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          衛星通信的頻率為什么那么高?

          2022-09-28 16:21:58

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            因為在衛星通信中,上行和下行信號走的路徑是相同的,而且一副天線兼顧收發,如果使用相同的頻率,發射的信號必然干擾接收的信號。因為天線接收的信號是非常微弱的,一般都在—100DBM以下,而發射的信號一般最小都在+30DBM以上,如果同頻,發射的信號很容易干擾接收,比如C波段的衛星,上行6G,下行4G。至于為什么上行頻率高于下行,因為頻率越高,空間衰減越大,一般地面功放肯定強于星上,所以上行選擇高頻。

            中國無線電管理委員會規定在 3~30kHz 的頻率上主要用于海岸潛艇通信、遠程距離通信。超遠程距離導航,3~30GHz 的頻率上主要用于大容量微波中繼通信、數字通信、衛星通信、國際海事衛星通信。

            普及幾個知識點:

           ?、貴M調頻廣播的頻率是88~108MHz,覆蓋范圍從幾百公里到幾千公里;

           ?、跓o線蜂窩網絡的頻率是400MHz~3GHz,覆蓋范圍從幾公里到幾十公里;

           ?、踂i-Fi網絡的通信頻率是2.4~2.5GHz和5.2~5.8GHz,覆蓋范圍從幾米到幾百米;

           ?、苄l星的通信頻率通常是5GHz~40GHz[1],通信距離為3.6萬公里。

            從前三條知識點可知,電磁波頻率越低,在空氣中自由傳播的距離就越遠。

            那為什么衛星離地面這么遠,卻很少采用低頻通信?為什么大多數衛星的通信頻率高達5GHz~40GHz卻可以傳輸3.6萬公里的超遠距離?

            要解開這個疑問,需要了解電離層、電磁波的自由空間衰減、無線通信接收功率鏈路計算、高增益天線以及高頻率、大帶寬、高速率這些知識點:

            電離層

            電離層是地球大氣的一個電離區域,其中存在很多自由電子和離子,能使無線電波改變傳播速度,發生折射、反射和散射,產生極化面的旋轉并受到不同程度的吸收。

            如上圖所示,長波、中波被電離層直接吸收,只能通過地面波傳播;短波被電離層反射,只能在電離層以下的大氣內部傳播;微波則不受電離層影響,可以直接穿透電離層。

            因此,衛星通信必須采用微波頻段以上頻率的信號,才能實現星地通信。

            電磁波的自由空間衰減

            電磁波在穿透任何介質時都會有損耗,所以電磁波在大氣中傳播的時候一樣存在損耗。

            電磁波在大氣自由空間中的傳輸損耗和電磁波的頻率及傳輸距離成正比,頻率越高,空間損耗越大。

            如果理解沒有錯誤,那么衛星為什么還要采用5GHz以上的頻率通信呢?來看第三個知識點。

            無線通信接收功率鏈路計算

            一個完整的無線通信系統,組成包括:發射機、發射天線、傳播介質、接收天線、接收機。其中,接收機最終能夠收到多少有用信號就取決于前四個組成部分。

            無線通信接收功率的鏈路計算公式:

            


            根據計算公式可知,只要將天線增益提高,就有可能彌補自由空間的損耗。

            但是,這又將如何實現?

            高增益天線

            關于天線的知識,這里不做過多說明,我們把注意力集中在如何提高天線增益上。

            我們都知道,廣播電視是一對多通信,天線通常都建在高山或高樓上,目的是為了覆蓋更多的用戶。廣播電視使用的天線都是全向天線,它們向四面八方發射電磁波,電磁波分散得越廣,能量消耗越快。

            那么,如果將這些四散的電磁波集中起來,向一個方向發射呢?如果能夠讓天線只向一個方向發射,那么天線增益將獲得極大的提升。這便是定向高增益天線的由來。

            高頻率、大帶寬、高速率

            隨著時代的發展,我們需要傳輸的信息量越來越大,對通信速率的要求也越來越高。那么如何提高傳輸速率呢?香農(Shannon)定理給了我們答案:提高通信帶寬就可以提高信息傳輸速率。

            大帶寬可以攜帶更多信息。

            


            在地球上,5G以下的無線電頻段已被各種通信設備占據,沒辦法給衛星通信提供完整的大帶寬,而5G以上還有相對完整的頻譜資源,所以,衛星通信選擇5GHz以上的工作頻率也是為了方便數據傳輸。

            因此,衛星之所以采用5GHz以上的工作頻率,總結為以下幾個原因:

           ?、倏梢皂樌┻^電離層,不會被反射或吸收;

           ?、诟哳l傳輸在高增益天線的支持下,并不會帶來太大的功率損耗;

           ?、鄹哳l意味著大帶寬,根據香農公式,帶寬越大,信息傳輸速率越高,更夠滿足更復雜的業務需求;

           ?、?GHz以上還有相對完整的頻譜資源,不容易被干擾。

            注:為了滿足某些便攜性方面的需求,有些衛星使用更低的通信頻率。例如:海事衛星通信頻率為1GHz左右,天通衛星通信頻率為2GHz左右。由于通信頻率的限制,它們只能夠提供低速話音、數據服務。

            


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