現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

《現代智能控制實用技術叢書》共分為四本，其內容按照信號傳輸的鏈條編寫：

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

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

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，以及各類通信系統的組成、特點、優勢、不足及適用領域。信息的傳輸與通信技術簡介

本書還對現代通信技術的“高速公路”，即光導纖維通信、５Ｇ通信、衛星通信系統技術，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、衛星通信技術等方面應用的可期待前景。

本書可作為大專院校或高等院校智能控制類相關專業的參考書籍，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、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，以便遠程監測（遙測）、視頻顯示和數據記錄（遙信）、狀況或數據調節（遙調）和智能控制（遙控），統稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現象、過程或系統所固有的。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，在數學上，信號可以表示為關于一個或幾個獨立變量的函數，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的信號，或將信號放大，或將較低頻率的原始信息“調制”到較高頻率的信號；滿足遠距離傳輸的要求，或將原始模擬信息處理為數字信號等。這就是智能控制發送部分的“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中各個環節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、各個部分參數的選取，以及主要應用場合及其優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“智能控制系統的舉例應用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統，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第三節現代通信技術特點第五節網絡通信技術的發展第二章世界通用的通信技術

第二節有線通信的載波通信技術

第三節微波接力通信和衛星微波

通信第三章通信技術的“高速公路”第二節無線通信的第五代移動通信技術——５Ｇ

第三節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第五章未來的量子通信技術

第一節量子通信技術

第二節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我國的通信事業及其發展歷程第二節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微波接力通信和衛星微波通信一、微波接力通信二、衛星微波通信技術

信息的傳輸與通信技術正文第一節

我國的通信事業及其發展歷程

我國的通信發展歷程，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，農村占比很大，城市與鄉村、東部與中西部、平原與山區差別很大，因之，通信事業也經歷了幾次大的變革。

一、農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設備，以人工總機為轉接設備的最原始的通信系統。

信息的傳輸與通信技術正文第一節

我國的通信事業及其發展歷程

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。同時，架空電纜、大通路電纜出現，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，使我國的通信事業有了較大的改觀。

信息的傳輸與通信技術正文第一節

我國的通信事業及其發展歷程

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電話、電報、圖像、數據等的多路通信。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，兩者之間有什么區別？

信息的傳輸與通信技術正文第一節

我國的通信事業及其發展歷程

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，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

我國的通信事業及其發展歷程

1、對稱通信線纜

長途對稱通信電纜：由不同數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

我國的通信事業及其發展歷程

2、同軸線纜

結構：由二根相互絕緣的同軸心的內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、外兩根導體組成回路，外導體包圍著內導體，同時兩者絕緣。

型號：（根據尺寸劃分，內導體直徑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

我國的通信事業及其發展歷程

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目，也用作高效率的數據信息傳輸。

優點：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

我國的通信事業及其發展歷程

四、光導纖維通信的興起國民經濟的發展對通信技術提出了更高的要求，自1966年光纖通信技術發明后，國際上經過了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，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”，到無線通訊網絡系統及其多種短距離、小容量通信手段的研發及實用成功，使無線通信技術從傳統的“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展到數字通信階段。

信息的傳輸與通信技術正文第二節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。根據實用信道的頻帶寬度，就可以在一個信道的頻帶寬度內復用不同路數的電話信號。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千路電話信號等等。

而通信技術正在走向數字化，數字光纖通信、數字衛星通信和數字微波通信系統占有越來越大的比重，模擬的載波通信系統日益收縮。但在一定時期內，載波通信在支線和農村地區仍然會繼續發揮作用。

信息的傳輸與通信技術正文第二節

有線通信的載波通信技術

（二）載波通信分類

載波通信據傳輸媒介不同，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

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

包括發送部分和接收部分。

發送部分：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定電平。

接收部分：是發送的逆過程。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

有線通信的載波通信技術

(2)載波增音機

載波系統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設備，調節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。

信息的傳輸與通信技術正文第二節

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）是電力系統特有的通信方式。指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。其最大特點是不需要重新架設網絡，只要在同一變壓器供電內，通過電力線，就能進行數據傳遞。其系統結構示意圖見圖2-2所示。

信息的傳輸與通信技術正文

第二節

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

有線通信的載波通信技術

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

就能進行數據傳遞。無疑成為了解決智能家居數據傳輸的最佳方案之一。因為數據僅在家庭范圍中傳輸，遠程對家電的控制也能通過傳統網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

