《无线电通信》PPT课件.ppt

1,第4章 无线电通信,4.1 无线电通信概述4.2 短波通信4.3 微波通信4.4 卫星通信,2,4.1 无线电通信概述,4.1.1无线电通信基本知识 1.何谓无线电通信利用无线电波作载波传递各种消息的通信方式的总称。2.无线电通信的发明1902年，无线电广播之父美国巴纳特.施特波斐德进行了第一次无线电广播。1920年，美国匹兹堡的KDKA电台进行了首次商业无线电广播。,3,3.何谓无线电波（1）自然界中形形色色的波：水波光波地震波电磁波无线电波,4.1 无线电通信概述,4,电磁波的频谱范围很广，从30HZ1019HZ的高频宇宙射线。从宽广频率范围的电磁波中取出对无线电技术特别有用的某一段频率范围的电磁波，就被称为无线电波。具体地说，无线电波频率范围一般为3kHz300GHz。,4.1 无线电通信概述,5,（2）电磁波的家族 老大无线电波：担任通讯任务老二红外线：加热器老三可见光：给人类带来光明和色彩。老四紫外线：保护人类健康的卫士。老五X射线，也叫伦琴射线，能透视人体。老六射线，能穿透厚厚的铅板，还能杀死癌细胞。,4.1 无线电通信概述,6,电磁波谱,7,8,4.无线电波的发现与初步应 用法拉第电磁感应定律：变化电场产生磁场，变化的磁场可以产生电场。预言：电与磁的传播是和光一样的一种波。麦克斯韦当电子移动时，它们就会在自由空间中释放出电磁波。Maxwell在1865年首先预言，所有的现代通信都是依靠处理和控制电磁波频谱内的信号来实现的。光也是电磁波的一种，是一种看得见的电磁波。,4.1 无线电通信概述,9,赫兹：电磁波的首次被证实和观测则是由Herz在1887年实现的。世界上第一个人工产生电磁波的仪器赫兹振子 通过实验证实了麦氏理论的正确，证明了电磁波的存在.,4.1 无线电通信概述,10,马克尼与波波夫无线电之父完成了电磁波的发送和接收实验 在实验中发现，利用天线可使发射距离增加 1895年，马可尼成功地进行了约3公里的无线电通信 几乎同时，波波夫也研制成功了一台无线电收发报机,4.1 无线电通信概述,11,5.无线电波的模样 形状：正弦波波长:相邻的两圈电波之间的距离波速:与光的速度一样，即每秒30万公里频率：波速除以波长。例如，中央人民广播电台有中波639千赫兹、短波9800千赫兹和调频106.1兆赫兹三个发射频率，它们相对应的波长则分别为469.5米、30.6米和2.8米。,4.1 无线电通信概述,12,4.1 无线电通信概述,13,6.无线电波的特性 无线电波只能用仪器接收到：如半导体收音机无线电波的速度：30万公里/秒无线电波可以在真空中传播 无线电波的频率很高 汽笛声，频率达几千赫兹飞机的马达声，频率在几百赫兹以下人类嗓音的频率在几十几千赫兹之间无线电波的频率可以达到几万赫兹、几十兆赫兹。一般为3kHz300GHz。,4.1 无线电通信概述,14,4.1.2 无线电波频率范围及频段的划分,4.1 无线电通信概述,15,注意,无线电波是全世界共同拥有的资源和财产，利用电波时必须遵守国际法规，对频率的使用，要经申请由上级主管部门和国家无线电管理委员会批准才行。,16,4.1.3 无线电波的传播方式 1无线电波的产生和发送 自然界里，许多物体都无时无刻地在产生电磁波和无线电波 如：太阳、人体、某些植物等等无线电通信，要按照人们的需要，产生出一定频率或波长的无线电波,4.1 无线电通信概述,17,要产生无线电波必须有波源和天线波源：发射天线上流动的高频电流。天线：将线路上流过的高频电流高效率地转换成电磁波辐射到空中去的装置，或者 接收空中的电磁波并高效率地变换成高频电流的装置。天线长度：电磁波波长的1/2或1/4 如信号载波频率为10kHz，则波长为30km，天线长度为？,4.1 无线电通信概述,18,无线电波的产生：若在发射天线上流过频率很高的电流，则天线的周围将产生一个变化的磁场，这个变化的磁场又会感应出一个变化的电场，这样互相感应的结果，就会形成一个辐射的电磁场，一层又一层地向外传播，即将高频电流转换成无线电波辐射到了空中。,4.1 无线电通信概述,19,反射：无线电波通过不同媒质的交界面时，会产生反射。