《微波通信与卫星通信》课程作业部分答案

微波通信与卫星通信课程作业注意事项：要求该课程作业全部手写在浙江理工大学标准作业本上；每一章的作业题目要另起一页从新开始；本文档中所列出的题目必须把原题抄写在作业本上，随后再写答案；所有题目都是必选的，请全部做完并且独立完成；要求字迹清晰工整。请于2015年1月7日上课时随课程论文一起上交。第1章 微波与卫星通信概述1-1 微波通信有哪些特点？卫星通信有哪些特点？微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡,因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划，使之不受高楼的阻隔而影响通信卫星通信 通信距离远，且费用与通信距离无关。 广播方式工作，可以进行多址通信。 通信容量大，适用多种业务传输。 可以自发自收进行监测。 无缝覆盖能力。 广域复杂网络拓扑构成能力。 安全可靠性。1-2 请阐述智能天线的概念。智能天线又称自适应天线阵列、可变天线阵列、多天线。智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息（比如传播方向）和跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。1智能天线采用空分复用（SDMA）方式，利用信号在传播路径方向上的差别，将时延扩散、瑞利衰落、多径、信道干扰的影响降低，将同频率、同时隙信号区别开来，和其他复用技术相结合，最大限度地有效利用频谱资源。早期应用集中于雷达和声呐信号处理领域，20世纪70年代后被引入军事通信中。随着移动通信技术的发展，阵列处理技术被引入到移动通信领域，很快就形成了智能天线的研究领域。在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为最活跃的研究领域之一，应用领域包括声音处理、跟踪扫描雷达、射电天文学、射电望远镜和3G手机网络。1-3 从发射卫星到进入同步轨道分为几个过程？卫星的姿态控制有哪些方法？发射同步卫星时，先进入一个近地的圆轨道，然后在近地点点点火加速，进入椭圆形转移轨道，到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。一、被动姿态控制被动姿态控制是利用卫星本身的动力特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法。被动姿态控制方式有自旋稳定、重力梯度稳定等。二、主动姿态控制（三轴姿态控制）1-4 卫星天线有几种类型？根据波束宽度是怎样进行分类的？1-5 微波通信和卫星通信常用哪些频段？中国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。通信卫星的工作频段，主要是根据电波传播特点和合理利用无线电频率资源等因素确定的。但由于技术条件的限制，迄今实际应用的频段还十分有限。目前卫星通信常用的工作频段有：UHF频段：400-200MHz；频段：1.6-1.5GHz；C频段：6-4GHz；X频段：8-7GHz；Ku频段：14-11GHz；Ka频段：30-20GHz。卫星通信常用工作频段中，前边的是卫星地球站向卫星传输的上行频率，后边的是卫星向地球站传输的下行频率。例如，C频段6-4GHz，表示上行频率为6GHz，下行频率为4GHz。同时，实际工作频段与划分的频率范围略有出入。整个卫星通信工作频段中，1-10GHz频段，被称为卫星通信频率的“窗口”。窗口中最理想的频段是频段，它的典型应用实例是国际通信卫星组织发射的第六代国际通信卫星。第2章 数字信号的调制与解调2-1请叙述2ASK信号的产生过程。2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。2-2 什么是OQPSK？并说明其工作原理。OQPSK又称偏移四相移键控，是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，OQPSK信号相位只能跳变0、90，不会出现180的相位跳变，因而带限的OQPSK信号的包络起伏很小，在经过非线性功放后，不会引起功率谱旁瓣有大的增生，所以它适于在带线非线性信道中使用。2-3 什么叫相干解调？相干解调 - Coherent Demodulation解调也称检波，是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的基带调制信号恢复出来。解调方法可以分为：相干解调和非相干解调。相干解调也叫同步检波，它适用于所有线性调制信号的解调。实现相干解调的关键是接收端要恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波。恢复载波性能的好坏，直接关系到接收机解调性能的优劣。非相干解调也称为包络检波，包络检波就是直接从已调波的幅度中恢复出原调制信号。不需要相干载波。AM信号一般都采用包络检波。所谓相干，泛泛地说就是相互干扰；相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。