现代通信技术-卫星CH.ppt

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1、第七章 卫星通信系统,7.1通信卫星,7.2 地球站系统,7.3 传输线路的计算,本章主要内容,7.1通信卫星,7.1.1卫星的分类 1、按轨道距地面的高度分 低轨道(LEO)卫星，卫星轨道距地面的高度h 1500km；movie 中轨道（MEO）卫星，卫星轨道距地面的高度为8000km h 12000km；(Elliptical Orbits)高轨道（HEO）卫星，卫星轨道距地面的高度h 20000km。2、按运转周期分 静止轨道（GSOGEO）卫星，公转周期约为24小时，与地球自转周期相同；(GEO)准静止卫星，公转周期为24小时/N，其中N=2，3，4，；非静止卫星，公转周期为其它值。,

2、7.1.1卫星的分类（C1）,3、按轨道倾角分：赤道轨道卫星，卫星运行轨道与地球赤道平面重合；极地轨道卫星，卫星运行轨道与地球赤道平面垂直；(Polar Orbits)倾斜轨道卫星，卫星轨道平面与赤道面夹角成锐角。,7.1.1卫星的分类（C2）,4、按卫星的质量分：巨卫星：m 3500kg 大卫星：3500kg m 1500kg 中卫星：1500kg m 500kg 小卫星：500kg m 100kg 微卫星：100kg m 10kg 纳卫星：m 10kg 5、按卫星的用途分：空间探测卫星、气象卫星、资源勘察卫星、导航卫星、军事卫星等,7.1.2 卫星的轨道,1、卫星覆盖地球制式(1)随机卫星

3、制在距地面几千几万km上空布放多颗卫星，而地球站设有至少两副天线分别跟踪不同的卫星。因此地球站设备复杂、庞大。(2)相位制卫星在低轨道上（LEO）均匀配置10个左右的卫星供地球站交替使用。(3)静止卫星 是最经济、实用的一种卫星通信制式。,静止轨道卫星的优、缺点,优点：地球站接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单，地球站的成本低。卫星与地球站的相对位置固定，多普勒频移可以忽略。服务区域面积较大，一颗静止同步卫星可以覆盖大约地球表面的40%左右。通信连续，通信过程中不需要频繁更换卫星。信道的绝大部分处在地球外层空间，大气层只占信道很小一部分，外层空间信道性能稳定，通信质量高。,缺点：静

4、止卫星也存在一些缺点，除了存在6.1.2节所提及的缺点外，由于静止轨道只有一条，为了避免互相干扰，要求静止卫星间隔的角度为2左右，则在静止同步轨道上一共能容纳卫星的数量不会超过200颗。,非静止轨道卫星的特点,优点：由于卫星轨道高度低，链路传播损耗小，有利于系统为手持移动终端用户提供服务。传输延时小，对话音通信不存在回声问题；实时性较好。采用极地轨道或大倾角轨道时，可以为高纬度地区提供服务。可利用多普勒频移进行定位。星座能够对用户提供多重覆盖。因此可以采用分集接收技术，同时星座中的个别卫星失效，系统仍可运行。,缺点：由于一颗卫星不能对某一地区进行连续覆盖，必须利用多卫星构成星座。星座中任一颗对

5、地面的覆盖时间都是有限的，为保证通信的连续性，可能需要切换，技术复杂。存在多普勒频移问题。,2、运动轨道,由万有引力定律：F=GMm/R2=m/R2（7-1）,卫星围绕地球在赤道平面内作匀速圆周运动，设它在轨的切线速度为，则它受到的对地球向心力为F=mv2/R=GMm/R2=m/R2（7-2）,而静止卫星在轨的切线速度为 v=2R/T（7-3）,又已知：,公转周期(恒星日)：T=23小时56分4.09秒=86164.09秒地球赤道的平均半径：RE=6378.14km R=RE+h（7-4）,范艾伦辐射带（Van Allen Radiation Belts）的影响（3700km和18500km处

6、达到峰值）（Echo-1失效）,可求出静止卫星距地面（星下点）的高度h,可由开普勒三定律描述,3.卫星的摄动及在轨姿态变化,摄动定义:由于某些因素的影响，卫星轨道会发生偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象。造成摄动的因素 太阳和月球及其它行星的引力场。这些引力场会使卫星产生转矩，并造成卫星轨道的倾斜和漂移。地球引力场的不均匀。地球大气阻力。太阳辐射压力。地球磁场对带电卫星的作用等。后果（对通信的影响）导致卫星姿态变化卫星通信的影响非常严重，使地球站天线与卫星天线的指向精度产生较大误差，严重时会造成通信中断，必须对卫星采取相应的姿态及位置控制措施，使卫星姿态及位置误差始终保持在允许范围内。,4.

