1、第6章卫星通信系统设计 第6章卫星通信系统设计 6.1 卫星通信系统卫星通信系统 6.2 卫星通信系统设计卫星通信系统设计 6.3 卫星通信网的网络结构卫星通信网的网络结构 第6章卫星通信系统设计 6.16.1卫星通信系统卫星通信系统 6.1.16.1.1通信卫星通信卫星通信卫星的基本功能是为各个有关的地球站转发无线电信号，以实现多址的中继通信。同时，通信卫星还应具有一些必要的辅助功能，以保证通信任务可靠地进行。一般来说，通信卫星主要由天线分系统、通信分系统、遥测与指令分系统、控制分系统、温控分系统和电源分系统等六大部分组成，如图61所示。第6章卫星通信系统设计 图61通信卫星的组成框图 第6
2、章卫星通信系统设计 1.天线分系统卫星天线有两种类型：一类是遥测、遥控和信标用高频或甚高频天线，它们一般是全向天线，可以可靠地接收指令和向地面发射遥测数据，常用的形式有鞭式、螺旋形、绕杆式和套筒偶极子天线等，若遥测、遥控信号和业务通信采用同一频段，则不需另设遥测、遥控天线。另一类是通信用微波定向天线，按其波束覆盖区的大小可分为全球波束、点波束和区域波束等。对静止卫星而言，全球波束的半功率点波束宽度约17.34，恰好覆盖卫星对地球的整个视区，天线增益为1518dB，常用喇叭形天线。点波束天线一般采用抛物面天线，其波束宽度只有几度或更小，集中指向某一区域，如ISV卫星为4.5，天线增益可达2730
3、dB，美国应用技术卫星ATS6波束宽度只有1。第6章卫星通信系统设计 当需要波束覆盖区形状与某地理图形相吻合时，可采用波束成形技术(赋形波束天线)。对于通信天线来说，最主要的是使其波束始终对准地球上的通信区域。但是，由于卫星本身是旋转的(如采用自旋稳定方式，以保持卫星的姿态稳定)，因此要在卫星上采用消旋装置(机械的或电子的)。机械消旋使安装在卫星自旋轴上部的天线进行与卫星自旋方向相反的机械旋转，且旋转速度与卫星自旋速度相等，从而保证天线波束指向不变。电子消旋利用电子的方法使天线波束作与卫星自旋方向相反、速度相等的扫描。当采用三轴稳定方式时，星体本身不旋转，故无需采用消旋天线。第6章卫星通信系统
4、设计 2.通信分系统卫星上的通信系统又叫转发器或中继器，它实质上是一部宽频带的收、发信机。卫星上可能有若干个转发器，每个转发器覆盖一段频段。对转发器的基本要求是工作可靠，附加噪声和失真要小。转发器是通信卫星的核心，它通常分为透明转发器和处理转发器两种基本类型。所谓透明转发器，是指它接收地面发来的信号后，只进行放大、变频、再放大后发回地面，对信号不进行任何加工和处理，只是单纯地完成转发任务。按其变频次数区分，有一次变频和二次变频两种方案，如图62所示。第6章卫星通信系统设计 图62透明转发器原理框图 第6章卫星通信系统设计 在数字卫星系统中，常采用处理转发器。即首先将接收到的信号经微波放大和下变
5、频，变成中频信号再进行解调和数据处理从而得到基带数字信号，然后再经调制、上变频、放大后发回地面，如图63所示。第6章卫星通信系统设计 图63处理转发器原理框图 第6章卫星通信系统设计 3.3.遥测与指令分系统遥测与指令分系统该系统通常简称为TT&C系统，其目的是为了保证卫星的正常工作以及对卫星进行远程控制。为了保证通信卫星正常运行，需要了解其内部各种设备的工作情况，必要时通过遥控指令调整某些设备的工作状态。为使地球站天线能跟踪卫星，卫星要发射一个信标信号。此信号可由卫星内产生，也可由一个地球站产生，经卫星转发。常用的方法是将遥测信号调制到信标信号上，使遥测信号和信标信号结合在一起。第6章卫星通
6、信系统设计 遥测信号包括表示工作状态(如电流、电压、温度、控制用气体压力等)的信号、来自传感器的信号以及指令证实信号等。这些信号经多路复用、放大和编码后调制到副载波或信标信号上，然后与通信信号一起发向地面。为了对卫星进行位置和姿态控制，需要使用喷射推进装置。这些装置的点火、行波管高压电源的开关以及部件的切换，都是根据遥控指令信号进行的。指令信号来自地面TT&C站，在转发器中被分离出来，经检测、译码后送到控制机构。第6章卫星通信系统设计 4.4.控制分系统控制分系统它包括两种控制设备：一是姿态控制设备，二是位置控制设备。姿态控制使卫星对地球或其它基准物保持正确的姿态，对同步卫星来说，主要用来保证
