《現(xiàn)代通信系統(tǒng)導論》課件第六章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

第六章衛(wèi)星通信系統(tǒng)6.1概述

6.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成6.3衛(wèi)星通信的多址連接方式6.4通信衛(wèi)星的組成6.5衛(wèi)星地面站6.6衛(wèi)星通信的新技術習題6.1概述 6.1.1衛(wèi)星通信的基本概念 通信衛(wèi)星工作的基本原理如圖6-1所示。圖6-1衛(wèi)星通信示意圖 6.1.2衛(wèi)星通信的電波傳播特點

1.衛(wèi)星通信的頻段選擇 通常在選擇衛(wèi)星通信用的工作頻段時,主要從以下一些方面來考慮: (1)工作頻段內(nèi)的噪聲與干擾小; (2)電波傳播過程中的損耗小; (3)盡可能有較寬的頻帶,以滿足通信業(yè)務的要求; (4)充分利用現(xiàn)有的通信技術與現(xiàn)有的通信設備; (5)與其他通信或雷達等微波設備之間的干擾盡可能小。 2.自由空間的傳播損耗 由于衛(wèi)星通信用的無線電波主要是在大氣層以外的宇宙空間內(nèi)傳播,而宇宙空間是接近真空狀態(tài)的,并且由于在目前所使用的頻段范圍內(nèi),與自由空間的傳播衰耗相比,大氣層的衰減損耗很小,因此基本上可以認為,電波是在均勻媒質(zhì)的自由空間內(nèi)傳播的,信道的特性較穩(wěn)定。所以,從信道性質(zhì)來說,一般都認為是恒參信道。 6.1.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點

1.衛(wèi)星通信的優(yōu)點通信距離遠,建站成本與通信距離無關。

(2)組網(wǎng)靈活,便于多址連接。

(3)通信容量大。

(4)通信線路質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

(5)機動性能好。 2.衛(wèi)星通信的缺點

(1)兩極地區(qū)為通信盲區(qū),高緯度通信效果不好。

(2)衛(wèi)星的發(fā)射、測控技術比較復雜。

(3)存在日凌中斷和星蝕現(xiàn)象。

(4)抗干擾性能差。

(5)保密性能差。

(6)通信時延長。 6.1.4衛(wèi)星通信傳輸線路性能參數(shù)

1.等效各向同性輻射功率(EIRP) EIRP(EquivalentIsotropicRaditatedPower)也稱為等效全向輻射功率,它的定義是地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)送出的功率(P)和該天線增益(G)的乘積,即EIRP=P·G如果用dB計算,則為

EIRP(dB/W)=P(dB/W)+G(dB/W)

式中，EIRP表示了發(fā)送功率和天線增益的聯(lián)合效果。

2.噪聲溫度(Te)

噪聲溫度(Te)和噪聲系數(shù)(Nf)的關系如下:

Nf=10lg(1+Te/290)dB(在室溫17°) 3.品質(zhì)因數(shù)(G/Te)

G/Te是天線增益與噪聲溫度之比。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,Te的高低嚴重影響接收信號的實際效果,因此必須在G中減去Te的影響才能正確反映接收系統(tǒng)的實際質(zhì)量,G/Te

值的計算公式如下:

G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)6.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由空間的一顆(或多顆)通信衛(wèi)星和多個地面站組成,如圖6-2所示。圖6-2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成

為了保證通信衛(wèi)星的正常工作,通信衛(wèi)星必須有測控系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)

1.測控系統(tǒng)

2.監(jiān)控管理系統(tǒng)

3.通信衛(wèi)星 通信衛(wèi)星主要起無線電中繼作用,它是靠星上轉發(fā)器和天線系統(tǒng)來完成的。圖6-3是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信部分方框圖。

