信息的傳輸與通信技術 課件 第二章世界通技術

現(xiàn)代智能控制實用技術叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術信息的傳輸與通信技術簡介

《現(xiàn)代智能控制實用技術叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調制與解調

信息的傳輸與通信技術

智能控制技術的應用

本書系統(tǒng)地對信息傳輸與現(xiàn)代通信技術的密切關系、通信技術的發(fā)展簡史，現(xiàn)代通信技術的特點和發(fā)展趨勢進行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點、優(yōu)勢、不足及適用領域。信息的傳輸與通信技術簡介

本書還對現(xiàn)代通信技術的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍牙和可見光通信技術進行原理、功能及應用的闡述。

對未來的通信技術，即量子通信技術的概況進行介紹，并預測量子通信技術將在計算機技術、通信傳輸技術、衛(wèi)星通信技術等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設計、制造、應用領域工作的工程技術人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術叢書序

自動控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術的普遍話題。在當今的生產(chǎn)、生活和科學實驗中具有重要的作用。

在控制技術中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠程監(jiān)測（遙測）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調節(jié)（遙調）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質和能量。

而信號則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號是物理性的，并且隨時間而變化，這是信號的本質所在。

在無線電通信中，電磁波信號承載著各種各樣的信息。所以信號是有能量的物質，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數(shù)，也可以表示隨時間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術叢書序

實際的信號中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關心的有用信息，有些是我們不關心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉化為可觀察的信號，提取所研究對象的有關信息，將原始信息轉換成信號。將有效信息轉換成便于傳輸?shù)男盘枺驅⑿盘柗糯?，或將較低頻率的原始信息“調制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸?shù)囊?，或將原始模擬信息處理為數(shù)字信號等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責”———信息的收集與調制。然后，將調制后的信號置于所選取的傳輸通道上進行傳輸，使調制后的信號傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號后，然后進行調制器的反向操作“解調”。即將高頻信號或數(shù)字信號還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術叢書序

原始信息通過揚聲器器（還原的音Ⅳ頻信號）、顯示器（還原的圖像或視頻信號）、打（還原的計算結果）或進行力學、電磁學、光學、聲學等轉換，對原始信息控制目的物進行作用，從而達到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的一些關鍵技術的原理、特性、基本計算公式和方法、基本結構的組成、各個部分參數(shù)的選取，以及主要應用場合及其優(yōu)勢和不足等問題進行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調制”、“調制信號的傳輸“、“調制信號的解調”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統(tǒng)，應用于實踐的設計計算及控制的邏輯關系進行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識積累，但仍然覺得時間倉促，加之水平有限，錯誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術

叢書序

前言第一章簡說通信技術與信息傳輸?shù)谌?jié)現(xiàn)代通信技術特點第五節(jié)網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展第二章世界通用的通信技術

第二節(jié)有線通信的載波通信技術

第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波

通信第三章通信技術的“高速公路”第二節(jié)無線通信的第五代移動通信技術——５Ｇ

第三節(jié)近距離小容量無線通信技術——無線保真通信、藍牙通信、可見光通信第四節(jié)有線通信的光導纖維通信技術

第四章通信技術的綜合應用———脈沖碼編調制的可見光通信系統(tǒng)第五章未來的量子通信技術

第一節(jié)量子通信技術

第二節(jié)量子計算機的工作原理附錄附錄Ａ名詞術語及解釋附錄Ｂ相關技術標準參考文獻重點目錄

信息的傳輸與通信技術正文第二章世界通用的通信技術第一節(jié)我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程第二節(jié)有線通信的載波通信技術

一、載波通信技術

二、電力線載波通信第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波通信一、微波接力通信二、衛(wèi)星微波通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

我國的通信發(fā)展歷程，是從無到有，從簡到新，從單一到類型齊全，從人工到自動，直至立于世界通信之林的過程。由于我國地域遼闊，農(nóng)村占比很大，城市與鄉(xiāng)村、東部與中西部、平原與山區(qū)差別很大，因之，通信事業(yè)也經(jīng)歷了幾次大的變革。

一、農(nóng)村從無到實線通信階段在50年代到60年代。所謂“實線”通信，即采用一般的鐵絲為傳輸載體，以手搖磁石電話機為終端收發(fā)設備，以人工總機為轉接設備的最原始的通信系統(tǒng)。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

二、從“實線”通信到載波通信階段“實線”通信傳輸距離短，受干擾大，線路少等弊端。大約從60年代開始，我國進入到載波通信階段。即采用“單路載波”，使通話線路增加1倍；采用“三路載波”，使通話線路增加3倍；遠距離采用“12路載波”，使通話線路大幅度增加。60年代后，出現(xiàn)了“24路載波”和高次群載波，逐步建成了我國大城市之間的“大通路”載波系統(tǒng)。同時，架空電纜、大通路電纜出現(xiàn)，加上載波通信技術，加上縣城至省城、大城市之間的微波通信相繼建設，使我國的通信事業(yè)有了較大的改觀。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

三、從“電線”到“通信電纜”

通信電纜通信，即是利用電纜作為傳輸媒質的有線通信。通常采用復用技術實現(xiàn)電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等的多路通信。電纜通信又分為對稱電纜和同軸電纜，對稱電纜和同軸電纜都是通信電纜，兩者之間有什么區(qū)別？

