數(shù)字通信第九章

數(shù)字通信第九章第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日9.1光纖通信9.1.1光纖通信的概念及特點(diǎn)一、概念：光纖通信是以光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）作為傳輸介質(zhì)，以光波作為信息載體進(jìn)行的通信。二、特點(diǎn)：1．傳輸頻帶寬，通信容量大2．傳輸損耗小，中繼距離長3．重量輕、體積小4．抗電磁干擾性能好5．泄露小，保密性能好6．節(jié)省有色金屬和能源7．光纖不會銹蝕，使用壽命長

8．光纖接頭不產(chǎn)生放電，沒有電火花

第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日9.1.2光纖與光纖的導(dǎo)光原理1．光纖(1)光纖的結(jié)構(gòu)目前通信用的光纖大多采用石英玻璃（SiO2）制成的橫截面很小的雙層圓柱體，未經(jīng)涂覆和套塑時(shí)稱為裸光纖，如圖9-1所示。圖9-1光纖的結(jié)構(gòu)圖圖圖9-2光纖剖面結(jié)構(gòu)圖第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日從圖9-1中可以看出，光纖由纖芯和包層兩部分組成，纖芯和包層的材料都是SiO2，纖芯摻雜微量的其他材料，作用是為了提高材料的光折射率。包層一般用純SiO2，也有摻雜的，摻雜的作用是降低材料的光折射率。

由于石英玻璃質(zhì)地脆，易斷裂，為保護(hù)光纖不受損害，提高抗拉度，一般需要在裸光纖外面再經(jīng)過兩次涂敷。它的剖面結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。從圖中9-2可以看出：纖芯位于光纖中心，直徑(2a)為5μm~75μm，作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，直徑(2b)為100μm~150μm，作用是將光波限制在纖芯中。為了使光波在纖芯中傳送，包層材料的折射率n2應(yīng)小于纖芯材料的折射率n1，即要滿足n1＞n2。第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日

(2)光纖的分類光纖按傳輸模式劃分，可分為單模光纖和多模光纖。光纖按纖芯折射率分布劃分，可分為階躍型光纖、漸變型光纖和W型光纖。

所謂模式，實(shí)質(zhì)上是電磁場的一種分布形式。

階躍型光纖指纖芯和包層的折射率均呈均勻分布，纖芯和包層相對折射率差⊿為1%~2%。漸變型光纖指纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處最大，而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向逐漸減小，在纖芯與包層的界面上降到包層折射率n2。W型光纖（雙包層光纖）是指在纖芯與包層之間設(shè)一折射率低于包層的緩沖層，使纖芯到包層的折射率呈W型分布。第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)光纖通信的實(shí)用工作波長

目前光纖通信使用的波長是在近紅外區(qū)，即波長為0.8μm~1.8μm，可分為短波長波段和長波長波段，短波長波段是指波長為0.85μm，長波長波段是指波長為1.31μm和1.55μm，這是目前光纖通信所采用的三個(gè)工作波長，也叫工作窗口。(4)光纜的結(jié)構(gòu)光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。①纜芯：由單根或多根光纖組成，有緊、松套兩種結(jié)構(gòu)。緊套光纖有二層和三層結(jié)構(gòu)。②加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷，一般是用金屬絲或非金屬纖維制作。③護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要是對已成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)敷設(shè)條件可由鋁帶/聚乙烯綜合粘接外護(hù)層，鋼帶（或鋼絲）鎧裝和聚乙烯護(hù)層等組成。第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日2．光纖的導(dǎo)光原理分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：一種是波動理論法，另一種是射線法。在這里，我們僅用射線法分析光波在光纖中的傳輸。光波屬于電磁波的范疇，在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，其軌跡是一條直線，當(dāng)光線射到兩種介質(zhì)的交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。如圖9-3所示。圖9-3光的反射和折射第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日由電磁場理論知道，折射定律的關(guān)系式為：n1sinθc=n2sinθ2產(chǎn)生全反射的條件是：n1＞n290°＞θ1＞θc式中，θc為對應(yīng)圖中光線②時(shí)的臨界入射角，其數(shù)值：θc=arcsin，階躍型光纖的折射率沿徑向呈階躍分布。n2是包層折射率，n1是纖芯折射率。假設(shè)階躍型光纖為理想的圓柱體，光線若垂直于光纖端面入射，并與光纖軸線重合或平行，這時(shí)光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。階躍型光纖就是利用光波的全反射原理，將光波限制在纖芯中向前傳播。漸變型光纖的導(dǎo)光原理如圖9-4所示。圖9-4漸變型光纖的導(dǎo)光原理第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日

