微波与卫星通信第1章

1、主要内容：介绍主要内容：介绍无线通信领域无线通信领域的传输技术的传输技术 (Wireless Communication)微波通信（微波通信（Microwave Communication）移动通信（移动通信（mobile communication）卫星通信（卫星通信（Satellite Communication）第一章：第一章：介绍微波通信、移动通信及卫星通信的基本介绍微波通信、移动通信及卫星通信的基本概念、特点、系统组成和频率配置概念、特点、系统组成和频率配置第二章：第二章：介绍微波通信、移动通信及卫星通信的调制介绍微波通信、移动通信及卫星通信的调制解调技术原理和种类解调技术原理和种类

2、第三章：第三章：讨论卫星通信的多址技术与信道分配技术讨论卫星通信的多址技术与信道分配技术第四章：第四章：对三种无线通信中的电波传播特性进行分析对三种无线通信中的电波传播特性进行分析第五章：第五章：介绍无线通信中常用的编码和处理技术的原介绍无线通信中常用的编码和处理技术的原理及特点理及特点第六章：第六章：对无线通信中的主要链路参数进行介绍对无线通信中的主要链路参数进行介绍第七章：第七章：介绍我国及国际上微波与卫星通信的现状及介绍我国及国际上微波与卫星通信的现状及最新技术发展最新技术发展 微波与卫星通信的工作频率都属微波与卫星通信的工作频率都属于于微波频率微波频率，所以它们既有共同的特，所以它们既

3、有共同的特点，又各自具有本身的特点，且组成点，又各自具有本身的特点，且组成单独的通信系统。单独的通信系统。频段名称频段名称频率范围频率范围波段名称波段名称波长范围波长范围甚低频（VLF）3 kHz30 kHz万米波，甚长波万米波，甚长波10 km100 km低频（LF）30 kHz300 kHz千米波，长波千米波，长波1 km10 km中频（MF）300 kHz3000 kHz百米波，中波百米波，中波100 m1000 m高频（HF）3 MHz30 MHz十米波，短波十米波，短波10 m100 m甚高频（VHF）30 MHz300 MHz米波，超短波米波，超短波1 m10 m特高频（UHF）3

4、00 MHz3000 MHz分米波分米波10 cm100 cm超高频（SHF）3 GHz30 GHz厘米波厘米波1 cm10 cm极高频（EHF）30 GHz300 GHz毫米波毫米波1 mm10 mm300 GHz3000 GHz亚毫米波亚毫米波0.1 mm1 mm无线电波的频段划分1.1 微波与卫星通信的基本概念与特点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微波通信系统的组成1.3 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成1.4 移动通信系统的组成移动通信系统的组成（不要求）（不要求） 微波微波是指频率为是指频率为300300MHzMHz至至300300GHzGHz的电磁波。的

5、电磁波。 微波通信微波通信是指用是指用微波频率作载波携带信息，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）通信通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。的方式。 卫星通信卫星通信是指是指利用人造地球卫星作为中继站，利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在转发或反射无线电波，在两个两个或或多个地球站多个地球站之间之间进行的通信。进行的通信。 卫星通信又是宇宙无线电通信形式之卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而一，而宇宙通信宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它有的无线电通信，它有三种形式三种形式：宇宙站：人造卫星、宇宙飞船宇宙站：人造卫星、

6、宇宙飞船视频资料视频资料注意：相距两个较远的地球站同时注意：相距两个较远的地球站同时看到卫星时才能进行卫星通信，才看到卫星时才能进行卫星通信，才能利用卫星进行转发无线电微波信能利用卫星进行转发无线电微波信号。号。 用于传输频分多路用于传输频分多路-调频制（调频制（FDM-FM）基带信号的系统叫作基带信号的系统叫作模拟微波通信系统模拟微波通信系统；用；用于传输数字基带信号的系统叫作于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通数字微波通信系统信系统。分为分为PDH、SDH两种体制两种体制基本特点：基本特点：微波微波、多路多路、接力接力“微波微波”是指微波工作频段宽，波长在是指微波工作频段宽，波长在1米米

7、(不不含含1米米)到到1毫米之间，包括了分米波、厘米波和毫米毫米之间，包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。波三个频段。“多路多路”是指微波通信的通信容量大，即微波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。通信设备的通频带可以做得很宽。“接力接力”是目前广泛使用于是目前广泛使用于视距微波视距微波的通信方的通信方式。式。同光线一样具有波粒二象性同光线一样具有波粒二象性呈现为穿透、反射、吸收三个特性呈现为穿透、反射、吸收三个特性数字微波通信除了具有上面所说的微波通信数字微波通信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：的普遍特点外，还具有数字通信的特点：（1

8、 1）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；（2 2）保密性强，便于加密；）保密性强，便于加密；（3 3）器件便于固态化和集成化，设备体积）器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少；小、耗电少；（4 4）便于组成综合业务数字网（）便于组成综合业务数字网（ISDNISDN）。）。 电波传播环境极其恶劣电波传播环境极其恶劣 多径传播多径传播瑞利衰落瑞利衰落(信号电平起伏信号电平起伏40dB以上以上) 移动台受到多种干扰影响和噪声影响移动台受到多种干扰影响和噪声影响 同频干扰、邻道干扰、环境噪声同频干扰、邻道干扰、环境噪声 频谱资源珍贵频谱资源珍贵 用户数急剧增加用户数