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

1、對稱通信線纜

對稱通信電纜：由二根對稱排列的導線組成通信回路，分高頻和低頻兩種。高頻通信電纜：最高傳輸頻率可達800千赫，在一個回路中可開通180路電話；

低頻通信電纜：最高傳輸頻率一般小于252千赫，一個回路中可開通60路電話。

弊端：電磁場呈開放狀態(tài)，在高頻時回路的衰減和損耗較大，回路間相互干擾和外界干擾都較大，難于提高傳輸頻率和容量。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

1、對稱通信線纜

長途對稱通信電纜：由不同數(shù)量和不同絕緣結構的四線組構成。

常用形式有：有星絞組、復對絞等。

線間絕緣：采用紙帶絕緣、紙繩（紙帶和紙繩）絕緣、聚乙烯繩帶絕緣、聚苯乙烯繩帶絕緣和泡沫聚乙烯絕緣等多種。

高頻長途對稱通信電纜：傳輸頻率高，對電纜的結構性能要求較高。一般采用繩－帶絕緣的星絞四線組結構。絕緣材料常用聚苯乙烯、聚乙烯。紙帶紙繩絕緣。

一般用于252千赫以下的低頻對稱通信電纜。用于城市市話。在還沒有“光纖入戶”的條件下，從區(qū)域配話箱至用戶終端的“最后一公里”使用。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

2、同軸線纜

結構：由二根相互絕緣的同軸心的內(nèi)外導體組成通信回路（同軸對），再由一個或多個同軸電纜對絞合而成。將在同一軸線上的內(nèi)、外兩根導體組成回路，外導體包圍著內(nèi)導體，同時兩者絕緣。

型號：（根據(jù)尺寸劃分，內(nèi)導體直徑d和外導體直徑D值：d/D）

微同軸電纜：0.6mm/2mm、0.9mm/3.2mm等，

小同軸電纜：d/D=1.2mm/4.4mm等，

中同軸電纜：d/D=2.6mm/9.5mm等，

大同軸電纜：d/D=5mm/18mm、11mm/41mm等。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

2、同軸線纜

用途：同軸電纜多用作長途通信干線，開通多路載波通信或傳輸電視節(jié)目，也用作高效率的數(shù)據(jù)信息傳輸。

優(yōu)點：同軸對中兩導體完全同心，在外導體以外不存在電磁場。傳輸信號的衰減以及各同軸對之間的相互干擾小，抗外界干擾的性能也高于對稱電纜。

傳輸頻率：可達10～100兆赫以上。

信息的傳輸與通信技術正文第一節(jié)

我國的通信事業(yè)及其發(fā)展歷程

四、光導纖維通信的興起國民經(jīng)濟的發(fā)展對通信技術提出了更高的要求，自1966年光纖通信技術發(fā)明后，國際上經(jīng)過了18年的研究與探索，我國于1982年建成了全世界第一套光纖通信實用系統(tǒng)，在武漢“武昌至漢口”的市話分局間的中繼線路開通使用。標示了一個新的通信時代的到來。

五、無線通信領域在無線通信領域，從“2G”到“5G”，到無線通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)及其多種短距離、小容量通信手段的研發(fā)及實用成功，使無線通信技術從傳統(tǒng)的“微波通信”成為一株枝葉繁茂、花果累累的通信之樹。同時，因數(shù)字通信理論和實用技術的日新月異，自90年代開始，通信領域已從模擬通信階段發(fā)展到數(shù)字通信階段。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)有線通信的載波通信技術

一、載波通信技術（一）載波通信技術概述載波通信(Carriercommunication)是基于頻分復用技術的電話多路通信體制，屬于經(jīng)典模擬通信的制式。其一路電話的信號頻譜被限制在300~3400Hz的范圍;因保護性的頻率間隔，一路電話所占的頻帶寬度為4KHz。根據(jù)實用信道的頻帶寬度，就可以在一個信道的頻帶寬度內(nèi)復用不同路數(shù)的電話信號。例如，架空明線信道典型地可以復用12路電話信號，對稱電纜信道典型地可以復用60路電話信號，中同軸電纜信道則可以復用數(shù)千路電話信號等等。

而通信技術正在走向數(shù)字化，數(shù)字光纖通信、數(shù)字衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信系統(tǒng)占有越來越大的比重，模擬的載波通信系統(tǒng)日益收縮。但在一定時期內(nèi)，載波通信在支線和農(nóng)村地區(qū)仍然會繼續(xù)發(fā)揮作用。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（二）載波通信分類

載波通信據(jù)傳輸媒介不同，載波通信可分為明線載波通信、對稱電纜載波通信、小同軸電纜載波通信、中同軸電纜載波通信、海底電纜載波通信及電力線載波通信等。

明線載波通信：有單路、3路、12路載波機；

對稱電纜載波通信：有3路、12路、60路、120路和480路載波機；

小同軸電纜載波通信：有300路、960路、2,700路和3,600路載波機；

中同軸電纜載波通信：主要有1,800路、3,600路和10,800路載波機等。

多路載波結構圖見書本P12《圖2-1

多路載波通信結構示意圖》

所示。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（三）載波通信的組成

載波通信系統(tǒng)由終端機、增音機和傳輸線路三個主要部分組成。

（1）載波終端機

包括發(fā)送部分和接收部分。

發(fā)送部分：每一調制級都有調制器、濾波器、放大器和載頻源。它把各路音頻信號調制到預定頻帶位置上，取出有用邊帶并放大到規(guī)定電平。

接收部分：是發(fā)送的逆過程。終端機的輸入端還有二/四線設備和信號設備，用以使二線制用戶線與四線制收發(fā)支路連接，并對信號（如響鈴信號）進行轉換。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

