卫星通信地球站设备1教材

1、卫星通信地球站设备一、地球站的分类及组成1.1 地球站的各类1.1.1 卫星通信地球站 可以按安装方式、传输信号特征、天线口径尺寸、设备规模及用途来分类：1、按安装方式：固定站可搬运站移动站2、按传输信号特征：模拟站数字站3、按业务性质：遥测、遥控、跟踪站通信业务站4、按用途分：民用通信站：公用站专用站军用通信站：战略通信站战术通信站卫星广播业务 气象卫星航空、航海、导航科学实验另外还可以按工作频段、通信卫星类型、多址方式、天线口径等分 类。目前国际上，通常地球站天线口径尺寸及 G/T 值的大小将地球站分为 A 、B、C、D、E、F、 G、Z 等各种类型见下表 1：表 1：各类地球站的天线尺寸

2、及性能指标类型地球站标准天线尺寸（米）最小 G/T（ dB/k）频段大型站A15 18（原 3032）35（原 40.7）CC12 14（原 1518）37（原 39）KuB111331.7C中型站F391029CE381034KuF27827CE25729Ku小型站F14.5522.7CE13.525KuD14.5522.7CVSATTVROG0.6 2.45.5C、Ku1.21116C、Ku国内Z0.6325.516C、Ku其中 A、B、C 型站称为标准站，用于国际通信；E和 F又分为 E1、E2、E3和 F1、F2、F3等类型，主要 用于国内通信。其中 E2、E3 和 F2、 F3 又称

3、为中型站。 E1、F1 称为小 型站。1.1.2 VSAT 地球站的分类1、按安装方式固定、可搬、车载、机载、船载、背负式、手提式等 站。2、按网络结构星状、网状、星状网状混合结构。3、按收发方式单收站、单发站、双向站。4、按业务性质固定业务和移动业务。5、按支持的主要业务类型分话音 VSAT 站、数据 VSAT站、综合 VSAT 站。其它的还有按工作频段分（ L 波段、 C 波段、Ku 波段等）、多址方式 （FDMA 、TDMA 、CDMA 、SDMA 等）。1.2 地球站的组成 一般的卫星通信地球站，尽管对于不同的通信体制，地球站的组成 不尽相同。但其基本组成一般包括：天线分系统、发射分系

4、统、接收分系统、信道终端设备、遥测跟踪、 监控分系统、伺服跟踪分系统和电源分系统。1.2.1 VSAT 地球站设备组成VSAT 卫星通信网由卫星转发器、主站（中心站）和远端小站三部分组成1）主站的设备组成：见图 1：主站设备连接方框图。这是我们为中国机械进出口总公司海外 VSAT 卫星通信系统所做的技 术方案的主站设备构成。该系统的主站设在中石油通信公司（固安） 远端小站 8 座，设在刚果（布）。该系统工作在扩展 C 波段（即上行 频率为 64256725MHz，下行频率为 34003700MHz ），拟租用泛美 8 通信卫星（ 68.5E）。主站设备由三部分组成：天线、 ODU、IDU （还

5、有网管）。OMT 双工器（正交模转换器、正交模耦合器、极化分离器）收发 共用天线要使用双工器。HPA高功率放大器Booster HPA 放大器的激励级BUC（ Block UPCoverter）上变频器块LNB （ lew noise amplifier Dwon Coverter Block ）低噪声放大及下 变频器。ODU 和 IDU 使用了三个不同厂家的设备ODU 采用的万康公司提供的美国 mitec 公司的设备IDU 有德国诺达公司的 IDU5000 室内单元。以及 Comtec 公司的卫星 调制解调器（ 570L）。主站设备组成的特点：上、下变频器采用一次变频。中频为 L 波段（发：

6、 9501525MHz、 收： 950 1700MHz）主站为多载波工作（将来是）目前是单载波工作，由 IDU5000 发射一个大载波，接收也是同一 个大载波满足刚果（布）项目的 8 个小站的通信。10 MHz参考信号和 LNB 的直流供电由不同的室内单元供给，诺达 公司室内单元 IDU5000分别对发信和收信支路提供 10 MHz 参考信号。由 570LMODEM 对发信支路的 BUC 提供直流 24V 供电并对 LNB 提 供直流 24V 供电。功放则由室内的交流电源供电并在 Booster 内，经交直流变换后提供 功放所需的直流电压。在室内单元分为两个系统一个是 IDU5000 为 TD