4.地面站 衛(wèi)星通信地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的組成部分,它是連接衛(wèi)星線路和用戶的中樞。圖6-3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成方框圖6.3衛(wèi)星通信的多址連接方式 6.3.1多址方式的信道分配技術 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,如何將信道分配給系統(tǒng)內(nèi)需要通信的兩個站,這是信道分配技術需要解決的問題。這里的“信道”在FDMA中是指頻帶,在TDMA中是指時隙,而在CDMA中是指地址碼。 6.3.2多址連接方式

1.頻分多址方式(FDMA)

頻分多址是根據(jù)各地面站發(fā)射的信號頻率不同,按照頻率的高低,順序排列在衛(wèi)星的頻帶里,各地面站的信號頻譜需要排列的互相不重疊。也就是說,按照頻率不同來區(qū)分是哪個站址。圖6-4為頻分多址方式的示意圖。圖6-4頻分多址方式示意圖

頻分多址方式可以根據(jù)多路復用和調(diào)制方式的不同,分成如下幾種方式：

(1)FDM／FM／FDMA方式。這種方式是把要傳送的電話信號進行頻分多路復用處理,即FDM,再對載波進行調(diào)頻,即FM,最后按照載波頻率的不同,區(qū)分四個地面站址,即FDMA。

(2)SCPC／FDMA方式。SCPC(SingleChannelPerCarrier,單路單載波)方式的含義是每個話路使用一個載波。

(3)PCM／TDM／PSK／FDMA方式。 2.時分多址方式(TDMA)

時分多址方式是將通過衛(wèi)星轉發(fā)器的信號在時間上分成“幀”來進行多址劃分的,在一幀內(nèi)又劃分成若干個時隙(分幀),再將這些時隙分配給地面站,并且只允許各地面站在所規(guī)定的時隙(分幀)內(nèi)發(fā)射信號。圖6-5示出了時分多址的幀結構圖。圖6-5時分多址的幀結構

典型的PCM-TDM-PSK-TDMA系統(tǒng)的原理方框圖如圖6-6所示。圖6-6PCM-TDM-PSK-TDMA方式

從以上簡單說明可以看出,TDMA方式有以下3個特點: (1)各地面站發(fā)射的信號是射頻突發(fā)信號,或者說它是周期性的間隙信號。

(2)由于各站信號在衛(wèi)星轉發(fā)器內(nèi)是串行傳輸?shù)?因此需要提高傳輸效率。但是各站輸入的是低速數(shù)據(jù)信號,為了提高傳輸速率,使輸入的低速率數(shù)據(jù)信號提高到發(fā)往衛(wèi)星的高速率(突發(fā)速率)數(shù)據(jù)信號,需要進行變速。速率變化的大小根據(jù)幀長度與分幀長度之比來確定。

(3)為使各站信號準確地按一定時序進行排列,以便接收端正確地接收,需要精確的系統(tǒng)同步、幀同步和位同步。 3.空分多址方式(SDMA)

空分多址方式是以衛(wèi)星天線指向地面的波束來區(qū)分站址的,即利用波束的方向性來分割不區(qū)域地面站電波,使各地面站發(fā)射電波在空間不相互重疊,即使在同一時間,不同區(qū)域站使用同一頻率工作,它們之間也不會形成干擾。 在空分多址系統(tǒng)工作中,特別要注意以下幾個同步問題: (1)由于空分多址方式是在時分多址方式的基礎上進行工作的,因此各地面站的上行TDMA幀信號進入衛(wèi)星轉發(fā)器時,必須保證幀內(nèi)各分幀的同步,這與時分多址的幀同步相同。 (2)在衛(wèi)星轉發(fā)器中,接通收、發(fā)信道和窄波束天線的轉換開關的動作,分別與上行TDMA幀和下行TDMA幀保持同步,即每經(jīng)過一幀,天線的波束就要相應轉換一下。這是空分多址方式特有的一個同步關系。

(3)每個地面站的相移鍵控調(diào)制和解調(diào)必須與各個分幀同步,這與數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的載波同步相同。 (1)由于空分多址方式是在時分多址方式的基礎上進行工作的,因此各地面站的上行TDMA幀信號進入衛(wèi)星轉發(fā)器時,必須保證幀內(nèi)各分幀的同步,這與時分多址的幀同步相同。

