[互联网]第五～八章 无线通信.ppt

无线通信 主要内容 1. 电波传播与无线传播方式 2. 短波通信系统 3. 数字微波中继系统 4. 卫星通信系统 1.电波传播与无线传播方式 1.1 电磁波传播基础知识 1.2 电波传播主要方式及特点 1.3 各波段传播的特点 1.1 电磁波传播基础知识 电磁波的概念：静电荷会在周围空间产生静电场， 直流电流会在周围空间产生恒定磁场，电场和磁场 的大小和方向可分别用电场强度和磁场强度来表示 。若在一根导线上加上交流电流，那么周围空间就 会产生交变磁场，根据麦克斯威波动方程，一个变 动的磁场又产生一交变电场，此电场再产生磁场， 从而产生一连串能量移转。能量从电场移转到磁场 ，再由磁场移转到电场，如此不断移转下去，表现 为电磁场向远处不断传播，亦即电磁能量的辐射， 这就是电磁波，亦称无线电波。 电磁波的产生原理 电磁波波段划分 波段名称频率范围波长范围频段名称 超长波3-30KHZ 10×103100×103 m 甚低频 VLF 长波30-300KHZ1×10310×103 m 低频LF 中波300-1500KHZ2001×103m中频MF 短 波 中短 波 1.5×1036×103K HZ 50200m中高频IF 短 波 630MHZ1050m高频HF 超 短 波 米波30300MHZ110m 甚高频 VHF 分米 波 3003×103MHZ10100cm超高频 UHF 微 波 厘米 波 3×10330×103M HZ 110cm特高频 SHF 毫米 波 30×103 300×103MHZ 110mm极高频 EHF 光纤，短距红 外通信 卫星，UWB通 信 WLAN，微波中 继，卫星通信 GSM,CDMA 调频广播电台 有线电视网中 的用户线路 调幅广播电台 PSTN中用户线 路、长波电台 长波电台 典型应用 3300m105107GHz光纤，可见 光，红外光 自由空间的电波传播 无线电波在空间各点的电场和磁场，都是从波源出发并以 一定速度向外传播。 若电波以速度v向前传播，经过t1时间后，到达距波源距 离为r的P点，那么P点的电场相位就要比波源相位滞后， 通常我们把电磁波相位相同的那些点的轨迹称为波前或波 面。 若波源近似看成一点，且在无限大的自由空间传播时，则 r相同各点的相位是相同的，这样的波叫球面波。当距波 源很远时，由于接收电波的面积与距离相比极小，波面可 以看成平面，这种波称之为平面波。 自由传播的特性 在自由空间传播时，通过某点单位面积的 电磁波能量与传播距离r的平方成反比。而 该点的电场强度则与传播距离r成反比。 这种随着传播距离的增加而场强逐渐减弱 的现象，是由电波在空间传播时能量的自 然扩散而引起的。 电波的折射、反射、干涉和 绕射现象 1、反射和折射现象 反射：电磁波在两种介质的分界面上改变 传播方向，又返回原来的媒质的现象称为 反射。反射角入射角 折射：电磁波在分界面改变传播方向后， 进入第二媒介内传播的现象称为折射。 折射满足光学折射定律，折射原因是电波 在不同媒质中传播的速度不同引起的。 折射现象 式中v1、v2分别为电磁波在媒 质1和媒质2中的传输速度， 因为速度v= ，它和媒质的 介电常数、导磁系数有关 ，除铁磁性物质外，一般物 质的导磁系数均可近似认为 等于自由空间的导磁系数0 ，即0，这样折射定律又 可写成： 2、波的干涉 定义：由同一波 源所产生的电磁 波，经过不同的 路径到达接收点 ，则接收点的场 强是由不同路径 来的电波的合成 ，这种现象称为 波的干涉。 3、绕射现象 定义：电波在传播过程中有绕过障碍物的能力， 这种现象称为绕射。 由于波的绕射，电波可以绕过高低不平的地面或 绕过一定高度的障碍物，到达接收地点，这也就 是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的 原因。 电波绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕 射能力越强，波长越短，绕射能力越弱。另外， 当电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到 各种有损耗的介质而损耗一部分能量。 