7、MA 体制的系统。 此系统为网状网， 有网管设 备对该系统进行监视控制管理。另一个系统则是由 570L 调制解调器构成。它是一个 TDM/MCPC 体 制的系统，是个星形网，固定预分配的系统。 （570L 有其特点，即它采用 了 Turbo 纠错编码）。这两个系统共用室外单元 ODU 和天馈系统。2、远端小站设备组成见远端小站设备连接方框图图 2ODU 由万康公司提供的澳大利亚的 Coden 公司的设备；IDU 则由德国诺达公司 SKYwanODU2500 室内单元； 小站设备由三部分组成：天馈系统、 ODU、IDU ； 上、下变频均为一次变频，中频为 L 波段； 小站发射一个载波 （TDMA

8、 大载波），接收一个载波 （与发射的 TDMA 为同一个载波）；IRD电视接收机（接收泛美 4号星的中央第 4套、第 9套节目）； 由 IRD 向 LNB 提供直流 24V 电源；IDU2500 向收、发支路提供 10MHz 参考信号；BUC 由室内交流电源提供供电。 注：将来在远端可以配置以 570L 调制解调器作为室内单元再配以扩展 C 波段的天线和 ODU ，构成星形网的的远端小站。 二、地球站的天馈系统2.1 天线的功能与分类2.1.1 天线的功能1）把发送设备产生的大功率微波信号以电磁波的形式向卫星辐射。2）接收卫星转发器的微波信号，并把它送至接收设备的第一级低噪声放 大器中。3）要

9、使天线始终对准卫星方向（采用伺服跟踪系统） 。2.1.2 天线的分类卫星通信一般采用面天线，所谓面天线，就是具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。面天线主要包括单反射面天线和双反射面天线两大类。其主要类型 如下：1）前馈式抛物面天线（单反射面）由馈源喇叭和主反射抛物面组成如图 2A 。由位于焦点处馈源发出的 球面波经抛物面反射后变换成平面波， 形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波 束，这种天线早期用过，由于馈源的阻挡，效率较低，现已不用。2）偏馈（偏置）抛物面天线（单反射面天线）它实质上是切割抛物面部分曲面，在焦点处放置馈源喇叭，使其仅 对偏置反射面照射。图如 2b，由于馈源偏离视轴，不产生阻

10、挡，故可提 高效率，降低副瓣。 是 VSAT 小型地球站理想的天线。比如， Ku 波段 1.2 米天线和 1.8 米天线均采用此种天线。3）卡塞格伦天线（双反射面天线） 利用后凸双曲面和抛物面而形成的双反射面天线。如图 2c 所示。 由馈源喇叭对副反射面（双曲面）照射，再由副反射面再对主反射 面（抛物面）照射形成平面波束。 这种天线口径利用系数高，从而提高了 天线的效率。这是大、中型卫星通信地面站， 不论 C 波段还是 Ku 波段，均采用此 类天线。（属后馈式天线）。4）环焦天线（双反射面天线） 环焦天线又称偏焦轴天线。其特点是作为主反射面的焦点不是一个 点而是副反射面前的一个焦环，如图 2d

11、 所示，它克服了馈源喇叭直接照射副反射面产生驻波的缺点。 并减少了副反射面遮挡的影响， 提高了效率，降低了副瓣电平。适用于 VSAT 小型地面站及电视单收站图 2b: 偏馈抛物面天线2.2 天线的构成1）天线的组成 以卡塞格伦天线为例，它是由主反射面、副反射面、馈源喇叭（初 级辐射器、或一次辐射器） 、双工器、座架、驱动装置。（对于大型天线有 同服跟踪系统）等组成。一般 6 米以下天线不需要自动跟踪系统。 67 米天线可用可不用。 8 米以上天线需要自动跟踪系统。天线的驱动方式：人工、电动、自动三种方式。2）双工器（1）关于极化在介绍双工器之前，先来介绍关于极化的基本概念。什么是极化、 什么是

12、线极化、什么是园极化？什么是极化表征均匀平面波的电场矢量在空间指向的变化。它是 通过电场矢量末端的轨迹来具体说明。光学上称之为偏振。按电场矢 量轨迹的特点极化分为线极化、园极化、椭园极化三种。 什么是线极化、园极化、椭园极化？当电场矢量末端的轨迹在垂直于电磁波传播方向的垂直平面上的投影 是一条直线时，称为线极化波。当投影是园时，为园极化波，投影为椭园时为椭园极化波。 级极化分为垂直极化和水平极化。园极化分左旋园极化和右旋园极化，向传播方向看过去电场矢量顺时 针旋转的称为右旋园极化。逆时针旋转的称为左旋园极化。 线极化、园极化、椭园极化波之间的关系。空间传播的电磁波常为椭园极化波。即瞬时电场的大

