现代通信技术概论 第4版 课件 第5、6章 数字微波通信系统、卫星通信系统

现代通信技术概论2第5章数字微波通信系统5.1概述5.2微波的视距传播特性5.3数字微波通信系统35.1概述5.1.1基本概念5.1.2微波通信发展历程5.1.3微波通信的特点5.1.4微波通信系统的分类5.1.5微波通信的应用45.1.1基本概念微波是指波长在1nm~1m或频率为300MHz-300GHz的电磁波。微波通信指的是以微波频率作为载波，通过中继接力方式实现的一种通信方式。55.1.2微波通信的发展历程19世纪30年代中期出现了工作在VHF频段的第一个商用模拟无线通信系统。二战期间出现了UHF频段的军用无线中继通信系统。1951年，美国纽约到旧金山之间成功开通了商用的微波通信线路。在随后的二三十年间，模拟微波通信系统迅速发展。我国从“七五”期间开始引入微波通信系统。

20世纪70年代末出现了采用简单QPSK、8PSK等的商用数字微波通信系统。20世纪80年代，随着数字信号处理技术和大规模集成电路的发展，微波通信系统得到迅速发展。20世纪90年代后出现了容量更大的数字微波通信系统65.1.3微波通信的特点频带宽，传输容量大适于传送宽频带信号天线增益高，方向性强外界干扰小，通信线路稳定可靠投资少，建设快，通信灵活性大中继通信方式75.1.4微波通信系统的分类模拟微波通信系统数字微波通信系统85.1.5微波通信的应用作为干线光纤传输的备份和补充边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务市内的短距离支线连接无线宽带业务接入95.2微波的视距传播特性5.2.1天线高度与传播距离5.2.2自由空间传播损耗5.2.3地面效应和大气效应105.2.1天线高度与传播距离115.2.2自由空间传播损耗在半径为d的球面上的功率（电通量）密度为

辐射源发出的总辐射功率传播（或扩散）因子：125.2.2自由空间传播损耗实际微波通信中采用的天线均有方向性，对于发射天线而言，天线增益Gt表示天线在最大辐射方向上单位立体角的发射功率与无方向天线单位立体角的发射功率的比值。此时，与发射源相距d的单位面积所接收的功率为135.2.2自由空间传播损耗对于接收天线而言，天线增益Gr表示天线接收特定方向电波功率的能力。根据天线理论，天线的有效面积为若接收机与发射机的距离为d，接收天线的有效面积为A，发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，则接收到的信号载波功率为145.2.2自由空间传播损耗若不考虑发射天线增益Gt和接收天线增益Gr，电波的自由空间损耗定义为发射功率与接收功率之比，即通常用分贝表示自由空间传播损耗，即155.2.2自由空间传播损耗若考虑发射天线增益Gt和接收天线增益Gr，则将这种有方向性的传播损耗称为系统损耗，通常用L表示，其分贝形式为165.2.3地面效应和大气效应地面效应传播路径上障碍物的阻挡或部分阻挡引起的损耗电波在平滑地面（如水面、沙漠、草原等）的反射引起的多径传播，进而产生接收信号的干涉衰落。

地面反射电波在比较平滑的地表面上传播时会产生强烈的镜面反射，形成多径传播。大气效应大气对微波传输所产生的影响主要有大气损耗、雨雪天气引起的损耗以及大气折射引起的损耗。

175.3数字微波通信系统5.3.1中继通信线路与设备组成5.3.2微波波道及其频率配置5.3.3发信设备5.3.4收信设备5.3.5天馈线系统185.3.1中继通信线路与设备组成数字微波通信线路195.3.1中继通信线路与设备组成数字微波通信系统组成用户终端；交换机；数字终端机；微波站205.3.1中继通信线路与设备组成用户终端直接为用户所使用的终端设备。如电话机、传真机、计算机、调度电话机等。

交换机用户可通过交换机进行呼叫连接，建立暂时的通信信道或电路。这种交换可以是模拟交换，也可以是数字交换。目前，大容量干线绝大部分采用数字程控交换机。

数字终端机实际上是一个数字电话终端复用/分接设备，其基本功能是把来自交换机的多路信号进行复接，复接信号送往数字微波传输信道。同时把来自微波终端站的复接信号进行分接，分接信号送往交换机。215.3.1中继通信线路与设备组成微波站数字微波终端站数字微波中继站数字微波分路站数字微波枢纽站