為了分析漸變型光纖中光的傳播，將纖芯分成若干同軸的薄層，假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布，而每層折射率從里到外逐漸減小，即有n11＞n12＞n13＞n14……。若光以一定入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時(shí)，由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，折射角大于入射角，光線將折射進(jìn)第二層與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層，依次類推，由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角將隨折射次數(shù)增大。當(dāng)在某一界面處（圖中是在第三層和第四層的界面上），入射角大于臨界時(shí)，光線將出現(xiàn)全反射，方向不再朝向包層而是朝向軸心。之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，入射角逐漸減小，直至穿過軸心后，光線又出現(xiàn)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，重復(fù)上述折射過程。因此，當(dāng)纖芯分層無限多，其厚度趨于零時(shí)，漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似于正弦形的曲線。

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9.1.3光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)一般是指以傳送數(shù)字話音為主的光纖通信系統(tǒng)，它主要由PCM終端設(shè)備、數(shù)字復(fù)用設(shè)備、光端機(jī)、光纖和光中繼設(shè)備組成，如圖9-5。圖9-5數(shù)字光纖通信系統(tǒng)其中，光端機(jī)是由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成的基本光纖通信系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，作為一個(gè)基本的光纖通信系統(tǒng)，還應(yīng)包括光中繼器、監(jiān)控系統(tǒng)、脈沖復(fù)接和脈沖分離系統(tǒng)、告警系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等。如圖9-6所示。第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日

圖9-6光纖通信系統(tǒng)組成方框圖第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日1．光端機(jī)由于光纖通信系統(tǒng)一般都是雙向的，因此將光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)做在一起并稱為光端機(jī)。(1)發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的作用是將電信號變成光信號然后送入光纖中傳輸出去。光發(fā)射機(jī)主要由光源、光源驅(qū)動與調(diào)制以及信道編碼電路三部分組成。①光源。光發(fā)射部分的核心是產(chǎn)生激光或熒光的光源，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。目前，用于光纖通信的光源主要是半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED，它們都屬于半導(dǎo)體器件，共同特點(diǎn)是體積小、重量輕、耗電量小。LD和LED相比，其主要區(qū)別表現(xiàn)在，前者發(fā)出的是激光，而后者發(fā)出的是熒光。LED的優(yōu)點(diǎn)是輸出特性曲線線性好，使用壽命長，成本低，適合于短距離、小容量的傳輸系統(tǒng)。而LD一般適用于長距離、大容量的傳輸系統(tǒng)。第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日②光源驅(qū)動與調(diào)制電路。光源驅(qū)動與調(diào)制電路主要包含下面幾個(gè)電路：光源驅(qū)動電路。它用經(jīng)過編碼以后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度，完成電/光變換任務(wù)。APC（自動功率控制電路）。它的作用有三個(gè)，一是為了使光輸出信號電平保持穩(wěn)定；二是防止光源因電流過大損壞；三是防止因光輸出功率過大，而使光源的輸出散彈噪聲增加，系統(tǒng)的性能變差。ATC（自動溫度控制電路）。對激光二極管而言，結(jié)溫高時(shí)光輸出功率會下降，在APC的作用下控制電流就會自動增加，使結(jié)溫進(jìn)一步升高，造成惡性循環(huán)而導(dǎo)致激光二極管損壞。ATC電路用以進(jìn)行光源的溫度補(bǔ)償。光監(jiān)測。用光電監(jiān)測二極管檢測激光器發(fā)出的光功率，經(jīng)放大器放大后控制激光器的偏置電流，使其輸出的平均功率保持恒定。第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日③信道編碼電路。信道編碼電路用于對基帶信號的波形和碼型進(jìn)行變換，使其適合作為光源的控制信號。它主要完成以下功能：均衡。由PCM端機(jī)送來的HDB3或CMI（又稱傳號反轉(zhuǎn)碼）碼流，經(jīng)過均衡器均衡，用于補(bǔ)償由電纜傳輸產(chǎn)生的衰減和畸變，以便正確譯碼。碼型變換。將HDB3或CMI碼變換為非歸零碼（即NRZ碼）。擾碼。擾碼電路可以有規(guī)律地破壞長連“0”或長連“1”的碼流，達(dá)到0、1等概率出現(xiàn)。時(shí)鐘提取。由時(shí)鐘提取電路提取時(shí)鐘信號，供碼型變換和擾碼電路使用。編碼。在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，都對經(jīng)過擾碼以后的信碼流進(jìn)行信道編碼，經(jīng)過編碼以后，變?yōu)檫m合在光纖線路中傳送的線路碼型。第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)光接收機(jī)

