（控制科学与工程专业论文）月面反射通信系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：同刁骺导师( 签名) 盼日期沙心 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 本文描述了一种月面反射通信的系统，基本原理是利用月球作为通信卫星， 通过向月球发射高功率的无线信号，利用月面反射回地球以实现全球通信。该 通信方式在二战后期即提出，亦有过许多相关实验，但是由于器件和通信技术 的发展，直到最近1 0 年才有了较大的发展。但是大部分月面反射通信都是使用 v h f 频段进行，因此其发射功率需求高，天线尺寸大，只适合固定基站使用， 并不适合本文提出的小体积便携移动应用。本文所研究的是一种方便携带的， 可以快速应用于应急无线电通信的月面反射系统，其宗旨是体积小、耗能低。 本系统通过研究月面反射通信的空间信道物理特性以及无线电波传输的衰 减情况，避开了宇宙射线的背景辐射以及各种大气成分的自然辐射频率，同时 选择了既可以穿透大气层，又可以大大减小天线尺寸和发射功率的频点作为月 面反射通信的工作中心频率1 0 g h z 。 为了实现在1 0 g h z 处得足够的发射功率的同时尽量提高发射机的效率，本 系统采用了理论上效率可达1 0 0 的e 类功率放大器，同时选用了适合在e 类功 放作用下工作的恒包络的i q 调制方式，并未功放设计了输出滤波器。在调制器 方面倍频器电路实现了由较低频的晶体振荡器得到1 0 g h z 的高稳定本振信号， 利用二极管的非线性区实现了i q 调制。 月面反射通信接收到的信号电平极低，因此需要高灵敏度低噪声系数的接 收机，本系统通过研究接收机噪声的特性以及级联接收机的功率增益和噪声指 标，确定了该系统所需的发接收机灵敏度，并利用低噪声晶体管设计了接收机 前端电路。同时设计了与发射机相对应的i q 解调器。 通信系统最主要占体积的部分就是天线，由于本系统所选择的频率较高， 因此天线的尺寸可以做的比较小，便于携带。本系统设计了一种适用于定向空 间通信的高增益螺旋聚束天线，该天线的增益高，方向性好，同时互阻抗极低， 因此可以方便的组成天线阵列，但是其体积却不大，因此非常适合便携应用。 总是，本文从一个无线通信系统的发射机、接收机、天线以及信道四个主 要方面进行研究，设计了一个工作于1 0 g h z 的高效率、小体积、便携式的适用 于移动和应急通信的月面反射系统。 关键词：月面反射，接收机，发射机，天线 a bs t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tu s e st h er e f l e c t i o no ft h em o o n ， t h eb a s i cp r i n c i p l ei st ou s et h em o o na sac o m m u n i c a t i o n ss a t e l l i t e ，t r a n s m i t t i n gt ot h e m o o nt h r o u g hh i g h p o w e rr fs i g n a l s ，r e f l e c t e db yt h em o o n ss u r f a c eb a c kt ot h ee a r t h i no r d e rt oa c h i e v eg l o b a lc o m m u n i c a t i o n s t h ec o m m u n i c a t i o ni si n v e n t e di nw o r l dw a r i i ，t h e r eh a sb e e nm a n ye x p e r i m e n t s ，b u td u et o t h e d e v e l o p m e n to fd e v i c e sa n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，u n t i lt h el a s t10y e a r sb e f o r eal a r g e rd e v e l o p m e n t m o s t e m ec o m m u n i c a t i o n sa r eu s i n gl u n a rr e f l e c t i o ni nv h fb a n d ，s ot h ed e m a n df o rh i g h t r a n s m i s s i o np o w e r , l a r g ea n t e n n as i z e ，i so n l ys u i t a b l ef o rf i x e db a s es t a t i o n s , - a n di sn