a第8章卫星通信系统及传输信道特性

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胡庆教授第8章

卫星通信系统及传输信道特性2内容提要卫星通信系统的基本概念及应用卫星通信系统工作原理卫星通信传输线路特性

3图8-1卫星通信系统示意图

4图8-2静止卫星配置的几何关系图8.1卫星通信系统的基本概念及应用卫星通信具有覆盖面积大、受地理条件限制少、通信频带宽等特点，因此成为现代信息传输方式不可缺少的一种手段。卫星通信应用非常广泛，几乎可应用于所有公用和专用通信中远距离的中继传输中。58.1.1卫星通信系统简述卫星通信系统基本组成6图8-3卫星通信系统基本组成卫星通信的频段分配卫星通信的使用频段虽然也属于微波频段（300MHz～300GHz），但由于卫星通信电波传播的中继距离远，既受到对流层中的氧、雨、雾的吸收和散射衰减影响，又受到宇宙噪声的影响，如图8-4和图8-5所示。从电波传播机理和传播损耗来看，300MHz以下的电波不能穿过电离层，而10GHz以上的电波受大气层的云、水蒸气及雨的影响而造成的衰减较大。因此，卫星通信所使用的工作频段，应选择在微波波段的0.3～10GHz为宜。78.1.1卫星通信系统简述

88.1.1卫星通信系统简述图8-4大气吸收损耗与频率关系图8-5宇宙噪声与频率的关系

98.1.1卫星通信系统简述名

称频率范围/GHz下行/上行载波频率/GHz①单向带宽/MHzUHF波段0.3～10.2/0.4500～800L波段1～21.5/1.6S波段2～42.5/2.6C波段4～84/6500～700X波段8～127/8Ku波段12～1812/14或11/14500～1000Ka波段27～4020/30高达3500表8-1目前常用的卫星通信频段卫星通信的特点（1）通信距离远，且通信成本与通信距离无关由图8-2可见，利用一颗静止卫星进行通信，其最大通信距离可达18000km。而地球站的建站费用和维护费用并不因地球站之间的距离远近，地理环境恶劣而有所变化。（2）覆盖面积大，可进行多址通信由于静止卫星离地面很高，卫星天线波束的覆盖区域很大，因而只要在卫星天线波束覆盖的区域内，都可设置地球站，共用同一颗卫星在这些地球站间进行双边或多边通信，或者说多址通信；亦可同时在多处接收，能经济地实现广播，便于实现多方向多地点的多址连接，组网灵活。108.1.1卫星通信系统简述（3）通信频带宽，传输容量大由于卫星通信可用频段从150MHz～30GHz，并且开始开发Q、V波段(30～50GHz)。因而可用频带宽、传输容量大，目前，卫星通信的传输带宽可达500MHz，适应的通信业务类型多。（4）通信机动灵活不受地理条件的限制，只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离通信而且还可以用于安装在移动中的汽车、飞机、船舶等地球站间进行的通信，甚至能直接为个人终端提供通信服务。118.1.1卫星通信系统简述（5）通信质量好由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以上的宇宙空间中传播，因而不易受自然条件干扰和陆地灾害的影响，可靠性高。卫星通信的不足之处在于：（1）信号传输时延大卫星通常位于距离地面几百千米、几千千米甚至上万千米的高空，双向传输时时延可能达到秒级，对于实时交互性应用会带来明显的中断感。128.1.1卫星通信系统简述（2）外界干扰或噪声较多虽然卫星链路质量相对较好，但由于其依然是无线链路，而且一般来说通信距离非常远，显然受到的外界干扰和噪声也很多，主要包括宇宙噪声、自然噪声、太阳噪声等自然噪声，也包括系统本身各组成部分噪声、其他系统干扰、人为噪声等，因此在卫星通信系统中，对于噪声和干扰的消除或抑制依然是需要非常重视的。（3）控制较为复杂由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。138.1.1卫星通信系统简述8.1.2卫星通信的应用卫星在数据传输业务中的应用14图8-6局域/城域网互联中的卫星卫星在移动通信系统中的应用三类移动卫星通信系统：第一类是低轨道（LEO）移动卫星通信系统，如美国Motorola公司提出的“铱（Iridiun）”系统和美国LoralQualcomm公司提出的“全球星”（Globalstar）系统；第二类是中轨道和（MEO）移动卫星通信系统，如全球个人卫星通信公司（ICO）提出的国际个人卫星通信系统；第三类是静止轨道（GEO）移动卫星通信系统，如加拿大TMI与美国AMSC合作开发的北美MSAT系统以及亚洲蜂窝系统（Aees）。158.1.2卫星通信的应用