7、天线波束始终对准地球以及使太阳能电池帆板对准太阳。姿态控制方法很多，可用角度惯性或质量喷射等方式。早期的同步卫星大都采用自旋稳定法进行姿态控制。随着窄波束天线的应用和卫星技术的发展，在一些新的卫星上已采用三轴稳定法进行姿态控制。位置控制用来消除摄动的影响，以便使卫星与地球的相对位置固定。位置控制是利用装在星体上的气体喷射装置，由TT&C站发出指令进行工作的。第6章卫星通信系统设计 5 5温控分系统温控分系统通信卫星内部，行波管功率放大器和电源系统等部分因工作产生热量而升温；另外，当卫星受到太阳照射时和运行到地球阴影区时，两者的温度差别非常大而且变化极为频繁。而通信卫星上的通信设备，尤其是本振设
8、备要求温度恒定，否则会影响卫星发射的载波频率的稳定度，进而影响通信质量。温控分系统的设置就是为了控制卫星各部分的温度，保证卫星上各种仪器设备正常工作。第6章卫星通信系统设计 卫星上的温度通过温度传感器反映给卫星的遥测指令分系统，由遥测指令分系统的编码器编成遥测信号，发给地面的卫星控制中心。控制中心根据所得到的卫星温度状态，在必要时发出控制卫星温度控制分系统的指令信号，去控制卫星的温度，以恢复或保持预定的温度。卫星上的温度控制方式分为两种：消极的温度控制方式和积极的温度控制方式。消极的温度控制方式是指用涂层、绝热和吸热等方法来传导热量，主要采用传导和辐射等方式。积极的温度控制方式是指用自动控制器
9、来对卫星所受的热量进行热平衡的方法。例如用双金属弹簧片应力的变化来开关隔栅，利用热敏元件来开关加热器或制冷器，以使卫星内部仪器的温度保持在-20+40。第6章卫星通信系统设计 6 6电源分系统电源分系统对通信卫星的电源除要求体积小、重量轻和寿命长之外，还要求电源能够在长时间内保持足够的输出。常用的电源有太阳能电池、化学能电池和原子能电池。目前，仍以太阳能电池和化学能电池为主。正常情况下使用太阳能电池，当卫星进入地球的阴影区时，则使用化学能电池。第6章卫星通信系统设计 1）太阳能电池太阳能电池由光电器件组成，其中最常用的是硅太阳能电池。这种电池先在P型单晶硅半导体基片上扩散一层薄的N型材料，做成
10、12cm2或22cm2的矩形或正方形小片，再串、并联构成太阳能电池微型组件。然后再根据电流、电压或功率的要求，把组件构成面积很大的太阳能电源。太阳能电源直接输出的电压是不稳定的，电压数值也不一定符合电路要求。因此，其输出电压必须先经过调压器，然后再送到负载。第6章卫星通信系统设计 2）化学能电池为了使通信卫星在日蚀期间也不会中断工作，一般常用可以充、放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用。即当卫星没发生日蚀时，太阳能电池为化学能电池充电；而当卫星处于日蚀期间时，则由化学能电池供电。化学能电池应具有充电效率高、耐过充电和过放电性能好，几乎不向电池外释放气体，电解液呈碱性而没有腐蚀性等特点。一
11、般采用镍镉电池。为了防止蓄电池因过放电引起温度变化从而导致电压变化，蓄电池也需采用温度控制和稳压器等设备。第6章卫星通信系统设计 6.1.26.1.2卫星通信地球站的组成卫星通信地球站的组成通信地球站有固定站(大、中、小型)、可搬移站、移动站(如舰载、车载、机载)等不同类型。它一般由天线、发射系统、接收系统、终端、通信控制器和电源系统六大部分组成。标准地球站的总体框图如图64所示。第6章卫星通信系统设计 图64标准地球站的总体框图 第6章卫星通信系统设计 1 1天线系统天线系统天线系统包括天线、馈源及伺服跟踪设备。对地球站，天线的基本要求是高增益、低噪声，并始终瞄准卫星。大型标准地球站采用卡塞
12、格伦天线，其抛物面直径达30m，增益达60dB，半功率点波束宽度约为0.18。小口径天线则采用环焦天线。第6章卫星通信系统设计 大型地球站重要的问题是使波束如此窄的天线始终瞄准卫星。调整天线指向的问题分为定向和跟踪两个方面。所谓定向，是指天线对卫星的初始捕获，其方法有人工定向和程序定向，根据预知的卫星轨道和位置数据通过人工或计算机来调整天线指向，其精度一般是不高的，且不能连续实施调整。所谓跟踪，是指保持已经瞄准的方向。为使天线波束始终瞄准卫星，以保证接收信号达到最大值，就需要一套自动跟踪设备。它主要包括跟踪接收机及驱动装置。跟踪接收机连续比较卫星信标信号的相对幅度，它形成的误差信号送给控制天线
13、方位和仰角的驱动装置。这种自动跟踪的精度相当高，误差不超过0.10.15倍的波束宽度。定向与跟踪相结合，能够较快地实现初始捕获并保持高精度跟踪。第6章卫星通信系统设计 2 2发射系统发射系统在标准地球站中，要提供几百瓦至几千瓦的大功率射频信号发往卫星，而且为了进行多址通信，一个地球站可能要同时发射多个载波。因此，发射系统应满足大功率、宽频带、多载波、高稳定度、可靠工作的要求。图65是发射系统主要设备组成框图。通常它由大功率放大器、激励器、发射波合成装置、上变频器及自动功率控制电路等组成。第6章卫星通信系统设计 图65地球站发射系统主要设备组成框图 第6章卫星通信系统设计 表表61功率放大器特性
