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【通信导论】第六章 卫星通信

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第六章

卫星通信

卫星通信系统
一.通信卫星 二.同步通信卫星组成 三.卫星通信系统特点 四.卫星通信系统的组成与原理 五.数字卫星通信系统 数字卫星通信系统 六.卫星地球站 七.典型数字卫星通信系统介绍

一.通信卫星
地球卫星都有自己的运行轨道, 地球卫星都有自己的运行轨道 , 这种轨 道有圆形, 也有椭圆形, 道有圆形 , 也有椭圆形 , 轨道所在的* 面称为轨道面 轨道面都要通过地心。 轨道面, 面称为轨道面,轨道面都要通过地心。 当卫星的轨道*面与赤道*面的夹角为0? 当卫星的轨道*面与赤道*面的夹角为 地球卫星的轨道称赤道轨道 赤道轨道。 时 , 地球卫星的轨道称 赤道轨道 。 当卫 星轨道*面与赤道*面夹角为90?时 星轨道*面与赤道*面夹角为 时 , 卫 星的轨道为极轨道 极轨道。 星的轨道为 极轨道 。 当卫星轨道*面与 赤道*面夹角在0~ 之间时 之间时, 赤道*面夹角在 ~ 90?之间时 , 称卫星 倾斜轨道。 轨道为倾斜轨道 当赤道轨道呈圆形, 轨道为 倾斜轨道 。 当赤道轨道呈圆形 , 且离地面高度为35786.6km时,此轨道称 且离地面高度为 时 同步轨道。 为 同步轨道 。 那么同步卫星是怎么进入 同步轨道的呢? 同步轨道的呢?

静止卫星的发射轨道

地 球 同 步 通 信 卫 星

用 三 颗 同 步 卫 星 就 可 以 实 现 全 球 通 信

同步通信卫星的通信范围

卫星通信示意图

二.同步通信卫星组成
同步通信卫星主要由: 同步通信卫星主要由: 1.控制分系统 1.控制分系统 2.通信分系统 2.通信分系统 3.遥测指令分系统 3.遥测指令分系统 4.电源分系统 4.电源分系统 5.温控分系统等组成 5.温控分系统等组成

1.控制分系统 1.控制分系统
控制分系统主要由各种可控的调整装 驱动装置(喷气抵进器) 置、驱动装置(喷气抵进器)及各种 转换开关等组成。 转换开关等组成。它在地面遥控指令 主要完成对卫星姿态、位置、 下,主要完成对卫星姿态、位置、工 作状态, 作状态,主、备用设备切换等控制功 能。

2.通信分系统 2.通信分系统
通信分系统是通信卫星的关键, 通信分系统是通信卫星的关键,主要由天线和转发器两大 部分组成。 部分组成。 天线:要体积小、重量轻、馈电方便、易折叠、 1)天线:要体积小、重量轻、馈电方便、易折叠、易展 电器特性好、增益高、效率高、宽频带等。 开;电器特性好、增益高、效率高、宽频带等。目前使用 的星载天线有喇叭型、抛物面反射型和相控阵列型三类。 的星载天线有喇叭型、抛物面反射型和相控阵列型三类。 与数字信号处理密切相关的相控阵列天线得到越来越广泛 的应用, 的应用,其波束可根据地面控制站的指令重新赋形或动态 地进行调节。 地进行调节。 转发器:卫星通信转发器 星载转发器) 卫星通信转发器( 2)转发器 卫星通信转发器(星载转发器)工作在通信卫 星*台上, 星*台上,要求在没有维修和更换器件的条件下稳定工作 由卫星寿命确定)。星载转发器有三种,即双、 )。星载转发器有三种 (由卫星寿命确定)。星载转发器有三种,即双、单变频 转发器和处理转发器。 转发器和处理转发器。

天线部分组成原理

星载转发器有三种
(1)单变频转发器。此转发器是目前用得较多的转 )单变频转发器。 发器。这种转发器较简单,实现容易。 发器。这种转发器较简单,实现容易。 (2)双变频转发器。现在用得很少。 )双变频转发器。现在用得很少。 (3)处理转发器。处理转发器,主要具有处理信号 )处理转发器。处理转发器, 的功能。在卫星上的信号处理主要指经下变频后, 的功能。在卫星上的信号处理主要指经下变频后, 对信号进行解调后的处理,然后重新调制、上变频、 对信号进行解调后的处理,然后重新调制、上变频、 功放后发向地面站。 功放后发向地面站。卫星上的信号处理一般分三种 情况:第一种是对数字信号进行判决、再生, 情况:第一种是对数字信号进行判决、再生,使噪 声不积累; 声不积累;第二种是多个卫星天线之间的信号交换 处理;第三种为更复杂的星上处理系统, 处理;第三种为更复杂的星上处理系统,它包括了 信号的变换、交换和处理等。 信号的变换、交换和处理等。

星载转发器的功率放大器 星载转发器的功率放大器
星载转发器的功率放大器通常采用行波管放大器 星载转发器的功率放大器通常采用 行波管放大器 可将直流电源的60%转 (TWTA)。典型的 ) 典型的TWTA可将直流电源的 可将直流电源的 转 换为RF输出 *年来的TWTA可工作 年甚至更长 输出。 可工作15年甚至更长 换为 输出。*年来的 可工作 时间。为了供给TWTA较高的工作电源电压,转发 较高的工作电源电压, 时间。为了供给 较高的工作电源电压 器还有电源控制器, 器还有电源控制器,能高效地将直流低电压转换为 直流高电压。 直流高电压。 为了提高星载转发器的可靠性, 为了提高星载转发器的可靠性,一些容易失效的模 块或器件都有冗余配置,并配有各种切换开关,以 块或器件都有冗余配置,并配有各种切换开关, 冗余配置 便在工作单元失效时切换至备用单元 。