光接收機(jī)的作用是接收經(jīng)光纖傳輸衰減后的十分微弱的光信號，從中檢測出傳送的信息，放大到足夠大后，供終端處理使用。它包括光電檢測器、光信號接收電路和信道解碼電路三部分。①光電檢測器。光電檢測的作用是利用光電二級管將光發(fā)射機(jī)經(jīng)過光纖傳送過來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。目前在光纖通信中廣泛使用的光電檢波管是半導(dǎo)體光電二極管，它具有尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日②光信號接收電路。光信號接收電路主要有以下三個(gè)作用：低噪聲放大。由于從光電檢測器出來的電信號非常微弱，在對其進(jìn)行放大時(shí)首先必須考慮的是抑制放大器的內(nèi)部噪聲。給光電二級管提供穩(wěn)定的反向偏壓。自動增益控制。雖然光纖信道是恒參信道，但仍有可能因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)中光電器件的性能變化、控制電路的不穩(wěn)定以及器件的更換等原因，使光接收電路所接收到的信號電平發(fā)生波動，因此光接收機(jī)必須有自動增益控制的功能。③信道解碼電路。信道解碼電路是與發(fā)端的信道編碼電路完全對應(yīng)的電路，即包含解碼電路、解擾電路和碼型反變換電路。第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日２．中繼器在遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)中，由于受發(fā)送功率、光接收機(jī)靈敏度、光纖的損耗和色散的影響，將使光脈沖信號的幅度受到衰落，波形出現(xiàn)失真。這樣，就限制了光脈沖信號在光纖中長距離的傳輸。為了延長通信距離，需在光波信號傳輸一定距離以后，加一個(gè)光中繼器，以放大信號，補(bǔ)償光能的衰減，恢復(fù)波形。光中繼器主要由光接收設(shè)備和光發(fā)送設(shè)備組成，其工作原理不再贅述。此外，為了使光中繼器正常工作，便于監(jiān)控、維護(hù)，必須有電源、公務(wù)、告警、監(jiān)控等設(shè)備。有的光中繼器還有區(qū)間通信接口，以提供一定的區(qū)間通信能力。第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日３．監(jiān)控系統(tǒng)對光纖通信進(jìn)行監(jiān)測和控制的主要內(nèi)容有：(1)監(jiān)測的內(nèi)容①誤碼率是否滿足指標(biāo)要求；②各個(gè)中繼器是否有故障；③接收光功率是否滿足指標(biāo)要求；④光源的壽命；⑤電源是否有故障；⑥環(huán)境溫度、濕度是否在要求的范圍內(nèi)，包括火災(zāi)告警等。(2)控制的內(nèi)容監(jiān)視控制系統(tǒng)能自動地對通信線路的傳輸質(zhì)量和各個(gè)組成設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，。當(dāng)市電中斷后，監(jiān)控系統(tǒng)還要發(fā)出啟動備用發(fā)電機(jī)發(fā)電的指令；當(dāng)中繼站溫度過高，則應(yīng)發(fā)出啟動風(fēng)扇或空調(diào)的指令。同樣，還可根據(jù)需要設(shè)置其它控制內(nèi)容。第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日9.2.1微波通信微波通信是在20世紀(jì)40年代至50年代開始使用的無線通信技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星通信可看作微波通信的一個(gè)具體應(yīng)用，所以把微波通信和衛(wèi)星通信放在同一章節(jié)中。下面主要介紹微波通信的概念和特點(diǎn)，微波通信系統(tǒng)的基本組成，微波站的設(shè)備組成及微波的傳輸特性和抗衰落技術(shù)。9.2衛(wèi)星通信第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日