7、静止卫星的观察参数,方位角仰角方位线 星下点M地球站的位置参数经度纬度偏离角MSD表示,5.静止卫星的覆盖区和可通信区,覆盖区=0可通信区5,总结 how_satellites_work,7.1.3 静止卫星的发射,1.进入暂停轨道 2.变换到过渡轨道 3.变换到漂移轨道 4.进入静止轨道发射过程,how_satellites_are_launched,7.1.4 通信卫星的基本技术参数,GT天线增益,2.卫星覆盖波束分布图 EIRP覆盖图 SINOSAT-1 C EIRP SINOSAT-1 Ku EIRP,1.有效全向辐射功率EIRP EIRP=PTGT 用分贝表示EIRP=PT+GT,3

8、.品质因数 G/T,G/T分布图 SINOSAT-1 C G/T SINOSAT-1 Ku G/T,卫星转发器的G/T值是用来衡量卫星转发器灵敏度大小的参量，由下式定义：G/T=G10lg(Ta+Tt)（dB/K）,避免干扰实现信道复用，提高了频带利用率,4.极化方式,7.1.6 通信卫星的组成,五部分：天线分系统通信分系统（转发器）遥测指令分系统控制分系统电源分系统,1.天线分系统,（1）遥测、指令和信标天线（2）通信天线 全球波束（或覆球波束）天线、点波束天线、赋形波束（区域波束）,ASIASAT-4,对卫星通信天线的要求,有一定的指向精度；足够的带宽，以满足大容量通信的要求；必要的转接功

9、能；适当的极化方式；必要的消旋措施（对自旋稳定卫星而言）。,2 通信分系统,（1）基本组成 低噪声放大器（LNA）、混频器、功率放大器、功率合成器、双工器,(2)透明转发器,A、单变频转发器（主流 图7.1-7a）P137B、双变频转发器（少用 图7.1-7b）,处理转发器（图7.7c）美国发射的ACTS卫星,3.遥测指令分系统,包括：遥测设备 各种传感器和敏感元件测得有关卫星姿态及其内部各分系统工作状态 指令设备 指令设备专门用来接收TT&C发来的指令，经解调、译码、纠错后，将各种指令送至控制分系统,4.控制分系统,功能：(1)姿态控制 自旋稳定法 三轴稳定法(2)位置控制 卫星位置误差的角

10、度应小于0.1(3)热控制 分有源、无源两种；只能传导、辐射，无对流（4）其他 主备设备切换和转发器增益换档,控制分系统：可控调整的机械电子设备组成，喷气推进器、驱动装置、加热散热装置、各种转换开关等,5.电源分系统要求：体积小、重量轻、效率高外，还应能在卫星的工作寿命内保持输出足够的电能。组成：太阳能电池 初级能源 化学能电池 二级能源,7.2 地球站系统,7.2.1 地球站的类型和基本要求 1、地球站的类型 按安装方式及设备规模：固定站、可搬动站、移动站等，其中移动站又可分为船载移动站、机载移动站、车载移动站和手持移动终端等。按天线口径尺寸：30m站、20m站、10m站，5m站、1m站等。

11、按用途民用（商用）通信站、军用通信站、广播站、航空站、航海站、实验站等。按业务类型遥测站、遥控站、跟踪站、通信参数测量站、通信业务站、实验站等。按传输信号特征：模拟站、数字站。按G/T值大小（见表7.2-1）可分为A、B、C、D、E、F类站等,2 对地球站的要求,(1)发射机能输出稳定的宽频带、大功率信号。(2)接收机能可靠地接收微弱的宽频带信号，引入噪声小。(3)业务种类上要求不仅能传输广播电视、电话等传统业务，还能传输高速数据，并能适应新的应用领域，如：Internet、多媒体、移动通信等业务。(4)在使用及维护上要求高可靠、操作维护简便。(5)由于投资大，运行时间长，因而建站成本及运行、

12、维护费用都要认真考虑，要求能适应未来新增业务类型和扩大业务量等需要。,7.2.2 地球站的主要性能指标,1、地球站的EIRPE2、工作频率 3、品质因数G/T值 4、发射载波频率容限 5、射载波功率稳定度 6、工作条件,7.2.3 地球站的组成,六部分组成：天线系统、发射系统、接收系统、信道终端系统、通信控制系统、电源系统,1.天线系统,三部分组成：天线、馈电设备、定向跟踪设备,（1）地球站天线的主要参数,天线增益天线等效噪声温度 天线的方向图由右式可绘出天线的半功率角,（2）地球站天线的分类,按口径大小来分 小型天线 直径 90cm，通常使用在场强较高的Ku波段直播卫星接收站（TVRO）中中

