《微波与卫星通信》课件第1章.pptx

1、1.1 微波与卫星通信的基本概念微波与卫星通信的基本概念1.1.1-微波通信微波通信微波微波是指频率为300MHz至3000GHz范围内的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长为1m1mm 的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波通信则微波通信则是指利用微波携带信息,通过电波空间进行传输的一种通信方式。当两点之间的通信距离超过50km 时,只要在传输路径上建立中继线路,就构成了微波中继通信。微波的传播与光波类似,具有似光性、频率高、极化特性等传输特性,因此微波在自由空间中只能沿直线传播,其绕射能力很弱,且在传播中遇到不均匀的介质时,将产生折射和反射现象。正因为如此,在一

2、定天线高度的情况下,为了克服地球的凸起而实现远距离通信就必须采用中继接力的方式,如图1-1所示,否则 A 站发射出的微波射线将远离地面而根本不能被 C站接收。微波采用中继方式的另一个原因是,电磁波在空间传播过程中因受到散射、反射、大气吸收等诸多因素的影响,而使能量受到损耗,且频率越高,站距越长,微波能量损耗就越大。图1-1 微波中继示意图1.1.2 卫星通信卫星通信卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号,在两个或多个地球站之间进行的通信。而用于实现通信目的的这种人造地球卫星叫做通信卫星,如图1-2所示。图1-2 卫星通信示意图卫星通信是宇宙无线电通信的形式之一,国际电信联盟

3、(ITU)规定,宇宙站是指设在地球大气层以外的宇宙飞行体(如人造卫星、宇宙飞船等)或其他天体(如月球或其他行星)上的通信站。把以宇宙飞行体为对象的无线电通信统称为宇宙通信,它有三种基本形式,如图1-3所示。图1-3 宇宙无线电通信的三种基本形式目前,绝大多数通信卫星是地球同步卫星(静止卫星),图1-4是静止卫星与地球相对位置的示意图。若以120的等间隔角度在静止轨道上配置三颗卫星,则地球表面除了两极区没有被卫星波束覆盖外,其他区域均在覆盖范围之内,而且其中部分区域为两个静止卫星波束的重叠区域,因此借助于重叠区域内地球站的中继(称为双跳),可以实现在不同卫星覆盖区内地球站之间的通信。由此可见,只

4、要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信,这一特点是其他任何通信方式所不具备的。静止卫星所处的位置分别在太平洋、印度洋和大西洋上空,它们构成的全球通信网承担着绝大部分的国际通信业务和全部国际电视信号的转播,如图1-5所示。图1-4 静止卫星配置的几何关系图1-5 全球通信网1.2 微波与卫星通信的特点微波与卫星通信的特点1.2.1-微波通信的特点微波通信的特点根据所传基带信号的不同,微波通信分为两种制式。用于传输频分多路 调频制(FDM FM)基带信号的系统称为模拟微波通信系统;用于传输数字基带信号的系统称为数字微波通信系统,数字微波通信系统又可细分为准同步数字系列(PDH)微波通信系统

5、和同步数字系列(SDH)微波通信系统。“微波、多路、接力”是微波通信最基本的特点。“微波”是指微波工作频段宽,它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段,可容纳较其他频段多得多的话路。“多路”是指微波通信的通信容量大,即微波通信设备的通频带可以做得很宽。“接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。由于通信技术的发展以及通信设备的数字化,数字微波占据了绝对的比重。数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外,还具有数字通信的特点:(1)抗干扰性强、整个线路噪声不累积;(2)保密性强,便于加密;(3)器件便于固态化和集成化,设备体积小、耗电少;(4)便于组成综合业务数字网(ISDN)。和模拟微波通信

6、相比,数字微波的主要缺点是:(1)要求传输信道带宽较宽,因而会产生频率选择性衰落;(2)抗衰落技术复杂。1.2.2 卫星通信的特点卫星通信的特点静止卫星通信具有以下优点:(1)通信距离远,且费用与通信距离无关。(2)覆盖面积大,可以进行多址通信。(3)通信频带宽,传输容量大,适于多种业务传输。(4)通信质量高,通信线路稳定可靠。(5)通信电路灵活、机动性好。(6)可以自发自收地进行监测。静止卫星通信还有一些缺点:(1)静止卫星的发射与控制技术比较复杂。(2)地球的两极地区为通信盲区,而且地球的高纬度地区通信效果不好。(3)存在星蚀和日凌中断现象。(4)有较大的信号传输时延和回波干扰。(5)具有

7、广播特性,保密措施要加强。1.3 微波通信系统微波通信系统1.3.1-数字微波中继通信系统的组成数字微波中继通信系统的组成一条数字微波中继通信线路由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波的传播空间所构成,如图1-6(a)所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号,调制到微波频率上并发射出去;或者反之,将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备,或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路,所以中继站又分为中间站、分路站和枢纽站,如图1-6(b)所示。中间站不能发送、接收话路信号,即不能上、下话路,而枢纽站能上、下话