14、功率放大器特性 第6章卫星通信系统设计 3接收系统对接收系统的基本要求是具有极高的灵敏度(或极小的内部噪声)和足够的通频带。它由低噪声传输放大器、接收信号分路器(用于多载波的情况)、下变频器、中频放大器、解调器等组成，如图66所示。第6章卫星通信系统设计 图66地球站接收系统的组成框图 第6章卫星通信系统设计 低噪声前置放大是接收系统的关键环节，它决定着系统的等效噪声温度。它应尽可能放在天线馈源近旁，而接收系统的其它设备可以安放在室内，中间用椭圆波导(或低损耗电缆)传输。表62列出了常用低噪声放大器的性能。第6章卫星通信系统设计 表62常用低噪声放大器的性能 第6章卫星通信系统设计 4 4终端
15、系统终端系统终端系统是地球站与地面传输信道的接口。在公用网中，设置在郊外的地球站通常通过地面微波或同轴电缆线路与市内长途电信局连接。终端系统的任务就是要对地面线路到达地球站的各种信息基带信号进行变换，编排成适合于通过卫星信道传输的基带信号，送给发射系统；同时又要把接收系统解调输出的基带信号变换成适合于地面线路传输的基带信号。终端设备的使用决定于所采用的多路复用方式和多址方式。第6章卫星通信系统设计 5 5通信控制系统通信控制系统通信控制系统由监视设备、控制设备和测试设备组成。监视设备用来监视地球站总体工作状态，当通信面临中断或已经中断时，能在中心控制台显示出来，并可指示哪些设备是主用的，哪些设
16、备是备用的。控制设备能对站内各主要设备进行遥测遥控，包括主用设备和备用设备的转换。测试设备包括各种测试仪表，用来指示各部分设备的工作状态，必要时可在站内进行环路测试。第6章卫星通信系统设计 6 6电源系统电源系统地球站电源系统要供应站内所有设备所需的电能，因此电源系统性能的优劣直接影响到卫星通信的质量以及设备的可靠性。公用的交流市电有时会出现波动，在传输过程中不可避免地会受到许多干扰，要求地球站电源系统提供的电流必须是稳频、稳压、高可靠性的不间断电流，通常采用三级电源设备。第6章卫星通信系统设计 1）交流市电设备该设备是正常情况下为卫星通信地球站提供所需电流的主要设备。但基于上述原因，交流市电
17、在供给地球站前必须经过稳频、稳压设备，以保证地球站设备的正常运行。2）蓄电池供电设备蓄电池供电设备在市电发生重大故障或由于地球站增添设备而使现用的市电提供的电力不足时使用。蓄电池提供的直流电经过UPS转换为稳频、稳压的交流电提供给地球站使用。第6章卫星通信系统设计 3）应急发电设备应急发电设备通常由两台全自动控制并联运用的柴油发电机、高压配电盘、自动并联控制盘、启动用蓄电池及其它补充设备构成。另外，为了确保电源设备的安全以及减少噪声、交流声的来源，所有的电源设备都应良好地接地。第6章卫星通信系统设计 6.1.36.1.3卫星通信线路组成卫星通信线路组成在卫星通信系统中，由发端地球站、上行传播路
18、径、卫星转发器、下行传播路径和接收地球站组成的卫星通信线路直接用于通信。其构成如图67所示。第6章卫星通信系统设计 图67卫星通信线路组成框图 第6章卫星通信系统设计 6.2卫星通信系统设计卫星通信系统设计 6.2.16.2.1卫星通信系统的总体设计原则卫星通信系统的总体设计原则(1)对于卫星通信系统进行设计，必须了解整个系统的通信业务，例如电话业务、数据业务、电视业务，或者是几种业务的综合。根据不同业务的要求以及传送信号质量的要求，结合整个系统设置的站址以及每个地球站的通信容量确定系统的总通信容量，在此基础上确定这个卫星通信系统使用的多址方式、可以租用的通信卫星以及可以使用的工作频段。第6章
19、卫星通信系统设计(2)决定地球站天线直径。天线直径大，地球站G/T值高，转发器利用率高，频带宽，地球站的建设费用多。相反，天线直径小，地球站G/T值低，地球站成本低。对中央大站，或通信量大、质量要求高的站，天线尺寸相应要大。对边远地区，通信量小，从经济角度考虑，采用小型天线，能保证正常通信即可。(3)确定系统的配置，包括各类附属设备、专用设备以及地面传输系统设备等。在此基础上确定相应的土建工艺要求，向土建设计师提出。(4)按照相应规范要求，确定总体系统指标，并对各分系统提出各自的指标要求。(5)对各分系统设备进行设计，主要是通信地球站的设计。第6章卫星通信系统设计 6.2.26.2.2卫星通信
