电信传输原理第6章 微波与卫星传输系统.ppt

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1、第6章 微波与卫星传输系统,内容提要,2,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.1 微波与卫星通信概述,微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。微波的波长在0.1mm1m之间，是分米波、厘米波、毫米波的统称。 微波波长很短，具有似光性，因此微波具有直线传播的特性。 微波一般都使用视距通信方式，即只有在微波发射台的电磁波直线传播所能到达（视线所及）的区域内设立接收站，才能接收到信号的通信方式。,视距通信方式，受地形

2、和天线高度的限制，两站之间的通信距离仅为50公里左右。如果通信的距离需要加长，达到数百、数千及至上万公里时，在两个远距离通信站之间，每隔五十公里左右就必须再架设一个接力中继站，这些站把接收到的微波信号经一定处理后再转发到下一个站，接力式地把微波信号传输到终端站。,图6-2 利用微波接力实现远距离通信,接力通信方式适用于中等距离或远距离通信，如果通信距离极远，需要架设很多接力站，不仅代价昂贵，维护困难，而且，经过多次转接，通信质量也要受到影响；在某些场合下，即使通信距离不远，例如:在海洋上建站,就是难以实现的。 1957年发射第一颗人造卫星，人们用地球同步通信卫星作中继站，可以转发的微波信号跨越

3、大陆和海洋达到地球上的很大范围，用3颗同步卫星就可以覆盖全球。 微波与卫星通信的工作频率都在微波频段，它们具有共同的特点，但各自又具有自身的特点，且组成单独的通信系统。,内容提要,6,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.2.1 微波通信概念及特点,微波通信是指以微波频率作为载波携带信息，通过无线电波进行空间传输的一种通信方式。 当两点之间的通信距离50Km左右时，在通信两地之间设立一个中继站，将前一站发来的信号进行再生、放大处理，转发到下一个站，这样

4、，逐站把信号传递直至终端站，从而构成一条微波中继通信线路。,6.2 微波通信系统,微波通信采用中继、接力方式的直接原因有两个: 首先，因为微波传播具有视距直线传播特性，而地球是一个两级稍扁，赤道略鼓的椭球体，地表面是个椭球面，通信距离大于视距（50Km左右）时，电磁波传播将受到地面的阻挡，就很可能无法接收到对方发来的微波信号。 其次，微波信号在空间传播时，能量会不断损耗，这就要求点对点的传输距离不能太远。在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段。,微波通信具有如下特点: 频带宽，传输信息容量大：微波频段占用频带约300GHz，是中波和短波频段总和的10000多倍。 工

5、作的微波频段(GHz级别)频率高，不易受天电干扰和工业噪声干扰，及太阳黑子变化影响，通信可靠性高。微波在微波通信以及在卫星通信中首先采用，而且使用范围一般为C波段。(4/6GHz)频段。 天线增益高、方向性强。,6.2.2 微波通信系统,由于卫星通信实际上是在微波频段采用中继（接力）方式通信，不过其中继站设在卫星上而已，所以，为了与卫星通信区分，这里所说的微波中继通信是限定在地面上的。,6.2.3 微波通信系统的组成,数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站（中继站、分路站、枢纽站）构成。如图6-4所示，发端站和收端站统称为终端站。,图6-4 数字微波通信系统,发端：从发端送来的数字信号，经

6、过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理) 变为群路信号后，由微波发射机先对群路信号进行调制、中频放大(70MHz或140MHz)再送入发送设备，然后通过上变频成为微波信号。 中间站：发射天线向微波中间站(微波中继站)发送，微波中间站收到信号后经再处理，使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送。 收端：传送到收端站，收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号，再分路还原为原始的数字信号。,微波中继传输线路由终端站、中继站、分路站、枢纽站及各站间的电波传播空间所构成。如图6-5所示。在长途微波接力信道上，通信距离依接力方式延伸。,6.2.4 微波中继传输线路,图6-5 微波

