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1、1,数字微波与卫星通信,武汉大学国际软件学院张 昀,Company Logo,2,主要内容,无线电通信概论 数字微波通信 卫星通信,Company Logo,3,电磁波传递声音和图像信号的原理,电磁波传递声音和图像信号就象鸽子送信一样先将信号载在电磁波上，再把载有信号的电磁波发射出去，到达接收处设法从电磁波上把信号检出来.,Company Logo,4,电磁波波谱,Company Logo,5,电磁波频率,任何信号都具有一定的频率或波长。这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。无线电波只是一种波长比较长的电磁波,占据的频率范围很广。在自由空间中,波长与频率存在以下关系:c=f*=无线电波
2、传播速度（300000公里/秒）,Company Logo,6,式中:c为光速,f 和分别为无线电波的频率和波长,因此,无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段,分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同,因而它们的分析方法和应用范围也不同。,电磁波频率,Company Logo,7,频率划分,Company Logo,8,无线电波传播,在均匀媒质中以恒定的速度沿直线传播，由于能量的扩散和媒质的吸收，离开波源越远强度越小在非均匀媒质中传播时，不但速度发生变化而且会产生反射折射绕射散射,Company Logo,9,传播特性指的
3、是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后,不仅电波的能量会扩散,接收机只能收到其中极小的一部分,而且在传播过程中,电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射,或者在大气层中产生折射或散射等现象,从而造成到达接收机时的强度大大衰减。,无线电波传播特性,Company Logo,10,无线电波的传播方式,无线电波的传播方式是指无线电波从发射点到接收点的传播路径根据无线电波在传播过程所发生的现象,电波的传播方式主要有：直射（视距）传播（超短波、微波）绕射（地波）传播（超长波、长波、中波）反射（天波）传播（中
4、波、短波）散射传播（超短波）决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。,Company Logo,11,图1 5 无线电波的主要传播方式（a）直射传播;（b）地波传播;（c）天波传播;（d）散射传播,Company Logo,12,媒体空间对无线电波传播的影响,传输损耗电波传播方向的变化多径效应衰落现象：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。,Company Logo,13,电磁波的发射过程,(1)由高频振荡器产生高频振荡电流(2)把要传递的声音和图像信号变成电流信号(电信号
5、)(3)将振荡器产生的高频振荡电流和声音、图像的信号电流一同输入到调制器中，使高频振荡电流随着传递的声音图像信号发生相应的变化，再把这样的高频振荡电流送到发射天线，发射的电磁波就带有要传递的声音图像信号了.即所谓的将要传递的信号“加”到电磁波上.把带有信号的电磁波发射出去.,Company Logo,14,电磁波的发射过程,Company Logo,15,无线电接收过程,(1)用天线接收电磁波.(2)用调谐器即收音机或电视机中选台的电路选出所需要的电信号.(3)让高频振荡电流经过检波器，就能将要传递的声音信号和图像信号从高频振荡电流中“检”出.把声音信号和图象信号分别送到扬声器和电视机，就能听
6、到声音和看到图像.,Company Logo,16,无线电接收过程,Company Logo,17,微波是一种具有极高频率（通常为 300MHz-300GHz)，波长很短，通常为1m-1mm的电磁波。在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离內的直线传播，又称视距传播。这种传播方式，虽然与短波相比，具有传播较稳定，受外界干扰小等优点，但在电波的传播过程中，却难免受到地形，地物及气候状況的影响而引起反射，折射，散射和吸收现象，产生传播衰落和传播失真。,微波,Company Logo,18,利用微波做传输媒介進行的通信，叫微波通信。它往往是长途，大容量通信的