20、线路设计卫星通信线路设计1 1卫星接收系统的载噪比卫星接收系统的载噪比在卫星通信系统中，虽然载波信号经过长距离的通信线路后，才进入卫星接收机，但通信线路的主要部分是自由空间。因此，对于进入卫星接收机的载波信号的功率可先按通信线路这种情况考虑，再在此基础上依据微波信号在大气层中传播所受的影响加以修正。这部分的内容已经在第2章中作过详细的分析，在此就不再重述。第6章卫星通信系统设计 假定某通信系统中收发天线之间的距离为d，发射功率为Pt，发射天线的增益为Gt，接收天线的开口面积为Ar，开口直径为D，接收天线的效率为r，则接收点的输入信号功率可表示为 r2rtt4dAGPC（61）由于天线的增益可表
21、示为 22224DAG（62）因此，接收点的输入功率又可表示为 2rtt4dGGPC（63）第6章卫星通信系统设计 内部噪声主要来自馈线、放大器和下变频器等，但由于使用高增益天线和低噪声放大器，接收系统内部噪声的影响相对减弱，同时外部噪声的影响也不可忽略。地球站接收系统的外部噪声来源主要有：(1)天线噪声，包括宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、太阳噪声、天线损耗噪声、天电噪声、天线罩噪声以及由天线副瓣接收的地面噪声等。(2)干扰噪声，主要包括来自其它通信系统的干扰噪声和人为干扰噪声。(3)上行线路噪声和转发器非线性产生的交调噪声。第6章卫星通信系统设计 接收系统的噪声功率可折算为该点的热噪声功率，
22、表达式为 N=kTrB(64)式中：k=1.3810-23J/K为波兹曼常数;Tr为接收系统的等效噪声温度;B为等效带宽。根据求出的接收机的输入功率和噪声功率，可得接收机的载噪比为 BkTLGGPNCrprtt1（65）第6章卫星通信系统设计 当以分贝数表示时)lg(10)lg(10rrBkTGLEIRPBkTGLGPNCrprptt（66）其中，EIRP=Pt+Gt=PtGt称为有效全向辐射功率。对于卫星通信系统，通信线路分为上行链路和下行链路。根据上式可以得出上行链路与下行链路的载噪比公式)lg(10EIRP)lg(10EIRPrpdsesatsatpueSBkTGLNCBkTGLNCrr
23、s（67）（68）第6章卫星通信系统设计 地球站接收系统的载噪比跟下行链路的载噪比有关，由式(68)我们可以看出，当卫星转发器设计好后，其EIRPs就确定了，而当地球站的工作频率及通信带宽B确定后，Lpd的值也就确定了。因此，地球站接收系统输入端的载噪比将取决于Gr/Tt，简写为G/T，显然，G/T越大，则接收系统的C/N值越高，表明接收系统的性能越好，即C/T值可表明接收系统的好坏，所以通常将它称为地球站的性能因数。国际通信卫星组织规定，标准A站在4GHz、仰角为5时，G/T40.7dB/K，而在其它频率工作时，4lg207.40fTG（69）第6章卫星通信系统设计 2 2卫星通信线路的指标
24、卫星通信线路的指标1）质量指标在设计卫星通信线路时，首先必须给出自地球站经由卫星至另一地球站的卫星区间所要求的线路标准。卫星通信线路是国际通信网的组成部分，所以其线路性能标准必须具有国际规定的普遍性。一般在制定国际线路标准时，由于各国情况不同，原来线路结构各式各样，因此采用的方法是制定一个具有典型结构的假想线路，即标准模拟线路，然后对该标准线路规定性能标准。第6章卫星通信系统设计 国际无线电咨询委员会(CCIR)规定了利用卫星通信系统进行洲际通信的标准线路模型，提出了对该线路的各种传输标准方面的建议。CCIR对利用卫星通信进行洲际多路电话及电视传输的标准线路模型建议如下:(1)标准线路模型由地
25、球站-卫星-地球站组成，如图67所示。(2)因为标准线路是洲际电路的一部分，所以必须按可能有二次或三次“跳跃”串联连接的情况来制定线路标准。(3)标准线路中包含有基带-射频变换和射频-基带变换用的信道调制器和解调器,但不包含多路载波电话终端和电视标准制式变换设备等。第6章卫星通信系统设计 2）可用度指标如果在卫星固定业务链路中，任一个接收端连续10s以上出现下述情况之一，则由3524和5211建议所规定的假设参考电路或假设数字参考通路所构成的卫星固定业务链路将被认为不可用：(1)在模拟信号传输中，信号从一端输入，在电路的另一端收到的有用信号电平低于要求值10dB以上。(2)数字信号传输中，出现