9、急剧增加 组网技术复杂组网技术复杂 越区切换、跟踪交换越区切换、跟踪交换每年春分、秋分时地球、卫星、太阳在同一直线上 基本原则：基本原则： 在一个中间站，一个单向波道的收信和发信在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率且有足够大的间隔必须使用不同频率且有足够大的间隔 多波道同时工作时，相邻波道频率间必须有多波道同时工作时，相邻波道频率间必须有足够的间隔足够的间隔 整个工作频谱安排必须紧凑，使频段得到经整个工作频谱安排必须紧凑，使频段得到经济利用济利用 多波道系统要设法共用天线，所以选用的频多波道系统要设法共用天线，所以选用的频率配置方案应有利于天线共用率配置方案应有利于天线共用

10、多波道系统中，为提高频带利用率，对一个多波道系统中，为提高频带利用率，对一个波道而言，应采用波道而言，应采用二频制二频制：两个方向的发信使用同：两个方向的发信使用同一射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频一射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频率！率！多波道二频制频率配置方案400 带宽带宽f29 波道波道f68 收收发发f保护保护f 1f2f6f1f2f6f0f问：保护频带为多大？ f1、f1各为多少？保保护护f 2681029400nffn292080 nffn2950 GSM频段频段 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用通信系统采用900

11、MHz频段：频段： 890915（移动台发、基站收）（移动台发、基站收） 935960（基站发、移动台收）（基站发、移动台收） 随着业务的发展，可向随着业务的发展，可向1800MHz频段扩展：频段扩展： 17101785（移动台发、基站收）（移动台发、基站收） 18051880（基站发、移动台收）（基站发、移动台收） 相邻两频道间隔为相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入，每个频道采用时分多址接入方式，分为方式，分为8个时隙，即个时隙，即8个信道。每信道占用带宽个信道。每信道占用带宽200kHz8=25kHz。 CDMA频段频段 中国联通数字中国联通数字CDMA系统频率安排如下

12、：系统频率安排如下： 825835（移动台发、基站收）（移动台发、基站收） 870880（基站发、移动台收）（基站发、移动台收） 其中载频间隔为其中载频间隔为1.25 MHz 3G频段频段 第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)即即IMT-2000的主要工的主要工作频段：作频段： 频分双工频分双工(FDD) 19201980/ 21102170 时分双工时分双工(TDD) 18801920/ 20102025 大气层中对流层中的氧和水蒸气对电波有吸收大气层中对流层中的氧和水蒸气对电波有吸收作用，雨、雾和雪也会对电波产生吸收和散射损耗，作用，雨、雾和雪也会对电波产生吸收和散射损耗，研究发现

13、在研究发现在0.3GHz 10GHz 频段频段，大气吸收损耗，大气吸收损耗最小，称为最小，称为“无线电窗口无线电窗口”。 “半透明无线电窗口半透明无线电窗口”：30GHz附近附近目前大多数卫星通信系统选择了如下频段：目前大多数卫星通信系统选择了如下频段：（1）UHF（超高频）频段超高频）频段400/200MHz；（2）微波微波L频段频段1.6/1.5GHz;（3）微波微波C频段频段6.0/4.0GHz; (民用、商用民用、商用) （4）微波微波X频段频段8.0/7.0GHz; (军用、政府用军用、政府用)（5）微波微波Ku频段频段14.0/12.0GHz和和14.0/11.0GHz;（6）微波

14、微波Ka频段频段30/20GHz。 随着通信业务的迅速增长，人们正在探随着通信业务的迅速增长，人们正在探索应用更高频段的可能性。索应用更高频段的可能性。19711971年的世界无年的世界无线电行政会议已确定将宇宙通信的频段扩展线电行政会议已确定将宇宙通信的频段扩展到到275275GHzGHz。 一条微波中继信道是由终端站、中间一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站及电波空间组成，如图所站和再生中继站及电波空间组成，如图所示。示。终端站终端站的任务是将复用设备送来的各类基带信号的任务是将复用设备送来的各类基带信号调制到微波频率上并发射出去，或者反之。调制到微波频率上并发射出去，或者反之。

15、中继站中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，分的任务是完成微波信号的转发和分路，分为为中间站中间站（不能上、下话路）、（不能上、下话路）、分路站分路站和和枢纽站枢纽站（能上、下话路）。（能上、下话路）。示意图示意图 直接调制式发信机直接调制式发信机（使用微波调相器）（使用微波调相器） 中小容量的数字微波（中小容量的数字微波（480路以下）设备路以下）设备 变频式发信机变频式发信机 以一种典型的变频式发信机为例加以说明以一种典型的变频式发信机为例加以说明变频式发信机方框图变频式发信机方框图取出信号的取出信号的一个边带一个边带服务于公众或某些特殊用途的信号服务于公众或某些特殊用途的信号本本振振浅

