《數(shù)字微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《數(shù)字微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)（76頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、1,數(shù)字微波與衛(wèi)星通信,武漢大學國際軟件學院張 昀,Company Logo,2,主要內容,無線電通信概論 數(shù)字微波通信 衛(wèi)星通信,Company Logo,3,電磁波傳遞聲音和圖像信號的原理,電磁波傳遞聲音和圖像信號就象鴿子送信一樣 先將信號載在電磁波上，再把載有信號的電磁波發(fā)射出去，到達接收處設法從電磁波上把信號檢出來.,Company Logo,4,電磁波波譜,Company Logo,5,電磁波頻率,任何信號都具有一定的頻率或波長。這里所講的頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。 無線電波只是一種波長比較長的電磁波, 占據的頻率范圍很廣。 在自由空間中, 波長與頻率存在以下關系:
2、 c = f *=無線電波傳播速度（300000公里/秒）,Company Logo,6,式中: c為光速, f 和分別為無線電波的頻率和波長, 因此, 無線電波也可以認為是一種頻率相對較低的電磁波。 對頻率或波長進行分段, 分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產生、放大和接收的方法不同, 傳播的能力和方式也不同, 因而它們的分析方法和應用范圍也不同。,電磁波頻率,Company Logo,7,頻率劃分,Company Logo,8,無線電波傳播,在均勻媒質中以恒定的速度沿直線傳播，由于能量的擴散和媒質的吸收，離開波源越遠強度越小 在非均勻媒質中傳播時，不但速度發(fā)生變化而且會產生 反射 折射
3、繞射 散射,Company Logo,9,傳播特性指的是無線電信號的傳播方式、 傳播距離、 傳播特點等。 無線電信號的傳播特性主要根據其所處的頻段或波段來區(qū)分。 電磁波從發(fā)射天線輻射出去后, 不僅電波的能量會擴散, 接收機只能收到其中極小的一部分, 而且在傳播過程中, 電波的能量會被地面、 建筑物或高空的電離層吸收或反射, 或者在大氣層中產生折射或散射等現(xiàn)象, 從而造成到達接收機時的強度大大衰減。 ,無線電波傳播特性,Company Logo,10,無線電波的傳播方式,無線電波的傳播方式是指無線電波從發(fā)射點到接收點的傳播路徑 根據無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象, 電波的傳播方式主要有： 直射（
4、視距）傳播（超短波、微波） 繞射（地波）傳播（超長波、長波、中波） 反射（天波）傳播（中波、短波） 散射傳播（超短波） 決定傳播方式和傳播特點的關鍵因素是無線電信號的頻率。,Company Logo,11,圖1 5 無線電波的主要傳播方式 （a） 直射傳播; （b） 地波傳播; （c） 天波傳播; （d） 散射傳播,Company Logo,12,媒體空間對無線電波傳播的影響,傳輸損耗 電波傳播方向的變化 多徑效應 衰落現(xiàn)象：電磁波在傳播過程中，由于傳播媒介及傳播途徑隨時間的變化而引起的接收信號強弱變化的現(xiàn)象叫作衰落。譬如在收話時，聲音一會兒強，一會兒弱，這就是衰落現(xiàn)象。,Company Lo
5、go,13,電磁波的發(fā)射過程,(1)由高頻振蕩器產生高頻振蕩電流 (2)把要傳遞的聲音和圖像信號變成電流信號(電信號) (3)將振蕩器產生的高頻振蕩電流和聲音、圖像的信號電流一同輸入到調制器中，使高頻振蕩電流隨著傳遞的聲音圖像信號發(fā)生相應的變化，再把這樣的高頻振蕩電流送到發(fā)射天線，發(fā)射的電磁波就帶有要傳遞的聲音圖像信號了.即所謂的將要傳遞的信號“加”到電磁波上.把帶有信號的電磁波發(fā)射出去.,Company Logo,14,電磁波的發(fā)射過程,,,,,,,,,,,Company Logo,15,無線電接收過程,(1)用天線接收電磁波. (2)用調諧器即收音機或電視機中選臺的電路選出所需要的電信號.
