通信行业微波与卫星通信概述3ppt2012课件

第1章 微波与卫星通信概述 微波与卫星通信的工作频率 都属于微波频率，所以它们既有共同 的特点，又各自具有本身的特点，且 组成单独的通信系统。 1.1 微波与卫星通信的基本概念与特 点 1.2 微波通信系统的组成 1.3 卫星通信系统的组成 1.4 微波与卫星通信的天线馈线系统 1.1 微波与卫星通信的基本 概念与特点 1.微波与卫星通信 微波是指频率为300MHz至300GHz的电 磁波。 微波通信是指用微波频率作载波携带 信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信 的方式。 卫星通信是指利用人造地球卫星作为 中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地 球站之间进行的通信。 卫星通信又是宇宙无线电通信形 式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为 对象的无线电通信，它有三种形式： （1）宇宙站与地球站之 间的通信； （2）宇宙站之间的通信 ； （3）通过宇宙站转发或 反射而进行的地球站间的通信。 2.微波通信的特点 用于传输频分多路-调频制（ FDM-FM）基带信号的系统叫作模拟制微 波通信系统；用于传输数字基带信号的系 统叫作数字微波通信系统。 “微波、多路、接力”。 “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。 “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。 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）。 3.卫星通信的特点 （1）静止卫星通信的优 点 通信距离远，且费用与 通信距离无关 覆盖面积大，可进行多 址通信 通信频带宽，传输容量 大 信号传输质量高，通信 线路稳定可靠 建立通信电路灵活、机 动性好 （2）静止卫星通信的缺 点 静止卫星的发射与 控制技术比较复杂。 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。 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。 1.2 微波通信系统的组成 1.2.1系统组成 一条微波中继信道是由终端站、中间 站和再生中继站、终点站及电波空间组成 ，如图1-1（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（不能上、下话路） 、分路站和枢纽站（能上、下话路），如图1-1（ b）所示。 图1-1 微波通信的信 道构成 1.2.2微波收发信设备的 组成 1.发信设备的组成 从目前使用的数字微波通信设备来看 ，分为直接调制式发信机（使用微波调相器）和 变频式发信机。中小容量的数字微波（480路以 下）设备可用前一种方案。 下面以一种典型的变频式发信机为例 加以说明，如图1-2所示。 图1-2 变频式发信机方 框图 2.发信设备的主要性能 指标 （1）工作频段 从无线电频谱的划分来看，我们把频 率为0.3300GHz的射频称为微波频率。 （2）输出功率 输出功率是指发信机输出端口处功率 的大小。 （3）频率稳定度 发信机的每个工作波道都有一个标称 的射频中心工作频率，用f0表示。 3.收信设备的组成 数字微波的收信设备和解调设备 组成了收信系统，这里所讲的收信设备只 包括射频和中频两个部分。 图1-3所示的是一个有空间分集接 收的收信设备组成方框图。 图1-3 外差式收信机方 框图 4.收信设备的主要性能 指标 （1）工作频段 收信机是与发信机配合工作的。 （2）收信本振的频率稳 定度 接收的微波射频的频率稳定度是由发 信机决定的。 （3）噪声系数 数字微波收信机的噪声系数一般为2.5 7dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左 右。 （4）通频带 收信机接收的已调波是一个频带信号 ，即已调波频谱（的主要成分）要占有一定的带 宽。 （5）选择性 对某个波道的收信机而言，要求它只 接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率 干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能 力，这就是收信机的选择性。 （6）收信机的最大增益 天线收到的微波信号经馈线和分路系 统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输 入电平在随时变动。 （7）自动增益控制范围 以自由空间传播条件下的收信电平为 基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落 ；低于基准电平时，称为下衰落。 1.3 卫星通信系统的组成 1.3.1 系统组成 1.静止卫星通信系统 卫星通信的工作频段与微波通信 相同。图1-4所示的是卫星通信的示意图。 图1-4 卫星通信示意图 静止卫星是指卫星的运行轨道在 赤道平面内。轨道离地面高度约为 35800km（为简单起见，经常称36000km ）。 图1-5所示为静止卫星配置的几何 关系示意图。 图1-5 静止卫星 的配置 目前国际卫星通信组织负责建立的国 际卫星通信系统（INTELSAT），简称IS ，就是利用静止卫星来实现全球通信的。 三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和 大西洋上空，它们构成的全球通信网承担 着大约80%的国际通信业务和全部国际电 视转播业务，如图1-6所示 。 图1-6 卫星通信示 意图 2.