7、中继传输站,微波终端站：终端站是指处于微波传输线路终端的站。它只有一个传输方向，是信道的始点和终点，两端的各路信号从终端站出、入信道。 微波中继站：微波中继站是微波传输线路的中间转接站。其作用是接收相邻甲站发来的微弱微波信号，进行再生、功率放大后，再转发给下一个相邻乙站，以确保传输信号的质量。 微波分路站：除具有对接收信号放大、转发的中继站功能外，还能将信道上传送的多路信号中的部分话路分离出来，以实现长距离传输系统的区间通信。 微波分路站：位于干线上的、两条以上的微波线路交叉的微波站，实现两条链路上信号或部分信号的交换。,在微波站，每一套微波收发信机都工作在自己的微波频率上，各自组成一条独立的

8、中继信道，我们称每一条独立的传输信道为一个射频波道，一条微波线路有多个波道。 为了减少波道间或其它路由间的干扰，提高微波射频频带的利用率，对射频频率的选择和分配都应符合以下基本原则： 一个中间站，一个波道的收信和发信频率不应相同，而且要有足够大的间隔，以避免发射信号被本站接收,6.2.5 微波通信的频率配置,多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔，以免互相发生干扰。 整个频谱安排应非常紧凑，使给定的通信频段能得到经济的使用。 因微波天线及天线塔的建设费用高，多波道系统要设法共用天线，频率配置应有利于天线共用。 对外差式收信机，不允许任何波道的发射频率等于其它波道的镜像频率，否则形成

9、镜像干扰。,当一个站上有多个波道工作时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制，即两个方向的发信使用一个射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频率。,图6-6 二频制频率配置方案,目前各国的微波通信设备已使用到 2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等频段。我国数字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各频段的设备。,图6-7 波道二频制频率配置方案,6.2.6 微波天馈线系统,1.天线的基本参数 （1）有效面积：接收天线常用有效面积这一参数。定义为接收天线输入到接收机的功率与传来的电磁波功率密度之比。为电磁波波长，d为天线方向性系数。表示为： （2）天线增益：天线增益

10、是衡量天线性能的重要参数，它是指天线将发射功率向某已指定方向集中辐射的能力。,一般把有损情况下天线在最大辐射方向上的功率密度（）与该天线在无损耗的情况下平均辐射功率密度的比值，定义为天线的增益，即： 从接收天线的角度看，也可以把增益理解为天线收取某一指定方向来的电磁波的能力，此时把增益定义为天线的有效接收面积与各向同性天线的接收面积的比值， 为天线的有效面积， 为各向同性（即无方向性）天线的面积即：,抛物面天线的增益G，其中是口径利用系数，一般取值在0.50.6之间，A是口径面积，单位为平方米，是波长，单位为米。G可表示成： 若天线直径为D（m），工作频率为f（GHz），将上式改写成： （dB

11、） 由此可见，天线的增益与工作波长及天线直径有关，直径越大，增益越高。,（3）天线的方向性：天线对空间不同，方向具有不同的辐射或接收的能力就是天线的方向性。 （4）天线效率：输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率，写作： （5）天线的频带宽度：天线正常工作的频率范围称为频带宽度。,（6）天线极化：天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度（E）矢量的取向。在微波通信中常使用线极化和圆极化两种方式。 （7）天线阻抗与反射系数：天线的输入阻抗是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。衡量反射大小

12、的参数是反射系数，它定义为天线入口处反射功率 与入射功率之比的平方根，衡量反射大小的参数是反射系数，它定义为天线入口处反射功率 与入射功率之比的平方根，即：,2.微波天馈线系统 天馈线系统是微波中继通信的重要组成部分之一。天线起着将馈线中传输的电磁波转换为空间传播的电磁波，或将空间传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁波的作用。而馈线则是电磁波的传输通道。 （1）馈线：馈线系统是指连接微波收发信设备与天线的微波传输线和有关的微波器件。微波通信系统中的馈线可以分为同轴电缆型和波导型两种，一般在分米波波段（2GHz以下）,采用同轴电缆馈线。在厘米波段（3GHz以上），因同轴电缆损耗较大，故采用波导型馈

13、线。图6-8是同轴电缆型天馈线系统，图6-9是圆波导型天馈线系统。,图6-8 同轴电缆型天馈线系统,图6-9 圆波导型天馈线系统,（2）常用的微波天线：微波天线有多种形式，凡是能辐射或接收微波能量的天线都可以叫微波天线。一般用在微波通信上的微波天线都是面式天线，主要有抛物面天线、卡塞格伦天线。 抛物面天线：抛物面天线是一种典型的反射面天线。抛物反射面能将位于其焦点处的点源发出的球面波反射形成平面波波束，因而具有强方向性、高增益和低损耗等特性。,图6-10 抛物面天线的结构,图6-11 抛物面天线,卡塞格伦天线：卡塞格伦天线（Kasiakelun antenna）基于光学中广泛应用的卡塞格伦望远