7、无线传输工具。目前使用的范围只有1GHz-40GHz。各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。,微波通信,Company Logo,19,数字微波通信系统,数字微波通信是指利用微波携带数字信息，通过电波空间，同时传送若干相互无关信息，并进行再生中继的通信方式。数字信号用微波信道进行传输的通信方式，兼有数字通信和微波通信的特点。,Company Logo,20,中继传输方式,地面微波接力通信系统工作在46GHz，它通过地面多座中继站在两地之间建立通信链路，相邻中继站的距离为视距（约50Km）。,Company Logo,21,地面微波接力,两个地面站之间传送
8、距离：50-100 km；频率：2G-40GHz依赖于天气和频率应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连,地面站之间的直视线路,微波传送塔,Company Logo,22,数字微波系统组成,Company Logo,23,数字微波通信的特点,1.频带宽干扰小2.中继传输组网灵活3.抗干扰性强4.保密性好5.便于组成数字通信网,Company Logo,24,数字微波系统实例,Company Logo,25,数字复接技术,在数字传输系统中，为了扩大传输容量、提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速信道中传输。数字复接技术就是解决这一问题的技术之一。
9、常用的复接方法有两种：同步复接和异步复接。,Company Logo,26,同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群信号，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，达到同频、同相。异步复接是各低次群使用各自的时钟,因此各低次群的码速率不同。此时，应先进行码速调整，使各低次群码速达到一致,然后再进行同步复接。,同步和异步复接,Company Logo,27,PCM技术在复接成一次群时，采用同步复接。但在复接成二、三、四次群时要采用异步复接。为复接方便，规定了各支路比特流之间的异步范围，也就是规定了各支路时钟之间允许的偏差标称值范围，这种对比特率偏差的约束就是所称的准同步工作。相应的
10、比特系列称为准同步数字系列(PDH Plesiochronous Digital Hierarchy)。PDH的固有缺点如下：,准同步数字系列(PDH),Company Logo,28,准同步数字系列(PDH),1.没有统一标准,Company Logo,29,准同步数字系列(PDH),2.光接口不规范为了完成设备对光路上的传输性能进行监控各厂家各自采用自行开发的线路码型。典型的例子是mBnB码，其中mB为信息码，nB是冗余码。冗余码的作用是实现设备对线路传输性能的监控功能。由于冗余码的接入使同一速率等级上光接口的信号速率大于电接口的标准信号速率，不仅增加了发光器的光功率代价，而且由于各厂家在
11、进行线路编码时为完成不同的线路监控功能，在信息码后加上不同的冗余码，导致不同厂家同一速率等级的光接口码型和速率也不一样，致使不同厂家的设备无法实现横向兼容。这样在同一传输路线两端必须采用同一厂家的设备，给组网管理及网络互通带来困难。,Company Logo,30,从高速信号中分/插出低速信号要一级一级的进行。例如从140Mbit/s的信号中分/插出2Mbit/s低速信号要经过如图过程由于低速信号分/插到高速信号要通过层层的复用和解复用过程。这样就会使信号在复用/解复用过程中产生的损伤加大，使传输性能劣化，在大容量传输时此种缺点是不能容忍的。这也就是为什么PDH体制传输信号的速率没有更进一步提
12、高的原因。,3.不便复接,Company Logo,31,准同步数字系列(PDH),4.不便网管由于没有统一的网管接口，这就使你买一套某厂家的设备就需买一套该厂家的网管。系统容易形成七国八制的局面，不利于形成统一的电信管理网。,Company Logo,32,为了解决PDH的缺点，美国贝尔通信研究所提出同步光网络(SONET)的概念。原CCITT于1988年接受了SONET的概念，重新命名为同步数字系列(SDH)，使之成为不仅适用于光纤，也适用于微波及卫星传输的通用技术体制。SDH是数字通信中一种全新的世界体制。,SDH的产生,Company Logo,33,SDH的基本概念,SDH（Sync
13、hronousDigitalHierarchy）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。,Company Logo,34,SDH的基本概念,在SDH网中SDH的信号实际上起着运货车的功能。它将各种不同体制的信号（本课程主要是指PDH信号）象货物一样打成不同大小的速率级别包，然后装入货车，装入STM-N帧中，在SDH的主干道上，光纤上传输。在收端，从货车上卸下打成货包的货物（其它体制的信号），然后拆包封恢复出原来体制的信号。,Company Logo,35,1.统一接口2.标准化等级3.丰富的帧结构4.灵活复用5.网管规范6.与PDH兼容,SDH的基本特
