无线通信系统与技术-第5章微波与卫星通信系统.ppt

1、第5章 微波与卫星通信系统, 微波是指频率范围为300MHz300GHz的电波，由于微波具有与光波相似的沿直线传播的特性，通常用作视距通信的手段，即在两个没有障碍的点之间（视线距离内）建立点对点通信。, 若要在超过视距的两个点或多点间建立微波通信，必须采用中继方式。 当采用多个微波接力站实现中继时，称为微波中继通信；当采用卫星作为中继站进行中继通信时，称为卫星通信。,5.1 微波中继通信, 微波通信是在第二次世界大战后开始使用的一种无线电通信技术，由于其通信容量大、投资费用省、建设速率快等优点而取得迅速发展。,图5-1 微波中继通信的中继示意图, 对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接

2、原因有以下两个。, 微波传播具有视距传播特性，即电磁波沿直线传播，而地球表面是个曲面，因此若在两地间直接通信，因天线架高有限，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡。, 微波传播有损耗，在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大和发送。,微波中继通信有以下特点。 通信频带宽，微波频段占用的频带约300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。, 受外界干扰的影响小。 通信灵活性较大，微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地理环境。, 天线增益高、方向性强，当天线面积

3、给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。 投资少、建设快。,5.1.1 数字微波中继通信系统组成,图5-2 数字微波中继线路示意图,1数字微波终端站, 微波终端站的发送端完成主信号的发信基带处理、调制（包括纠错编码、扰码及发信差分编码等）、发信混频及发信功率放大等；终端站的收信端完成主信号的低噪声接收（根据需要可包括分集接收及分集合成）、解调（包括基带或中频时域均衡、收信差分译码、解扰码、纠错译码等）、收信基带处理。,图5-3 微波中继系统组成框图,2天线、馈线系统, 天馈线系统是微波中继通信的重要组成部分之一。,3微波中继站, 由于微波通信采用的是接力传输方式，因此，长途微波干线上必须要有微

4、波中继站。 微波中继站主要完成信号的双向接收和转发。, 中继站的转接方式包括以下3种。 微波转接方式：直接对微波放大后进行转接，由于不需要下变频至中频或基带，设备简单。,中频转接方式：只将收到的微波信号下变频至中频（70MHz或140MHz），经中频放大器放大后再送到发送设备的上变频器变换为微波频率，经功率放大后由天线发射出去。,基带转接方式：将接收到的微波信号首先通过混频器下变频至中频，经过解凋、采样判决后，得到基带数字信号，然后将恢复的基带码流重新调制，经混频器上变频至微波发射频率，将信号放大后再通过天线发射出去。,图5-4 再生转接式中继站框图,5.1.2 微波传播特性,1地形地物对微波

5、传播的影响 微波中继通信系统中的微波主要在靠近地表的大气空间传播，因而地形地物对微波会产生反射、折射、散射、绕射和吸收现象。,（1）平坦地表对微波的反射,图5-5 平坦地表对微波电磁波的反射,图5-6 =0.5和=1时与r的关系曲线,（2）地表障碍物对微波视距传播的影响,图5-7 微波传播路径上存在障碍物,图5-8 阻挡损耗与相对余隙Hc/ F1的关系曲线,2大气对微波传播的影响, 由于微波中继通信的电波传播主要在对流层中完成，因此讨论大气对微波传播的影响，实际是讨论对流层对微波传播的影响。,图5-9 微波传播的对流层折射现象,图5-10 等效地球半径示意图,5.1.3 分集接收, 在微波中继

6、通信系统中，由于多径衰落的存在，使通信可靠性受到严重威胁。,图5-11 频率分集和空间分集示意图, 选择式合并。, 该方法根据信噪比最大或误码率最低的准则，在两路信号中选择其中一路作为输出，并由电子开关切换。, 等增益合并。, 该方法将两路信号经校相后线性相加，这一过程通常在中频上进行，电路比较复杂。, 最大比值合并。, 该方法根据每路信号的信噪比大小决定加权系数的大小，即每条支路的加权系数大小与该支路信噪比成正比，信噪比越大，加权系数越大，对合并后信号贡献也越大。,图5-12 3种合并方式性能比较,5.1.4 微波线路设计, 在设计微波线路时，除考虑传播衰落外，还需考虑线路的干扰，这些干扰中

