第三章《卫星通信》卫星通信的关键技术

第三章卫星通信的关键技术

任课老师：温洪明电子与电气工程系通信教研室3．1天线及馈源系统

天线决定了地球站的EIRP和G/T，根据天线的口径可以分为：大型站天线：15-33m中型站天线：7-15m小型站天线：3-7mVSAT微型天线：0.6-4m

天线就是一种高频电波能量与高频信号功率间的换能器，可以作为发射也可以作为接收。3．1．1地球站天线1、地球站天线的主要特性和技术指标

总体要求是高增益，高效率，低噪声温度，宽频带，高极化隔离度，小驻波比，坚固质轻的材料。工作频段：接收3625-4200MHz；发射5850-6425MHz增益：接收增益和发射增益旁瓣特性：指天线点播辐射方向图次方向上的辐射特性噪声温度：在底物天际角、天线仰角等情况下的噪声温度极化形式：双圆极化（发射、接收、左旋和右旋）或者线极化（垂直极化和水平极化），椭圆极化比较少极化轴比：非圆极化方式下，长轴和短轴的比值电压驻波比：点播转播时的驻波特性端口隔离度：发射和接收端口的隔离情况可耐用功率：可以承受的最大功率3．1．1地球站天线2、地球站天线的结构和类别（1）抛物面天线

单反射面型天线，主反射器为抛物面，馈源位于其焦点附近，能把馈源辐射的球面波变为平面波的定向天线。F/D（F是抛物线的焦点，D是抛物线的口径）与馈源的方向角Q是从属关系，也就是说只有馈源的方向角确定以后才能确定你所要制作的抛物面天线的直径及焦距。分为发射天线和接收天线两种，发射天线由馈源发出的球面电磁波经抛物面反射后，成方向性很强的平面波束向空间辐射，可以将无线信号直线发射到卫星或者其他抛物面接收天线。接收天线由抛物面反射器将垂直信号反射收集到馈源。

3．1．1地球站天线3．1．1地球站天线优点：结构简单，方向性强，工作频带宽。缺点：天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。DFOMT来自高功放到LNA（2）卡塞格伦天线

卡塞格伦天线是另一种在微波通信中常用的天线，它是从抛物线演变而来的。卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。主反射器为旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。

3．1．1地球站天线3．1．1地球站天线特点：天线效率高，噪声温度低，馈源和低噪声放大器可以安装在主反射后方的射频箱中，方向图较好。经典的卡塞格伦天线由于副反射面的存在阻挡一部分能量，所以天线效率较低，目前常用的是修正型的卡塞格伦天线，天线效率提高到了0.7-0.75，而且能量分布均匀。（3）偏置型天线

天线偏置技术就是为了解决卡塞格伦天线和抛物面天线中由于总存在一部分的点播能量被阻挡而导致天线增益下降，旁瓣增益高的缺点而发明的新型天线技术。偏置天线就是将馈源或者副反射面移出天线的主面辐射区，从而消除遮挡。常用于较小的地球站和VSAT站。3．1．1地球站天线（4）环焦天线

对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣、较高的口面效率及较高的G/T值，当天线的口面较小时，使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。因此，环焦天线特别适用于VSAT地球站。

环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M’，M’是抛物面OD的焦点，因此，经主反射面反射后的电波平行射出。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点M’构成一个垂直于天线轴的圆环，故称此天线为环焦天线。3．1．1地球站天线

环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射，馈源喇叭和副反射面可设计得很近，这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。缺点是主反射面地利用率低，如图所示，AA’间的区域没有作用。

3．1．1地球站天线（5）格里戈伦天线格里高利天线也是一种双反射面天线，也由主反射面、副反射面及馈源组成，如图所示。

与卡塞格伦天线不同的是，它的副反射面是一个椭球面。馈源置于椭球面的一个焦点F1上，椭球面的另一个焦点F2与主反射面的焦点重合。格里高利天线的许多特性都与卡塞格伦天线相似，不同的是椭球面的焦点是一个实焦点，所有波束汇聚于这点。3．1．1地球站天线（5）双频段天线

如果使用频率选择表面（FSS）作副反射面，就可以构成双频段天线。FSS是一种空间滤波器，通过在空间放置周期性的金属贴片或金属缝隙构成，它在某些频率可让电磁波无衰减的通过，而在另外一些频率将电磁波完全反射。

