1、卫星通信系统与技术卫星通信系统与技术陈振国陈振国 杨鸿文杨鸿文 郭文彬郭文彬 编著编著北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社第三章第三章 卫星地球站和卫星地球站和VSAT3.1引言引言 3.2 地球站射频基本性能地球站射频基本性能3.3 天线、馈源和跟踪系统天线、馈源和跟踪系统 3.4 射频射频(RF)分系统分系统 第三章第三章 卫星地球站和卫星地球站和VSAT3.5 通信公用和网络接口分系统通信公用和网络接口分系统3.6 固定和广播卫星业务地球站固定和广播卫星业务地球站3.7 很小孔径终端网络很小孔径终端网络(又称又称VSAT网络网络)3.8 地球站监控，辅助设备，和可靠性分析地球站监控，辅助
2、设备，和可靠性分析3.1引言引言描述地球站性能的一个最基本参量，是接收天线增益对噪声温度比(G/T)值，又称为地球站的品质因素。它表示一个地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意味着这个地球站的接收能力越强。因此，根据提供业务和G/T值的不同，可以按此对地球站进行分类。3.1.1 设计考虑设计考虑一个地球站的设计主要因素有：一个地球站的设计主要因素有：服务类型 通信业务类型 终端站对基带信号质量的要求 业务要求 价格和可靠性 设计过程可以用两个主要步骤来区分设计过程可以用两个主要步骤来区分 第一步是基于整个系统的要求，由此形成地球站的基本参量如G/T值、发射功率、多址联接方案等。然后，地球站设计
3、师和工程师以最佳的性能价格比，使设备配置设法达到上述性能指标。理解设计应用中的某些折衷理解设计应用中的某些折衷 kLLEIRPNCTGmpS)(/03.1.2 国际规定和技术限制国际规定和技术限制1.国际规定国际规定2.技术限制技术限制3.1.3 地球站技术近期发展趋向地球站技术近期发展趋向迹象表明，最大的增长率多半还是移动卫星业务。用户的数目在本世纪前10年会达到1千万以上。大部分手持终端，都具有与地面移动系统同时运行的能力。3.1.4 地球站设备一般组成地球站设备一般组成图图3-1 地球站设备的一般原理性框图地球站设备的一般原理性框图 3.2 地球站射频基本性能地球站射频基本性能3.2.1
4、 有效全向辐射功率有效全向辐射功率(EIRP)的定义和计算的定义和计算如果用如果用PT表示天线馈源口的输入功率，表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线是发射天线增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：EIRP=PTGT 接收系统噪声分析和品质因素接收系统噪声分析和品质因素G/T值计算值计算通常用天线增益对噪声温度比G/T，表示地球站天线和低噪声放大器的性能，它与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表示低噪声放大器输入端的接收天线增益。1.通信系统中的噪声通信系统中的噪声 通信系统中有关噪声的论述时基于白噪声的噪声形式，它的功率谱密度为，在很大的频率范围内是平滑
5、的。在电子通信系统中，由噪声源送到匹配负载的白噪声功率谱密度通常用W/Hz表示，为:2/2/0SkTN 2.放大器的噪声温度和噪声系数放大器的噪声温度和噪声系数 系统噪声温度：eSTTT噪声系数:0001TTBGkTNBGkTFen 3.放大器级联噪声温度放大器级联噪声温度 图图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统用于等效噪声温度分析的级联二端口系统 n个系统噪声温度：121213121/nneeeeeGGGTGGTGTTTn个系统级联时的噪声系数 121213121/)1(/)1(/)1(nnGGGFGGFGFFF 4.无源器件的噪声温度无源器件的噪声温度 有损网络的损耗因子L等于它
