbit/s,1920路）为主，多为引进设备。在微波中继通信系统中，同一方向的每套收发信机必须使用不同的微波收发频率，以避免相互干扰。所谓射频波道的频率配置，就是如何分配各相邻微波站收发信机的微波收发频率。第30页，课件共54页，创作于2023年2月频率配置的基本原则是尽可能在给定的微波频段内多安排一些波道，以增加传输容量；尽可能减小波道之间的相互干扰，以保证系统总体指标和通信质量；尽可能有利于通信设备的标准化、系列化生产，以便于维修和降低成本。图9-10、图9-11是常采用的二频制方案和四频制方案。图9-10二频制频率配置第31页，课件共54页，创作于2023年2月采用二频制方案时，每个中间站的两个通信方向的收发频率均相同，但收发频率逐站更换一次。其优点是占用频带窄（频谱利用率高）；缺点是存在反向干扰和越站同频干扰问题。采用四频制方案时，没有反向干扰问题，但仍然存在越站同频干扰问题，且其占用频带比二频制方案宽一倍。图9-11四频制频率配置第32页，课件共54页，创作于2023年2月5．数字微波通信系统的应用由于微波具有频率高，频带宽，信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信，微波中继通信，移动通信和卫星通信。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。主要用于干线光纤传输系统在遇到自然灾害时的紧急修复，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。如移动通信的基站之间、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。第33页，课件共54页，创作于2023年2月9.2.2卫星通信卫星通信是当今主要通信方式之一。特别是国际通信卫星（Intelsat）、国际卫星移动通信等都是近年来的研究热点。本小节将简要介绍卫星通信的概念和特点，卫星通信系统的组成及各部分功能等。

1．卫星通信概况(1)卫星通信的基本概念卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。地球站是指设在地球表面的通信站，用于转发各地球站信号的人造地球卫星称为通信卫星。第34页，课件共54页，创作于2023年2月(2)卫星通信分类同步卫星通信系统又称为静止轨道卫星通信系统。因卫星绕地球的运行周期与地球自转同步（运行周期T为23时56分04秒，运行速度v=3.075km/s，轨道高度H=35786km），从地面上看卫星是静止不动的，故称为静止（或同步）卫星通信系统。移动卫星通信系统又分为中轨道（H=10000~20000km）和低轨道（H＜5000km）卫星系统两大类。中轨道卫星系统轨道高度为10371km。低轨道卫星系统轨道高度为765km。这种系统中，卫星离地面高度较低，在这样的距离内可以使用小天线、小功率、重量轻的移动手机，与地面蜂窝式移动电话系统的基本原理相似，可采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信。当然卫星通信系统还有其他的分类等等。第35页，课件共54页，创作于2023年2月(3)卫星通信的特点卫星通信与其他通信手段相比，具有以下优点：①通信距离远，通信覆盖面积大。②通信机动灵活，可进行多址通信。③通信频带宽，传输容量大。④传播稳定可靠，通信质量高。⑤成本与通信距离无关。

缺点，主要有以下几个方面：①卫星通信有较大的传输时延和回波干扰。②存在临时中继现象。③10GHz以上的频带受降雨的影响。④卫星通信技术复杂。第36页，课件共54页，创作于2023年2月