3.遥测指令分系统 3.遥测指令分系统
l)遥测部分 ) 此部分主要收集卫星上设备工作的数据,如电流、 此部分主要收集卫星上设备工作的数据,如电流、 电压、温度、传感器信息、 电压、温度、传感器信息、气体压力指令证实等信 这些数据经处理后送往地面监测中心站。 号。这些数据经处理后送往地面监测中心站。 2)遥控指令部分 ) 地球上收到卫星遥测的有关数据时, 地球上收到卫星遥测的有关数据时,要对卫星的位 姿态进行控制。设备中的部件转换, 置、姿态进行控制。设备中的部件转换,大功率电 源开关等,都要由遥控指令来进行。 源开关等,都要由遥控指令来进行。地面控制中心 把指令发向卫星,在卫星上经处理后送往控制设备, 把指令发向卫星,在卫星上经处理后送往控制设备, 控制设备根据指令的准备、处理、 控制设备根据指令的准备、处理、执行几个阶段来 完成对卫星上各部分设备的控制和备用部件的倒换 等。

4.电源分系统 4.电源分系统
卫星上设备工作的能源,主要由太阳能电 卫星上设备工作的能源,主要由太阳能电 提供,辅助以原子能电池和化学电池 原子能电池和化学电池。 池 提供 ,辅助以 原子能电池和化学电池 。 对电池的要求高,除要求体积小、重量轻、 对电池的要求高 , 除要求体积小、 重量轻、 高效率、高可靠性外, 高效率 、高可靠性外 ,还要求提供电能的 时间长而稳定。为保证卫星上的设备供电, 时间长而稳定。 为保证卫星上的设备供电, 在卫星上特别设置了电源控制电路,在特 在卫星上特别设置了电源控制电路, 电源控制电路 定情况下进行电源的控制。 定情况下进行电源的控制。

5.温控分系统 5.温控分系统
通信卫星里的设备都是在密闭环境下工作的。 通信卫星里的设备都是在密闭环境下工作的。 电器设备工作,特别是行波管功率放大器 (TWTA)产生的热量及卫星受太阳照射等使 ) 温度会发生变化, 温度会发生变化,而电器设备工作对温度有要 特别是本振设备,要求温度恒定, 求,特别是本振设备,要求温度恒定,因此就 必须对星上温度进行控制。 必须对星上温度进行控制。在卫星上的温度传 感器, 感器,随时监测卫星的温度并把信号送回监控 如发生异常,地面通过遥控指令进行控制, 站,如发生异常,地面通过遥控指令进行控制, 以恢复保持预定的温度。 以恢复保持预定的温度。

三、卫星通信的特点
卫星通信系统以通信卫星为中继站, 卫星通信系统以通信卫星为中继站,与其它通 信系统相比较,卫星通信有如下特点: 信系统相比较,卫星通信有如下特点: (1)覆盖区域大 , 通信距离远 。 一颗同步通信 覆盖区域大, 通信距离远。 覆盖区域大 卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域, 卫星可以覆盖地球表面的三分之一区域,因而 利用三颗同步卫星即可实现全球通信。 利用三颗同步卫星即可实现全球通信。它是远 距离越洋通信和电视转播的主要手段。 距离越洋通信和电视转播的主要手段。

卫星通信的特点(续上 卫星通信的特点 续上) 续上
(2)具有多址连接能力 。 地面微波中继的通信 具有多址连接能力。 具有多址连接能力 区域基本上是一条线路, 区域基本上是一条线路,而卫星通信可在通信 卫星所覆盖的区域内, 卫星所覆盖的区域内,所有四面八方的地面站 都能利用这一卫星进行相互间的通信。 都能利用这一卫星进行相互间的通信。我们称 卫星通信的这种能同时实现多方向、 卫星通信的这种能同时实现多方向、多个地面 站之间的相互联系的特性为多址连接。 站之间的相互联系的特性为多址连接。

卫星通信的特点(续上 卫星通信的特点 续上) 续上
(3)频带宽 , 通信容量大 。 卫星通信采用微波 频带宽, 通信容量大。 频带宽 频段,传输容量主要由终端站决定, 频段,传输容量主要由终端站决定,卫星通信 系统的传输容量取决于卫星转发器的带宽和发 射功率, 而且一颗卫星可设置多个( 如 IS-Ⅶ 射功率 , 而且一颗卫星可设置多个 ( Ⅶ 有46个)转发器,故通信容量很大。例如,利 个 转发器,故通信容量很大。例如, 用频率再用技术的某些卫星通信系统可传输 30000路电话和 路彩色电视。 路电话和4路彩色电视 路电话和 路彩色电视。

卫星通信的特点(续上 卫星通信的特点 续上) 续上
(4) 通信质量好,可靠性高。卫星通信的电波主 通信质量好,可靠性高。 要在自由(宇宙)空间传播, 要在自由(宇宙)空间传播,传输电波十分稳 而且通常只经过卫星一次转接, 定,而且通常只经过卫星一次转接,其噪声影 响较小,通信质量好。通信可靠性可达99.8% 响较小, 通信质量好。 通信可靠性可达 以上。 以上。 (5) 通信机动灵活。卫星通信系统的建立不受地 通信机动灵活。 理条件的限制,地面站可以建立在边远山区、 理条件的限制,地面站可以建立在边远山区、 海岛、汽车、飞机和舰艇上。 海岛、汽车、飞机和舰艇上。