１．微波通信的概念和特點(diǎn)(1)微波的頻段劃分無線電波波段的劃分如表9-1所示。整個(gè)電磁頻譜，包含從電波到宇宙射線的各種波、光和射線的集合。不同頻段分別命名為無線電波（3kHz~3000GHz）、紅外線、可見光、紫外線、χ射擊線、γ射線和宇宙射線。由于微波這種電磁波頻率非常高，故微波又稱為超高頻電磁波。所謂微波通信就是利用電磁波的微波波段進(jìn)行的通信。實(shí)際工程中，常用拉丁字母代表微波小段的名稱，例如S，C，X分別代表10厘米波段、5厘米波段和3厘米波段；Ka，U，F(xiàn)分別代表8毫米波段、6毫米波段和3毫米波段等等，詳見表9-2。第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日名稱英文波長范圍頻率范圍極低頻（極長波）ELF100000km~10000km3Hz~30Hz超低頻（超長波）SLF10000km~1000km30Hz~300Hz特低頻（特長波）ULF1000km~100km300Hz~3000Hz甚低頻（甚長波）VLF100km~10km3kHz~30kHz低頻（長波）LF10km~1km30kHz~300kHz中頻（中波）MF1000m~100m300kHz~3000kHz高頻（短波）HF100m~10m3MHz~30MHz甚高頻（米波）VHF10m~1m30MHz~300MHz微波特高頻（分米波）UHF10dm~1dm300MHz~3000MHz超高頻（厘米波）SHF10cm~1cm3GHz~30GHz極高頻（毫米波）EHF10mm~1mm30GHz~300GHz至高頻（亞毫米波）1mm~0.3mm300GHz~1000GHz表9-1無線電波波段的劃分第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日

波段頻率范圍（GHz）波段頻率范圍(GHz)UHF0.30～1.12Ka26.50～40.00L1.12～1.70Q33.00～50.00LS1.70～2.60U40.00～60.00S2.60～3.95M50.00～75.00C3.95～5.85E60.00～90.00XC5.85～8.20F90.00～140.00X8.20～12.40G140.00～220.00Ku12.40～18.00R220.00～325.00K18.00～26.50表9-2微波頻段的劃分第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)微波通信的特點(diǎn)①通信頻段的頻帶寬，傳輸信息容量大。微波頻段占用頻帶約300GHz，而全部長波、中波和短波頻段占有的頻帶總和不足30MHz。一套微波中繼通信設(shè)備可以容納幾千甚至上萬條話路同時(shí)工作，或傳輸電視圖像信號等寬頻帶信號。②通信穩(wěn)定、可靠。當(dāng)通信頻率高于100MHz時(shí)，工業(yè)干擾、天電干擾及太陽黑子的活動對其影響小。由于微波頻段頻率高，這些干擾對微波通信的影響極小。此外，數(shù)字微波通信中繼站能對數(shù)字信號進(jìn)行再生，使數(shù)字微波通信線路噪聲不逐站積累，增加了抗干擾性。因此，微波通信較穩(wěn)定和可靠。③欲增加通信距離，需采用接力通信技術(shù)。由于微波的視距傳播特性和傳輸損耗隨距離增加的特性，所以在地面上進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，必須采用接力的方式，將發(fā)端信號經(jīng)若干中間站多次轉(zhuǎn)發(fā)，才能到達(dá)收端。第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日④通信靈活性較大。微波中繼通信采用中繼方式，可以實(shí)現(xiàn)地面上的遠(yuǎn)距離通信，并且可以跨越沼澤、江河、高山等特殊地理環(huán)境。在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭等災(zāi)禍時(shí)，通信的建立及轉(zhuǎn)移都較容易，這些方面較有線通信具有更大的靈活性。⑤天線增益高、方向性強(qiáng)。當(dāng)天線面積給定時(shí)，天線增益與工作波長的平方成反比。由于微波通信的工作波長短，天線尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性強(qiáng)的面式天線。這樣可以降低微波發(fā)信機(jī)的輸出功率，利用方向性強(qiáng)的微波天線使微波電磁波的傳播方向?qū)?zhǔn)下一接收站，可減少通信中的相互干擾。⑥投資少、建設(shè)快。與其他有線通信相比，在通信容量和質(zhì)量基本相同的條件下，按話路公里計(jì)算，微波中繼通信線路的建設(shè)費(fèi)用低、建設(shè)周期短。第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日