14、镜的工作原理而构成的一种用于微波通信的双反射面天线。卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源（溃源）。,图6-12 卡塞格伦天线结构,图6-13 卡塞格伦天线,内容提要,28,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.3.1 地面对微波传播的影响,地面对微波传播的主要影响有：反射、绕射和地面散射。 地面上的障碍物，如山头、森林、高大建筑物等可阻挡微波射线，使微波绕过障碍物向非接收方向传播，使接收的微波信号减少。 地面散射往往表现为乱反射，对主

15、波束的影响较小。 惠更斯提出了电磁波的波动性学说，费涅耳在这个基础上又提出了“费涅耳”区的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。,6.3 微波传播,1.菲涅尔区的概念 惠更斯菲涅尔原理：惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想是：光和电磁波都是一种振动，其振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。 根据惠更斯原理的基本思想可认为：一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等。若点源发出的是球面波，那么由点源形成的二次波源的波前面也应是球面波，三次、四次波前面也应是球面波。,当把波前面分

16、成许许多多面积元时，这些面积元都将成为一个新的点源。尽管发信和收信点之间有障碍物，由于它不可能阻挡住所有的面积元，故接收点仍有一定的场强值，决不会是零。,图6-14 惠更斯原理,费涅耳椭球面：如图6-15所示。图中发信点为T，收信点为R，收发之间的距离d=TR。在高等数学中讲到：平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离之和若为常数，则此动点的轨迹为一个椭圆。在空间，此动点的轨迹为一个椭球面,如图6-15所示。,图6-15 费涅耳椭球面及费涅耳区,费涅耳区：如果用图6-15所定义的一系列费涅耳椭球面与我们要认定的某波前面相交割，就可在交割界面上得到一系列的圆和圆环，见图6-16。中心是一个圆，

17、称为第一费涅耳区。其外面的圆环称为第二费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区第n费涅耳区。,图6-16 第n费涅耳区定义,费涅耳区半径：我们把费涅耳区上一点到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。第一费涅耳区半径用F1表示，下面用图6-17求第一费涅耳区半径。P为第一费涅耳区上一点，d1为P点到发信天线T的水平距离，d2为P点到收信天线R的水平距离，收发距离d=d1+d2。,图6-17 第一费涅耳区半径,根据费涅耳椭球面及费涅耳区的定义，由图6-17可见 整理得： 同理，第二费涅尔区半径为 第n费涅尔区半径为,收信点场强与各菲涅尔区参量的关系：经分析可知相邻费涅耳区在收信

18、点产生的场强反相（相位差180）。也就是说，第二费涅耳区在收信点R产生的场强与第一费涅耳区反相；第三费涅耳区在收信点R产生的场强与第二费涅耳区反相，但与第一菲涅尔区同相。由于各区相互干涉，进行矢量相加的结果是：收信点在自由空间从所有费涅耳区得到的场强近似等于第一费涅尔区在收信点R处产生的场强的一半。 费涅耳区的意义：费涅耳区是估算电波传播能量区域的一个重要概念，在工程设计中尤其关心第一费涅耳区，因为它是微波传播中能量最集中的区域，一般要求在第一费涅耳区范围内不能有阻挡。,2.路径上刃行障碍物的阻挡损耗 绕射使无线电波能够穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。 用费涅耳区概念可解释微波

19、传播途中障碍物的阻挡损耗。微波如果在传播路径中存在刃行障碍物，如图6-18，只要障碍物不能阻挡全部费涅耳区，在收信点处就可以收到微波信号。在微波线路设计时，首先要保证自由空间余隙内没有任何障碍物。在实际中往往要求在第1菲涅尔区内不存在任何障碍物。,图 6-18 传播路径中的刃行障碍物,3.平坦地形对电波传播的影响 平坦地形是指两站之间的地形为平面的情况。根据惠更斯原理（或因天线方向性所限），总会有一部分电波投射到地面，所以在收信点除收到直射波外，还要收到经地面反射的反射波（反射角等于入射角）。如图6-19 所示。,图6-19 平坦地形对电波的反射,4.粗糙地面对电波传播的影响 在实际的微波系统