卫星通信的特点(续上 卫星通信的特点 续上) 续上
(6)电路使用费用与通信距离无关 。 地面微波中 电路使用费用与通信距离无关。 电路使用费用与通信距离无关 继或光缆通信系统, 继或光缆通信系统,其建设投资和维护使用费 用都随距离而增加。 用都随距离而增加。而卫星通信的地面站至空 间转发器这一区间并不需要投资, 间转发器这一区间并不需要投资,因此线路使 用费用与通信距离无关。 用费用与通信距离无关。 (7)对卫星通信系统也有一些特殊要求 : 一是由 对卫星通信系统也有一些特殊要求: 对卫星通信系统也有一些特殊要求 于通信卫星的一次投资费用较高, 于通信卫星的一次投资费用较高,在运行中难 以进行检修, 以进行检修,故要求通信卫星具备高可靠性和 较长的使用寿命; 较长的使用寿命;二是卫星上能源有限

卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦, 卫星的发射功率只能达到几十至几百瓦,因此 要求地面站要有大功率发射机、 要求地面站要有大功率发射机、低噪声接收机 和高增益天线,这使得地面站比较庞大; 和高增益天线,这使得地面站比较庞大;三是 由于卫星通信传输距离很长, 由于卫星通信传输距离很长,使信号传输的时 延较大,其单程距离(地面站A→卫星转发 卫星转发→ 延较大,其单程距离(地面站 卫星转发 地面站B) 长达80000km, 需要时间约 地面站 ) 长达 , 需要时间约270ms; ; 双向通信往返约160000km,延时约 双向通信往返约 ,延时约540ms,所 , 在通过卫星打电话时, 以,在通过卫星打电话时,通信双方会感到很 不*惯。 不*惯。

四、卫星通信系统的组成及原理
根据卫星通信系统的任务, 根据卫星通信系统的任务,一条卫星通信线路 要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、 要由发端地面站、上行线路、卫星转发器、下 行线路和收端地面站组成,如图所示。 行线路和收端地面站组成,如图所示。 其中上行线路和下行线路就是无线电波传播的 路径。 路径。

卫星转发器

发射机

频率变换

接收机

双工器

多 路 复 用

调 制 器

发 射 机 双 工 器 双 工 器

发 射 机

调 制 器

多 路 复 用

多 路 分 离

调 制 器

接 收 机

天线馈电设备

接 收 机

解 调 器

多 路 分 离

卫星通信线路组成框图

卫星通信系统的组成
为了进行双向通信, 为了进行双向通信,每一地面站均应包括发射 系统和接收系统。由于收、 系统和接收系统。由于收、发系统一般是共用 一副天线,因此需要使用双工器以便将收、 一副天线,因此需要使用双工器以便将收、发 信号分开。地面站收、发系统的终端, 信号分开。地面站收、发系统的终端,通常都 是与长途电信局或微波线路连接。 是与长途电信局或微波线路连接。地面站的规 模大小则由通信系统的用途而定。 模大小则由通信系统的用途而定。转发器的作 用是接收地面站发来的信号,经变频、放大后, 用是接收地面站发来的信号,经变频、放大后, 再转发给其它地面站。卫星转发器由天线 天线、 再转发给其它地面站。卫星转发器由天线、接 收设备、变频器、 收设备、变频器、发射设备和双工器等部分组 成。

卫星通信系统的组成
在卫星通信系统中, 在卫星通信系统中,各地面站发射的信号都是 经过卫星转发给对方地面站的,因此, 经过卫星转发给对方地面站的,因此,除了要 保证在卫星上配置转发无线电信号的天线及通 信设备外, 信设备外,还要有保证完成通信任务的其它设 备。

1.天线系统 天线系统
天线系统包括通信用的微波天线和遥测遥控系 统用的高频(或甚高频)天线。 统用的高频(或甚高频)天线。微波天线根据 波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、 波束的宽、窄又可分为覆球波束天线、区域波 束天线和点波束天线。 束天线和点波束天线。对静止卫星来说卫星覆 球波束天线的波束宽度约为17° 球波束天线的波束宽度约为 °~18°,其增 ° 益可达18dB; 点波束天线因波束较窄而具有 益可达 ; 较高的增益, 较高的增益,用来把辐射的电磁波功率集中到 地球上较小的区域内。 地球上较小的区域内。

通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域。 通信微波天线的波束应对准地球上的通信区域 。 但是, 但是,对于采用自旋稳定方式以保持姿态稳定的静 止卫星,由于卫星是旋转的,故要采用消旋天线, 止卫星,由于卫星是旋转的,故要采用消旋天线, 才能使波束始终对准地球。 才能使波束始终对准地球。常用的有机械消旋天线 和电子消旋天线,其消旋原理是用机械的方法或电 和电子消旋天线, 子的方法,让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反, 子的方法,让天线的旋转方向与卫星自旋方向相反, 而两者的旋转速度相等, 而两者的旋转速度相等,以保证天线波束始终朝着 地球上需要通信的区域。 地球上需要通信的区域。 遥测指令天线用于卫星进人静止轨道之前和之 后,能向地面控制中心发射遥测信号和接收地面的 指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线, 指令信号。这种天线为甚高频全方向性天线,通常 采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。 采用倾斜式绕杆天线和螺旋天线等天线。