16、浅调调频频发信混频：将中频信号从频谱搬移到微波频段。使输出维持在使输出维持在额定电平额定电平混频器(变频器)：将信号频率由一个量值变换为另一个量值的器件。cosAcosB=0.5cos(A+B)+0.5cos(A-B) 对应于上变频和下变频 如果通信频率越高，则：如果通信频率越高，则： 优点优点通频带、系统容量、天线方向性及增益通频带、系统容量、天线方向性及增益 缺点缺点雨雾及水蒸气对信号的散射、吸收，收信雨雾及水蒸气对信号的散射、吸收，收信电平下降电平下降 干线微波通信干线微波通信：2GHz、4GHz、6GHz频段频段 支线支线、专用网微波通信专用网微波通信：7GHz、8GHz、11GHz

17、中放中放 微波功放微波功放 输出功放输出功放 输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。一输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。一般为几十毫瓦到般为几十毫瓦到1瓦左右。瓦左右。 发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心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，用工作频率，用f0表示。设实际工作频率与标称工作频表示。设实际工作频率与标称工作频率偏差为率偏差为f，则频率稳定度为，则频率稳定度为:对于对于PSK调制方式调制方式，要求频率稳定度为：，要求频率稳定度为：110-5 510-6对于变频调制方式对于变频调制方式：注意本振浅调频的影响：注意本振浅调频的影响0ffk 数字微波的收信设

18、备和解调设备组成数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统（了收信系统（注：这里的收信设备只包括注：这里的收信设备只包括射频、中频两个部分射频、中频两个部分） 在设计收信设备时需要重点考虑的因在设计收信设备时需要重点考虑的因素：微波传播中的素：微波传播中的衰落现象衰落现象严重影响严重影响通信质量！通信质量！ 对抗衰落的技术措施主要从两个方面对抗衰落的技术措施主要从两个方面考虑：考虑：一个方面是对正在准备建设的微波一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，电路的考虑，另一个方面是对已建成微波另一个方面是对已建成微波电路的衰落严重的接力段的考虑。电路的衰落严重的接力段的考虑。分集技术：分集技术：通

19、过两条或两条以上途径通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。轻衰落影响的一种技术措施。分集技术分集技术空间分集频率分集时间分集站址分集角度分集(空间分集分为空间分集发送和空间分集接收空间分集分为空间分集发送和空间分集接收)空间分集接收空间分集接收在空间不同的垂直高度上设在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号。号，然后合成或选择其中一个强信号。二重空间分集接收二重空间分集接收超超外外差差式式接接收收机机可有效抑制多径衰落可有

20、效抑制多径衰落 与发信机配合工作，前一个微波站的发信频与发信机配合工作，前一个微波站的发信频率即本收信机同一波道的收信频率。率即本收信机同一波道的收信频率。 收信机输出的中频是收信本振与收信微波混收信机输出的中频是收信本振与收信微波混频的结果，故对收信本振频率的稳定度有一定的频的结果，故对收信本振频率的稳定度有一定的要求。要求。 110-5 510-6 在环境温度为标准室温在环境温度为标准室温(17)且收信机输入且收信机输入与输出匹配的条件下，与输出匹配的条件下，噪声系数为输入端信噪比噪声系数为输入端信噪比与输出端信噪比的比值与输出端信噪比的比值：nosonisiFPPPPN 设收信机增益系数

21、为：设收信机增益系数为：sisoPPG 可得收信机输出噪声为：可得收信机输出噪声为：收信机收信机PGPPnino 收信机自身热噪声收信机自身热噪声此时收信机噪声系数可改写为：此时收信机噪声系数可改写为：GPPGPPGPGPPNnininininoF收信机收信机收信机收信机 1由上式可看出，收信机噪声系数最小值为由上式可看出，收信机噪声系数最小值为1(0dB)此为理想情况，即收信机内部无热噪声。此为理想情况，即收信机内部无热噪声。所以说所以说NF是衡量收信机热噪声性能的一项指标！是衡量收信机热噪声性能的一项指标！ 收信机接收的已调波是一个频带信号，即已收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频

22、谱（的主要成分）要占有一定的带宽。调波频谱（的主要成分）要占有一定的带宽。 收信机的通频带应至少大于该带宽！但不宜收信机的通频带应至少大于该带宽！但不宜过大，会引入更多的噪声！过大，会引入更多的噪声！ 一般取传输码元速率的一般取传输码元速率的12倍倍 例传输速率为例传输速率为8.448 Mbit/s的数字微波系统，的数字微波系统，通频带一般取通频带一般取13 MHz 对某个波道的收信机而言，要求它只接收本对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对其它干扰波道的信号，对其它干扰(邻近波道干扰、镜像邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等频率干扰及本波道的收、发干扰等)有足够的抑

