一、多普勒效應

1、淵源

多普勒效應是一種波傳輸（光波、電磁波或聲波）的一種物理現象，一種波源相對于接收者（觀察者）在移動中發生的自然現象。該現象首先是由奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）在1842年通過觀察發現并提出的，因而被命名為多普勒效應（Doppler effect）。多普勒效應后由 Buys Ballot（荷蘭的氣象學家、化學家）在聲波中驗證，而后1848年Hippolyte Fizeau（法國物理學家）獨立在電磁波發現了相同的現象，同年John Scott Russell （蘇格蘭的科學家）對多普勒效應進行了實驗研究。

2、效應

多普勒效應（Doppler effect）表現為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（稱為藍移（blue shift））；在運動的波源后面時，會產生相反的效應，波長變得較長，頻率變得較低（稱為紅移（red shift））；波源的速度越高，所產生的效應越大。根據波藍（紅）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。普勒效應現象下圖1-2示例。

圖 1-2：普勒效應-光源的運動改變光的顏色

多普勒效應在生活中，常見的例子是遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（即頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（即頻率變低，波長變長）。這是一種聲波的普勒效應，對于電磁波同樣存在多普勒效應，廣泛地表現在無線電通信中。

多普勒效應中的波源與接收者（觀察者）的移動性可存在于：波源移動，接收者（觀察者）靜止（如衛星通信中，衛星在移動，地球站相對靜止）；波源靜止，接收者（觀察者）移動（如蜂窩移動通信中，基站靜止，終端在移動）；波源與接收者（觀察者）都移動（如衛星導航系統中，衛星與用戶設施均在移動）。

二、多普勒頻移

多普勒效應造成的發射和接收的頻率之差，稱為多普勒頻移。它揭示了波的屬性在運動中發生變化的規律。下述以聲波為例推出其多普勒頻移的計算公式。當C _SOUND為給定介質中聲波的傳輸速度，f為聲波源的頻率，則聲波波長λ為的計算公式應為：

λ= C _SOUND / f

如果只是聲波源以速度v_s相對于介質運動，則由觀察者聽到的聲波頻率f ′可用下表2中的式1表示。當v_s / C _SOUND << 1時，則由觀察者聽到的聲波頻率f ′可近似用下表2中的式2表示。

表 2：相關多普勒頻移的計算公式

如果聲波源靜止，若觀察者以相對于介質的速度v_o運動，則由觀察者聽到的聲波頻率f ′可近似用表2中的式3表示。如果聲波源與觀察者都在運動，則由觀察者聽到的聲波頻率f ′可用表2中的式4表示。

在上述不同情況下，計算出f ′后，則多普勒頻移Δ f應為：

Δ f = f ′ - f

當聲波源與觀察者相向運動時，f ′ > f，此時Δ f > 0；當聲波源與觀察者背向運動時，f ′ < f，此時Δ f < 0。

三、衛星通信中的多普勒頻移

在衛星通信中，當衛星與用戶終端之間、衛星與地球站之間、衛星與衛星之間存在相對運動時，接收端收到的發射端載頻發生頻移，即多普勒效應引起的附加頻移（多普勒頻移）。多普勒頻移對采用相關解調的數字通信危害較大。低軌道衛星的軌道高度越低，衛星飛行速度越快，多普勒頻移也就越大。下表3-1給出了在終端緯度取零度，仰角取10度時，不同衛星高度、不同載波頻率的最大多普勒頻移的典型值。以供參考。

表 3-1：不同衛星高度、不同載波頻率的最大多普勒頻移

另外，下表3-2給出了地球靜止軌道（GEO）、中軌道（MEO）和低軌道（LEO）衛星系統工作在C頻段時的最大多普勒頻移的典型值，以及在星間切換時的多普勒頻移的突變值。以供參考。

表 3-2：不同衛星軌道系統的多普勒頻移

欲進一步了解衛星通信信號傳播特點介紹的請進入。