o t s u i t a b l ef o rm o b i l ea p p l i c a t i o n s ap o r t a b l e ，e m e r g e n c yr a d i oc o m m u n i c a t i o n sc a nb e q u i c k l ya p p l i e dt ot h el u n a rs u r f a c er e f l e c t o rs y s t e m i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b ys t u d y i n gt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e l sa n da t t e n u a t i o no fr a d i o w a v et r a n s m i s s i o n ，a n dt oa v o i dt h ec o s m i cr a yb a c k g r o u n dr a d i a t i o na n dav a r i e t yo f n a t u r a lr a d i a t i o nf r e q u e n c yc o m p o s i t i o no ft h ea t m o s p h e r e ，w ec h o o s e10 g h za st h e e m ef r e q u e n c y t h i sa l s og r e a t l yr e d u c e st h ea n t e n n as i z ea n dt r a n s m i s s i o np o w e r t i no r d e rt oa c h i e v ee n o u g ht r a n s m i t t e rp o w e ra tt h es a m et i m et om a x i m i z et h e e f f i c i e n c yo ft h et r a n s m i t t e r , t h es y s t e mu s e st h eet y p ep o w e ra m p l i f i e r , w h i l es e l e c t e d f o rt h er o l eo ft h eec l a s sp o w e ra m p l i f i e rw o r k i n gu n d e rt h ei qm o d u l a t i o n am u l t i p l i e r i su s e dt oa c h i e v ea10g h zl of r o ma2 7 m h zc r y s t a lo s c i l l a t o r a n dad i o d eb r i d g e m i x e ri su s e da st h ei qm o d u l a t o r i nt h ee m ec o m m u n i c a t i o n st h er e c e i v e ds i g n a ll e v e li sv e r yl o w , r e q u i r i n gh i g h s e n s i t i v i t yw i t hl o wn o i s ef i g u r er e c e i v e r s b ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er e c e i v e r a n dt h er e c e i v e rc a s c a d e dp o w e rg a i na n dt h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c s w ed e t e r m i n e r e c e i v e rs e n s i t i v i t ya n du s el o wn o i s et r a n s i s t o rt od e s i g nt h er e c e i v e rf r o n te n d t h ea n t e n n ai st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft o t a lv o l u m eo fac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， d u et ot h eh i g hf r e q u e n c yc h o s e nb yt h es y s t e m ，t h es i z eo ft h ea