卫星通信导论上课课件第4章-星载与地球站设备1

第4章星载和地球站设备1提要（一）HPA和LNA（二）星载转发器（三）通信地球站设备（四）其它类型的地球站（五）MSS移动终端和信关站21.卫星通信系统的组成

（1）卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统4大部分组成的，如图1-7所示。图1-7卫星通信系统的组成（2）卫星通信线路的组成两个地球站通过通信卫星进行通信的卫星通信线路的组成如图1-8所示，是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。图1-8卫星通信线路的组成卫星通信系统框图7图4-1星载和地球站设备8一、HPA和LNA高功率放大器（HPA）行波管放大器（TWTA）速调管放大器（KPA）固态功率放大器（SSPA）9图4-2不同频段三种放大器的输出功率10高功率放大器输出功率带宽功放管TWTA中50~800W水冷:10kw较宽C波段：500MHzKu和Ka波段:1000MHz真空管KPA大1KW以上较窄50-100MHz真空管SSPA小3-10W介于TWTA和KPA之间砷化镓场效应半导体管三种放大器的性能比较11低噪声放大器（LNA）参量放大器致冷砷化镓场效应放大器常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)12图4-3三种LNA的内部噪声性能13LNA前端的接法LNA模块只包含低噪声放大器宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声放大器以外，还包含宽带下变频器窄带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声放大器以外，还包含窄带下变频器141.3.4通信卫星的组成及其工作原理图1-20示出了通信卫星各系统的组成方框图。由通信分系统、控制分系统、遥测与指令分系统、电源分系统和温控分系统5个部分组成。1.通信分系统的转发器通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分。图1-20通信卫星的组成（1）单变频转发器单变频转发器是目前用得较多的转发器，如图1-21（a）所示。（2）双变频转发器双变频转发器如图1-21（b）所示。（3）处理转发器处理转发器除了转发信号外，主要还具有处理信号的功能。它的组成方框图如图1-21（c）所示。图1-21卫星转发器组成的方框图卫星上的信号处理大体包括三种类型：一种是对数字信号进行判决和再生，使噪声不积累；另一种是在多个卫星天线波束之间进行信号交换与处理；第三种是对信号进行更复杂的变换、交换和处理。2.控制分系统控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成。3.遥测指令分系统地球上的控制站经常不断地需要了解卫星内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的动作。（1）遥测部分遥测部分用来了解卫星上各种设备的情况，例如表示某些部件的电流、电压和温度等信号，传感器的信息，指令证实信号以及反映控制用气体压力的信号等。（2）遥控指令部分对卫星进行位置和姿态控制的各喷射推进器的点火与否，行波管高压电源的开、关，己发生故障的部件与备用部件的转换以及其他需要由地面对卫星某些设备的控制等，上述这些动作都要由遥控指令部分来进行。4.电源分系统卫星上的电源除要求体积小、重量轻、效率高和可靠性之外，还要求电源能在长时间内保持足够的输出。（1）太阳能电池太阳能电池由光电器件组成，其中最常用的是硅太阳能电池。（2）化学电池为了使通信卫星在星蚀期间也能工作，一般常用可以充、放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用。5.温控分系统在通信卫星里，会因为行波管功率放大器和电源系统等部分产生热而升温。二、星载转发器弯管式转发器（透明转发器）结构简单性能可靠适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况数字处理转发器载波处理转发器比特流处理转发器全基带处理转发器24转发器由输入设备、调制设备、本振设备、放大设备和发射设备组成，可以转发两地或多地的电报、电话、数据、传真、电视、广播等多类业务。转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后，变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。25转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在1000~3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在3000~7000瓦之间的卫星称为大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000瓦以上的称为超大容量通信卫星。目前最大的通信卫星平台上可装150个转发器。东方红三号有24个C波段转发器，6个电视和18个通信传输信道，可传输6套彩色电视节目和15000路电话或电报、传真、数据信号，工作寿命为8年。26星上处理和交换的功能波束间、载波间交换，如射频交换、中频交换或基带交换调制方式的变换，如上行PSK，下行DPSK多址方式的变换，如上行FDMA，下行TDMA速率变换，如将低速上行信道变换成高速的下行信道星上再生，如星上解调/再调制，解码/再编码等存储转发和基带处理，如信令处理、路由选择、信息压缩和重新组帧星上智能网控星间链路抗干扰保护，如自适应天线调零，可控点波束，转发器放大特性的智能控制27（一）弯管式转发器（透明转发器）图4-4星载微波转发器功能图28图4-5弯管式转发器方框图29（二）转发器的EIRP和G/TEIRP和G/T是转发器射频部分最重要的两个指标，除了决定于HPA输出功率和LNA的等效噪声温度以外，还与星载天线的增益相关。天线增益G与半功率波束宽度0.5的关系可以近似表示为G=27000/(0.5)2对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域提供大的增益，为此采用若干点波束的组合来对覆盖区赋形。30全球波束天线波束的半功率宽度约等于17.4°，覆盖卫星对地球的整个视区一般由圆锥喇叭天线加上45°的反射板组成点波束天线覆盖面积小，一般为圆形，半功率波束宽度为几度天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭赋形波束天线可通过修改反射器形状来实现也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束的组合3132多波束卫星天线的典型方框图33波束宽度与天线直径的关系34（三）数字处理转发器具有交换和处理的功能数字处理转发器分类载波处理转发器比特流处理转发器全基带处理转发器