1.2 电波传播主要方式及特点 常见无线电传播方式有： 地面波传播 直接波传播 对流层传播 电离层传播 地面卫星传播 （一）地面波传播 地面波传播（Ground Wave Propagation）指电 波沿地球表面的绕射传播，也称表面波传播（ Surface-Wave Propagation）。 当天线低架于地面时（天线架设高度小于波长时， 称为低架天线），且最大辐射方向是沿地表面，这 时电波传播的主要途径就是地面波传播，也叫地表 波或地波传播。 电波沿地表面传播时，电磁波的能量不断被地面 所吸收，因此地面上的场强要比自由空间传播时 小得多，能量的衰减数值与地面的电参数有关， 同时也和电波的频率及极化方向有关。 影响地面波传播损耗的因素 1大地的导电性能越好，电波的传播损耗越小。湿土比 干土导电性能好，故电波在湿土上比干土损耗要小， 海水导电性能最好，所以海洋上传播损耗最小 。 2电波频率越低损耗越小，因此，这种传播方式宜用于 中波和长波。短波和超短波电台在采用这种传播方式 时，只能进行近距离通信。 3电波的极化与传播损耗有关：由于水平极化波的电场 分量与地面平行，因此传播过程中在地面引起较大的 感应电流，致使电波产生很大的衰减。所以地面波传 播通常采用垂直极化波以减小损耗，也即用直立天线 辐射电磁波。 地面波通信特点 1通信情况稳定。因为地面波是沿地表面传播 的，地波通信不会因时间、季节和气候的变化 而有显著的影响。 2通信距离与工作频段关系极大。军用短波或 米波波段用地波传播方式时，受电台功率的限 制，通信距离一般在几十公里范围内。而中波 地面波广播通信距离可以超过100公里。 3. 长波地面波通信在军事上有特殊意义。 （二）直接波传播 当收发天线架设较高的情况下， 到达接收点的电波由直射波与地 面反射波合成，叫做直接波传播 。由于长波与中短波天线一般是 接地的，不能把电磁场由很高处 集中辐射。而超短波波段则可以 高架（即天线离地面距离远大于 波长），而且地面波衰减很快。 所以这一传播方式主要用于超短 波与微波波段。移动通信系统主 要采用这一方式。直接波传播， 接收点场强有起伏现象。 直射波所能达到的最远距离 实际上当考虑空气的不均匀 性对电波传播轨迹的影响， 在标准大气折射情况下， 等效地球半径为R=8500km ，可得修正后的视距传播的 极限距离: 对流层、同温层和电离层 大气层可分为对流层、同温层和电 离层。 对流层离地面约1016公里以内， 大气是互相对流的； 离地面大约1080公里的空间， 称为同温层，气体对流现象减 小，随高度增加温度略有升高 ，它对电波传播基本上没有什 么影响； 在离地面80400公里空间，是电 离层。电离层中，气体由于受 阳光中紫外线及其它宇宙射线 的照射，电离成为正离子和自 由电子。 （三）对流层散射传播 离地面1016km以下的大气层称为对流层。 由于对流层中大气温度（T）、压力（P）和湿度（S）等变 化。使大气介电常数也随着高度而变化。特别是由于大气 的湍流运动，使得对流层内存在着许许多多介电常数作随 机变化的不均匀介质团，每一不均匀介质团的尺寸平均约 50米60米。当无线电波投射到这些不均匀介质团时，每 一不均匀介质团就变成一个二次波源，向周围散射电磁波 ，其中一部分能量就被散射到接收地点而被接收天线所接 收，这就形成了对流层散射通信。 这种通信方式只能用 在超短波波段，在军 事通信中有很多应用 。 散射传播应用频率约 在1004000MHz范 围，通信距离约在100 700公里范围。 （四）电离层传播 离地面80400km的大气层，气 体由于受阳光中紫外线及其它宇 宙射线的照射，电离成为正离子 和自由电子，称为电离层。 当无线电波投射到电离层以后， 经电离层“反射”而再返回地面， 从而构成甲乙两地的天波传播（ Sky Wave Propagation）。从 长波到短波波段都可以利用天波 传播方式，目前，它仍是无线电 远程通信的主要传播方式之一。 电离层大致可分为 D、E、F1、F2四层 。 各电离层高度及平均电子密度 层 名 离地面高度 He（km） 电子密度 N（电子数 /cm3） 特 点 D6090103夜间消失 E901505×103105电子密度白天大， 夜间小 F11502004×105夜间消失，常出现 在夏季白天。 F22004501052×105夜间小，白天大； 夏季小，冬季大。 