n t e n n ac a nb em a d e r e l a t i v e l ys m a l l ah i g h g a i ne n d f i r eh e l i xa n t e n n ai sd e s i g n e df o r t h es y s t e m ，t h e a n t e n n a sh i g hg a i n ，d i r e c t i o n a lw e l l ，w h i l em u t u a li m p e d a n c ei sv e r yl o w , s ot h e c o m p o s i t i o no ft h ea n t e n n aa r r a yc a n b ee a s i l ym a d e ，a n dt h ev o l u m ei sn o tl a r g e ，m a k i n g i ti d e a lf o rp o r t a b l ea p p l i c a t i o n s 1 1 i nc o n c l u s i o n ，t h i sa r t i c l es t u d i e saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf r o mt h e t r a n s m i t t e r , t h er e c e i v e r , t h ea n t e n n aa n dt h ec h a n n e lt od e s i g nah i g he f f i c i e n c y , s m a l l s i z e ，p o r t a b l e ，m o b i l ea n de m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n sf o rt h e l u n a rs u r f a c er e f l e x s y s t e m k e y w o r d s ：m o o ns u r f a c er e f l e c t i o n ，r e c e i v e r , t r a n s m i t t e r , a n t e n n a i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 月面反射通信的技术现状及前景1 1 2 1 月面反射通信的现状1 1 2 2 月面反射通信的前景3 1 3 本论文主要研究的内容以及章节安排3 第2 章月面反射通信系统简介5 2 1 月面反射通信主要自然影响因素5 2 2 月面反射通信的发射机6 2 3 月面反射通信接收机8 2 4 月面反射通信的天线系统9 第3 章月面反射通信的信道模型1 1 3 1 地球大气层中影响月面反射通信的因素1 1 3 1 1 电离层对无线通信的影响1 1 3 1 2 大气中各种成份对月面反射通信的影响1 2 3 1 3 自由空间的损耗1 3 第4 章月面反射通信的发射机设计1 5 4 1 发射机调制器设计l5 4 1 1i q 调制器原理1 5 4 1 2 低频移相电路设计18 4 1 3 载波发生器设计1 8 4 2 发射机的功率放大器设计2 3 4 3 发射机保护电路设计2 6 第5 章月面反射通信接收机设计2 8 5 1 接收机低噪声前端设计2 8 5 1 1 微波电路噪声机理2 8 5 1 2 前端低噪声放大器设计3 1 5 2 接收器i q 解调器设计3 7 i v 第6 章月面反射通信系统天线设计4 0 6 1 螺旋聚束天线4 0 6 1 1 螺旋聚束天线简述4 0 6 1 2 螺旋聚束天线阵列4 5 6 1 3 天线阵列馈电电路设计4 7 6 1 4 天线切换开关电路设计4 9 总结与展望5 l 致谢5 4 参考文献5 5 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 v 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 自18 9 9 年意大利无线电工程师马可尼首次实现跨越英吉利海峡的无线通信 以来，无线电技术就被不断的开拓发展，各种新的无线电远程通信方式被不断 的开发。特别是第二次世界大战期间，战争的需要极大的促进了雷达技术和无 线通信技术的发展。为了满足当时的远程应急通信需求，月面反射通信( e a r t h m o o ne a r t hc o m m u n i c a t i o n ) 的理论被提出。其原理就是利用当时地球的自然卫 星月球作为反射体，从地球发射无线信号由月面反射回地球，实现全球的超远 距离通信。然而由于当时对气象、天体研究的欠缺，特别是电子器件的欠发达， 导致月面反射通信只能有限的用于军事用途。