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1、1,第5章 星载和地球站设备,张燕,2,5.1 卫星通信系统组成5.2 星载设备5.3 通信地球站设备,第5章 星载和地球站设备,3,5.1卫星通信系统组成,图5-1 星载和地球站设备,4,5.2 星载设备,人造地球卫星由空间平台和有效载荷两部分组成。有效载荷是指不同用途的卫星，为了完成技术任务而配备的特有系统。不同用途的卫星有不同的有效载荷。例如，资源卫星的有效载荷就是各种遥感器；天文卫星的有效载荷是各种类型的天文望远镜；通信卫星的有效载荷主要是通信转发器及通信天线。,5,5.2.1 星载天线,喇叭天线（全球波束天线）抛物面天线（点波束天线）赋型天线多波束天线,6,7,中心馈源和偏置馈源的抛
2、物面反射天线,8,波束宽度与天线直径的关系,9,10,多波束卫星天线的典型方框图,11,卫星天线系统示意图,12,5.2.2 星载转发器,又叫通信分系统或中继器，实质上是一部宽频带的收、发信机。其作用为接收、处理并重发信号。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。,13,转发器通常分为：透明转发器（弯管式转发器）：收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发任务。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处理转发器：除进行信号转发外，还具有信号处理功能
3、。主要功能包扩：解调再生，避免噪声积累星上交换，对不同的卫星天线波束之间进行信号交换。,14,透明转发器,15,处理转发器,主要功能：解调再生星上交换,16,解调再调制转发器结构,解调再生,17,SS-TDMA转发器的组成,星上交换,18,INTELSAT VI 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,SWZ,19,转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。小容量通信卫星：星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫星中容量通信卫星：有24个转发器，功率在10003000瓦之间大容量通信卫星：有48个转发器，功率在30007000瓦之间超大容量通信卫星：转发器多于48个
4、，功率在7000瓦以上,20,例：中星6B（东经115.5）频段：C波段转发器：3836MHz EIRP（峰值）：北京、上海、广州、昆明、兰州连线的中心区域42dBW；除南中国海外中国全部疆域 41dBW；南中国海地区 40dBW；中国周边国家和地区39dBW；亚洲、澳大利亚大部 37dBW；新西兰及南太平洋部分岛屿 36dBW,21,22,5.3 通信地球站设备,5.3.1 地球站的种类地球站是卫星通信的重要组成部分，其作用是向卫星发送和接收来自卫星的信号。目前国际上通常根据地球站天线口径尺寸及G/T值大小将地球站分为A、B、C、D、E、F、G、Z等各种类型。A、B、C三种是大型站，称为标准
5、站，用于国际通信，适合各种业务类型。,23,D1，D2主要是用于小型站。E和F分别工作在Ku波段和C波段，又分为E1、E2、E3和F1、F2、F3等类型。E1，F1，称为小型站，它们的业务容量较小，一般用于商用系统（IBS）。E2，E3和F2，F3又称为中型站，是为大城市和大企业之间提供通信业务的。G是国际租赁专线，一般用于VSAT或卫星电视。Z是国内电路，租赁专线。,24,5.3.2 地球站的组成,一个典型的国际卫星通信的双工式A型标准地球站，一般包括射频部分（包括天线、高功率放大器、低噪声放大器、上变频器和下变频器），调制与解调器，基带处理部分，控制系统和用户接口等。,25,地球站主要单元
6、设备,26,射频部分,天线高功率放大器低噪声放大器变频器,27,卫星天线通常采用抛物面天线，利用无线电波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波，接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几部分组成。按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同，我们可以把抛物面天线分为正馈天线偏馈天线,1、天线,28,正馈天线中心聚集电波的卫星天线被称为正馈天线，其天线反射面呈正圆状，馈源位于天线抛物面焦点处。正馈天线根据结构不同还可再分为前馈式天线（即普通抛物面天线）后馈式天线（即卡塞格伦天线）。,29,前馈式抛物面天线,金属抛物面,卫星来波,反射信号波,反射焦点（馈源）,30,31,原理图,卫星来波,金属抛物面,反射信号波