(2)在衛(wèi)星轉發(fā)器中,接通收、發(fā)信道和窄波束天線的轉換開關的動作,分別與上行TDMA幀和下行TDMA幀保持同步,即每經(jīng)過一幀,天線的波束就要相應轉換一下。這是空分多址方式特有的一個同步關系。

(3)每個地面站的相移鍵控調(diào)制和解調(diào)必須與各個分幀同步,這與數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的載波同步相同。

從以上討論中可以看到,空分多址方式有以下3個特點：

(1)由于空分多址方式必須采用窄波束的天線,因此衛(wèi)星天線的輻射功率集中,有利于衛(wèi)星轉發(fā)器和地面站采用固體功率器件而變得小型化。

(2)由于利用了多波束之間的空分關系,因此提高了抗同波道干擾的能力。

(3)空分多址方式要求衛(wèi)星的位置和姿態(tài)高度穩(wěn)定,以保證天線窄波束的指向準確。 4.碼分多址方式(CDMA)

所謂碼分多址,就是用碼型來區(qū)別地面站址。碼分多址方式屬于拓寬頻帶、低信噪比的工作方式。

6.3.3四種多址連接方式的比較 表6-1列出了各種多址方式的特點,識別方法,主要優(yōu)、缺點以及適用場合。表6-1各種多址方式的比較6.4通信衛(wèi)星的組成 6.4.1控制系統(tǒng)

1.位置控制

2.姿態(tài)控制 6.4.2入軌和推進系統(tǒng) 圖6-7是通信衛(wèi)星的組成方框圖。 靜止衛(wèi)星的軌道控制系統(tǒng)主要是由軸向和橫向兩個噴射推進系統(tǒng)構成的。軸向噴嘴是用來控制衛(wèi)星在緯度方向的漂移,橫向噴嘴是用來控制衛(wèi)星在經(jīng)度方向的漂移。

6.4.3天線系統(tǒng) 通信衛(wèi)星的天線系統(tǒng)包括通信天線和遙測指令天線，它是用來完成通信衛(wèi)星上所有信號的接收和發(fā)射任務的。由于它們裝在衛(wèi)星上,因此要求兩種天線體積小、重量輕、又便于在衛(wèi)星上組裝，且可靠性高,壽命長、增益高、波束永遠指向地球,為此,在自旋穩(wěn)定衛(wèi)星中,一般采用消旋天線。遙測指令天線通常使用全方向性天線。圖6-7通信衛(wèi)星的組成方框圖 6.4.4遙測指令系統(tǒng) 遙測指令系統(tǒng)分為兩部分:遙測部分和遙控指令部分。

1.遙測部分

2.遙控指令部分

6.4.5衛(wèi)星轉發(fā)器(通信系統(tǒng)) 1.單變頻轉發(fā)器 這種轉發(fā)器是先將輸入信號進行直接放大,然后變頻為下行頻率,經(jīng)功率放大后,通過天線轉發(fā)給地球站。圖6-8所示為單變頻轉發(fā)器的組成方框圖。

圖6-8單變頻轉發(fā)器 2.雙變頻轉發(fā)器 這種轉發(fā)器是先把接收信號變頻為中頻,經(jīng)限幅后,再變換為下行發(fā)射頻率,最后經(jīng)功放由天線發(fā)向地面站。圖6-9是雙變頻轉發(fā)器的組成方框圖。圖6-9雙變頻轉發(fā)器 3.處理轉發(fā)器 這種轉發(fā)器除了進行轉發(fā)信號外,還具有信號處理的功能。在數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,常采用處理式轉發(fā)器。圖6-10是處理轉發(fā)器的組成方框圖。圖6-10處理轉發(fā)器的組成 6.4.6電源系統(tǒng) 在通信衛(wèi)星中包含許多電子裝置和設備,它們都需要電源才能工作。通信衛(wèi)星的電源除要求體積小、重量輕、高可靠和高效率外,還要求能在長時間內(nèi)保證足夠的功率輸出。 通信衛(wèi)星的能源電源一般由太陽能電池來提供,輔助以原子能電池和化學電池。為了保證衛(wèi)星上的設備供電,在衛(wèi)星上特別設置了電源控制電路,在特定的情況下進行電源的控制。 6.4.7溫控分系統(tǒng) 通信衛(wèi)星里的設備都是在密閉的環(huán)境下工作的。電器設備工作,特別是本振設備,要求溫度恒定,因此就必須對星上溫度進行控制。衛(wèi)星上的溫度傳感器,隨時監(jiān)測衛(wèi)星的溫度并把信號送回監(jiān)測站,如果發(fā)生了異常,地面通過遙控指令進行控制,以恢復保持預定的溫度。6.5衛(wèi)星地面站