直到1 9 4 7 年贝尔实验室发明晶体 管之后，电子技术得到了爆发式的发展，特别是大量的用于微波通信的器件被 研发出来，电路设计的成本低廉话适应了越来越多平民层的需求，促进了业余 无线通信发展。1 9 6 0 年第一次月面反射通信应用于民用。然而人造通信卫星的 发展，使月面反射通信再度被忽略。知道近年来由于灾害频发，各种应急通信 方案的提出才再次把月面反射通信提上舞台。由于月球是自然天体，并且规律 的围绕地球运转，不易受到各种电磁干扰，相对于人造卫星而言更为稳定。但 是也由于地球和月球之间的距离远，之间的干扰因素多，导致这种通信方式信 道衰减严重，这就要求发射功率高，接受灵敏度高。同时频率选择与衰减的问 题也比较突出。因此，较深入的从信道以及发射接受设备上对月面反射通信进 行研究，对适应目前应急通信的发展具有非常重要的意义。 1 2 月面反射通信的技术现状及前景 1 2 1 月面反射通信的现状 目前使用的月面反射通信设备主要包括大功率发射机、高灵敏度接收机以 及高增益定向天线组成。特别是天线系统，为了提高增益和方向性，一般都设 计为由许多定向天线组成的天线阵列，往往十分巨大，这就极大地限制了月面 反射通信的推广以及适应性和灵活性。为了弥补传输过程中信号的衰减，通信 武汉理工人学硕士学位论文 系统的发射机功率设计的十分巨大，一般可以达到数百瓦甚至上千瓦，这样的 发射功率处理不好会对相邻信道造成严重干扰。另外，由于我国无线电相关法 规的规定，限制了发射机的发射功率，因此超大功率的发射也不便在我国推广。 为了适应环境的多变，使这种通信方式更为灵活，目前的研究方向主要是如何 降低发射功率，减小天线尺寸、提高接收机灵敏度以及实现设备的小型化等， 这几个方向是紧密相关而又相互制约的，发射功率的减小必然需要增加天线的 增益和方向性，同时为了保证接受质量就要进一步提高接收机灵敏度。这三者 的研究又与信道环境息息相关。特别是传输路径上的大气层环境和宇宙空间， 以及月球表面的反射情况等。 改进月面反射通信性能还要从通信的频率、调制方式入手，通信频率与信 道衰减有着及其密切的关系，一般而言，通信频率越高，信道的衰减越严重， 但指向性却更好。调制方式的选择很大程度上影响了信号传输的抗干扰能力， 数字通信模式要比模拟通信模式有更强的抗干扰能力。而同样的通信模式下， 相位调制方式比幅度调制方式更能抗干扰，但调制方式复杂又会增加衰耗和功 率损失，不利于设备小型化。目前的研究也包括了协调通信频率、通信模式和 调制方式之间的关系。 目前世界主要的月面反射通信实验多在2 m 波段和6 m 波段进行，而以2 m 波段为主，因为6 m 波段的天线尺寸要远大于2 m 波段。但是，由于卫星通信的 一个主要频段也处于2 m 波段附近，因此过大功率的月面反射通信会影响到卫星 通信，造成信道阻塞等问题。因此目前这两个频段的通信均无法保证长期可靠 的运行以及大范围的推广应用。由于目前无线通信所要传播的信息量以爆发式 的增加，因此这就需要把通信频率提高的微波频段，然而在微波频段，信号的 信道衰减要远远高于目前使用的短波和超短波频段，这就要求发射机的功率， 天线增益都要有所改进。如何提高功率，同时改进天线尺寸结构，是目前研究 的重要问题。 在通信模式上，目前月面反射通信主要是以模拟调制方式为主，特别使简 单的莫尔斯电码通信，这种方式虽然占用信道带宽窄，能量利用效率高，然而 其过窄的带宽限制了信息的载量，无法传输较大规模的信息。另外，语音通话 为主的模拟通信方式，极易受到干扰。特别是由于路径上的反射造成的多径衰 落以及多普勒效应等等，都会导致语音通信的失真，这就需要复杂的系统来恢 复语音质量，增加了系统的复杂性。增加了成本，也降低了稳定性。 另外，由于从月球表面反射回的信号极其微弱，目前的大多数接收机的本 2 武汉理r 大学硕十学位论文 底噪声都高于这个水平，完全淹没了接收信号，这就要求开发更低本底噪声， 更高接收灵敏度的接收机。另外，接收机的灵敏度过高就会导致容易受到临频 干扰，遇到较强的临频干扰就会造成接收机饱和，这也是目前大多数接收机无 法解决的一个问题。 1 2 2 月面反射通信的前景 由于月面反射通信使用的是地球的自然卫星月球，月球不需要人工维护， 同时不像人造卫星只拥有极其短的使用周期，因此降低了卫星的维护成本。由 于地球上的每个地区每天都会面对月球，因此，这就提高了这种通信方式的覆 盖面积，而一般的通信卫星由于运行轨道问题，若要覆盖大面积区域就必须使 用大量卫星组合。可见，月面反射通信可以广泛应用于人口稀少，缺乏维护人 员的地区，例如沙漠、高原地区，以及各种无人管理的环境监测系统上。 为了提高月面反射通信系统的可推广性和稳定性。目前主要需要研究的包 括以下几个方面： 发射机的改进，主要是效率的提高，功率的降低，这样便于设备的低成本 化和小型化。可以适应各种移动场合和应急通信的应用。 接收机的改进，主要是进一步降低接收机本底噪声，提高灵敏度，并且增 加抗临频干扰和饱和措施。接收机的改进主要依赖于新型半导体器件的应用。 