23、有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。制能力，这就是收信机的选择性。 选择性用选择性用增益增益频率频率(G-f)特性特性表征！表征！ 要求要求： 通频带内增益足够大且通频带内增益足够大且G-fG-f特性平特性平坦坦 通频带外衰减越大越好通频带外衰减越大越好 通带与阻带间的过渡区越窄越好通带与阻带间的过渡区越窄越好 以以自由空间传播条件下自由空间传播条件下的收信电平为基准，当的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为收信电平高于基准电平时，称为上衰落上衰落；低于基准；低于基准电平时，称为电平时，称为下衰落下衰落。 当收信电平变化时，仍要求收信机额定输出电当收信电平变化时，仍要求收信机额定

24、输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设置平不变，就应在收信机的中频放大器内设置自动增自动增益控制益控制(AGC)电路电路。 例：上衰落为例：上衰落为+5 dB，下衰落为，下衰落为-40 dB 则要求则要求AGC控制范围为控制范围为45 dB 馈线：在无线电发射机放大器输出端（或收馈线：在无线电发射机放大器输出端（或收信机输入端）和发射（或接收）天线输入端（输信机输入端）和发射（或接收）天线输入端（输出端）之间传送射频出端）之间传送射频(RF)能量的线路。能量的线路。同轴电缆型同轴电缆型分米波波段分米波波段(2GHz)(2GHz)波导型波导型厘米波波段厘米波波段(4GHz(4GHz以上以上)

25、 )馈线馈线圆波导馈线圆波导馈线矩形波导馈线矩形波导馈线同轴电缆馈线系统波导馈线系统波导：一种用来约束或引波导：一种用来约束或引导电磁波的结构导电磁波的结构分为：分为： 空心金属波导管空心金属波导管 表面波波导表面波波导问：比较上面两个馈线问：比较上面两个馈线系统的不同？系统的不同？ 常用微波天线的基本形式有：喇叭天线、抛物面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。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以下几个方面：微波天线的主要技术指标有以下几个方面： 定义：定义：在输入功率相等的条件下，实际天线与在输入功率相等的条件下，实际天线与

26、理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。率密度之比。 定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度程度。 例：为在一定的距离上的某点处产生一定大小例：为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要需要 100W 的输入功率，而用增益为的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。 微波通信中使

27、用的面式天线，其增益可用下式微波通信中使用的面式天线，其增益可用下式表示：表示：式中，式中，A天线的口面面积天线的口面面积 波长波长 A口面利用系数，口面利用系数，0.40.6 例：工作频率为例：工作频率为4GHz，距离为，距离为50km的微波线路，的微波线路，常用直径为常用直径为3.2m4m的天线，其增益为的天线，其增益为40dB左右左右G=24AA 主瓣宽度主瓣宽度衡量天线功率辐射是否集衡量天线功率辐射是否集中的参量，主瓣宽度越小，方向图越尖锐，中的参量，主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。表示天线辐射越集中。 注意！不要认为主瓣宽度越小越好？注意！不要认为主瓣宽度越小越好？

28、（天气因素）一般取为（天气因素）一般取为12左右左右主瓣中辐射功率为最大值一半时两个矢径间的夹角称为主瓣宽度主瓣中辐射功率为最大值一半时两个矢径间的夹角称为主瓣宽度 在整个工作频段内，要求天线与馈线在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而造成应匹配连接，否则将造成反射，进而造成线路噪声。线路噪声。 在采用双极化的微波天线中，由于天线本身结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，构的不均匀性及不对称，不同极化波不同极化波（即垂直极化（即垂直极化波和水平极化波）波和水平极化波）可在天线中互相耦合，互为干扰，可在天线中互相耦合，互为干扰，分别成为与之正交

29、的主极化波的寄生波。分别成为与之正交的主极化波的寄生波。 设此寄生波功率为设此寄生波功率为Px，则交叉极化去耦度为：，则交叉极化去耦度为：)(lg100dBPPxX 一般要求交叉极化去耦度不小于一般要求交叉极化去耦度不小于30dB主极化波功率主极化波功率 天线防卫度是天线防卫度是指天线在最大辐射方向上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。对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。 在微波线路中，由于采用在微波线路中，由于采用二频制二频制，因此，因此在同一微波站中，两个方向的接收机工作在在同一微波站中，两个方向的接收机工作在同一频率，存在诸多耦合现象，如图所示：同一频率，存在诸多耦

30、合现象，如图所示：天线防卫度图解天线防卫度图解前对背耦合前对背耦合 边对边耦合边对边耦合 背对背耦合背对背耦合反向防卫度反向防卫度 指天线去除前对背耦合的能力，定义为指天线去除前对背耦合的能力，定义为天线在最大辐射方向上的增益系数天线在最大辐射方向上的增益系数G0与反方与反方向增益系数向增益系数G反反的比值。的比值。边对边去耦边对边去耦 指天线去除边对边耦合的能力指天线去除边对边耦合的能力背对背去耦背对背去耦 指天线去除背对背耦合的能力指天线去除背对背耦合的能力 卡塞格伦天线是一种具有卡塞格伦天线是一种具有双反射器双反射器的抛物面的抛物面天线，其外形简图如下：天线，其外形简图如下：工工 作作

