第七章微波通信和衛(wèi)星通信

第7章微波通信與衛(wèi)星通信本章內(nèi)容：微波通信衛(wèi)星通信本章重點(diǎn)：微波通信的概念和特點(diǎn)數(shù)字微波通信系統(tǒng)的基本組成衛(wèi)星通信的概念和特點(diǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成通信衛(wèi)星和地球站的設(shè)備組成衛(wèi)星通信的多址方式微波通信微波通信是在20世紀(jì)40年代開始使用的無線電通信技術(shù)。微波通信分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信兩類。模擬微波通信已被數(shù)字微波通信所取代，微波通信與衛(wèi)星通信，光纖通信一起作為通信的三大傳輸手段。衛(wèi)星通信可看作微波通信的一個(gè)具體應(yīng)用。

7.1微波通信的概念和特點(diǎn)微波的頻段劃分微波中繼通信的概念微波通信的特點(diǎn)1．微波通信頻段劃分整個(gè)電磁頻譜，包含從電波到宇宙射線的各種波、光和射線的集合。不同頻率段分別命名為無線電波（3kHz～3000GHz）、紅外線、可見光、紫外線、χ射線、У射線和宇宙射線。微波(Microwave

)是超高頻率的無線電波。由于這種電磁波的頻率非常高，故微波又稱為超高頻電磁波。電磁波的傳播速度與其頻率f、波長(zhǎng)λ又有下列固定關(guān)系：f·λ=v

若微波是在真空中傳播，則速度為

v=c=3×108m/s1．微波通信頻段劃分無線電波波段的劃分1m---1mm300MHz—300GHz1．微波通信頻段劃分微波頻段的劃分10cm5cm3cm8mm6mm3mm微波波段300MHz~300GHz1．微波通信頻段劃分調(diào)幅廣播540kHz~1650kHz調(diào)頻廣播88MHz~108MHz了解：可見光的波長(zhǎng)紅620nm--760nm橙592nm--620nm黃578nm--592nm綠500nm--578nm青464nm--500nm藍(lán)446nm--464nm紫400nm--446nm人眼可見范圍為312nm-1050nm

微波的性質(zhì)微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。

1．微波通信頻段劃分我國(guó)選用2GHz,4GHz,6GHz,7GHz,8GHz,11GHz作為微波通信的主要工作頻段，其中2GHz,4GHz,6GHz頻段主要用于干線微波中繼，2GHz,7GHz,8GHz,11GHz主要用于支線或?qū)Ｓ镁W(wǎng)。微波通信是利用微波信號(hào)作為載波信號(hào)，并采用中繼（接力）方式在地面上進(jìn)行的無線通信。也就是利用傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來調(diào)制微波信號(hào)，將傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制到適合微波傳輸?shù)母哳l段上，進(jìn)行傳輸。什么是微波通信？2．微波中繼通信微波的波長(zhǎng)比較短，接近光波，是直線傳播，具有視距傳播特性。由于地球表面是曲面，當(dāng)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，需采用中繼的方式。沿地球表面直線傳播，一般只有50km左右。但若采用100m高的天線塔，則距離可增大到l00km。3．微波通信的特點(diǎn)通信頻段的頻帶寬，傳輸信息容量大通信穩(wěn)定、可靠接力傳輸通信靈活性較大天線增益高、方向性強(qiáng)投資少、建設(shè)快數(shù)字化通信頻帶寬傳輸容量大一套微波中繼通信設(shè)備可以容納幾千甚至上萬條話路同時(shí)工作，或傳輸電視圖像信號(hào)等寬頻帶信號(hào)通信穩(wěn)定可靠當(dāng)通信頻率高于100MHz時(shí)，工業(yè)干擾、天電干擾及太陽黑子的活動(dòng)對(duì)其影響小。由于微波頻段頻率高，這些干擾對(duì)微波通信的影響極小。數(shù)字微波通信中繼站能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行再生，使數(shù)字微波通信線路噪聲不逐站積累，增加了抗干擾性。因此，微波通信較穩(wěn)定和可靠。接力傳輸在進(jìn)行地面上的遠(yuǎn)距離通信時(shí)，針對(duì)微波視距傳播特性和傳輸損耗隨距離增加的特性，必須采用接力的方式，發(fā)端信號(hào)經(jīng)若干中間站多次轉(zhuǎn)發(fā)，才能到達(dá)收端。通信靈活性較大微波中繼通信采用中繼方式，可以實(shí)現(xiàn)地面上的遠(yuǎn)距離通信，并且可以跨越沼澤、江河、高山等特殊地理環(huán)境。在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭(zhēng)等災(zāi)禍時(shí)，通信的建立及轉(zhuǎn)移都較容易，這些方面比有線通信具有更大的靈活性。天線增益高方向性強(qiáng)當(dāng)天線面積給定時(shí)，天線增益與工作波長(zhǎng)的平方成反比。由于微波通信的工作波長(zhǎng)短，天線尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性強(qiáng)的面式天線。這樣可以降低微波發(fā)信機(jī)的輸出功率，利用微波天線強(qiáng)的方向性使微波電磁波傳播特方向?qū)?zhǔn)下一接收站，減少通信中的相互干擾。投資少建設(shè)快與其它有線通信相比，在通信容量和質(zhì)量基本相同的條件下，按話路公里計(jì)算，微波中繼通信線路的建設(shè)費(fèi)用低，建設(shè)周期短。數(shù)字化對(duì)于數(shù)字微波通信系統(tǒng)來說，是利用微波信道傳輸數(shù)字信號(hào)，因?yàn)榛鶐盘?hào)為數(shù)字信號(hào)，所以稱為數(shù)字微波通信系統(tǒng)。7.1.2數(shù)字微波通信系統(tǒng)微波站的分類終端站：傳輸末梢分路站：可以上、下話路（信道）樞紐站：溝通多個(gè)方向的微波站中繼站：無需上、下話路（信道）7.1.2數(shù)字微波通信系統(tǒng)終端站、分路站、樞紐站和中繼站微波通信系統(tǒng)的組成7.1.3微波站設(shè)備微波收、發(fā)信設(shè)備微波天線設(shè)備中繼設(shè)備電源設(shè)備監(jiān)測(cè)設(shè)備7.1.3微波站設(shè)備微波發(fā)信設(shè)備微波收信設(shè)備電源設(shè)備監(jiān)測(cè)控制設(shè)備圖7-3微波通信系統(tǒng)組成示意圖7.1.4微波的傳播特性多徑傳播特性短波電離層反射離地面60~600km的大氣層為電離層。當(dāng)頻率范圍為3~30MHz的短波射入電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面。7.1.4微波的傳播特性微波在自由空間的傳播損耗無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡(jiǎn)單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間。①均勻無損耗的無限大空間；②各向同性；③電導(dǎo)率σ=0，介電系數(shù)ε=ε0=

