数字微波与卫星通信系统

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1、1,数字微波与卫星通信,武汉大学国际软件学院 张 昀,Company Logo,2,主要内容,无线电通信概论 数字微波通信 卫星通信,Company Logo,3,电磁波传递声音和图像信号的原理,电磁波传递声音和图像信号就象鸽子送信一样 先将信号载在电磁波上，再把载有信号的电磁波发射出去，到达接收处设法从电磁波上把信号检出来.,Company Logo,4,电磁波波谱,Company Logo,5,电磁波频率,任何信号都具有一定的频率或波长。这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。 无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。 在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c

2、= f *=无线电波传播速度（300000公里/秒）,Company Logo,6,式中: c为光速, f 和分别为无线电波的频率和波长, 因此, 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。 对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而它们的分析方法和应用范围也不同。,电磁波频率,Company Logo,7,频率划分,Company Logo,8,无线电波传播,在均匀媒质中以恒定的速度沿直线传播，由于能量的扩散和媒质的吸收，离开波源越远强度越小 在非均匀媒质中传播时，不但速度发生变化而且会产生 反射 折射 绕射 散

3、射,Company Logo,9,传播特性指的是无线电信号的传播方式、 传播距离、 传播特点等。 无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的能量会扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分, 而且在传播过程中, 电波的能量会被地面、 建筑物或高空的电离层吸收或反射, 或者在大气层中产生折射或散射等现象, 从而造成到达接收机时的强度大大衰减。 ,无线电波传播特性,Company Logo,10,无线电波的传播方式,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 根据无线电波在传播过程所发生的现象, 电波的传播方式主要有： 直射（视距）传

4、播（超短波、微波） 绕射（地波）传播（超长波、长波、中波） 反射（天波）传播（中波、短波） 散射传播（超短波） 决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。,Company Logo,11,图1 5 无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播,Company Logo,12,媒体空间对无线电波传播的影响,传输损耗 电波传播方向的变化 多径效应 衰落现象：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。,Company Logo,1

5、3,电磁波的发射过程,(1)由高频振荡器产生高频振荡电流 (2)把要传递的声音和图像信号变成电流信号(电信号) (3)将振荡器产生的高频振荡电流和声音、图像的信号电流一同输入到调制器中，使高频振荡电流随着传递的声音图像信号发生相应的变化，再把这样的高频振荡电流送到发射天线，发射的电磁波就带有要传递的声音图像信号了.即所谓的将要传递的信号“加”到电磁波上.把带有信号的电磁波发射出去.,Company Logo,14,电磁波的发射过程,Company Logo,15,无线电接收过程,(1)用天线接收电磁波. (2)用调谐器即收音机或电视机中选台的电路选出所需要的电信号. (3)让高频振荡电流经过检

6、波器，就能将要传递的声音信号和图像信号从高频振荡电流中“检”出.把声音信号和图象信号分别送到扬声器和电视机，就能听到声音和看到图像.,Company Logo,16,无线电接收过程,Company Logo,17,微波是一种具有极高频率（通常为 300MHz-300GHz)，波长很短，通常为1m-1mm的电磁波。 在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离內的直线传播，又称视距传播。 这种传播方式，虽然与短波相比，具有传播较稳定，受外界干扰小等优点，但在电波的传播过程中，却难免受到地形，地物及气候状況的影响而引起反射，折射，散射和吸收现象，产生传播衰落和

7、传播失真。,微波,Company Logo,18,利用微波做传输媒介進行的通信，叫微波通信。它往往是长途，大容量通信的无线传输工具。 目前使用的范围只有1GHz-40GHz。各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。,微波通信,Company Logo,19,数字微波通信系统,数字微波通信是指利用微波携带数字信息，通过电波空间，同时传送若干相互无关信息，并进行再生中继的通信方式。 数字信号用微波信道进行传输的通信方式，兼有数字通信和微波通信的特点。,Company Logo,20,中继传输方式,地面微波接力通信系统工作在46GHz，它通过地面多座中继站在两地

8、之间建立通信链路，相邻中继站的距离为视距（约50Km）。,Company Logo,21,地面微波接力,两个地面站之间传送 距离：50 -100 km；频率：2G -40GHz 依赖于天气和频率 应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连,地面站之间的直视线路,微波传送塔,Company Logo,22,数字微波系统组成,Company Logo,23,数字微波通信的特点,1.频带宽干扰小 2.中继传输组网灵活 3.抗干扰性强 4.保密性好 5.便于组成数字通信网,Company Logo,24,数字微波系统实例,Company Logo,25,数字复接技术,在数字传输系统中，为了扩大

9、传输容量、提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速信道中传输。数字复接技术就是解决这一问题的技术之一。常用的复接方法有两种：同步复接和异步复接。,Company Logo,26,同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群信号，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，达到同频、同相。 异步复接是各低次群使用各自的时钟,因此各低次群的码速率不同。此时，应先进行码速调整，使各低次群码速达到一致,然后再进行同步复接。,同步和异步复接,Company Logo,27,PCM技术在复接成一次群时，采用同步复接。但在复接成二、三、四次群时要采用异步复接。为