31、原原 理理 预备知识预备知识抛物线的光学性质：经焦点的光线经抛物线反射后的光线平行于抛物线的对称轴。双曲线的光学性质：从双曲线一个焦点发出的光，经过双曲线反射后，反射光线的反向延长线都汇聚到双曲线的另一个焦点上当辐射器位于双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过双曲面反射后的射线就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。 工工 作作 原原 理理工作原理图工作原理图与抛物面天线不同，称为后馈式与抛物面天线不同，称为后馈式（抛物面）（抛物面）（双曲面）（双曲面）后馈式天线结构的优点：后

32、馈式天线结构的优点： 传统的主焦点锅，馈源在焦点上，它在抛物面反射面前，所以要不就需要有低损耗馈线，要不就有一部分设备处在馈源附近。后者对接收系统是合理的，因为低噪声放大器相当紧凑，但高功率的发射机往往是又大又重的。 卡塞格伦天线和类似的多反射面天线，让馈源放置在一个更方便的点上，接近顶点（抛物面反射面的中心），馈线可以通过锅的中心。但是，进一步的分析表明，这种优势不仅仅是方便一点，真正的好处是次反射面可以用来重塑对反射面的辐照而达到更好的性能，即重塑辐照。 摘自保罗韦德多反射锅形天线 卫星通信的工作频段与微波通信相同。卫星通信的工作频段与微波通信相同。下图是卫星通信的示意图：下图是卫星通信的

33、示意图：卫星通信示意图中继转发信号中继转发信号实现地面站之间的通信实现地面站之间的通信 静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道平面内。平面内。轨道离地面高度约为轨道离地面高度约为35800km（为简单起见，经常称为简单起见，经常称36000km）。）。 下图所示为静止卫星配置的几何关系下图所示为静止卫星配置的几何关系示意图示意图。静止卫星的配置赤道长度约四万赤道长度约四万km不同的两个卫星的覆盖区域之间的通信（两跳）不同的两个卫星的覆盖区域之间的通信（两跳）目前国际卫星通信组织负责建立的国目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（际卫星通信系统（INTELSAT

34、），），简称简称IS，就是利用静止卫星来实现全球通信的。就是利用静止卫星来实现全球通信的。三三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空西洋上空，它们构成的全球通信网承担着，它们构成的全球通信网承担着大约大约80%的国际通信业务和全部国际电视的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图所示：转播业务，如图所示：国际通信卫星公司： INTELSAT、PONAMSAT 、LORAL INTELSAT：共有18颗卫星，最新为Intelsat9 系列卫星卫星通信示意图处于卫星重叠区处于卫星重叠区实现全球通信实现全球通信我国卫星通信系统现状中国卫通 中星5A(中卫1号

35、) 中星5B(鑫诺1号) 中星5C(鑫诺3号) 鑫诺2号视频资料视频资料 通常卫星通信系统是由通常卫星通信系统是由地球站地球站、通信通信卫星卫星、跟踪遥测及指令系统跟踪遥测及指令系统和和监控管理系监控管理系统统4大部分组成的，如图所示：大部分组成的，如图所示：卫星通信系统的组成对卫星上的运行数对卫星上的运行数据及指标进行跟踪据及指标进行跟踪测量，并对卫星在测量，并对卫星在轨道上的姿态进行轨道上的姿态进行监视与控制监视与控制在通信业务开通前在通信业务开通前和开通后对卫星通和开通后对卫星通信的性能及参数进信的性能及参数进行监测和管理行监测和管理 两个地球站通过通信卫星进行通信的两个地球站通过通信卫

36、星进行通信的卫星通信线路的组成如图所示，由卫星通信线路的组成如图所示，由发端地发端地球站球站，上、下行无线传输路径上、下行无线传输路径和和收端地球收端地球站站组成。组成。卫星通信线路的组成多路复用多路复用基带信号基带信号调制：调制：中频中频70M微波频率微波频率频带信号频带信号衰减衰减噪声噪声抑噪放大抑噪放大频率转换：频率转换：f1f2 降低降低功率放大功率放大解调：解调：中频中频70M基带信号基带信号信号分路信号分路 一般来说，对地球站应有以下几方面的要求：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

37、器转发来的微弱信号信号，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建设成本和维护费用不应太高 地球站接收天线的增益地球站接收天线的增益G与地球站接收系统与地球站接收系统的等效噪声温度的等效噪声温度T的比值的比值，它表征了地球站对微它表征了地球站对微弱信号的接收能力弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。，称为地球站的品质因数。例：例： INTELSAT卫星系统卫星系统 A型站型站 B型

38、站型站 )/(4lg200 .35/KdBfTG )/(4lg207 .31/KdBfTG 为了保证所传送信号的质量，要求地球站的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，一般为发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦十几百瓦十几千瓦几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。定。 地球站所发射的射频信号的频率必须很稳定，地球站所发射的射频信号的频率必须很稳定，如有较大漂移则会在卫星转发器中产生如有较大漂移则会在卫星转发器中产生交调噪声交调噪声。当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时，将互当两个以上不同频率信号作用于一非线性电路时，