卫星通信系统的组 成 （1）卫星通信系统的 组成 通常卫星通信系统是由地球站、 通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管 理系统4大部分组成的，如图1-7所示。 图1-7 卫星通信系统的 组成 （2）卫星通信线路的 组成 两个地球站通过通信卫星进行通 信的卫星通信线路的组成如图1-8所示，是 由发端地球站，上、下行无线传输路径和 收端地球站组成的。 图1-8 卫星通信线路的 组成 1.3.2 地球站的组成及其工 作原理 1.对地球站的技术要求 一般来说，对地球站应有以下几方面 的要求。 发送的信号应是宽频带、稳定、大 功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱 信号。 可以传输多路电话、电报、传真， 以及高速数据、电视等多种业务的信号。 性能稳定、可靠，维护、使用方便 。 建设成本和维护费用不应太高。 （1）地球站的性能指标 品质因数（G/T） G/T是地球站接收天线的增益G与地球 站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了 地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品 质因数。 （2）有效辐射功率及其 稳定度 为了保证所传送信号的质量，要求地 球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百 瓦十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率 非常稳定。 （3）射频频率的稳定度 地球站所发射的射频信号的频率必须 很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发 器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交 调噪声。 （4）射频能量的扩散 为减小交调干扰，必须对地球站在负 载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能 量密度加以限制。 （5）干扰波辐射的限 制 为防止干扰波对卫星转发器和其 他微波通信系统形成干扰，规定地球站因 多载波引起的交调干扰及带外总的有效全 向幅射功率应小于限定值。 2.地球站的组成 如图1-9所示的为国际卫星通信频 分多址方式A型标准地球站的组成方框图 ，主要由天线分系统、发射机分系统、接 收机分系统、通信控制分系统、信道终端 设备分系统和电源分系统6个分系统组成。 图1-9 地球站的总体方 框图 电视信号包括图像信号和伴音信号。图像 信号经过电视通道的视频处理单元和调制器，成 为70MHz的中频调频波，再经过中频放大、上变 频以及功率放大，然后送往天线。 伴音信号有时要利用多路电话的通道进行 传送。 接收信号时，过程与上述相反。并且在接 收分离装置中把电视图像信号与多路电话信号分 开，分别经不同的通道解调后送往终端设备。 3.发射机分系统 （1）组成和要求 由于发射卫星条件的限制，卫星转发 器天线的口径和增益不能太大。 发射机分系统的组成如图1-10所示， 由上变频器、自动功率控制电路、发射波合成装 置、激励器和大功率放大器等组成。 图1-10 发射机分系统的组成 对地球站发射机分系统的主要要求有以下 几点。 发射的功率大。 频带宽，从而保证通信容量以及发射多 个载波所需的带宽。 射频的频率稳定度高。 放大器的线性好。 增益稳定，对发射地球站的有效全向辐 射功率要求保持在额定值的0.5dB以内，以保证 接收地球站的性能指标。 （2）功率放大器 发射机分系统中的功率放大器由行波 管功率放大器或速调管功率放大器组成。 （3）上变频器和本机振 荡器 发射机分系统中的上变频器一般都采 用参量变频器，它的主要特点是噪声小而且有一 定的增益。 无论是上变频器或接收机分系统中用 的下变频器，都要有本机振荡器。晶振倍频锁相 振荡源的组成如图1-11所示。 图1-11 晶振倍频锁相 振荡源 4.接收机分系统 （1）组成与要求 由于卫星转发器的发射功率较小 ，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也 不高，经200dB左右的下行线路损耗之后 ，到达地球站的信号极微弱。 对接收机分系统的主要要求： 噪声温度低，接收机分系统的噪声 温度很低，一般只有几十开尔文（K）。 工作频带宽，一般要求具有 500MHz的带宽。 增益稳定。 （2）低噪声放大器 在微波频段使用的低噪声放大器 主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放 大器和参量放大器等。 （3）下变频器 经低噪声放大器放大的微波信号 ，要送到下变频器变换成中频，再经过中 频放大后送到解调器。 5.信道终端设备分系统 信道终端设备分系统可以分为上行和 下行两个部分。 （1）上行部分 预加重 当解调器对多路电话信号的调频波解 调时，噪声也进入解调器，使解调后输出的话路 信噪比降低。但解调器输出的噪声功率谱密度n0 为抛物线分布，如图1-12所示。 图1-12 解调器输出的噪声功率谱上 变频。 为解决这个问题，需在发端调制器之 前接一个预加重网络，将高端信号幅度提 高，而使低端信号幅度适当降低。由于信 道噪声功率谱的分布不受预加重电路的影 响，因而使频带内各处的信噪比变得均匀 了。在接收信号时再进行相反处理，即去 加重以恢复原来的信号。 加权 由于人们听觉的频率特性是不平 坦的，一般对1000Hz左右的噪声感觉最灵 敏，对30004000Hz以上或200300Hz以 下的噪声感觉迟钝，即实际感受的噪声较 小。因此在测量话路的噪声时，为考虑受话人实 际感受的噪声状况，需要接入加权网络，用来表 示人们的主观评定，成为如图1-13所示的形状。 