(2)載波增音機

載波系統(tǒng)在進行長距離傳輸時,需要在線路上分段增音,以補償線路衰耗并均衡其衰耗-頻率特性。

增音機包括線路放大器和均衡器，通常還有自動電平調節(jié)設備，調節(jié)增益以補償和均衡線路衰耗的變化。（3）載波的傳輸線路利用明線、對稱電纜和同軸電纜等傳輸信號。

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有線通信的載波通信技術

二、電力線載波通信

（一）電力線載波通信概述電力線載波通信（PowerlineCarrier，PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式。指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。其最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要在同一變壓器供電內(nèi)，通過電力線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。其系統(tǒng)結構示意圖見圖2-2所示。

信息的傳輸與通信技術正文

第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（二）電力線載波通信的優(yōu)點1、不需要重新架設網(wǎng)絡，只要在同一變壓器供電內(nèi)，通過電力線，

就能進行數(shù)據(jù)傳遞。無疑成為了解決智能家居數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨钢弧Ｒ驗閿?shù)據(jù)僅在家庭范圍中傳輸，遠程對家電的控制也能通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡先連接到個人計算機，然后再控制家電,PLC調制/解調模塊的成本也遠低于無線模塊;2、相對于其他無線通信技術傳輸速度較快。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（三）電力線載波通信的缺點1、配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送；2、三相電力線間有很大的信號損失（10～30dB），通信距離很近時,不同相間可能會收到信號.所以，一般電力載波信號只能在單相電力線上傳送；3、不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同，耦合方式有線-地耦合和線-中線耦合，兩種耦合方式相比，線-地耦合載波信號少損失十幾dB但線-地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。

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有線通信的載波通信技術

（三）電力線載波通信的缺點（續(xù)）4、電力線的交流電本身固有50Hz和60Hz脈沖干擾，其周期為20ms和16.7ms,在每一個交流周期中會出現(xiàn)兩次峰值的脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz或120Hz脈沖干擾，干擾時間約為2ms，干擾必須加以處理。

有一種利用波形過零點的瞬時數(shù)據(jù)傳輸方法，但由于過零點時間很短，實際應用中與交流波形的同步不大好控制，而現(xiàn)代通信數(shù)據(jù)每幀比較長，所以在要求抗干擾能力很高的場合，PLC系統(tǒng)難以應用；

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（三）電力線載波通信的缺點（續(xù)）5、當電力線上負荷很大時，線路阻抗可達1Ω以上，造成對載波信號的高削減。實際應用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆浊?，但當電力線上負荷很大時，就只能傳輸幾十米的距離。電力線載波通信系統(tǒng)一種主控端接口電路和一種受控端接口電路分別見本書

P16中圖2-3電力載波通信系統(tǒng)一種主控端接口電路圖和圖2-4電力載波通信系統(tǒng)一種受控端接口電路圖

。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

（四）電力線載波通信的發(fā)展機遇

雖然技術問題最終都能被解決，但從國內(nèi)寬帶網(wǎng)建設的速度，留給PLC的時間和空間越來越窄，2000年以來大規(guī)模推出的數(shù)字用戶線路（ADSL）、光纖通信（FibreCommunication）、無線網(wǎng)絡（WirelessNetwork）等多種寬帶接入業(yè)務，留給電力線通信（PLC）的應用，除了遠程抄表上應用外，已沒有了多少空間。電力線通信調制解調器（電力貓）是將把網(wǎng)絡信號調制到電線上，利用電力線路解決網(wǎng)絡布線問題的設備。作為第三代網(wǎng)絡傳輸科技設備，電力貓則以其獨特優(yōu)勢風靡全球，

其工作原理就是：將信息進行高頻信號調制，然后利用電力傳輸；接收信息的電力貓再把信息從高頻信號中分解出來。從而，在不需要重新布線的基礎上實現(xiàn)上網(wǎng)打電話、觀看IPTV和使用監(jiān)控設備等多種應用。

隨著家庭智能系統(tǒng)這個話題的興起，也給PLC技術的應用帶來了一個新的舞臺。

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有線通信的載波通信技術

（五）電力線載波通信的應用領域電力線載波通信現(xiàn)在的應用領域，包括遠程抄表系統(tǒng)，路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)智能化等。如各類的數(shù)據(jù)采集，在技術上不再是點對點通信的范疇，而是突出開放式網(wǎng)絡結構的概念，使每個控制節(jié)點（受控設備）組成網(wǎng)絡進行集中控制。

在電力載波應用上具有網(wǎng)絡協(xié)議的企業(yè)如國外的有Echelon公司的Lonworks網(wǎng)絡，國內(nèi)的有凱星電子(KaiStar)電力載波遠程智能控制系統(tǒng)，瑞斯康公司(Risecomm)的瑞斯康智能控制網(wǎng)絡。他們的網(wǎng)絡協(xié)議都是根據(jù)國際標準協(xié)議EAI709.1,EAI709.2

所編寫。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

電力線載波通信應用案例

案例一——智能家居控制（SHC）其原理是將電力載波技術集成后嵌入到家庭各電器中，利用家庭現(xiàn)有的電力線作為載波通信媒介，實現(xiàn)智能設備之間的通信與控制。