例如：雷达通信,4.1 无线电通信概述,2无线电波传播过程中的反射、绕射、折射和 散射,20,绕射：无线电波碰到障碍物时，能绕过去继续前进。波长越长则绕射能力越强,4.1 无线电通信概述,21,折射：当无线电波从一种媒质射入另一种媒质时，传播方向改变的现象。例如：潜艇通信,4.1 无线电通信概述,22,散射：媒质不均匀,4.1 无线电通信概述,23,3无线电波的传播方式 是指无线电波从发射点到接收点的传播路径。（1）地波传播方式 无线电波沿地球表面传播部分能量被大地吸收而受到严重的衰减 土质的导电性愈好衰减愈小 频率越高则衰减愈大 传播距离不远 传播特性很稳定 适合波段：长波、中波和短波的低频段,4.1 无线电通信概述,24,（2）天波传播利用高空电离层对无线电波的反射进行传播的 电离层是位于离地面60km650km左右的充满带电离子和电子的高层大气区域 可建立远距离通信 适合波段：频率为330MHZ的短波,4.1 无线电通信概述,25,电离层：电离层中有各种分子、原子以及它们的离子和自由电子等，它们各自集中地聚在一起形成层状，致使天空中的电子浓度也相对集中，形成电子密度不均匀分布几层。一般按电子密度随高度的变化，电离层相应地分为4个导电层。,4.1 无线电通信概述,26,（1）D层位置：地球上空60km90km的高度处，最大电子密度发生在80km处。特点：出现在太阳升起时，而消失在太阳降落后，电子密度低，短波将穿过D层，而不反射，但衰减很大（2）E层 位置：地球上空1km120km的高度处。最大电子密度发生在110km处,4.1 无线电通信概述,特点：出现在太阳升起时，而在太阳降落后，基本不对短波通信产生影响。可以反射高于1.5MHz频率的电波。,27,特点：高度高，允许传输距离远F2层：高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高。F2层和其它层不同，在日落以后并没有完全消失，仍保持有剩余的电离。,4.1 无线电通信概述,（3）F层（对短波最重要）位置：F1层位于地球上空170km220km高度处；F2层位于地球上空225km450km高度处,28,（3）视距传播：直射波传播：从发射天线辐射的电波，直接传到接收点的传播方式 大地反射波传播：以地面反射到达接收点的传播方式 视距传播：以上两种的统称。,4.1 无线电通信概述,29,三种情况：地面视距传播 收、发天线都设在地面上，天线离地面高度大于十倍波长以上 传播的距离一般只有几十公里 一般适宜超短波、微波通信 地面空间视距传播 发端和收端，其中任一端在地面而另一端则在远离地面的空间适用于微波或超短波通信空间空间视距传播发端和收端两个端点都是远离地面的,4.1 无线电通信概述,30,（4）散射传播 电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射，散射波的一部分到达接收天线处的传播方式 称为散射传播包括：对流层散射和电离层散射 对流层是大气的最低层，通常是指从地面算起至高达135千米的区域 容量大，可靠性高，保密性好 适用于微波和超短波一般用于无法建立微波中继站的地区,4.1 无线电通信概述,31,4无线电波各波段的特点和应用（1）超长波：100010km主要传播方式：地波传播特点：绕射能力强、信号稳定天线体积大可利用频带窄应用：海上导航及海岸固定站与潜艇之间通信、标准频率和时间信号的广播等,4.1 无线电通信概述,32,（2）长波 101km传播方式：地波、电离层下缘天波反射传播 特点信号较稳定地面对信号能量的吸收比超长波大 应用：远距离精密无线电导航、标准频率与时间信号的广播,4.1 无线电通信概述,33,（3）中波 1000100m 传播方式：地波、天波特点：白天天波受电离层强烈吸收，主要靠地波传播，传播的距离短，信号比较稳定晚上天波受电离层吸收弱，有较远的传播距离，但信号传播不稳定 利用地波传播时衰减比长波大，利用天波传播时损耗比短波大 应用：中等距离广播与无线电导航 5351605千赫是国际规定的中波广播段,4.1 无线电通信概述,34,（4）短波 10010m传播方式：天波、地波特点：天波传播时距离远，可达5002000公里 地波传播时衰减大，传播距离一般小于几十公里 应用：各种距离的定点通信、国际通信及广播、船岸间的航海移动通信，飞机地面间的航空移动通信等,4.1 无线电通信概述,35,（5）超短波和微波：10m以下传播方式：视距、散射、绕射特点天线的增益较高，有利于定向传播 频率很高，信道容量很大 应用：调频广播、电视广播、卫星通信、移动通信、雷达、天文学等方面,4.1 无线电通信概述,36,4.1.4 媒体空间对无线电波传播的影响 1.