图1-13 加权电路特 性 能量扩散信号的处 理 由于发端行波管或速调管放大器 在多载波工作时，会因管子所具有的非线 性特性而产生交调干扰噪声。由实验得知， 外加的信号用20150Hz的三角波较为合适，如 图1-14所示。 导频信号 在卫星通信线路信号传输的过程 中，有时因某种原因会发生所传送的信号 太小甚至中断的现象。 图1-14 能量扩散信 号波形 (2)下行部分 信道终端设备下行部分的任务是 把从低噪声接收机送来的70MHz信号，经 过中放、解调和基带处理后，输出基带信 号，然后再送到终端接口设备，把基带信 号进行分解。 6.通信控制分系统 地球站相当复杂和庞大，为了保证各 部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测 试。 7.电源分系统 地球站电源分系统要供应站内全部设 备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的 可靠性。 当利用公用交流市电来对地球站供电 时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂 波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。 1.3.3 静止卫星的运行 轨道与观察参数 1.静止卫星的发射 要使卫星进入运行轨道，必须依靠运 载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星 的初始速度大于8km/s。但单级火箭的速度只能 达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有 捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火 箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行 速度，卫星装在第三级火箭的前端，如图1-15所 示。 图1-15 发射卫星的三级火箭示 意图 2.发射过程 一颗自旋稳定的静止卫星的发射 过程如图1-16所示，全部过程大体可分为 如下几个阶段。 （1）进入初始轨道 开始发射后，依次点燃三级火箭 的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。 图1-16 静止卫星的发射过程 （2）进入转移轨道 卫星在初始轨道上只飞行一小段 ，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的 交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱 离初始轨道而进入转移轨道。 （3）进入漂移轨道 卫星在转移轨道上运行了几圈，完成 了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时， 就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道， 如图1-17所示。 （4）进入静止轨道 卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫 星定点位置是很近的。 图1-17 远地点的轨道变换 3.通信卫星的姿态控制 卫星上装有通信用的定向天线，要求 定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中 心。 （1）角度惯性控制 角度惯性控制也叫自旋稳定法，是早 期静止卫星常用的姿态控制方法。 采用自旋稳定法的卫星，如IS-，IS- 等，卫星的天线要安装在一个平台上。 （2）三轴稳定法 三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定 穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别 在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三 个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航 轴，如图1-18所示。 三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机 等来直接分别控制每个轴保持稳定。 图1-18 三轴稳定法示意图 4.静止卫星的观察参数 在地球站的调测、开通和使用过程中 ，都要知道地球站天线工作时的方位角a和仰角 e。此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必 须知道地球站与卫星之间的距离站星距。 图1-19示出了静止卫星S与地球站A的 几何关系。 图1-19 静止卫星观察参 数图解 【例1-1】“亚太一号”卫星的星下点s的经 度为2=138.00E(东经)，北京地球站的参数为 1=116.45E, 1=39.92，求北京地球站的 仰角、方位角和站星距。 解 由已知条件得知：1=39.92，经度差 =21=138.00116.45=21.55 代入公式得仰角 5.卫星通信系统的分类 （1）按卫星的覆盖范围分，有国际卫 星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信 系统。 （2）按用户的性质分，有公用卫星通 信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统 。 （3）按卫星的制式分，有静止卫星通 信系统和非静止卫星通信系统（卫星绕地球运转 一周不等于24小时）。 1.3.4 通信卫星的组成及其 工作原理 图1-20示出了通信卫星各系统的组成 方框图。由通信分系统、控制分系统、遥测与指 令分系统、电源分系统和温控分系统5个部分组 成。 1.