2．卫星通信系统的组成及工作原理

根据卫星通信系统的任务，一条卫星通信线路要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地面站组成，如图9-12所示。图9-12卫星通信线路组成框图第37页，课件共54页，创作于2023年2月在卫星通信系统中，各地面站发射的信号都是经过卫星转发给对方地面站的。一般来说，一颗通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统等五大部分组成，如图9-13所示。图9-13通信卫星各系统组成方框图第38页，课件共54页，创作于2023年2月(1)天线系统天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控用的高频（或甚高频）天线。微波天线采用定向性强的面天线（有的星上还采用点波束天线，因波束较窄而具有较高的增益，用来把辐射的电磁功率集中到地球上较小的区域内），以使波束对准地球上的通信区域。实际中卫星要采用自旋方式以保持姿态的稳定，故星上作通信用的微波天线要采用消旋天线，才能使波束始终对准地球。(2)通信系统（转发器）通信系统又称为通信中继机，它实质上是一组宽频带收、发信机，通常由多个（可达24个或更多）信道转发器互相连接而组成。其任务是把接收的信号放大，并利用变频器变换成下行频率后再发射出去。卫星转发器是通信卫星中最重要的组成部分，它起着卫星中继站的作用，其性能直接影响到卫星通信系统的工作质量。第39页，课件共54页，创作于2023年2月(3)遥测指令系统遥测指令系统包括遥测和遥控指令系统两个部分。遥测部分的作用是在地球站上测试卫星的各种设备的工作情况，包括表示有关部分电流、电压、温度等工作状态的信号；来自各传感器的信息；指令证实信号以及作控制用的气体压力等等。上述各种数据通过遥测系统送往地面监测中心。遥控指令系统包括对卫星进行姿态和位置控制的喷射推进装置的点火控制指令；行波管高压电源的开、关控制指令；发生故障的部件与备用部件的转换指令；以及其它由地面对卫星内部各种设备的控制指令等等。指令信号由地面的控制站发出，在卫星转发器内被分离出来，经检波、解码后送至控制设备，以控制各种执行机构实施指令。第40页，课件共54页，创作于2023年2月(4)控制系统控制系统包括位置控制和姿态控制两部分。位置控制系统用来消除“摄动”的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。姿态控制是使卫星对地球或其它基准物保持正确的姿态。卫星姿态是否正确，不仅影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区，还会影响太阳能电池帆板是否朝向太阳。(5)电源系统卫星上的电源要求体积小、重量轻和寿命长。常用的电源有太阳能电池和化学能电池。(6)卫星通信地面站地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。第41页，课件共54页，创作于2023年2月地面站种类繁多，典型的地面站由天线系统、发射系统、接收系统、终端系统、监控系统、电源系统等组成。如图9-14所示。图9-14地球站组成方框图图第42页，课件共54页，创作于2023年2月天线系统完成发送信号、接收信号的任务。在大型地面站中还要完成跟踪卫星的任务，以保证地球站天线始终对准卫星。发射系统的主要作用是将终端系统送来的基带信号进行调制，再经过上变频和功率入大后馈送给天线发往卫星。接收系统的主要作用是将天线系统收到的由卫星转发下来的微弱信号进行放大、下变频和解调，并将解调后的基带信号送至终端系统。终端系统有两个作用：一个是对经地面接口线路传来的各种用户信号分别用相应的终端设备对其进行转换、编排及其它基带处理，形成适合卫星信道传输的基带信号；第二个作用是将接收系统收到并解调的基带信号进行与上述相反的处理，然后经地面接口线路送到各有关用户。监控系统通过监控台监测各种设备是否发生故障、主要设备的工作参数是否正常等，便于及时处理，以及有效地对设备进行维护管理。电源系统对所有通信设备及辅助设备供电。第43页，课件共54页，创作于2023年2月长期以来,人们在生产和生活实践中发明了多种导航定位技术，但性能都不尽满意。随着空间技术、大地和大气测量技术、通信电子技术的发展，卫星导航定位技术应运而生。该项技术已在和正在军事、民用生产领域发挥着巨大的作用，它为人类带来了巨大的社会和经济效益。目前世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统，正在运行的有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统，正在建造的有中国的北斗定位系统，欧洲的伽利略全球卫星定位计划也在紧锣密鼓地进行当中。下面仅对GPS系统作一简介。9.3卫星定位技术第44页，课件共54页，创作于2023年2月

9.3.1GPS系统1．GPS概述从根本上来讲，GPS系统属于一种通信系统。GPS系统全称为导航卫星测时和测距全球定位系统(NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositionSystem)，是美国为满足陆海空三军和民用部门对导航越来越高的要求而提出的一个技术解决方案。它不受地形地貌、气象条件、航行距离的限制，可实现全球范围内的高精度定位。现在国际上已经公认将这一系统简称为全球定位系统GPS。2．GPS系统组成GPS系统由三大部分组成，即GPS卫星、地面控制系统和用户GPS接收机。(1)空间段(2)地面段(3)用户段第45页，课件共54页，创作于2023年2月3．工作原理GPS系统的定位过程可描述为：围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续波无线电信号，信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同的时间卫星在空间的准确位置（由卫星运动的星历参数和历书参数描述）。卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离。用导航算法解算得到用户的位置。其中，准确描述卫星位置、测量卫星与用户之间的距离和解算用户的位置是GPS定位导航的关键。GPS定位的基本几何原理为三球交会原理。如果用户到卫星S1、S2和S3的真实距离为R1、R2和R3，那么用户的真实位置必定同时在以S1为球心，R1为半径的球面C1，以ＳＳ2为球心，R2为半径的另一球面C2，以及以S3为球心，R3为半径的另一球面C3上，也即三球面的交点上。第46页，课件共54页，创作于2023年2月

9.3.2中国北斗导航系统(COMPASS)

北斗导航系统是用很少投资建成的区域性卫星导航定位系统。计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，2008年完成部署。系统建成后提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。北斗系统有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。北斗系统不仅解决了我国有无自主导航系统的问题，而且较GPS应用也有五大优势：一，它同时具备定位与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。二，覆盖范围大，没有通讯盲区。三，特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用。四，融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。五，自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。第47页，课件共54页，创作于2023年2月9.4.1概述“蓝牙”（Bluetooth）是一种短距离的无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备（如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等），通过无线方式将它们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。蓝牙技术使用全球通行的、无需申请即可使用的2.45GHzISM(工业Industry、科学Science、医学Medicine)频段。由于采用低功率时分复用方式工作（发射），其有效传输距离大约为10m，加上功率放大器时，传输距离可扩大到100m。9.4蓝牙技术第48页，课件共54页，创作于2023年2月

9.4.2蓝牙系统组成蓝牙系统一般由四个功能单元组成：无线射频单元、连接控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单元。1．无线射频单元蓝牙系统采用跳频技术，系统的最大跳频速率为1600跳/秒；在2.402GHz～2.480GHz的ISM频段之间，采用79个1GHz带宽的频点；在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721kb/s，最高数据速度可达1Mb/s；系统的设计通信距离为0.1～10m，如果增加发射功率，这一距离也可以达到100m。2．连接控制单元连接控制单元（即基带）描述了数字信号处理的硬件部分——链路控制器，它实现了基带协议和其他的底层连接规程。第49页，课件共54页，创作于2023年2月

3．链路管理链路管理器软件实现链路的建立、认证及链路配置等。链路管理器可发现其他的链路管理器，并通过连接管理协议建立通信联系，链路管理器利用链路控制器提供的服务实现上述功能。链路控制器的服务项目包括：接