13、型天线 直径介于90cm至240cm之间，通常用于在中等场强地区的卫星信号接收；大型天线 直径在240cm以上，噪声放大器（LNA）、混频器、功率放大器、功率合成器、双工器,（2）地球站天线的分类（C1）,按结构不同来分 旋转抛物面天线P卡赛格伦（Cassegrain）天线P,（2）地球站天线的分类（C2）,按馈源的安装 前馈天线 其馈源位于反射面的前方二是后馈天线 天线的馈源位于副反射面的后面 三是偏馈天线P 即将馈源或副反射面移出天线主反射面的辐射区,(2)地球站天线的分类（C3）,(3)对地球站天线的基本要求,具有较高的增益和效率低的等效噪声温度较高的对卫星的指向精度足够的工作带宽和峰值

14、发射功率。,(4)馈电设备,包括：馈源 馈线 双工器,按天线的制造材料来分网状天线P铁盘天线P玻璃纤维天线P碳纤维天线等P,2.发射系统,包括：上变频器、发射波合成器、激励器、功率放大器以及自动功率控制电路等,（1）组成,上变频器,将中频信号上变频为上行频率。上变频器分为：一次变频式、二次变频式、三次变频式。,功率合成器,激励器,即预放大器，其功能是推动主放大器，一般使用小功率行波管放大器或固态功率放大器。,将多路信号经过处理后叠加在一起，要求各路信号的输入端有良好的隔离度。是一种微波器件,功率放大器,是最终的功率放大器件，主要有三种：速调管放大器 优点：输出功率大，工作效率高，工作电路简单，

15、成本低，工作稳定可靠；缺点：工作带宽较小，只能覆盖一个转发器的工作频带。行波管放大器（TWTA）优点：除了工作带宽很宽外，其结构较紧凑，增益高，使用方便；缺点：工作效率低（大约只有10%至15%），工作电路复杂，成本较高，输出功率比速调管放大器低 固态功率放大器 特点：虽然其输出功率不大，但是工作寿命长、体积小、功耗低、工作电路简单、带宽大、可靠性高。可用于：小型站作为末级功率放大器外，速调管放大器和TWTA的激励级放大器。,（2）功率放大的方式,共同放大方式 分别放大/合成方式,(3)对功率放大器的基本要求,要满足设计额定功率的要求，额定功率与卫星转发器的G/T值、卫星转发器的输入功率密度值

16、以及地球站的天线增益等参数有关。线性特性要满足要求，以避免放大多载波信号时产生过多的交扰调制产物。增益稳定性要高。工作带宽要满足设计要求，一般标准地球站的功率放大器工作带宽要求达到500MHz以上，以满足大容量及多址通信的需要。有较高的可靠性或较长的无故障运行时间。,3.接收系统,LNB(Low Noise Block down converter)低噪声降频放大器Ku、C波段,4.信道终端系统,地球站与地面通信网之间的接口,功能：一是对地面线路送来的信号进行变换，处理成适于卫星信道传输的信号形式送给发射系统；二是要把接收系统解调出的信号变换成适于地面线路传输的信号形式，再把该信号送给地面通信

17、网。,5.通信控制系统,组成：系统监视设备 控制设备 测试设备,6.电源系统,（2）电源中断对通信的影响,7.2.4 地球站的站址选择及布局,(1)卫星波束覆盖区域的要求。根据卫星公司提供的资料，计算地球站的方位角、仰角，在波束覆盖范围内，天线指向“视野”内不能有树林、塔、杆等障碍物。(2)避开其它无线电系统的干扰。地球站在C波段、Ku波段的下行频率范围内不能受到来自地面的微波通信、雷达、电视广播等无线电发射系统的干扰，或干扰的场强不能超过规定的指标要求；站址的地平线仰角（或称为天际线仰角）要低，以降低天线的等效噪声温度；站址最好选择在盆地中，利用盆地周围山峰对无线电波的屏蔽效应来抑制干扰。(