13、小和方向随时间 变化，其矢量轨迹为椭园形，椭园的长轴与短轴之比定义为轴比。当 轴比为 1 时变为园极化波，当轴比为无限大时，椭园极化波变为线极 化波。因此，线、园极化波是椭园极化波的特例。10任一椭园极化波都可以分解为两个极化方向互相垂直的直线极化波的 叠加。 任一直线极化波也可以分解为两个振幅相等但旋转方向相反的园极化 波的叠加。任一园极化波可分解为两个振幅相等，相位差 90（或 270）的两 个线极化波。园极化和线极化波的相互转化 通过微波移相器可将园极化波转换为线极化波，也可将线极化波转换 为园极化波。（2）双工器： 对于区域或国内卫星通信通常采用线极化天线（对于国际卫星通信 通常采 用

14、园极 化天 线）。而线极 化天 线所 用的双 工器 又称 为 OMT （Oithomode tiansduser）， OMT 又叫做正交模转换器或正交模耦合器。OMT 的作用是用于收发共用天线来分离收发信号的。 其结构见图 2e所示 OMT 有三个端口，若端口 1 输入垂直线极化波，端口 2 输入水平线极化 波，则从端口 3 将输出两个互相垂直的线极化波。 相互垂直的两个线极化 波之间无能量耦合，传输互不影响。根据图中的结构，端口 1、2 是相互 隔离的，故端口 1的电磁波不会传到端口 2 云，反之亦然。按照互易原理， 若端口 3 输入两个互相垂直的线极化波，它们将分别从端口 1 和端口 2

15、输出。11在端口 1 接发射机，端口 2 接入接收机，端口 3 接天线的馈源喇叭， 这样就构成了卫星通信天线的双工器。发射信号（端口 1）不会传至接收 机（端口 2），而是传送给天线（设发信信号为垂直极化波） ，而从天线接 收来的水平极化波只能传送至端口 2（接收机），而不能传送至端口 1（发 射机），起到了收发分离的作用。通常为了增大收发信的隔离度， 在 OMT 的收信支路还要安装一个发 信带阻滤波器，以便进一步抑制发信号进入收信机（ LNB ）。一般该滤波 器提供 55dB 的阻带，加上交叉极化隔离 30dB，收发总的隔离度可达到 85dB。2.3 天线的主要性指标 天线的主要电气性参数有

16、：天线口径、工作频段、天线增益、方向 性图、极化隔离度、天线的噪声温度、极化方式。1）天线增益 定义在输入功率相等的条件下，实际天线与各向均匀辐射的理想 点源天线，在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。12增益的计算公式22G（ D/ ） = （ Df/ C）G 天线增益 天线线效率（一般在 50%-70%）D 天线的直径 工作波长（ f- 工作频率）C 光速通常天线增益以分贝（ dBi）表示2G=10lg（ D/ ）22） 天线方向性图 定义以天线的焦点为原点在各个方向上辐射的强度。用以说明辐射 场在主轴方向上的集中程度，或非主轴方向的抑制程度。通常方向性 图仅在某一平面内测量，得到平面方

17、向图，如 E面、H 面方向图或水 平面、垂直面方向图。主瓣和旁瓣 （见图 2F）最大辐射方向的波瓣称为主瓣， 其余称为旁瓣， 有第一旁瓣、 第二旁 瓣离主瓣 180的旁瓣称为后瓣。主瓣越尖锐，则方向性越好。旁瓣会对卫星通信系统产生干扰，因 此旁瓣的抑制是天线的重要指标。波束宽度（波瓣宽度） 波束宽度又称主瓣宽度，又称半功率波束宽度（指方向图主瓣最大功13率下降 3dB 处的夹角）波束宽度： 2 0.5=( 58- 80 ) /D例： 4.5米天线：C 波段20.8 （发射）Ku 波段2 0.32（发射）3米天线：C 波段： 1.1（发射）Ku波段： 0.44 （发射）天线发射旁瓣方向图指标第一

18、旁瓣的功率必须比主瓣小 14dB 以上； 旁瓣峰值超过下式所确定的包络线的旁瓣数目不能多于总旁瓣 数的 10%。G29-25 lg 10 20G 旁瓣的增益 主波束最大值（中心轴）与旁瓣的夹角，以度计3）天线噪声温度 进入天线的噪声主要有二种：银河系的宇宙噪声和来自大地、大气的 热噪声。C波段主要是大地、大气的热噪声 同一天线尺寸，仰角越低，天线热噪声越大（因为信号穿过大气层的 厚度越大，大气噪声越强） 。一般天线的仰角要大于 10 同一仰角时，天线越大，天线噪声温度越低14举例：天线仰角4.5 米天线3米天线4.5 米天线3 米天线C波段C波段Ku波段Ku波段540K4171K651029K