2．?dāng)?shù)字微波通信系統(tǒng)的組成微波通信分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信兩類。模擬微波通信早已發(fā)展成熟，并逐漸被數(shù)字微波通信所取代，數(shù)字微波通信已成為一種重要的傳輸手段。對于地面上的微波通信，一般采用中繼（接力）方式進(jìn)行無線電通信。采用中繼方式的直接原因有兩個(gè)：一是因?yàn)槲⒉úㄩL短接近于光波，具有視距傳播特性，而地球表面是個(gè)曲面，當(dāng)通信距離超過一定數(shù)值時(shí)，電磁波傳播將受到地面的阻擋。二是因?yàn)槲⒉▊鞑ビ袚p耗，隨著通信距離的增加信號有衰減。因此為延長通信距離，有必要采用中繼方式，即在通信兩地之間設(shè)立若干中繼站，不斷對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行電磁波傳播。第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日(1)數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成廣義地說，數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備由用戶終端、交換機(jī)、終端復(fù)用設(shè)備、微波站等組成。如圖9-7所示。狹義地說，數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備僅僅指微波站設(shè)備。圖9-7數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)微波通信系統(tǒng)的簡單工作過程用圖9-7來說明微波通信系統(tǒng)傳輸長途電話的簡單工作過程。甲地發(fā)端用戶的電話信號，首先由用戶所屬的市話局送到該端的微波站（或長途電信局）。時(shí)分多路復(fù)用設(shè)備將多個(gè)用戶電話信號組成基帶信號，基帶數(shù)字信號在調(diào)制--解調(diào)設(shè)備中對70MHz的中頻信號進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制器輸出的70MHz中頻已調(diào)波送到微波發(fā)信機(jī)，經(jīng)發(fā)信混頻得到微波射頻已調(diào)波，這時(shí)已將發(fā)端用戶的數(shù)字電話信號載到微波頻率上。經(jīng)發(fā)端的天線饋線系統(tǒng)，可將微波射頻已調(diào)波發(fā)射出去。若甲、乙兩地相距較遠(yuǎn)，需經(jīng)若干個(gè)中繼站對發(fā)端信號進(jìn)行多次轉(zhuǎn)發(fā)。信號到達(dá)收端后，經(jīng)收端的天線饋線系統(tǒng)饋送到收信機(jī)，經(jīng)過收信混頻后，將微波射頻已調(diào)波變成70MHz中頻已調(diào)波，再送到調(diào)制--解調(diào)設(shè)備進(jìn)行解調(diào)，即可解調(diào)出多個(gè)用戶的數(shù)字電話信號（即基帶信號）。再經(jīng)收端的時(shí)分多路復(fù)用設(shè)備進(jìn)行分路，將用戶電話信號送到市話局，最后到收端的用戶終端（電話機(jī)），送給乙地用戶。第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日3．微波站設(shè)備數(shù)字微波站的主要設(shè)備包括發(fā)信設(shè)備、收信設(shè)備、天線設(shè)備、電源設(shè)備、監(jiān)測控制設(shè)備等。這里僅介紹數(shù)字微波收發(fā)信設(shè)備的組成和中繼設(shè)備及中繼站的轉(zhuǎn)接方式。(1)發(fā)信設(shè)備微波發(fā)信設(shè)備組成如圖9-8所示。圖9-8發(fā)信設(shè)備組成方框圖第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)收信設(shè)備微波收信設(shè)備組成如圖9-9所示。圖9-9收信設(shè)備組成方框圖第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日4．中繼設(shè)備目前我國投入使用的中、小容量數(shù)字微波中繼設(shè)備以三次群設(shè)備（34Mbit/s,480路）為主，一般用于國內(nèi)長途通信支線電路、省內(nèi)干線電路及專用通信網(wǎng)。通過二次復(fù)用實(shí)現(xiàn)電報(bào)、數(shù)據(jù)、廣播及會議電視等非電話通信業(yè)務(wù)，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人值守的功能。大容量中繼設(shè)備以四次群設(shè)備（140Mbit/s,1920路）為主，多為引進(jìn)設(shè)備。在微波中繼通信系統(tǒng)中，同一方向的每套收發(fā)信機(jī)必須使用不同的微波收發(fā)頻率，以避免相互干擾。所謂射頻波道的頻率配置，就是如何分配各相鄰微波站收發(fā)信機(jī)的微波收發(fā)頻率。第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日頻率配置的基本原則是盡可能在給定的微波頻段內(nèi)多安排一些波道，以增加傳輸容量；盡可能減小波道之間的相互干擾，以保證系統(tǒng)總體指標(biāo)和通信質(zhì)量；盡可能有利于通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn)，以便于維修和降低成本。圖9-10、圖9-11是常采用的二頻制方案和四頻制方案。圖9-10二頻制頻率配置第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日采用二頻制方案時(shí)，每個(gè)中間站的兩個(gè)通信方向的收發(fā)頻率均相同，但收發(fā)頻率逐站更換一次。其優(yōu)點(diǎn)是占用頻帶窄（頻譜利用率高）；缺點(diǎn)是存在反向干擾和越站同頻干擾問題。采用四頻制方案時(shí)，沒有反向干擾問題，但仍然存在越站同頻干擾問題，且其占用頻帶比二頻制方案寬一倍。圖9-11四頻制頻率配置第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日5．?dāng)?shù)字微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用由于微波具有頻率高，頻帶寬，信息量大的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于各種通信業(yè)務(wù)，包括微波多路通信，微波中繼通信，移動通信和衛(wèi)星通信。數(shù)字微波通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合如下。(1)干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a(bǔ)充。主要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自然災(zāi)害時(shí)的緊急修復(fù)，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場合。(2)邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中。如農(nóng)村、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場合，這些場合可以使用微波點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)，微波頻段的無線用戶環(huán)路也屬于這一類。(3)城市內(nèi)的短距離直線連接。如移動通信的基站之間、基站控制器與基站之間的互連、局域網(wǎng)之間的無線聯(lián)網(wǎng)等等。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日9.2.2衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是當(dāng)今主要通信方式之一。特別是國際通信衛(wèi)星（Intelsat）、國際衛(wèi)星移動通信等都是近年來的研究熱點(diǎn)。本小節(jié)將簡要介紹衛(wèi)星通信的概念和特點(diǎn)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及各部分功能等。