比如原始信号 A 与载频 cos(t + ) 调制后得到信号 Acos(t + )；解调时引入相干（同频同相）的参考信号 cos(t + )，则得到：Acos(t+)cos(t+)利用积化和差公式可以得到A*1/2*cos(t+t+)+cos(t+-t-)=A*1/2*cos(2t+2)+cos(0)=A/2*cos(2t+2)+1=A/2+A/2cos(2t+2)利用低通滤波器将高频信号cos(2t+2)滤除，即得原始信号 A。因此相干解调需要接收机和载波同步；而非相干解调不使用乘法器，不需要接收机和载波同步。利用开源软件无线电，诸如 GNURadio 是研究各种调制解调的经济、快捷和有效的手段。第3章 卫星通信的多址方式3-1 请说出几种常用的信道分配方式，并进行比较。目前微星通信系统中主要有4中信道分配方式：FDMA/TDMA/CDMA/SDMA，FDMA：频分多址，每个用户分配一个发射、接收频率，以频率区分的多址方式；TDMA：时分多址，网络中VSAT可以在同一个频率上发射，各自使用分配的不同时隙；CDMA：码分多址，各VSAT站可以在同时用相同的频率发射，而采用不同的扩频码区分；SDMA：空分多址，因为空间不同（多波束系统），可以共享频率、时隙等；一般与前3中多只方式共用3-2 为什么要在卫星系统中引入随机联接时分多址（RA/TDMA）方式？时分多址（time division multiple access，TDMA）把时间分割成互不重叠的时段（帧），再将帧分割成互不重叠的时隙（信道）与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。这是通信技术中基本多址技术之一，一种数字传输技术，将无线电频率分成不同的时间间隙来分配给若干个通话。在2G(为GSM)移动通信系统中多被采用，卫星通信和光纤通信的多址技术中。TDMA较之FDMA具有通信口号质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。3-3 已知一个TDMA系统，采用QPSK调制方式，设帧长为Tf=250 s，系统中所包含的站数m=8，各站所包含的通道数相同n=3，保护时间Tg=0.3 s，基准分帧的比特数Br与各报头的比特数Bp分别为80和90比特，每个通道传输24路（PCM编码，每取样值编8比特码，一群加一位同步比特）。求PCM编码器的输出速率Rs、系统传输的比特率Rb、分帧长度Tb、帧效率f及传输线路要求的带宽B。（注：取滚降系数为0.3。）？第4章 微波传播4-1惠更斯费涅耳原理的基本思想是什么？解释费涅耳区的概念。惠更斯-菲涅耳原理 Huggens-Fresnel principle是以波动理论解释光的传播规律的基本原理。它是在惠更斯原理（Huygens principle）的基础上发展而得的，是研究衍射现象的理论基础，可作为求解波（特别是光波）传播问题的一种近似方法，由荷兰物理学家克里斯蒂安惠更斯（Christiaan Huygens）在创立光的波动说时首先提出的。主要内容为：行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。4-2 K值是怎样定义的？温带地区K值变化范围为多大？K值的变化意味着什么？由于大气折射的作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是连续折射弯曲的曲线，为了便于分析，在工程上，引入“等效地球半径Re”概念。引入Re后，便可把电波仍视为直射线，而真正地球半径R（6370km）变成了Re，。定义K为等效地球半径系数： ，由此式可知，K由折射率梯度 决定，而 又受温度、压力、湿度等参数的影响，故K是反映气象参数对电波传播影响的重要系数。大气折射对电波传播路径的影响，可以根据电波受大气折射的轨迹，对大气折射分为三类，当 0，时，ReR， 此时电波射线折射向上弯曲，与地球弯曲方向相反，故称负折射。当 R，此时电波射线折射向下弯曲，与地球弯曲方向相同，故称正折射。在正折射中，K 称为临界折射。K=4/3，=4R称为标准大气折射；K0，R时称为超折射现象。当 = 0，K1时，ReR，此时大气折射指数不随高度变化，大气为均匀介质，射线轨迹为一直线，相当电波射线的曲率半径 ，故称无折射。4-3 频率选择性衰落是怎样造成的？将产生什么影响？所谓频率选择性衰落，是指在不同频段上衰落特性不一样。当频率超过相干带宽时发生频率选择性衰落。由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落，且衰落周期T2=1/L，即与时域中的时延扩散程度成正比。多径效应在不同条件会使传输信号发生平坦衰落、时间选择性衰落和频率选择性衰落，主要还是频率选择性衰落。 抗干扰措施假设信号码元长度为T，第i条传输路径的信号时延与信号平均时延这差为t,则二者的不同组合可产生三种不同的衰落现象。1当信号码元长度T较小，且tT时，将引起“平坦衰落”；2当信号码元长度T较长，且tT时，将引起“时间选择性衰落”；3当信号码元长度T比较小，而t比较大，且不满足tT，将引起“频率选择性衰落”（这是时间扩散在频域中的反映）。因为多径合成波形有可能落在后续码元时间间隔内，引起码间干扰，因此，频率选择性衰落对于高速数据传输危害最大。