1、 裝訂線 本科畢業論文（設計） 本科生畢業論文（設計） 題 目：多普勒頻移對衛星通信信號相 關性的影響 專業代碼： 作者姓名： 學 號： 單 位：物理科學與信息工程學院 指導教師： 年 月 日目 錄引言11.衛星通信12.低軌道衛星23信號相關性34 多普勒頻移44.1什么是多普勒頻移現象44.2衛星通信中多普勒頻移推導44.3 多普勒頻移對信號相關性的影響65結論7參考文獻8致謝9 聊城大學本科畢業論文(設計)摘 要衛星具有多普勒頻移的特點，特別是低軌衛星具有多普勒頻移大特點。通過介紹什么是衛星通信、多普勒頻移現象以及有用信號和干擾信號各自前后相關性的差別即：有用信號其前后相關性很小，而干擾

2、信號的相關性大的特點，對在同頻段干擾的情況下衛星信號和干擾信號的多普勒頻移的規律、多普勒頻移對信號相關性的影響、多普勒頻移對信號抗干擾性能的影響進行了研究，結果表明，多譜頻移對信號相關性的影響特別是干擾信號的影響很大，甚至破壞了干擾信號的相關性，對干擾的跟蹤和抑制就更加困難，當衛星運行到地面終端和干擾源之間時，衛星有用信號和干擾信號的相對頻移尤其最大，這對低軌衛星通信中干擾的跟蹤和抑制提出了更高的要求。最后提出了對衛星通信系統設計的一些要求，來實現通信質量的提高和改善。關鍵詞：衛星通信；多普勒頻移；低軌道衛星；信號相關性abstractdoppler shift is one of facto

3、rs.there is doppler shift in satellite communications, especially in low orbit satellite.in order to study the influences of doppler shift ,some questions must be work out.what is satellite communications and doppler shift and signals of correlations. useful signals and interferential signals have d

4、ifferent influences in doppler shift.the result indicates that doppler shift affects the interferential signals,even destroys the relativity of interferential signals.when satellite arrives the signal top, doppler shift have the worst infections in useful signals and interferential signals.in the la

5、st in order to improve validity of satellite communications,we should improve the design.key words: satellite communications doppler shift low orbit satellite communications relativity of signal多普勒頻移對衛星通信信號相關性的影響引言衛星通信是一種新的通信方式，是現代通信技術的重要成果，是在地面和空間技術的基礎上發展救民于水火的，它十分廣泛地綜合運用了各種通信領域及其他領域的理論和技術。近二十年來，它在

6、國際通信、國內通信、國防通信、移動通信以及電視廣播等領域得到了日益廣泛的應用。研究通信衛星中出現的問題及解決方案引起了赿來赿多的關注，而在影響衛星通信的諸多要素中，多普勒頻移是研究的對象之一。1.衛星通信衛星通信簡單地說就是地球上(包括地面和低層大氣中)的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星通信的特點是:通信范圍大;只要在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內,從任何兩點之間都可進行通信;不易受陸地災害的影響(可靠性高);只要設置地球站電路即可開通(開通電路迅速);同時可在多處接收,能經濟地實現廣播、多址通信(多址特點);電路設置非常靈活,可隨時分散過于

7、集中的話務量;同一信道可用于不同方向或不同區間(多址聯接)。衛星在空中起中繼站的作用,即把地球站發上來的電磁波放大后再反送回另一地球站。地球站則是衛星系統形成的鏈路。由于靜止衛星在赤道上空3600千米,它繞地球一周時間恰好與地球自轉一周(23小時56分4秒)一致,從地面看上去如同靜止不動一樣。三顆相距120度的衛星就能覆蓋整個赤道圓周。故衛星通信易于實現越洋和洲際通信。最適合衛星通信的頻率是1一10ghz頻段,即微波頻段、為了滿足越來越多的需求,已開始研究應用新的頻段,如12ghz,14ghz,20ghz及30ghz。在微波頻帶,整個通信衛星的工作頻帶約有50omhz寬度,為了便于放大和發射及

8、減少變調干擾,一般在衛星上設置若干個轉發器。每個轉發器的工作頻帶寬度為36mhz或72mhl目前的衛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。它對于點對點大容量的通信比較適合。近年來,已逐漸采用時分多址技術,即每一地球站占用同一頻帶,但占用不同的時隙,它比頻分多址有一系列優點,如不會產生互調干擾,不需用上下變頻把各地球站信號分開,適合數字通信,可根據業務量的變化按需分配,可采用數字話音插空等新技術,使容量增加5倍。另一種多址技術使碼分多址(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分不同的地址。它采用了擴展頻譜通信技術,具有抗干擾能力強