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域范圍內傳送；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電力系統都適用。

信息的傳輸與通信技術正文第二節

有線通信的載波通信技術

（三）電力線載波通信的缺點（續）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據傳輸方法，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，而現代通信數據每幀比較長，所以在要求抗干擾能力很高的場合，PLC系統難以應用；

信息的傳輸與通信技術正文第二節

有線通信的載波通信技術

（三）電力線載波通信的缺點（續）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到幾千米，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電力載波通信系統一種主控端接口電路圖和圖2-4電力載波通信系統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

有線通信的載波通信技術

（四）電力線載波通信的發展機遇

雖然技術問題最終都能被解決，但從國內寬帶網建設的速度，留給PLC的時間和空間越來越窄，2000年以來大規模推出的數字用戶線路（ADSL）、光纖通信（FibreCommunication）、無線網絡（WirelessNetwork）等多種寬帶接入業務，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）是將把網絡信號調制到電線上，利用電力線路解決網絡布線問題的設備。作為第三代網絡傳輸科技設備，電力貓則以其獨特優勢風靡全球，

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上網打電話、觀看IPTV和使用監控設備等多種應用。

隨著家庭智能系統這個話題的興起，也給PLC技術的應用帶來了一個新的舞臺。

信息的傳輸與通信技術正文第二節

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在的應用領域，包括遠程抄表系統，路燈遠程監控系統及工業智能化等。如各類的數據采集，在技術上不再是點對點通信的范疇，而是突出開放式網絡結構的概念，使每個控制節點（受控設備）組成網絡進行集中控制。

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

所編寫。

信息的傳輸與通信技術正文第二節

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，利用家庭現有的電力線作為載波通信媒介，實現智能設備之間的通信與控制。

案例二——遠程抄表系統(RMR)其系統功能特點為：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；可與收費系統聯為一體；根據電網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據，便于統計電表數據，分析用電規律，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

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——遠程路燈監控系統（RLSM）通過路燈照明系統的電力線，連成智能照明控制系統。該系統能在保證道路安全的同時，實時控制照明亮度，可節省電能，并能延長燈具壽命以及降低運行、維護成本。該系統特點在于：全天候24小時自動監控，監控范圍可達數公里；加入自動路由功能后，監控范圍成倍增加；檢測單燈工作狀態包括: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等緊急呼救系統聯網工作。

案例四——電梯實現遠程呼梯電力載波系統可實現戶內智能呼梯、訪客智能派梯功能。

信息的傳輸與通信技術正文第三節

微波接力通信和衛星微波通信

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，接力式地傳輸到終端站。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

微波接力通信和衛星微波通信

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

微波接力通信和衛星微波通信

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

微波接力通信和衛星微波通信

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

微波接力通信和衛星微波通信

（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-天衛星微波通信”和“天-天衛星微波通信”。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

微波接力通信和衛星微波通信

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定，經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

微波接力通信和衛星微波通信

（2）微波接力通信的性能微波接力通信中的數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產生的電磁波干擾；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

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

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。可見，一套微波收/發信設備理論上可傳輸的話路數為40MHz/4KHz=104，可見是相當多的。因數字信號占用帶寬較寬，所以數字微波通信設備在選擇適當的調制方式后，可傳輸的話路容量仍然是相當多。

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

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

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

圖2-8微波接力通信系統結構原理框圖

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

（三）微波接力通信系統的特點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，能滿足各種電信業務（電話、廣播、傳真、電視、電報、數據）的信息傳輸質量要求。是通信網的重要組成部分。

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

（三）微波接力通信系統的特點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決定。介質損耗因數大的物質，對微波的吸收能力就強；介質損耗因數小的物質，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。

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

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，一個區域的微波天線均設置在該區域的最高點，早期城市高層樓房比較少，微波站一般都建筑在區域的最高山頂上；隨著城市高樓的建設，現在也有將微波天線設置在高層樓房的屋頂，但大多數微波天線逐步架設在鐵塔之上。城市規劃部門要考慮城市空間微波通道的規劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

（四）微波接力通信系統的應用世界上發達國家應用微波中繼通信，在長途通信網中所占的比例高達50%以上。特別是地廣人稀的國家應用比例更高，據統計美國為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，經過自發研制已經取得了很大的進步。