168.1.2卫星通信的应用图8-7Iridium卫星移动通信系统的基本组成

178.1.2卫星通信的应用图8-8Globalstar系统结构卫星在视频广播业务传输中的应用目前，世界上运行的GEO卫星转发器中，有三分之二是用于电视和视频广播的。利用卫星广播系统传送数字化视频信号的方式有3种：一是点对多点的TV节目分配：数字视频信号从演播室通过卫星系统传送到地区广播站或地区电缆TV系统接收站，从而完成节目的分配。通常所传送的信号是宽带的多路数据流。二是点到点的传输：用于数字视频信号从实况直播现场到演播室，或从一个演播室到另一个演播室的卫星传输。三是点对多点的直接到户（DTH）广播方式：在卫星直播系统中，家庭用户用天线口径为0.5m左右的接收机，可接收5～8路视频信号。188.1.2卫星通信的应用卫星在电话等交互式业务传输中的应用电话业务是卫星通信系统支持的重要业务之一，但与地面光缆支持的PSTN电话网相比较，其经济性是考虑问题的焦点。卫星信道容量小、成本高，只有在地面网无法覆盖（或建立相应的地面投资极高而效益甚低）的乡村地区的用户才使用卫星电话。GEO卫星离地面高，信号传输延时长（约250ms）。如果系统用来支持电话业务，会晤双方会有脱离接触的感觉。另外，卫星通信系统长的传播延时还会带来回波干扰的问题。198.1.2卫星通信的应用卫星通信系统包括空间段和地面段，空间段的组成包括通信卫星（空间分系统）、跟踪遥测与指令分系统（TT&C，Tracking,，TelemetryandCommandStation）和卫星控制中心（SCC，SatelliteControlCenter），地面段包括所有的地球站，又称为地球站分系统。208.2卫星通信系统工作原理8.2.1卫星通信地面段地面段包括了支持用户访问卫星转发器，并实现用户间通信的所有地面设施。用户可以是电话用户、电视观众和网络信息供应商等。卫星地球站是地面段的主体，它提供与卫星的连接链路，其硬件设备与相关协议均适合卫星信道的传输。地球站是卫星传输系统的主要组成部分，所有的用户终端将通过它接入卫星通信线路。根据地球站的大小和用途不同，它的组成也有所不同。作为典型的标准地球站一般包括天线分系统、收、发信机分系统、信道终端设备分系统、信道控制分系统、终端接口设备和电源分系统六个分系统，如图8-9所示。21

228.2.1卫星通信地面段图8-9地球站的基本组成方框图8.2.2卫星通信空间段空间段的组成包括通信卫星、TT&C和SCC。SCC（卫星控制中心）的任务是对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。23TCC（测控站）是受卫星控制中心直接管辖的、卫星测控系统的附属部分。它与卫星控制中心结合，其任务是：检测和控制火箭并对卫星进行跟踪测量；控制其准确进入静止轨道上的指定位置；待卫星正常运行后，定期对卫星进行轨道修正和位置保持；测控卫星的通信系统及其他部分的工作状态，使其正常工作；必要时，控制卫星的退役。SCC和TCC构成了卫星测控系统，一个测控系统一般以卫星控制中心为主体，加上分布在不同地区的多个测控站组成。248.2.2卫星通信空间段