10、复接方便，规定了各支路比特流之间的异步范围，也就是规定了各支路时钟之间允许的偏差标称值范围，这种对比特率偏差的约束就是所称的准同步工作。相应的比特系列称为准同步数字系列 (PDH Plesiochronous Digital Hierarchy )。 PDH的固有缺点如下：,准同步数字系列(PDH),Company Logo,28,准同步数字系列(PDH),1.没有统一标准,Company Logo,29,准同步数字系列(PDH),2. 光接口不规范 为了完成设备对光路上的传输性能进行监控各厂家各自采用自行开发的线路码型。 典型的例子是mBnB码，其中mB为信息码，nB是冗余码。冗余码的作用是

11、实现设备对线路传输性能的监控功能。由于冗余码的接入使同一速率等级上光接口的信号速率大于电接口的标准信号速率，不仅增加了发光器的光功率代价，而且由于各厂家在进行线路编码时为完成不同的线路监控功能，在信息码后加上不同的冗余码，导致不同厂家同一速率等级的光接口码型和速率也不一样，致使不同厂家的设备无法实现横向兼容。这样在同一传输路线两端必须采用同一厂家的设备，给组网管理及网络互通带来困难。,Company Logo,30,从高速信号中分/插出低速信号要一级一级的进行。例如从140Mbit/s的信号中分/插出2Mbit/s低速信号要经过如图过程 由于低速信号分/插到高速信号要通过层层的复用和解复用过程

12、。这样就会使信号在复用/解复用过程中产生的损伤加大，使传输性能劣化，在大容量传输时此种缺点是不能容忍的。这也就是为什么PDH体制传输信号的速率没有更进一步提高的原因。,3.不便复接,Company Logo,31,准同步数字系列(PDH),4.不便网管 由于没有统一的网管接口，这就使你买一套某厂家的设备就需买一套该厂家的网管。系统容易形成七国八制的局面，不利于形成统一的电信管理网。,Company Logo,32,为了解决PDH的缺点，美国贝尔通信研究所提出同步光网络(SONET)的概念。原CCITT于1988年接受了SONET的概念，重新命名为同步数字系列(SDH)，使之成为不仅适用于光纤，

13、也适用于微波及卫星传输的通用技术体制。SDH是数字通信中一种全新的世界体制。,SDH的产生,Company Logo,33,SDH的基本概念,SDH（Synchronous Digital Hierarchy）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。,Company Logo,34,SDH的基本概念,在SDH网中SDH的信号实际上起着运货车的功能。它将各种不同体制的信号（本课程主要是指PDH信号）象货物一样打成不同大小的速率级别包，然后装入货车，装入STM-N帧中，在SDH的主干道上，光纤上传输。在收端，从货车上卸下打成货包的货物（其它体制的信号），然

14、后拆包封恢复出原来体制的信号。,Company Logo,35,1.统一接口 2.标准化等级 3.丰富的帧结构 4.灵活复用 5.网管规范 6.与PDH兼容,SDH的基本特点,Company Logo,36,Company Logo,37,卫星通信系统,利用卫星进行通信的科学设想，是在1945年由英国的克拉克首先提出的。但直至1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，人们才真正看到实现卫星通信的希望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信卫星,试验了横跨大西洋的电话传输。于是,经过二十多年的探索和试验，卫星通信终于跨入了实用阶段，渐渐走近我们的生活。,Company Logo,38,卫

15、星通信系统概述,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行的通信。由于作为中继站的卫星离地面很高，所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。用于实现通信目的的这种人造地球卫星被称为通信卫星。卫星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微波频段。,Company Logo,39,卫星通信的基本概念,通信卫星,地面站A,地面站B,Company Logo,40,使用微波 使用转发器接收和转发 可支持点到多点传送,地球,地面站,地面站,C波段 4/6 GHz 上行5.925 - 6.425 GHz 下行3.7 - 4.2 GHz Ku波段 12/14 GHz 上行14 -

16、 14.5 GHz 下行11.7 - 12.2 GHz,应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网,通信卫星：微波中继站,Company Logo,41,地球同步卫星,与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球,36,000 公里,地球,Company Logo,42,卫星通信系统的优点,通信距离远 覆盖面积大，可以进行多址通信 通信频带宽、容量大 性能稳定可靠,Company Logo,43,卫星通信的频段选择,早期的同步通信卫星使用的工作频段主要是C波段（4/6GHz），因为当时同一波段的微波接力通信技术已比较成熟，开发费用低，并且该波段处于地球的无线电窗口范围内，大气层吸收很小。随着通信技术的发展和通信业务的增加，新的波段不断被开发，目前Ku波段 （11/14GHz）已大量应用于民用卫星通信和卫星广播业务，20/30GHz频段也已投入使