6、的噪声系数F 0)1(TLTe 5.天线噪声温度天线噪声温度 天线噪声温度是通过天线进入到接收机的噪声的量度，它是由所有外部噪声源产生的噪声分量的积分：dTGTbA),(),(41020 6.系统总噪声温度系统总噪声温度 图图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端用于等效噪声温度计算的地球站接收端 23201111GTTTLLLTTTTeeAeS3.3 天线、馈源和跟踪系统天线、馈源和跟踪系统天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收和发送特性是相同的。地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本。大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星。1.天线基础和
7、辐射方向性图天线基础和辐射方向性图3-8 天线辐射方向性图天线辐射方向性图 2.天线主要特性参量天线主要特性参量 天线的半功率点波束宽度天线的半功率点波束宽度 天线方向性天线方向性 效率效率 增益函数增益函数 图图3-9 天线增益天线增益G与半功率点波束宽度与半功率点波束宽度hp的关系的关系,孔径效率孔径效率 60%3.3.2 天线系统天线系统 基于它们的几何形状，地球站可以使用具有轴对称、和非轴对称的天线结构。1.轴对称结构轴对称结构图图3-10 喇叭抛物面天线结构图喇叭抛物面天线结构图 图图3-11 卡塞格伦天线结构图卡塞格伦天线结构图 图图3-12 极轴天线结构图极轴天线结构图 2.非轴
8、对称结构非轴对称结构(偏馈天线偏馈天线)图图3-13 非轴对称非轴对称(偏馈偏馈)天线结构图天线结构图 3.天线安装天线安装图图3-14 天线安装结构图天线安装结构图:(a)方位角方位角仰角装置；仰角装置；(b)XY轴装置轴装置 3.3.3 馈源系统馈源系统1.主馈源系统功能主馈源系统功能2.喇叭馈源喇叭馈源3.正交极化馈源正交极化馈源图图3-15 一种正交极化馈源系统的组成框图一种正交极化馈源系统的组成框图 图图3-15 一种正交极化馈源系统的组成框图一种正交极化馈源系统的组成框图 3.3.4 跟踪系统跟踪系统 在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功率点波束宽度很大部分时，为了避免使
9、天线指向损耗过大，必须要采用跟踪系统，即：S hp/N 对地球站天线跟踪系统的要求是对地球站天线跟踪系统的要求是 能部分或全部执行下列功能：能部分或全部执行下列功能：卫星搜索 自动跟踪 手工跟踪 1.程序跟踪 图图3-17 (a)一种卫星跟踪系统的主要元件一种卫星跟踪系统的主要元件.(b)一种步进跟踪系统一种步进跟踪系统 自动跟踪系统自动跟踪系统 1 步进跟踪系统步进跟踪系统 2 单脉冲跟踪技术单脉冲跟踪技术 3 智能跟踪智能跟踪 3.4 射频射频(RF)分系统分系统 3.4.1 发送设备发送设备1.HPA备份方式2.多载波合成3.功率合成 4.高功放的非线性3.4.2 接收设备接收设备图图3
10、-27 (a)参量放大器原理电路框图。参量放大器原理电路框图。(b)一个一个GaAs FET低噪声放大器电路低噪声放大器电路 参量放大器的等效噪声温度可以近似表示为：Te f S To/f i 参量放大器可大致划分参量放大器可大致划分 不致冷的：To 环境温度+100 C 270 C=300 K；热电致冷的：To 500 C=223 K；深致冷的：To 2500 C=23 K。3.5 通信公用和网络接口分系统通信公用和网络接口分系统3.5.1 上变频器上变频器(UC)和下变频器和下变频器(DC)设计设计 1.上变频过程和上变频器设计上变频过程和上变频器设计2.转发器跳跃、极化跳跃、和上变频器备
11、份转发器跳跃、极化跳跃、和上变频器备份 3.下变频过程下变频过程 3.5.2 频率合成器频率合成器所谓的频率合成器频率合成器，就是用一个高稳定度的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后对它进行数学四则运算，用电路中的混频、倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技术，使它产生步长一定、与基准频率源具有同样稳定度的大量频率分量输出。图图3-33 (a)发送频率合成器原理图发送频率合成器原理图 图图3-33 (b)接收频率合成器原理图接收频率合成器原理图 图图3-34 上、下变频合用一种微波频率合成器上、下变频合用一种微波频率合成器 3.5.3 中频放大中频放大、滤波滤波、和均衡和均衡 放大、滤波、和群时延