26、信号中断(即帧失步或定时丢失)。(3)在模拟电话传输中，零相对电平点上5ms积分时间内不加权噪声功率超过106pW。(4)数字信号传输中，其比特误码率超过10-3。暂按579建议来定义链路可用性，若只考虑设备引起的中断，则一年的可用时间应大于998。第6章卫星通信系统设计 3.3.卫星通信线路卫星通信线路C/TC/T值计算值计算在前面的介绍中，我们已经得出了卫星链路的载噪比C/N，但由于它是带宽B的函数，因此缺乏一般性，为了更好地对不同带宽的系统进行比较，根据式(64)可以得出 BkNCTC（610）从而使得不同系统性能的比较不再与带宽有关。因此C/T通常作为评价卫星通信线路质量好坏的一个重要
27、参数。Tt是接收系统的等效噪声温度，根据前面关于噪声的介绍，它主要包括上下链路的热噪声、卫星转发器及地球站产生的交调噪声以及地球站接收系统本身的噪声等。第6章卫星通信系统设计 1）上行链路的C/T值C/Tu的计算根据式(610)，C/T u的值为 kBNCTCsatlg10su（611）将式(67)带入上式，得 satrspueuEIRPTGLTC（612）第6章卫星通信系统设计 上式为单载波上行链路的C/T值。但在频分多址系统中，一个转发器通常要同时放大多个载波。为了减少交调噪声的产生，需要使总的输入功率从饱和点减少一定数值，进行输入补偿，使转发器工作在线性部分。为了说明上行链路的C/Tu值
28、与输入信号功率的关系，在此引入转发器灵敏度的概念。其基本含义是：当卫星转发器达到最大饱和输出时，其输入端所需的信号功率就是转发器灵敏度，通常用功率密度Ws表示,即以单位面积上的有效全向辐射功率表示:2pue22e2es4444LEIRPdEIRPdEIRPW（613）第6章卫星通信系统设计 或以分贝数表示：2es4lg10EIRPpuLW（614）若卫星工作在多载波的情况下，则各个地球站所发射的EIRP总和要比单载波工作使转发器饱和时地球站所发射的EIRP小一个输入补偿值BOi。假如我们以EIRPes表示转发器工作在单载波情况下的数值，则多载波工作时的数值就应为 EIRPem=EIRPes-B
29、Oi（615）于是，将式（614）代入式（615），可得 2puiem4lg10BOEIRPLWs（616）第6章卫星通信系统设计 则多载波情况下的C/Tu值C/Tum可表示为 2satrsipusmum4lg10BOEIRPTGWTGLTCssatrs（617）由上式可以看出，C/Tum是Ws、BOi和Grs/Tsat的函数，改变其中任何一个参量的值都会使得C/Tum的值发生变化。因此,通常在卫星转发器上装有衰减器，通过地面控制中心控制其衰减值以调节卫星接收机的输入功率，使C/Tum和地球站的EIRPs在一个合理的范围之内。第6章卫星通信系统设计 2）下行链路的C/T值C/Td的计算与上行链
30、路相类似，当下行链路只考虑一个载波时，C/Td可表示为 drpdsdEIRPTGLTC（618）同样，由于在卫星转发器中同时工作的载波有多个，因此，为了减小交调噪声，转发器的行波管放大器要进行输入功率的回退，相应的输出功率也将会有一定量的减小，所以多载波工作时的有效全向辐射功率应表示为 EIRPsm=EIRPss-BOo（619）第6章卫星通信系统设计 其中,EIRPss为卫星转发器在单波饱和工作时的EIRP。将上式带入式(617)就得到在多载波工作情况下下行链路的C/T值:drpdssdmBOEIRPTGLTCo（620）第6章卫星通信系统设计 3）卫星转发器中对交调噪声的C/T值的计算当卫
31、星转发器放大多个信号载波时，卫星的行波管放大器将工作在非线性区域，这样由于行波管的幅度非线性和相位非线性的作用，会在同时放大多个不同频率的载波时产生交调噪声。如果各载波在均受调制的情况下，近似地认为产生的噪声为均匀分布的话，就可以采用与热噪声类似的处理方法，则卫星转发器中的交调噪声的C/T值可表示为 6.228iiBNCTC（621）交调噪声的频率及功率的大小与行波管的非线性特性、工作状态、被调制的各信号载波的频谱、各载波的功率大小、传输带宽等多种因素有关。因此，卫星转发器中对交调噪声的C/T值的计算通常采用实验室方法或计算机模拟的方法进行估算。第6章卫星通信系统设计 由于有交调噪声的存在，因