主要影响（1）传输损耗 电波在实际的媒质（信道）中传播时能量损耗的的现象主要原因：大气对电波的吸收或散射 球形地面或障碍物对电波的绕射等,4.1 无线电通信概述,37,（2）电波传播方向的变化不同媒质的分界处将使电波折射、反射；媒质的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射；球形地面和障碍物将使电波产生绕射；某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化。,4.1 无线电通信概述,38,（3）多径效应多径传播：电波通过多条路径传播到接收端的现象称为多径传播。,4.1 无线电通信概述,39,多径传播对通信系统性能的影响 引起的接收点场强的起伏变化 多径效应,4.1 无线电通信概述,40,无线电通信系统的基本组成及简单工作过程1、系统组成,4.1 无线电通信概述,41,2.工作过程 信源消息模拟或数字信号(调制器)中频调制成适合电波传播的信号(频率变换器)发射电波所需要的频率(功率放大)发射天线中继放大接收天线频率放大变频解调转换成合适的信号信宿地球站发射分系统地球站接收分系统,4.1 无线电通信概述,42,3.系统分类依终端状态不同固定无线通信移动无线通信依所用电磁波频段短波通信微波通信卫星通信,4.1 无线电通信概述,43,4.2 短波通信,4.2.1概述 1短波通信的频率范围实际使用的频率范围约为1.5 MHz30MHz 2.传播方式 高空电离层与地面之间多次反射 3.特点通信距离远，设备便宜灵活、方便,44,4.2.2 短波电离层传播特性1短波在电离层中反射传播的条件 天波传播时，电波频率与入射角和电波折回处的电子密度三者之间的关系,4.2 短波通信,45,2电离层对短波无线电信号传播的影响 使接收的信号时强时弱的变化即存在衰落现象 原因：电离层特性不稳定多径传播,4.2 短波通信,46,4.2.3 短波通信的应用广泛用于语音、电报和数据传输。长期以来，由于短波通信的固有特点，多年来一直被广泛地用于政府、外交、气象、商业等各个部门，用以传送语言、文字、图像、数据等信息；同时，它也是高空飞行和海上航行的必备通信方式；尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。,4.2 短波通信,47,4.3 微波通信,基本概念利用微波作为载波，并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。微波中继通信系统微波波段：300MHz300GHz最常用的通信频率：1GHz40GHz4G首选,48,微波通信的发展,世界上最早的模拟微波中继通信系统是二战后期美国贝尔研究所建立的一个4GHz频段的调频系统19世纪30年代中期第一个商用的模拟无线通信系统，工作在VHF频段，采用AM调制技术，传输12路频分复用的模拟话音信号。40年代出现了UHF频段的军用无线中继通信系统1947年贝尔研究所研制了数字微波中继通信系统TD-2。经过了20多年的历史，直到70年代初，才完成小容量、低频段的通信系统。,4.3 微波通信,49,1951年，美国纽约旧金山成功开通了商用的微波通信线路，工作在4GHz频段，能承载480路模拟话音60年代，数字微波通信得到发展70年代末出现了商用数字微波系统 70年代末数字微波通信得到了迅速发展，形成了一个完整的技术系统。80年代，数字微波通信系统的传输效率大大提高，系统容量达400Mbit/s 90年代出现了基于SDH的数字微波通信系统,4.3 微波通信,50,我国：20世纪60年代开始研制并使用模拟微波中继通信系统，20世纪70年代研制并使用数字微波中继通信系统并进行技术引进和开发。