1．衛(wèi)星通信概況(1)衛(wèi)星通信的基本概念衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。地球站是指設(shè)在地球表面的通信站，用于轉(zhuǎn)發(fā)各地球站信號的人造地球衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星。第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日(2)衛(wèi)星通信分類同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)又稱為靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因衛(wèi)星繞地球的運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)同步（運(yùn)行周期T為23時(shí)56分04秒，運(yùn)行速度v=3.075km/s，軌道高度H=35786km），從地面上看衛(wèi)星是靜止不動的，故稱為靜止（或同步）衛(wèi)星通信系統(tǒng)。移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)又分為中軌道（H=10000~20000km）和低軌道（H＜5000km）衛(wèi)星系統(tǒng)兩大類。中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度為10371km。低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)軌道高度為765km。這種系統(tǒng)中，衛(wèi)星離地面高度較低，在這樣的距離內(nèi)可以使用小天線、小功率、重量輕的移動手機(jī)，與地面蜂窩式移動電話系統(tǒng)的基本原理相似，可采用劃分小區(qū)和重復(fù)使用頻率的方法進(jìn)行通信。當(dāng)然衛(wèi)星通信系統(tǒng)還有其他的分類等等。第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信與其他通信手段相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通信距離遠(yuǎn)，通信覆蓋面積大。②通信機(jī)動靈活，可進(jìn)行多址通信。③通信頻帶寬，傳輸容量大。④傳播穩(wěn)定可靠，通信質(zhì)量高。⑤成本與通信距離無關(guān)。

缺點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：①衛(wèi)星通信有較大的傳輸時(shí)延和回波干擾。②存在臨時(shí)中繼現(xiàn)象。③10GHz以上的頻帶受降雨的影響。④衛(wèi)星通信技術(shù)復(fù)雜。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日