（法/米），導(dǎo)磁系數(shù)μ=μ0=

（亨/米）。在自由空間傳播條件下，傳輸損耗Ls的表達(dá)式為：Ls（dB）＝32.45+20lgf（MHz）+20lgd（km）（或＝92.45+20lgf（GHz）+20lgd（km））其中d為收、發(fā)天線間的距離，f為工作頻率。7.1.4微波的傳播特性從自由空間損耗公式可以看出傳播距離d和使用頻段f成反比。設(shè)發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線增益為Gt（dB），發(fā)端饋線系統(tǒng)損耗為L(zhǎng)ft（dB）；發(fā)端分路系統(tǒng)損耗為L(zhǎng)bt（dB）。接收功率為Pr；接收天線增益為Gr（dB），收端饋線系統(tǒng)損耗為L(zhǎng)fr（dB），收端分路系統(tǒng)損耗為L(zhǎng)br（dB）。在自由空間傳播的條件下，接收機(jī)的輸入電平為：Pr（dBm）=Pt（dBm）+（Gt+Gr）-（Lft+Lfr）-（Lbt+Lbr）-Ls7.1.4微波的傳播特性影響微波傳播損耗的因素①大氣吸收衰減②雨霧衰減③地面反射的影響地面反射的影響7.1.4微波傳輸補(bǔ)償技術(shù)均衡頻域均衡器用于減少頻率選擇性衰落的影響。時(shí)域均衡利用波形補(bǔ)償法將失真的波形加以校正。分集接收7.1.5數(shù)字微波通信技術(shù)的發(fā)展通信網(wǎng)長(zhǎng)途傳輸干線的重要傳輸手段我國(guó)城市間的電視節(jié)目傳輸主要依靠的就是微波傳輸中小容量（如8Mbit/s，34Mbit/s）的數(shù)字微波通信系統(tǒng)N×155Mbit/s的SDH大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)微波中繼通信系統(tǒng)已被光纖通信系統(tǒng)所替代數(shù)字微波技術(shù)在固定寬帶接入領(lǐng)域的應(yīng)用7.2衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信實(shí)際上是微波中繼傳輸技術(shù)與空間技術(shù)的結(jié)合。把微波中繼站設(shè)在衛(wèi)星上（稱為轉(zhuǎn)發(fā)器），線路兩端的終點(diǎn)站設(shè)在地球上（稱為地球站）。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。地球站實(shí)際上是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)的接口，地面用戶通過地球站出入衛(wèi)星系統(tǒng)，形成通信線路。因此，衛(wèi)星通信是地球上多個(gè)地球站（包括陸地、水面和大氣層）利用空中人造通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的微波通信。7.2衛(wèi)星通信將微波中繼站放在人造衛(wèi)星上時(shí)，便形成了衛(wèi)星通信系統(tǒng)。利用35786.6km高的人造同步地球衛(wèi)星7.2.1衛(wèi)星通信的特點(diǎn)通信覆蓋面積大1顆衛(wèi)星覆蓋地球表面42%通信距離遠(yuǎn)衛(wèi)星單跳最大通信距離達(dá)1800km傳輸容量大一顆衛(wèi)星的通信容量達(dá)數(shù)千以至上萬路電話，其通信容量?jī)H次于光纖通信。線路穩(wěn)定可靠，質(zhì)量高暢通率在99.8%以上。通信靈活不受地形、地貌等自然條件的影響。傳輸延遲大往返傳播延遲約為0.54s