7、来自系统内部的称系统内部干扰，来自系统外部的称系统外部干扰。,1系统内部干扰,（1）越站干扰 在图5-13所示的微波线路中，A站发射的频率为f2的信号可能越过B、C两站到达D站，造成对D站收信系统的干扰，这种干扰称为越站干扰，属于同频干扰。,图5-13 越站干扰示意图,（2）旁瓣干扰, 任何一个实用的微波天线的方向图中，除主瓣外还有多个旁瓣。 由天线旁瓣发射信号或接收信号可能造成的干扰称为旁瓣干扰。,图5-14 微波线路拐弯和分支处的旁瓣干扰,2系统外部干扰, 在进行线路路由和站址的选择之前，首先应明确已知条件，例如： 线路或终端的位置，沿线城市或单位； 沿线附近原有通信线路站址及其频段、天线

8、方向图等，它们涉及线路之间或站间相互干扰的问题；, 沿线附近卫星地面站的位置、同步卫星轨道指向和工作频率，有关飞机场、雷达站等设施的位置、工作频率和通讯设施，它们涉及与线路相互干扰的问题； 沿线的地形、地物、气候等情况，它们对电波传播和接收信号的衰落特性均有影响。,5.2 卫星通信系统, 卫星通信是地球站之间利用通信卫星转发信号的无线电通信，是现代通信的重要手段。,1卫星通信频段的划分, 一般来说，卫星通信工作频段的选择，必须根据需要与可能相结合的原则，着重考虑下列因素： 电波应能穿过电离层，传播损耗和外部附加噪声应尽可能地小； 应具有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量。, 应合理地使用无线电

9、频谱，防止卫星通信业务与其他地面通信业务之间产生相互干扰； 电子技术与器件的进展情况以及现有通信技术设备的利用与相互配合。, 用11/14GHz与4/6GHz相比，其具有以下优点。 由于不同于地面中继线路所用频段，因此不存在与地面网干扰问题。, 若地球站及卫星的天线尺寸一定，11/14GHz波束宽度比4/6GHz的一半还窄。 相同尺寸的卫星天线的增益，接收时是4/6GHz的5.33倍，发射时是9.15倍，总的改善为16.9dB。,2卫星通信的特点, 通信距离远，建站成本与通信距离无关。 以广播方式工作，便于实现多址联接。 通信容量大，能传送的业务类型多。 可以自发自收进行监测。, 卫星通信具有

10、以上的特点，在具体实施中也给技术上带来了一些难点。 需要先进的空间技术和电子技术。 要解决信号传播时延带来的影响。, 要圆满实现“多址联接”。 要保证卫星能高度稳定、可靠地工作。静止卫星处于离地球数万公里之外，作为中继站，既无人值守，更无人维修。,5.2.1 卫星通信系统的组成,图5-15 卫星通信系统的基本组成, 跟踪遥测及指令分系统。 监控管理分系统。 空间分系统。 地球站。,图5-16 空间分系统组成,1通信卫星的组成与功能,图5-17 通信卫星的组成,（1）天线分系统,卫星天线有两类。 一类是遥测、指令和信标天线，它们一般是全向天线，以便可靠地接收指令并向地面发射遥测数据和信标。 另一

11、类是通信天线，按其波束覆盖区的大小，可分为全向波束天线、点波束天线和赋形波束天线。,（2）通信分系统, 卫星上的通信分系统又称为转发器，是通信卫星中直接起中继站作用的部分。 转发器通常分为透明转发器和处理转发器等两大类。, 透明转发器：收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发的任务。,图5-18 透明转发器的组成,处理转发器：除了进行转发信号外，还具有信号处理的功能。,图5-19 处理转发器的组成,（3）遥测指令分系统, 为保证通信卫星正常运行，需要了解其内部各种设备的工作情况。 遥测信号包括：表示工作状态（如电流、电压、温度、控制用气体压

12、力等）的信号、来自传感器的信号以及指令证实信号等。,（4）控制分系统, 控制分系统是由一系列机械的或者电子的可控调整装置组成，它包括两种控制设备，一是姿态控制，二是位置控制。,（5）电源分系统, 通信卫星的电源，除要求体积小、重量轻、效率高外，还应能在卫星寿命内保持输出足够的电能。,2地球站的分类, 根据G/T值的大小，标准地球站可分为3类： A型标准站天线直径约30m，G/T40.7dB/k B型标准站天线直径约10m，G/T31.7dB/k C型标准站天线直径约1620m，G/T39.7dB/k,3地球站的组成与功能,图5-20 地球站组成的简化方框图,（1）天线、馈线设备, 天线、馈线设