22小视频7：微波通信系统原理展示实物微波通信原理动画展示235.3.1中继通信线路与设备组成数字微波终端站数字微波终端站指的是位于线路两端或分支线路终点的微波站。在SDH微波终端站设备中包括发信端和收信端两大部分。SDH微波终端站的发信端主要负责完成主信号的发信基带处理（包括CMI/NRZ变换、SDH开销的插入与提取、微波帧开销的插入和旁路业务的提取等）、调制（包括纠错编码、扰码和差分编码等）、发信混频和发信功率方法等。SDH微波终端站的收信端主要负责完成主信号的低噪声接收（根据需要可含分集接收和分集合成）、解调（含中频频域均衡、基带或中频时域均衡、收信差分译码、解扰码和纠错译码等）以及收信基带处理（含旁路业务的提取、微波帧开销的插入与提取、SDH开销的插入与提取，以及NRZ/CMI变换等）。245.3.1中继通信线路与设备组成数字微波中继站数字微波中继站指的是位于线路中间的微波站。根据对信号的处理方式不同，又可将中继站分为中间站和再生中继站，再生中继站又包括上下话路和不上下话路两种结构。数字微波中继站的中继方式基带中继（再生转接）外差中继（中频转接）直接中继（射频转接）

255.3.1中继通信线路与设备组成基带中继（再生转接）方式265.3.1中继通信线路与设备组成外差中继（中频转接）方式275.3.1中继通信线路与设备组成直接中继（射频转接）

方式285.3.1中继通信线路与设备组成数字微波分路站数字微波分路站指的是位于线路中间的微波站，既可以上、下某收、发信波道的部分支路，也可以沟通干线上两个方向之间的通信。由于在此站上能够完成部分波道信号的再生，因此该站应配备有SDH微波传输设备和SDH分插复用设备（ADM）。295.3.1中继通信线路与设备组成数字微波枢纽站数字微波枢纽站指的是位于干线上的、需要完成多个方向通信任务的微波站。在系统多波道工作的情况下，此类站应能完成对某些波道STM-4信号或部分支路的转接和话路的上、下功能，同时也能完成对某些波道STM-4信号的复接和分接操作，如果需要，还能对某些波道的信号进行再生处理后的再继续传播。305.3.2微波波道及其频率配置微波通信频率配置的基本原则是使整个微波传输系统中的相互干扰最小，频率利用率最高。频率配置时应考虑的因素整个频率的安排要紧凑，使得每个频段尽可能获得充分利用。在同一中继站中，一个单向传输信号的接收和发射必须使用不同的频率，以避免自调干扰。在多路微波信号传输频率之间必须留有足够的频率间隔以避免不同信道间的相互干扰。因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天线，因此选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到既能使天线建设费用低又能满足技术指标的目的。避免某一传输信道采用超外差式接收机的镜像频率传输信号。315.3.2微波波道及其频率配置单波道的频率配置二频制频率分配

四频制频率分配

325.3.2微波波道及其频率配置二频制频率分配

335.3.2微波波道及其频率配置四频制频率分配

345.3.2微波波道及其频率配置越站干扰

355.3.2微波波道及其频率配置多波道的频率配置收发频率相间排列收发频率集中排列365.3.2微波波道及其频率配置收发频率相间排列:375.3.2微波波道及其频率配置收发频率集中排列:385.3.2微波波道及其频率配置频率再用频率再用是一种提高频道利用率的常用技术。由微波的极化特性可知，利用两个相互正交信号的极化方式（如水平极化和垂直极化）可以减少它们之间的干扰，由此可以对微波波道实行频率再用。在微波通信系统中，频率再用就是在相同和相近的波道频率位置，借助不同的极化方式来增加射频波道数量。频率再用方案同波道型频率再用插入波道型频率再用395.3.2微波波道及其频率配置同波道型频率再用405.3.2微波波道及其频率配置插入波道型频率再用415.3.3发信设备直接调制式发信机变频式发信机