32、而需要进行一定的输入补偿，输入补偿值的大小不仅对C/Ti有影响，对C/Tu、C/Td也有影响。如图68所示，行波管的工作点越远离行波管的饱和点（即输入补偿越大），C/T i越大；越接近饱和点（即输入补偿越小），C/T i越小，但C/Tu、C/Td情况恰好相反。为了使卫星线路得到良好的传输特性，必须选择合适的补偿值，也就是选择卫星转发器行波管的工作点。因此，卫星转发器行波管最佳工作点的选择成为卫星通信系统设计中一个非常重要的问题。第6章卫星通信系统设计 图68C/T与BOi的关系 第6章卫星通信系统设计 4）卫星链路总C/T值的计算根据前面得出的上行链路噪声、下行链路噪声以及转发器中针对交调噪声
33、的C/T值，我们便可以求出整个卫星线路的C/T值，即对这三部分噪声总和的C/T值。虽然这三部分噪声在进入收端地球站时已混合在一起，但因各部分的噪声之间彼此独立，因此计算噪声功率时，可将三部分相加，即 Nt=No+Ni+Nd=k(Tu+Ti+Td)B=kTrB Tr=Tu+Ti+Td（622）(623)第6章卫星通信系统设计 Tt、Tu、Ti、Td分别代表整个线路的等效噪声温度、上行链路噪声、卫星转发器交调噪声、下行链路噪声的等效噪声温度。根据式(623)，可得出下式：diu/1/1/1/1TCTCTCTC(624)或)10()10()10lg(1010/10/10/dTCTCTCiuTC（62
34、5）根据上式也可得出补偿值与C/T值之间的关系，如图6所示。因此通过改变卫星转发器的输入补偿量，就可以使C/T达到最大值。第6章卫星通信系统设计 5）门限余量和降雨余量一条卫星通信线路在满足一定传输质量的前提下所能容许的最低C/T值称为门限C/T，用C/Tth表示。在实际的卫星线路设计中，为了保证正常的通信，应合理选择系统中各部分电路的组成，以便使实际可能达到的C/T值超过门限C/Tth。实际线路的C/T值与门限值C/Tth之间的差值称为“门限余量”，用Mth表示，即 ththTCTCM（626）第6章卫星通信系统设计 这是一个动态变化的量，受气象条件、转发器与地球设备的不稳定因素以及天线指向
35、误差等方面的影响。在气象条件中影响最大的有雨、雪等引起的传播衰减与噪声的增加。为了弥补由于降雨引起的线路质量的下降，在线路设计时必须留有一定的余量，这个余量就称为“降雨余量”。在实际的系统中，对于上行链路由于卫星的发射功率可根据实际情况由地面站加以调整，因此降雨对上行链路的C/T值影响不大。降雨主要对下行链路的C/T值有明显的影响。第6章卫星通信系统设计 降雨使噪声增加的结果是使C/Td减小。假定在降雨时其它C/T值（即C/Tu和C/Ti）保持不变，只是下行链路的噪声温度由Td变为Td，则)(duithTTTT（627）其中，Tth为整个实际链路的噪声温度。降雨余量为 CTCTTCTTTMid
36、uthddr)(lg10lg10（628）以 dTTTriu带入上式，就可得出门限余量与降雨余量之间的关系为rrMM1rth（629）第6章卫星通信系统设计 6.2.36.2.3卫星通信地球站的设计卫星通信地球站的设计1 1卫星通信地面站设计的总体要求卫星通信地面站设计的总体要求(1)信号的发送应稳定、可靠，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。(2)各部分的性能指标应满足系统中所传输的业务信号的质量要求,例如G/T值、EIRP、HPA功率等。(3)整个系统的维护使用方便。(4)建设成本和维护费用不应太高。第6章卫星通信系统设计 2 2卫星通信地面站必备性能卫星通信地面站必备性能(1)地球站的G
37、/T。例如：标准地球站的G/T值应满足(dB/K)。(2)有效辐射功率及其稳定度。要求发射的射频信号的功率非常稳定，功率变化在额定值的0.5dB以内。（3)发射频率的精确度。例如：在传送电话信号时，要求地球站所发射的频率应在规定值的150kHz以内；传送电视信号时，发射的频率应在规定值的250kHz以内,这相当于射频频率的相对稳定度为f/f=(26)10-5。)/dB(4lg207.40/KfTG第6章卫星通信系统设计(4)射频能量扩散指标。为减少交调干扰，国际卫星通信组织规定传送多路电话时，4kHz的能量最大值与最大负载时的能量密度的差值不得超过2dB。(5)干扰波辐射指标。地球站因多载波引