20、中，接收点收到的能量比上述反射和绕射模型预测的场强要大。这是由于当电磁波在粗糙表面发生反射时，发射能量散布于各个方向，即发生了散射。 对于粗糙表面，计算发射时需要乘以散射损耗系数，以代表减弱的反射场。一般情况下，散射往往表现为乱反射，对主波束影响较小，常常忽略不计。,6.3.2 对流层对微波传播的影响,对流层是自地面向上大约10KM范围的低空大气层。 对流层对微波传播的影响，主要体现在以下几个方面： 由于气体分子谐振，使微波能量被吸收，这种吸收对波长的微波比较显著，当时可不考虑。 由雨、雾、雪引起的微波能量的吸收。这种吸收对波长的微波比较显著，当时可不考虑。 由于气象因素等影响，使对流层也会形

21、成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中不均匀的结构。使对流层中的电波产生折射、吸收、反射和散射等现象，最主要的现象是大气折射。,（1）大气折射率 （2）折射率梯度 当 如图6-20（a）所示，当 如图 6-20（b）所示。,图6-20 大气折射对微波轨迹的影响,（3）大气对电波的折射 根据无线电波的性质，当电波由一种媒质向另一种媒质传播时，在两种媒质的交界面处会发生折射。 标准大气的曲率半径值近似为地球半径的四倍。当考虑大气折射率的实际变化时，电波传播轨迹发生弯曲，而且大气折射率的垂直分布不同，射线的传播轨迹也就不同。,图6-21 大气对电波的折射,（4）等效地球半径 等效的条件是：电波轨迹与

22、地面之间的高度差相等，或等效前及等效后的电波路径与球形地面之间的曲率之差保持不变。所有的地球半径均用来 代替，则电波就好像在无折射大气中一样，沿直线传播了。,图6-22 等效地球半径,（5）大气折射分类（大气折射对电波传播路径的影响） 根据电波在大气层折射的轨迹（因K值的不同而不同）即K值的大小，大气折射可分为以下三类：如图,图6-23 折射的分类,（6）天线的余隙标准 以上讨论的菲涅尔区和等效地球半径的概念是为了得出对余隙理解，余隙的计算与第一菲涅尔区半径(F1)和等效地球半径系数(K)有关，其中K主要随气象变化而受影响。 为避免微波传播遭受地形、地物的阻挡，最高障碍物处的余隙不能太小，否则

23、会出现绕射现象，使信号产生衰落；也不能太大，余隙太大，将使多个费涅耳区同时落入传输视距范围内，使接收点处的场强产生同相或反相叠加，造成信号不稳定。 理想的余隙状态是：微波路由即保证第一费涅耳区不受地形、地物的阻挡，又使其它费涅耳区不在视距范围内。在调整天线的过程中，不但余隙发生变化，上面所讲的反射点的位置也将改变，两者相互影响。,内容提要,46,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.4.1 噪声的分类,噪声指标是微波传输线路的一项重要指标，微波信道的噪

24、声可分为四类：热噪声（包括本振噪声）、各种干扰噪声、波形失真噪声以及外部噪声。 热噪声主要是由传输设备中导体内部电子的热骚动和电子器件中载流子的不规则运动所产生的噪声；,6.4 微波传输线路噪声,波形失真噪声是由传输设备的线性失真和非线性失真所产生的噪声； 干扰噪声主要是由电波的多径传播、阻抗失配、电源波动以及其它波道信号的干扰所产生的噪声； 外部噪声则是指由其它各种工业电气设备产生电火花所引起的电磁干扰、各种雷电和云层放电所辐射的电磁干扰和宇宙。间其它星系辐射的电磁干扰所产生的噪声。,内容提要,49,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信