2.通信系统(转发器) 通信系统(转发器) 通信系统
静止卫星的通信系统又称为通信中继机, 静止卫星的通信系统又称为通信中继机 , 通常由多个(可达24个或更多 个或更多) 通常由多个(可达 个或更多)信道转发器互 相连接而组成。其任务是把接收的信号放大, 相连接而组成。其任务是把接收的信号放大, 并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。 并利用变频器交换成下行频率后再发射出去。 它实质上是一组宽频带收、 发信机, 它实质上是一组宽频带收 、 发信机 , 对其 要求是工作稳定可靠,附加的噪声小。 要求是工作稳定可靠,附加的噪声小。卫星转 发器是通信卫星中最重要的组成部分, 发器是通信卫星中最重要的组成部分,它能起 到卫星通信中继站的作用, 到卫星通信中继站的作用,其性能直接影响到 卫星通信系统的工作质量。 卫星通信系统的工作质量。

对卫星转发器的基本要求是附加噪声和失 真小,要有足够的工作频带, 真小,要有足够的工作频带,有足够大的总增 频率稳定度和可靠性尽量高。 益,频率稳定度和可靠性尽量高。卫星转发器 通常分为透明转发器和处理转发器两大类。 通常分为透明转发器和处理转发器两大类。 (1) 透明转发器 这类转发器接收到地面站发来的信号 除进行低噪声放大、变频、功率放大外, 后,除进行低噪声放大、变频、功率放大外, 不作任何处理,只是单纯地完成转发任务。 不作任何处理,只是单纯地完成转发任务。也 就是说,它对工作频带内的任何信号都是“ 就是说,它对工作频带内的任何信号都是“透 的通路。 明”的通路。

透明转发器有双变频和单变频两种, 透明转发器有双变频和单变频两种 , 前者的 优点是中频增益高(可达80~ 优点是中频增益高(可达 ~100dB),电路工 ) 作稳定, 曾用于国际通信卫星IS―I。 其缺点是 作稳定 , 曾用于国际通信卫星 。 中频频带窄,不适于多载波工作,已很少使用。 中频频带窄,不适于多载波工作,已很少使用。 单变频转发器是先将输人信号直接放大, 单变频转发器是先将输人信号直接放大,再变频 为下行频率,经功率放大后转发给地面站。 为下行频率,经功率放大后转发给地面站。单变 频转发器实际上是微波放大式转发器, 频转发器实际上是微波放大式转发器,射频带宽 可达500MHz,且由于其输入、输出特性的线性 可达 ,且由于其输入、 良好,允许多载波工作,适于多址连接, 良好,允许多载波工作,适于多址连接,因此得 到广泛使用。 到广泛使用。

(2)处理转发器 处理转发器 指除了信号转发外, 指除了信号转发外 , 还具有信号处理功能 的转发器。与上述双变频透明转发器相比, 的转发器。与上述双变频透明转发器相比,处 理转发器只是在两级变频器之间增加了信号的 解调器、处理单元和调制器。先将信号解调, 解调器、处理单元和调制器。先将信号解调, 便于信号处理,再经调制、变频、 便于信号处理,再经调制、变频、功率放大后 发回地面。 发回地面。

3 卫星通信地面站
在前面已经讲过, 在前面已经讲过 , 任何一条卫星通信线路 都包括发端和收端地面站、 都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以 及通信卫星转发器。可见, 及通信卫星转发器。可见,地面站是卫星通信 系统中的一个重要组成部分。 系统中的一个重要组成部分。 地面站的基本作用是向卫星发射信号, 地面站的基本作用是向卫星发射信号 , 同 时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。 时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。根 据卫星通信系统的性质和用途的不同;可有不 据卫星通信系统的性质和用途的不同; 同形式的地面站。例如,按站址的固定与否、 同形式的地面站。例如,按站址的固定与否、 G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号 值的大小、 值的大小 用途、 的特征等多种方法来分类。 的特征等多种方法来分类。

(1)按站址特征分类 : 可分为固定站、 移动站 按站址特征分类: 可分为固定站 、 按站址特征分类 如舰载站、机载站和车载站等) (如舰载站、机载站和车载站等)、可拆卸站 短时间能拆卸转移地点的站) (短时间能拆卸转移地点的站)。 (2) 按 G/T 值分类 地面站性能指数G/T值是反 (2)按G/T值分类: 地面站性能指数 G/T值是反 值分类: 映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。 映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。 其中G为接收天线增益 为接收天线增益, 为表示接收系统噪 其中 为接收天线增益 , T为表示接收系统噪 声性能的等效噪声温度。 / 值越大 值越大, 声性能的等效噪声温度 。 G/ T值越大 , 说明 地面站接收系统的性能越好。 地面站接收系统的性能越好。

目前, 国际*袵/T≥35dB/K的地面站定为 的地面站定为A 目前 , 国际* 的地面站定为 型标准站, 的站定为B型标准 型标准站,把G/T≥31.7dB/K的站定为 型标准 的站定为 而把G/T<31.7dB/K的站称为非标准站。 的站称为非标准站。 站,而把 < 的站称为非标准站 (3)按用途分类 : 可分为民用 、 军用 、 广播 、 航 按用途分类: 按用途分类 可分为民用、 军用、 广播、 实验等地面站。 海、实验等地面站。 (4)按天线口径分类 : 可分为 米站 、 5米站 、 10 按天线口径分类: 米站、 米站 米站、 按天线口径分类 可分为1米站 米站以及30米站等等 米站以及 米站等等 (5)按传输信号的特征分类:可分为模拟通信站 按传输信号的特征分类: 按传输信号的特征分类 和数字通信站。 和数字通信站。