18、3)方便供电和通信业务的接入。地球站要尽量靠近通信总站和交换中心，以缩短地面传输距离；尽量选择靠近一级供电场所。(4)地质条件应满足要求。站址所在地区的土质结构直接决定了地球站地基的牢固程度，因为大型地球站的天线系统和天线塔合在一起，其重量可达数百吨以上。所以站址所在地区不应有频繁的地层变动，更不能处于地震带上。(5)气象条件应满足要求。频繁的雨雪天气会加大卫星信道的传输损耗和噪声；高纬度地区冬季降雪会产生积雪，造成天线重量加大甚至辐射方向图变化；多风天气则会造成天线的指向精度下降，降低通信质量。选择站址应考虑尽量避免上述天气现象的影响。(6)充分考虑安全性及其它因素。如：必须考虑微波辐射对人

19、身健康的危害；避开工业、天电的干扰及有化学污染、易燃易爆物品的场合；避开飞机航线等。地球站规模,1.站址的选择原则,2地球站的布局,(1)地球站规模 这是决定地球站布局的首要因素。只通过一颗静止卫星进行通信的地球站，仅需要一副天线和一套通信设备；如果地球站需要通过两颗或两颗以上静止卫星进行通信，就需要两副或多副天线及相应数量的通信设备。对LEO卫星系统中的地球站，则需要以站房为中心，设置多副间隔几百米的天线。天线之间之所以保持较大的距离，是为了防止跟踪处于任意轨道上的LEO卫星时，天线之间可能发生的相互干扰。（2）设备制式 地球站的通信设备分别安装在天线塔和主机房里。其布局由设备制式决定。地球

20、站的设备制式按信号传输形式可分为：基带传输、中频传输、微波传输、直接耦合以及混合传输等。目前地球站主要有这五种传输体制，其布局要求分别是：1）对基带传输，需要在天线水平旋转部位设置较大的机房，并在机房需要安装发射和接收系统的大部分设备，并采用基带传输方法来与主机房的基带和基带后面的设备连接。2）对中频传输，将调制、解调设备及其中频以下设备安装在主机房内，并通过同轴电缆与天线塔上机房的中频前面的设备相连。3）对微波传输，将接收机低噪声放大器和发射功率放大器装在天线塔上的机房里，并采用微波传输方法与安装在主机房的其余设备连接。4）对直接耦合，应将天线放在楼顶上，低噪声放大器放在天线初级辐射器底部承

21、受仰角旋转的位置上，下面接功率放大器，再下面连其他设备。5）如果是混合传输制，应将低噪声放大器放在天线辐射器底部承受仰角旋转的位置上，其余设备放在主机房内。（3）管理和维护要求 地球站的布局除了要适应通信系统的需要，满足地球站的标准特性要求之外，还要利于维护和管理，有利于规划和发展，尽量使布局满足工作和生活的需要。地球站工作区要适当集中。在主机房附近要留出适当空地，工作大楼在不遮挡天线视野的前提下，尽量靠近机房。,7.3链路计算（略）本章结束,7.3 传输线路的计算,1、接收信号的功率和功率通量密度,7.3.1 基本概念,2.自由空间传播损耗(路径损耗),由式(2.3.5)式，接收信号功率Pr

22、可表示为,3.载波功率与噪声功率比C/N、C/T值,通常用Gr/T值来衡量地球站的接收性能。,（7-24）,（7-23）,（7-22）,7.3.2 传输损耗,1.大气损耗大气损耗主要包括：电离层中电子和离子的吸收、对流层中氧分子、水蒸汽分子的吸收和散射以及云雾雨雪的吸收和散射等。,2.大气折射影响地球表面大气层的密度和折射率随高度的变化而变化，电磁波在大气中传播时，波束会被大气折射导致弯曲；大气折射率变化产生的大气闪烁会导致电磁波传输路径的起伏变化。这些因素对那些处于高纬度地区低仰角（接近5）地球站的影响较大。,4.极化误差损耗 电磁波还会受到地球磁场和大气法拉第效应的影响。由于法拉第效应会使

23、电磁波极化方向发生旋转，极化方向的旋转量为5200/f（MHz）2周。例如，工作在1GHz时，旋转角度可达72，4GHz时为4.5。因此，根据具体情况要对极化方向的偏转进行一定的补偿。,3.天线指向精度误差损耗,只考虑自由空间传播损耗，由式（7-20）可知接收信号功率Pr为,7.3.3 噪声与干扰,可分为两大类：一类是外部噪声，另一类是内部噪声,1、外部噪声,(1)宇宙噪声 指外层空间星体的热分布及分布在星际空间的物质辐射所形成的噪声，其功率在银河系中心达到最大值，在天空其它位置则较低，所以宇宙噪声主要来自银河系，该噪声功率是频率的函数，在1GHz以下时，宇宙噪声是外部噪声的主要来源。(2)太