光纤技术的发展，逐步取代微波中继作为长途传输干线的主要角色在未来的很长时间内，数字微波将与光纤共存、与卫星通信系统一起作为光纤通信系统的辅助手段,4.3 微波通信,51,数字微波中继通信系统,A、B两地远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图所示 地面微波接力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原因有两个：首先是因为微波波长短，接近于光波，其直线传播具有视距传播特性，而地球表面是个曲面。其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段,延长通信距离。,4.3 微波通信,52,4.3 微波通信,53,微波中继通信主要用来传送：长途电话信号短波通信设备一般只能容纳几个话路同时工作，而一套微波设备可容纳几千个话路同时工作。宽频带信号(如电视信号)数据信号移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等还可用于通向岛屿等特殊地形的通信。,4.3 微波通信,54,1.数字微波中继通信线路可以是一条主干线,中间有若干支线,其主干线可以长达几千公里,除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。数字微波通信线路2.系统基本设备构成用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。设备组成,4.3 微波通信,55,用户终端：如自动电话机、电传机、调度电话机等。用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。交换机：作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音用户之间的通话，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地(对端交换机所辖范围)用户终端之间的业务互通。交换机配置在微波终端站或微波分路站,4.3 微波通信,56,终端复用设备的基本功能将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机；将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终端复用设备是脉冲编码调制(PCM)时分复用设备。终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。,4.3 微波通信,57,3.数字微波中继通信系统 工作过程用户终端A通过微波通信系统把信号发给用户终端B的系统工作过程如下图所示。从发信终端站到收信终端站中间一般要经过若干个微波中继站，中继站中有两组中继机，从一个方向的天线收到的微波信号从某中继机的收信机转接到另一中继机的发信机，由朝另一方向天线发送出去。数字微波通信系统的工作过程,4.3 微波通信,58,工作过程以电话为例声/电转换（交换机）微波发射机时分复用调制到中频变频中继接收端,4.3 微波通信,59,4.数字微波站按工作性质不同，可分成：数字微波终端站数字微波中继站数字微波分路站,4.3 微波通信,60,微波终端站微波站的主要设备包括微波发信设备：微波收信设备、微波天线馈电设备、电源设备、监测控制设备等。,4.3 微波通信,61,4.3 微波通信,62,（1）微波收发信机 发信机工作频段：微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。对于较长距离的微波中继，其主要工作频段是1.7-12 GHz，12GHz以上频段目前使用不多。我国选用2，4，6，7、8，11作为微波通信的主要工作频段上变频器：将中频信号变换成射频信号 高功率放大器滤波器,4.3 微波通信,63,收信机低噪声放大器：将接收的微弱信号予以放大 下变频器：将射频信号变换成中频信号 中频放大器中频滤波器,4.3 微波通信,64,（2）天线馈电系统 天线馈电系统由馈线、双工器及天线组成。