38、起的交调干扰小于23dBW/4kHz。带外总的有效全向辐射功率应小于4dBW/4kHz。第6章卫星通信系统设计 3卫星通信地面站设计的主要内容1）站址的选择要建立一个卫星通信地球站，站址的选择非常重要。站址选择的恰当与否直接关系着整个卫星通信系统工作性能的优劣以及设备的选择。站址的选择应进行综合的考虑，主要包括以下几方面：(1）与其它微波通信系统之间的干扰。微波通信系统采用的频率在某些频段中是与卫星通信系统相同的。为了避免相互之间的干扰，有关的国际组织对卫星通信的发射功率以及地面微波通信系统的发射功率的允许值做出了规定,如表63所示。第6章卫星通信系统设计(2)地平线的仰角。地平线的仰角又称为
39、山棱线仰角，即山棱线与天线之间的夹角，如图69所示。地平线仰角增大时，可以防止其它无线通信系统对地球站的干扰，起到屏蔽的作用。但另一方面，的增大，会使天线的仰角与之间的差值减小，导致天线的噪声温度增加，从而使地球站的G/T值下降。一般情况下，应在3以下，因此地球站的站址尽量选择在平坦的地面或者是地势较高的地方。第6章卫星通信系统设计 图69地平线仰角与天线仰角关系 第6章卫星通信系统设计(3）气象条件。影响卫星通信的气象条件主要是风、雨、雪。在一些风力较大的地区或者当地球站的天线口径较大时，受风力的影响，天线可能产生较大的摆动，从而使地球站的天线不能很好地对准通信卫星。在这种情况下，需要提高天
40、线的抗风性能，这样势必加大建站的费用。在进行设计时，对气象条件必须予以重视。第6章卫星通信系统设计 表表631GHz以上频率时对发射功率等指标的限制以上频率时对发射功率等指标的限制 第6章卫星通信系统设计 表表631GHz以上频率时对发射功率等指标的限制以上频率时对发射功率等指标的限制第6章卫星通信系统设计 2）天线方位角、俯仰角和站星距的计算在地球站的调测、开通和使用过程中，必须知道地球站天线工作时的方位角和仰角。此外，为了计算自由空间的传输损耗，还必须知道地球站与卫星之间的距离，即站星距。图610给出了静止卫星S与地球站D之间的几何关系。图中S表示静止卫星，D表示卫星地球站，O为地球中心。
41、S与O的连线在地球表面上的交点M称为星下点。D与S的连线称为直视线，直视线的长度称为站星距，用d表示。第6章卫星通信系统设计 图610ZK(静止卫星观察参数示意图第6章卫星通信系统设计 直视线在地面上的投影，即D与M的连线称为方位线。方位角是地球站所在经线的正北方向，即经线顺时针方向与方位线K的夹角。仰角为地球站的方位线与直视线之间的夹角。设地球的半径为Re，卫星的高度为h，地面站经度与星下点之间经度差为，纬度差为，则利用球面三角形推导得到以下公式：站星距 coscos2)1(2kkRde（630）第6章卫星通信系统设计 仰角 dRke)1coscos(arcsin（631）方位角 sinta
42、narcsina（632）式中，k=(Re+h)/Re。方位角是地球站所在经线的正北方向，在式(632)中，如果取正值，则是以正南方向为基准得出的，因此，实际的方位角可用下式得出:第6章卫星通信系统设计 当地球站位于北半球时=180-a（卫星位于地球站东侧）（633）=180+a（卫星位于地球站西侧）（634）当地球站位于南半球时=a（卫星位于地球站东侧）（635)=360-a（卫星位于地球站西侧）（636）第6章卫星通信系统设计 3）卫星通信系统与地面通信系统的接口连接卫星通信系统要完成信息的传输与交换，必须要与地面通信系统相连接。当考虑卫星通信系统与地面通信系统的连接时，地球站的作用犹如微
43、波通信中的中继站。连接方式既可采用模拟方式，也可采用数字方式。但随着通信技术的不断发展，数字连接方式的使用越来越普遍，因此在本节只讨论卫星通信系统采用数字方式与地面通信系统的连接。当数字卫星通信系统为地面数字通信网提供传输链路时，网络接口处的时钟可能来自不同的网络，而且要经过卫星信道，因此会出现定时误差。产生时钟定时差异的原因主要是：数字网时钟的准同步操作；由于卫星链路的传播时间变化而产生的多普勒频移。第6章卫星通信系统设计(1)准同步系统。国际卫星通信系统要和若干独立的地面网进行接口。这些独立的地面网的时钟都是从精度为110-11的精密时钟导出的。这些网之间是以准同步方式工作的。在这些独立网
44、的接口之间必会产生时钟差异，必须采用一定的措施来消除这种差异，以保证数字通信系统的同步要求。第6章卫星通信系统设计(2)多普勒频移。由于卫星的运动，使得从地球站到卫星的距离并不是恒定的，因此会产生传播延迟的变化。这种变化就将引起多普勒频移。设发射机的发射频率(发射机静止时)为ft，接收机的接收频率为fr，则多普勒频移定义为 pttttrvvfffffd（637）其中:vt为发射机朝向接收机的速度分量;vp为光速。如果发射机靠近接收机，vt为正；反之，vt为负。通常也称f为多普勒频移。第6章卫星通信系统设计 设从地球站到卫星的多普勒频移为f1，而从卫星到另一地球站的多普勒频移为f2，那么从该地球