地面站种类繁多, 大小不一, 地面站种类繁多 , 大小不一 , 所采用的通 信体制也不同,因而所需的设备组成也不一样, 信体制也不同,因而所需的设备组成也不一样, 但基本组成大同小异。 但基本组成大同小异。典型的地面站由天线系 发射系统、接收系统、终端系统、 统、发射系统、接收系统、终端系统、监控系 电源系统、地面接口及传输分系统等组成, 统、电源系统、地面接口及传输分系统等组成, 如图所示。 如图所示。

发射分系统 发终端 调制器 基带入 基 带 转 换 基带出 调制器 变频器 接收波 分 离 低噪音 放大器 变频器 发射波 合 成 大功率 放大器

天线馈电分析系统

馈源 驱动 设备

跟踪 设备 伺服跟踪分系统

收终端

信道终端分系统 监控分系统

接收分系统 电源分系统

地面站设备组成

? 天线系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星 天线系统完成发送信号、 的任务, 的任务,是决定地面站容量与通信质量的关键 组成之一。天线系统只包括天线、 组成之一。天线系统只包括天线、馈线和跟踪 设备三个部分。 设备三个部分。 ? 发射系统的主要作用是将终端系统送来的基带 信号进行调制,再经过上变频和功率放大后馈 信号进行调制, 送给天线发往卫星。 送给天线发往卫星。 ? 接收系统的主要作用是将天线系统收到的由卫 星转发下来的微弱信号进行放大、 星转发下来的微弱信号进行放大、下变频和解 并将解调后的基带信号送至终端系统。 调,并将解调后的基带信号送至终端系统。

? 终端系统有两个作用 : 一个是对经地面接口线路 终端系统有两个作用: 传来的各种用户信号分别用相应的终端设备对其 进行转换、编排及其它基带处理, 进行转换 、 编排及其它基带处理 , 形成适合卫星 信道传输的基带信号; 信道传输的基带信号 ; 第二个作用是将接收系统 收到并解调的基带信号进行与上述相反的处理, 收到并解调的基带信号进行与上述相反的处理 , 然后经地面接口线路送到各有关用户。 然后经地面接口线路送到各有关用户。 ? 电源系统对所有通信设备及辅助设备供电。 电源系统对所有通信设备及辅助设备供电。 ? 监控系统通过监控台监测各种设备是否发生故障 、 监控系统通过监控台监测各种设备是否发生故障、 主要设备的工作参数是否正常等,便于及时处理, 主要设备的工作参数是否正常等 , 便于及时处理 , 以及有效地对设备进行维护管理。 以及有效地对设备进行维护管理。

五.数字卫星通信系统

卫星数字基带信号
多址方式

卫星数字基带信号
1.单路 PCM信号,每路话音为 64 kb/s速率。 单路 信号, 速率。 信号 速率 2.单路 DM、DPCM、ADPCM或者 或者CVSD等速率较低的 32 单路 、 、 或者 等速率较低的 kb/s、16 kb/s等其他压缩编码的数字信号。 等其他压缩编码的数字信号。 /、 等其他压缩编码的数字信号 3.多路复用 多路复用PDH系列的 系列的2Mb/s,8Mb/s,34Mb/s,140Mb/s的数字 多路复用 系列的 的数字 基带信号。 基带信号。 4.多路复用的 多路复用的SDH系列的 系列的STM-0、STM-1、STM-4以及更高 、 、 以及更高 多路复用的 系列的 速率的STM-N同步数字传送模块的信号。 同步数字传送模块的信号。 速率的 同步数字传送模块的信号 5.数字话音、数字图像(数字彩色电视)、数字伴音及数据 数字话音、 数字话音 数字图像(数字彩色电视) 信号等组合成的数字基带信号等。 信号等组合成的数字基带信号等。 6. 数据信号(多媒体信号、计算机信号)。 数据信号(多媒体信号、计算机信号) 数字倍增设备( 7.数字倍增设备(DCME)。DCME实际上是一个数字压缩 ) 实际上是一个数字压缩 设备, 设备,通常根据卫星数字基带信号的路数要求选择不同型 号的数字倍增设备(数字压缩设备) 号的数字倍增设备(数字压缩设备)。

数字卫星通信多址方式 数字卫星通信多址方式
频分多址FDMA 频分多址 时分多址TDMA 时分多址 码分多址CDMA 码分多址 空分多址SDMA 空分多址

频分多址

时分多址

码分多址与 码分多址与空分多址
码分多址用正交码组区分地址; 码分多址用正交码组区分地址; 正交码组区分地址 空分多址用正交多波束定向天线区分地址。 正交多波束定向天线区分地址 空分多址用正交多波束定向天线区分地址。空分多址是 以卫星天线指向地面的波束来区别站址的。 以卫星天线指向地面的波束来区别站址的。即利用波束 的方向性来分割不同区域地球站电波, 的方向性来分割不同区域地球站电波,使各地球站发射 电波在空间不互相重叠,即使在同一时间, 电波在空间不互相重叠,即使在同一时间,不同区域站 使用同一频率工作,它们之间也不会形成干扰。这样, 使用同一频率工作,它们之间也不会形成干扰。这样, 频率、时间都可再用,可容纳更多用户,减少干扰, 频率、时间都可再用,可容纳更多用户,减少干扰,这 就对天线波束指向提出了严格的要求。 就对天线波束指向提出了严格的要求。 空分多址方式一般都是与时分多址方式相结合而构成所 谓TDMA/SDMA的。这里的卫星转发器应有信号处理 / 的 功能,相当于一个电话自动交换机。 功能,相当于一个电话自动交换机。