基本作用：将发射机送来的射频信号变成定向（对准卫星）辐射的电磁波；同时，收集微波站（或卫星）发来的电磁波，送到接收设备。通常，微波站（地球站）天线是收发共用的，因此要用双工器。双工器：双工器位于天线与馈线之间，起传输能量和分离收发信号的作用。从双工器到收发信之间，有一定长度的馈线连接。馈线：馈线将高功率微波射频信号传输到双工器。,4.3 微波通信,65,4.3 微波通信,66,天线：发射无线电波微波的天线的类型很多，其基本形式有：角反射天线抛物面天线 目前常用的是一种从标准抛物面天线演变而来的卡塞格伦天线，其主反射面呈抛物面状，抛物面中心置初级辐射器(馈源)。卡塞格伦天线,4.3 微波通信,67,4.3 微波通信,68,（3）监控系统 对一条微波线路上的各个微波站运行情况进行监视与控制，称为监控。监控系统的主要任务是：实施信道监控 遥测、遥信及遥控 各站间的勤务联络,4.3 微波通信,69,微波中继站（1）中继站设置在地球表面：微波中继通信或称微波接力通信，简称微波通信，间隔50公里左右,4.3 微波通信,70,微波通信的应用现状,1微波通信应用现状在光纤通信研究未取得实质性成果以前，世界各国均拟将微波通信作为通信网的主干传输手段，并大力发展微波通信。例如，我国在60年代组织了“6401微波通信攻关”项目，随后在全国建立了20000km多的模拟微波通信。到20世纪80年代，由于光纤通信投入使用，拟选中的微波通信的主干地位受到了挑战，目前正让位给光纤通信。但仍然是现代通信支柱之一。,4.3 微波通信,71,现在数字微波在通信系统中的主要应用场合如下：(1)干线光纤传输的备份及补充(2)省内电信传输支线，专用网等领域方面(3)市内的短距离支线连接方面(4)微波的新兴应用和开发：微波被用来加速用户接入的部署和降低成本。目前利用微波系统有两种技术来支持未来的宽带业务接入。,4.3 微波通信,72,4.4 卫星通信,概述1卫星通信的定义卫星通信系统的组成卫星通信：以人造地球卫星作为中继站的微波通信系统。,73,2卫星的轨道 卫星通信的轨道（1）轨道形状圆形：椭圆形：（2）卫星轨道倾角赤道轨道：与赤道平面重合，即轨道倾角为0极地轨道：与球南北极的轴线重合，即轨道倾角为90倾斜轨道：与赤道平面之间的夹角090,4.4 卫星通信,74,（3）卫星轨道高度低轨道（LEO）：高度为500km2000km或500km3000km（许多在1500km以下），运行周期约24小时中轨道（MEO）：高度为2000km20000km或3000km20000km，周期约为5h6h（对约10000km高度而言）高轨道（HEO）：通常高度在20000km以上，周期大于12h。,4.4 卫星通信,75,3.同步卫星（静止卫星）卫星通信的通信范围何谓同步卫星：卫星的轨道与地球赤道平面相重合、且离地球表面高度为35786.6km的圆形轨道上沿与地球的自转方向相同的方向飞行，则卫星绕地球一周的时间为23小时56分04秒。同步卫星的通信范围 全球表面积的42.4%,4.4 卫星通信,76,4.4 卫星通信,77,4卫星通信工作频段上行频率/下行频率。比如，64GHz频段目前大都实用C波段的64GHz频段上行频率为5.9256.425GHz；下行频段为3.74.2GHz。卫星通信上下行通信频率,4.4 卫星通信,78,政府、军事：x频段的87GHz频段上行频率为7.9GHz8.4GHz下行频率为7.257.75GHz。ku 频段的1411GHz频段上行频率为1414.5GHz下行频率为11.712.2GHz，或为10.9511.2GHz和11.45GHz11.7GHz已用于卫星通信和卫星广播业务中。目前卫星通信又使用ka频段的3020GHz频段，上行频率为27.531GHz下行频率为17.721.2GHz；可利用带宽可达3500MHz,4.4 卫星通信,79,5.卫星通信的线路单跳和双跳所谓“跳”，是指电磁波在天空与地面之间来回跳跃传播单跳：只经过通信卫星一跳（静止卫星大都采用单跳）单跳工作方式 双跳双跳：信号经过通信卫星两次转发,4.4 卫星通信,80,在静止卫星通信系统中，大多采用单跳工作方式。