卫星通信第三章课件

第三章地球站第三章地球站引言地球站射频基本性能天线和跟踪系统射频分系统通信公用和网络接口分系统固定和广播卫星业务地球站VSAT系统地球站第一节：引言地球站的分类地球站设计考虑地球站组成引言地球站设计考虑：服务类型：FSS、BSS或MSS通信业务类型：电话、数据和电视等终端站对基带信号质量的要求业务要求：信道数、业务类型（连续或突发）价格和可靠性引言地球站组成：地球站第二节地球站射频基本性能EIRP（有效全向辐射功率）G/T（天线增益对噪声温度比）地球站射频基本性能EIRP：例：高功率放大器的输出为2KW，一个直径为20m的卡塞格林天线在14.25GHz时的发射天线增益为66.82dB，高功放到天线馈源的波导损耗为1dB。求地球站输出的EIRP。地球站射频基本性能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地球站射频基本性能G/T：通信系统的噪声：N=KTsB。K—波尔兹曼常数，1.38*10-23(J/K)~RLR地球站射频基本性能G/T：两级网络等效噪声温度第一级输出端的噪声功率为N1=G1kB(Ts+Te1)该噪声经第二级放大后为N12=G1G2kB(Ts+Te1)第二级内部噪声源产生的噪声功率为N2=G2kTe2B总输出噪声功率为：两级网络的的等效噪声温度为：G1,Te1G2,Te2噪声源地球站射频基本性能G/T：无源网络的噪声温度地球站射频基本性能G/T：噪声系数F：当网络及其输入端的噪声源均在标准室温（T0=290K）时，该网络的输入信噪比与输出信噪比的比值。地球站射频基本性能G/T：地球站接收系统的噪声温度在低噪声放大器输入端，地球站系统的噪声温度为：地球站射频基本性能G/T:例：一副直径为20m的卡塞格林天线，在11.95GHz处它的接收天线增益为65.53dB。地球站接收机的前端参数如下：天线噪声温度TA=60k波导损耗L1=1.072(0.3dB)低噪放等效噪声噪声温度Te2=150k低噪放增益G2=106(60dB)下变频器等效噪声温度Te3=11*103k求G/T地球站射频基本性能G/T：天线增益越高，G/T越大，下行载波噪声比也越高天线馈源连接到低噪放输入端的连接波导损耗越低，G/T越高低噪放的等效噪声温度越低，G/T越高，另外它的增益应该足够大G/T的计算与参考点无关天线和跟踪系统天线基本性能：天线辐射方向性图：天线上接收到的信号功率电平作为每根轴上角度的函数曲线天线和跟踪系统天线基本性能：天线主要特性参量增益半功率点波束宽度（半功率角）：与孔径中的场分布，天线直径D及工作波长有关效率天线和跟踪系统天线类型：抛物面天线：主要用于收信，同时收发效果不好卡塞格林天线：目前大型地面站主要使用偏馈天线：小型站。非轴对称结构，结构复杂，小尺寸天线和跟踪系统天线类型：卡塞格林天线天线和跟踪系统天线类型：偏馈天线天线和跟踪系统天线指向损耗：天线指向矢量与卫星位置矢量不重合导致的功率损失天线和跟踪系统跟踪系统：跟踪技术优点缺点应用步进跟踪设计简单，低价位；只要求一个RF信道，射频相位稳定度不重要；可使用通信信号，对馈源无附加要求跟踪精度低；响应时间慢；信号幅度波动，对跟踪精度有影响低价位、简单地球站(如B型站)；船用地球站单脉冲技术馈源中没有机械活动部分，维护工作很少；跟踪精度很高；响应速度快起码要求有两个信道的相关接收机；要求有良好的射频相位稳定度；昂贵；馈源系统大而复杂大型地球站(A型站)；地球站要求能准确跟踪非静止轨道卫星智能跟踪步进跟踪系统的所有优点；高跟踪精度；在锻炼壮态后能对抗信标的幅度波动响应时间慢；最初搜索时对幅度的波动敏感；搜索后几小时，才能达到高精度跟踪大、中、小型地球站；地球站对信标幅度起伏和衰落敏感地球站第四节射频分