六.卫星地球站
在卫星通信系统中, 在卫星通信系统中 , 我们主要是用地球站来完成信号的 组装与分路。 组装与分路。 地球站分许多类型, 有固定的、 移动的、 可拆卸的站; 地球站分许多类型 , 有固定的 、 移动的 、 可拆卸的站 ; 有大型的A级 级国际、 有大型的 级、B级国际、 国内大城市内的通信站;也有 级国际 国内大城市内的通信站; 各种小型的用于小城市和特殊用途的地球站。 各种小型的用于小城市和特殊用途的地球站。 根据地球站用途与业务可分为民用、 军用、 广播、 通信、 根据地球站用途与业务可分为民用 、 军用 、 广播 、 通信 、 气象、数据、跟踪遥测、探测等多种地球站。 气象、数据、跟踪遥测、探测等多种地球站。 等站。 按天线大小不同分为 30 m,10 m,5 m,3 m,1m等站。 , , , , 等站

卫星地球站组成示意图

卫星地球站设备组成原理方框图
站设备包括了大型的天馈系统、高功放( )、低噪声放 站设备包括了大型的天馈系统、高功放(HPA)、低噪声放 )、 大器(LNA)、 )、上 下变频器、调*獾髌骷笆纸涌谏璞浮 大器(LNA)、上/下变频器、调*獾髌骷笆纸涌谏璞浮 基带设备以及监控设备等

地球站组成
1.天馈分系统 . 2.发射机分系统 . 3.接收机分系统 . 4.通信终端部分 . 5.通信控制部分 . 6.电源部分

1.天馈分系统 .
地球站天馈系统主要由天线 馈线以及 伺服跟踪几部分组 天线和 以及伺服跟踪 地球站天馈系统主要由 天线 和 馈线 以及 伺服跟踪 几部分组 其天线主要为卡塞格伦天线。主要由馈源、 成 。 其天线主要为卡塞格伦天线 。 主要由馈源 、 抛物主反 射面,双曲副反射面构成。 射面 , 双曲副反射面构成 。 它利用了光的反射原理而使光 线聚集起来,使收到的信号投射入馈源喇叭。 线聚集起来 , 使收到的信号投射入馈源喇叭 。 另一方面把 发出去的信号通过馈源经两次反射由主反射面以一束*行 光射向卫星。 光射向卫星。 卡塞格伦天线有很多优点 有很多优点, 卡塞格伦天线 有很多优点 , 有助于形成指向准确的高增益 的窄波束天线,地面噪声不容易进入馈源形成干扰, 的窄波束天线 , 地面噪声不容易进入馈源形成干扰 , 噪声 的信号经极化变换 温度低。馈源的信号经极化变换, 温度低 。 馈源 的信号经 极化变换 , 输入的信号经圆极化转 换为线极化;输出信号由线极化转为圆极化。 换为线极化 ; 输出信号由线极化转为圆极化 。 另一方面是 双工变换( 双工变换 (FDD)或收发控制开关( TDD)将收发信号分 ) 收发控制开关( ) 隔开、阻抗变换等多种变换后进入天线发射并由馈线进入 隔开 、 阻抗变换 等多种变换后进入天线发射并由馈线进入 接收机。 接收机。

天馈分系统示意图

2.发射机分系统 .
发射机分系统主要由上变频器、自动功率控制电路、 发射机分系统主要由上变频器、自动功率控制电路、发射 和大功率放大器等组成。 合成装置、激励器和大功率放大器等组成 合成装置、激励器和大功率放大器等组成。要求*档木 度高,放大器的线性好,增益稳定。 度高,放大器的线性好,增益稳定。 功率放大器一般都使用行波管或速调管 一般都使用行波管或速调管, 大功率放大器一般都使用行波管或速调管,使之工作在微 波段。在大型的地面站很少用半导体的放大器件。 波段。在大型的地面站很少用半导体的放大器件。为减小 交调干扰,在多载波工作时,采取输入/输出补偿, 交调干扰,在多载波工作时,采取输入/输出补偿,使其 不工作在饱和点附*。上变频器一般都采用参量变频器 一般都采用参量变频器, 不工作在饱和点附*。上变频器一般都采用参量变频器, 主要是噪声小,而且有一定增益。由于变频在微波段进行, 主要是噪声小,而且有一定增益。由于变频在微波段进行, 本机振荡器一般是采用微波固体振荡器 一般是采用微波固体振荡器, 本机振荡器一般是采用微波固体振荡器,而且频率稳定度 要高。 要高。