6、 (3)讓高頻振蕩電流經過檢波器，就能將要傳遞的聲音信號和圖像信號從高頻振蕩電流中“檢”出.把聲音信號和圖象信號分別送到揚聲器和電視機，就能聽到聲音和看到圖像.,Company Logo,16,無線電接收過程,,,,,,,,,Company Logo,17,微波是一種具有極高頻率（通常為 300MHz--300GHz)，波長很短，通常為1m--1mm的電磁波。 在微波頻段，由于頻率很高，電波的繞射能力弱，所以信號的傳輸主要是利用微波在視線距離內的直線傳播，又稱視距傳播。 這種傳播方式，雖然與短波相比，具有傳播較穩(wěn)定，受外界干擾小等優(yōu)點，但在電波的傳播過程中，卻難免受到地形，地物及氣候狀況的影響
7、而引起反射，折射，散射和吸收現(xiàn)象，產生傳播衰落和傳播失真。,微波,Company Logo,18,利用微波做傳輸媒介進行的通信，叫微波通信。它往往是長途，大容量通信的無線傳輸工具。 目前使用的范圍只有1GHz--40GHz。各國的通信設備已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各頻段。,微波通信,Company Logo,19,數(shù)字微波通信系統(tǒng),數(shù)字微波通信是指利用微波攜帶數(shù)字信息，通過電波空間，同時傳送若干相互無關信息，并進行再生中繼的通信方式。 數(shù)字信號用微波信道進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，兼有?shù)字通信和微波通信的特點。,Company Logo,20,,中繼傳輸方式,,,,,地面
8、微波接力通信系統(tǒng)工作在46GHz，它通過地面多座中繼站在兩地之間建立通信鏈路，相鄰中繼站的距離為視距（約50Km）。,Company Logo,21,地面微波接力,兩個地面站之間傳送 距離：50 -100 km；頻率：2G --40GHz 依賴于天氣和頻率 應用：長距離傳輸話音和電視信號；大廈之間LAN互連,,地面站之間的直視線路,微波傳送塔,Company Logo,22,,,,數(shù)字微波系統(tǒng)組成,,Company Logo,23,,,,數(shù)字微波通信的特點,,1.頻帶寬干擾小 2.中繼傳輸組網靈活 3.抗干擾性強 4.保密性好 5.便于組成數(shù)字通信網,Company Logo,24,,,,數(shù)字
9、微波系統(tǒng)實例,,Company Logo,25,,,,數(shù)字復接技術,在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，為了擴大傳輸容量、提高傳輸效率，常常需要將若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速數(shù)字信號流，以便在高速信道中傳輸。數(shù)字復接技術就是解決這一問題的技術之一。常用的復接方法有兩種：同步復接和異步復接。,Company Logo,26,,,,同步復接是用一個高穩(wěn)定的主時鐘來控制被復接的幾個低次群信號，使這幾個低次群的碼速統(tǒng)一在主時鐘的頻率上，達到同頻、同相。 異步復接是各低次群使用各自的時鐘,因此各低次群的碼速率不同。此時，應先進行碼速調整，使各低次群碼速達到一致,然后再進行同步復接。,同步和異步復接,Company
10、Logo,27,,,,PCM技術在復接成一次群時，采用同步復接。但在復接成二、三、四次群時要采用異步復接。為復接方便，規(guī)定了各支路比特流之間的異步范圍，也就是規(guī)定了各支路時鐘之間允許的偏差標稱值范圍，這種對比特率偏差的約束就是所稱的準同步工作。相應的比特系列稱為準同步數(shù)字系列 (PDH Plesiochronous Digital Hierarchy )。 PDH的固有缺點如下：,準同步數(shù)字系列(PDH),Company Logo,28,準同步數(shù)字系列(PDH),,1.沒有統(tǒng)一標準,Company Logo,29,準同步數(shù)字系列(PDH),2. 光接口不規(guī)范 為了完成設備對光路上的傳輸性能進行
11、監(jiān)控各廠家各自采用自行開發(fā)的線路碼型。 典型的例子是mBnB碼，其中mB為信息碼，nB是冗余碼。冗余碼的作用是實現(xiàn)設備對線路傳輸性能的監(jiān)控功能。由于冗余碼的接入使同一速率等級上光接口的信號速率大于電接口的標準信號速率，不僅增加了發(fā)光器的光功率代價，而且由于各廠家在進行線路編碼時為完成不同的線路監(jiān)控功能，在信息碼后加上不同的冗余碼，導致不同廠家同一速率等級的光接口碼型和速率也不一樣，致使不同廠家的設備無法實現(xiàn)橫向兼容。這樣在同一傳輸路線兩端必須采用同一廠家的設備，給組網管理及網絡互通帶來困難。,Company Logo,30,,從高速信號中分/插出低速信號要一級一級的進行。例如從140Mbit/