425.3.3发信设备发信机的主要性能指标工作频段输出功率频率稳定度435.3.4收信设备收信设备的组成:445.3.4收信设备收信机的主要性能指标工作频段收信本振的频率稳定度噪声系数通频带选择性收信机的最大增益自动增益控制范围455.3.5天馈线系统天馈线系统由馈线、双工器和天线组成。微波通信中的馈线有同轴电缆和波导管两种形式。一般在分米波段可以采用同轴电缆，而在厘米波段采用波导管可以降低馈线损耗。对天馈线系统的总体要求是：足够的天线增益、良好的方向性、低传输损耗馈线系统、极小的电压驻波比。整个天馈线系统应该具有较高的极化去耦度和足够的机械强度。46本章小结及知识点微波通信的概念和特点微波通信系统的分类及应用微波的视距传播特性数字微波通信系统的组成数字微波中继站的中继方式微波波道及其频率配置数字微波收发信设备47本章习题解题指导概念部分主要给出对应的知识点，教学中可以指导学生在相关章节中自己归纳。现代通信技术概论49第6章卫星通信系统6.1概述6.2卫星运行轨道6.3卫星通信的多址方式6.4VSAT系统6.5卫星导航定位系统506.1概述6.1.1卫星通信发展简史6.1.2卫星通信的特点6.1.3卫星通信的工作频段6.1.4卫星通信系统的组成6.1.5卫星通信系统的分类516.1概述卫星通信是指设置在地球上（包括地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的一种通信方式，它是宇宙无线通信的主要形式之一，也是微波通信发展的一种特殊形式。526.1.1卫星通信发展简史卫星通信的起源536.1.1卫星通信发展简史1957年10月，前苏联成功发射了世界上第一颗低轨人造地球卫星Sputnik。1958年，美国宇航局发射了“SCORE”卫星，并通过该卫星广播了美国总统圣诞节祝词。1962年，美国电话电报公司发射了“电星”，它可进行电话、电视、传真和数据的传输。1964年8月，美国发射了首颗静止轨道的通信卫星“辛康姆3号”（SYNCOM-3），并利用它成功地进行了电话、电视和传真的传输试验。

1965年4月，INTELSAT把原名为“晨鸟”的第1代“国际电信卫星”射入地球静止轨道。1970年4月24日，我国在酒泉卫星发射中心成功地发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”。

546.1.2卫星通信的特点通信时延较长通信链路易受外部条件影响存在星蚀和日凌中断现象

556.1.3卫星通信的工作频段选择工作频段时考虑的因素工作频段的电磁波应能轻易穿透电离层；电波传播损耗应尽可能地小；天线系统引入的外部噪声要小；有较宽可用频带，与地面现有的通信系统的兼容性要好，且相互间的干扰要小；星上设备重量要轻，消耗的功率要小；尽可能地利用现有的通信技术和设备；与其他通信、雷达等电子系统或电子设备之间的相互干扰要小。566.1.3卫星通信的工作频段卫星通信的频段范围卫星通信的频率范围一般选在微波频段（300MHz~300GHz）。微波频段的特点是：有较宽的频谱，可以获得较大的通信容量；天线增益高、尺寸小；现有的微波通信设备稍加改造就可以利用。此外，考虑到卫星处于电离层之外的外层空间，而微波频率恰恰能够较容易地穿透电离层。576.1.3卫星通信的工作频段微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）微波频段频率范围（GHz）L1~2K18~26E60~90S2~4Ka26~40W75~110C4~8Q33~50D110~170X8~12U40~60G140~220Ku12~18V50~75Y220~325586.1.4卫星通信系统的组成596.1.4卫星通信系统的组成空间段60通信卫星的组成616.1.4卫星通信系统的组成通信分系统卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是一个提供卫星发射天线和接收天线之间链路连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并重发信号的能力。转发器按照变频方式和传输信号形式的不同可分为单变频转发器、双变频转发器和星上处理转发器。

626.1.4卫星通信系统的组成单变频转发器636.1.4卫星通信系统的组成双变频转发器646.1.4卫星通信系统的组成星上处理转发器656.1.4卫星通信系统的组成天线分系统天线分系统承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。卫星天线分为遥测指令天线和通信天线两类。

666.1.4卫星通信系统的组成跟踪、遥测和指令（TT&C）分系统

跟踪设备用来为地球站跟踪卫星发送信标。遥测部分用来对所有的卫星分系统进行监测，获得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经放大、多路复用、编码、调制等处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的TT&C站。指令部分专门用来接收和译出TT&C站发给卫星的指令，控制卫星的运行。676.1.4卫星通信系统的组成控制分系统

控制分系统（CS）由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，在TT&C站的指令控制下完成对卫星轨道位置、姿态、工作状态等的调整与控制。CS需要完成两种控制，即姿态控制和位置控制。姿态控制主要是保证天线波束始终对准地球，同时确保太阳能电池帆板始终对准太阳。位置控制用来消除天体引力产生的摄动影响，使卫星与地球的相对位置保持固定。

686.1.4卫星通信系统的组成电源分系统

通信卫星的电源除要求体积小、重量轻、效率高之外，最主要的还应在其寿命期内保持输出足够的电能。在宇宙空间，阳光是最重要的能源，在有光照时，主要使用太阳能电池产生功率；当卫星处于发射状态或处于地球阴影区时，使用蓄电池来保证电源功率。