25、线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.5 微波传输线路参数计算,1.一定误码率指标下的实际门限载噪比 理论载噪比表示的是一定误码率指标下信号与高斯白噪声的比值，实际门限载噪比 应等于理论载噪比 与恶化储备 （即固有恶化成分值）之差，那么实际接收门电平值Pr可由式 表示： N是天线馈线系统送给收信机输入端的固有热噪声功率，N=NFKT0B。,2.衰落储备 为保证接收电平降低到门限以下的概率小于某个值，必须使信号电平留有足够的余量，此余量即为衰落储备。衰落储备包括平衰落储备和多径衰落储备。 平衰落储备：是数字微波系统考虑热噪声的影响时，为保证传输

26、质量而预留的电平余量，其数值上等于自由空间收信电平与实际门限接收电平之差。 多径衰落储备：在通信系统中，由于通信地面站天线波束较宽，受地物、地貌等诸多因素的影响，使接收机收到经折射、反射和直射等几条路径到达的电磁波，使带内各频率分量的幅度受到的衰减程度不同，这种受多径效应产生的衰落叫多径衰落。,内容提要,52,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,微波站站址应选择在交通方便、靠近可靠电源和居民点的地方。 微波接力通信线路的接力段长度必须根据地形、气候、天线

27、位置、电波传播等因素来定。 微波接力通信线路的每一个接力段，在所考虑K值变化的时间范围内，电波射束和障碍物之间留有足够的余隙值，以保证能量的有效传输，而且对于电波射束四周也有要求。 在多接力段的线路中，干扰噪声值是有一定限制，但是这个限制一般是指整条线路而言。,6.6 微波通信线路设计,内容提要,54,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,卫星通信是利用卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此来实现在两个或多个无线电通信站之间进行的通信。它是宇宙无线电通信的

28、一种形式。 卫星通信具有如下特点： 传播距离远，覆盖范围广 卫星通信频带宽，通信容量大 卫星通信线路稳定，质量好，可靠性高 传输时延较大,6.7 卫星通信的概念及特点,内容提要,56,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.8.1 通信卫星,1.地球卫星轨道 地球卫星都有自己的运行轨道，这种轨道有圆形，也有椭圆形，轨道所在的平面称为轨道面，轨道面都要通过地心。主要有：赤道轨道，极轨道，倾斜轨道，同步轨道，如图6-24所示。,6.8 卫星通信系统,图6-2

29、4 地球卫星的几种轨道,2.地球同步通信卫星 在同步轨道上运行的卫星，卫星距离地球的高度约为36000 km，卫星的运行方向与地球自转方向相同，运行周期与地球自转一周的时间相等，为恒星日(23小时56分4秒)，一般称为24小时。 地球同步卫星上的天线所辐射的电波，对地球的覆盖区域基本是稳定的，在这个覆盖区内，任何地球站之间可以实现24小时不间断通信。,图6-25 卫星通信示意图,3.影响同步卫星通信的因素 摄动 轨道平面倾斜效应 自然现象 4.卫星姿态的保持与控制 要使卫星保持在预定位置，首先就要对卫星的位置进行控制，其次还必须使卫星的天线波束指向覆盖区中心，使卫星上太阳能电池板正对太阳。使卫

30、星姿态保持的控制方法主要有：角度惯性控制(自施稳定法)；另一种是三轴稳定法。,6.8.2 卫星通信系统组成,一个卫星通信系统由通信卫星（空间分系统）、通信地球站系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大部分组成，如图6-26 所示。,图 6-26 卫星通信系统构成,6.8.3 卫星通信传输线路,卫星通信传输线路包括上行链路、下行链路以及发端和接收端地球站组成。,图6-27 单跳卫星通信传输线路图,6.8.4 系统工作过程,当甲地一些用户要与乙地的某些用户进行通信时，甲地首先要把本站的信号组成基带信号，经过调制器变换为中频信号，再经上变频变为微波信号，经高功放放大后，经天线发向卫星(上行线

31、)，卫星收到地面站的上行信号经放大处理，变换为下行的微波信号。乙地收端站收到从卫星传送来的信号(下行线)，经低噪声放大、下变频、中频解调，还原为基带信号，并分路后送到各用户。这就完成了甲端到乙端地面站信号的工作过程。乙地终端站发向甲地的信号过程与此相同，只是上行线、下行线的频率不同而已。,图6-28 卫星通信系统的工作过程,6.8.5 卫星通信系统的频段分配,卫星转发器与地球站之间，信息是利用电磁波来承载的。卫星通信工作频段的选取将影响到系统的传输容量、地球站发信机及卫星转发器的发射功率、天线口径尺寸及设备的复杂程度。选用工作频率，通常依据以下几个方面来综合考虑： 传播损耗及传播引入的外部噪声

