卫星通信系统和技术-PPT课件

1、卫星通信系统与技术陈振国 杨鸿文 郭文彬 编著北京邮电大学出版社第三章 卫星地球站和VSAT3.1引言 3.2 地球站射频基本性能3.3 天线、馈源和跟踪系统 3.4 射频 (RF) 分系统 第三章 卫星地球站和VSAT3.5 通信公用和网络接口分系统3.6 固定和广播卫星业务地球站3.7 很小孔径终端网络 (又称VSAT网络) 3.8 地球站监控，辅助设备，和可靠性分析3.1引言描述地球站性能的一个最基本参量，是接收天线增益对噪声温度比 (G/T) 值，又称为地球站的品质因素。它表示一个地球站的接收能力强弱， G / T值越高就意味着这个地球站的接收能力越强。因此，根据提供业务和G / T值

2、的不同，可以按此对地球站进行分类。 3.1.1 设计考虑一个地球站的设计主要因素有：服务类型 通信业务类型 终端站对基带信号质量的要求 业务要求 价格和可靠性 设计过程可以用两个主要步骤来区分 第一步是基于整个系统的要求，由此形成地球站的基本参量如G/T值、发射功率、多址联接方案等。然后，地球站设计师和工程师以最佳的性能价格比，使设备配置设法达到上述性能指标。理解设计应用中的某些折衷 3.1.2 国际规定和技术限制1. 国际规定2. 技术限制3.1.3 地球站技术近期发展趋向迹象表明，最大的增长率多半还是移动卫星业务。用户的数目在本世纪前10年会达到1千万以上。大部分手持终端，都具有与地面移动

3、系统同时运行的能力。3.1.4 地球站设备一般组成图3-1 地球站设备的一般原理性框图 3.2 地球站射频基本性能3.2.1 有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：EIRP =PTGT 接收系统噪声分析和品质因素G / T值计算通常用天线增益对噪声温度比G / T，表示地球站天线和低噪声放大器的性能，它与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表示低噪声放大器输入端的接收天线增益。 1. 通信系统中的噪声 通信系统中有关噪声的论述时基于白噪声的噪声形式，它的功率谱密度为，在很大的频率范围内是平滑的。 在电子通信

4、系统中，由噪声源送到匹配负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz表示，为: 2. 放大器的噪声温度和噪声系数 系统噪声温度：噪声系数 : 3. 放大器级联噪声温度 图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统 n个系统噪声温度：n个系统级联时的噪声系数 4. 无源器件的噪声温度 有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F 5. 天线噪声温度 天线噪声温度是通过天线进入到接收机的噪声的量度，它是由所有外部噪声源产生的噪声分量的积分： 6. 系统总噪声温度 图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端 3.3 天线、馈源和跟踪系统天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收和发送特性是相同的。地球站天

5、线可以用来作为定义各个参量的样本。大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星。 1. 天线基础和辐射方向性图3-8 天线辐射方向性图 2. 天线主要特性参量 天线的半功率点波束宽度 天线方向性 效率 增益函数 图3-9 天线增益G与半功率点波束宽度hp的关系, 孔径效率 60 % 3.3.2 天线系统 基于它们的几何形状，地球站可以使用具有轴对称、和非轴对称的天线结构。 1. 轴对称结构图3-10 喇叭抛物面天线结构图 图3-11 卡塞格伦天线结构图 图3-12 极轴天线结构图 2. 非轴对称结构 (偏馈天线) 图3-13 非轴对称 (偏馈) 天线结构图

6、3. 天线安装图3-14 天线安装结构图: (a) 方位角仰角装置； (b) XY轴装置 3.3.3 馈源系统1. 主馈源系统功能2. 喇叭馈源3. 正交极化馈源图3-15 一种正交极化馈源系统的组成框图 图3-15 一种正交极化馈源系统的组成框图 3.3.4 跟踪系统 在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功率点波束宽度很大部分时，为了避免使天线指向损耗过大，必须要采用跟踪系统，即： S hp / N 对地球站天线跟踪系统的要求是 能部分或全部执行下列功能：卫星搜索 自动跟踪 手工跟踪 程序跟踪 图3-17 (a) 一种卫星跟踪系统的主要元件. (b) 一种步进跟踪系统 自动跟踪系统

7、1 步进跟踪系统 2 单脉冲跟踪技术 3 智能跟踪 3.4 射频 (RF) 分系统 3.4.1 发送设备1. HPA备份方式2. 多载波合成3. 功率合成 4. 高功放的非线性3.4.2 接收设备图3-27 (a) 参量放大器原理电路框图。(b) 一个GaAs FET低噪声放大器电路 参量放大器的等效噪声温度可以近似表示为： Te f S To / f i 参量放大器可大致划分 不致冷的：To 环境温度 + 100 C 270 C = 300 K；热电致冷的：To 500 C = 223 K；深致冷的：To 2500 C = 23 K。 3.5 通信公用和网络接口分系统3.5.1 上变频器 (

8、UC) 和下变频器 (DC) 设计 1. 上变频过程和上变频器设计2. 转发器跳跃、极化跳跃、和上变频器备份 3. 下变频过程 3.5.2 频率合成器所谓的频率合成器，就是用一个高稳定度的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后对它进行数学四则运算，用电路中的混频、倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技术，使它产生步长一定、与基准频率源具有同样稳定度的大量频率分量输出。图3-33 (a) 发送频率合成器原理图 图3-33 (b) 接收频率合成器原理图 图3-34 上、下变频合用一种微波频率合成器 3.5.3 中频放大、滤波、和均衡 放大、滤波、和群时延均衡功能是在中频实施的。 图3-35 在中频滤波中