12、均衡功能是在中频实施的。图图3-35 在中频滤波中的幅度和群时延限制在中频滤波中的幅度和群时延限制 3.5.4 调制和解调调制和解调 卫星通信中，调制和解调是在中频实现的。调制和解调系统的类型，应与多址联接方式(FDMA或TDMA等)、基带信号数量(多个或一个信道)、基带信号调制载波类型(数字相位调制或模拟调频)相适应.3.5.5 基带信号处理基带信号处理在发送端调制前和接收端解调后，根据信号的类型和传输特性，要对基带信号进行多项信号处理。3.5.6 网络接口分系统网络接口分系统这个分系统是地球站的通信系统设备，和地面网络基带信号之间的接口。主要功能是信号复用和去复用、数字话音插空(DSI)和
13、信道倍增(DCME)、回波抑制和消除，以及图像信号压缩编码(DVB/MPEG-2)等。3.6 固定和广播卫星业务地球站固定和广播卫星业务地球站这一节主要介绍三种类型的地球站：大型的INTELSAT的 A标准地球站，中等数据速率的中小型地球站，和VSAT小型地球站。3.6.1 大、中型固定业务地球站大、中型固定业务地球站 1.大型地球站原理框图大型地球站原理框图 2.数字话音插空技术数字话音插空技术(DSI)和中速数据业和中速数据业务务(IDR)数字话音插空技术数字话音插空技术 中速数据业务中速数据业务(IDR)的发展的发展3.TDMA/DSI(或或 DNI)3.6.2 广播卫星业务广播卫星业务
14、(BSS)地球站地球站和卫星电视接收和卫星电视接收 卫星电视广播发展概况卫星电视广播发展概况卫星电视广播系统组成，模拟卫星电视卫星电视广播系统组成，模拟卫星电视接收机（调谐器）接收机（调谐器）数字压缩卫星电视接收机原理框图数字压缩卫星电视接收机原理框图(DVB/MPEG-2)3.7 很小孔径终端网络很小孔径终端网络(VSAT)网络网络VSAT小站的主要特征是天线孔径小，设备结构紧凑；全固态化，功耗小，成本低；覆盖范围大，对环境条件要求不高；安装组网灵活方便，网络结构、性能指标、设备特性和管理等，都可按照用户的需要来进行设计。3.7.1 VSAT 网络结构和组网方案网络结构和组网方案用在VSAT
15、网络中的主要结构有：星型结构、广播网络、网状或总节点(总线连接)连接。1.网络结构组网方案网络结构组网方案 星型网结构网状(或总节点)网连接 星形和网状网的混合结构连接卫星单跳结构 远地终端 2.组网方式组网方式 共用网方案共用网方案图图3-51 VSAT系统的共用网方案系统的共用网方案 3.网状系统中的传输技术网状系统中的传输技术(1).DAMA/SCPC (2).TDM/SCPC (3).TDMA (4).CDMA 3.7.2 典型典型VSAT系统组成系统组成图图3-52 VSAT系统典型数据通信主站原理框图系统典型数据通信主站原理框图 1.主站主站图图3-53 VSAT系统典型语音通信主
16、站原理框图系统典型语音通信主站原理框图 2.VSAT站站(又称远端小站又称远端小站)图图3-54 VSAT系统端站系统端站:(a)原理框图原理框图.(b)外形结构外形结构 3.空间段空间段VSAT系统空间段的主要部分是卫星转发器，它多数是Ku波段，也仍然有C波段的。从传播条件考虑C波段条件好，受降雨衰减影响小，可靠性高。3.7.3 VSAT系统工作原理系统工作原理 1.VSAT系统的数据通信网系统的数据通信网 如图3-55所示的VSAT系统，小站和主站是通过卫星转发器连成星型网络结构。其中主站发射的EIRP高，接收G/T值大，故而所有小站都可直接与它互通。图图3-55 VSAT小型地球站网络小