32、要小 可能提供的有效带宽要足够宽 与其它系统之间的干扰要小 尽可能的利用现有的通信技术和设备,基于信道可用带宽及系统容量，频率的选择越高越好，因此1-10GHz频段被公认为最适合卫星通信的频段。通信卫星的工作频段，主要是根据电波传播特点和合理利用无线电频率资源等因素确定的。,表6-3目前常用的卫星通信频段,1.通信卫星的天线系统 对卫星上天线要求严格，要体积小、重量轻、馈电方便、易折叠、展开；电器特性好、增益高、效率高、宽频带等。其种类有： 全方向性天线：此天线是完成遥测和指令信号的发送、接收。 用于通信的微波天线：分为全球波束天线；点波束天线；赋形波束天线。,6.8.6 卫星通信天馈线系统,

33、图6-30 全球波束、区域波束与点波束示意图,图6-31 全球波束天线,图6-32 赋形波束形成过程,2.地球站的天馈线系统 在卫星通信中，地球站的天馈线系统是主要的设备之一，其主要功能是实现能量的转换，是卫星通信地球站信号的输入和输出口。其建设费用约占整个地球站的三分之一。对天馈线系统的主要性能要求要高增益、宽频带、低接收噪声温度、机械精密度高、旋转性好。 卫星通信的地球站天线有两种：直接辐射式天线（如喇叭天线）和反射天线两大类。,卫星地面站的天线要与卫星上通信天线对准，才能接收和发送通信信号。是否对准，主要由地面站对于卫星的几个观察参量来决定，是指地球站天线轴线指向静止卫星的方位角、仰角和

34、距离三参数，如图6-33所示。 图中S表示静止卫星，D表示地球站，O为地球中心。S与O连线在地表面交点为M叫做星下点。D与S连线叫直视线，直视线的长度就是地球站至卫星的距离d。D所在的水平面称地球站平面，SD(直视线)在地面的投影称方位线。直视线与方位线所确定的平面称方位面，由图可见SM在此方位面内。,6.8.7 观察参量,图6-33 静止卫星的观察参量,方位角：用来表示，定义为地面站所在正北方向(经线正北方向)，按顺时针方向旋转与方位线的夹角叫做方位角。地球指向卫星的仰角用表示，定义为：地球站方位线与直视线之间的夹角，可证明：,=145.9。 = 37056KM =50。,解： =125-1

35、06.5=18.5；=29.6；,例6.2试计算东方红三号卫星(E125)在重庆所在地的观察参量。（重庆位于东经106.5，北纬29.6) 。,内容提要,74,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计 卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,卫星通信系统涉及空间段和地面段，电波的传播路径非常长，由于电波在开放的空间中进行传播，因此信号除有自由空间的传播损耗、大气吸收损耗、降雨损耗外，还要受到各种噪声和干扰的影响较重。 由于卫星通信系统的接收信号功率非常小，因此，对噪声的影响更为敏感。因此，为了满足用

36、户对服务质量的要求，就必须对卫星通信传输线路的特性进行研究。,6.9 卫星通信传输线路特性,6.9.1 自然现象对卫星通信线路的影响,雨衰:是指电磁波进入雨层中引起的衰减。它包括雨粒吸收引起的衰减和雨粒散射引起的衰减。雨衰是影响毫米波传播的主要因素。 雾、雪、雹带来的影响:是指水象对毫米波传播的影响，如雾、雪、雹等。,6.9.2 卫星线路的噪声和干扰,1.噪声 系统热噪声 天线噪声：有宇宙（银河系）噪声；大气噪声及降雨噪声；地面噪声。 2.卫星通信中常见的几种干扰 互调干扰 邻星干扰 交叉极化干扰,地面微波系统的干扰 邻道干扰 码间串扰 3.卫星通信系统传输线路主要性能参数 全向有效辐射功率(

