【物理科学信息专业毕业论文】多普勒频移对卫星通信信号相关性的影响.doc

装订线 本科毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 题 目：多普勒频移对卫星通信信号相 关性的影响 专业代码： 作者姓名： 学 号： 单 位：物理科学与信息工程学院 指导教师： 年 月 日目 录引言11.卫星通信12.低轨道卫星23信号相关性34 多普勒频移44.1什么是多普勒频移现象44.2卫星通信中多普勒频移推导44.3 多普勒频移对信号相关性的影响65结论7参考文献8致谢9 聊城大学本科毕业论文(设计)摘 要卫星具有多普勒频移的特点，特别是低轨卫星具有多普勒频移大特点。通过介绍什么是卫星通信、多普勒频移现象以及有用信号和干扰信号各自前后相关性的差别即：有用信号其前后相关性很小，而干扰信号的相关性大的特点，对在同频段干扰的情况下卫星信号和干扰信号的多普勒频移的规律、多普勒频移对信号相关性的影响、多普勒频移对信号抗干扰性能的影响进行了研究，结果表明，多谱频移对信号相关性的影响特别是干扰信号的影响很大，甚至破坏了干扰信号的相关性，对干扰的跟踪和抑制就更加困难，当卫星运行到地面终端和干扰源之间时，卫星有用信号和干扰信号的相对频移尤其最大，这对低轨卫星通信中干扰的跟踪和抑制提出了更高的要求。最后提出了对卫星通信系统设计的一些要求，来实现通信质量的提高和改善。关键词：卫星通信；多普勒频移；低轨道卫星；信号相关性abstractdoppler shift is one of factors.there is doppler shift in satellite communications, especially in low orbit satellite.in order to study the influences of doppler shift ,some questions must be work out.what is satellite communications and doppler shift and signals of correlations. useful signals and interferential signals have different influences in doppler shift.the result indicates that doppler shift affects the interferential signals,even destroys the relativity of interferential signals.when satellite arrives the signal top, doppler shift have the worst infections in useful signals and interferential signals.in the last in order to improve validity of satellite communications,we should improve the design.key words: satellite communications doppler shift low orbit satellite communications relativity of signal多普勒频移对卫星通信信号相关性的影响引言卫星通信是一种新的通信方式，是现代通信技术的重要成果，是在地面和空间技术的基础上发展救民于水火的，它十分广泛地综合运用了各种通信领域及其他领域的理论和技术。近二十年来，它在国际通信、国内通信、国防通信、移动通信以及电视广播等领域得到了日益广泛的应用。研究通信卫星中出现的问题及解决方案引起了赿来赿多的关注，而在影响卫星通信的诸多要素中，多普勒频移是研究的对象之一。1.卫星通信卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是:通信范围大;只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内,从任何两点之间都可进行通信;不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);同时可在多处接收,能经济地实现广播、多址通信(多址特点);电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。地球站则是卫星系统形成的链路。由于静止卫星在赤道上空3600千米,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致,从地面看上去如同静止不动一样。三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1一10ghz频段,即微波频段、为了满足越来越多的需求,已开始研究应用新的频段,如12ghz,14ghz,20ghz及30ghz。