7、,反射焦点（馈源）,F,f,太阳,聚光镜,32,前馈式天线优点：结构简单、成本较低缺点：由于馈源正好位于天线抛物面焦点处，带来诸多问题，比如辐射器对反射电波有个遮挡作用；馈线较长，损耗较大；LNB处于阳光直射环境，温度高等。一般大型站不用。,33,34,目前大型地球站应用最多的天线是卡塞格伦天线。它属于后馈式天线，由馈源喇叭(一次辐射源)、主反射器(抛物面)和副反射器(双曲面)组成。,卫星来波,金属抛物面,副反射面(双曲面),虚焦点F1,实焦点 F2,馈源,35,后馈式抛物面天线,卫星来波,金属抛物面,1次反射信号波,虚聚焦点（双曲面）,实聚焦点（馈源）,2次反射信号波,36,37,副反射面(
8、旋转双曲面),馈源,主反射面,38,卡塞格伦天线的优点：馈源安放在抛物面顶点附近，因此可直接和主反射面背后的低噪声放大器连接，降低了因馈电波导过长而引起的损耗噪声；主副反射面调整方便，效率高；抛物面焦距很短，降低了整个天线的长度;降低了大地反射噪声。缺点：结构复杂，价格昂贵，制造、安装、调试、维护的技术要求也都比较高，适合大中型地球站，不适于家庭和小范围使用。副反射器及其支架的阻挡，造成效率下降,39,40,偏馈天线 偏馈天线特别适合接收KU波段信号，一般来说口径较小，通常在一米以下，反射面呈现椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射面的中心线上，所以被称为偏馈天线。因为其馈源不在天线反射面与卫星
9、之间，得以避免了馈源对卫星电波信号的遮挡，所以这种天线的接收效率比较高。由于偏馈天线具有易于安装、节省空间、方向图好，效率较高等优点，目前在家庭和小用户中广泛采用。,41,普通偏馈天线的侧视图,卫星电波,指向卫星,水平,LNB(高频头),高频头支杆,42,43,偏馈天线,44,二次反射式天线（多曲面天线）,可将卫星信号反射到多个馈源内，从而实现一面天线多颗卫星的同时接收。,抛物面,反射面,多个馈源,45,球形反射面天线,使用球形反射面天线的目的就是可以通过一副天线来进行多星接收。,安装多个馈源，并根据所接收卫星的方向适当地调整各馈源的位置。,27,46,伺服跟踪分系统,虽然通信卫星大多为静止卫
10、星，但由于卫星的实际运行轨道和理想轨道总存在一定的偏差，因此，静止卫星并非完全“静止”。根据天线理论，天线主瓣的波束宽度反比于天线的口径，在天线口径较大时，天线主瓣波束会很尖锐，方向性很强，当天线主波束指向卫星的方向稍有偏差，天线增益就会有明显变化，天线口径越大，工作频率越高，这个问题就越严重。,47,以上因素必然会影响天线精确对准卫星，所以口径较大的地球站天线都必须有一套伺服跟踪系统，以确保天线主波束准确指向卫星。需配置伺服跟踪分系统的地球站：大型陆地固定卫星通信地球站（小型固定站一般不设伺服跟踪设备）陆地移动卫星通信地球站（非手持机）船载移动卫星通信地球站机载移动卫星通信地球站,48,自动
11、跟踪天线,车载式自动跟踪天线,手提式自动跟踪天线,49,地球站天线跟踪系统一般有3种跟踪方式：自动跟踪：接收卫星发射的信标信号，使天线自动对准信标信号来的方向；程序跟踪：预测卫星轨道信息驱动天线；手动跟踪：手工移动天线。大中型固定地球站一般采用自动跟踪系统为主，手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。根据地球站接收到的卫星所发的信标信号，检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。,50,51,52,53,54,2、高功率放大器(HPA),卫星通信由于收发双方距离较远，传输损耗较大，为了使输出功率满足传输损耗的要求，在上变频器之后要设置一个增益达到5080dB，输出功率约几瓦到几千瓦量级的高功率
12、放大器。为减小传输损耗，HPA需放在离天线比较近的射频机房内，传输线采用波导。,55,三种放大器的性能比较,56,速调管功放的应用已逐渐被行波管功放所取代，目前主要使用行波管放大器TWTA和固态功率放大器SSPA。TWTA：大功率，高频率；SSPA：线性好、寿命长、省电、维护方便。近些年，随着砷化镓固态技术和功率合成技术的发展，场效应单管功率放大器功率越来越高，在此基础上，出现了很多采用多级功率合成的大功率固态放大器产品。在很多场合功率较低的SSPA已经逐渐代替大功率的真空管功率放大器。,57,SSPA典型的维护措施检查功放输出功率、反射功率、各种电压、温度等参数。定期对功放的风道进行检查，清