其结构及电磁特性如图所示，在频率f1电磁波被完全反射，在频率f2电磁波完全通过。如果我们使用这样的FSS作副反射面，并使馈源1工作在f1，馈源2工作在f2，则两个馈源可无干扰地工作在同一副天线上。利用相同地原理，可制成多频段天线，这种技术已在卫星上得到应用。这种天线地优点是可有效利用反射面，降低天线重量。3．1．1地球站天线FSS的结构及电磁特性双频段天线3．1．1地球站天线3．2地球站天线跟踪伺服系统3．2．1地球站天线跟踪系统体制

1、步进跟踪系统

步进跟踪又称为极值跟踪或者极值跟踪体制，她是根据卫星信标信号或者导频信号的极大值来判定天线是否对准卫星，然后一步步低控制天线在方位面和信仰角内转动，使天线准确指向卫星。

步进跟踪的原理和设备（同一步式和双向搜索式）

搜索步：数据取样、场强记忆电路，比较电路调整步：向卫星方向转动一步优缺点天线波束不能完全停留于对准的卫星，跟踪精度和速度不高，但设备简单，维修方便3．2．1地球站天线跟踪系统体制

2、单脉冲跟踪系统单脉冲指在一个脉冲的时间间隔内就能够得到完整的天线波束偏离卫星的信息：方位和俯仰角误差，并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。根据方式不同，可以分为多喇叭跟踪和多模跟踪两种。等信号法在偏离天线轴线的方向，寻找两个或者四个对称的点，然后比较想过户对称点上得信号大小，并以此来判定目标偏离轴线的方向。优缺点跟踪精度和速度很高，但设备复杂，成本较高3．2．1地球站天线跟踪系统体制

3、记忆极值式跟踪系统

记忆极值式跟踪系统与其他步进式跟踪的共同点就是把极大值记忆下来与实时值进行比较，不同点是记忆极值式系统的电机是连续转动的，也就是没有搜索步和调整步之分。优点在于用一般的三相电动机，控制信号不用功率放大，对传动系统要求也低。

3．2．2跟踪接收机跟踪接收机的主要任务是把天线接收来的微波信号（信标信号、导频信号、误差信号）进行放大，并把他的幅度变换为直流信号，直流信号的大小对应于微波信号的强弱。1、信标信号跟踪信标信号频率高，需要独立的下变频器，，用专门的跟踪接收机接收信标信号，适用于所有典型的地球站。2、导频信号跟踪

导频信号频率较低，信号直接取自于下变频器，这样和通信信号能够公用一个下变频器，这种方法仅适用于小型卫星地球站，不适用与大型站和主站。3．2．3天线伺服系统1、伺服系统必须具备的主要功能

天线伺服系统是根据跟踪系统给出的误差控制信号来驱动天线使得天线波束对准卫星。必须具备的功能有：转动天线反馈天线新位置信息将交流信号变成直流信号和将直流信号转换成交流信号（控制信号为交流，驱动器件识别直流，位置信息为直流，必须转换为交流才能完成控制。）系统中还需要电压放大和功率放大元件3．2．3天线伺服系统2、伺服系统的分类根据驱动器件的不同可以分为以电动机（直流或者交流）来转动天线的机电伺服系统和用电液阀来控制液压马达推动天线转动的电液伺服系统。根据采用的跟踪体制可以分为以下几种方式：步进跟踪的伺服系统

省去了复杂的馈源，简化了跟踪接收机，但是因为天线主波束方向图顶端平坦，使得跟踪器难以确认天线的最佳指向。

微处理器在伺服系统中能够正确进行数据采样、存储、数据比较等控制，以及逻辑关系的处理，在完成同步的同时，完成对天线的位置、速度等参数进行计算。3．2．3天线伺服系统A/D转换外部控制指令D/A转换D/A转换放大方位步进电动机俯仰步进电动机放大轴角编码器位置显示自信标跟踪接收机微处理器微处理机控制的伺服系统框图3．2．3天线伺服系统方位相敏检波俯仰相敏检波方位基准电压俯仰基准电压放大器放大器功率放大器功率放大器执行部件执行部件敏感部件敏感部件EL位置显示AZ位置显示误差信号AZEL自跟踪接收机单脉冲跟踪的伺服系统

