卫星通信第1章V4

卫星通信

SatelliteCommunications

课程编码：08117山东建筑大学信息与电气工程学院1杨健电话：86361988电邮：yang8018@办公室：XX4022课程安排总学时40

其中授课40

实验0

上课周1~14考核形式综合其中考试70%平时及作业30%3教材：陈振国杨鸿文郭文彬

《卫星通信系统与技术》北京邮电大学出版社2003年吴诗其吴廷勇卓永宁编著

《卫星通信导论》（第2版）电子工业出版社2006年4参考书：刘国梁,荣昆璧.卫星通信.西安电子科技大学出版社,1994.陈功富,王永建.卫星数字通信网络技术.哈尔滨工业大学出版社，2001.DennisRoddy.SatelliteCommunications(ThirdEdition)McGrawHill,2001.曹志刚,钱亚生.现代通信原理.清华大学出版社,1992.5教学大纲要求通过本课程的教学，应掌握卫星通信系统的基本概念和基本工作原理，建立大通信系统的完整概念，初步掌握卫星通信系统的主要技术，基本了解当前卫星通信的发展状况。6目录第一章卫星通信概况第二章卫星运动轨道和通信卫星组成第三章卫星链路设计与计算第四章信号传输与处理技术第五章多址联接第六章卫星地球站和VSAT7目录（续）第七章卫星移动通信系统第八章卫星宽带通信系统第九章卫星数字电视广播系统第十章卫星定位与导航系统8第一章卫星通信概况卫星通信的发展简况和里程碑卫星通信使用的频带卫星通信系统的组成编码、复接、调制、多址联接正交极化频率复用移动和个人卫星通信宽带多媒体卫星通信卫星通信发展趋势9通信：有线通信无线通信有线通信：光纤同轴双绞线无线通信：短波通信微波中继通信地面蜂窝移动通信

卫星通信无线局域网

卫星通信是个人通信网的组成部分，是地面通信网的补充。

卫星通信发展简况和里程碑10卫星通信发展简况卫星通信

概念——利用人造卫星作为中继站，实现两个或多个地球站之间的通信。11通信卫星12卫星通信vs微波通信1314卫星通信发展简况(续)特点

通信距离远覆盖面积大

通信频带宽

机动灵活通信线路稳定可靠传输质量高卫星发射与控制技术复杂两极地区为盲区，高纬度地区效果差

存在日凌中断和星蚀现象

传播延迟大，存在回波干扰某些频段有雨衰现象

系统造价高15卫星通信在中国的特殊地位幅员辽阔人口众多地区发展不平衡卫星通信发展简况16通信网造价比较卫星移动通信>地面蜂窝通信终端成本比较卫星终端>蜂窝手机市场定位卫星移动通信是地面通信网的延伸和补充主要服务于特殊区域和特殊人群卫星移动通信在中国17用户“唯星用户”业务边远地区通信服务企业专网洲际通信国防通信卫星移动通信在中国（续）无缝覆盖18覆盖范围大可向空中、海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动用户提供服务最适合于低业务量地区、航海、航空及地面网欠发达地区的应用环境在地面网络过载或发生故障时作为迂回网络卫星移动通信vs地面移动通信19卫星通信发展简况ArthurC.Clarke的早期设想Extra-TerrestrialRelays19453颗卫星构成一个静止星座定向天线收发开展全球双向通信和广播业务

2017.4°静止卫星静止卫星静止卫星静止轨道18,100km赤道35,786km21卫星通信发展简况（续）今天的卫星通信系统GEO（geostationaryearthorbit）LEO（lowearthorbit）MEO（mediumearthorbit）HEO（highearthorbit）22卫星通信发展简况（续）卫星通信的主要应用领域长话和电视业务（FSS）音/视频直播业务（广播）（BSS）移动通信业务（MSS）Internet业务VSAT（综合业务）23卫星通信发展里程碑1957第一颗人造地球卫星Sputnic(LEO)1964SYNCOM31st