35三种数字处理转发器的特点比较载波处理转发器以载波为单位直接对射频信号进行处理具有星上载波交换能力比特流处理转发器增加了解调和再调制功能可能包括译码和重编码设备、解扩设备等全基带处理转发器具有星上再生能力具有基带信号处理和交换能力解调、译码、存储、交换、重组帧、重编码和重调制等。36SS-TDMA转发器的组成星上交换的TDMA转发器37通路时段上行下行波束波束上行下行波束波束上行下行波束波束上行下行波束波束T112213443T213223144T314233241T411243342表4.1交换矩阵示意图38INTELSATVI卫星的覆盖图和采用微波交换矩阵的SS-TDMA星上交换示意图SWZ39图4-9解调—再调制转发器结构解调---再调制转发器40星载路由器图4-12提供波束形成的转发器41三、通信地球站设备射频部分中频与基带处理部分地面接口与陆地链路陆地链路的选择地面接口42地球站的组成及其工作原理1.对地球站的技术要求一般来说，对地球站应有以下几方面的要求。①发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。②可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。③性能稳定、可靠，维护、使用方便。④建设成本和维护费用不应太高。（1）地球站的性能指标——品质因数（G/T）G/T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。（2）有效辐射功率及其稳定度为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦～十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。（3）射频频率的稳定度地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。（4）射频能量的扩散为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。（5）干扰波辐射的限制为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。2.地球站的组成如图1-9所示的为国际卫星通信频分多址方式A型标准地球站的组成方框图，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组成。图1-9地球站的总体方框图电视信号包括图像信号和伴音信号。图像信号经过电视通道的视频处理单元和调制器，成为70MHz的中频调频波，再经过中频放大、上变频以及功率放大，然后送往天线。伴音信号有时要利用多路电话的通道进行传送。接收信号时，过程与上述相反。并且在接收分离装置中把电视图像信号与多路电话信号分开，分别经不同的通道解调后送往终端设备。3.发射机分系统（1）组成和要求由于发射卫星条件的限制，卫星转发器天线的口径和增益不能太大。发射机分系统的组成如图1-10所示，由上变频器、自动功率控制电路、发射波合成装置、激励器和大功率放大器等组成。图1-10发射机分系统的组成对地球站发射机分系统的主要要求有以下几点。①发射的功率大。②频带宽，从而保证通信容量以及发射多个载波所需的带宽。③射频的频率稳定度高。④放大器的线性好。⑤增益稳定，对发射地球站的有效全向辐射功率要求保持在额定值的±0.5dB以内，以保证接收地球站的性能指标。（2）功率放大器发射机分系统中的功率放大器由行波管功率放大器或速调管功率放大器组成。（3）上变频器和本机振荡器发射机分系统中的上变频器一般都采用参量变频器，它的主要特点是噪声小而且有一定的增益。无论是上变频器或接收机分系统中用的下变频器，都要有本机振荡器。晶振倍频锁相振荡源的组成如图1-11所示。图1-11晶振倍频锁相振荡源4.接收机分系统（1）组成与要求由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经200dB左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。对接收机分系统的主要要求：①噪声温度低，接收机分系统的噪声温度很低，一般只有几十开尔文（K）。②工作频带宽，一般要求具有500MHz的带宽。③增益稳定。（2）低噪声放大器在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。（3）下变频器经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器。5.信道终端设备分系统信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。（1）上行部分①预加重当解调器对多路电话信号的调频波解调时，噪声也进入解调器，使解调后输出的话路信噪比降低。但解调器输出的噪声功率谱密度n0为抛物线分布，如图1-12所示。图1-12解调器输出的噪声功率谱上变频。为解决这个问题，需在发端调制器之前接一个预加重网络，将高端信号幅度提高，而使低端信号幅度适当降低。由于信道噪声功率谱的分布不受预加重电路的影响，因而使频带内各处的信噪比变得均匀了。在接收信号时再进行相反处理，即去加重以恢复原来的信号。②加权由于人们听觉的频率特性是不平坦的，一般对1000Hz左右的噪声感觉最灵敏，对3000～4000Hz以上或200～300Hz以下的噪声感觉迟钝，即实际感受的噪声较小。因此在测量话路的噪声时，为考虑受话人实际感受的噪声状况，需要接入加权网络，用来表示人们的主观评定，成为如图1-13所示的形状。图1-13加权电路特性③能量扩散信号的处理由于发端行波管或速调管放大器在多载波工作时，会因管子所具有的非线性特性而产生交调干扰噪声。由实验得知，外加的信号用20～150Hz的三角波较为合适，如图1-14所示。④导频信号在卫星通信线路信号传输的过程中，有时因某种原因会发生所传送的信号太小甚至中断的现象。图1-14能量扩散信号波形(2)下行部分信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的70MHz信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送到终端接口设备，把基带信号进行分解。6.通信控制分系统地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。7.电源分系统地球站电源分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。天线卡塞格伦天线高功率放大器HPA波导耦合合路器滤波器型合路器低噪声放大器LNA上、下变频器（一）地球站射频部分67微波与卫星通信的