258.2.2卫星通信空间段图8-10通信卫星的组成方框图（1）通信分系统卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是—个提供卫星发射天线和接收天线之间连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并转发信号的能力。转发器是卫星有效载荷的两个主要组成部分之一，对它的基本要求是以最小的附加噪声和失真、足够的工作频带和输出功率来为各地球站可靠且有效地转发无线电信号。268.2.2卫星通信空间段（2）天线分系统天线分系统是卫星有效载荷的另一个主要组成部分，它承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。卫星天线分为2类：遥测指令天线和通信天线。遥测指令天线通常使用全向天线，以便可靠地接收地面指令并向地面发送遥测数据和信标。卫星接收到的信标信号送入姿态控制设备，使卫星天线精确地指向地球站上的覆盖区。通信天线是地面上许多地球站与维修商各种卫星分系统之间的接口，其主要功能是提供成形的下行和上行天线波束，在工作频段发送和接收信号。278.2.2卫星通信空间段（3）跟踪遥测和指令分系统以及控制分系统与地面的TCC和SCC一起工作，提供对卫星的整体控制，其中也包括卫星通过跟踪设备为地球站跟踪卫星发送信标、接收地面控制系统的各种指令、执行姿态控制与位置控制等。（4）电源分系统是给星上设备提供稳定可靠的电源，主要采用太阳能电池。当有光照时，电源系统要能产生必须的电功率，满足星上系统的运行，并同时要保证有多余的能量用蓄电池储存起来，当卫星处于发射状态或者地球阴影区的时候，蓄电池可以提供充足的电源功率。288.2.2卫星通信空间段8.2.3卫星通信线路及工作过程

29图8-11卫星通信线路的组成假如A地球站用户要与B地球站用户通电话。其通话过程是：A地球站用户的电话信号经地面通信线路送至A地球站终端，与其他用户电话信号进行复用合路，得到多路电话基带信号（该信号少则几十路，多则几万路），再送至调制器对载波进行调制，形成已调中频信号，经上变频器变成微波信号。308.2.3卫星通信线路及工作过程然后，进一步由微波功率放大器放大到足够大的功率后，以双工器由天线向卫星发射出去。这个信号为上行线信号，其频率f1称为上行线频率。卫星天线接收到A地球站发来的上行线微波信号，经双工器送到放大器放大，再经变频器变为f2的微波信号（一般f2低于f1），经转发器末级功率放大器放大到一定的电平之后，送到双工器经卫星天线发向地球站，称此微波信号为下行线路信号，f2为下行线频率。318.2.3卫星通信线路及工作过程B地球站收到卫星下行线f2信号，经双工器进入低噪声放大器放大，又经下变频器变到中频，然后送到解调器进行解调，恢复出基带信号，再由终端机的多路电话复用设备分离出各个话路信号，通过市内通信线路将电话信号传给用户。这样，A地球站用户传送给B地球站用户的单向电话就完成了。同样，B地球站用户传给A地球站用户的单向电话，其过程与上述类似。328.2.3卫星通信线路及工作过程8.2.4通信卫星运行轨道卫星轨道分类按卫星轨道的倾角可分为赤道轨道、极轨道和倾斜轨道，如图8-12所示。若卫星的轨道平面与赤道平面重合，即i=0°则此卫星轨道称为赤道轨道，在赤道轨道运行的卫星称为赤道卫星（一般为静止卫星）；若i=90°，即卫星轨道平面穿过地球的南北极，与赤道平面垂直，则称为极轨道；若0°<i<90°，即卫星轨道平面倾斜于赤道平面，则称为倾斜轨道。33