在以下两种情况，需采用双跳工作方式：一是在国际卫星通信系统中，如果两个相距甚远，分别位于两个卫星覆盖区内，而处于它们的“共视区”之外的地球站之间的通信，必须采用双跳工作方式才能进行卫星通信，参见图5-28(a)所示情况。二是在被同一颗卫星所覆盖的、卫星通信“星形网络”远、近地球站之间的通信，必须采用如图5-28(b)所示的双跳工作方式才能进行卫星通信。注意，图5-28(b)中的中央主站，就是星形网络的中心结点。,4.4 卫星通信,81,6.卫星通信的特点（1）优点通信距离远，而通信的成本与通信距离无关。利用静止卫星单跳最大通信距离达1800km。建站费用和运行费用不因通信站之间距离不同而改变，通信覆盖面积大，具有多址通信能力一颗同步卫星可覆盖地球表面积的42%左右，在这个覆盖范围内的地球站，不论是地面、海上或空间，都可同时共用这一颗通信卫星来转发信号。这种同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信的特性称为多址连接。通信频率宽，传输容量大，适于多种业务传输 通信线路稳定可靠，通信质量高 通信电路灵活,4.4 卫星通信,82,（2）缺点两极地区为通信盲区，高纬度地区通信效果不佳。卫星发射和控制技术比较复杂；存在日凌中断现象（春分、秋分前后数日，三者一线）有较大的信号延迟和回声（波）干扰在同步卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为027s。进行双向通信时，往返传播延迟约为0.54s。所以通过卫星打电话时，讲完话后要等半秒钟才能听到对方的回话，使人感到很不习惯。通信卫星有一定的寿命（同步12-15年，低5-8年）轨道上所能容纳的卫星数目有限,4.4 卫星通信,83,卫星通信的发展及应用,1卫星通信的发展 卫星通信概念的提出可以追溯到1945年，英国空军雷达军官阿瑟克拉克在无线电世界上发表了“地球外的中继站”，最先提出了利用静止卫星进行通信的设想，约20年之后，人类就实现了这个设想。,4.4 卫星通信,84,(1)国际上的发展国际上卫星通信的发展大致经过如下几个时期：1957年10月4日，原苏联发射了世界上第一颗人造卫星。1963年7月美国宇航局发射的“同步2号”(试验星)静止卫星首次进入静止轨道，为卫星通信的迅速发展铺平了道路。同年10月克服了许多技术上的困难，利用该卫星向全世界转播了东京奥运会的实况。,4.4 卫星通信,85,1965年4月6日，美国发射成功实用的地球同步卫星，定名为晨鸟(Eraly bird)，首先在大西洋地区开始进行商用国际通信业务，并由“国际通信卫星组织(财团)”INTELSAT(The Internation Telecommunication Satellite Organization)定名为INTELSAT1。这标志着卫星通信进入了商用阶段。“国际通信卫星组织”，最初只有八国家参加，于1964年8月正式成立的。从1965年4月到现在，先后由这个财团提供经费，由美国研制发射了第一代到第九代“国际通信卫星”(INTERSAT)。,4.4 卫星通信,86,这些卫星都处在静止轨道上，对于国际业务，INTELSAT覆盖了三个主要的区域：太平洋、印度洋和大西洋区域。对于每个区域，卫星定位在该大洋上空的静止轨道上，用来提供越洋电信路由。三区域上空的多颗卫星组成全球卫星通信网，承担了国际越洋通信业务的三分之二以上。另外三分之一主要由海底电缆或光纤通信系统承担。至今已有超过140个会员国和多于40个投资实体。我国自1977年起加入该组织。,4.4 卫星通信,87,随着固定卫星业务的迅速发展，提出了移动卫星业务。所谓移动卫星业务是指装载在飞机、舰船、汽车上的移动通信终端所用的同步卫星通信，应用最早的是海上移动卫星业务。1976年第一颗“海事卫星1号”(MARISAT1)发射到大西洋上空，随后于1979年成立“国际海事卫星组织”(INMARSAT)管理Inmarsat系统，并开始提供全球海事卫星通信服务。1985年决定把航空通信纳入业务之内，1989年决定把业务从海事扩展到陆地，目前它已经是一个有72个成员国的国际卫星移动通信组织，控制着135个国家的大量话音和数据系统，中国交通部和中国交通通信中心分别代表中国参加了该组织。