19、28.5 55K512023K24.747K443019K23.745K424）极化隔离度 用交叉极化鉴别度 XPD来衡量极化的纯度。XPD=10lg （主极化分量的功率 /交叉极化分量的功率 ）dB2.4 调整天线对星 调整天线对星的三大参数是：方位角、仰角、极化角。 方位角和仰角的调整是通过调整天线来进行的，而极化角的调整则 是旋转馈源的双工器来进行极化匹配的。1、方位角 方位角是以真北为参考点，沿顺时针开始计算的角度（ 0 180） 下面是以正南为基准进行方位角的计算。方位角的计算A=arctg【tg（ s- g）/sin】s 卫星（星下点）经度g 地球站的经度15 地球站的纬度方位角的

20、调整： 首先用指南针找到正南方，使天线方向正对南方，如果计算的方位角A 是负值，则将天线向正南偏西转动 A 度。2、仰角：地球站主瓣的中心线与地面水平线形成的夹角（ 0 90） 仰角的计算公式?H=arctg（cos（s-g）.cos-0.5127/1- 【cos（s-g）cos】2 ? H 仰角 s 卫星（星下点）经度 g 地球站的经度 地球站的纬度仰角的调整： 最好用量角器加上一个垂针作成的仰角调整专用工具。 调整顺序：先调整好仰角，再调整方位角。3、极化角：国内和区域卫星通信一般均采用线极化，线极化分为水平极化和垂 直极化。（水平极化以 /符号表示，垂直极化用表示）天线极化的定义 以地球

21、站的地平面为基准，天线馈源的双工器的矩形波导管口窄边平 行于地平面 （电场矢量平行于地平面） ，则为水平极化。 窄边垂直于地16平面，则为垂直极化，如下图E 垂直E 水平E 垂直地平线E 水平图：水平与垂直极化波极化角的计算方式：P=arctg【sin（s- g）/tg 】P 极化角 s 卫星（星下点）经度 g 地球站的经度 地球站的纬度极化角的调整先计算出极化角的数值，其值有三种情况P0： 极化角为零（当卫星经度与地球站经度一致时） ，不需要再 旋转双工器，是水平极化就调到水平极化（或垂直极化） 。P0： 当卫星经度小于地球站经度时，极化角得负值（此时的方位17 角是正南偏西），对于前馈天线

22、， 逆时针旋转双工器 P 角度。对于后馈 天线则顺时针旋转双工器以 P 角度。P： 当卫星经度大于地球站经度时，极化角 P得正值。（天线的方 位角应是正南偏东），对于前馈天线，将双工器顺时针旋转以 P 角度（站 在天线前）对于后馈天线，将双工器逆时针旋转以 P 角度（站在天线 后）。对星的实际调整：（可分两步） 粗调按所计算的方位角、仰角来调整天线的指向，按计算的极化 角旋转双工器旋转的角度。细调用频谱仪，或电视卫星接收机中的信号强度指示进行调整。 方位角、仰角、极化角计算举例以北京为例：（东径 116.46，北纬 39.92 ）卫星经度方位角仰角极化角亚太 R76.5E南偏西 52.5528

23、.3537.51鑫诺 1 号110.5E南偏西 9.2443.47.07三、室外单元（上、下变频器）上变频器将中频信号变换成射频信号称为上变频器下变频器将射频信号变换成中频信号称为下变频器1、变频器应具备的特性：1）低交调失真18为适应多载波工作应有足够好的交调指标。2）频率可变性 在卫星转发器所覆盖的 500MHz 带宽内，应能任意变换工作频率。3）高频率稳定度4）低的相位噪声 对数字载波而言，必须有低的相位噪声。2、变频器的工作原理 变频器由混频器和本地振荡器所组成。混频器是将两个输入信号频 率进行加、减运算的电路。工作原理：混频器由非线性器件和带通滤波器组成。由于混频器是非线性器件， 当

24、输入二个频率时（中频信号和本振频率）其输出，除这两个基波信 号外，还会产生新的频率分量：二个输入信号的各次谐波以及各种组 合频率，组合频率中最主要的是二个输入频率的和频与差频。其中和 频或差频是我们所需要，一般上变频取和频。因此用带通滤波器让和 频的频率通过其余的的有频率分量被抑制。因此变频器起到了频谱搬 移的作用。3、变频方式：上、下变器的变频方式有一次变频和二次变频1）两次变频方式我们以 C 波段为例19a）上变频器b）下变频器20上变频器各级频率的关系是： 第一中频： 70MH z 18MHz （固定频率） 第一本振频率： 1112.5 MHz（固定频率） 第二中频频率： 1182.5