通信卫星，INTELSAT成立1965INTELSAT-11st

商用通信卫星1970东方红1号(LEO)1975BSS1976第一代移动通信卫星(GEO)1998第二代移动通信卫星(LEO)24卫星通信技术的发展概况

25卫星通信从固定业务向个人移动通信、宽带多媒体通信发展

26中国卫星通信的发展中国第一颗试验卫星“东方红一号”于1970年4月24日发射成功，重173Kg，运转周期110分钟，绕地球一周，以旋极化的全球波束向全球广播“东方红乐曲”。1984年8月8日成功发射第一颗同步轨道试验通信卫星“东方红二号-1”，定位在125°E，重433Kg，携带2个8W的C频段转发器，以全球波束辐射，中心波束为23.4dBW。27中国卫星发展史（续）1986年2月1日“东方红二号-2”定位在103°E，携带2个8WC波段转发器，区域椭圆波束辐射传送，重433Kg，中心波束为34.5dBW。1988年3月7日“东方红二号甲-1”，对外称“中卫一号”。定位在87.5°E，波束中心指向101.7°E，34.11°N，中心波束为36dBW。4个C频段转发器，二个8W，二个10W，以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg，寿命7年。28国产东方红二号甲通信卫星29中国卫星发展史（续）1990年2月4日“东方红二号甲3，对外称“中卫三号”定位在98°E，波束中心指向103.23°E，33.84°N，中心波束36dBW。4个C频段转发器以区域椭圆波束辐射传送。卫星重441Kg。1991年12月28日“东方红三号”发射但卫星定位失败。1993年7月“中星五号”卫星启用，定位115.5o，播出8个省级节目。30中国卫星发展史（续）1996年7月3日『亚太一A』在西昌发射中心成功发射，和『亚太一号』相同为C频段双极星，定位于东经134°E，台湾地区信号覆盖强度为37dBm，接收容易。1997年5月11日新的“东方红三号”又称为“中卫6号”发射成功，它是新型大功率的卫星，携带24个C频段转发器，定位125°E。31中国卫星发展史（续）1998年5月30日新的“中卫一号”发射成功。它是第一颗携带Ku频段的新型大功率的卫星，携带18个

C频段转发器，定位在87.5°E。1998年7月18日“鑫诺一号”发射成功。携带14个Ku频段转发器和24个C频段转发器和一对C-Ku频段互联转发器，定位在110.5°E。32中国卫星发展史（续）2003年5月23日“北斗一号”第三颗卫星发射成功，预计用户30万，直接产值35亿。2003年10月21日，太原卫星发射中心用“长征”四号乙运载火箭成功地将中国与巴西联合研制的第二颗“资源一号”卫星和中国科学院研制的“创新一号”小卫星送入太空。火箭发射13分钟后，“资源一号”卫星进入太阳同步轨道。火箭继续飞行约40秒后，“创新一号”卫星与火箭分离，进入预定轨道。33中国卫星发展史（续）台湾：“中华一号”，“中华二号”和“中华三号”“中华一号”：1999年12月由雅典娜一型火箭运载的“中华一号”卫星在佛州卡纳维拉尔角46号发射场发射升空，并顺利进入任务轨道。该卫星用于科学研究“中华二号”：对地观测，2004年6月发射“中华三号”：军事应用34卫星通信使用的频带无线电通信的频谱资源和频带命名无线电通信一般都通过电磁波传播实现。命名中、长波MW、LW短波SW超短波VHF微波亚毫米波频率＜3MHz3~30MHz30~300MHz1~300GHz＞300GHz主要应用AM广播AM、通信FM、TV通信、广播、雷达通信、雷达35段号频段名称频段范围

（含上限，不含下限）波段名称波长范围

（含上限，不含下限）1极低频(ELF)3～30赫（Hz）极长波100～10兆米2超低频(SLF)30～300赫（Hz）超长波10～1兆米3特低频(ULF)300～3000赫（Hz）特长波100～10万米4甚低频（VLF）3～30千赫（KHz）甚长波10～1万米5低频（LF）30～300千赫（KHz）长波10～1千米6中频（MF）300～3000千赫（KHz）中波10～1百米7高频（HF）3～30兆赫（MHz）短波100～10米8甚高频（VHF）30～300兆赫（MHz）超短波10～1米9特高频（UHF）300～3000兆赫（MHz）分米波微波10～1分米10超高频（SHF）3～30吉赫（GHz）厘米波10～1厘米11极高频（EHF）30～300吉赫（GHz）毫米波10～1毫米12至高频300～3000吉赫（GHz）丝米波10～1丝米无线电频谱和波段划分36微波频段又可按波长长短命名为频段命名LSCXKuKKa频率范围（GHz）1~22~44~88~1212~1818~2626~40频段命名QUVEWDGY频率范围（GHz）33~5040~6050~7560~9075~110110~170140~220220~325卫星通信使用的频带（续）分米波段厘米波段毫米波段37用于固定卫星业务的主要频段下行频段（GHz）上行频段（GHz）3.40---4.207.25---7.7510.70---11.7（只用于2区）11.70---12.2（只用于1区）12.50---12.7517.70---21.24.50---4.80，5.725---7.0757.90---8.40