9、,有較好的保密通信能力,可靈活調度話路等優點。其缺點使頻譜利用率較低。它比較適合于容量小,分布廣,有一定保密要求的系統使用。近年來衛星通信新技術的發展層出不窮。例如甚小口徑天線地球站(vsat)系統,中低軌道的移動衛星通信系統等都受到了人們廣泛的關注和應用。衛星通信也是未來全球信息高速公路的重要組成部分。它以其覆蓋廣、通信容量大。通信距離遠、不受地理環境限制、質量優、經濟效益高等優點,1972年在我國首次應用,并迅速發展,與光纖通信、數字微波通信一起,成為我國當代遠距離通信的支柱。2.低軌道衛星發展大型通信衛星，極大的搶劫了直播電視、高清晰度電視、大容量數字電話對通信及其電視廣播的現代化產生了

10、極為深遠的。然而大型衛星的發射和入軌，需要大型的運載工具，隨著衛星和運載工具的增大，制造成本赿來赿高的，制造周期和發射周期也赿來赿長，一旦發生故障，則損失很大，為此近年來又提出了發展輕小型通信衛星的主張，研制輕小型周期短，成本低、效益高，不需要大型運載工具，還可做到一箭多星。從區域通信衛星的應用情況來看，輕小型衛星更是適用的，因此最近已經出現了減輕通信衛星重量的趨勢。發展輕小型通信衛星的一種途徑是利用低軌道衛星。由于衛星低軌道運行，基傳播衰減和延遲時間都比較小，傳輸質量比較容易得到保證，造價更低。當然如果只用一顆低軌道衛星，它是不能進行遠距離實時通信的，只適用于電傳，電子郵件和一些不要求立即回

11、答的通信業務，顯然如果要解決運距離以至全球范圍內的實時通信，惟一辦法就是利用多顆低軌道衛星進行組網。首先低軌道衛星通信系統要求多個衛星同時使用。因為衛星軌道低,只有用多個衛星組織起來才能覆蓋整個地球表面。衛星軌道愈低,要求的衛星數目愈多。它們可在地球之外,以地心為中心的一個球面上均勻分布。也可以分開成兩個或三個同心的球形層面上運行。在地球的一點上發出電磁波信號,距其最近的低軌衛星可以接到這個信號。如果指定的接收點不是很遠,便由這顆衛星將信號轉發到地面的接收點。如果需要較遠距離的傳輸,最近的衛星可以將收到的信號轉到鄰近的其他衛星再轉到地面的接收點。由于低軌道衛星通信系統包括的衛星數量多,使用的軌

12、道低,衛星本身的壽命較短,所以在實際運用中要有幾個備份衛星放在空中,以保證整個系統的正常運行。對于一個低軌衛星通信系統還需一項不可缺少的設備,就是在地面上對衛星的測量及控制系統。人造衛星在天上的運行雖是依靠天體力學規律來進行,但是在運行中難免會受到意外的力使其略脫離正常軌道或改變其姿態(本身的角度)。有時還需要將損壞的星由備份的星來代替,這就需要在地面設置測控設備。因低軌道衛星通信系統有多個衛星同時運轉,地面測控系統尤為重要。低軌道衛星通信系統在個人通信方面有其特別的優勢,但是個人通信的總業務量在目前終究只占全部通信業務的很小部分。為提高低軌道衛星通信的業務量。它必需能接入地面通信龐大的通信網

13、,這個接口便稱作網關。在地面上所設的網關首先要具備和低軌道衛星通信的設備,這就是1.6ghz及2.5ghz無線電收發設備。這里可以使用龐大的天線,強的發射設備及高靈敏度的接收機。為了避免接近地面可能發生的雷電對接收的干擾,時常是使用地區分集接收的方式,就是將兩套或三套同樣的接收設備分別安裝在不同的地點,取其中受干擾最小的信號使用。第二個通信設備是為和地面上通信網通信所使用的設備,可以是有線通信也可以是無線通信,這要看地面通信網的要求。除了以上兩項通信設備之外在網關中還需要一個信號處理設備。通過這個處理設備才可以將衛星傳來的信號重新編碼安排使其適用于地面網的需要,對于自地面網發去衛星的信號也需要

14、反方向的轉換處理。3信號相關性相關所謂相關是代表客觀事物或過程中某兩種特征量之間聯系的緊密性;相關分析是利用概率統計方法來描述和研究工程測試信號的相關關系,常用的統計量有相關系數、自相關函數和互相關函數等。自相關函數在動態測試中要了解與時間有關的信號在不同時刻的取值有無內在關聯性,就需要引入相關函數的概念,信號的相關性就是反映信號波形相互聯系緊密性的一種函數。隨機信號()與其自相關函數信號在一個時刻的瞬時值與另一時刻的瞬時值之間的依賴關系可用自相關函數來描述。互相關函數 ：兩組隨機信號之間的一般依賴關系即相關性可用互相關函數來描述,互相關測量及互相關函數。相關性分析目前,相關分析技術廣泛應用于