39、将互相调制，产生新频率信号输出，如果该频率正好落在接相调制，产生新频率信号输出，如果该频率正好落在接收机工作信道带宽内，则构成对该接收机的干扰，称这收机工作信道带宽内，则构成对该接收机的干扰，称这种干扰为交调噪声种干扰为交调噪声国际通信卫星频分多址方式国际通信卫星频分多址方式A型标准地球站型标准地球站天线天线分系统分系统电源分系统电源分系统发射机分系统发射机分系统接收机分系统接收机分系统通信控制通信控制分系统分系统信道终端设备分系统信道终端设备分系统电话信号电话信号电视信号电视信号图像信号图像信号 变频、放大后送往天线变频、放大后送往天线伴音信号伴音信号 利用多路电话的通道进行传送利用多路电话

40、的通道进行传送 （占用三个话路占用三个话路） 发射的功率大发射的功率大 频带宽，从而保证通信容量以及发射多频带宽，从而保证通信容量以及发射多个载波所需的带宽个载波所需的带宽 射频的频率稳定度高射频的频率稳定度高 放大器的线性好放大器的线性好 增益稳定，对发射地球站的有效全向辐增益稳定，对发射地球站的有效全向辐射功率要求保持在额定值的射功率要求保持在额定值的0.5dB以内，以保以内，以保证接收地球站的性能指标证接收地球站的性能指标对地球站发射机分系统的主要要求：对地球站发射机分系统的主要要求： 发射机分系统中的上变频器一般发射机分系统中的上变频器一般采用参量变采用参量变频器频器，特点是噪声小而且

41、有一定的增益。，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的下变频无论是上变频器或接收机分系统中的下变频器，都要有本机振荡器。一般采用器，都要有本机振荡器。一般采用晶振倍频锁相晶振倍频锁相振荡源振荡源。ff0uduc压控振荡器控制电压，直流压控振荡器控制电压，直流f1 由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至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，经几十瓦，而且天线的增益也不高，经200dB左右的左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。所下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。所以要求接收机必须为以要求接收机必须为低噪声系统低噪声系统

42、！ 噪声温度低，接收机分系统的噪声温度很噪声温度低，接收机分系统的噪声温度很低，一般只有几十开尔文（低，一般只有几十开尔文（K） 工作频带宽，一般要求具有工作频带宽，一般要求具有500MHz的带宽的带宽 增益稳定增益稳定对接收机分系统的具体要求：对接收机分系统的具体要求：噪声温度噪声温度：表示噪声源：表示噪声源 ( (射电源、接收机系统或其射电源、接收机系统或其他有源多端网络他有源多端网络) ) 所发出的噪声功率的量度。它等所发出的噪声功率的量度。它等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内，给出相于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内，给出相同的功率时，所具有的绝对温度。同的功率时，所具有的绝对温

43、度。 在微波频段使用的低噪声放大器主要是低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噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。器等。 经低噪声放大器放大的微波信号，要送到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下变频器变换成中频70MHz，再经过中频放大后，再经过中频放大后送到解调器。送到解调器。 分为上行和下行两个部分：分为上行和下行两个部分： 当解调器对多路电话信号的调频波解调时，噪当解调器对多路电话信号的调频波解调时，噪声同时进入解调器，使解调后输出的话路信噪比降声同时进入解调器，使解调后输出的话路信噪比降低。并且低。并且解调器自身

44、的噪声功率谱密度解调器自身的噪声功率谱密度n0为抛物线为抛物线分布，造成输出的各路话路信噪比不一致分布，造成输出的各路话路信噪比不一致，如图所，如图所示：示：解调器自身噪声功率谱解决方法：解决方法：在发端调制器之前接一个在发端调制器之前接一个预加重网络预加重网络，将高端信号幅度提高，而使，将高端信号幅度提高，而使低端信号幅度适当降低。从而使频带内各低端信号幅度适当降低。从而使频带内各处的信噪比变得均匀。处的信噪比变得均匀。在接收信号时再进行相反处理，即在接收信号时再进行相反处理，即去去加重加重以恢复原来的信号。以恢复原来的信号。 由于人们听觉的频率特性是不平坦的，由于人们听觉的频率特性是不平坦

45、的，一一般对般对1000Hz左右的噪声感觉最灵敏左右的噪声感觉最灵敏，对，对30004000Hz以上或以上或200300Hz以下的噪声感觉迟钝，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，需要接时，为考虑受话人实际感受的噪声状况，需要接入入加权网络加权网络，用来表示人们的主观评定，成为下，用来表示人们的主观评定，成为下图所示的形状：图所示的形状：加权电路特性 由于放大器具有非线性特性而产生交调干扰噪声。所由于放大器具有非线性特性而产生交调干扰噪声。所以需外加一个信号对载波能量进行扩散（对载波进行调以

46、需外加一个信号对载波能量进行扩散（对载波进行调制）。由实验得知，外加的信号用制）。由实验得知，外加的信号用20150Hz的三角波较的三角波较为合适，如图所示：为合适，如图所示： 在卫星通信线路信号传输的过程中，有时因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某种原因会发生所传送的信号太小甚至中断的现象。象。 为判断卫星通信线路工作是否正常，在发送为判断卫星通信线路工作是否正常，在发送端的基带信号中加入一个端的基带信号中加入一个60kHz的正弦波，该信的正弦波，该信号即导频信号。号即导频信号。 接收端可根据导频信号的大小判断卫星通信接收端可根据导频信号的大小

