一、多普勒效應(yīng)
1、淵源
多普勒效應(yīng)是一種波傳輸（光波、電磁波或聲波）的一種物理現(xiàn)象，一種波源相對于接收者（觀察者）在移動(dòng)中發(fā)生的自然現(xiàn)象。該現(xiàn)象首先是由奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）在1842年通過觀察發(fā)現(xiàn)并提出的，因而被命名為多普勒效應(yīng)（Doppler effect）。多普勒效應(yīng)后由 Buys Ballot（荷蘭的氣象學(xué)家、化學(xué)家）在聲波中驗(yàn)證，而后1848年Hippolyte Fizeau（法國物理學(xué)家）獨(dú)立在電磁波發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，同年John Scott Russell （蘇格蘭的科學(xué)家）對多普勒效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
2、效應(yīng)
多普勒效應(yīng)（Doppler effect）表現(xiàn)為物體輻射的波長因?yàn)椴ㄔ春陀^測者的相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（稱為藍(lán)移（blue shift））；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，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(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波藍(lán)（紅）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動(dòng)的速度。普勒效應(yīng)現(xiàn)象下圖1-2示例。
圖 1-2：普勒效應(yīng)-光源的運(yùn)動(dòng)改變光的顏色
多普勒效應(yīng)在生活中，常見的例子是遠(yuǎn)方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細(xì)（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(yīng)，對于電磁波同樣存在多普勒效應(yīng)，廣泛地表現(xiàn)在無線電通信中。
多普勒效應(yīng)中的波源與接收者（觀察者）的移動(dòng)性可存在于：波源移動(dòng)，接收者（觀察者）靜止（如衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星在移動(dòng)，地球站相對靜止）；波源靜止，接收者（觀察者）移動(dòng)（如蜂窩移動(dòng)通信中，基站靜止，終端在移動(dòng)）；波源與接收者（觀察者）都移動(dòng)（如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星與用戶設(shè)施均在移動(dòng)）。
二、多普勒頻移
多普勒效應(yīng)造成的發(fā)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(yùn)動(dòng)中發(fā)生變化的規(guī)律。下述以聲波為例推出其多普勒頻移的計(jì)算公式。當(dāng)C SOUND為給定介質(zhì)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(jì)算公式應(yīng)為：
λ= C SOUND / f
如果只是聲波源以速度vs相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，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(dāng)vs / C SOUND << 1時(shí)，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(guān)多普勒頻移的計(jì)算公式
如果聲波源靜止，若觀察者以相對于介質(zhì)的速度vo運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(jì)算出f ′后，則多普勒頻移Δ f應(yīng)為：
Δ f = f ′ - f
當(dāng)聲波源與觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，f ′ > f，此時(shí)Δ f > 0；當(dāng)聲波源與觀察者背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，f ′ < f，此時(shí)Δ f < 0。
三、衛(wèi)星通信中的多普勒頻移
在衛(wèi)星通信中，當(dāng)衛(wèi)星與用戶終端之間、衛(wèi)星與地球站之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端收到的發(fā)射端載頻發(fā)生頻移，即多普勒效應(yīng)引起的附加頻移（多普勒頻移）。多普勒頻移對采用相關(guān)解調(diào)的數(shù)字通信危害較大。低軌道衛(wèi)星的軌道高度越低，衛(wèi)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(shí)，不同衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星系統(tǒng)工作在C頻段時(shí)的最大多普勒頻移的典型值，以及在星間切換時(shí)的多普勒頻移的突變值。以供參考。
表 3-2：不同衛(wèi)星軌道系統(tǒng)的多普勒頻移
欲進(jìn)一步了解衛(wèi)星通信信號傳播特點(diǎn)介紹的請進(jìn)入。