34图8-12倾角不同的卫星轨道图图8-13卫星轨道高度的划分8.2.4通信卫星运行轨道按卫星离地面最大高度h的不同，可把卫星轨道及卫星分为：低轨道（LEO，LowEarthOrbit），此时h＜5000km，此轨道上的卫星称为低轨卫星，其运行周期约为2～4h；中轨道（MEO，MediumEarthOrbit），此时5000km＜h＜20000km，此轨道上的卫星称为中轨卫星，其运行周期约为4～12h；高轨道（HEO，HighlyEllipticalOrbit），其轨道高度h＞20000km，高轨卫星的运行周期大于12h，如图8-13所示。358.2.4通信卫星运行轨道卫星的摄动在理想条件下的人造地球卫星运动轨道如上所述，所谓理想条件是指把卫星和地球都当作质点运动，而没考虑地球以外其他星体引力的情况。但是，实际上地球并不是一个理想的球体，对静止卫星来说，由于地球结构的不均匀和太阳、月亮引力的影响等，将使卫星运动的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象，这种现象称为卫星的摄动。368.2.4通信卫星运行轨道日凌与星蚀当太阳、地球和卫星运行到一条直线上，并且卫星处于地球站和太阳之间时，地球站的天线在对着卫星的同时也就对准了太阳，因此在地球站接收卫星信号的时候，也会收到大量的频谱很宽、功率较大的太阳噪声，该噪声将对有用信号带来干扰，使得接收信号的信噪比大大下降，甚至有可能完全淹没有用信号，从而造成信号中断，这种现象称为日凌。378.2.4通信卫星运行轨道8.3卫星通信传输线路特性卫星线路的噪声和干扰卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算卫星传输线路的C/T计算388.3.1卫星线路的噪声和干扰卫星通信线路和其他无线电通信线路一样，通信质量的好坏主要取决于接收系统输入端的信号载波功率和噪声功率的比值，而不是单纯地取决于信号载波功率的绝对值。因为卫星通信线路上无线电波经过远距离（如同步卫星系统中单向传输距离可达35800km）的空间传播后，信号功率衰减很大（通常达到200dB），到达地球站或卫星接收天线时已十分微弱，同时在传播过程中不可避免地会受到各种噪声和干扰的影响。39系统热噪声与等效噪声温度通信系统由各个部件组成，它们完成信号的处理和传输功能。与此同时，只要传导媒质处于热力学温度的零度以上，其中带电粒子就存在着随机的热运动，从而产生对有用信号形成干扰的噪声。噪声的大小以功率谱密度n0来量度，它与温度有关