案例二——遠程抄表系統(tǒng)(RMR)其系統(tǒng)功能特點為：遠程自動抄表；遠程控制電表拉/合閘；實時查詢用戶用電量；電表用量組抄或個別選擇抄讀；可與收費系統(tǒng)聯(lián)為一體；根據(jù)電網(wǎng)負載的峰谷時段分時段抄表及計費；控制非法竊電行為；減少人力成本及管理成本；自動保存抄讀的歷史數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)計電表數(shù)據(jù)，分析用電規(guī)律，便于估計線損和由電表計量誤差引起的自損；便于配電系統(tǒng)評估、供電服務質量檢測和負荷管理。

信息的傳輸與通信技術正文第二節(jié)

有線通信的載波通信技術

電力線載波通信應用案例

案例三——遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)（RLSM）通過路燈照明系統(tǒng)的電力線，連成智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在保證道路安全的同時，實時控制照明亮度，可節(jié)省電能，并能延長燈具壽命以及降低運行、維護成本。該系統(tǒng)特點在于：全天候24小時自動監(jiān)控，監(jiān)控范圍可達數(shù)公里；加入自動路由功能后，監(jiān)控范圍成倍增加；檢測單燈工作狀態(tài)包括:工作電壓、工作電流、工作狀況（開關）、工作溫度等，還包括故障自動上報，故障或異常情況遠程向控制中心或值勤人員手機報警，并可與110等緊急呼救系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作。

案例四——電梯實現(xiàn)遠程呼梯電力載波系統(tǒng)可實現(xiàn)戶內(nèi)智能呼梯、訪客智能派梯功能。

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

一、微波接力通信

（一）微波接力通信概述（1）定義

微波接力通信（MicrowaverelayCommunication）是指利用300MHz以上頻段的電磁波，即分米波和厘米波（波長在1毫米至1米之間），在對流層的視距范圍內(nèi)的傳播，進行無線電通信的一種方式。兩通信站之間的通信距離一般為50公里左右。利用這種通信方式進行長距離通信，必須建立一系列將接收到的信號加以變頻和放大的中繼站，接力式地傳輸?shù)浇K端站。實際上“微波通信”也是“載波通信”的一種，只是其載波的頻率在高頻的微波頻段。我們將頻率高于300MHz的電磁波稱為微波。

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

一、微波接力通信

（一）微波接力通信概述（2）無線通信電波的劃分無線通信按照電波傳輸距地面高度分為：地球表面波傳播、電離層天波傳播和外層空間傳播。見圖2-5所示。

一般的微波接力通信認為是地球表面波傳播；對于中波和短波（如廣播信號）的傳輸則為電離層天波傳播；而衛(wèi)星微波通信則為外層空間傳播。

圖2-5無線通信的劃分示意圖

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

1）無線電波的頻段分類無線電波按照頻率從極低頻到極高頻共分為11個頻段，見表2-1。表2-1無線電波的頻段分類表

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

2）在微波頻段又按照頻率范圍分為17個波段，微波通信波段劃分表見表2-2所示。

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

（二）微波接力通信的基本原理和基本構成微波通信有“地-地微波接力通信”、“地-天衛(wèi)星微波通信”和“天-天衛(wèi)星微波通信”。而微波接力通信是指“地-地微波接力通信”。（1）視距傳播微波同光波一樣是直線傳播，要求兩個通信地點（兩個微波站）之間沒有阻擋，信號才能從空中傳到對方，即所謂的“視距傳播”。

微波接力通信示意圖見圖2-7所示

（b）系統(tǒng)結構示意圖圖2-7微波接力通信示意圖

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

在使用微波的頻段方面，各國都是首先使用4GHz頻段。目前，世界各國的通信設備已使用的頻段有：

2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等頻段。我國的數(shù)字微波通信設備已使用的頻段有：

2、4、6、7、8、11GHz等頻段。頻率低的頻段電波傳播較穩(wěn)定，但其設備及元器件的尺寸也較大；

當天線口徑一定時，微波頻率越低，天線增益也越低。對微波頻率的選取應遵照CCIR的建議和各國無線電管理委員會的規(guī)定，經(jīng)申請得到批準后才能進行設計、建立和使用。

信息的傳輸與通信技術正文第三節(jié)

微波接力通信和衛(wèi)星微波通信

（2）微波接力通信的性能微波接力通信中的數(shù)字微波接力通信的特點可概括為微波、多路、接力三個特點。

1）微波指通信頻率是微波頻段，其包括分米波、厘米波和毫米波。微波頻段寬度是長波、中波、短波及特高頻幾個頻段總和的1000倍。微波頻率高，不會受到天空其他電波干擾和工業(yè)產(chǎn)生的電磁波干擾；太陽黑子的變化對微波也無影響；所以，微波接力通信的可靠性較高。因微波頻率高，故其天線尺寸較小，往往做成面式天線或鍋形天線，且天線增益較高，方向性很強。微波通信用拋物線天線實物圖如圖2-6所示。

圖2-6微波通信用拋物線天線實物圖

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3、

2）多路指微波通信不但總的頻段寬，傳輸容量大，而且其通信設備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個4000MHz的設備，其通頻帶按1%估算，可達40MHz。模擬微波的960路電話總頻譜約為4MHz帶寬?？梢?，一套微波收/發(fā)信設備理論上可傳輸?shù)脑捖窋?shù)為40MHz/4KHz=104，可見是相當多的。因數(shù)字信號占用帶寬較寬，所以數(shù)字微波通信設備在選擇適當?shù)恼{制方式后，可傳輸?shù)脑捖啡萘咳匀皇窍喈敹唷?/p>