4-4 已知发信功率Pt=1W，工作频率f=4.2GHz，两微波站相距48km，Gt=Gr=39dB，Lfr=Lft=3dB，Lbr=Lbt=2dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。？4-5 已知某移动通信系统工作于450MHz，其中某基站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km。求：传播路径的损耗中值。？第5章 编码与信号处理技术5-1 简述差错控制的基本概念和三大实现方式。差错控制是在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的准确性。1、前向纠错。实时性好，单工通信采用。2、自动重发请求（ARQ）。强调检错能力，不要求有纠错能力，双向通道采用。3、混合纠错。上述两种方式的综合，但传输设备相对复杂。5-2 简述交织技术的工作原理。？5-3 话音内插技术的原理是什么？时分话音内插（TASI），是数字化音内插技术（DSI）的一种，即利用呼叫之间的间隙，听话而未说话以及说话停顿的空闲时间，把空闲的通路暂时分配给其他用户从而提高系统的通信容量。5-4 什么叫回波？回波，是指通过不同于正常路径的其他途径而到达给定点上的信号。在该点上，此信号有足够的大小和时延，以致可觉察出它与由正常路径传送来的信号有区别。第6章 微波与卫星通信的线路噪声及线路参数计算6-1 数字微波的线路噪声分为哪几种？各包括哪几种噪声？答:热噪声、各种干扰噪声波、波形失真噪声等其他噪声。6-2 现有一个工作于5GHz用于传输数据信号的SDH数字微波系统，其高误码率等于10-6时的瞬断率为0.01%，其中继段处于C型断面站距为45km，平衰落储备为31.2dB，请求该段的衰落深度。？6-3 简述同频复用距离及邻道干扰的概念。同频复用距离又称“频率复用模型”。反映蜂窝网中各小区使用频率组情况的基本图形。.蜂窝移动电话系统中，在有限频率资源情况下，为提高服务区单位面积的用户数（用户密度），可用蜂窝组网方式，即将服务区划分成若干小区，相邻小区不使用相同频率组，相距足够距离 .邻道干扰是指在两个相邻或相近的波道，所传输的信号超过了波道的宽度，从而对临近波道所传播信号造成的干扰。6-4 简述卫星接收系统噪声温度的概念。表示噪声源（热源噪声管射电源接收机系统或其他有源多端网络）所发出的噪声功率的量度。它等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内给出相同的功率时所具有的绝对温度。6-5 一个静止卫星系统的地球站发射机的输出功率为3kW，发射馈线系统衰减为0.5dB，发射天线口径为25m，天线效率为0.7，上行链路工作频率为6GHz，地球站与卫星间的距离为4104km，转发器天线增益为0.5dB，接收馈线系统衰减为1dB。试计算卫星接收机输入端的信号功率为多少？第7章 微波与卫星通信新技术及其通信网7-1 请画出STM-1微波帧结构。7-2 简述同步卫星的概念。地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空。从地面上看，卫星保持不动，故也称静止卫星，从地球之外看，卫星与地球以相同的角速度转动，角速度与地球自转角速度相同，故称地球同步卫星。在平常的计算中，我们认为这是匀速圆周运动，运转周期24小时，地球同步卫星距赤道的高度约为36000千米，线速度的大小约为每秒3.08公里。 7-3 请说明卫星轨道的划分原因及结果。轨道分类编辑就人造地球卫星来说，其轨道按高度分低轨道和高轨道，按地球自转方向分顺行轨道和逆行轨道。这中间有一些特殊意义的轨道，如赤道轨道、地球同步轨道、对地静止轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。卫星轨道的形状和大小是由长轴和短轴决定的，而交点角、近地点幅角和轨道倾角i则决定轨道在空间的方位。这五个参数称为卫星轨道要素（根数）。有时还加过近地点时刻tp，合称为六要素。有了这六要素，就可知道任何时刻卫星在空间的位置。卫星轨道六要素：长轴、短轴、交点角、近地点幅角、轨道倾角i、过近地点时刻tp。高低轨道没有明确的划分界限，一般把离地面几百公里的卫星轨道称为低地球轨道。轨道倾角为零，轨道平面与地球赤道平面重合。这种轨道叫赤道轨道。轨道高度为35786公里时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，这种轨道叫地球同步轨道；如果地球同步轨道的倾角为零，则卫星正好在地球赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕地球飞行，从地面上看，好像是静止的，这种卫星轨道叫对地静止轨道，它是地球同步轨道的特例。对地静止轨道只有一条。轨道倾角为90度时，轨道平面通过地球两极，这种轨道叫极地轨道。如果卫星的轨道平面绕地球自转轴的旋转方向、角速度与地球绕太阳公转的方向和角速度相同，则它的轨道叫太阳同步轨道。太阳同步轨道为逆行轨道，倾角大于90度。7-4 请画出VSAT系统组成方框图。？7-5 请画出基于现有DVB技术的IP卫星通信系统结构图。