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展前景的通信手段之一。

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

（五）微波接力通信系統的維護

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

信息的傳輸與通信技術正文第三節微波接力通信和衛星微波通信

（六）微波接力通信系統的發展趨勢

1、高頻段的開發和數字化；

40GHz以上頻段開發應用，多種調制方式應用，大容量數字微

波通信系統優化2、數－模兼容技術的應用；開拓話上數據和話下數據，將模擬波道改造為數字波道。3、設備固態化和低功耗；

微波集成電路和微帶技術的全固態化和集成化應用。

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（六）微波接力通信系統的發展趨勢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的自動化管理器件設備的長壽命、高可靠性研發；中繼站的無人值守化。6、天線和饋線的發展多波段天線、高增益天線、軟波導管等的研發、應用。

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二、衛星微波通信技術

（一）衛星微波通信技術概述１定義衛星通信是利用人造地球衛星作為中繼站，用以轉發微波波段的無線電波，從而實現兩個或多個地球站之間的微波通信的技術。２有源人造地球衛星和無源人造地球衛星根據對無線電信號有無放大部分和轉發功能，分為有源人造地球衛星和無源人造地球衛星。無源人造地球衛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、轉發功能的有源人造地球衛星，來實現衛星通信。

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二、衛星微波通信技術

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

同步衛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，故稱為靜止衛星。利用同步衛星通信已成為全球通信主要的衛星通信方式。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星多在各國衛星移動通信中應用。

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同步通信衛星與地球的相對關系見圖2-10所示。

圖2-10同步通信衛星與地球的相對關系圖

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（二）衛星通信的發展歷史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星作為中繼站進行地球上通信的設想”，并在60年代成為現實。1957年10月4曰由原蘇聯成功發射了世界上第一顆人造衛星“衛星1號”。繞地球運行，地球上首次收到從人造衛星發來的電波。1960年8月美國將覆有鋁膜的直徑30m的氣球衛星“回聲1號”發射到約1600km高度的圓軌道上進行通信試驗。

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（二）衛星通信的發展歷史1962年I2月13日美國發射了低軌道衛星“中繼1號"。1963年11月23日該衛星首次實現了橫跨太平洋的日美間的電視轉播。1963年7月美國宇航局發射的“同步2號”衛星是世界上第一顆同步通信衛星，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務。1964年8月發射的“同步3號”衛星，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星。1964年10月經該衛星轉播了（東京）奧林匹克運動會的實況。1965年4月6日發射了最初的半試驗、半實用的靜止衛星“晨鳥”，用于歐美間的商用衛星通信，以此衛星為代表，標志衛星通信進入了實用階段。

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（二）衛星通信的發展歷史

在過去的50多年中，中國航天和衛星通信領域發生了翻天覆地的變化。特別是衛星通信網的成功建立，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的一次飛躍。

我國發射有代表性的衛星詳情：1970年4月24日我國成功地研制并由長征一號火箭發射了第一顆人造地球衛星“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射人造地球衛星的國家。1988年12月22日，我國將試驗通信衛星“東方紅2號”由長征三號火箭發射，送入赤道上空的靜止軌道運行。1997年5月12日，我國將通信衛星“東方紅3號”由長征三號火箭發射，送入赤道上空，是中國第一代采用三軸穩定技術的同步衛星。

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三

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（二）衛星通信的發展歷史

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

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（二）衛星通信的發展歷史1992年8月9日，我國首次用長征二號丁運載火箭成功發射第二代科學探測和技術試驗衛星。這顆新型返回式遙感衛星在太空運行16天后按預定計劃返回地面，標志著我國衛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，我國共發射衛星了238顆不同類型的人造地球衛星，飛行成功率達95%以上。

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

多址技術是根據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。所以衛星通信常用的多址聯接方式也分為頻分多址聯接（FDMA）、時分多址聯接（TDMA）、碼分多址聯接（CDMA）和空分多址聯接（SDMA），另外頻率再用技術亦是一種多址方式。

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（三）衛星通信原理2、頻分多址聯接（FDMA）在微波頻帶，整個通信衛星的工作頻帶約有500MHz寬度，為了便于放大、發射和減少變調干擾，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設計為36MHz或72MHz。因為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，即采用不同的載波頻率。它對于點對點大容量的通信比較適合。

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（三）衛星通信原理

3、時分多址聯接（TDMA）

由于數字通信的日益發展，現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，特別適合數字通信，并可根據業務量的變化按需分配時隙，可采用數字語音插空等新技術，使容量增加5倍。

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（三）衛星通信原理

4、碼分多址聯接（CDMA）另一種多址技術是碼分多址聯結（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使用。