发射机分系统组成方框图

3.接收机分系统 .
由于卫星转发器功率小, 天线也不可能做得很大, 由于卫星转发器功率小 , 天线也不可能做得很大 , 因此增益 也不高,下行信号线经过4万公里的长距离传输到达地面的信 也不高,下行信号线经过 万公里的长距离传输到达地面的信 号非常弱,甚至被淹没在噪声中。因此, 号非常弱 , 甚至被淹没在噪声中 。 因此 , 地球站的接收系统 必须是低噪声接收系统 低噪声接收系统。 必须是低噪声接收系统。 低噪声接收系统主要由低噪声放大器 下变频器、 低噪声放大器、 低噪声接收系统主要由 低噪声放大器、 下变频器 、 本机振荡 等组成,对其要求比较严格: 器等组成,对其要求比较严格: 噪声温度要低,一般噪声温度为几十K 工作频带要宽, ①噪声温度要低,一般噪声温度为几十 0。②工作频带要宽, 一般要求500 MHz带宽。③增益要稳定。 带宽。 增益要稳定。 一般要求 带宽 经低噪声放大后的信号送入下变频器变为中频信号。有的变 经低噪声放大后的信号送入下变频器变为中频信号。 频器经过两次变频,有的只经过一次变频, 频器经过两次变频 , 有的只经过一次变频 , 视其地球站设备 的用途和制造商的情况而定。 的用途和制造商的情况而定 。 卫星直播电视接收站在第一次 变频后主要用于选择卫星节目(第几套) 变频后主要用于选择卫星节目 ( 第几套 ) , 然后再解调出卫 星基带信号。 星基带信号。

4.通信终端部分 .
卫星通信的终端部分主要分为上行和 下行两部分, 下行两部分,这两部分工作在中频 (70 MHz)以下。 )以下。 在数字卫星通信中的信号处理包括了 数字基带信号处理以及数字调制处理 等。

5.通信控制部分 .
一个完整的通信地面站相当复杂和庞大。 一个完整的通信地面站相当复杂和庞大 。 为 了保证通信正常进行,使设备各部分正常工作, 了保证通信正常进行,使设备各部分正常工作, 就要对各部分设备的有关参数、 就要对各部分设备的有关参数、现象等进行测 监视和控制。 试、监视和控制。在一个地球站把这几部分都 集中在一个控制室内(中央控制室) 集中在一个控制室内(中央控制室),分别进 行测试、监视和控制。 行测试、监视和控制。控制系统主要由监视设 控制设备和测试设备等组成。 备、控制设备和测试设备等组成。

6.电源部分 6.电源部分
地球站电源系统要满足整个卫星地球站的所有供电, 地球站电源系统要满足整个卫星地球站的所有供电 , 特别 是大型地球站(国际、国内卫星网站) 是大型地球站 ( 国际 、 国内卫星网站 ) 。 由于市电的定期 停电或偶然断电对地球站的影响很大, 停电或偶然断电对地球站的影响很大 , 特别对于大功率发 射机,如果断电超过60秒钟则不能重新自动工作 秒钟则不能重新自动工作, 射机 , 如果断电超过 秒钟则不能重新自动工作 , 因而要 求地球站的供电,必须是定电压 定频率、高可靠、 定电压、 求地球站的供电 , 必须是 定电压 、 定频率 、 高可靠 、 不间 断的。为满足其要求,通常采用以下措施:① 对于市电, 断的。 为满足其要求, 通常采用以下措施: 对于市电, 几条线供电线路供电, 一般都要求可由几条线供电线路供电 一般都要求可由 几条线供电线路供电 , 或者由不停电的专 应急电源设备, 网供电。 网供电。 ②应急电源设备,当市电发生重大事故或供电不 足等情况时, 足等情况时 , 在地球站特配两台全自动控制的并联运用的 柴油发电机,并辅助以高压配电房和并联控制等设备, 柴油发电机 , 并辅助以高压配电房和并联控制等设备 , 保 证充足供电。 蓄电池, 证充足供电。 ③蓄电池,*时储存稳定的电能以备万一停 电或补充电力不足

七.典型数字卫星通信系统介绍
1.IDR卫星通信系统 卫星通信系统 2.VSAT卫星通信系统 卫星通信系统 3.直播卫星电视系统 3.直播卫星电视系统 4.海事卫星通信系统 4.海事卫星通信系统

1. IDR卫星通信系统 卫星通信系统
IDR系统是国际卫星组织(INTERSAT)引入的一种 系统是国际卫星组织( 系统是国际卫星组织 ) 综合性的数字卫星通信系统。 采用TDM/QPSK 综合性的数字卫星通信系统。 IDR采用 采用 / 方式, /FDMA方式,这里的 TDM为 64 kb/s~45 Mb/s的 方式 为 /~ 的 数字多路信息速率信号 。IDR系统的特点主要是采用 系统的特点主要是采用 数字基带信号,是专为广大中、 数字基带信号,是专为广大中、小容量用户设计的应 用于公众业务(它包括了数字话音、数据。 用于公众业务(它包括了数字话音、数据。数字电视 等多种数字业务)以及计算机通信和其他的新业务。 等多种数字业务)以及计算机通信和其他的新业务。 该系统投资省,它是SCPC数字系统的扩展。它与时分 数字系统的扩展。 该系统投资省,它是 数字系统的扩展 多址TDMA系统相比,设备简单,在开通路数不多的 系统相比, 多址 系统相比 设备简单, 情况下较经济。 情况下较经济。