3）接力因微波頻段的電磁波只能沿直線在視距范圍內(nèi)傳播，通信距離一般為40～50km?？紤]到地球表面的彎曲，在進行傳輸時，就必須采用接力的傳播方式，發(fā)端信號經(jīng)若干中間站多次轉發(fā)，才能到達收端。如圖3-6微波接力通信示意圖所示。

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3）接力因微波頻段的電磁波只能沿直線在視距范圍內(nèi)傳播，通信距離一般為40～50km?？紤]到地球表面的彎曲，在進行傳輸時，就必須采用接力的傳播方式，發(fā)端信號經(jīng)若干中間站多次轉發(fā)，才能到達收端。如圖2-8微波接力通信系統(tǒng)結構原理框圖所示。圖

圖2-8微波接力通信系統(tǒng)結構原理框圖

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（三）微波接力通信系統(tǒng)的特點1、基本特性其一，微波接力通信的通信容量大；其二，建設費用低；其三，不受地形限制，“有山則山頂，無山則鐵塔”；其四，抗災害性強；其五，能滿足各種電信業(yè)務（電話、廣播、傳真、電視、電報、數(shù)據(jù)）的信息傳輸質量要求。是通信網(wǎng)的重要組成部分。

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（三）微波接力通信系統(tǒng)的特點2、微波的穿透、反射、吸收特性對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等，微波就會被吸收，而使水和食物等自身發(fā)熱。而對金屬類和樓房之類的大型建筑，微波則難以通過，會產(chǎn)生反射波。3、選擇性的熱損耗：物質吸收微波的能力，主要由其介質損耗因數(shù)決定。介質損耗因數(shù)大的物質，對微波的吸收能力就強；介質損耗因數(shù)小的物質，吸收微波的能力也弱。如大雪暴雨、濃霧會對微波傳輸影響很大。

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4、受條件的制約其一，易受干擾；其二，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向傳輸，因此微波電路必須在無線電管理部門的嚴格管理之下進行設計、建設和使用；其三，由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高山高地、甚至高樓阻擋,因此，一個區(qū)域的微波天線均設置在該區(qū)域的最高點，早期城市高層樓房比較少，微波站一般都建筑在區(qū)域的最高山頂上；隨著城市高樓的建設，現(xiàn)在也有將微波天線設置在高層樓房的屋頂，但大多數(shù)微波天線逐步架設在鐵塔之上。城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。

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（四）微波接力通信系統(tǒng)的應用世界上發(fā)達國家應用微波中繼通信，在長途通信網(wǎng)中所占的比例高達50%以上。特別是地廣人稀的國家應用比例更高，據(jù)統(tǒng)計美國為66%，日本為50%，法國為54%。

我國1976年從德國引進第一套微波通信設備，經(jīng)過自發(fā)研制已經(jīng)取得了很大的進步。

在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個微波通道全部正常運轉；

在20世紀90年代的長江中下游的特大洪災中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。

在當今世界通信手段、信息的傳輸與通信技術日新月異的情況下，微波通信仍是具有發(fā)展前景的通信手段之一。

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（五）微波接力通信系統(tǒng)的維護

1、防雷措施；2、地網(wǎng)維護；3、饋線與調配網(wǎng)路維護；4、天線鐵塔與拉線維護。

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（六）微波接力通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1、高頻段的開發(fā)和數(shù)字化；

40GHz以上頻段開發(fā)應用，多種調制方式應用，大容量數(shù)字微

波通信系統(tǒng)優(yōu)化2、數(shù)－模兼容技術的應用；開拓話上數(shù)據(jù)和話下數(shù)據(jù)，將模擬波道改造為數(shù)字波道。3、設備固態(tài)化和低功耗；

微波集成電路和微帶技術的全固態(tài)化和集成化應用。

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（六）微波接力通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢4、提高微波頻譜的有效利用率單邊帶調幅使每個波道傳輸話路提升；數(shù)字微波通信采用8PSK和16QAM等調制方式，使單波道傳輸碼率達到2×34Mb/s和140Mb/s。5、中繼站的無人值守和系統(tǒng)的自動化管理器件設備的長壽命、高可靠性研發(fā)；中繼站的無人值守化。6、天線和饋線的發(fā)展多波段天線、高增益天線、軟波導管等的研發(fā)、應用。

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二、衛(wèi)星微波通信技術

（一）衛(wèi)星微波通信技術概述１定義衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，用以轉發(fā)微波波段的無線電波，從而實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的微波通信的技術。２有源人造地球衛(wèi)星和無源人造地球衛(wèi)星根據(jù)對無線電信號有無放大部分和轉發(fā)功能，分為有源人造地球衛(wèi)星和無源人造地球衛(wèi)星。無源人造地球衛(wèi)星反射下來的信號太弱，只是早期進行科學實驗用，無實用價值。于是研究具有放大、變頻、轉發(fā)功能的有源人造地球衛(wèi)星，來實現(xiàn)衛(wèi)星通信。