17、型地球站网络 (1).卫星多址联接方案卫星多址联接方案 数据通信时，在VSAT系统中使用的主要是随机联接和预约方案。(2).自适应分配自适应分配TDMA(AA/TDMA)外向传输外向传输(Outbound)内向内向(Inbound)数据数据RA/TDMA信道信道图图3-56 AA/TDMA的幀格式和分组格式的幀格式和分组格式 图图3-57 (a)随机连接模式传输随机连接模式传输 (b)预约模式数据传输预约模式数据传输 图图3-58 混合模式传输时平均时延与流量的关系曲线混合模式传输时平均时延与流量的关系曲线(3)(3)协议变换，误差控制和流量控制协议变换，误差控制和流量控制协议变换目标协议变换
18、目标 误差控制误差控制 流量控制流量控制 2.2.VSATVSAT系统的电话通信网系统的电话通信网 该电路通信网主要特征是BPSK或QPSK调制。TDM，1/2 FEC率卷积编码，维特比译码。P T=5 50 W，T=80 K。多址方式：DAMA/SCPC(SCPC/PSK/FDMA),或PA/SCPC。(1).频率分配方案频率分配方案 频率分配方案是FDMA多址方式，可分配频带被分成业务信道和控制信道两部分，信道分配方案绘出如图3-59所示。图图3-59 TES系统的信道频率分配方案系统的信道频率分配方案 (2)TES系统的原理框图系统的原理框图 TES系统的室外单元由天线中频单元和射频单元
19、等组成。室内单元由地面接口设备(TIE)语音信道单元(VCU)数据信道单元(DCU)监控信道单元(MCU)和中频分路盘等所组成，如图3-60所示。图图3-60 小功率小功率TES系统的系统的(a)设备框图设备框图 图图3-60 小功率小功率TES系统系统 (b)结构外形结构外形 图图3-61 (a)TES系统小功率室外单元的原理框图系统小功率室外单元的原理框图 图图3-61 (b)TES系统小功率室外单元的结构外形系统小功率室外单元的结构外形 3.VSAT系统的系统的CDMA窄带数据网窄带数据网 系统和设备主要参数：系统和设备主要参数：系统远端站室内单元的设备系统远端站室内单元的设备 图图3-
20、62 CONTEL系统的系统的CDMA系统系统3.7.4 90年代后期年代后期VSAT网络的发展网络的发展 1.用于用于Internet连接的连接的VSAT网络网络2.宽带宽带VSAT的工业化的工业化3.8 地球站监控，地球站监控，辅助设备，和可靠性分析辅助设备，和可靠性分析3.8.1 地球站监控地球站监控(M&C)监控装置的主要作用是检测设备的故障情况，判断故障的模式，自动切换到备份系统。图图3-63 一个的地球站射频设备的的监控原理框图一个的地球站射频设备的的监控原理框图 射频设备的监控主要包括射频设备的监控主要包括 HPA、LNA、UC和 DC等的备份切换逻辑电路；数据搜索单元(DAU)
21、；天线控制单元(ACU)。图图3-64 1：1备份备份LNA逻辑控制电路逻辑控制电路 3.8.2 辅助设备辅助设备对一个地球站讲，有下列三种类型能源对一个地球站讲，有下列三种类型能源：不仃电电源 备份电源 无备份电源 3.8.3 设备可靠性分析设备可靠性分析除天线外，地球站的各个分系统都采用某种备用方式，以提高它的可靠性。一般情况下，硬件的可靠性是表明它在设计条件下和规定的时间内，正常运行不出故障的概率。如果故障的出现是随机的，则硬件工作时间长于时间间隔t的概率为指数分布，即有:)exp()(ttR平均发生故障的时间间隔，通常称之为平均故障时间(MTTF)，为：0/1)(dttRMTTF如果很
22、多孤立的分系统是级联的，它们之中的任一个出故障时，这个系统就出现故障。那么一个级联系统的可靠性，就是各个分系统可靠性的乘积：niincttRtRtRtR121exp)()()()(级联系统的MTTF为：0111)(11)(niiniiccMTTFdttRMTTF分系统并联时，只要一个分系统工作正常，整个系统就能正常工作。因此，并联系统的可靠性为：niiniinniniptiintiinttRtRtR1111)exp()1()exp()1(1exp1 1)(1 1)(1 1)(平均故障时间就是:niinitiippiindteindttRMTTF1101011)1()1()(对应的平均故障率为：niipiin111)1(1地球站的可用平均概率为:.,22211121MTTRMTTFMTTFPMTTRMTTFMTTFPPPPAAAAA