通信分系统的转发器 通信分系统分为转发器和卫星天线两 大部分。 图1-20 通信卫星的组成 （1）单变频转发器 单变频转发器是目前用得较多的转发 器，如图1-21（a）所示。 （2）双变频转发器 双变频转发器如图1-21（b）所示。 （3）处理转发器 处理转发器除了转发信号外，主要还 具有处理信号的功能。它的组成方框图如图1-21 （c）所示。 图1-21 卫星转发器组成的方框图 卫星上的信号处理大体包括三种类型 ：一种是对数字信号进行判决和再生，使 噪声不积累；另一种是在多个卫星天线波 束之间进行信号交换与处理；第三种是对 信号进行更复杂的变换、交换和处理。 2.控制分系统 控制分系统由各种可控的调整装置， 如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开 关等组成。 3.遥测指令分系统 地球上的控制站经常不断地需要了解 卫星内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令 信号控制卫星上设备产生一定的动作。 （1）遥测部分 遥测部分用来了解卫星上各种设备的 情况，例如表示某些部件的电流、电压和温度等 信号，传感器的信息，指令证实信号以及反映控 制用气体压力的信号等。 （2）遥控指令部分 对卫星进行位置和姿态控制的各喷射 推进器的点火与否，行波管高压电源的开、关， 己发生故障的部件与备用部件的转换以及其他需 要由地面对卫星某些设备的控制等，上述这些动 作都要由遥控指令部分来进行。 4.电源分系统 卫星上的电源除要求体积小、重量轻 、效率高和可靠性之外，还要求电源能在长时间 内保持足够的输出。 （1）太阳能电池 太阳能电池由光电器件组成，其中最 常用的是硅太阳能电池。 （2）化学电池 为了使通信卫星在星蚀期间也能工作 ，一般常用可以充、放电的化学电池作为二次电 池与太阳能电池并用。 5.温控分系统 在通信卫星里，会因为行波 管功率放大器和电源系统等部分产生 热而升温。 1.4 微波与卫星通信的天线 馈线系统 1.4.1微波通信的天线馈 线系统 1.天线馈线系统的型式 微波通信系统中的馈线有同轴电缆型 和波导型两种型式。 图1-22所示的是同轴电缆型天、馈线 系统。 图1-23所示的是圆波导型天、馈线系 统。 图1-22 同轴电缆天馈线系统 图1-23 圆波导天馈线系统 2.对微波天线的技术要 求 常用微波天线的基本形式有：喇叭天线 、抛物面天线、喇叭抛物面天线及潜望镜天线等 。 微波天线的主要技术指标有如下几个方面 。 （1）天线增益 微波通信中使用的面式天线，其增益 可用下式表示： 式中，A为天线的口面面积， 为波长， A为口面利用系数。 (2)对主瓣宽度的要求 在视距微波通信线路中，天线增 益过高将使主瓣张角过小。 （3）天线与馈线应匹 配良好 在整个工作频段内，要求天线与 馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而 造成线路噪声。 （4）交叉极化去耦 在采用双极化的微波天线中，由 于天线本身结构的不均匀性及不对称，不 同极化波（即垂直极化波和水平极化波） 可在天线中互相耦合，互为干扰，分别成 为与之正交的主极化波的寄生波。 （5）天线防卫度 天线防卫度是指天线在最大辐射 方向上对从其他方向来的干扰电波的衰耗 能力。在微波线路中，由于采用二频制， 因此在同一微波站中，两个方向的接收机 工作在同一频率，如图1-24所示。 图1-24 天线防卫度图解 3.卡塞格林天线 卡塞格林天线是一种具有双反射器的 抛物面天线，其外形简图如图1-25所示。图1-25 （a）所示为一般式，较常见。近年来出现了不 少加圆柱屏蔽罩式的抛物面天线，见图1-25（b ），它可以降低向后方辐射的功率（降低后瓣） 。又因为它可以减小初级辐射器（激励器）的直 接辐射，所以对减弱旁瓣也有好处。 图1-25 卡塞格林天线外形简图 图1-26所示的是说明这种天线工作原理的 简图。 图1-26卡塞格林天线工作原理简图 卡塞格林天线是由初级喇叭辐 射器、双曲面副反射器和抛物面 主反射面三部分组成。 1.4.2通信卫星的天线系 统 卫星天线有两种类型。一种是用于遥 控、遥测和信标信号的全向天线，接收地面的指 令及向地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、 螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或 甚高频天线。另一种是用于通信的微波定向天线 ，根据波束宽度不同，分为三类。 （1）全球波束天线：波束宽度约 为1718。 （2）点波束天线：其波束比全球 波束窄得多，故增益较高，但其辐射 的区域比全球波束小得多。 （3）区域波束天线： 如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就 要用区域波束天线，也称赋形波束天线。 其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状 或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由 反射器产生多个波束的组合来实现。如图1-27及 图1-28所示。 图1-27 卫星天线系统示 意图 图1-28 各种波束覆盖示意图 1.4.3地球站的天线馈线 系统 1.概述 地球站的天线是卫星通信中最具特色 的设备，是一个庞大的系统。当卫星通信用C频 段和Ku频段时，根据地球站天线的口径大小可划 分为大、中、小三种站型。 2. 地球站天线馈线系统 的组成 图1-29所示的为地球站的天线馈线系 统方框图。它与视距微波通信天馈线系统相比， 显然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天 线的轴要始终对准卫星方向。 图1-29 地球站天线馈线系统的组成 3.与天线馈源连