12、s的信號中分/插出2Mbit/s低速信號要經過如圖過程 由于低速信號分/插到高速信號要通過層層的復用和解復用過程。這樣就會使信號在復用/解復用過程中產生的損傷加大，使傳輸性能劣化，在大容量傳輸時此種缺點是不能容忍的。這也就是為什么PDH體制傳輸信號的速率沒有更進一步提高的原因。,3.不便復接,Company Logo,31,準同步數(shù)字系列(PDH),4.不便網管 由于沒有統(tǒng)一的網管接口，這就使你買一套某廠家的設備就需買一套該廠家的網管。系統(tǒng)容易形成七國八制的局面，不利于形成統(tǒng)一的電信管理網。,Company Logo,32,,,,為了解決PDH的缺點，美國貝爾通信研究所提出同步光網絡(SONE
13、T)的概念。原CCITT于1988年接受了SONET的概念，重新命名為同步數(shù)字系列(SDH)，使之成為不僅適用于光纖，也適用于微波及衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄓ眉夹g體制。SDH是數(shù)字通信中一種全新的世界體制。,SDH的產生,Company Logo,33,,,SDH的基本概念,,SDH（SynchronousDigitalHierarchy）是一種將復接、線路傳輸及交換功能融為一體、并由統(tǒng)一網管系統(tǒng)操作的綜合信息傳送網絡。,Company Logo,34,SDH的基本概念,在SDH網中SDH的信號實際上起著運貨車的功能。它將各種不同體制的信號（本課程主要是指PDH信號）象貨物一樣打成不同大小的速率級別包，然
14、后裝入貨車，裝入STM-N幀中，在SDH的主干道上，光纖上傳輸。在收端，從貨車上卸下打成貨包的貨物（其它體制的信號），然后拆包封恢復出原來體制的信號。,Company Logo,35,,,,1.統(tǒng)一接口 2.標準化等級 3.豐富的幀結構 4.靈活復用 5.網管規(guī)范 6.與PDH兼容,SDH的基本特點,,Company Logo,36,,,Company Logo,37,衛(wèi)星通信系統(tǒng),,利用衛(wèi)星進行通信的科學設想，是在1945年由英國的克拉克首先提出的。但直至1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，人們才真正看到實現(xiàn)衛(wèi)星通信的希望。1962年，美國成功地發(fā)射了第一顆通信衛(wèi)星,試驗了橫跨
15、大西洋的電話傳輸。于是,經過二十多年的探索和試驗，衛(wèi)星通信終于跨入了實用階段，漸漸走近我們的生活。,Company Logo,38,衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述,,衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)無線電信號，在多個地球站之間進行的通信。由于作為中繼站的衛(wèi)星離地面很高，所以經過一次中繼轉接之后即可進行長距離的通信。用于實現(xiàn)通信目的的這種人造地球衛(wèi)星被稱為通信衛(wèi)星。衛(wèi)星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微波頻段。,Company Logo,39,衛(wèi)星通信的基本概念,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,通信衛(wèi)星,地面站A,地面站B,Company Logo,40,使用微波 使用轉發(fā)器接收和轉發(fā) 可支
16、持點到多點傳送,,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,,,應用：傳輸電視信號、遠距離話音傳輸、組建專用網,通信衛(wèi)星：微波中繼站,,Company Logo,41,地球同步衛(wèi)星,與地面站相對固定位置 使用3個衛(wèi)星覆蓋全球,,,,,,,,,,36,000 公里,地球,Company Logo,42,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點,,通信距離遠 覆蓋面積大，可以進行多址通信 通信頻帶寬、容量大 性能穩(wěn)定可靠,Company