37、EIRP) 传播衰耗 传播方程,接收地球站性能指数 接收机输入端载噪比 C/T值与S/N 门限电平,例6.1 一卫星通信系统地球站，发射天线增益为10000，=6GHz，发射功率为40dBm，卫星接收功率为1PW(1PW=W=mW)，求卫星接收天线增益GR为多少?（发射和接受部分的损耗不计，地球站距卫星距离设为4万公里） 解：依题意 ， ， 将上述数值代入运算 Lp=200dB； GR=PR-PT- GT+ LR +LP=10lg-10lg10000-40+200=30dB；,内容提要,81,微波与卫星通信概述 微波通信系统 微波传播 微波传输线路噪声 微波传输线路参数计算 微波通信线路设计

38、卫星通信的概念及特点 卫星通信系统 卫星通信传输线路特性 卫星通信系统应用,6.10.1 卫星电视广播,卫星电视广播是由设置在赤道上空的地球同步卫星，接收卫星地面站发射的电视信号，再把它转发到地球上指定的区域，再由地面接收设备接收供电视机收看。 1.卫星电视广播的特点 在它的覆盖区内，可以有很多条线路，传送信息。 它与各地面站的通讯联系不受距离的限制，其技术性能和操作费用也不受距离远近的影响。 卫星与地面站的联系，可按实际需要提供线路，因为卫星本身有许多线路可以连接任何两个地面站。,6.10 卫星通信系统应用,2.卫星电视广播系统的组成 卫星电视广播系统主要有上行地球站、广播卫星、卫星电视接收

39、站、卫星测控站四大个主要部分组成。下面是卫星电视广播系统组成示意图，如图6-37所示。,图6-37 卫星电视广播系统组成,6.10.2 VSAT卫星通信系统,VSAT 是 Very Small Aperture Terminal 的缩字，直译为甚小口径卫星终端站。VSAT是把通信终端直接延伸到办公室或个人家庭，面向个人进行通信的，利用VSAT 系统进行通信具有灵活性强、可靠性高、使用方便及小站可直接装在用户端等特点。 1.VSAT系统的特点 VSAT卫星通信系统，是卫星通信技术演变的产物，是一系列先进技术综合运用的结果； 波段扩展新技术。(C波段、Ku段波)以及扩频通信技术。,有效的多址和复接

40、技术，分组交换和通信协议标准化。 天线小型化及高功率卫星发展。 VSAT有易于组网的优点 2.VSAT的网络结构 典型的VSAT卫星通信网络主要由主站，卫星和许多远端小站(VSAT)三部分组成。从网络结构上分为星型网、网状网和混合网三种，如图6.47 (a)、(b)、(c)所示。,图6-38 VSAT网络结构,3.VSAT地球站终端设备 VSAT系统一般都由主站(枢纽站)和许多远端小站构成，从终端设备来看，它具有与普通地球站相同的硬件设备结构。 主站设备：在VSAT系统中，主站是VSAT网的心脏，在卫星通信中使系统可靠性达99.5以上，一般主站设一个备分。 VSAT小站设备(Ku频段)：VSA

41、T小站一般由小口径天馈系统，室外单元和室内单元组成，其结构方框如图6-39所示。,图6-39 VSAT小站组成框图,6.10.3 海事卫星通信系统,目前海事卫星(INMARSAT)系统是世界上能对海、陆、空中的移动体提供静止卫星通信的唯一系统。它使用L波段。它是集全球海上常规通讯、遇险与安全通讯、特殊与战备通讯于一体的实用性高科技产物。 海事卫星组织原是一个提供全球范围卫星移动通信的政府间合作机构，即国际移动卫星组织，国内习惯简称为海事卫星。海事卫星组织现已发展为世界上惟一能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位公众通信和遇险安全通信服务的机构。,图6-41 海事卫星通信系统,6.1

42、0.4 IDR卫星通信系统,所谓IDR系统是国际卫星组织(INTELSAT)引入的一种综合性的数字卫星通信系统。IDR是一种频分多址方式。 1.IDR特点 IDR主要是数字基带信号，是专为广大中、小容量用户设计的公众业务，它包括了数字话音、数据、数字电视等多种数字业务，以及计算机通信和其它的新业务，此种系统投资省； IDR利用了DCME技术来降低空间段的租费，提高了信道的使用效率。 IDR卫星系统技术比较成熟，设备规范比较完善，比TDMA系统简单，成本较低。,2.IDR(数字卫星通信终端的)数字基带信号 数字卫星通信的数字基带信号在前面已经讲述过，对输入的原数字单路信号(数据信号)经TDM处理