先把控制信号电压放大，转变为直流信号后，再通过功率放大，以推动执行元件转动天线，并通过误差敏感元件将天线的位置信息反馈会放大器构成闭环控制系统，同时由显示装置显示天线的方位和俯仰位置。单脉冲跟踪的伺服系统框图3．2．3天线伺服系统船载卫星通信天线的伺服控制系统无源稳定

也称为飞轮稳定和重力稳定。是将天线安装在x轴和y轴所决定的平面上，平面下面带有高速旋转的飞轮，利用旋转飞轮的陀螺效应提供由于船体摇摆带来的干扰力矩的恢复力矩，使得x轴和y轴所构成的平面不受船体摇摆的影响而形成一个稳定的平台。也称为机械稳定法，稳定精度不高，要求不高的场合应用，简单、造价低。有源稳定有缘稳定分为本机稳定和外部引导稳定，外部引导稳定又分为机械稳定和电器稳定。一般要求高、口径大的场合运用。3．2．3天线伺服系统地球站伺服系统的指标

指标的环境条件为：-30°C~+55°C；精度工作条件：稳定风速、阵风。（1）指向精度天线波束轴线与所要求的方向之间的夹角要小于0.2个波束宽度。（2）跟踪精度在自动跟踪工作状态下，天线波束轴线与接收的卫星信号来波方向之间的误差要小于0.1个波束宽度。3．3信号处理技术3．3．1数字话音内插技术(DSI)1、“话音内插”技术（DSI）在电话通信中，由于每句话间的间隙、词汇间隙以及停顿思考等原因，平均有40～50％左右时间间隔内是不传输话音信号的，若利用这些空隙时间来传输其它话路的信号，就能提高电话线路的利用率近一倍2、数字话音内插的类型时分话音内插（TASI）

利用呼叫之间的间隙，在通话者听话而未讲话以及讲话停顿的空闲时间，把空闲的通路暂时分配给其他用户。话音预测编码（SPEC）只当某一个时刻样值的PCM编码与前一样位的PCM编码有明显的差别既不能预测时，才发出此时刻的码组，否则不发，因而减少了需要传输的码符数。3．3．1数字话音内插技术(DSI)3、时分话音内插（TASI）的基本原理延迟线话音存储器-发分配状态寄存器-发分配处理机-发话音检测器分配信号产生器合路器分配信号接收器分配处理机-收分配状态寄存器-收话音存储器-收分路器n个话路输入通道分配通道数据通道m话路数字式时分话音内插系统原理图3．3．1数字话音内插技术(DSI)4、数字话音时分内插的工作过程在发送端，话音检测器依次对各输入话路的工作状态加以识别，判断它们是否有语音信号通过。分配信息的传送方式有两种，一种是只发送最新的状态连接信息；另一种是发送全部连接状态信息。话路质量不变的情况下，使用m条话路为n路服务（n>m），则有：GDSI=n/m不同A值条件下DSI与n的关系3．3．1数字话音内插技术(DSI)5、音预测编码SPEC在图中给出了SPEC发端的原理图。其工作过程如下。①话音检测器依次对输入的采用TDM复用格式的N个通道编码码组进行检测，当有话音编码输入时，则打开传送门，将此编码码组送至中间帧寄存器和零级预测器；否则传送门仍保持关闭状态。②零级预测器将预测器帧存储器中所储存的上一次取样时刻通过该通道的那一组编码与刚收到的码组进行比较，并计算出它们的差值。③与此同时，又将此码组“写入”发送帧寄存器，并在规定时间进行“读操作”。④在零级预测器中，各次比较的情况被编成分配码（SAW），如可预测用“0”表示，而不可预测则用“1”表示。3．3．1数字话音内插技术(DSI)⑤在接收端，则根据所接收到的“分配通道”和“M个输出通道”的结构，就可恢复出原发端输入的N通道的TDM帧结构。SPEC发端方框图3．3．2回波抑制（抵消）技术1、一条长途电话线路的基本组成

二线制、四线制、制式轮换问题、回波

长途电路线路组成HANAHBNB放大GWabab衰减LE衰减LW放大GE传输延时D传输延时D衰减LSB衰减LSA用户A用户B二进制四进制二进制H：混合线圈N：平衡网络3．3．2回波抑制（抵消）技术卫星通信线路产生回波干扰示意图S—卫星D—双工器T—发射机R—接收机H—混合线圈