系统：高功率放大器低噪声放大器射频分系统高功率放大器的分类：行波管放大器：输出功率100~200W，带宽大于500MHz速调管放大器：输出功率大，可达几千瓦，但带宽小，只有行波管的2%GaAsFET放大器：固态功放，功率小（20~30W,最大110W)，但是供电简单，寿命长，效率高射频分系统高功率放大器：备份方式和切换功率分路器HPA1HPA1上变频器来到天线馈源射频分系统高功率放大器：功放的非线性饱和非线性BO0A射频分系统低噪声放大器：参量放大器：噪声温度可以做的很低。在深制冷条件下工作，液态氦4.2k，液态氮77kGaAsFET放大器：噪声温度较低，性能稳定可靠，价格较便宜，被广泛应用在卫星通信单收站HEMT：高电子迁移率晶体管，低损耗、低噪声地球站第五节：通信公用和网络接口分系统上、下变频器频率合成器中频放大、滤波和均衡调制和解调基带信号处理网络接口分系统通信公用和网络接口分系统上变频器一次变频二次变频通信公用和网络接口分系统上变频器设计：已知条件：fo（中频），上行频率fu，f要求：只发射一个边带上行频率可能快速跳跃设计思路：一次变频二次变频通信公用和网络接口分系统上变频器设计：BPF1窄带，BPF2宽带11固定，12可变频率约束条件：说明：二次变频应选用同一边带BPF1要求滤的很干净BPF111BPF212通信公用和网络接口分系统上变频器设计：例：fu=5.9~6.4GHz,f=500MHz,fo=70MHz,B=36MHz选f11=930MHz，BPF1的中心频率1000MHz+/-18MHzf12=fu-fo-f11=4.9~5.4GHzf12-(f11+fo)=3.9~4.4GHz，肯定在500MHz带宽外，不能通过BPF2BPF111BPF212通信公用和网络接口分系统下变频器一次变频二次变频通信公用和网络接口分系统下变频器设计已知条件：fo（中频），下行频率fd，f要求：必须抑制镜像频谱进入下行频率可能快速跳跃BPF111BPF212f12f11f11+f0=fd-f12f11-f0=fd-f12-2f0镜像fd引起镜像频谱fd-2f0通信公用和网络接口分系统下变频器设计BPF2宽带，BPF1窄带12可变，11固定频率约束条件：BPF111BPF212通信公用和网络接口分系统微波频率合成器：要求：输出电平稳定高的频率稳定度高频谱纯度和低的相位噪声宽的调谐范围和灵活变化fo的能力通信公用和网络接口分系统微波频率合成器：如何实现？一个基准的频率源（高稳定度的晶振），通过一系列频率的四则运算，在一定的频率范围内得到间隔一定，稳定度与频率源相同的大量频率分量输出晶振+电路（混频、倍频、分频）+锁相技术目前大部分地球站采用高稳定度的5MHz（或10MHz）晶振，在恒温条件下工作地球站第六节固定和广播业务地球站：大、中型固定业务地球站广播卫星业务VSAT网络固定和广播业务地球站大、中型固定业务地球站大型业务地球站DSIDCMEIDRTDMA大、中型固定业务地球站大型业务地球站：采用卡塞格伦天线，另外多采用窄波束天线，需要精确的跟踪系统高功放的额定功率和配置决定于发送载波数目、类型和规模，大多采用行波管和速调管LNA的噪声温度要等于或小于天线噪声温度目前采用的体制为TDM/QPSK/FDMA或TDMA大、中型固定业务地球站DSI（数字话音插空）：针对电话通信实现DSI的基础：通话时间38%（国际上统计数据）。发话时分配信道，设信道数为M，用户数为N，则N>M，增益GD=N/M；一般M增大，GD也增加。