17、 Logo,43,衛(wèi)星通信的頻段選擇,,早期的同步通信衛(wèi)星使用的工作頻段主要是C波段（4/6GHz），因為當時同一波段的微波接力通信技術已比較成熟，開發(fā)費用低，并且該波段處于地球的無線電窗口范圍內，大氣層吸收很小。隨著通信技術的發(fā)展和通信業(yè)務的增加，新的波段不斷被開發(fā)，目前Ku波段 （11/14GHz）已大量應用于民用衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播業(yè)務，20/30GHz頻段也已投入使用。,Company Logo,44,自由空間的傳播損耗,,由于衛(wèi)星通信用的無線電波主要是在大氣層以外的宇宙空間內傳播，而宇宙空間是接近真空狀態(tài)的，并且由于在目前所使用的頻段范圍內，與自由空間的傳播衰耗相比，大氣層的衰減損耗很
18、小，所以基本上可以認為，電波是在均勻媒介的自由空間內傳播，信道的特性較穩(wěn)定。因此，從信道性質來說,一般都認為是恒參信道。,Company Logo,45,衛(wèi)星通信的多址連接方式,,所謂多址連接方式，就是許多個地面站通過共同的通信衛(wèi)星來實現(xiàn)覆蓋區(qū)域內的相互連接，而無需中間轉接。這就要求各個地面站發(fā)向其它地面站的信號之間必須有區(qū)別。,Company Logo,46,頻分多址方式,,頻分多址（FDMA）是根據各地面站發(fā)射的信號頻率不同，按照頻率的高低，順序排列在衛(wèi)星的頻帶里，各地面站的信號頻譜要排列得互相不重疊。也就是說，按照頻率不同來區(qū)分是哪個站址。,Company Logo,47,時分多址方式,
19、,時分多址（TDMA）是將通過衛(wèi)星轉發(fā)器的信號在時間上分成“幀”來進行多址劃分的，在一幀內又劃分成若干個時隙，將這些時隙分配給地面站，只允許各地面站在所規(guī)定的時隙內發(fā)射信號。,Company Logo,48,空分多址方式,,空分多址（SDMA）是指在衛(wèi)星上安裝多個天線，這些天線的波束分別指向地球表面上的不同區(qū)域。不同區(qū)域的地面站所發(fā)射的電波在空間不會互相重疊，即使在同一時間、不同區(qū)域的地面站使用相同的頻率來工作，它們之間也不會形成干擾。,Company Logo,49,碼分多址方式,,碼分多址方式（CDMA）的原理是：利用自相關性非常強而互相關性非常弱的周期性碼序列作為地址信息，對被用戶信息調
20、制過的已調波進行再次調制，使其頻譜大為展寬（稱為擴頻）；經衛(wèi)星信道傳輸后，在接收端以本地產生的已知的地址碼為參考，根據相關性的差異對收到的所有信號進行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原為窄帶而選出，其它與本地地址碼無關的信號則仍保持或擴展為寬帶信號而濾去。,Company Logo,50,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,,Company Logo,51,通信衛(wèi)星,,通信衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。,Company Logo,52,通信衛(wèi)星的組成,,在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，所有地面站發(fā)出的信號都是經過衛(wèi)星中繼轉發(fā)到地面接收站的。為了完成這一轉發(fā)的任務，衛(wèi)星上必須配備轉發(fā)無線電信號的通信系統(tǒng)
21、與天線系統(tǒng)。除此之外，為了保證通信衛(wèi)星的正常工作，還必須配備控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。,Company Logo,53,控制系統(tǒng),,控制系統(tǒng)的任務是根據地面指令信號來控制衛(wèi)星姿態(tài)和位置等。通信衛(wèi)星的控制系統(tǒng)包括衛(wèi)星的位置控制系統(tǒng)和衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)。,Company Logo,54,天線系統(tǒng),,通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)包括通信天線和遙測指令天線兩種。它們的特點是：體積小、重量輕、饋電容易，有便于在衛(wèi)星上組裝的結構以及可靠性高和壽命長等。,Company Logo,55,遙測指令系統(tǒng),,為了保持衛(wèi)星的正常運轉和通信，需要及時了解衛(wèi)星內部的各種情況和設備的工作是否正常。在必要時，應該通過遙測信號（即指
22、令信號）去控制衛(wèi)星上某些設備的動作；另外，當一些部件發(fā)生故障時，還需自動將備份件轉換上去等。所有這些工作都是通過衛(wèi)星上的遙測系統(tǒng)來完成。,Company Logo,56,衛(wèi)星轉發(fā)器（通信系統(tǒng)）,,在通信衛(wèi)星的各組成系統(tǒng)中，真正起到衛(wèi)星通信中繼站作用的是通信系統(tǒng)，也叫轉發(fā)器。,雙變頻轉發(fā)器,Company Logo,57,電源系統(tǒng),,通信衛(wèi)星的電源一般同時采用太陽能電池和化學電池（或原子能電池）。通常太陽能電池作為常用電源使用，當衛(wèi)星進入地球陰影區(qū)(或者說衛(wèi)星日蝕)時，使用化學電池供電。,Company Logo,58,衛(wèi)星地面站,,Company Logo,59,地面站的組成,,Company