天线系统的改进，传统的月面反射通信一般使用大型的指向性天线阵列， 导致天线结构庞大，非常不适合移动通信及维护，成本极高：而通过选择合适 的频率可以调节天线尺寸，频率越高，天线尺寸越小，把发射频率提高到微波 频段更利于设备和天线的小型化。 对信道路径的研究，主要是对大气层、宇宙背景辐射、太阳粒子以及月球 表面反射程度的研究。对于信道介质的研究也有利于选择合适的频率。同时要 研究各种衰落产生的原因和影响，以选择合适的调制方式以及各种补偿措施。 1 3 本论文主要研究的内容以及章节安排 本课题以月面反射通信作为研究对象，其主要研究内容为： ( 1 ) 月地之间的传输介质 包括大气、水蒸气、宇宙背景辐射、太阳活动以及月球表面反射情况等。 武汉理“r 大学硕+ 学位论文 对于传输信道介质的研究，找出对通信衰减和反射情况的影响，更有利于选择 更好的收发系统，对系统做出针对性的改进措施。 ( 2 ) 发射系统 主要是对发射机的研究，通过对频率的合理选择，使发射系统可以有合理 的带宽，可以根据不同需求装载合适的数据量。另外发射功率的降低，发射效 率的提高可以使设备小型化，便于移动应用和应急通信使用。 ( 3 ) 接收系统 主要是对接收机的研究，由于目前大部分接收机的本底噪声无法达到月面 反射通信的要求，因此要结合目前的新型低噪元件技术，研制更为低噪的接收 机前端。另外，接收机的灵敏度过高容易受到临频干扰，发生阻塞现象，接收 机的抗饱和措施是目前亟待解决的问题之一。 ( 4 ) 天线系统 天线是一个无线通信系统必不可少的部分。目前，绝大多数月面反射通信 系统使用的都是大规模天线阵列，不适合推广，因此必须开发出一种小巧的高 增益天线来满足移动应用和低成本的需求。 4 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章月面反射通信系统简介 月面反射通信系统( e a r t h m o o n e a r t hc o m m u n i c a t i o n ) 简称e m e 通信，其基 本原理如图2 一l 所示：地球上每时每刻都有一部分区域处于月球的照耀之中，即 图l 中的阴影区域。处于阴影区的a 点有大功率无线发射机，向月球发射大功率 无线电信号。由于地球存在大气层，特别是大气层中的电离层会对无线信号产生 极大的衰减、折射、反射等现象。因此只有少部分信号透过了大气层进入接下来 的宇宙空间【l 。2 1 。剩下信号发射到月球表面时产生反射，因为月球表面的地理构造 并不平滑，因此此时发生的并非镜面反射，而是漫反射，信号向各个方向散射。 如图中的虚线所示。经过月面漫反射之后的无线信号只有一小部分反射回地球， 同时又要经过电离层的损耗和反射，因此仅仅有极其微弱的信号可以被同样处于 月球照耀下的b 点接收机接收到。如果发射机功率足够大，接收机本地噪声足够 低，那么就可以实现信号有b 点到a 点的传输。这种方式的优点是不受地球表面 地理的阻隔可以实现洲际通信，同时由于使用月球作为反射卫星，因此维护成本 低，但是缺点是对发射机和接收机的要求高，易受到电离层的影响。 1 i 大曼、 、 、一一一 图2 1月面反射通信原理示意图 2 1 月面反射通信主要自然影响因素 影响e m e 通信的因素包括以下几种：多径衰落，路径损耗，噪声干扰( 主 武汉理t 大学硕十学位论文 要包括太阳和空间背景噪声) 0 4 1 。 由于月球和地球在运动过程中存在着轨道上的抖动，同时由于月球表面的 地理情况粗糙，倒是反射并不规则，会存在多条路径反射回地球，加上地球电 离层对信号的反射，这些反射信号相互叠加，由于相位关系，会导致地球上的 接收点出现信号时强时若的状况，这个就是多径衰落，是由于信号传输路径不 同相互叠加而成的。这个状况会随着天气的变化、地球月球的相对位置、地前 上接收机发射机相对位置的不同而不同。 此外，这种现象还可以造成相互联系的两个电台之间的多普勒频移。由于 波源和接受者之间存在相对运动，导致相对于波源，在接收者看来波长出现变 化，因此接收者接收到的信号会出现失真现象，表现为出现信号的频移。这就 是多普勒频移。月球和地球之间的相对运动会导致地球上的接收机出现这种想 象，出现接收信号的失真，甚至是出现信道频率的偏移导致无法接收到信号。 由于地球和月球之间的距离很远，因此路径上会造成极大的损耗。月地近 地点距离为3 6 3 3 0 0 千米，远地点距离为4 0 5 5 0 0 千米。加上各种其他衰耗和反 射，导致从地球发射的信号大约9 3 都会被衰耗掉，仅有7 会反射回地球。同 时，路径上的衰耗还与信号的频率有关，频率越高，衰耗越大。 此外，宇宙背景辐射也会对通信造成干扰，主要是太阳和星座的辐射。由 于天空南部的星座较北部多，因此当月球处于南方时，月面反射通信会受到更 强的辐射干扰。另外，白天通信会受到太阳辐射的干扰。 2 2 月面反射通信的发射机 常见的用于月面反射通信的无线发射机主要有：直接变频型和超外差型两 种，其中直接变频是超外差型的特殊形式【5 】。