,4.4 卫星通信,88,(2)我国的发展早在20世纪60年代，我国就注意到了发展现代空间技术和卫星技术，1970年4月24日成功地发射了第一颗人造卫星东方红1号(DFH1)卫星。,4.4 卫星通信,89,70年代，我国先后引进了标准地球站，并开通了国际卫星通信业务；同时，也开始研制国内通信系统使用的卫星和地球站；70年代未和80年代初。又先后利用前联邦德国和法国联合研制的“交响乐”通信卫星和国际通信卫星ISIVA、IUSV，进行若干地球站型、若干通信和广播业务试验。80年代中期，我国前邮电部(现信息产业部)租用位于印度洋赤道上空东经60的ISV卫星建立了由北京主站和乌鲁木齐、呼和浩特、拉萨、广洲等区域中心站组成的公用卫星通信网。,4.4 卫星通信,90,从90年代起，我国与国外合作研制或引起的通信卫星主要有：亚太通信卫星IR(可写为APSTARR)、ARSTARR鑫诺专用通信卫星一号(即SINOSAT)、中卫一号卫星(CHINASTAR1)CHINASTAR5号接替卫星以及高级卫星移动通信卫星系统，即亚太区域移动通信卫星系统APMT,4.4 卫星通信,91,通过上述卫星通信的发展可知，从1963年美国发射第一颗商用同步卫星起，卫星通信已经走过近40多年的历程，取得了很大的发展。目前在静止轨道上运行的通信卫星有130多颗，全世界商用和专用地球站已超过100万个。在国际通信中，卫星通信承担了70以上的业务。卫星通信的特点是覆盖面积大，通信距离长，不受地理环境限制以及投资省、见效快等许多优点。尤其在长距离、多岛屿、移动和灾害等通信中更是非它莫属。在未来的信息社会中，它是一种重要的信息传递方式。,4.4 卫星通信,92,2卫星通信的应用适用于某一国家或某一地区的国内通信卫星；专门为军事服务的国防通信卫星；提供船舰使用的海事通信卫星(如INMARSAT)；提供卫星测轨和数据传输的跟踪和数据中继卫星；为家庭提供直接电视广播服务的广播卫星；提供无线电导航业务的通信卫星(如全球定位系统GPS(Global Position System)；以及为气象业务服务的通信卫星等等。目前，全球正在运行的各类用途卫星已超过500颗，将要发射的还有15000颗。其中，已进入低轨道运行的有近300颗，将要发射完毕的低轨道卫星还有900颗；可见，低轨道卫星通信系统将代表卫星通信的一种发展趋势。,4.4 卫星通信,93,通信卫星与地球站,1通信卫星通信卫星是卫星通信系统的核心，由通信装置及其辅助设备组成。通信装置包括卫星天线和通信转发器，辅助设备由姿态控制（跟踪、遥测与指令分系统）、电源等辅助设备组成。,4.4 卫星通信,94,1)卫星天线(1)全向测控天线用来接收地球站发给卫星的指令，并向地球站发送遥测数据和信号。当卫星收到指令后，将它送到控制单元，以调整卫星的运行轨道和卫星的自旋姿态，使卫星天线准确地指向地球上的波束覆盖区。,4.4 卫星通信,95,(2)定向通信天线它与地面微波通信天线类似。按照天线发射电磁波束所覆盖地面区域的大小，可将定向通信天线分为以下三类：,4.4 卫星通信,96,2)卫星转发器 通信用的转发器是卫星上的主要设备，直接起中继站作用的部分。完成接收、处理、发射信号作用。对卫星通信而言，转发器是一台宽频带的微波收发信机；,4.4 卫星通信,97,4.4 卫星通信,98,3)轨道校正与姿态控制（跟踪、遥测与指令分系统）卫星在其轨道上运行时，由于受到地球、月亮、太阳等引力的作用而缓缓移动，使卫星偏离预定的轨道而产生“摄动”，并使卫星不能保持一定的姿态而翻滚。摄动：由于地球、太阳、月球等引力和大气阻力影响造成的卫星轨道参数的变化，导致卫星偏离轨道、产生漂移的现象。可通过跟踪、遥测与指令系统来完成,4.4 卫星通信,99,卫星在轨道上的漂移(摄动)，必须予以定期(一月左右)的校正，否则产生的不良后果校正卫星轨道的方法：启动星体上多个有不同方向喷嘴的小火箭。静止通信卫星上的控制分系统是由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置，各种转换开关等等。他是在跟踪、遥测指令系统的指令控制下完成对卫星的各种控制。