15、回聲測距、通訊、測速、信號識別、故障診斷等工程應用中。對于信號相關的物理理解可以是多方面的,根據在工程信號處理中的不同應用主要有兩種:(1)信號相關為波形相似的度量。(2)信號相關是周期信號中同頻成分的反映。我們利用的是第一種應用。4 多普勒頻移4.1什么是多普勒頻移現象多普勒效應是為紀念christian doppler而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。 他認為聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低。一個常被使用的例子是火車，當火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發動機聲。 把聲波視為有

16、規律間隔發射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發射了一個脈沖，那么在你之前的每一個脈沖都比你站立不動是更接近你自己。而在你后面的聲源則比原來不動時遠了一步。或者說，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。多普勒效應不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波形，包括光波。科學家edwin hubble使用多普勒效應得出宇宙正在膨脹的結論。他發現遠處銀河系的光線頻率在變高，即移向光譜的紅端。這就是紅色多普勒頻移，或稱紅移。若銀河系正移向他，光線就成為藍移。 在衛星移動通信中，當飛機移向衛星時，頻率變高，遠離衛星時，頻率變低，而且由于飛機的速度十分快，所以我們在衛星移動通信中要充

17、分考慮“多普勒效應”。另外一方面，由于非靜止衛星本身也具有很高的速度，所以現在主要用靜止衛星與飛機進行通信，同時為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術上加以各種考慮。也加大了衛星移動通信的復雜性。4.2衛星通信中多普勒頻移推導由于低軌衛星通信本身有一個很重要的特點就是多普勒頻移大，同時多普勒頻移具有非線性的特點，因此有用信號和干擾的頻率也是隨時間非線性變化的。假設把衛星軌道近似為圓軌道，由此我們可以推導出低軌衛星的多普勒頻移規律。如圖1，假設地面終端位于點，干擾源位于點，和是衛星與它們的連線，和是從和向軌道面作的垂線設角為，為，為。下面推導此種情況下的多普勒頻移。 沿的速度為，

18、所以沿的徑向速度為： oa（bbac（圖1衛星與地面站及干擾源的幾何關系 由以上三式得：，因此多普勒頻移： 同理可得 將及代入以上兩式可得多普勒頻移隨時間變化的函數：* * 4.3 多普勒頻移對信號相關性的影響有用信號是寬帶信號，如擴頻信號，其帶寬相對干擾信號要寬的多，其前后相關性本身就很小，我們正是利用了有用信號和干擾信號各自前后相關性的這種差別來對干擾信號進行跟蹤。多普勒頻移后，有用信號的相關性基本沒有變化，而干擾信號的相關性變化非常大。我們不妨假設干擾信號為單頻正弦波。 圖2. 頻移前干擾信號的相關曲線 圖3. 頻 移后干擾信號的相關曲線頻移前干擾信號： 頻移后干擾信號為 為了計算的方便

19、，把上述干擾信號離散化，并且只取衛星過頂的一段時間。則相關函數可以根據下式計算：據此我們計算出頻移前后的相關函數并畫出相關函數曲線如圖2和圖3所示。可以看出，頻移后的相關函數值比頻移前的函數值大大減小。5結論假設衛星的軌道高度740公里，運行周期為1.67小時。設信號源和干擾源離軌道面的距離分別為1200公里和800公里（沒有超出衛星的覆蓋范圍），地心角。假設衛星信號是寬帶擴頻的，并且調制到400mhz載頻上，并假設干擾落在其中心頻率附近。則在衛星過境時間內，有用信號中心頻點處（400mhz）和干擾的多普勒頻移如圖4所示。我們分別對無多普勒頻移和多普勒頻移較大的單音干擾用lms算法的自適應濾波

20、器進行跟蹤估計，跟蹤效果如圖5所示。其中虛線為對多普勒較大的干擾的跟蹤誤差。通過仿真可以看到，相對頻已有一個最大值時刻，由圖5可以看出在相對頻移較大的時候，干擾的跟蹤和抑制就更加困難。出現這種情況的原因是多普勒頻移破壞了干擾信號的相關性，因此使得更加難以跟蹤估計。 圖5 誤差跟蹤曲線(實線為無頻移時，虛線為有頻移時)圖4 衛星過境時信號和干擾的頻移（實線為信號頻移，虛線為干擾頻移）參考文獻1 符世鋼,任友俊,申東婭.衛星移動通信信道特性分析.曲靖師范學院學報.2003,18(06):66-692 童卓,王東進,劉發林.低軌衛星的多普勒頻移實時估計.中國科學技術大學學報,2004,12(02):45-483 陳雅,沈自成.衛星通信中的星上交換技術.飛行器測控學報,2003,21(03):72-744 田斌,陳文漢,周云.車載ku頻段多媒體寬帶衛星移動通信系統.通信與信息技術,2004,24(03):67-695 譚暉,張乃通,張中兆.低軌道衛星移動通信系統傳播特性的測試與分析.通信學報,2003,12(07):54-576 王建.inmarsat全球衛星移動通信系統的新進展.