696.1.4卫星通信系统的组成地面段706.1.5卫星通信系统的分类按照卫星的运动状态（制式），可分为静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统，非静止卫星通信系统又可进一步分为随机运动卫星通信系统和相位运动卫星通信系统。按照卫星的通信覆盖区范围，可分为全球卫星通信系统、国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。716.1.5卫星通信系统的分类按照卫星的结构，可分为无源卫星通信系统（被动卫星通信系统）和有源卫星通信系统（主动卫星通信系统）。按照多址方式，可分为频分多址卫星通信系统、时分多址卫星通信系统、码分多址卫星通信系统、空分多址卫星通信系统、混合多址卫星通信系统等。按照所传输信号的体制，可分为模拟卫星通信系统和数字卫星通信系统。726.1.5卫星通信系统的分类按照用户性质，可分为商用卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。按照通信业务种类，可分为固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播电视卫星通信系统、科学实验卫星通信系统以及教学、气象、导航、军事等卫星通信系统等。按照工作频段，可分为特高频卫星通信系统、超高频卫星通信系统、极高频卫星通信系统和激光卫星通信系统。736.2卫星运行轨道6.2.1卫星运动的基本规律6.2.2卫星轨道分类6.2.3卫星轨道的摄动746.2.1卫星运动的基本规律开普勒第一定律——轨道定律卫星运动的轨道一般是一个椭圆，一个椭圆有两个焦点，双体系统的质量中心称为质心，它始终处在其中一个焦点上。质心与地球中心是重合的，即地球的中心始终位于该椭圆的一个焦点上。756.2.1卫星运动的基本规律开普勒第二定律——面积定律在单位时间内，卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，扫过的面积相等。766.2.1卫星运动的基本规律开普勒第三定律——轨道周期定律卫星围绕地球运动一圈的周期为，其平方与轨道椭圆半长轴的立方之比为一常数，而该常量等于地球引力常数的倒数。776.2.2卫星轨道分类按轨道高度分类低轨道（LEO：LowEarthOrbit）：距离地球表面大约为700~1500km；中轨道（MEO：MediumEarthOrbit）：距离地球表面10000km左右；高椭圆轨道（HEO：HighlyEllipticOrbit）:距离地球表面的最近点为1000~21,000km，最远点为39,500~50,600km；同步轨道（GEO：GeostationaryEarthOrbit）：距离地球表面35,786km。786.2.2卫星轨道分类按轨道形状分类圆形轨道（e=0）椭圆形轨道（1>e>0）按轨道平面倾角分类

赤道轨道：i=0°，轨道面与赤道面重合。倾斜轨道：0°<

i<90°，轨道面与赤道面成一个夹角，倾斜于赤道面。极轨道：i=90°，轨道面穿过地球的南北两极，与赤道面呈垂直状。

796.2.3卫星轨道的摄动引起卫星轨道摄动的主要力学因素地球引力场的不均匀性地球大气层阻力太阳、月亮引力的作用太阳光压806.3卫星通信的多址方式6.3.1频分多址6.3.2时分多址6.3.3码分多址6.3.4空分多址816.3.1频分多址826.3.2时分多址836.3.3码分多址846.3.4空分多址85上述四种多址方式的比较参见表6-2。866.4VSAT系统6.4.1VSAT网的组成6.4.2VSAT的工作过程87小视频8：VSAT系统VSAT网设备及工作过程886.4.1VSAT网的组成896.4.1VSAT网的组成主站（中心站）主站又称中心站（中央站）或枢纽站，是VSAT网的重要组成部分。主站使用大型天线，其天线直径一般约为3.5~8m（Ku波段）或7~13m（C波段），并配有高功率放大器、低噪声放大器、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。主站内设有一个网络控制中心，对全网运行状况进行监控和管理。主站的设备皆设有备份。906.4.1VSAT网的组成小站（VSAT）VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。VSAT天线有正馈和偏馈两种形成，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好，且结构上不易积冰雪，因此常被采用。室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。916.4.1VSAT网的组成空间段VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。926.4.2VSAT的工作过程在VSAT网中，小站和主站通过卫星转发器连成星型网络结构，所有的小站可直接与主站互通。小站之间的通信以双跳方式来完成，即由小站首先将信号发送给主站，然后由主站转发给其它小站。在VSAT网中，一般采用分组传输方式，任何进入网络的数据在网内发送之前首先要进行格式化，即每份较长的数据分解成若干固定长度的“段”，每“段”再加上必要的地址和控制信息并按规定的格式进行排列作为信息传输单位，通常称之为“分组”。936.4.2VSAT的工作过程出站（outbound）传输