超外差发射机结构如由图2 2 所示。 其中的低频信号源就是所要传输的有用信息，一般处于音频范围内。低频信号 经过放大后在第一混频器与第一本振的信号混频，这个也是调制的过程，得到 调制信号，并实现频率升高。升高后的频率可以再经第二次混频，最终得到所 要发射的无线频率。这样做的目的是使信号经过调制后能够集中在某一个频率 上，之后的放大和滤波处理都在这个频率上进行，这就提高了系统的抗干扰能 力，同时这样的放大器和滤波器也便于设计，又可以得到更高的增益。发射机 的主要增益级是图2 2 中的射频放大器部分，而推动级是射频功放。射频功放决 定了发射机最终输出的功率和效率，根据不同用途，射频功放可以选择不同工 6 武汉理t 人学硕十学位论文 作点，按照功放中的晶体管饿导通角度分为a 类、b 类、a b 类、c 类、d 类和 e 类等。其中对于宽带的信号而言，必须使用a 类放大器，a 类放大器在整个 周期内，晶体管一直保持导通，因此其效率低，大部分能量以热量的方式损耗， 但是a 类放大器的保真性能好。对于窄带的信号，一般使用c 类放大器，c 类 放大器的导通角小于9 0 。，因此其热消耗较低，一般效率可以达到8 0 9 0 左 右，目前大部分窄带通信设备都是使用c 类放大器，月面反射通信多为窄带通 信，因此也采用这种方式。然而，c 类放大器毕竟导通角不为0 ，所以还是有热 消耗，对于月面反射通信而言，发射功率高达上千瓦，所以其热损耗还是相当 惊人的，对于电力资源不充足地区或者电池供电设备，这中浪费依然值得考虑。 过大的热消耗是目前大部分月面反射通信设备尚未解决的问题【6 1 。 髓 岩_ 本擐 第二本擐 图2 - 2 超外差无线发射机结构图 发射机除了发射功率信号外，还起到对信息进行调制的作用，即把有用信 息加载到高频载波上，以便发射出去。调制方式分为幅度调制和角度调制两种， 幅度调制是指调幅( a m ) ，角度调制是指调频( f m ) 和调相( p m ) ，对于数字 信号传输，则对应的有a s k 、f s k 、p s k 等。a m 方式是让载波随有用信号的 信息产生幅度的变化，载波的幅度传递的信息，因此若有影响幅度的噪声，会 对a m 信号产生影响，而来自相位和频率方面的噪声则对a m 影响较小；而对 于f m 和p m ，则可以承受较强的幅度的失真以及噪声，但对于来自相位和频率 的噪声有较低抵抗力。由于大部分噪声会影响信号的幅度，产生幅度失真。从 放大器制作的角度而言，幅度失真更易产生，而频率和相位的失真则可以采用 滤波器消除，因此实际中使用较多的调制方式是角度调制方式。此外，a m 方式 由于最终的载波部分不携带任何信息，因此载波被发射出去属于能量的浪费， 这也是a m 方式不便使用的一方面。 目前月面反射通信为了可以更轻易实现联通，多采用简单的c w 调制模式， 武汉理t ：人学硕十学位论文 也就是二进制丌关调制，以慢速的信号的有和无代表0 和l 组成的莫尔斯电码 来传递信息，这种方式占用带宽少，基本可以仅限于单频点，因此效率很高， 特别是相对于a m 方式而言，c w 模式基本没有能量的浪费，但是由于其占用带 宽过窄，导致传输数据量很低，很难适应目前大多数通信需求，因此需要选择 更合适的调制方式和发射机功率以满足信息传输的需要。 2 3 月面反射通信接收机 月面反射通信用的接收机基本都属于超外差结构，其原理于上述的超外差 发射机类似，只是过程相反，把高频信号降低为低频。其结构如图2 3 所示。 第一本擐第二本振 图2 - 3 超外差接收机结构 超外差接收机从天线接受到信号后有射频放大器放大，进入第一混频器降 频，中频放大器则提供主要的增益，放大后的信号进入解调器解调得到有用的 低频信息，最终经音频放大器放大后驱动扬声器( 此处以扬声器为例代表最终 使用设备) 。 由于接收机所处理的是极其微弱的信号，因此其侧重点与发射机不同。由 于月面反射通信所要接收到的信号相当微弱。一般会低于1 0 0 d b m ，这个信号是 相当低的，换算为电压只有1n v 左右，甚至更低。因此，接收机的噪声本底必 须要低于这个水平，至少要低于1 3 0 d b m 。而接收机的噪声水平主要是由第一级 的射频放大器决定的，因此第级必须使用低噪声放大器( l n a ) 。目前而言， 大部分月面反射通信的接收机并非单独设计，而是采用的通用型的接收机，其 本底噪声仅仅1 0 0 d b m 左右，刚好可以淹没月面反射通信的信号，因此只能通 过增大发射功率来弥补，这就造成了能量的浪引。卜8 1 。所以必须对月面反射通信 这种特殊的通信方式单独设计合适的低噪声接收机。 接收机的解调方式与发射机是对应的，因此目前最常用的是c w 的解调。 武汉理t 大学硕士学位论文 但是，对于近来信息量的增加，新的适合数字通信的调制方式的推出，解调方 式也应做出改进。 2 4 月面反射通信的天线系统 月面反射的发射功率高，为了使更多的能量传输到月球，因此需要高增益 的天线。