2. VSAT卫星通信系统 卫星通信系统
VSAT是Very Small Aparture Terminal的缩写,指天线口径小于 米, 是 的缩写, 的缩写 指天线口径小于1.8米 可直接延伸到用户住地的地球站。大量这类小站与主站协同工作, 可直接延伸到用户住地的地球站。 大量这类小站与主站协同工作, 构成VSAT数字卫星通信网,它能支持范围广泛的单向或双向数据、 数字卫星通信网, 构成 数字卫星通信网 它能支持范围广泛的单向或双向数据、 语音、 图像、计算机通信和其他, 语音 、 图像 、 计算机通信和其他 , 如多媒体等综合电信的数字信息 业务。 卫星通信系统中, 业务。在VSAT卫星通信系统中,可以灵活地应用 卫星通信系统中 可以灵活地应用FDMA、TDMA、 、 、 CDMA等这几种方式的特殊技术来实现组网。 等这几种方式的特殊技术来实现组网。 等这几种方式的特殊技术来实现组网 1)SCPC(每路一载波)方式:它可以开通 话音和数据通信, ) (每路一载波)方式:它可以开通ADPCM话音和数据通信, 话音和数据通信 其基带速率为 32 kb/s,16 kb/s及 9.6 kb/s等业务。(如美国休 /, /及 . 等业务。(如美国休 等业务。( 斯公司的TES系统等) TES系统等 斯公司的TES系统等) 2)CDMA方式 :由于 多址方式具有抗干扰能力强, ) 方式 由于CDMA多址方式具有抗干扰能力强,能降低互 多址方式具有抗干扰能力强 调干扰,有保密通信的能力,实现多址联接灵活方便等优点。 调干扰,有保密通信的能力,实现多址联接灵活方便等优点。所以 在现代的某些特珠环境和部门得到了广泛应用。( 。(如美国的赤道公 在现代的某些特珠环境和部门得到了广泛应用。(如美国的赤道公 司推出的C 200型 司推出的C-200型) TDMA方式 方式: ALOHA, ALOHA, ALOHA,SREJ-ALOHA以 3)TDMA方式:主要有 P-ALOHA,S-ALOHA,R-ALOHA,SREJ-ALOHA以 AA/TDMA等方式 等方式。 及 AA/TDMA等方式。

3.直播卫星电视系统 3.直播卫星电视系统
1.卫星电视基带信号 : . 目前世界上卫星电视共有三种彩色电视制式:一种 目前世界上卫星电视共有三种彩色电视制式:一种NTSC 制(称 正交*衡调幅制),美国、日本、加拿大等国采用; ),美国 正交*衡调幅制),美国、日本、加拿大等国采用;另一种为 SECAM制(称调频顺序转换制),法国、苏联、东欧、或其他一些 ),法国 制 称调频顺序转换制),法国、苏联、东欧、 国家采用;第三种为PAL制(称逐行倒相制),中国、英国、荷兰、 ),中国 国家采用;第三种为 制 称逐行倒相制),中国、英国、荷兰、 泰国、瑞士等国家采用。 泰国、瑞士等国家采用。 2.在卫星电视传输中,一般都把图像和伴音分开传送: .在卫星电视传输中,一般都把图像和伴音分开传送: 卫星电视信号一般对伴音数字化, 卫星电视信号一般对伴音数字化,有的也把图像经数字压缩为数 字信号后再传送。 字信号后再传送。 3. 卫星电视接收站一般只是单向接收站。其结构如 卫星电视接收站一般只是单向接收站。其结构如VSAT小站结构, 小站结构, 小站结构 分为户外单元和户内单元两部分。 分为户外单元和户内单元两部分。与VSAT端站的区别是基带信号 端站的区别是基带信号 为图像和伴音信号。 为图像和伴音信号。

4.海事卫星通信系统 4.海事卫星通信系统
目前,海事卫星( 目前 , 海事卫星( INMARSAT)系统是世界上能对海、 陆 、 ) 系统是世界上能对海、 空中的移动体提供静止卫星通信的唯一系统。此系统由空间 空中的移动体提供静止卫星通信的唯一系统 。 此系统由 空间 部分、岸站、 船站与通信网络协调站组成 另外还有跟踪、 组成。 部分 、 岸站 、 船站与通信网络协调站 组成 。 另外还有跟踪 、 遥测和指令地球站。 遥测和指令地球站。 系统的空间部分由分布在大西洋、 印度洋、 系统的空间部分由分布在大西洋 、 印度洋 、 太*洋三个区域 上空的卫星(大西洋上26?W卫星,印度洋上 卫星, 卫星, 上空的卫星 ( 大西洋上 卫星 印度洋上63?E卫星,太* 卫星 洋上180?E卫星)所组成,以形成覆盖全球的通信网。每个卫 卫星) 洋上 卫星 所组成,以形成覆盖全球的通信网。 采用C波段与 星都有两个以上转发器,转发器天线采用 波段与L 星都有两个以上转发器,转发器天线采用 波段与L 波段两波 段覆球波束,分别沟通岸站 通信网络协调站与船站。 岸站、 段覆球波束,分别沟通岸站、通信网络协调站与船站。 采用按需分配 按需分配的 方式。 采用按需分配的SCPC/FDMA方式。此类系统的地球站可分为 方式 A、B、C、D四种船舶标准站。 四种船舶标准站。 、 、 、 四种船舶标准站

海事卫星示意图

此系统提供了电话、传真、电报、数据、遇险呼救、 此系统提供了电话、传真、电报、数据、遇险呼救、紧急安全通信及 现代的多媒体通信等。至2005年2月,全球已超过42000只船舶、2000 现代的多媒体通信等 年 月 全球已超过 只船舶、 只船舶 架飞机和32000个陆上移动用户 个陆上移动用户INMARSAT实现了任何地方、任何时 实现了任何地方、 架飞机和 个陆上移动用户 实现了任何地方 间的通信。 间的通信。 A
EIRP/dBW [G/T]/dB/k 天线增益/dB 抛物面天线 直径/m 业 务

B 29 -12 15 0.5
质量降低的 话音、用户 电报

C 19 -19 8 (非抛物线)
用户电报

D 37~47 +5 32 3
多路话音与 用户电报、 高速数据

37 -4 23 1.2
话音、用户 电报




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