8、路。图1-6 数字微波中继通信线路的组成及微波中继站的类型1.3.2 微波中继站的中继方式微波中继站的中继方式微波中继站的中继方式可以分成直接中继(射频转接)、外差中继(中频转接)、基带中继(再生中继)三种中继方式。不同的中继方式的微波系统构成是不一样的。中继方式可以是直接中继和中频转接,枢纽站为再生中继方式且可以有上下话路。直接中继最简单,只是将收到的射频信号直接移到其他射频上,无需经过微波中频微波的上下变频过程,因而信号传输失真小。这种方式的设备量小,电源功耗低,适用于无需上下话路的无人值守中继站,其基本设备如图1-7所示。图1-7 直接中继方式外差中继是将射频信号进行中频解调,在中频进行

9、放大,然后经过上变频调制到微波频率,发送到下一站,其基本设备如图1-8所示。图1-8 外差中继方式基带中继是三种中继方式中最复杂的,如图1-9所示。图1-9 基带中继方式1.4 卫星通信系统卫星通信系统1.4.1-卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成卫星通信系统由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成,如图1-10所示。图1-10 卫星通信系统的组成1.4.2 卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成一个卫星通信系统包括许多通信地球站。卫星通信线路由发端地球站、上行线传输路径、卫星转发器、下行线传输路径和收端地球站组成,可直接用于通信,其构成框图如图1

10、-11所示。图1-11-卫星通信线路的基本组成1)卫星转发器通信卫星是一个设在空中的微波中继站,卫星中的通信系统称为卫星转发器,其主要功能是:收到地面发来的信号(称为上行信号)后,进行低噪声放大,然后混频,混频后的信号再进行功率放大,然后发射回地面(这时的信号称为下行信号)。卫星通信中,上行信号和下行信号的频率是不同的,这是为了避免在卫星通信天线中产生同频率信号干扰。2)通信地球站(1)天线馈线设备。天线是一种定向辐射和接收电磁波的装置。(2)发射设备。发射设备的任务是将信道终端设备输出的中频信号(7018 MHz)变换成射频信号(6GHz左右),并把这一信号的功率放大到一定值。(3)接收设备

11、。接收设备的任务是把接收到的极其微弱的卫星转发信号首先进行低噪声放大(对4GHz左右的信号进行放大,而放大器本身引入的噪声很小),然后变频到中频信号(7018)MHz,供信道终端设备进行解调及其他处理。(4)信道终端设备。对发送支路来讲,信道终端的基本任务是将用户设备(电话、电话交换机、计算机、传真机等)通过传输线接口输入的信号加以处理,使之变成适合卫星信道传输的信号形式。对用户信号的处理,可包括模拟信号数字化、信源编码/解码、信道编码/解码、中信号的调制/解调等。目前,世界上有各种卫星通信系统,各种通信系统的主要特点主要集中在信道终端设备所采用的技术上。1.5 微波与卫星通信的频率配置微波与

12、卫星通信的频率配置1.5.1-微波通信的频率配置微波通信的频率配置波道是指频分制微波通信系统中的不同射频通道。频率配置应包括各波道收发信频率的确定,并根据选定的中频频率确定收、发本振频率。在选择频率配置方案时,应遵循以下基本原则:(1)在一个中间站,一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率,而且有足够大的间隔,以避免电平很高的发送信号被本站的收信机收到,使正常的电平极低的接收信号受到干扰。(2)多波道同时工作,相邻波道频率之间必须有足够的间隔,以免发生邻波道干扰。(3)整个频谱安排必须紧凑合理,使给定的通信频段能得到经济的利用,并能传输较高的信号速率。(4)因微波天线塔的建设费用很高,多波道系

13、统要设法共用天线。所以选用的频率配置方案应有利于天线共用,达到既能降低天线建设总投资,又能满足技术指标的目的。(5)不应产生镜像干扰。即不允许某一波道的发信频率等于其他波道收信机的镜像频率。1.射频波道频率配置方式射频波道频率配置方式ITU R关于波道频率配置的建议规定了各频段的波道配置方法。在ITU R 建议的基础上国家无线电委员会也公布了一系列的频率配置方案。1)集体排列方案射频波道可以分为收信和发信波道。通常的做法是将某一频段的2n 个波道分割成低端与高端两段,每段有n 个波道,分别记为f1、f2、fn及f1、f2、fn。对某台收发信机来说,如果发信波道取低端的话,则收信波道一定取高端相

14、应的fi,反之亦然,如图1-12所示。这样fi和fi 就组成了一对波道,整个频段共有n 对波道。我们还规定fi-fi为同一对波道的收发中心频率间隔。f0 为中心频率,n 为工作波道对的数目,f带宽为占用带宽,并有图1-12 多波道频率配置(集体排列方案)2)交替波道配置方案为了使更多的波道能够共用天线并减小系统内的干扰,现在微波天线大多采用双极化。对于双极化的天线和圆馈线,通常使用两种互相垂直的极化波水平极化波和垂直极化波。3)同波道交叉极化方案为了提高频谱利用率,可以使用同波道交叉极化方案。2.SDH 常用频段的射频波道配置常用频段的射频波道配置根据 CCIR第746号建议,SDH 微波通信