13、洗滤网，保持进风口和出风口清洁，检查功放的散热风机风力是否强劲，大约每五年更换一次风机。年检：将功放关机，进行线缆检查、内部除尘、功能和技术指标测试。,58,室外固态小功率放大器KU波段(8W、16W、20W),59,60,61,3、低噪声放大器(LNA),地球站接收到的卫星信号非常微弱，因此必须在接收系统前端加入低噪声放大器(LNA)。LNA的要求：高增益，要对微弱信号进行高倍放大；低噪声，放大器本身引入的噪声也要足够低，不能淹没微弱的有用信号；宽频带、高稳定性、高可靠性等。,62,卫星地球站目前所用的低噪声放大器为砷化镓场效应管级联放大器。通常标准地球站要求前端放大器增益为5060dB，单
14、级放大器无论从增益还是输出功率而言都不能满足系统使用要求，所以一般是由多级微波场效应管放大器级联组成。卫星通信中地球站为了保证通信信号的连续性，所安装的低噪声放大器通常为1：N热备份形式，即低噪声放大器分系统由两个或多个低噪声放大器，倒换开关和控制单元组成。,63,64,65,KU波段卫星天线,66,67,LNA的安装：为免微弱的卫星信号因传输路径过长而淹没在噪声中，低噪声放大器一般都安装在天线后的高频箱内。LNA和室内接收机之间的连接：LNA不包括下变频器，则LNA和接收机内一般采用波导连接。LNA包括下变频器，则LNA和接收机之间可用同轴电缆连接。,68,天线系统与机房的连接,69,4、变
15、频器,上变频器，将中频信号变换为射频信号。下变频器，将射频信号变换为中频信号。射频频率：C波段（上行6GHz/下行4GHz）、Ku波段（上行14GHz/下行12GHz）中频频率：由卫星转发器带宽而定。若带宽较窄(如36MHz)，中频选70MHz若带宽较宽(如72MHz)，中频选140MHz,70,可分为一次变频：从中频(如70MHz)直接变到微波射频(如6GHz)。设备简单，但不利于宽带系统实现，适合小容量的小型地球站二次变频：从中频(如70MHz)先变到较高的中频(如1000MHz)，然后再由此较高的中频变到微波射频(如6GHz)。电路较复杂，但调整方便，易于实现宽带要求，广泛用于大容量的大
16、中型地球站中。,71,输入信号频率：36254200MHz混频器：46655240MHz输出信号：1040MHz混频器：1110MHz,例：C波段二次下变频器(Comtech DT-4503),72,带宽是上变频器和下变频器的性能指标之一。变频器带宽有射频和中频带宽两种含义。射频带宽是指变频器覆盖射频带宽的能力，即通过改变上（下）变频器的本振频率以实现发射（接收）整个射频频带内的任一载波。C波段频率范围较窄，大约500MHz左右，因此变频器射频带宽一般就是C波段带宽。Ku波段频率范围较宽，大约 2GHz左右，若只用一种本振频率无法覆盖如此广的范围，通常采用不同的本振频率。,73,中频带宽决定于
17、变频器覆盖各载波信号带宽的能力，也就是变频器在中频侧的信号带宽。36MHz带宽的卫星转发器，变频器中频带宽选为36MHz或40MHz，中频频率70MHz，频率范围7020MHz。转发器带宽为7277MHz是，工作带宽选为80MHz，中频频率140MHz，频率范围一般14040MHz。,74,中频和基带处理部分,在VSAT中，经常以室内单元的形式合成一体。,75,室内单元,76,发送链路，通过用户数据接口模块接收用户数据（基带信号）；进入IFU（内部成帧单元）的发送部分组帧；定帧后的数据首先进行信道编码，完成扰码、差分编码、FEC（前向纠错）编码后，进入发送滤波器；滤波后的信号进入调制器，经PS
18、K调制到IF载波上，经IF处理单元处理后输出。接收链路，IF输入信号首先进入IF处理器，完成放大、AGC和滤波；然后进入解调器，经PSK解调，输出基带数据信号；之后进行信道译码，处理后的数据通过IFU去帧，最后经用户数据接口模块送到用户终端。,77,监控分系统,监控设备的功能就是监视系统内各种设备的工作状态（如HPA、LNA等），发生故障时能告警及故障处理。小型地球站一般没有专门的监控设备。监控分系统一般由监视设备、控制设备和测试设备等组成。,78,电源分系统,地球站的大功率发射机所需电源必须是定电压、定频率、高可靠性的不中断电源。用交流市电供电时，通过电力传输线路，必然会同时引起许多杂散干扰，而其公用交流市电也会出现波动，所以必须采取稳压和滤除杂散干扰的措施。为了满足地球站的供电要求，通常应设有应急电源设备和交流不间断电源设备两种电源设备。,79,一般来说，对地球站应有以下几方面的要求 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。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。性能稳定、可靠，维护、使用方便。建设成本和维护费用不应太高。地球站特性的要求。,对地球站的技术要求,