电离层变化规律 1日夜变化：由于太阳照射程度的不同，白天 电子密度比夜间大，中午又比早晚大；D层在日 落以后很快消失，而E层和F层电子密度减少很慢 ，到日出以后，各层电子密度又开始增长，到正 午前后达最大值。 2季节变化：由于不同季节太阳照射不同，故 一般夏季电子密度大于冬季，但F2层例外，下图 表示出电离层的日夜和季节变化。 电离层的日夜和季节变化 电离层受太阳活动影响的变化 太阳黑子数目随年份的的变化 太阳活动性一般以太阳一年的平均黑子数来代表，黑子数目增 加时，太阳所辐射的能量增强，因而各层电子密度大。黑子的 数目每年都在变化，但是根据长期观察证明，它的变化也是有 一定规律的，从图可以看出太阳黑子的变化周期大约是11年， 因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关。 不同入射角时电波轨迹 入射角大，电波传播距离远；入射角小，电波传 播距离近；入射角太小，就穿出电离层。 不同频率时的电波轨迹 频率f愈高，使电波折回地面所需要的电子密 度Nn值就愈大，也即电波愈深入电离层；频率 太高，就穿出电离层。 （五）地球卫星传播 利用人造卫星作为中继站来转发无线电波 ，在两个或多个地面站之间进行通信，叫 卫星通信。 卫星通信的工作频段为110kMHz。 无线电波传输示意图 1.3 各波段传播的特点 1、长波传播的特点与应用 超长波和长波可以用地波传播，也可以用天波传播。用地 波传播时衰减小、传播距离较远、而且工作稳定可靠。用 天波传播时，不论白天或夜间都容易从电离层反射回来， 由于其频率很低，所需反射点的电子密度较小，在D层或E 层底部就被反射回来，因此电离层对电波能量的吸收较小 。由于D层E层比较稳定，故接收点收到信号不会发生急剧 变化，也不会产生通信突然中断现象。 超长波和长波传播的优点是信号稳定，多用在国际越洋电 报、远程导航、气象予报和报时等方面。此外长波的低频 部分和超长波能渗入到地下或水下较深的地方，因此可用 来同潜入一定深处的潜水艇进行单方向的联络。但超长波 和长波波段范围很窄，容纳的电台很少。同时在这两波段 范围天电干扰最大。因此中小型电台很少使用。 2、中波传播的特点与应用 中波传播的特点是：白天以地波传播为主，在夜间既有地 波传播又有天波传播。这是因为白天天波穿过D层和E层时 有很大衰减，能量几乎全部被吸收，反射不到地面来，所 以只能靠地被传播。夜间D层消失，E层电子密度变小，电 离层的吸收减小，所以天波能被反射回地面来。故同时能 利用地波和天波传播，由于夜间地波和天波同时传播，因 此它们互相干涉，产生衰落现象。 中波传播的方式，以地面波为主，也具有稳定可靠的特点 。它广泛地应用在中程导航和广播方面。 3、短波传播的特点与应用 短波波段的频率在3 30MHz范围内。它也能以地波和天 波的方式传播。用地波通信时，由于频率较高，地面对它 的吸收较大，传播距离一般不超过数十公里。用天波通信 时，主要靠F2层反射，天波经过电离层与地面的多次反射 ，可能传播到几千公里的距离。 优点：能利用中小型功率电台进行较远距离的通信。但由 于电离层特别是F2层有季节与昼夜很大变化，天波通信不 够稳定。短波天波传播与频率的选择关系很大，有时会出 现越距现象。 应用：军事无线电通信广泛地应用短波天波传播，此外短 波在无线电传真以及民用的电报，电话和广播等方面也应 用得很多。 4、超短波传播的特点及应用 超短波频率很高，地面波衰减很快，传播距离很近；不能 被电离层反射回来，故不能用天波传播；超短波传播方式 以直接波传播为主。 特点：受多种地形、地物的影响较大，通信距离一般都限 制在视线距离以内或稍远一点。 优点：通信稳定；由于频率高，受天台及工业干扰小，且 超短波波段宽，可容纳大量电台工作。 应用：广泛应用于雷达、通信、导航、气象等各方面。 2. 短波通信系统 2.1 概述 2.2 常用调制方式 2.3 提高短波传输可靠性的措施 2.1 概述 定义：利用波长为10010m（频率为3MHz 30MHz）的电磁波进行的无线电通信。短波通信 也称为高频（HF）无线电通信。 应用：广泛应用于政府、军事、外交、气象、商 业等部分，是现代化战争中的主要方式之一，主 要用于军用远程通信。一直是远距离通信，特别 是洲际通信的主要手段。 