43、后，还要进行帧的变换，加入辅助帧。 IDR通过加入辅助帧的方式来提供(ESC)公务及告警通道，辅助帧速率为96kb/s。主要用于信息速率为1.544kb/s44.736kb/s的数据信号，如2.048kb/s，34.36kb/s信号等。通过辅助帧与输入信息数据帧，复接后构成新的IDR帧结构，每个IDR帧的帧长为125s。,6.10.5 GPS定位及差分原理,由于全球卫星导航定位系统具有全能（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性等特点，因此，在信息、交通、安全防卫、环境监测等方面具有其它手段无法替代的重要作用。目前已经成为移动设备（智能手机、平板电脑等）的标配。 GPS(Na

44、vigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System），导航星测时与测距/全球定位系统），简称全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统。GPS定位，实际上就是通过四颗已知位置的人造卫星来确定GPS接收器的位置，如图 6-42所示。,图6-42 GPS定位,1.GPS系统 GPS卫星向广大用户发送信号采用L频段做载波；采用扩频技术来传送卫星导航电文。GPS系统主要由三大部分构成：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）如图6-43所示。,图6-43 GPS系统的构成,2.GPS定位原

45、理 24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。,图6-44 GPS定位原理,GPS定位的原理根据实际情况，需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程，如图6-44所示。,3.差分GPS 差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得

46、精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。,6.10.6 量子通信,量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。 量子通信基于量子力学的基本原理，具有高效率和绝对安全等特点，是国际量子物理和信息科学的研究热点。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。 1.量子通信发展现状 经过多年努力，2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星“奠定技术基础。,2.量子通信的类型 量

47、子密码通信 量子隐形传态 量子密集编码 3.量子通信系统 量子通信模型：包括量子信源、信道和量子信宿三个主要部分，其中信道包括量子传输信道、量子测量信道和辅助信道三个部分。,量子误码率：量子误码率（Quantum bit error rate, QBER）是指承载信息的光量子波包中，能用来使发送和接收双方进行有效通信的那部分信息的误码率。 通信速率：量子通信系统的速率随通信的样式不同而不同。 通信距离：由于量子信号不能放大，而且量子中继器还处在实验室研究阶段，所以通信距离是一个重要指标。 量子中继：不同于近距离通信，在经典或者量子通信中，要保证远距离通信的进行，必须有中继的传输保证。,4.量子

48、卫星通信 量子通信技术的实际应用分为三个阶段：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。 星地量子通信不受地形地貌限制，具有覆盖面广、机动性好、生存能力强等优点，同时，外层空间传输损耗和退相干效应很小，能够显著拓展量子密钥分发的组网距离。量子态的传输损耗和退相干效应随距离呈指数增长，真正意义上的量子通信广域组网必须借助量子中继技术。现阶段，量子态的控制存储和纠缠纯化等技术尚不成熟，量子中继短期内难以突破。,5.量子通信的前景 量子通信网络向覆盖全球发展，实现长距离量子通信的一种方法是借助于量子中继器，需要采用量子

49、纠缠交换和纠缠纯化；另一种方法是基于卫星的量子通信，目前欧洲和我国都在准备开展基于卫星的实验，我国预计2016年发射量子科学卫星，这样覆盖全球的量子通信指日可待。 量子计算技术的发展将会大大促进量子通信的发展 ，随着量子存贮能力的突破和量子计算技术的发展，量子纠错编码、量子检测等技术的应用，量子通信系统的性能将会得到很大的提高 。,6.11 习 题,1、微波和卫星通信各有什么特点？ 2、为什么微波和卫星通信都选微波作为载波？ 3、微波天线有几种类型？简述各自的特点。 4、什么是星蚀和日凌中断现象？ 5、简述余隙的概念及其在工程中的选择条件 6、微波线路的噪声有哪些？,7、目前常用的卫星通信系统有哪几种，各个系统的应用领域。 8、简述卫星电视广播原理。 9、简述GPS定位原理 10、简述量子卫星通信原理,