12.75---13.25，14.0----14.5

27.50---31.00低于30GHz的主要固定卫星业务频段38用于移动卫星业务的主要频段39频率分配无线电通信业务用于上行/下行链路的典型频带常用术语固定卫星业务(FSS)6/4GHzC频段

8/7GHzX频段

14/11-12GHzKu频段

30/20GHzKa频段

50/40GHzV频段移动卫星业务(MSS)1.6/1.5GHzL频段

30/20GHzKa频段广播卫星业务(BSS)2.0/2.2GHzS频段

12GHzKu频段

2.6/2.5GHzS频段40卫星通信系统的组成卫星通信系统和它与地面实体的接口

41空间段主要包含天上的一顆或几顆卫星，在空中对发来的信号起中继放大和转发作用。现代卫星通信广泛采用频率复用技术，以增加500MHz带宽内的转发器数目，节约宝贵的频率资源。现代星载转发器不仅具有足够高的增益，而且具有再生处理和交换功能卫星通信系统的空间段42转发器——卫星上的宽带收、发信机通常一颗卫星具有多个转发器，每个转发器覆盖一定的频段。一般转发器的带宽为36MHz，也有54MHz和72MHz的转发器。卫星通信系统的空间段（续）43交叉排列频率复用的C频段和Ku频段卫星转发器

44空间段45控制段主要由地面卫星控制中心(SCC)、跟踪/遥测及指令站(TT&C)组成在TT&C站与卫星之间有控制和监视链路卫星通信系统的控制段46监控主要内容轨道保持位置保持姿态保持有效载荷状态监控“双重照射”消除卫星退役处理卫星通信系统的控制段（续）47控制段48地面段主要由多个业务地球站组成。与地球站的服务类型有关，这些站的大小可能很不一样，大的天线可达几十米，小的只有几十厘米。卫星通信系统的地面段49业务类型地球站类型天线典型尺寸(m)点对点关口站，枢纽站2~10VSAT1~2广播/组播馈送站1~5VSAT0.5~1采集VSAT0.1~1枢纽站2~10移动手机便携式终端0.1~0.8关口2~1050地面段51数字通信地球站电原理框图

52与模拟信号传输比较，数字信号传输不仅信号质量好、容易处理、便于与数据信号合成，而且在占用带宽相同条件下，信道的传输容量亦可能会增加，是今后通信的发展方向。编码、复接、调制和多址联接53常用的语音编码技术是波形编码，卫星通信中大量使用脉冲编码调制(PCM)和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)脉冲编码调制和

自适应差分脉冲编码调制541.脉冲编码调制(PCM)

将模拟语音信号变换为数字信号，人们常用的技术是脉冲编码调制，这种方法主要包括有取样、量化和编码三个过程。552.自适应差分脉冲编码调制自适应脉冲编码调制是一种随输入信号幅度变化，而改变其量化阶梯尺度大小的一种编码方法；差分脉冲编码调制，是相对前一个抽样值去估计后一个将要进行量化的予测值，并只对实际信号值与予测值之差进行量化编码。563.参量编码渉及的语音参量主要有清音和浊音判决、平均基音周期、幅度和增益控制等。主要参量编码方案有线性予测编码(LPC)、编码激励线性予测(CELP)、矢量和激励线性予测(VSELP)等多种方案，它们的速率目前已降到2.4-4.8kb/s，而且语音质量评分好的已达到3.3-4.0分。57时分复接系统和同步数字系列目前广泛使用的复接技术，是时分复接（TDM）技术，其它复接技术如码分复接、空分复接等，但应用不多。32路PCM信号时分复接成一次群

585960国家或地区基群话路数(Mbps)二次群话路数(Mbps)三次群话路数(Mbps)四次群话路数(Mbps)五次群话路数(Mbps)中国欧洲30路E1=2.048120路E2=8.448480路E3=34.3681920路E4=139.2647680路E5=564.992美国加拿大24路T1=1.54496路T2=6.312672路T3=44.7364032路T4=274.176日本480路32.9641440路97.7285760路397.2各国数字信号复接等级接口速率和PCM话路数

61SDH(STM-1)时分复接结构62数字调制中，解调器的性能是用平均误码率来衡量的。二进制的数字信息，由一系列1和0数字组成，可以用来调制载波的相位，频率和幅度。数字调制中的问题是，由于载波受噪声的干扰，有时传送的是二进制数字1，但解调器输出却判决它为0；或相反。数字调制、信号传输质量的衡量标准63(a)二相相移键控和(b)四相相移键控调制方案