25、MHz（取和频）固定频率 第二本振频率：（可变频率） 4742.5 5242.5 MHz 产生发射的 RF信号频率： 59256425 MHz 下变频器各级频率的关系是：RF输入信号频率： 37004200 MHz 第一本振频率：（可变频率） 4742.5 5242.5 MHz 第一中频频率： 1042.5 MHz（固定频率）取差频 第二本振频率：（固定频率） 1112.5 MHz 第二中频频率： 70 MHz 本振频率合成器（或本振频率综合器） 固定频率合成器产生固定频率 112.5 MHz 作为第一上变频器和第二 下变频器的本振信号。21可变频率合成器产生 4742.5 5242.5 MH

26、z 本振信号作为第二上变 频器和 LNB 的本振信号。两个频率合成器的参考频率源是 10MHz 高频率稳定度的晶体振荡 器。2）一次变频各级频率关系：来自调制解调器的可变 L 波段频率： 950 1450 MHz本振频率为 4975 MHz 固定频率产生 C波段发射的 RF 频率： 59256425MHz（取和频）b） 下变频器（框图如下）22各级频率关系接收 RF输入信号： 37004200MHz 固定本振频率： 5150 MHz产生 L 波段中频（可变）：9501450 MHz 四、卫星信道编码与调制技术1、卫星信道编码技术 数字信号在传输中，往往由于各种原因，使得传输的数据流中产生 误码

27、。因此降低误码率是信道编码 （纠错编码）的基本任务。 其本质是增 加通信的可靠性。信道编码的过程是在源数据流中加插一些码元，从而达到在接收端 进行判错和纠错的目的。 当然加插的这些码元 （称为开销） 会降低有用的 信息速率。1）编码调制方案应考虑的因素23 差错概率 频谱利用率（ Rs/w）。 Rs信息速率， W带宽。 功率效率（为达到某误码性能 Pe 值所要求的 Eb/No 值 复杂度 2）常用的纠错编码方式 卷积编码（维特比译码） 卷积编码的编码效率 1/2、2/3、3/4、5/6、7/8适合于纠 随机差错 RS 编码（里德所罗门编码）截短的 RS 码（ 204、188） 它是线性分组码，

28、开销是 16 个字节 其编码效率为 188/204 适合于纠突发差错，纠突发差错的长度最大 8 个字节。 Turbo 编码93 年诞生的 Turbo 码，它是由两个递归系统的卷积码利用交织器 把它们并并行级联构成。由于它不需要二次编码， 其编码效率比传统的 RS码卷积码要好 级联码：RS 码（外码）卷积码（内码） ，采用维特比译码，RS 码（外码） TCM （内码）格状编码24LDPC 码（低密度奇偶校验码，外码） Turbo 码（内码）2、卫星信道的调制技术卫星信道的心脏是调制解调器， 卫星系统的性能主要取决于使用的调 制解调和滤波方法。 系统的频谱效率， 需要的功率、 天线的尺寸，以至整

29、个性能都明显地受到调制解调器的影响。1）对调制解调的基本要求有较高的功率利用率（功率效率）为达到一定的 BER所需的 Eb/No（比特能量 /噪声功率谱密度，又称为 归一化信噪比或能量信噪比）要求在一定的 Eb/No条件下，BER 低的 调制方式，以节省卫星功率。有较高的频谱效率频谱效率指 1Hz 系统带宽所传输的信息速率（单位： bit/s/Hz）。2） 常用的调制解调方式鉴于卫星通信信道的非线性，而要求采用恒包络调制，主要采用的 是 MPSK 。M 值越大频谱利用率越高，同时对功率的要求也越高。其中 QPSK 的频谱效率是 BPSK 的二倍。二者的功率利用率都是最 高的。因此目前 QPSK 是卫星通信中主要的调制方式之一。随着卫星和地球站功放线性化水平的提高和数字调制技术的进步，将来也会采用频谱利用率更高的高阶调制方式如8psk， 16 QAM 、32QAM 、OFDM 、和 TCM 等。各类调制的频谱效率：25BPSK：1bit/s/HzQPSK：2 bit/s/Hz 8PSK： 3 bit/s/Hz 16QAM ：4 bit/s/Hz 功率效率比较调制方式Eb/No(在 BER10-3)QPSK6.9dB(3/4FEC)8-PSK9.3dB(3/4FEC