,4.4 卫星通信,100,卫星在轨道上不能保持正常的姿态(产生翻滚)，将使通信用天线的波束不能对准地球，使通信无法进行。姿态控制的方法分星体自旋稳定方式和三轴姿势控制方式两种。自旋稳定方式是让卫星以一个惯性主轴为中心旋转，利用陀螺旋转原理(慧星稳定姿势的原理)来稳定卫星的姿势。三轴姿势控制方式比旋转稳定方式其控制要复杂一些，但由于能搭载大的太阳能电池板，所以随着卫星的大功率化，三轴姿势控制方式已成主流。,4.4 卫星通信,101,4)卫星上的电源 星蚀卫星上的电源有太阳能电池和化学蓄电池、原子能电池等。目前仍以太阳能电池和化学电池（镍隔蓄电池）为主。国际卫星7号(IS)的电池单元片固定在两块长度为10m的臂面板上，可提供3900W的功率。,4.4 卫星通信,102,在有太阳照射时，用太阳能电池供电并使化学电池充电，而星上备有的蓄电池是供卫星产生日蚀时使用的。这里所谓“日蚀”(也称星蚀)，是每年春分和秋分前后在每天午夜后的十几十分钟内(最长76分钟)，卫星、地球和太阳将共处在一条直线上，此时卫星处于地球的阴影区内，即发生了“日蚀”。卫星的寿命主要取决于太阳能电池的寿命、星载燃料的消耗(作轨道校正等控制机构的能源)和通信系统元器件(主要是功率放大器)寿命等因素。,4.4 卫星通信,103,2地球站：典型的地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、跟踪伺服设备、电源设备及监控设备组成。地球站发射系统方框图 地球站接收系统 地球站天线分系统,4.4 卫星通信,104,4.4 卫星通信,105,静止通信卫星实际上并非完全静止。虽然星上有位置控制设备，但它还是有一定的漂移，而一般地球站天线的波来很窄，因此卫星的漂移可能导致地球站天线瞄准的方向不是最佳指向。从而大大减弱卫星收到的信号能量。为使地球站天线始终对准卫星，需要跟踪设备。地球站天线跟踪卫星的方法有三种自动跟踪、手动跟踪、程序跟踪。自动跟踪能使天线连续跟踪卫星且精度较高。在大型标准地球站中，通常以自动跟踪为主，手动跟踪和程序跟踪为辅。,4.4 卫星通信,106,卫星通信系统的基本组成,1卫星通信系统的基本组成卫星通信系统主要由空间部分(通信卫星)和地面部分(地球站、测控系统、监控管理系统)组成。通信卫星和地球站是直接用来进行通信的，测控系统、监测管理系统是为保证系统的正常运行而设置的。,4.4 卫星通信,107,测控系统的任务在卫星发射过程中对卫星进行跟踪并控制卫星准确地进入轨道上的定点位置。在卫星正常运行过程中，测控系统将对它的轨道校正、位置和姿态保持进行控制监控管理系统的任务：在通信开通之前，对通信系统的参数进行测试和鉴定。在通信业务开展过程中，对卫星和地球站的各项通信参数进行监视和管理。,4.4 卫星通信,108,2卫星通信系统的工作过程,4.4 卫星通信,109,当A地的N个用户要与B地的N个用户通话时，A地用户的电话信号先经A地市内通信线路送到地球站A的终端设备，进行多路复用。复用后所得基带信号再送到调制器对中频(如70MHz)副载波进行调制。然后再将中频信号经上变频变为频率为1(如6GHz)的微波信号，最后经功率放大后送往天线发射上卫星。信号经上行线路到达卫星时，要穿过大气层和自由空间，因此会受到衰减，并会遭受噪声等干扰的影响。卫星中的转发器在对信号进行放大、变频等处理后，以频率为2(如4GHz)的微波信号进行功放、发射，经下行线路传到地球站B。,4.4 卫星通信,110,由于卫星转发器的功率、天线增益等均有限，同时，信号经下行线路到B站时也要经过自由空间并穿过大气层，这使到达B站的信号功率很微弱。经地球站B用高增益的天线和低噪声的接收机接收、放大后，进入下变器变成中频信号再进一步放大，然后送到解调器，解调器输出的基带信号经多路分解设备分解成各路话音信号，最后通过B地市内通信线路送到相应用户。B地向A地送话音信号的过程与上述一样，但上行频率为3、下行频率用4，为避免干扰，取31，42。注意这里的多址方式是认为采用了频分多址的方式，即各地球站均以不同的射频频率与卫星联接。,4.4 卫星通信,111,2013.5.8 测试内容,1.无线通信在现实生活中有哪些主要应用？2.卫星通信有哪些优缺点？3.什么是同步卫星？,