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二、衛(wèi)星微波通信技術

（一）衛(wèi)星微波通信技術概述（3）同步地球衛(wèi)星通信在人造地球衛(wèi)星中，繞地球赤道運行、其周期與地球自轉周期相等、用于通信的衛(wèi)星稱為同步地球通信衛(wèi)星。

同步衛(wèi)星通信位于地球赤道上空約36000km的太空中，圍繞地球的圓形軌道上運行，其繞地球運行周期為1恒星日，與地球自轉同步，因而，與地球之間處于相對靜止狀態(tài)，故稱為靜止衛(wèi)星。利用同步衛(wèi)星通信已成為全球通信主要的衛(wèi)星通信方式。其運行軌道稱為地球同步軌道（GEO）

不在地球同步軌道上運行的低軌衛(wèi)星多在各國衛(wèi)星移動通信中應用。

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同步通信衛(wèi)星與地球的相對關系見圖2-10所示。

圖2-10同步通信衛(wèi)星與地球的相對關系圖

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（二）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1945年英國物理學家A.C.克拉克（ArtherC.Clarke）在《無線電世界》雜志上發(fā)表“地球外的中繼”一文中提出“利用地球同步軌道上的人造地球衛(wèi)星作為中繼站進行地球上通信的設想”，并在60年代成為現(xiàn)實。1957年10月4曰由原蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星“衛(wèi)星1號”。繞地球運行，地球上首次收到從人造衛(wèi)星發(fā)來的電波。1960年8月美國將覆有鋁膜的直徑30m的氣球衛(wèi)星“回聲1號”發(fā)射到約1600km高度的圓軌道上進行通信試驗。

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（二）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1962年I2月13日美國發(fā)射了低軌道衛(wèi)星“中繼1號"。1963年11月23日該衛(wèi)星首次實現(xiàn)了橫跨太平洋的日美間的電視轉播。1963年7月美國宇航局發(fā)射的“同步2號”衛(wèi)星是世界上第一顆同步通信衛(wèi)星，它與赤道平面有30°的傾角，相對于地面作8字形運動，在大西洋上首次用于通信業(yè)務。1964年8月發(fā)射的“同步3號”衛(wèi)星，定點于太平洋赤道上空國際日期變更線附近，為世界上第一顆靜止衛(wèi)星。1964年10月經(jīng)該衛(wèi)星轉播了（東京）奧林匹克運動會的實況。1965年4月6日發(fā)射了最初的半試驗、半實用的靜止衛(wèi)星“晨鳥”，用于歐美間的商用衛(wèi)星通信，以此衛(wèi)星為代表，標志衛(wèi)星通信進入了實用階段。

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（二）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史

在過去的50多年中，中國航天和衛(wèi)星通信領域發(fā)生了翻天覆地的變化。特別是衛(wèi)星通信網(wǎng)的成功建立，使我國快步進入到通信大國的行列，同時也完成了我國航天事業(yè)的一次飛躍。

我國發(fā)射有代表性的衛(wèi)星詳情：1970年4月24日我國成功地研制并由長征一號火箭發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”科學實驗，成為世界上第五個獨立自主研制和發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家。1988年12月22日，我國將試驗通信衛(wèi)星“東方紅2號”由長征三號火箭發(fā)射，送入赤道上空的靜止軌道運行。1997年5月12日，我國將通信衛(wèi)星“東方紅3號”由長征三號火箭發(fā)射，送入赤道上空，是中國第一代采用三軸穩(wěn)定技術的同步衛(wèi)星。

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三

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（二）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史

1971年3月3日，我國用長征一號運載火箭成功發(fā)射第一顆科學實驗衛(wèi)星“實踐一號“1988年9月7日，我國用長征四號運載火箭成功發(fā)射第一顆“風云1號”氣象衛(wèi)星。1997年6月10日，我國用長征三號運載火箭成功發(fā)射“風云2號”氣象衛(wèi)星。1999年10月14日，我國長征四號乙火箭試驗發(fā)射資源衛(wèi)星“資源一號”成功，標志著中國已具備發(fā)射重型衛(wèi)星的能力，運載火箭技術邁上一個新的臺階。

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（二）衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史1992年8月9日，我國首次用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射第二代科學探測和技術試驗衛(wèi)星。這顆新型返回式遙感衛(wèi)星在太空運行16天后按預定計劃返回地面，標志著我國衛(wèi)星回收控制技術達到世界先進水平。2003年10月15日，神舟5號飛船載著航天員楊利偉進入太空。中國成為繼俄、美之后第三個將航天員送上太空的航天大國，中華民族幾千年的飛天夢終于成真。研制并截至2022年12月，我國共發(fā)射衛(wèi)星了238顆不同類型的人造地球衛(wèi)星，飛行成功率達95%以上。

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（三）衛(wèi)星通信原理1、關于衛(wèi)星通信的“多址聯(lián)接”多址聯(lián)接是同一個衛(wèi)星轉發(fā)器可以聯(lián)接多個地球站。

多址技術是根據(jù)信號的特征來分割信號和識別信號，信號通常具有頻率、時間、空間等特征。所以衛(wèi)星通信常用的多址聯(lián)接方式也分為頻分多址聯(lián)接（FDMA）、時分多址聯(lián)接（TDMA）、碼分多址聯(lián)接（CDMA）和空分多址聯(lián)接（SDMA），另外頻率再用技術亦是一種多址方式。