9、的幅度和群时延限制 3.5.4 调制和解调 卫星通信中，调制和解调是在中频实现的。调制和解调系统的类型，应与多址联接方式 (FDMA或TDMA等)、基带信号数量 (多个或一个信道)、基带信号调制载波类型 (数字相位调制或模拟调频) 相适应.3.5.5 基带信号处理在发送端调制前和接收端解调后，根据信号的类型和传输特性，要对基带信号进行多项信号处理。 3.5.6 网络接口分系统这个分系统是地球站的通信系统设备，和地面网络基带信号之间的接口。主要功能是信号复用和去复用、数字话音插空 (DSI) 和信道倍增 (DCME)、回波抑制和消除，以及图像信号压缩编码 (DVB/MPEG-2) 等。 3.6

10、固定和广播卫星业务地球站这一节主要介绍三种类型的地球站：大型的INTELSAT的 A标准地球站，中等数据速率的中小型地球站，和VSAT小型地球站。3.6.1 大、中型固定业务地球站 1. 大型地球站原理框图 2. 数字话音插空技术 (DSI) 和中速数据业务 (IDR)数字话音插空技术 中速数据业务(IDR)的发展3. TDMA / DSI (或 DNI)3.6.2 广播卫星业务 (BSS) 地球站和卫星电视接收 卫星电视广播发展概况卫星电视广播系统组成，模拟卫星电视接收机（调谐器）数字压缩卫星电视接收机原理框图 (DVB / MPEG-2)3.7 很小孔径终端网络 (VSAT)网络VSAT小

11、站的主要特征是天线孔径小，设备结构紧凑；全固态化，功耗小，成本低；覆盖范围大，对环境条件要求不高；安装组网灵活方便，网络结构、性能指标、设备特性和管理等，都可按照用户的需要来进行设计。3.7.1 VSAT 网络结构和组网方案用在VSAT网络中的主要结构有：星型结构、广播网络、网状或总节点 (总线连接) 连接。1. 网络结构组网方案 星型网结构网状 (或总节点) 网连接 星形和网状网的混合结构连接卫星单跳结构 远地终端 2. 组网方式 共用网方案图3-51 VSAT系统的共用网方案 3. 网状系统中的传输技术 (1). DAMA / SCPC (2).TDM / SCPC (3).TDMA (4

12、).CDMA 3.7.2 典型VSAT系统组成图3-52 VSAT系统典型数据通信主站原理框图 1. 主站图3-53 VSAT系统典型语音通信主站原理框图 2. VSAT站 (又称远端小站) 图3-54 VSAT系统端站: (a) 原理框图. (b) 外形结构 3. 空间段VSAT系统空间段的主要部分是卫星转发器，它多数是Ku波段，也仍然有C波段的。从传播条件考虑C波段条件好，受降雨衰减影响小，可靠性高。 3.7.3 VSAT系统工作原理 1. VSAT系统的数据通信网 如图3-55所示的VSAT系统，小站和主站是通过卫星转发器连成星型网络结构。其中主站发射的EIRP高，接收G/T值大，故而所

13、有小站都可直接与它互通。 图3-55 VSAT小型地球站网络 (1). 卫星多址联接方案 数据通信时，在VSAT系统中使用的主要是随机联接和预约方案。 (2). 自适应分配TDMA(AA/TDMA)外向传输 (Outbound) 内向 (Inbound) 数据RA/TDMA信道图3-56 AA/TDMA的幀格式和分组格式 图3-57 (a) 随机连接模式传输 (b) 预约模式数据传输 图3-58 混合模式传输时平均时延与流量的关系曲线 (3)协议变换，误差控制和流量控制协议变换目标 误差控制 流量控制 2. VSAT系统的电话通信网 该电路通信网主要特征是BPSK或QPSK调制。TDM，1/

14、2 FEC率卷积编码，维特比译码。P T = 5 50 W，T = 80 K。多址方式： DAMA/SCPC(SCPC/PSK/FDMA), 或PA/SCPC。(1). 频率分配方案 频率分配方案是FDMA多址方式，可分配频带被分成业务信道和控制信道两部分，信道分配方案绘出如图3-59所示。 图3-59 TES系统的信道频率分配方案 (2) TES系统的原理框图 TES系统的室外单元由天线中频单元和射频单元等组成。室内单元由地面接口设备(TIE)语音信道单元(VCU)数据信道单元(DCU)监控信道单元(MCU)和中频分路盘等所组成，如图3-60所示。 图3-60 小功率TES系统的 (a) 设

15、备框图 图3-60 小功率TES系统 (b) 结构外形 图3-61 (a) TES系统小功率室外单元的原理框图 图3-61 (b) TES系统小功率室外单元的结构外形 3. VSAT系统的CDMA窄带数据网 系统和设备主要参数：系统远端站室内单元的设备 图3-62 CONTEL系统的CDMA系统3.7.4 90年代后期VSAT网络的发展 1. 用于Internet连接的VSAT网络2. 宽带VSAT的工业化3.8 地球站监控，辅助设备，和可靠性分析3.8.1 地球站监控 (M&C)监控装置的主要作用是检测设备的故障情况，判断故障的模式，自动切换到备份系统。图3-63 一个的地球站射频设备的的监控原理框图 射频设备的监控主要包括 HPA、 LNA、 UC和 DC等的备份切换逻辑电路； 数据搜索单元 (DAU) ； 天线控制单元 (ACU) 。 图3-64 1：1备份LNA逻辑控制电路 3.8.2 辅助设备对一个地球站讲，有下列三种类型能源：不仃电电源 备份电源 无备份电源 3.8.3 设备可靠性分析除天线外，地球站的各个分系统都采用某种备用方式，以提高它的可靠性。一般情况下，硬件的可靠性是表明它在