2.2 常用调制方式 就主载波的调制而言，可分为调幅AM和调 频FM两种，常用的是调幅单边带制。 对于用户要求传输的信息而言，调制种类 很多，不同的信息源也有所区别。 目前用国际公认的符号表示方法来表示信 息调制特性和调制方式。见书上图P105。 2.3 提高短波传输可靠性的措施 1、高频自适应技术（包括频率自适应，速 率自适应，功率自适应，自适应均衡和自 适应调零天线） 2、抗衰落性能良好的调制键控技术 3、分集接收技术 4、差错控制技术 3. 数字微波中继系统 3.1 概述 3.2 数字微波中继系统的组成 3.3 SDH数字微波中继系统 3.1 概述 波长比1m短（频率高于300MHz）的无线电波称 为微波。包括分米波、厘米波、毫米波等波段。 微波是空间直射波传播，通信距离受限，一般通 信距离在5060km以下。为了实现远距离通信 ，必须每隔几十km设一个接力站，把接收到的微 波信号加以放大，再送至下一站。这种通信方式 叫做微波中继通信或微波接力通信，简称微波通 信。 微波中继通信 沿地球表面直线传播，一般只有50km左右。 但若采用100m高的天线塔，则距离可增大到 l00km。 微波中继通信的特点 1.工作频率（GHz级别）高，微波无线电设备的通频带可 以做得很宽，这样就能沿微波信道传输宽频带信号，便于 我们采用抗干扰性强的调制方式（如调频、脉码调制等） 及传输多路信号和宽带信号（电视图像等）。微波频段频 率高，不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响， 因此，通信可靠性高。由于波长短，天线尺寸可做得很小 ，通常做成面式天线(简称面天线)，增益高，方向性强。 特别在l10 GHz频段（称为无线电窗口的微波频段）， 衰减、干扰，以及自然条件等影响都比较小。 微波中继通信的特点(续） 2. 微波中继通信是视距通信。这里视距是指要“ 看得见”对方天线的两站间的通信，距离不会太 远，一般为 50 km。为了远距离传输信号，微波 通信就像人们进行接力赛那样，把信号一段一段 地往前传输，所以又称为微波接力通信。数字微 波通过再生中继，克服了噪声和失真的沿线积累 ，通过中继可方便地实现远距离传输。 微波中继通信的特点(续） 3. 与电缆光缆通信相比，微波信道建设迅速、投资较省 ，更适于在地形复杂地区应用，如多山地区、沼泽地区、 与大陆之间隔着浅海的岛屿地区以及大城市市内网络等， 在这些地区铺设电缆、光缆相对比较困难；微波通信还适 合在人口稀少，业务量低、业务量增长缓慢的地区使用， 在这样的地区使用光缆不经济；也适合于未建光缆系统而 又急需数字通信的地区使用。在中小容量的一些支线传输 系统中应用很广。比如，中国联通在其建设初期，由于缺 乏电信网络基础，基站（BS）与基站控制器（BSC）， 基站控制器（BSC）与移动交换中心（MSC）之间大量 采用数字微波进行通信。 微波中继通信的特点(续） 4.微波波段基本上不受季节、昼夜的影响 ； 5.微波波段易于使用强方向性天线； 6.微波波段很宽，可容纳许多通信电路而 互不干扰。 微波中继通信的不足 （1）站与站之间不能有阻挡物，一旦出现 阻挡物，往往传输线路需重新规划与建设 。特别在城市，这种情况常常会出现。 （2）由于频段相接近，容易受到来自卫星通 信系统和地面移动通信系统的干扰。 （3）通信容量与光纤通信相比太低，所以， 目前无特殊情况下，干线网均采用光纤传 输系统。 3.2 数字微波中继系统的组成 数字微波通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干 中继站组成。站间距离一般为50Km左右，在长途 线路上，其典型工作频段在2、4、6、8、11GHZ 左右，目前广泛用来传播多路电话、数据及电视信 号。 3.3 SDH数字微波中继系统 微波收、发信设备 工作频段：1.7GHz12GHz 发信：输出功率(1瓦左右)、频率稳定度(10-5) 收信：通频带 微波天线设备 中继设备 电源设备 监测设备 3.4 微波传输 损耗 衰减 衰落 补偿技术 均衡 分集接收 4 卫星通信 将微波中继站放在人造卫星上时，便形 成了卫星通信系统。 