实现DSI的方法：时分话音内插(TASI)话音预测编码(SPEC)大、中型固定业务地球站DSI（数字话音插空）：国际规定的DSI技术标准：剪音率0.5%竞争性切断>50ms的概率<2%大、中型固定业务地球站DCME：DigitalCircuitMultiplicationEquipment1988年CCITT定义DCME为“允许将一定数量的64kbit/sPCM编码的干线信道集中在更少的传输信道中传输的一类设备”DSI+ADPCMDSI2.5:1ADPCM2:1DCME5:1大、中型固定业务地球站IDR(中等数据速率)：采用TDM-QPSK-FDMA方式速率范围为64kbps~44.736Mbps大、中型固定业务地球站IDR的工作方式：信源编码：DSI+ADPCM信道编码：3/4FEC多路复用方式：TDM载波调制方式：DQPSK多址方式：FDMA大、中型固定业务地球站IDR的有关规范：速率：64kbps~44.736Mbps。1.544Mbit/s以上与一次群、二次群、三次群速率等级相同，低于1Mbps符合ISDN传输速率标准。目前用得最多的是2Mbit/s,6Mbit/s,8Mbit/s误比特率：在晴朗天气下，BER优于10-7，在恶劣天气下，全年99.96%的时间内，BER优于10-3大、中型固定业务地球站IDR信道单元：报头加入前向纠错编码和扰码QPSK调制器多路复用报头除去前向纠错解码和解扰码QPSK解调器分路大、中型固定业务地球站TDMA：TDMA/DSITDMA/DNI固定和广播业务地球站广播卫星业务：卫星电视广播系统的组成卫星电视接收机直播卫星数字视频卫星电视接收机广播卫星业务概述：覆盖面积大、使用频率高、传输容量大和信号传输质量高主要分为两类：利用通信卫星转发电视直播卫星广播卫星业务卫星电视广播系统的组成；上行地球站广播卫星卫星电视接收站遥测遥控跟踪站广播卫星业务卫星电视接收机：卫星电视单收地面终端(TVRO)广播卫星业务卫星电视接收机：低噪声放大器的噪声温度为40~50K，噪声系数为1.2~1.5dB下变频器与低噪声放大器集成在一起，又称高频头，要求高频头具有宽带特性设计TVRO时，在接收机的成本和性能折衷。90%的用户认为35dB信噪比对应的图像质量是可接受的，50dB是优秀的。FM调制改善因子36.5~37dB对应的C/N是-2到13dB广播卫星业务直播卫星(DBS)：功率利用率高、覆盖范围广。Ku波段发射机的EIRP值为54~60dBw除了下行线路的辐射功率比普通卫星的下行线路功率大10dB外，许多特性与通信卫星类似目前已经明确提出DTH（DirecttoHome）广播卫星业务站数字压缩卫星电视接收机：DVB-SMPEG-2信源编码，图像信号压缩到5Mb/s加上伴音、图文、附加数据等，总速率为6.11Mb/s纠错编码为级联码，其中内码为3/4码率卷积码，外码为RS码，编码后速率为8.84Mb/sQPSK调制固定和广播业务地球站VSAT网络：VSAT：VerySmallApertureTerminalVSAT网络的特点VSAT使用频段网络结构组成工作原理多址方式VSAT网络VSAT网络的特点：小型化的地球站智能化的地球站具有处理双向综合电信和业务的能力VSAT网络VSAT使用频段：优点缺点C波段全世界可应用技术较便宜防雨淋台站较大(1~3m)来自相邻卫星和共享同一频段的陆上微波的干扰严重。Ku波段充分利用卫星容量台站较小有限的（地区的）可用率下雨影响链路性能VSAT网络网络结构：星型网：双跳结构、网络总体造价低网型网：单跳结构、端站设备复杂混合结构VSAT网络VSAT卫星通信网的组成：主站：又称中心站或枢纽站。是VSAT卫星通信网的核心，设有网络监控与管理中心，对全网运行状态进行监控管理小站：由小口径天线、室外单元和室内单元组成卫星转发器VSAT网络工作原理：星形网络结构主站发射的EIRP较高，接收的G/T大，网内的小站都可直接与主站通信小站的天线口径和G/T小，EIRP低，若需要在小站间进行通信，必须经主站转发主站通过卫星向小站发