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（三）衛(wèi)星通信原理2、頻分多址聯(lián)接（FDMA）在微波頻帶，整個通信衛(wèi)星的工作頻帶約有500MHz寬度，為了便于放大、發(fā)射和減少變調干擾，一般在衛(wèi)星上設置若干個轉發(fā)器。每個轉發(fā)器的工作頻帶寬度設計為36MHz或72MHz。因為衛(wèi)星通信多采用頻分多址技術，不同的地球站占用不同的頻率，即采用不同的載波頻率。它對于點對點大容量的通信比較適合。

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（三）衛(wèi)星通信原理

3、時分多址聯(lián)接（TDMA）

由于數(shù)字通信的日益發(fā)展，現(xiàn)在已逐漸采用時分多址技術，即多個地球站占用同一頻帶，但占用不同的時隙。

時分多址技術比頻分多址有一系列優(yōu)點，如不會產(chǎn)生互調干擾，不需用上下變頻把各地球站信號分開，特別適合數(shù)字通信，并可根據(jù)業(yè)務量的變化按需分配時隙，可采用數(shù)字語音插空等新技術，使容量增加5倍。

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（三）衛(wèi)星通信原理

4、碼分多址聯(lián)接（CDMA）另一種多址技術是碼分多址聯(lián)結（CDMA），即不同的地球站占用同一頻率和同一時間，但有不同的“隨機碼”來區(qū)分不同的地址。它采用了擴展頻譜的通信技術，具有抗干擾能力強，有較好的保密通信能力，可靈活調度話路等優(yōu)點。其缺點是頻譜利用率較低，比較適合于容量小，分布廣，有一定保密要求的系統(tǒng)使用。

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（三）衛(wèi)星通信原理

5、空分多址聯(lián)接（SDMA）除了上述3種多址技術之外，還有一種叫做“空分多址”的技術?？辗侄嘀仿?lián)接是利用空間分割來構成不同信道的技術。舉例來說，在一個衛(wèi)星上使用多個天線，各個天線的波束分別射向地球表面的不同區(qū)域。這樣，地面上不同區(qū)域的地球站即使在同一時間使用相同的頻率進行通信，也不會彼此形成干擾?？辗侄嘀肥且环N信道增容的方式，可以實現(xiàn)頻率的重復使用，有利于充分利用頻率資源?？辗侄嘀愤€可以與其它多址方式相互兼容，從而實現(xiàn)組合的多址技術，例如“空分-碼分多址（sd-cdma）”等。

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括通信和保障通信的全部設備。其中，靜止衛(wèi)星是指衛(wèi)星運行軌道在赤道平面內(nèi)，軌道離地面高度約為35800km,為簡單起見,一般計為36000km。

圖2-12所示.為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成。衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般由空間分系統(tǒng)、

通信地球站分系統(tǒng)、

跟蹤遙測

指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)四部分組成。

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

圖2-12衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成示意圖

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

1、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)

跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)負責對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入靜止軌道上的指定位置。待衛(wèi)星正常運行后，要定期對衛(wèi)星進行軌道位置修正和姿態(tài)保持。

２、監(jiān)控管理分系統(tǒng)

監(jiān)控管理分系統(tǒng)負責對定點的衛(wèi)星在業(yè)務開通前后進行通信性能的檢測和控制，例如對衛(wèi)星轉發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益，以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以保證正常通信。

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

３、空間分系統(tǒng)（通信衛(wèi)星）通信衛(wèi)星主要包括通信系統(tǒng)、遙測與指令系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)（包括太陽能電池和蓄電池）等幾個部分，其組成框圖如圖2-13所示。通信系統(tǒng)是通信衛(wèi)星上的主體，它主要包括一個或多個轉發(fā)器，每個轉發(fā)器能同時接收和轉發(fā)多個地球站的信號，從而起到中繼站的作用。

圖2-13通信衛(wèi)星的組成框圖

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

４、通信地球站分系統(tǒng)通信地球站是微波無線電收信站、發(fā)信站，用戶通過它接入衛(wèi)星線路，進行通信。發(fā)信站的主體設備為發(fā)信機；發(fā)信機一般采用變頻式發(fā)信機，其組成框圖如圖3-14所示。收信站的主體設備為收信機，收信機一般采用外差式收信機，外差式收信機結構框圖如圖2-15所示。圖2-14變頻式發(fā)信機的組成框圖

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（四）衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

圖2-14外差式收信機的組成框圖

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（五）衛(wèi)星通信的特點1、衛(wèi)星通信與微波通信

衛(wèi)星通信與微波通信的工作頻率都屬于微波工作頻率范圍，所以它們既有共同的特點，又有各自固有的特點。

衛(wèi)星通信又是宇宙無線電通信的形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飛行體為對象的無線電通信，其有3種形式：1）宇宙站與地球站之間的通信；

2）宇宙站之間的通信；

3）通過宇宙站轉發(fā)或反射而進行的地球站間的通信。

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（五）衛(wèi)星通信的特點2、衛(wèi)星通信發(fā)信設備的主要性能指標

１）工作頻段：從無線電頻譜的劃分，將0.3～300GHz的射頻稱為微波頻率。

２）輸出功率：指發(fā)信機輸出端口處功率的大小。

３）頻率穩(wěn)定度：發(fā)信機的每個工作波道都有一個標稱的射頻中心工作頻率，用f0表示。頻率穩(wěn)定度即f0

的穩(wěn)定度。

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（五）衛(wèi)星通信的特點3、衛(wèi)星通信收信設備的主要性能指標