在微波频带,整个通信卫星的工作频带约有50omhz宽度,为了便于放大和发射及减少变调干扰,一般在卫星上设置若干个转发器。每个转发器的工作频带宽度为36mhz或72mhl目前的卫星通信多采用频分多址技术,不同的地球站占用不同的频率,即采用不同的载波。它对于点对点大容量的通信比较适合。近年来,已逐渐采用时分多址技术,即每一地球站占用同一频带,但占用不同的时隙,它比频分多址有一系列优点,如不会产生互调干扰,不需用上下变频把各地球站信号分开,适合数字通信,可根据业务量的变化按需分配,可采用数字话音插空等新技术,使容量增加5倍。另一种多址技术使码分多址(cdma),即不同的地球站占用同一频率和同一时间,但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术,具有抗干扰能力强,有较好的保密通信能力,可灵活调度话路等优点。其缺点使频谱利用率较低。它比较适合于容量小,分布广,有一定保密要求的系统使用。近年来卫星通信新技术的发展层出不穷。例如甚小口径天线地球站(vsat)系统,中低轨道的移动卫星通信系统等都受到了人们广泛的关注和应用。卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点,1972年在我国首次应用,并迅速发展,与光纤通信、数字微波通信一起,成为我国当代远距离通信的支柱。2.低轨道卫星发展大型通信卫星，极大的抢劫了直播电视、高清晰度电视、大容量数字电话对通信及其电视广播的现代化产生了极为深远的。然而大型卫星的发射和入轨，需要大型的运载工具，随着卫星和运载工具的增大，制造成本赿来赿高的，制造周期和发射周期也赿来赿长，一旦发生故障，则损失很大，为此近年来又提出了发展轻小型通信卫星的主张，研制轻小型周期短，成本低、效益高，不需要大型运载工具，还可做到一箭多星。从区域通信卫星的应用情况来看，轻小型卫星更是适用的，因此最近已经出现了减轻通信卫星重量的趋势。发展轻小型通信卫星的一种途径是利用低轨道卫星。由于卫星低轨道运行，基传播衰减和延迟时间都比较小，传输质量比较容易得到保证，造价更低。当然如果只用一颗低轨道卫星，它是不能进行远距离实时通信的，只适用于电传，电子邮件和一些不要求立即回答的通信业务，显然如果要解决运距离以至全球范围内的实时通信，惟一办法就是利用多颗低轨道卫星进行组网。首先低轨道卫星通信系统要求多个卫星同时使用。因为卫星轨道低,只有用多个卫星组织起来才能覆盖整个地球表面。卫星轨道愈低,要求的卫星数目愈多。它们可在地球之外,以地心为中心的一个球面上均匀分布。也可以分开成两个或三个同心的球形层面上运行。在地球的一点上发出电磁波信号,距其最近的低轨卫星可以接到这个信号。如果指定的接收点不是很远,便由这颗卫星将信号转发到地面的接收点。如果需要较远距离的传输,最近的卫星可以将收到的信号转到邻近的其他卫星再转到地面的接收点。由于低轨道卫星通信系统包括的卫星数量多,使用的轨道低,卫星本身的寿命较短,所以在实际运用中要有几个备份卫星放在空中,以保证整个系统的正常运行。对于一个低轨卫星通信系统还需一项不可缺少的设备,就是在地面上对卫星的测量及控制系统。人造卫星在天上的运行虽是依靠天体力学规律来进行,但是在运行中难免会受到意外的力使其略脱离正常轨道或改变其姿态(本身的角度)。有时还需要将损坏的星由备份的星来代替,这就需要在地面设置测控设备。因低轨道卫星通信系统有多个卫星同时运转,地面测控系统尤为重要。低轨道卫星通信系统在个人通信方面有其特别的优势,但是个人通信的总业务量在目前终究只占全部通信业务的很小部分。为提高低轨道卫星通信的业务量。它必需能接入地面通信庞大的通信网,这个接口便称作网关。在地面上所设的网关首先要具备和低轨道卫星通信的设备,这就是1.6ghz及2.5ghz无线电收发设备。这里可以使用庞大的天线,强的发射设备及高灵敏度的接收机。为了避免接近地面可能发生的雷电对接收的干扰,时常是使用地区分集接收的方式,就是将两套或三套同样的接收设备分别安装在不同的地点,取其中受干扰最小的信号使用。第二个通信设备是为和地面上通信网通信所使用的设备,可以是有线通信也可以是无线通信,这要看地面通信网的要求。除了以上两项通信设备之外在网关中还需要一个信号处理设备。通过这个处理设备才可以将卫星传来的信号重新编码安排使其适用于地面网的需要,对于自地面网发去卫星的信号也需要反方向的转换处理。3信号相关性相关所谓相关是代表客观事物或过程中某两种特征量之间联系的紧密性;相关分析是利用概率统计方法来描述和研究工程测试信号的相关关系,常用的统计量有相关系数、自相关函数和互相关函数等。自相关函数在动态测试中要了解与时间有关的信号在不同时刻的取值有无内在关联性,就需要引入相关函数的概念,信号的相关性就是反映信号波形相互联系紧密性的一种函数。随机信号()与其自相关函数信号在一个时刻的瞬时值与另一时刻的瞬时值之间的依赖关系可用自相关函数来描述。