n0=kT（8.1）式中，k为玻尔兹曼常数；T为噪声源的噪声温度，单位为K。408.3.1卫星线路的噪声和干扰由于任何网络总是具有有限的带宽（用B表示），同时，这里假定网络增益为A。输出端的噪声功率将由两部分组成：一部分为由网络输入端的匹配电阻产生的噪声所产生的输出噪声功率（记为Ni0），另一部分为网络内部噪声对输出噪声的贡献ΔΝ。于是总的输出功率N0为式中，T0是输入匹配电阻的噪声温度，第一项是该电阻所产生噪声在输出端的数值，第二项为网络内部噪声在其输出端的贡献，Te称为网络的等效噪声温度。418.3.1卫星线路的噪声和干扰接收系统的内部噪声和外部噪声接收天线收到卫星（或地球站）发来的信号的同时，还接收到大量的噪声。接收系统的噪声可分为来自各种噪声源的外部噪声和内部噪声，如图8-14所示。428.3.1卫星线路的噪声和干扰图8-14地球站接收系统的噪声来源（1）宇宙噪声宇宙噪声主要包括银河系辐射噪声、太阳射电辐射噪声和月球、其他行星射电辐射噪声。频率在1GHz以下时，银河系辐射噪声影响较大，故一般就将银河系噪声称为宇宙噪声。银河系噪声在银河系中心指向上达到最大值，通常称为指向热空。（2）大气噪声大气层对穿过它的电波，在吸收能量的同时，也产后电磁辐射而形成噪声，其中主要是水蒸气及氧分子构成的大气噪声。大气噪声是频率的函数，在10GHz以上时显著增加，此外，它又是仰角的函数，仰角越低，穿过大气层的途径越长，大气噪声对天线噪声温度的贡献越大。438.3.1卫星线路的噪声和干扰（3）降雨噪声降雨及云、雾在产生电波吸收衰减的同时，也产生噪声，称为降雨噪声。其对天线噪声温度的作用与雨量、频率、天线仰角有关。在4GHz、低仰角时，大雨对天线噪声温度的贡献也达50～100K，因此系统设计时应予以考虑。（4）地面噪声由于卫星天线对准地球，因而地球热噪声也是等效噪声温度T的一个重要组成部分。地球站天线除由其旁瓣、后瓣接收到直接由地球产生的热辐射外，还可能接收到经地面反射的其他辐射。448.3.1卫星线路的噪声和干扰（5）干扰噪声干扰噪声包括来自其他同频段的卫星通信系统和同频段的微波中继通信系统的干扰噪声和人为干扰噪声。干扰噪声的大小与干扰的频率、干扰电波的传播环境、收发天线的增益方向性图函数等许多因素有关。其频谱一般为非白噪声，但不管这些干扰的频谱如何分布，在卫星传输系统的工程计算和设计中，都可采用将它们转化为等效噪声温度的办法而同系统的其他噪声同样对待。458.3.1卫星线路的噪声和干扰接收机输入端的噪声功率天线接收到各种噪声的大小可以用天线的等效噪声温度T来表示。由电子线路分析可知，当接收机阻抗匹配时，接收机内部不产生噪声，那么其接收到的噪声功率仅决定于外部输入噪声的单边功率谱密度。因此，由前面的介绍可得外部噪声折算到接收机输入端的噪声功率为：（8.3）式中，B为接收系统的等效带宽。468.3.1卫星线路的噪声和干扰8.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算接收机输入端的载波功率C如不特殊说明，把通信卫星或地球站的接收机输入端的载波功率称为载波接收功率，记为C。如果把自由空间传播损耗以外的其他损耗也考虑到一起，如图8-15所示，由式(5.7)变形可得式中，47用分贝值表示时为式中，式中，[EIRP]为发射系统的有效全向辐射功率（dBW）；[GT]为发射天线增益(dB)；[GR]为接收天线增益(dB)；[Lp]为自由空间传播损耗(dB)；[La]为大气引起的损耗(dB)；[Lt]为发射馈线的损耗(dB)；[Lr]接收馈线的损耗(dB)；[LR]为其他损耗(dB)。488.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算例8-1在IS-IV号卫星通信系统中，一个传送1872路C波段模拟电话的调频载波卫星与地球站之间的发送和接收机接收，其卫星有效全向辐射功率[EIRP]S=34.2dBW，接收天线增益[GR]S=16.7dB。又知道某地球站发射天线增益[GT]E＝63.1dB，发送馈线损耗[Lt]E＝0.4dB，发射机输出功率PTE=3.9kW，地球站接收天线增益[GR]E=60.0dB，接收馈线损耗[Lr]E=0.05dB。设[Lp]U=200.05(dB),

[Lp]D=196.53(dB)，试计算卫星接收机输入端的载波接收功率[CR]S和地球站接收机输入端的载波接收功率[CR]E。498.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算图8-15卫星通信传输线路功率分配示意图解：由式（8.6），地球站有效全向辐射功率为

[EIRP]E=[PT]E+[GT]E=10lg3900+63.1=99（dBW）

利用式（8.5），忽略La，LR及Lrs，则卫星接收机输入端的载波功率[CR]S=[EIRP]E+[GR]S-[Lt]E-[Lp]U=99+16.7-0.4-200.05=-84.75（dBW）利用式（8.5），忽略La、LR及Lts，则地球站接收机输入端的载波功率[CR]E=[EIRP]S+[GR]E-[Lr]E-[Lp]D=34.2+60-0.05196.53=-102.38（dBW）