１）工作頻段：收信機是與發(fā)信機配合工作的，所以工作頻段應與發(fā)信機相同。

２）收信機本地振蕩（本振）的頻率穩(wěn)定度：接收的微波射頻穩(wěn)定度是由發(fā)信機決定的。

３）噪聲系數(shù)：數(shù)字微波收信機的噪聲系數(shù)一般為2.5～7dB，比模擬微波收信機的噪聲系數(shù)小5dB左右。

４）通頻帶：收信機接收的已調波是一個頻帶信號，即已調波頻譜（主要成分）要占有一定的帶寬。

５）選擇性：對某個波道的收信機而言，要求它只接收本波道的信號，對于鄰近波道的干擾、鏡像頻率干擾及本波道的收／發(fā)干擾等要有足夠的抑制能力，即收信機的選擇性。

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（五）衛(wèi)星通信的特點3、衛(wèi)星通信收信設備的主要性能指標

６）收信機的最大增益：天線收到的微波信號經(jīng)饋線和分路系統(tǒng)到達收信機。由于受到信號衰減的影響，收信機的輸入電平在隨機變動，其中出現(xiàn)的最大電平。

７）自動增益控制范圍：以自由空間信號傳播條件下的收信電平為基準，當收信電平高于基準電平時，稱為上衰落；當收信電平低于基準電平時，稱為下衰落。

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（五）衛(wèi)星通信的特點

４、靜止衛(wèi)星通信的優(yōu)點１）通信距離遠，且建設費用與通信距離無關；２）覆蓋面積大，可進行多址通信；３）通信頻帶寬，傳輸容量大；４）信號傳輸質量高，通信線路穩(wěn)定可靠；５）建立通信線路靈活，機動性好。

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（五）衛(wèi)星通信的特點5、靜止衛(wèi)星通信的缺點１）靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術比較復雜；２）地球的兩極地區(qū)為通信盲區(qū)，地球的高緯度地區(qū)通信效果不好；３）存在“星蝕”和“日凌中斷”現(xiàn)象；４）有較大的信號傳輸時延和回波干擾。

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（六）衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站的組成1、地球站的組成的六大部分地球站的組成如圖2-16所示，為國際衛(wèi)星通信頻分多址方式Ａ型標準地球站的組成框圖。１）天線分系統(tǒng)；２）發(fā)射機分系統(tǒng)；３）接收機分系統(tǒng)；４）信道控制分系統(tǒng)；５）信道終端設備分系統(tǒng)；６）電源分系統(tǒng)。

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（六）衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站的組成２、兩個地球站與衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)兩個地球站通過通信衛(wèi)星進行通信的衛(wèi)星通信信道的組成，如圖2-16、圖2-17所示。由發(fā)端地球站的上、下行無線傳輸路徑和收端地球站組成。

圖2-16衛(wèi)星通信系

統(tǒng)地球站總體框圖

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（六）衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站的組成２、兩個地球站與衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)

圖2-17

衛(wèi)星通信信道的組成示意圖

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（六）衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站的組成3、地球站發(fā)射機分系統(tǒng)組成與要求：由于發(fā)射衛(wèi)星條件的限制，衛(wèi)星轉發(fā)器天線的口徑和增益不可能太大。發(fā)射機分系統(tǒng)的組成如圖2-18所示，其由上變頻器、自動功率控制電路、發(fā)射波合成裝置、激勵器和功率放大器等部分組成。

圖2-18

地球站發(fā)射機分系統(tǒng)組成

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（六）衛(wèi)星通信系統(tǒng)地球站的組成4、地球站地球站的技術要求

１）發(fā)送的信號應頻帶寬、射頻穩(wěn)定度高、發(fā)射功率大、放大器的線性好。２）收發(fā)增益穩(wěn)定，地球站發(fā)射全向輻射功率和接收放大后的功率，應保持在額定值的±０５ｄＢ范圍內(nèi)，以保證地球站的發(fā)射和接收性能指標。３）可以傳輸多路語音信號、電報、傳真，以及高速數(shù)據(jù)、電視信號等多種信號。４）能接收由衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā)來的額定值的微弱信號。５）正常工作過程中，性能穩(wěn)定、可靠，維護、使用方便。６）建設成本和維護費用不應太高。

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5、地球站發(fā)射信號的品質要求1）地球站接收天線增益的品質因數(shù)（G/T）：Ｇ／Ｔ是地球站接收天線增益Ｇ與地球站接收系統(tǒng)的等效熱噪聲Ｔ的比值，其表征了地球站對微弱信號的接收能力。

2）有效輻射功率及其穩(wěn)定度：為保證所傳送信號的質量，要求地球站的發(fā)射機能夠發(fā)射較大的功率，一般在幾百瓦至幾千瓦的數(shù)量級，而且要求所發(fā)射的射頻信號功率非常穩(wěn)定。3）射頻頻率的穩(wěn)定度：地球站所發(fā)射的射頻信號的頻率必須很精確，如果頻率漂移太大，不但會影響衛(wèi)星轉發(fā)器頻帶的有效利用，還會在衛(wèi)星轉發(fā)器中產(chǎn)生交流調制噪聲。

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5、地球站發(fā)射信號的品質要求4）射頻能量的擴散：為減小交流調制噪聲干擾，必須對地球站在輕負載（即信號少時）時