14、点,Company Logo,36,Company Logo,37,卫星通信系统,利用卫星进行通信的科学设想，是在1945年由英国的克拉克首先提出的。但直至1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，人们才真正看到实现卫星通信的希望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信卫星,试验了横跨大西洋的电话传输。于是,经过二十多年的探索和试验，卫星通信终于跨入了实用阶段，渐渐走近我们的生活。,Company Logo,38,卫星通信系统概述,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，在多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通
15、信。用于实现通信目的的这种人造地球卫星被称为通信卫星。卫星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微波频段。,Company Logo,39,卫星通信的基本概念,通信卫星,地面站A,地面站B,Company Logo,40,使用微波使用转发器接收和转发可支持点到多点传送,地球,地面站,地面站,C波段 4/6 GHz 上行5.925-6.425 GHz 下行3.7-4.2 GHz Ku波段 12/14 GHz 上行14-14.5 GHz 下行11.7-12.2 GHz,应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网,通信卫星：微波中继站,Company Logo,41,地球同步卫星,与地面站相对固定位置
16、使用3个卫星覆盖全球,36,000公里,地球,Company Logo,42,卫星通信系统的优点,通信距离远 覆盖面积大，可以进行多址通信 通信频带宽、容量大 性能稳定可靠,Company Logo,43,卫星通信的频段选择,早期的同步通信卫星使用的工作频段主要是C波段（4/6GHz），因为当时同一波段的微波接力通信技术已比较成熟，开发费用低，并且该波段处于地球的无线电窗口范围内，大气层吸收很小。随着通信技术的发展和通信业务的增加，新的波段不断被开发，目前Ku波段（11/14GHz）已大量应用于民用卫星通信和卫星广播业务，20/30GHz频段也已投入使用。,Company Logo,44,自由
17、空间的传播损耗,由于卫星通信用的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间内传播，而宇宙空间是接近真空状态的，并且由于在目前所使用的频段范围内，与自由空间的传播衰耗相比，大气层的衰减损耗很小，所以基本上可以认为，电波是在均匀媒介的自由空间内传播，信道的特性较稳定。因此，从信道性质来说,一般都认为是恒参信道。,Company Logo,45,卫星通信的多址连接方式,所谓多址连接方式，就是许多个地面站通过共同的通信卫星来实现覆盖区域内的相互连接，而无需中间转接。这就要求各个地面站发向其它地面站的信号之间必须有区别。,Company Logo,46,频分多址方式,频分多址（FDMA）是根据各地面站发射的信
18、号频率不同，按照频率的高低，顺序排列在卫星的频带里，各地面站的信号频谱要排列得互相不重叠。也就是说，按照频率不同来区分是哪个站址。,Company Logo,47,时分多址方式,时分多址（TDMA）是将通过卫星转发器的信号在时间上分成“帧”来进行多址划分的，在一帧内又划分成若干个时隙，将这些时隙分配给地面站，只允许各地面站在所规定的时隙内发射信号。,Company Logo,48,空分多址方式,空分多址（SDMA）是指在卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域。不同区域的地面站所发射的电波在空间不会互相重叠，即使在同一时间、不同区域的地面站使用相同的频率来工作，它们之间也
19、不会形成干扰。,Company Logo,49,码分多址方式,码分多址方式（CDMA）的原理是：利用自相关性非常强而互相关性非常弱的周期性码序列作为地址信息，对被用户信息调制过的已调波进行再次调制，使其频谱大为展宽（称为扩频）；经卫星信道传输后，在接收端以本地产生的已知的地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出，其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去。,Company Logo,50,卫星通信系统的组成,Company Logo,51,通信卫星,通信卫星是卫星通信系统的重要组成部分。,Company L