同时由于以月球作为反射体，天线的方向性也要求较高。天线的种类 大体分为偶极子天线、端射天线、缝隙天线、贴片天线、平板反射天线、口径 天线以及天线阵列。 其中方向性好，增益高的主要是端射天线和口径天线。目前月面反射通信 用天线多为端射天线中的八木。宇田天线( y a g ia n t e n n a ) ，简称八木天线。八木 天线由振子、反射器和导向器三个基本部分组成，导向器可以有多个，个数越 多，方向性越强。八木天线如图2 4 所示。可见，八木天线结构极其简单，因此 便于开发制作，大部分业余无线电爱好者都以八木天线作为月面反射通信的实 验天线，为了增加天线的增益和方向性，往往附加多个导引器，有时又把多个 八木天线组合成天线阵列。图2 5 是两个个用于月面反射通信的八木天线阵列， 左侧一个由4 8 个2 m 波段的多导向器八木天线单元组成，右侧一个为4 8 个7 0 c m 波段天线的组合，该些阵列虽然可以在这一波段实现相当高的增益和指向性， 然而却体积庞大，长宽都有十几米。另外由于其方向性过好，导致对准月球时， 需要不断调整天线指向位置，因此需要大功率的电机转向驱动系统来不断调整 天线方向【1 0 j 。 导 反射器 振子 ， 句器 0 、 l 0 、 一 馈线。 图2 4 八木宇田天线基本结构 9 武汉理1 二大学硕士学位论文 。 图2 52 m 波段和7 0 e m 波段的八木天线阵列 八木天线虽然制作简单，但是却由于其分布参数的影响，导致八木天线仅 能使用在v h f 频段和u h f 频段的低端部分，而不适合目前大力开发的微波频 段。目前使用于微波频段的月面反射天线尚未有较成熟的研究。 l o 武汉理工人学硕十学位论文 第3 章月面反射通信的信道模型 月面反射通信中的信号需要经过地球大气层、月地间的宇宙空间、月球表 面三个重要的区域，必须对由这三个区域组成的信道建立合适的数学模型才能 更好的选择通信频率和带宽，同时可以更好的研究各种噪声干扰对通信的影响， 合理的在发射机或接收机中附加某些装置补偿。 3 1 地球大气层中影响月面反射通信的因素 地球大气层是指环绕在地球周围的一层厚厚的由多种气体成分组成的气体 保护层。由于地球大气层的存在，导致了来自宇宙和太阳的各种强电磁辐射被 极大地衰减吸收，保护了地球生命的生存，同时也极大的减弱了宇宙辐射对地 球大气层内通信的影响。然而，月面反射通信不可避免的需要信号穿透大气层， 因此大气层也会对该信号产生衰减损耗。必须合理地分析大气层对各种频段信 号的影响程度，已选择更合适穿透大气层的信号频率。 大气层的主要组成成份是7 8 的氮和2 1 的氧，另外就是各种稀有气体、 二氧化碳和水蒸气。大气层自下而上分为对流层、平流层、中间层、暖层和散 逸层几个层面。除此之外，在距离地表月6 0 千米处，存在一个由电离的大气组 成的层面，这就是电离层。电离层是对通信影响最为剧烈的层面，可以对无限 电波产生折射、反射、散射、极化、传播速率的改变等影响。 3 1 1 电离层对无线通信的影响 电离层分为d 层、e 层和f 层三个层面。电离层的形成主要原因是太阳的 紫外线辐射，因此，电离层与太阳相对地区的位置有着密切的关系，与太阳的 活动有着密切关系。电离层的分层情况以及离子密度和成因等见表3 1 。电离层 还会出现扰动现象，指的是电离层饿电子密度突然的激增，主要是由于太阳的 剧烈活动引发的，这种现象与太阳的活动周期有关，一般比较大的扰动周期是 1 1 年，正是太阳黑子的爆发期。 如果忽略地磁的影响，电离层的介质折射率可以近似为： 武汉理r 大学硕士学位论文 疗2 = 1 一之( 3 1 ) 1 。 其中厂和以分别是电磁波频率和等离子体频率。而等离子的频率主要有等 离子体的密度决定，为 力：塑 ( 3 2 ) 其中e 、n 、r n 分别为电子电荷、离子密度和离子质量。对于一个频率为f 的电磁波，当f 高于等离子体的频率时，电磁波才可以穿透电离层，而低于等离 子体频率的信号完全不能穿透电离层。因此，较低的无限信号时无法穿透电离 层的，也就无法用于月面反射通信。由于离子密度的不定性，这个临界频率不 易确定，一般来说，低于3 0 m h z 的信号无法通过电离层，会被完全反射，3 0 m h z 正是短波的上限，因此短波以，包括中波和长波都无法用于空间通信。月面反 射通信的信号频率必须高于3 0 m h z 1 。 表3 1电离层分层情况及特点 区域名d 层e 层f 层 最大电子密度 l o 个c l l 1 31 0 5 个c m 31 0 6 个c r n 3 x 光、黎曼射线与宇 形成原冈 x 光及紫外线辐射 紫外线辐射 宙射线辐射 存在情况 白天存在，夜间消失 一直存在，当电子浓白天存在，夜间消失， 及强度变化度夜间会大大降低夏天小，冬天大 3 1 2 大气中各种成份对月面反射通信的影响 大气层主要构成成份包括氧、氮和水蒸气，还有少量的其他稀有气体，二 氧化碳等。