64就BPSK和QPSK调制器而言，误码率Pb可以表示为：公式中的“erfc”表示余误差函数数字调制、信号传输质量的衡量标准（续）65Pb~EB/N0关系曲线

66使用QPSK和BPSK时，信道滤波器的带宽B与字符速率RS有下列关系：B=RS

(1+α)式中的α是升余弦滚降滤波器的滚降系数。α越大，要求的带宽也越大。QPSK中每个字符有两个比特，因而它的频谱利用效率，要比BPSK的高一倍。数字调制、信号传输质量的衡量标准（续）67卫星通信比其它的传输方式有一个突出优点，在于它能够同时连接广大地区的众多地球站，进行一点对多点的通信。一个卫星转发器可以接通很多地球站，因而需要采用某些技术将转发器容量按需分配给各站。多址联接68FDMA示意图，Bk是分配给第k站的带宽，图中k=1、2、3、4.69TDMA示意图，Tk是分配给第k站的时隙，图中k=1、2、3、4

70CDMA示意图CDMA与FDMA/TDMA的比较

71SDMA示意图~多波束天线覆盖

72设计卫星通信系统时，天线和电磁波的传播特性起着极其重要得作用。在此，我们简单介绍实现双极化运行的正交极化频率复用基本原理。正交极化频率复用73电磁波极化极化的定义辐射电磁波的极化，是迎着电磁波的传播方向，观察瞬间电场矢量端点所描绘的轨迹曲线。它可以分为线极化、圆极化和椭圆极化三种情况。74极化类型：线极化，圆极化和椭圆极化75移动和个人卫星通信

地面移动系统

移动卫星系统覆盖面积随着基础通信设施的部署稳定地增长由于标准不兼容，不能全球使用小的无线电蜂窝，带宽效率高地面无线链路有足够的链路余量，可以用来补偿阻挡信号的影响适用于城市环境能够迅速和完全地部署覆盖广大地区有全球用户带宽效率低信号的阻挡会使卫星链路性能恶化

适用于广大的农村环境高用户密度、高业务密度小区，性能价格比高低用户密度、有限业务密度的广大地区，性能价格比高地面和卫星移动系统的比较76移动卫星通信的应用职业旅行者地面移动系统不能覆盖的地区少量发达国家的一些地区，基础通信设施没有连接到电话网络上长途旅行中的流动管理能支持应对突发事件和安全方面的需求77个人卫星通信个人通信的中心思想是在任何地方和任何时间，一个移动用户用他的终端（个人化的如典型手机），建立和接收呼叫的能力。用于卫星个人通信的手持终端，必须要满足严格的技术要求，因此它是对制造商的一种挑战。78UMTS&IMT-2000

1.关于业务和使用场合2.关于用户终端3.关于网络79宽带多媒体卫星通信1.卫星多媒体通信的典型应用2.与地面固定宽带网络比较，多媒体卫星系统具有明显不同的特点

80卫星通信的发展趋势传统的C、Ku频段静止轨道卫星将保持稳定发展，并将以大容量(转发器数量在50个左右)、高功率(功率为8000瓦至15000瓦)和长寿命(寿命在15年左右)的新系统逐步更换现有系统。81卫星通信的发展趋势（续）静止轨道卫星移动通信系统服务对象将从传统用户转移至缺少陆地服务的边远地区Ka频段静止轨道卫星系统已逐步走向实用化，卫星通信网从窄带向宽带过渡，如覆盖美洲的EchoStar-Ka、ASTROLINK和PAS等82卫星通信的发展趋势（续）窄带的中、低轨道卫星移动通信系统投入运行，如Iridium、ICO和Globalstar等系统宽带低轨道系统正在加紧开发之中，预计在21世纪初可陆续发射，用于高速数据和可视电话传输。如Teledesic系统共包括288颗卫星，工作于Ka频段，寿命设计为10年左右83卫星通信的发展趋势（续）小型低轨卫星系统已陆续投入运行，用于低速数据传输，如E-Sat、GEAmerican和GEMnet等系统。全球定位卫星系统将面临升级换代的问题。84卫星通信的发展趋势（续）中、低轨道卫星系统为适应新技术发展和系统对容量的更大要求已形成了新的演变过渡方案，如Iridium系统将其运行的卫星数目从66颗增加至96颗。随着1997年9月26日美国FCC频率申请计划新周期的开始，Q、V段新系统纷纷推出，各公司开始申请Q和V频段新系统。85卫星通信的发展趋势（续）同步卫星向大容量、多波束、智能化方向发展低轨卫星与地面蜂窝通信相结合，实现全球个人通信小卫星通信地面站的广泛应用数字视频广播(DVB)和数字音频广播步入家庭和个人用户多媒体通信和Internet接入微小卫星、纳卫星和皮卫星的快速发展8687卫星通信技术空间段技术地面段技术用户终端技术88卫星通信技术（续）空