23、 Logo,60,地面站發(fā)射系統(tǒng)的組成,,Company Logo,61,地面站接收系統(tǒng)的組成,,Company Logo,62,饋線,,Company Logo,63,地面站電源系統(tǒng),,一般情況下使用交流市電供電 偶然斷電時使用蓄電池供電 長期或定期斷電時使用柴油發(fā)電機,Company Logo,64,電源機柜與蓄電池,,Company Logo,65,衛(wèi)星通信的新技術,,近年來衛(wèi)星通信技術發(fā)展很快，為適應各種業(yè)務的需求，許多新技術、新系統(tǒng)不斷產生。其中已開始應用的有VSAT系統(tǒng)、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。,Company Logo,66,VSAT系統(tǒng),,Company Logo,67,VSAT
24、系統(tǒng)的發(fā)展,,目前，VSAT系統(tǒng)主要正在以下幾個方面進行改進： 降低成本和安裝費用 擴大業(yè)務范圍 完成多種連接 開發(fā)新的網絡系統(tǒng),Company Logo,68,LEO系統(tǒng),,低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，簡稱LEO，由距地面高度5001500Km左右的眾多衛(wèi)星組成，運行在多個軌道上，與地球自轉不能保持同步，所以也叫非同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。,Company Logo,69,LEO系統(tǒng)的特點,,衰耗小時延短 通信質量好 容量大 發(fā)射成本低 移動終端小型化,Company Logo,70,LEO系統(tǒng)的原理,,LEO系統(tǒng)與地面蜂窩移動通信系統(tǒng)的基本原理相似，都采用劃分小區(qū)和重復使用頻率的方法進行通信。不同的是LE
25、O系統(tǒng)相當于把基站安裝在天空上，一個衛(wèi)星就相當于一個基站。由于天線和中繼器等都安裝在衛(wèi)星上，所以隨著衛(wèi)星的移動，基站、天線等都是不停地移動著的。,Company Logo,71,典型商用衛(wèi)星通信系統(tǒng),,銥系統(tǒng) 全球星系統(tǒng) 海事衛(wèi)星通信系統(tǒng),Company Logo,72,銥系統(tǒng),,這是由美國摩托羅拉公司在1988年提出的覆蓋全球的LEO系統(tǒng)，1998年投入使用。原計劃采用77顆衛(wèi)星，與銥原子的電子數(shù)相等，故名。后來銥系統(tǒng)實際采用66顆衛(wèi)星，環(huán)繞6條均勻分布的近極圓軌道運行。相鄰軌道平面上的衛(wèi)星按相反方向運行。軌道高度約為780 km，每個軌道平面分布11顆衛(wèi)星及1顆備用衛(wèi)星。,Company
26、Logo,73,全球星系統(tǒng),,全球星系統(tǒng)是由美國勞拉公司和高通公司發(fā)起的。它有48顆衛(wèi)星，另加8顆備用衛(wèi)星，分布在8個傾角為520的圓軌道上。軌道高度為1414Km,每個軌道分布6顆衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星。系統(tǒng)覆蓋南北緯700以內地區(qū)，在其中每個區(qū)有24顆衛(wèi)星加以覆蓋。,Company Logo,74,全球星系統(tǒng)組成,,Company Logo,75,海事衛(wèi)星通信系統(tǒng),,1979年國際海事衛(wèi)星組織(INMARSAT)宣告正式成立，當時共有28個成員國。INMARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)屬GEO模式，由分布在大西洋、印度洋和太平洋三個區(qū)域上空的同步衛(wèi)星所組成，以形成覆蓋全球的通信網,是目前世界上能對海、陸、空中的移動體提供同步衛(wèi)星通信的唯一系統(tǒng)。,Company Logo,76,INMARSAT系統(tǒng)的組成,,船站 岸站 網絡協(xié)調站 衛(wèi)星中繼站組成。,
數(shù)字微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)