15、系统的射频波道配置应该与现有的射频波道配置方法兼容,便于SDH 微波传输系统的推广,尽量减少对现有 PDH 微波传输系统的影响。“130GHz数字微波接力通信系统容量系列及射频波道配置”的国家标准中规定1.5GHz和2GHz频段的波道带宽较窄,取2MHz、4MHz、8 MHz、14 MHz波道带宽,适用于中、小容量的信号传输速率。4、5、6GHz频段的电波传播条件较好,用于大容量的高速率信号传输,如SDH 信号的传输。选取这三个频段的部分射频波道的配置参数列于表1-1,供参考。1.5.2 卫星通信的频率配置卫星通信的频率配置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

16、的发射功率、天线口径尺寸及设备的复杂程度等。在选择工作频段时,主要考虑以下因素:(1)天线系统接收的外界干扰噪声要小。(2)电波传播损耗及其他损耗要小。(3)设备重量要轻,体积小,耗电小。(4)可用频带要宽,以满足传输容量的要求。(5)与其他地面无线系统(微波中继通信系统、雷达系统等)之间的相互干扰要尽量小。(6)能充分利用现有的通信技术和设备。目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作:(1)UHF(超高频)频段400/200MHz。(2)微波 L频段1.6/1.5GHz。(3)微波 C频段6.0/4.0GHz。(4)微波 X频段8.0/7.0GHz。(5)微波 Ku频段14.0/12.0GH

17、z和14.0/11.0GHz。(6)微波 Ka频段30/20GHz。为了不与上述的民用卫星通信系统干扰,许多国家的军用和政府用的卫星通信系统使用8/7GHz频段。其上行频率为7.98.4GHz,下行频率为7.25 7.75GHz。由于卫星通信业务量的急剧增加,110GHz的无线电窗口日益拥挤,14/11GHz频段已得到开发和使用。其上行频率为 1414.5GHz,下行频率为 10.9511.2GHz和11.4511.7GHz等。1.6 微波与卫星通信的发展微波与卫星通信的发展1.6.1-微波通信的发展微波通信的发展微波通信的发展趋势:可以作为干线光纤传输的备份和补充,采用 PDH 微波以及点对

18、点的SDH 微波等;可用于海岛、农村等边远地区以及专享通信网中为用户提供基本业务的场合,这时候可以使用微波点对点、点对多点系统;用于城市的短距离支线连接,比如移动通信基站之间、局域网之间等方面。1.6.2 卫星通信的发展卫星通信的发展从1957年前苏联发射了世界上第一颗卫星Sputnik以来,卫星通信技术的发展非常迅速。1965年春,第一颗商用卫星“晨鸟”进入静止轨道,成为第一代国际通信卫星。目前,国际通信卫星已经历8代,第9代正在建立,是当代全球最大的通信卫星系统。伴随着通信卫星的发 展,通 信 卫 星 组 织 的 发 展 也 非 常 迅 速。我国自1970年成功发射了第一颗卫星以来,已经先

19、后发射了数十颗各种用途的卫星。现如今,我国的卫星通信技术已经迈入了国际领先领域。卫星通信的发展趋势:地球同步轨道通信卫星向大容量、多波束、智能化等方面发展。低轨卫星群将会与蜂窝通信技术进行结合,从而实现全球个人通信。小型卫星通信地面站的应用范围将会进一步扩大等。本本 章章 小小 结结(1)微波通信、卫星通信的基本概念:微波通信是指利用微波携带信息,通过电波空间进行传输的一种通信方式;卫星通信实际上就是利用通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信。(2)微波通信的特点是“微波、多路、接力”。静止卫星通信的优点是通信距离远,且费用与通信距离无关;覆盖面积大,可以进行多址通信;通信频带宽,传

20、输容量大,适于多种业务传输;通信质量高,通信线路稳定可靠;通信电路灵活、机动性好;可以自发自收地进行监测。静止卫星通信的不足之处:静止卫星的发射与控制技术比较复杂;盲区及地球的高纬度地区通信效果不好;存在星蚀和日凌中断现象;有较大的信号传输时延和回波干扰;保密性差。(3)数字微波通信线路由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波的传播空间所构成。(4)卫星通信系统由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成。(5)卫星通信线路由发端地球站、上行线传输路径、卫星转发器、下行线传输路径和收端地球站组成。(6)微波通信的频率配置遵循的原则是:单向波道的收信和发信必须使用不同频率;多波道同时工作,相邻波道频率之间必须有足够的间隔;频谱安排必须紧凑合理;系统应有利于天线共用;不应产生镜像干扰。(7)卫星通信工作频段的选择区域:电波能穿透电离层的特高频或微波频段。(8)卫星通信常用工作频段:UHF(超高频)频段(400/200 MHz);微波 L频段(1.6/1.5GHz);微 波 C 频 段(6.0/4.0 GHz);微 波 X 频 段(8.0/7.0 GHz);微 波 Ku 频 段(14.0/12.0GHz和14.0/11.0GHz);微波 Ka频段(30/20GHz)。