47、判断卫星通信线路工作是否正常！（例：当导频信号电平低于线路工作是否正常！（例：当导频信号电平低于某个数值时即产生报警信号）某个数值时即产生报警信号） 信道终端设备下行部分的任务是把从低噪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声接收机送来的70MHz信号，经过中放、解调和信号，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。口设备，把基带信号进行分解。 地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常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。工作，必须在站内集中监视、控制和测试

48、。 地球站电源分系统供应站内全部设备所需用的地球站电源分系统供应站内全部设备所需用的电能，关系到通信的质量及设备的可靠性。电能，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。且公用交流市电也会出现波动。运载火箭（单级速度为运载火箭（单级速度为2.5km/s ）卫星的初始速度大于卫星的初始速度大于8km/s火箭采用具有捆绑技术的三级结构火箭采用具有捆绑技术的三级结构目前只有美国、俄罗斯、法国、中国等国家具备该项技术

49、 世界上主要的运载火箭系列：世界上主要的运载火箭系列：大力神大力神(Titan)系列运载火箭：系列运载火箭：美国大力神运载火箭系列由大力神-2洲际导弹发展而来，1964年首次发射。该系列由大力神-2、大力神-3、大力神-34、大力神-4和商用大力神-3等型号和子系列组成。它的最大近地轨道运载能力为21.9t，地球同步转移轨道运载能力为5.3t。德尔塔德尔塔(Delta)系列运载火箭：系列运载火箭：美国德尔塔系列运载火箭于1960年5月13日首次发射，迄今为止已发展了19种型号。美国空军的全部GPS卫星都是由德尔塔-2发射的。美国还正在研制具有多种配置的德尔塔-4子系列，其中的重型德尔塔-4的地

50、球同步转移轨道运载能力在13t以上。土星土星-V(Saturn)系列运载火箭：系列运载火箭：土星-V运载火箭是美国专为阿波罗登月计划而研制的、迄今为止最大的巨型运载火箭。其起飞重量为3000t，直径10m，高110m，近地轨道运载能力达97t，它能把重达47t的阿波罗飞船送入登月轨道。土星-V曾先后将12名宇航员送上月球。东方号东方号(Vostok)系列运载火箭：系列运载火箭：俄罗斯东方号系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载工具，它创造了多个世界第一：发射了第一颗人造卫星，第一颗月球探测器，第一颗金星探测器，第一颗火星探测器，第一艘载人飞船，第一艘无人载货飞船进步号等。它也是世界上发射次数最

51、多的运载火箭系列。能源号能源号(Energia)运载火箭：运载火箭：能源号运载火箭是前苏联/俄罗斯研制的目前世界上起飞质量和推力最大的火箭。其近地轨道运载能力为105t，既可发射大型无人载荷，也可用于发射载人航天飞机。能源号于1987年首次发射成功，曾将苏联的暴风雪号航天飞机成功地送上天。由于俄罗斯经济状态不佳就再也没有发射过。我国的长征运载火箭系列：我国的长征运载火箭系列： 我国自1956年开始展开现代火箭的研制工作。 1964年6月29日，中国自行设计研制的中程火箭试飞成功之后，即着手研制多级火箭，向空间技术进军。 经过了五年的艰苦努力，1970年4月24日“长征一号”运载火箭诞生，首次发

52、射“东方红一号”卫星成功。中国航天技术迈出了重要的一步。 “长征”系列火箭已经走向世界，享誉全球，在国际发射市场占有重要一席。截至2014年12月31日将风云二号08星成功送入轨道后，我国航天器运载工具长征系列运载火箭完成203次发射。长征一号系列：长征一号系列：长征一号运载火箭于1965年开始研制，包括长征一号运载火箭和长征一号丁运载火箭两个型号，是一种三级火箭，主要用于发射近地轨道小型有效载荷。火箭全长29.86米，最大直径2.25米，起飞重量81.6吨,起飞推力112吨，能把300千克重的卫星送入440公里高的近地轨道。1970年4月24日,长征1号运载火箭成功地将“东方红一号”卫星送入

53、预定轨道，奠定了长征系列火箭发展的基础，发射成功率为100%。长征二号系列：长征二号系列：长征二号目前是中国最大的运载火箭家族，拥有“长征二号”、“长征二号丙”、“长征二号丁”、“长征二号捆（E）”、“长征二号F”等型号，承担近地轨道发射任务。“长征2号”火箭是一种两级火箭,全长31.17米，最大直径3.35米，起飞重量190吨，能把1.8吨的卫星送入距地面数百公里的椭圆形轨道。长征二号火箭共进行了4次发射，除首次发射失败外，另外三次均圆满成功。长征三号系列：长征三号系列：“长征三号”系列运载火箭是我国承担高轨道发射任务的三级运载火箭。长征三号甲运载火箭是长征三号系列火箭的基础型号，主要发射地