天线馈线系统1.4.1微波通信的天线馈线系统1.天线馈线系统的型式微波通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导型两种型式。图1-22所示的是同轴电缆型天、馈线系统。图1-23所示的是圆波导型天、馈线系统。图1-22同轴电缆天馈线系统图1-23圆波导天馈线系统2.对微波天线的技术要求常用微波天线的基本形式有：喇叭天线、抛物面天线、喇叭抛物面天线及潜望镜天线等。微波天线的主要技术指标有如下几个方面。（1）天线增益微波通信中使用的面式天线，其增益可用下式表示：式中，A为天线的口面面积，λ为波长，ηA为口面利用系数。(2)对主瓣宽度的要求在视距微波通信线路中，天线增益过高将使主瓣张角过小。（3）天线与馈线应匹配良好在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而造成线路噪声。（4）交叉极化去耦在采用双极化的微波天线中，由于天线本身结构的不均匀性及不对称，不同极化波（即垂直极化波和水平极化波）可在天线中互相耦合，互为干扰，分别成为与之正交的主极化波的寄生波。（5）天线防卫度天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。在微波线路中，由于采用二频制，因此在同一微波站中，两个方向的接收机工作在同一频率，如图1-24所示。图1-24天线防卫度图解3.卡塞格林天线卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线，其外形简图如图1-25所示。图1-25（a）所示为一般式，较常见。近年来出现了不少加圆柱屏蔽罩式的抛物面天线，见图1-25（b），它可以降低向后方辐射的功率（降低后瓣）。又因为它可以减小初级辐射器（激励器）的直接辐射，所以对减弱旁瓣也有好处。图1-25卡塞格林天线外形简图图1-26所示的是说明这种天线工作原理的简图。图1-26卡塞格林天线工作原理简图卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器、双曲面副反射器和抛物面主反射面三部分组成。1.4.2通信卫星的天线系统卫星天线有两种类型。一种是用于遥控、遥测和信标信号的全向天线，接收地面的指令及向地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚高频天线。另一种是用于通信的微波定向天线，根据波束宽度不同，分为三类。（1）全球波束天线：波束宽度约为17°～18°。（2）点波束天线：其波束比全球波束窄得多，故增益较高，但其辐射的区域比全球波束小得多。（3）区域波束天线：如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形波束天线。其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。如图1-27及图1-28所示。图1-27卫星天线系统示意图图1-28各种波束覆盖示意图1.4.3地球站的天线馈线系统1.概述地球站的天线是卫星通信中最具特色的设备，是一个庞大的系统。当卫星通信用C频段和Ku频段时，根据地球站天线的口径大小可划分为大、中、小三种站型。2.地球站天线馈线系统的组成图1-29所示的为地球站的天线馈线系统方框图。它与视距微波通信天馈线系统相比，显然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天线的轴要始终对准卫星方向。图1-29地球站天线馈线系统的组成3.与天线馈源连接的低噪声放大器地球站的收信系统在接收信号的同时，也会有各种线路噪声被接收。图1-30天线系统与机房的连接（二）中频与基带处理部分

具有调制/解调、编/解码等功能

调制/解调是在IF载波上进行具有复用的功能

91（四）其他类型的地球站TT&C地球站TV上行站和广播中心TV单收站92TT&C地球站93（1）TT&C地球站射频基带处理部分指令子系统测距子系统遥测子系统地面接口单元：用于与SCC接口94（2）SCC卫星运行的神经中枢轨道控制监视卫星的上行和下行链路的通信传输通道95TV单收站DTH系统的家用单收站单个接收机地面有线TV系统的“电缆前端”TVRO多个接收机96图4-23

TVRO天线直径与卫星EIRP的关系97图4-22具有卫星前端的地面有线电视系统98图4-24有线电视网前端的TVRO99（五）MSS移动终端和信关站移动终端车（船）载台手持机项目平均发射功率(W)天线增益(dBi)G/T(dB/K)Iridium0.41.0-23Globalstar0.52.5-22表4-2Iridium和Globalstar系统手持机主要参数

100信关站网络（用户）管理功能与地面公用网互连的功能交换功能（对透明转发器而言）1015静止卫星的运行轨道与观察参数1.静止卫星的发射要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于8km/s。但单级火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端，如图1-15所示。图1-15发射卫星的三级火箭示意图2.发射过程一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程如图1-16所示，全部过程大体可分为如下几个阶段。（