45、站到另一地球站的发射频率ft与接收频率fR的关系是：fr=ft+f1+f2（638）由于数字信号的时钟经卫星链路的传输产生多普勒频移，因此必须在地面设备与卫星链路的接口处设置缓冲器，以吸收由于多普勒频移而产生的定时差别。第6章卫星通信系统设计 在接口处设置缓冲器吸收时钟差异，解决了卫星线路与地面数字线路间的同步问题。根据同步方法的不同，数字接口有以下三种同步方式。(1）完全同步方式。在完全同步方式中，设在长途交换中心局的PCM复用终端和时分制交换机都是按地球站送来的帧定时工作的，而地球站与卫星系统保持同步。其系统组成如图611所示。第6章卫星通信系统设计 图611完全同步方式连接框图 第6章卫
46、星通信系统设计 需要指出，由于卫星的摄动，使其轨道位置漂移，从而导致传播时延，信号的帧长和时钟频率都将随之变化(多普勒频移)。因此，地球站发送信号的帧周期便不可能与接收信号的帧周期相等，结果在地球站内，从中心站来的输入信号的帧周期与发向卫星的信号帧周期出现了差异。不过，考虑到卫星的位置只是在有限范围内变化，所以可以通过设置适当容量的缓冲存储器来补偿这种帧周期的差值。这一缓冲存储器通常称为校正多普勒频移的缓冲存储器。采用完全同步方式连接时，由于系统内所有的地球站以及所组成的通信网的同步都从属于基准站，因而一旦基准站发生故障就会影响到整个网络的正常工作，这是这种同步方式的主要缺点。第6章卫星通信系
47、统设计(2）跳帧同步方式。在跳帧同步方式中，长途交换中心局与卫星通信系统各自保持独立的帧同步，但帧频的标称值是相等的，而且要求其有非常高的稳定性。采用这种方法连接的系统组成如图612所示。其中地球站的发射端设有缓冲存储器及其控制器。只要缓冲存储器两端的信号频率不同，即使这种差异极其微小，存储器的写入和读出都会产生微小的偏移。当这种偏移一旦超过某一规定数值时，便强制去掉一帧信息或重复插入一帧信息，这就是所谓的跳帧。采用跳帧连接，虽然损失了一帧信息，但不会破坏系统的帧同步。至于因卫星漂移而引起的传播延迟变化的影响，也是通过缓冲存储器来加以补偿的。第6章卫星通信系统设计 图612跳帧同步方式连接框图
48、 第6章卫星通信系统设计(3）码速调整同步方式。在码速调整同步方式中，卫星系统的时钟频率比地面系统的时钟频率略高。在地球站的发送端，当写入和读出时差超过某一预定值时，读出就会暂停，并在卫星线路中插入不含有信息的脉冲；到了接收端，再把不含有信息的脉冲去掉，同时将数据流进行匀滑。通常把这种方式称为码速调整或脉冲填充。它的优点是相互独立同步的两个数字线路或通信网之间可以不丢失任何信息而完成数字连接。这种电路的连接如图613所示。第6章卫星通信系统设计 图613码速调整同步方式连接框图 第6章卫星通信系统设计 6.3卫星通信网的网络结构卫星通信网的网络结构 由多个地球站构成的通信网络可以归纳为两种主要
49、形式，即星形网络和网状网络，如图614所示。在星形网络中，各远端地球站都是直接与主站发生联系的，而各远端地球站之间是不能经卫星直接进行通信的，必要时须经主站转发，才能进行连接和通信。无论远端地球站与主站进行通信，还是各地球站经主站进行通信，都必须经过卫星转发器。因此，根据经过卫星转发器的次数，星形网络又分为单跳和双跳体系结构，如图615所示。在单跳体系结构中，各远端地球站可经过单跳线路与主站直接进行话音和数据的通信。而在双跳体系结构中，各远端地球站之间一般都通过主站间接进行通信。这种星形网络结构，由于一条通信线路要经过两跳的延迟，因而对于有实时要求的话音业务来说是不适用的，而只适用于记录话音业
50、务和数据业务。第6章卫星通信系统设计 图614卫星通信网的网络结构 第6章卫星通信系统设计 图615卫星通信网的单跳与双跳结构第6章卫星通信系统设计 在网状网络中，任何两个远端地球站之间都是单跳结构，因而它们可以直接进行通信。但是必须利用一个主站控制管理网络内各地球站的活动，并按需分配信道。显然，单跳星形结构是最简单的网络结构；而网状网络结构则是最复杂的网络结构，它具有全连接特性，并能按需分配卫星信道。另外，还有一种单跳与双跳相结合的混合网络结构(见图615)。在这种网络中，网络的信道分配、网络的监测管理与控制等由主站负责，但是通信不经主站连接。因此，它可以为主站与远端地球站之间提供数据和话音