24、阳系噪声 指太阳及太阳系中各行星及月球辐射的电磁干扰被天线接收而形成的噪声，其中太阳是最大的热辐射噪声源，甚至会产生日凌导致通信中断。(3)大气噪声 电离层和对流层在无线电波穿过时产生的电磁散射不但可以形成传输损耗，同时也产生了噪声，其中大部分噪声是氧气和水蒸汽产生的，大气噪声是地球站天线仰角的函数，通常随天线仰角的增大而减小。(4)降雨噪声 指降雨、降雪产生的噪声，降雨噪声同降水量、信号频率、天线仰角有关，对C波段信号（下行频率为4GHz），在低仰角时，大雨在地球站接收机输入端产生的噪声温度大约为50100K，在系统设计和通信链路计算时必须充分考虑这一因素，为降雨噪声留出余量，避免降雨时造成

25、通信中断。(5)干扰噪声 指来自其他通信系统的邻道或同频干扰，包括工作在同频段卫星通信系统和地面微波中继系统的干扰噪声，干扰噪声的大小与干扰源的功率、干扰信号的传输路径（信道）、接收天线增益、方向图等参数有关。(6)地面干扰 因为地球表面温度并非绝对零度，所以地球表面本身就是一个热噪声源，卫星天线对准地球，必然会接收到来自地球的热噪声；同时地球站天线的旁瓣、后瓣不但可接收到来自地面的热噪声辐射，还可接收到地面的反射噪声。减小地面噪声的方法是尽量减小和压缩天线的旁瓣、后瓣，尤其是天线的仰角较小时，必须充分考虑这个问题。(7)上行线路和转发器噪声 包括同频干扰 同频率不同波束信号间的干扰；邻道干扰

26、 频率相邻信号或其他系统的频率相近信号的干扰；交叉极化干扰 正交极化时，两极化波之间的干扰（频带相同）；交调干扰 工作在多载波情况下的卫星转发器产生的交扰调制噪声。,2、内部噪声,指由接收机内部电路产生的各种噪声 主要来自馈线、前端LNA和下变频器等环节 为了计算方便，一般把上述噪声均折算到地球站LNA的输入端。,3、等效噪声温度通用性,总的噪声功率：,3.等效噪声温度通用性,例题 P154,根据(7-29)式可将系统的等效噪声温度模型进一步简化为,图中的TS为接收系统的等效噪声温度,7.3.4 卫星通信链路的计算,1、链路计算的任务,(1)已知转发器及地球站的基本参数，计算地球站的载噪比C/

27、N及其发射系统应该达到的EIRP值。(2)已知卫星转发器基本参数及接收机所要求的门限载噪比，确定地球站天线的口径、接收机噪声性能及发射功率。,2、下行链路的计算,(1)单载波工作时,（2）多载波工作,3、上行链路计算（与下行计算相似）,（1）单载波工作时,或：,（7-39）,（7-38）,（2）多载波工作时,或：,（7-41）,（7-40）,（7-41AA）,4、其它干扰产生的等效噪声温度,同频干扰不同波束之间的干扰(同频带)；邻道干扰频率相邻信道的干扰；交叉极化干扰正交极化时,同频率的两个极化波之间的干扰；交扰调制干扰；(下章交扰调制)这些干扰所产生的噪声对载噪比的影响可表示为：(C/N)I

28、及(C/T)I,5、总载噪比计算,或：,（7-42）,（7-43）,6、门限余量与降雨余量,End of CH7,“门限余量”以Mth表示，它等于 MthC/TC/Tth,已知未降雨时，总的噪声温度就是门限噪声温度Tth为 Tth=TD+（TI+TU）=（1+r）TD 式中，r=(TI+TU)/TD，总噪声温度Tt为 Tt=MRTD+(TI+TU)=(MR+r)TD,所以留出的降雨余量M：,SINOSAT-1 的Ku波段的EIRP等值线分布图,SINOSAT-1 的Ku波段的G/T等值线分布图,SINOSAT-1 的C波段的EIRP等值线分布图,SINOSAT-1 的C波段的G/T等值线分布图,ASIASAT-4覆盖地球各种波束示意图,卡赛格伦（Cassegrain）天线,抛物面天线（正馈）,网状天线（正馈）,铁盘天线（正馈）,组合玻璃纤维天线（正馈）,10片拼装,碳纤维天线,偏馈天线,