20、ogo,52,通信卫星的组成,在卫星通信系统中，所有地面站发出的信号都是经过卫星中继转发到地面接收站的。为了完成这一转发的任务，卫星上必须配备转发无线电信号的通信系统与天线系统。除此之外，为了保证通信卫星的正常工作，还必须配备控制系统、遥测系统和电源系统。,Company Logo,53,控制系统,控制系统的任务是根据地面指令信号来控制卫星姿态和位置等。通信卫星的控制系统包括卫星的位置控制系统和卫星的姿态控制系统。,Company Logo,54,天线系统,通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种。它们的特点是：体积小、重量轻、馈电容易，有便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等。,
21、Company Logo,55,遥测指令系统,为了保持卫星的正常运转和通信，需要及时了解卫星内部的各种情况和设备的工作是否正常。在必要时，应该通过遥测信号（即指令信号）去控制卫星上某些设备的动作；另外，当一些部件发生故障时，还需自动将备份件转换上去等。所有这些工作都是通过卫星上的遥测系统来完成。,Company Logo,56,卫星转发器（通信系统）,在通信卫星的各组成系统中，真正起到卫星通信中继站作用的是通信系统，也叫转发器。,双变频转发器,Company Logo,57,电源系统,通信卫星的电源一般同时采用太阳能电池和化学电池（或原子能电池）。通常太阳能电池作为常用电源使用，当卫星进入地球
22、阴影区(或者说卫星日蚀)时，使用化学电池供电。,Company Logo,58,卫星地面站,Company Logo,59,地面站的组成,Company Logo,60,地面站发射系统的组成,Company Logo,61,地面站接收系统的组成,Company Logo,62,馈线,Company Logo,63,地面站电源系统,一般情况下使用交流市电供电偶然断电时使用蓄电池供电长期或定期断电时使用柴油发电机,Company Logo,64,电源机柜与蓄电池,Company Logo,65,卫星通信的新技术,近年来卫星通信技术发展很快，为适应各种业务的需求，许多新技术、新系统不断产生。其中已开
23、始应用的有VSAT系统、低轨道卫星通信系统等。,Company Logo,66,VSAT系统,Company Logo,67,VSAT系统的发展,目前，VSAT系统主要正在以下几个方面进行改进：降低成本和安装费用扩大业务范围 完成多种连接开发新的网络系统,Company Logo,68,LEO系统,低轨道卫星通信系统，简称LEO，由距地面高度5001500Km左右的众多卫星组成，运行在多个轨道上，与地球自转不能保持同步，所以也叫非同步卫星通信系统。,Company Logo,69,LEO系统的特点,衰耗小时延短 通信质量好 容量大 发射成本低 移动终端小型化,Company Logo,70,L
24、EO系统的原理,LEO系统与地面蜂窝移动通信系统的基本原理相似，都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信。不同的是LEO系统相当于把基站安装在天空上，一个卫星就相当于一个基站。由于天线和中继器等都安装在卫星上，所以随着卫星的移动，基站、天线等都是不停地移动着的。,Company Logo,71,典型商用卫星通信系统,铱系统 全球星系统 海事卫星通信系统,Company Logo,72,铱系统,这是由美国摩托罗拉公司在1988年提出的覆盖全球的LEO系统，1998年投入使用。原计划采用77颗卫星，与铱原子的电子数相等，故名。后来铱系统实际采用66颗卫星，环绕6条均匀分布的近极圆轨道运行。相邻轨
25、道平面上的卫星按相反方向运行。轨道高度约为780 km，每个轨道平面分布11颗卫星及1颗备用卫星。,Company Logo,73,全球星系统,全球星系统是由美国劳拉公司和高通公司发起的。它有48颗卫星，另加8颗备用卫星，分布在8个倾角为520的圆轨道上。轨道高度为1414Km,每个轨道分布6颗卫星和1颗备用卫星。系统覆盖南北纬700以内地区，在其中每个区有24颗卫星加以覆盖。,Company Logo,74,全球星系统组成,Company Logo,75,海事卫星通信系统,1979年国际海事卫星组织(INMARSAT)宣告正式成立，当时共有28个成员国。INMARSAT卫星系统属GEO模式，由分布在大西洋、印度洋和太平洋三个区域上空的同步卫星所组成，以形成覆盖全球的通信网,是目前世界上能对海、陆、空中的移动体提供同步卫星通信的唯一系统。,Company Logo,76,INMARSAT系统的组成,船站 岸站 网络协调站 卫星中继站组成。,