2．衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及工作原理

根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的任務(wù)，一條衛(wèi)星通信線路要由發(fā)端地面站、上行線路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線路和收端地面站組成，如圖9-12所示。圖9-12衛(wèi)星通信線路組成框圖第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，各地面站發(fā)射的信號都是經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給對方地面站的。一般來說，一顆通信衛(wèi)星主要由天線系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、遙測指令系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等五大部分組成，如圖9-13所示。圖9-13通信衛(wèi)星各系統(tǒng)組成方框圖第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日(1)天線系統(tǒng)天線系統(tǒng)包括通信用的微波天線和遙測遙控用的高頻（或甚高頻）天線。微波天線采用定向性強(qiáng)的面天線（有的星上還采用點(diǎn)波束天線，因波束較窄而具有較高的增益，用來把輻射的電磁功率集中到地球上較小的區(qū)域內(nèi)），以使波束對準(zhǔn)地球上的通信區(qū)域。實(shí)際中衛(wèi)星要采用自旋方式以保持姿態(tài)的穩(wěn)定，故星上作通信用的微波天線要采用消旋天線，才能使波束始終對準(zhǔn)地球。(2)通信系統(tǒng)（轉(zhuǎn)發(fā)器）通信系統(tǒng)又稱為通信中繼機(jī)，它實(shí)質(zhì)上是一組寬頻帶收、發(fā)信機(jī)，通常由多個(gè)（可達(dá)24個(gè)或更多）信道轉(zhuǎn)發(fā)器互相連接而組成。其任務(wù)是把接收的信號放大，并利用變頻器變換成下行頻率后再發(fā)射出去。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中最重要的組成部分，它起著衛(wèi)星中繼站的作用，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日(3)遙測指令系統(tǒng)遙測指令系統(tǒng)包括遙測和遙控指令系統(tǒng)兩個(gè)部分。遙測部分的作用是在地球站上測試衛(wèi)星的各種設(shè)備的工作情況，包括表示有關(guān)部分電流、電壓、溫度等工作狀態(tài)的信號；來自各傳感器的信息；指令證實(shí)信號以及作控制用的氣體壓力等等。上述各種數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)送往地面監(jiān)測中心。遙控指令系統(tǒng)包括對衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)和位置控制的噴射推進(jìn)裝置的點(diǎn)火控制指令；行波管高壓電源的開、關(guān)控制指令；發(fā)生故障的部件與備用部件的轉(zhuǎn)換指令；以及其它由地面對衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的控制指令等等。指令信號由地面的控制站發(fā)出，在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)被分離出來，經(jīng)檢波、解碼后送至控制設(shè)備，以控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施指令。第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日(4)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括位置控制和姿態(tài)控制兩部分。位置控制系統(tǒng)用來消除“攝動”的影響，以便使衛(wèi)星與地球的相對位置固定。姿態(tài)控制是使衛(wèi)星對地球或其它基準(zhǔn)物保持正確的姿態(tài)。衛(wèi)星姿態(tài)是否正確，不僅影響衛(wèi)星上的定向通信天線是否指向覆蓋區(qū)，還會影響太陽能電池帆板是否朝向太陽。(5)電源系統(tǒng)衛(wèi)星上的電源要求體積小、重量輕和壽命長。常用的電源有太陽能電池和化學(xué)能電池。(6)衛(wèi)星通信地面站地面站的基本作用是向衛(wèi)星發(fā)射信號，同時(shí)接收由其它地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號。任何一條衛(wèi)星通信線路都包括發(fā)端和收端地面站、上行和下行線路以及通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日地面站種類繁多，典型的地面站由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。如圖9-14所示。圖9-14地球站組成方框圖圖第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日天線系統(tǒng)完成發(fā)送信號、接收信號的任務(wù)。在大型地面站中還要完成跟蹤衛(wèi)星的任務(wù)，以保證地球站天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。發(fā)射系統(tǒng)的主要作用是將終端系統(tǒng)送來的基帶信號進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過上變頻和功率入大后饋送給天線發(fā)往衛(wèi)星。接收系統(tǒng)的主要作用是將天線系統(tǒng)收到的由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的微弱信號進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶信號送至終端系統(tǒng)。終端系統(tǒng)有兩個(gè)作用：一個(gè)是對經(jīng)地面接口線路傳來的各種用戶信號分別用相應(yīng)的終端設(shè)備對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編排及其它基帶處理，形成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)幕鶐盘?；第二個(gè)作用是將接收系統(tǒng)收到并解調(diào)的基帶信號進(jìn)行與上述相反的處理，然后經(jīng)地面接口線路送到各有關(guān)用戶。監(jiān)控系統(tǒng)通過監(jiān)控臺監(jiān)測各種設(shè)備是否發(fā)生故障、主要設(shè)備的工作參數(shù)是否正常等，便于及時(shí)處理，以及有效地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理。電源系統(tǒng)對所有通信設(shè)備及輔助設(shè)備供電。第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日長期以來,人們在生產(chǎn)和生活實(shí)踐中發(fā)明了多種導(dǎo)航定位技術(shù)，但性能都不盡滿意。隨著空間技術(shù)、大地和大氣測量技術(shù)、通信電子技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)技術(shù)已在和正在軍事、民用生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，它為人類帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)國家能夠自主研制生產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正在運(yùn)行的有美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，正在建造的有中國的北斗定位系統(tǒng)，歐洲的伽利略全球衛(wèi)星定位計(jì)劃也在緊鑼密鼓地進(jìn)行當(dāng)中。下面僅對GPS系統(tǒng)作一簡介。9.3衛(wèi)星定位技術(shù)第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日