54、球同步转移轨道的有效载荷。其地球同步转移轨道的运载能力为2.6吨。自1994年2月8日首次发射成功以来，至今发射成功率为100%。被授予“金牌火箭”称号。“长征三号乙”火箭是三级大型液体捆绑式运载火箭。主要发射地球同步转移轨道的重型卫星。其地球同步转移轨道的运载能力为5.1吨。由长征三号火箭运载的嫦娥三号探测器于2013年12月14日21时许成功落月，至此我国成为世界第三个有能力自主将探测器送入地外天体的国家。长征四号系列：长征四号系列：“长征四号”前身为上海航天局 “风暴一号”火箭，“长征四号”主要承担太阳同步轨道和极轨道的发射任务。长征五号系列：长征五号系列：长征五号系列运载火箭又称“大火

55、箭” “冰箭”，是我国在2006年立项研制的一次性大型低温液体运载火箭。长征五号系列由中国航天科技集团公司研制，运载能力将分别达到地球同步转移轨道13吨，近地轨道23吨。中国未来天宫空间站的建设、探月三期工程及其它深空探测的实施都将使用该火箭系列。基本型长征五号预计于2016年年底在中国海南航天发射场首飞。发射卫星的三级火箭示意图 一颗静止卫星的发射过程如图所示，一颗静止卫星的发射过程如图所示，全部过程大体可分为如下四个阶段：全部过程大体可分为如下四个阶段：初始轨道初始轨道转移轨道转移轨道漂移轨道漂移轨道静止轨道静止轨道 点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初

56、始轨道（离地球表面为几百公里星送到初始轨道（离地球表面为几百公里的与赤道平面有一定夹角的倾斜圆形轨的与赤道平面有一定夹角的倾斜圆形轨道）。道）。 卫星在初始轨道上经过测试后，在飞经赤道卫星在初始轨道上经过测试后，在飞经赤道上空时第三级火箭点火，使卫星沿飞行方向加速，上空时第三级火箭点火，使卫星沿飞行方向加速，进入大椭圆轨道，即转移轨道（轨道的近地点高进入大椭圆轨道，即转移轨道（轨道的近地点高度与入轨点相同，远地点高度为度与入轨点相同，远地点高度为 35800千米，而千米，而且都位于赤道上空），并进行姿态调整。且都位于赤道上空），并进行姿态调整。 卫星运行到转移轨道卫星运行到转移轨道远地点时，航

57、天测控站发远地点时，航天测控站发出遥控指令使卫星发动机出遥控指令使卫星发动机点火，向卫星施加具有特点火，向卫星施加具有特定方向和大小的推力，改定方向和大小的推力，改变卫星飞行的方向和速度，变卫星飞行的方向和速度，使其进入漂移轨道。（与使其进入漂移轨道。（与静止轨道十分接近）静止轨道十分接近） 卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位置是很近。利用卫星上的小推进喷嘴进行位置位置是很近。利用卫星上的小推进喷嘴进行位置误差修正，使卫星精确定点于静止轨道上的预定误差修正，使卫星精确定点于静止轨道上的预定位置。位置。静止卫星发射过程中应该注意的问题：静止卫星发射过程

58、中应该注意的问题： 发射场的选择发射场的选择 因为静止卫星位于赤道上空，所以它的因为静止卫星位于赤道上空，所以它的发射场越发射场越靠近赤道越好靠近赤道越好，以便节省发射卫星所消耗的能量。，以便节省发射卫星所消耗的能量。 例如在我国，静止卫星都是在西昌发射中心发射例如在我国，静止卫星都是在西昌发射中心发射而不在太原或酒泉发射中心发射，法国的卫星发射而不在太原或酒泉发射中心发射，法国的卫星发射场建在赤道附近的法属圭亚那而不在法国本土。场建在赤道附近的法属圭亚那而不在法国本土。 发射时机的选择发射时机的选择 可以为全年的任何一天。但每天发射的具体时间可以为全年的任何一天。但每天发射的具体时间应根据发

59、射场的地理位置，发射日期及太阳、地球、应根据发射场的地理位置，发射日期及太阳、地球、卫星三者的相对位置才能确定最有利的发射时机，卫星三者的相对位置才能确定最有利的发射时机，称为称为“发射窗口发射窗口”。 每天一般有两次发射窗口，每次约每天一般有两次发射窗口，每次约3030分至分至2 2小时。小时。 卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天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。线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。 角度惯性控制也叫角度惯性控制也叫自旋稳定法自旋稳定法，是早期静止，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。卫星常用的姿态控制方法。 卫星在自旋的过程

60、中应保证卫星天线指向不卫星在自旋的过程中应保证卫星天线指向不变，所以把天线安装在一个特殊的平台，即变，所以把天线安装在一个特殊的平台，即消旋消旋平台平台（与卫星等速但反向旋转！与卫星等速但反向旋转！） 三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫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。星重心的三个轴来保证。 三个轴分别位于卫星轨道的切线、法线和轨三个轴分别位于卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动滚动轴轴、俯仰轴俯仰轴和和偏航轴偏航轴，如图所示：，如图所示： 三轴采用喷三轴采用喷气、惯性飞气、惯性飞轮或电机等轮或电