利用35786.6km高的人造同步地球卫星 静止卫星的配置 同步卫星 目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫 星通信系统（INTELSAT），简称IS，就是利用 静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别 位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的 全球通信网承担着大约80%的国际通信业务和全 部国际电视转播业务。 卫星通信示意图 卫星通信系统的组成 包括五个部分： 发端地面站； 上行线路； 卫星转发站； 下行线路； 收端地面站。 其中，上下行线路即为点播传播路径。 卫星通信线路的组成 下图所示为国际卫星通信频分多址方式A 型标准地球站的组成方框图，主要由天线 分系统、发射机分系统、接收机分系统、 通信控制分系统、信道终端设备分系统和 电源分系统6个分系统组成。 地球站的组成 地球站的总体方框图 通信卫星由通信分系统、控制分系统、遥测 与指令分系统、电源分系统和温控分系统5 个部分组成。 1. 通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分 。 2. 控制分系统由各种可控的调整装置，如各种 喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等 组成。 通信卫星的组成及其工作原理 通信卫星的组成 3.遥测指令分系统：地球上的控制站经常不断 地需要了解卫星内部设备的工作情况，有时要 通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的 动作。 4.电源分系统 卫星上的电源除要求体积小 、重量轻、效率高和可靠性之外，还要求电源 能在长时间内保持足够的输出。 5.温控分系统：在通信卫星里，会因为行波管 功率放大器和电源系统等部分产生热而升温。 卫星天线有两种类型： 一种是用于遥控、遥测和信标信号的全向天线 ，接收地面的指令及向地面发送遥测数据。这 种天线常用鞭状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极 子天线，属于高频或甚高频天线。 另一种是用于通信的微波定向天线，根据波束 宽度不同，分为三类。 通信卫星的天线系统 （1）全球波束天线：波束宽度约为17°18°。 （2）点波束天线：其波束比全球波束窄得多， 故增益较高，但其辐射的区域比全球波束小得多 。（3）区域波束天线：如果地面要求覆盖的区 域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形 波束天线。 各种波束覆盖示意图 卫星通信多址方式 频分多址：按地面站分配的射频不同来区别地球 站的站址。 时分多址：用时间的间隙来区别地球的站址，各 地球站的信号只在规定的时隙通过卫星转发器。 空分多址：以卫星天线指向地面的波束来区别站 址。 码分多址：用码型来区别地球站站址。 卫星通信系统的分类 （1）按卫星的覆盖范围分，有国际卫星通信系统 、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。 （2）按用户的性质分，有公用卫星通信系统、专 用卫星通信系统和军用卫星通信系统。 （3）按卫星的制式分，有静止卫星通信系统和非 静止卫星通信系统（卫星绕地球运转一周不等于 24小时）。 卫星通信的特点 通信覆盖面积大 1颗卫星覆盖地球表面42% 通信距离远 卫星单跳最大通信距离达 1800km 传输容量大 线路稳定可靠，质量高 畅通率在99.8%以上 通信灵活 传输延迟大 往返传播延迟约为0.54s 典型数字卫星通信系统 IDR卫星通信系统 VSAT卫星通信系统 直播卫星电视系统 海事卫星通信系统 卫星移动通信系统：INMARSAT系统， Iridium（铱）系统和全球星（Globalstar ）系统等。 铱星系统 铱元素：银白色金属，原子序数77。 摩托罗拉 “铱星”电话系统于1998年11月正式投入运 营的时候，被誉为科技的创举、通信的先 锋。 历经11年、耗资50亿美元，由66颗卫星组 成。 作业 P101 1 P125 1 6 P137 1 3 7 P172 2 6 10