这些元素都有自己固定的谐振频率，而在这些频率附近，气体元素 会对该频率的电磁波产生极大的衰减。其中其主要作用的是水蒸气和氧，包括 氧气、臭氧和游离的氧原子。大气中水蒸气和氧对各种频率的电磁波信号的衰 减情况见图3 1 ，从图中可见，氧气在6 0 g h z 7 0 g h z 之间出现第一个衰减极值， 在1 2 0 g h z 处出现第二个衰减极值；水蒸气在2 2 g h z 、1 8 0 g h z 和3 5 0 g h z 处出 现衰减极值，因此在这些频率点附近，不应进行空间通信，信号会被极大的衰 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 减。这些衰减点基本处于微波中的毫米波频段，对v h f 和u h f 频段暂无影响， 然而，目前通信向着高频化的趋势发展，因此这些影响也应值得注意。此外， 这些气体对电磁波信号的衰减还与海拔高度有关，高度越高，由于气体越稀薄， 衰减越若。突发的天气状况，例如雷电、雨雪也会造成衰减的异常【1 2 】。 最 暮 鸳 懈 频率g h z 图3 1水蒸气、氧对电磁波信号的衰减 3 1 3 自由空间的损耗 假设在没有任何大气和其他造成电磁波算好的介质存在的情况下，电磁波 在自由空间传输同样会造成损耗，这个损耗传输距离有关，可以用f r i i s 公式计 算。f r i i s 公式为： ， 。 = ( 当) 2 ( 3 3 ) 叶刀口 其中为接收到的功率，嘞为发射功率，和分别为发射机和接收 机的天线增益，( 4 n d 五) 2 称为“自由空间损耗因子”。可以看出，这个损耗是与 传输距离的平方成反比的，当距离增加时，损耗会更大度副的增加。 f r i i s 公式特别适用于天线远长分析，也就是发射机与接收机之间的距离远远大 于天线本身的尺寸的情况，对于月面反射通信，这种情况尤为合适。 由“自由空间损耗因子 还可以看出，电磁波信号的衰减除了与距离有关 外，还与信号的频率有关，频率越高，衰减越大。为此，月面反射通信不应选 武汉理t 大学硕士学位论文 择过高的通信频率，然而，过低的信号又无法穿透电离层。因此选择v h f 的上 段或者u h f 频段的信号作为月面反射通信的频率，一方面可以使信号轻易穿透 电离层，另一方面又可以保证天线的尺寸不至于过大，同时又有足够的带宽承 载信息。而衰耗可以通过适当地增加发射功率以及提高接收增益弥补。 经过上述对自然因素对电磁波影响的研究，可以发现，月面反射通信选择 v h f 频段的上段直至u h f 都是可以的，甚至包括分米波和厘米波段。再高的频 率易受到氧气和水蒸气的辐射干扰，过低的频率则无法穿透电离层。频率的选 择还与承载的信息有关，因为频率越高，在相对带宽一定的情况下，绝对带宽 就可以越宽，承载的信息量越大。较低的频率尽可以进行简单的莫尔斯电码通 信和语音通信，而更高的频率则可以实现视频等海量数据的传输，这也是目前 通信发展的趋势之一。 。 以目前常用的1 4 4 m h z 的为例，典型的一次月面反射的路径损耗是2 5 0 d b ， 假设发射天线有1 0 d b 的增益，信号经月球反射后最终返回地球时的强度是一l8 0 b m ，则反向推导可以得到由天线发出的信号为7 0 d b m ，则发射机输出的信号为 6 0d b m 。换算为瓦特为1 0 0 0 w 【1 3 】。可见，如果按照此发射功率计算，一般月面 反射通信用的发射机为c 类，假设效率是8 0 ，则以热损耗掉的功率为2 5 0 w 。 如果对于电池或者应急供电系统，这些功率是十分重要的，因此必须在月面反 射中采用高效的发射机。 由“自由空间损耗因子【4 万d 州。可知，距离的增加会增加损耗，然而波 长的降低( 频率的提高) 也可以弥补之一损失，因此把频率提高也有利于节能。 本课题的月面反射通信频率选定为1 0 g h z ，按照式( 3 3 ) 估算，假设天线的增 益可以做到4 9 d b i ，则发射机功率达到3 0 w 左右时，接收机就可以得到1 4 4 m h z 时发射机1 0 0 0 w 的相当水平。 1 4 武汉理人学硕十学位论文 第4 章月面反射通信的发射机设计 月面反射通信属于远距离通信，因此其发射机具有一切远程通信发射机的 特点一发射功率大。在目前大多数月面反射通信采用的发射机功率都超过 1 0 0 0 w ，这是为了补偿无线信号穿越大气层时以及在远距离空间传播时造成的损 耗。目前绝大多数发射机为了提高效率都是采用的c 类窄带发射机，因此无法 传载大规模的信息，同时效率约有8 0 左右，对于如此大功率的发射，这是一 种能量上很大的浪费。因此发射机的功率不应设计的无限大，而是根据需要设 定，并选择合适的发射机类型提高效率并保证带宽。 通常的月面反射通信的发射机结构是超外差结构。超外差的优点在于，将 信号的处理集中与一个频点或很窄的频段内，因此可以调节窄带的中频放大器 以得到较大的增益，并利用中频滤波器消除带外的干扰，超外差结构采用核心 电路混频器实现信号频率