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（三）衛星通信原理

5、空分多址聯接（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。空分多址聯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域。這樣，地面上不同區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。空分多址是一種信道增容的方式，可以實現頻率的重復使用，有利于充分利用頻率資源。空分多址還可以與其它多址方式相互兼容，從而實現組合的多址技術，例如“空分-碼分多址（sd-cdma）”等。

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（四）衛星通信系統組成衛星通信系統包括通信和保障通信的全部設備。其中，靜止衛星是指衛星運行軌道在赤道平面內，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.為衛星通信系統的基本組成。衛星通信系統一般由空間分系統、

通信地球站分系統、

跟蹤遙測

指令分系統和監控管理分系統四部分組成。

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（四）衛星通信系統組成

圖2-12衛星通信系統組成示意圖

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（四）衛星通信系統組成

1、跟蹤遙測及指令分系統

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

２、監控管理分系統

監控管理分系統負責對定點的衛星在業務開通前后進行通信性能的檢測和控制，例如對衛星轉發器功率、衛星天線增益，以及各地球站發射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數進行監控，以保證正常通信。

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（四）衛星通信系統組成

３、空間分系統（通信衛星）通信衛星主要包括通信系統、遙測與指令系統、控制系統和電源系統（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。通信系統是通信衛星上的主體，它主要包括一個或多個轉發器，每個轉發器能同時接收和轉發多個地球站的信號，從而起到中繼站的作用。

圖2-13通信衛星的組成框圖

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（四）衛星通信系統組成

４、通信地球站分系統通信地球站是微波無線電收信站、發信站，用戶通過它接入衛星線路，進行通信。發信站的主體設備為發信機；發信機一般采用變頻式發信機，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變頻式發信機的組成框圖

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（四）衛星通信系統組成

圖2-14外差式收信機的組成框圖

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（五）衛星通信的特點1、衛星通信與微波通信

衛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）通過宇宙站轉發或反射而進行的地球站間的通信。

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（五）衛星通信的特點2、衛星通信發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：指發信機輸出端口處功率的大小。

３）頻率穩定度：發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。頻率穩定度即f0

的穩定度。

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（五）衛星通信的特點3、衛星通信收信設備的主要性能指標

１）工作頻段：收信機是與發信機配合工作的，所以工作頻段應與發信機相同。

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

３）噪聲系數：數字微波收信機的噪聲系數一般為2.5～7dB，比模擬微波收信機的噪聲系數小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）衛星通信的特點3、衛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饋線和分路系統到達收信機。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）衛星通信的特點

４、靜止衛星通信的優點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，通信線路穩定可靠；５）建立通信線路靈活，機動性好。

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

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（六）衛星通信系統地球站的組成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；２）發射機分系統；３）接收機分系統；４）信道控制分系統；５）信道終端設備分系統；６）電源分系統。

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（六）衛星通信系統地球站的組成２、兩個地球站與衛星組成的通信系統兩個地球站通過通信衛星進行通信的衛星通信信道的組成，如圖2-16、圖2-17所示。由發端地球站的上、下行無線傳輸路徑和收端地球站組成。

圖2-16衛星通信系

統地球站總體框圖

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（六）衛星通信系統地球站的組成２、兩個地球站與衛星組成的通信系統

圖2-17

衛星通信信道的組成示意圖

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

圖2-18

地球站發射機分系統組成

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（六）衛星通信系統地球站的組成4、地球站地球站的技術要求

１）發送的信號應頻帶寬、射頻穩定度高、發射功率大、放大器的線性好。２）收發增益穩定，地球站發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，以保證地球站的發射和接收性能指標。３）可以傳輸多路語音信號、電報、傳真，以及高速數據、電視信號等多種信號。４）能接收由衛星轉發器轉發來的額定值的微弱信號。５）正常工作過程中，性能穩定、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、地球站發射信號的品質要求1）地球站接收天線增益的品質因數（G/T）：Ｇ／Ｔ是地球站接收天線增益Ｇ與地球站接收系統的等效熱噪聲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定度：為保證所傳送信號的質量，要求地球站的發射機能夠發射較大的功率，一般在幾百瓦至幾千瓦的數量級，而且要求所發射的射頻信號功率非常穩定。3）射頻頻率的穩定度：地球站所發射的射頻信號的頻率必須很精確，如果頻率漂移太大，不但會影響衛星轉發器頻帶的有效利用，還會在衛星轉發器中產生交流調制噪聲。

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5、地球站發射信號的品質要求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