互相关函数 ：两组随机信号之间的一般依赖关系即相关性可用互相关函数来描述,互相关测量及互相关函数。相关性分析目前,相关分析技术广泛应用于回声测距、通讯、测速、信号识别、故障诊断等工程应用中。对于信号相关的物理理解可以是多方面的,根据在工程信号处理中的不同应用主要有两种:(1)信号相关为波形相似的度量。(2)信号相关是周期信号中同频成分的反映。我们利用的是第一种应用。4 多普勒频移4.1什么是多普勒频移现象多普勒效应是为纪念christian doppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。 他认为声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。 把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动是更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波形，包括光波。科学家edwin hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变高，即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移，或称红移。若银河系正移向他，光线就成为蓝移。 在卫星移动通信中，当飞机移向卫星时，频率变高，远离卫星时，频率变低，而且由于飞机的速度十分快，所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。另外一方面，由于非静止卫星本身也具有很高的速度，所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信，同时为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了卫星移动通信的复杂性。4.2卫星通信中多普勒频移推导由于低轨卫星通信本身有一个很重要的特点就是多普勒频移大，同时多普勒频移具有非线性的特点，因此有用信号和干扰的频率也是随时间非线性变化的。假设把卫星轨道近似为圆轨道，由此我们可以推导出低轨卫星的多普勒频移规律。如图1，假设地面终端位于点，干扰源位于点，和是卫星与它们的连线，和是从和向轨道面作的垂线设角为，为，为。下面推导此种情况下的多普勒频移。 沿的速度为，所以沿的径向速度为： oa（bbac（图1卫星与地面站及干扰源的几何关系 由以上三式得：，因此多普勒频移： 同理可得 将及代入以上两式可得多普勒频移随时间变化的函数：* * 4.3 多普勒频移对信号相关性的影响有用信号是宽带信号，如扩频信号，其带宽相对干扰信号要宽的多，其前后相关性本身就很小，我们正是利用了有用信号和干扰信号各自前后相关性的这种差别来对干扰信号进行跟踪。多普勒频移后，有用信号的相关性基本没有变化，而干扰信号的相关性变化非常大。我们不妨假设干扰信号为单频正弦波。 图2. 频移前干扰信号的相关曲线 图3. 频 移后干扰信号的相关曲线频移前干扰信号： 频移后干扰信号为 为了计算的方便，把上述干扰信号离散化，并且只取卫星过顶的一段时间。则相关函数可以根据下式计算：据此我们计算出频移前后的相关函数并画出相关函数曲线如图2和图3所示。可以看出，频移后的相关函数值比频移前的函数值大大减小。5结论假设卫星的轨道高度740公里，运行周期为1.67小时。设信号源和干扰源离轨道面的距离分别为1200公里和800公里（没有超出卫星的覆盖范围），地心角。假设卫星信号是宽带扩频的，并且调制到400mhz载频上，并假设干扰落在其中心频率附近。则在卫星过境时间内，有用信号中心频点处（400mhz）和干扰的多普勒频移如图4所示。我们分别对无多普勒频移和多普勒频移较大的单音干扰用lms算法的自适应滤波器进行跟踪估计，跟踪效果如图5所示。其中虚线为对多普勒较大的干扰的跟踪误差。通过仿真可以看到，相对频已有一个最大值时刻，由图5可以看出在相对频移较大的时候，干扰的跟踪和抑制就更加困难。出现这种情况的原因是多普勒频移破坏了干扰信号的相关性，因此使得更加难以跟踪估计。 图5 误差跟踪曲线(实线为无频移时，虚线为有频移时)图4 卫星过境时信号和干扰的频移（实线为信号频移，虚线为干扰频移）参考文献1 符世钢,任友俊,申东娅.卫星移动通信信道特性分析.曲靖师范学院学报.2003,18(06):66-692 童卓,王东进,刘发林.低轨卫星的多普勒频移实时估计.中国科学技术大学学报,2004,12(02):45-483 陈雅,沈自成.卫星通信中的星上交换技术.飞行器测控学报,2003,21(03):72-744 田斌,陈文汉,周云.车载ku频段多媒体宽带卫星移动通信系统.通信与信息技术,2004,24(03):67-695 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