—信号传输线路—回波传输线路TDHRTDHRS电话机A电话机B发端站收端站2、回波抑制技术为了解决回波干扰问题，必须在语音信号的基带线路中接入一定的电路，以便在不影响语音信号正常传输条件下，将回波消弱或者抵消，这就是回波抑制技术。3．3．2回波抑制（抵消）技术3、回波抵消器种类模拟式回波抵消器数字式回波抵消器

都是用一个滤波器模拟混合线圈，是他的输出与接收话音信号的泄露相互抵消，以防止回拨干扰的发生。

3．3．3语音编码技术1、信源编码——

PCM、DPCM、△M2、语音压缩编码技术

根据人对信号的不同参数的反应不同而降低地传输率。

3、语音编码技术的分类

波形编码直接将十余语音信号变成数字代码，目的是尽可能真实地在收端恢复语音波形，也称为真迹编码。（16-64bit/s）参量编码(声码器)

在语音的频域或者其他正交变换域提取其特征参量并变换成数字代码，也称为变换域编码。（600-9600bit/s）混合编码

使用一定的算法，把波形编码的高质量与声码器的高效率结合，从而实现更低的数码率（9600bit/s以下），或者高质量语音。

3．3．3语音编码技术4、改进的波形编码和参量编码差值脉码调制（DPCM）

由于语音信号的波形是相关性的，而却取样后的前后幅度样值仍有相关性。在对后面的幅度样值编码时，利用前面的幅度样值，利用相关性，减少编码的位数，降低信码中信息冗余度和数码率的方法。abS(1)S(0)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)S(8)S(8)S(9)S(10)S(11)S(12)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)d(7)S(7)d(9)d(10)d(11)d(12)S(t)ttTS话音信号采用DPCM编码时的取样幅度及其差值a—话音信号波形b—取样的幅度与差值

3．3．3语音编码技术参量编码器（声码器）

（1）语音生成及其模型音源、声道、辐射三部分，标志音源的参量有：主音的基音周期和浊音与清音的强度。冲激序列发生器声门脉冲模型随机噪声发生器时变线性滤波器基音周期语音信号输出AvAn语音生成器模型T:基音周期幅度频谱包络T语音信号的频谱

3．3．3语音编码技术浊音清音通道声码器原理方框图（2）声码器的基本原理声码器完成的作用是对语音信号的分析与合成，在发送端通过对语音信号的分析，得出要传送的特征参量；在接收端则是根据收到的参量再合成得出近似与原语音的信号。线性预测声码器的原理方框图

3．3．3语音编码技术（3）线性预测声码器的原理线性预测声码器是目前应用比较广泛的一种声码器，发送端包括两个部分：线性预测分析器（用于计算线性预测系数）和提取基音与判别浊音/清音的检测器。3．4调制技术调制技术

频率调制是为了增加传输带宽，得到大的调制增益，有利于地球站接收机获得较高的C/N，或者在给定载噪比的情况写可以减少卫星转发器的功率。为了解决调频制带来信号频带增加的缺点，并增加现有卫星转发器的容量，改善信号的传输质量，有自解压缩法扩展技术，可以应用于FDM/FM/FDMA体制，也可以应用于压扩单边带调幅频分多址（CSSB/AM/FDMA）。设计目的：一种是以有效利用地球站和卫星转发站的发射功率为目的的调制方式，称为功率有效方式。一种是以有效利用射频频带为主要目的的调制方式，大于2bit/s/Hz时，称为频谱有效方式。调制技术通信体制：

FSK、PSK、MPSK、CPFSK、MSK等都是恒定的包络调制，因为交调的存在，使得ASK方式的应用受到限制。信道特性

采用PSK调制方式可以获得最佳的接收性能。新到的干扰是加性的高斯白噪声，所以认为是恒参信道。3．4．1模拟调制1、频率调制技术

在模拟卫星通信中，用调频方式传输电话信号时常用的方法频分复用／调频（FDM／FM）方式每载波单路/调频（SCPC／FM）方式FDM/FM解调过程1、频率调制技术

在模拟卫星通信中，用调频方式传输电话信号时常用的方法频分复用／调频（FDM／FM）方式每载波单路/调频（SCPC／FM）方式LNA下变频IF滤波限幅微分器包络检波LPF分路复接器本振限幅微分器包络检波FM解调器

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··来自卫星的微波FM信号加噪声

压扩器原理框图3．4．1模拟调制2、CS