7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由通信衛(wèi)星、地球站和遙測(cè)指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)。通信衛(wèi)星由若干個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器、數(shù)副天線與位置和姿態(tài)控制分系統(tǒng)、遙測(cè)指令分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)組成，其主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)各地球站信號(hào)。地球站由天線、發(fā)射、接受、終端分系統(tǒng)及電源、監(jiān)控和地面設(shè)備組成，主要作用是發(fā)射和接受用戶信號(hào)。跟蹤遙測(cè)指令分系統(tǒng)是用來接收衛(wèi)星發(fā)來的信標(biāo)和各種數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過分析處理，再向衛(wèi)星發(fā)出指令去控制衛(wèi)星的位置、姿態(tài)及各部分工作狀態(tài)。監(jiān)控管理分系統(tǒng)對(duì)在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開道前的監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測(cè)與控制，以便保證通信衛(wèi)星的正常運(yùn)行和工作。7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的線路在一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地球站經(jīng)過通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以組成多條單跳單工或雙跳單工衛(wèi)星通信線路。單工是指通信的雙方分別被固定為發(fā)信站和收信站。發(fā)信站發(fā)送的信號(hào)只經(jīng)一次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后就被接收站接收的衛(wèi)星通信線路叫做單跳單工衛(wèi)星通信線路。發(fā)信站發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過兩次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后被接收站接收的衛(wèi)星通信線路叫做雙跳單工衛(wèi)星通信線路。7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作過程從地球站1發(fā)出無線電信號(hào)f1，這個(gè)微弱的信號(hào)被衛(wèi)星通信天線接收后，首先在通信轉(zhuǎn)發(fā)器中進(jìn)行放大，變頻和功率放大，最后再由衛(wèi)星的通信天線把放大后的無線電波f2重新發(fā)向地球站2，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)地球站或多個(gè)地球站的遠(yuǎn)距離通信，圖中f3、f4是另一條衛(wèi)星通信線路所用的頻率。7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)(GEO)衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)同步，而對(duì)地球應(yīng)相對(duì)靜止，又稱為靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。

非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)(ICO或MEO)橢圓軌道衛(wèi)星系統(tǒng)(HEO)低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)(LEO)7.2.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻段的劃分7.2.3同步通信衛(wèi)星的設(shè)置和可通信區(qū)通信衛(wèi)星一般是指同步衛(wèi)星，同步衛(wèi)星的軌道是圓形且在赤道平面上，同步衛(wèi)星離地面35785.6公里，飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，從地面上任意一點(diǎn)看，衛(wèi)星都是靜止不動(dòng)，這種對(duì)地靜止的衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星。利用三或四顆同步衛(wèi)星，就能夠使信號(hào)基本覆蓋地球的表面。

7.2.3同步通信衛(wèi)星的設(shè)置和可通信區(qū)頻分多址時(shí)分多址空分多址碼分多址7.2.4衛(wèi)星通信多址方式7.3微波與衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用7.3.1微波通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用1.微波通信業(yè)務(wù)因?yàn)槲⒉l段很寬，所以微波通信涉及的業(yè)務(wù)范圍較為廣泛，其業(yè)務(wù)包含：UHF、電視頻段、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、專業(yè)集群通信、公眾移動(dòng)通信、PCS業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、無線寬帶業(yè)務(wù)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)、多路微波分配系統(tǒng)（MMDS）、本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）。另外，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、工科醫(yī)（ISM）及家用電器等非通信設(shè)備也使用了一定的微波頻段，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這也將成為微波通信業(yè)務(wù)的范圍。7.3.1微波通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用2.數(shù)字微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)字微波通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)合如下：（1）干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a(bǔ)充如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的SDH微波、PDH微波等。主要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自災(zāi)害時(shí)的緊急修復(fù)，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場(chǎng)合。（2）邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中如農(nóng)村、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場(chǎng)合，這些場(chǎng)合可以使用微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)，微波頻段的無線用戶環(huán)路也屬于這一類。（3）城市內(nèi)的短距離直線連接如移動(dòng)通信基站之間、基站控制器與基站之間的互連、局域網(wǎng)之間的無線聯(lián)網(wǎng)等等。既可使用中小容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波，也可使用無需申請(qǐng)頻率的微波數(shù)字?jǐn)U頻系統(tǒng)。（4）無線微波接入系統(tǒng)可將微波技術(shù)用于的寬帶業(yè)務(wù)接入（如LMDS等）。7.3.2衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用1．衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)（1）衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（2）衛(wèi)星國(guó)際專線業(yè)務(wù)（3）衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器出租、出售業(yè)務(wù)（4）國(guó)內(nèi)甚小口徑終端地球站（VSAT）通信業(yè)務(wù)7.3.2衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用2．衛(wèi)星通信的應(yīng)用（1）VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)（2）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)（3）直播衛(wèi)星系統(tǒng)（4）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)7.4實(shí)做項(xiàng)目及教學(xué)情