在VSAT网中，主站向外方向发送的数据，也即从主站通过卫星向小站方向传输的数据称为出站传输。出站信道通常采用时分复用（TDM）或统计时分复用（STDM）技术组成TDM帧，通过卫星以广播方式发向所有远端小站。946.4.2VSAT的工作过程TDM帧结构956.4.2VSAT的工作过程入站（inbound）传输

各远端小站通过卫星向主站传输的数据称为入站传输数据。在VSAT网中，各用户终端可以随机地产生信息，由此入站数据一般采用随机方式发射突发性信号。采用信道共享协议，一个入站信道可以同时容纳许多小站。

966.4.2VSAT的工作过程TDMA信道帧结构976.5卫星导航定位系统6.5.1全球定位系统（GPS）6.5.2Galileo全球卫星导航定位系统6.5.3“北斗一号”卫星导航定位系统986.5.1全球定位系统（GPS）GPS构成空间部分（GPS星座）控制部分（地面监控系统）用户部分（GPS信号接收机）996.5.1全球定位系统（GPS）1006.5.1全球定位系统（GPS）空间部分（空间段）由运行在20,200km高空的24颗GPS工作卫星组成的卫星星座，其中包括21颗用于导航的卫星和3颗在轨备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55º，各个轨道平面之间夹角为60º，每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一个周期。

1016.5.1全球定位系统（GPS）控制部分（控制段）由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成，具有跟踪、计算、更新及监视功能，用于控制系统中所有的卫星。根据跟踪站作用的不同，又可将其分为主控站、监控站和注入站。1026.5.1全球定位系统（GPS）用户部分（用户段）所有用户装置及其支持设备的集合。典型的用户设备包括一部GPS接收机/处理器、一部天线、计算机和CDU（控制和显示单元）四个主要部件。1036.5.1全球定位系统（GPS）GPS定位GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置，简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。

GPS的定位方法若根据定位模式的不同，可分为绝对定位和相对定位。

若根据用户接收机在定位中的运动状态不同，可分为静态定位和动态定位。

1046.5.2Galileo全球卫星导航定位系统空间部分VSAT网的空间部分是C频段或Ku频段同步卫星转发器。1056.5.2Galileo全球卫星导航定位系统Galileo系统组成全球设施部分区域设施部分局域设施部分用户接收机及终端1066.5.2Galileo全球卫星导航定位系统全球设施部分Galileo系统的空间段由30颗MEO导航星组成，距离地面约23，616km，分布在三个轨道倾角为56º的等间距的轨道上。地面段由Galileo控制中心、Galileo上行链路站、Galileo监测站网络和Galileo全球通信网络组成，具有卫星控制和任务控制功能。卫星控制通过使用TT&C上行链路进行监控来实现对星座的管理；任务控制是指对导航任务的核心功能（如定规、时钟同步），以及通过MEO卫星发布完好性消息进行全球控制。

1076.5.2Galileo全球卫星导航定位系统区域设施部分区域设施部分由完好性监测站网络、完好性控制中心和完好性注入站组成。区域范围内服务的提供者可独立使用Galileo系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据，这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在25º以上的卫星提供的完好性信号。全球最多可设8个区域性地面设施。1086.5.2Galileo全球卫星导航定位系统局域设施部分局域设施部分根据当地的需要增强系统的性能。局域设备需要确保完好性检测，数据的处理和发射。局域设施部分应包括本地精确导航设备、本地高精度导航设备、本地导航辅助设备和本地扩大可用性导航设备组成。1096.5.2Galileo全球卫星导航定位系统用户接收机及终端用户接收机及终端的基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供各种卫星无线导航服务。1106.5.2Galileo全球卫星导航定位系统Galileo系统与GPS的各种参数比较系统GalileoGPS卫星总数2724轨道高度23,61620,230轨道平面数36轨道仰角5655轨道形状圆轨道圆轨道定位载波L1、L2、L3L1、L2使用频段1164~1215MHz1260~1300MHz1559~1591MHzf1=1575.42MHzf2=1227.6MHz1116.5.3“北斗一号”卫星导航定位系统“北斗一号”卫星导航定位系统是我国自行研制的导航定位系统，也称为双星区域导航定位系统，它是一个全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，该系统覆盖范围为东经70°~145°，北纬5°~55°，可以无缝覆盖我国全部本土和周边海域，在中国全境范围内具有良好的