508.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算接收机输入端的载噪比计算由式（8.3）可知，接收机输入端等效噪声功率N为式中，k为波尔兹曼常数，Tr为接收系统的等效噪声温度，B为接收系统的等效带宽，所以接收机输入端的载噪比为用分贝值表示，式（8-8）为，518.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算进一步可以写为为了方便起见，记为528.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算8.98.10由式(8.9)可以看出，G/T值的大小，直接关系到卫星接收性能的好坏，且还可以不必考虑带宽，故把G/T称为卫星接收机性能指数，也称为卫星接收机的品质因数。G/T值越大，C/N越大，卫星接收机的性能越好。对于不同的卫星通信系统，对G/T的要求有所不同。卫星移动通信的地面移动终端天线增益通常1-2dB，G/T值为（-22~-23）dB/K左右。又因为所以，将式（8.9）写成常用形式538.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算上行和下行线路的载噪比的计算对于上行线路，若用表示载噪比，有：

式中，为地球站实际有效全向辐射功率；[GR]S为卫星接收天线增益；[L]为上行线路传输损耗（以自由空间传播损耗为主，同时包括收发系统馈线损耗，大气、降雨、跟踪误差、极化失配等其他各种损耗）；为卫星接收系统的噪声温度；

为卫星接收系统的带宽，k为玻尔兹曼常数。548.3.2卫星线路接收机载噪比C/N与G/T值的计算前面已经得出了载噪比C/N的表示式，但是，它都是接收系统带宽B的函数，因此缺乏一般性，对不同带宽的接收系统，其性能不便于描述，若改用C/T值表示，即：用分贝表示：若考虑整个卫星线路时，卫星线路等效噪声温度T不仅要考虑接收系统下行线路的热噪声温度TD，还包括上行线路噪声温度TU和卫星转发器的交调噪声温度Ti，也就是式（8.16）中的T应理解为是上述三部分噪声之和，即：

T＝TD+TU+Ti

558.3.3卫星传输线路的C/T计算8.16热噪声对上、下行线路C/T值的影响（1）单载波上行线路的C/T值根据式（8.16），可以求得[C/T]U为：将式（8.13）代入式（8.17）可得：568.3.3卫星传输线路的C/T计算（2）多载波上行线路的C/T值在频分多址的系统中，一个转发器常常要同时放大多个载波。为了减小因交扰调制所产生的噪声，需要使总的输入信号功率比单载波时的饱和值减小一些，即进行输入负补偿，使转发器工作在线性部分。这就要求各地球站所发射的有效全向辐射功率[EIRP]总和应比单波工作使转发器饱和时对应地球站所发射的[EIRP]要小一个输入补偿值[BO]i。若用[EIRP]gs表示地球站在单波工作时的数值，那么多载波工作时的数值为：[EIRP]gM=[EIRP]gs－[BO]i

（8.19）578.3.3卫星传输线路的C/T计算将式（8.19）代入式（8.18），与之相应的[C/T]U值用[C/T]UM表示，即：与上行线路类似，下行线路的C/T值为：卫星转发器的发射[EIRP]要减小一个补偿值[BO]o若用[EIRP]SS表示卫星转发器在单波工作时的数值，那么多载波工作时的数值为：[EIRP]SM＝[EIRP]SS－[BO]o

588.3.3卫星传输线路的C/T计算8.208.218.228.23交调噪声对C/T值的影响在采用FDMA方式的卫星通信系统中，若转发器中输出行波管工作在大信号的非线性区时，将会在放大多个不同频率的载波时产生交调噪声，并象热噪声那样会影响信息的传输质量。不难想象，当输出补偿[BO]o的数值发生变化时，卫星转发器的[EIRP]SM会同时发生变化，这不但要影响到[C/T]DM值，还将影响载波功率与交调噪声功率比值[C/T]IM值。其关系如图8-16所示。598.3.3卫星传输线路的C/T计算对于交