9.3.1GPS系統(tǒng)1．GPS概述從根本上來講，GPS系統(tǒng)屬于一種通信系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)全稱為導(dǎo)航衛(wèi)星測時(shí)和測距全球定位系統(tǒng)(NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositionSystem)，是美國為滿足陸海空三軍和民用部門對導(dǎo)航越來越高的要求而提出的一個(gè)技術(shù)解決方案。它不受地形地貌、氣象條件、航行距離的限制，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)公認(rèn)將這一系統(tǒng)簡稱為全球定位系統(tǒng)GPS。2．GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三大部分組成，即GPS衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)和用戶GPS接收機(jī)。(1)空間段(2)地面段(3)用戶段第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日3．工作原理GPS系統(tǒng)的定位過程可描述為：圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)波無線電信號，信號中含有衛(wèi)星信號準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間，以及不同的時(shí)間衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置（由衛(wèi)星運(yùn)動的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)描述）。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號，測量信號的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離。用導(dǎo)航算法解算得到用戶的位置。其中，準(zhǔn)確描述衛(wèi)星位置、測量衛(wèi)星與用戶之間的距離和解算用戶的位置是GPS定位導(dǎo)航的關(guān)鍵。GPS定位的基本幾何原理為三球交會原理。如果用戶到衛(wèi)星S1、S2和S3的真實(shí)距離為R1、R2和R3，那么用戶的真實(shí)位置必定同時(shí)在以S1為球心，R1為半徑的球面C1，以ＳＳ2為球心，R2為半徑的另一球面C2，以及以S3為球心，R3為半徑的另一球面C3上，也即三球面的交點(diǎn)上。第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日

9.3.2中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是用很少投資建成的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。計(jì)劃由五顆靜止軌道衛(wèi)星和三十顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，2008年完成部署。系統(tǒng)建成后提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。北斗系統(tǒng)有三大功能：快速定位，為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶提供全天候、實(shí)時(shí)定位服務(wù)，定位精度與GPS相當(dāng)；短報(bào)文通信，一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息；精密授時(shí)，精度達(dá)20納秒。北斗系統(tǒng)不僅解決了我國有無自主導(dǎo)航系統(tǒng)的問題，而且較GPS應(yīng)用也有五大優(yōu)勢：一，它同時(shí)具備定位與通訊功能，不需要其他通訊系統(tǒng)支持。二，覆蓋范圍大，沒有通訊盲區(qū)。三，特別適合于集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。四，融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源，因此也可利用GPS使之應(yīng)用更加豐富。五，自主系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強(qiáng)，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日9.4.1概述“藍(lán)牙”（Bluetooth）是一種短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱，藍(lán)牙的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備（如PC、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動電話和高品質(zhì)耳機(jī)等），通過無線方式將它們連成一個(gè)微微網(wǎng)，多個(gè)微微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡(luò)，從而方便、快速地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙技術(shù)使用全球通行的、無需申請即可使用的2.45GHzISM(工業(yè)Industry、科學(xué)Science、醫(yī)學(xué)Medicine)頻段。由于采用低功率時(shí)分復(fù)用方式工作（發(fā)射），其有效傳輸距離大約為10m，加上功率放大器時(shí)，傳輸距離可擴(kuò)大到100m。9.4藍(lán)牙技術(shù)第四十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日

9.4.2藍(lán)牙系統(tǒng)組成藍(lán)牙系統(tǒng)一般由四個(gè)功能單元組成：無線射頻單元、連接控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議）單元。1．無線射頻單元藍(lán)牙系統(tǒng)采用跳頻技術(shù)，系統(tǒng)的最大跳頻速率為1600跳/秒；在2.402GHz～2.480GHz的ISM頻段之間，采用79個(gè)1GHz帶寬的頻點(diǎn)；在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí)，其有效數(shù)據(jù)速率為721kb/s，最高數(shù)據(jù)速度可達(dá)1Mb/s；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通信距離為0.1～10m，如果增加發(fā)射功率，這一距離也可以達(dá)到100m。2．連接控制單元連接控制單元（即基帶）描述了數(shù)字信號處理的硬件部分——鏈路控制器，它實(shí)現(xiàn)了基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程。第四十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日

3．鏈路管理鏈路管理器軟件實(shí)現(xiàn)鏈路的建立、認(rèn)證及鏈路配置等。鏈路管理器可發(fā)現(xiàn)其他的鏈路管理器，并通過連接管理協(xié)議建立通信聯(lián)系，鏈路管理器利用鏈路控制器提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)上述功能。鏈路控制器的服務(wù)項(xiàng)目包括：接收