13、备的基本作用是将发射机送来的射频信号变成定向（对准卫星）辐射的电波；同时收集卫星发来的电波，送到接收设备。,（2）发射设备, 发射设备的主要任务是将已调制的中频（一般为70MHz）信号变换为射频信号，并将功率放大到一定的电平，经馈线送到天线向卫星发射。,（3）接收设备, 接收设备的主要任务是把天线收集的来自卫星转发器的有用信号，经放大混频后，送给解调器。,（4）信道终端设备, 在发射端，信道终端的基本任务是将用户送来的消息加以处理，变成适合所采用的卫星通信体制要求的信号形式；在收端则进行与发端相反的处理，使收到的信号恢复为原来的消息。,（5）跟踪和伺服设备, 由于种种原因，静止卫星并非绝对“静

14、止”的。 因此地球站的天线必须经常校正自己的方位和仰角，才能对准卫星。,（6）电源设备, 现代卫星通信系统，一年中要求99.9%的时间不间断、稳定可靠地工作。,5.2.2 卫星通信的多址联接方式,1基本概念 卫星通信的一个基本特点，是能进行多址通信（或者说多址联接）。,2频分多址（FDMA）, FDMA的基本特征是，把卫星转发器的可用射频频带分割成若干互不重叠的部分，分配给各地球站，作为发送载波使用。,图5-21 FDMA方式,3时分多址（TDMA）, TDMA的基本特征是，把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙（每个时隙也称为分帧，一个周期则称为一帧），分配给各站使用。,图5-2

15、2 TDMA方式,4空分多址（SDMA）, SDMA的基本特征是卫星天线有多个窄波束（又称点波束），它们分别指向不同区域的地球站，利用波束在空间指向的差异来区分不同地球站，如图5-23所示。,图5-23 SDMA方式,5码分多址（CDMA）, CDMA的基本特征是各站所发的信号在结构上各不相同并且相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间、空间上都可能重叠。,图5-24 CDMA方式,5.2.3 甚小天线地球站, 甚小天线地球站（VSAT）通常是指卫星 天线口径小于3m（1.22.8m），具有高度软件控制功能的地球站。,1VSAT的概念与特点, VSAT是一种具有甚小口径天线、智能的卫星通信

16、地球站，很容易在用户办公地点安装，通常运行时，由大量的这类微型站与一个大型中枢地球站（也称为主站）协同工作，组成VSAT网，用以支持广大范围内的双向综合电信和信息业务。VSAT同时具备三个特点。, 小（微）型化的地球站。 具有智能的地球站。 具有处理双向综合电信和信息业务的能力。,2VSAT的组网方式,图5-25 VSAT网络的单跳方式,3VSAT的多址协议,目 前在VSAT网络中经常用到的多址接入方式，按信息工作方式分主要有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。, 多址接入方式的特性主要可从以下几个方面考虑： 信道共用效率或吞吐量，也即多址信道承载的有效业务量所占

17、用的时间百分率； 接入时延，即信息到达端站和开始在信道上传输之间的时间；, 稳定性，指是否能避免和解决由于业务量的增加所造成的阻塞； 当信道出现误码或者设备故障时所表现的健韧性； 在建站开通以及增加新站或新业务时的运行特性； VSAT端站所需硬件和软件的实现成本和复杂性。,4VSAT的主要类型, VSAT（非扩展频谱）：使用Ku波段，不存在与地面系统的干扰协调，故用非扩展频谱方式，相移键控调制和自适应带宽联接的协议。 VSAT（扩展频谱）：工作于C波段，为使卫星的辐射功率通量密度不超过FCC的规定，一般采用直接序列扩展频谱技术。, USAT（扩展频谱）：天线口径为2530cm，最初服务对象是移

18、动车辆用户，改进后作固定业务用。 TSAT（T1和准T1小口径地球站）：天线口径为1.23.5m，用于T1和准T1速率，传输点对点（或其他拓扑结构）双向综合话音、数据和图像业务。 TVSAT：天线口径为1.82.4m。,5.2.4 卫星移动通信系统,1同步静止轨道（GEO）移动通信系统,图5-26 Inmarsat组成原理,2中、低轨道移动通信系统,图5-27 Odyssey系统网络图,图5-28 铱（Iridium）系统网络图,5.3 本章小结, 微波中继与卫星通信都是采用微波（300MHz300GHz）频段的电波进行传输的。,由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，微波视距传输的距离一般小于50公里，因此就需要在地面上设置多个中继站，将电波放大转发以进行长距离的通信，这种方式称为微波中继通信；当中 继站以卫星作