地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用有兩個,一是向衛(wèi)星發(fā)射信號;二是接收經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)的,來自其他地面站的信號。 如圖6-11所示,一個標準的地面站是由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、終端系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等六部分組成的。

圖6-11地面站系統(tǒng)的總體組成方框圖 6.5.1天線饋電系統(tǒng) 天線是地面站最具特色的設備,是地面站射頻信號的輸入和輸出通道,是決定地球站最大EIRP能力和品質(zhì)因數(shù)(G／T值)的關鍵設備之一。它具有以下幾個特點:發(fā)射和接收共用一副天線,高增益,低旁瓣以及低的天線接收噪聲溫度。 1.天線系統(tǒng)的主要技術要求

(1)高增益。

(2)低噪聲溫度。

(3)寬頻帶特性。

(4)旋轉性好。

(5)機械精度要高。 2.天線系統(tǒng)的主體設備 天線系統(tǒng)由天線主體設備、饋電設備和跟蹤設備三部分組成。

(1)天線主體設備。圖6-12是卡塞格倫天線的原理結構圖。圖6-12卡塞格倫天線結構示意圖 (2)饋電設備(饋線)。

(3)跟蹤設備。跟蹤方法主要有以下三種： ①手動跟蹤。 ②程序跟蹤。 ③自動跟蹤。

6.5.2地面站發(fā)射系統(tǒng)

1.大功率發(fā)射機分系統(tǒng)的組成及要求 在標準地面站中,要產(chǎn)生出幾百瓦甚至十幾千瓦的大功率微波信號向衛(wèi)星發(fā)射。同時,在FDMA情況下,有時一個地面站還要同時向其他多個地面站發(fā)射多個載波,所有這些任務都是由地面站大功率發(fā)射系統(tǒng)來完成的。地面站大功率發(fā)射系統(tǒng)的主要設備如圖6-13所示。圖6-13地面站大功率發(fā)射系統(tǒng)的組成

對大功率發(fā)射機分系統(tǒng)的主要要求如下: (1)輸出功率要大。

(2)寬頻帶。

(3)增益穩(wěn)定性要高。

(4)放大器線性要好。

2.大功率放大設備 下面分別介紹這兩種方式的工作原理。

(1)分別放大-合成方式。在這種方式中,各載波先用頻帶較窄的大功率微波管或濾波器放大設備分別放大(通常用大功率速調(diào)管完成這種任務),然后用混合連接波導或濾波器來合成各個載波,如圖6-14(a)所示。

(2)共同放大方式。

圖6-14輸出大功率放大方式示意圖(a)分別放大-合成方式；(b)共同放大方式

圖6-15是共同放大式大功率放大設備方框圖。圖6-15大功率放大設備方框圖

實現(xiàn)自動功率控制的方法很多,圖6-16所示是比較簡單的方法。圖6-16自動功率控制電路方框圖 6.5.3地面站接收系統(tǒng) 衛(wèi)星地面站接收系統(tǒng)的作用是從噪聲中接收來自衛(wèi)星轉發(fā)器的微弱信號。由于衛(wèi)星的重量受到限制,因此衛(wèi)星轉發(fā)器的發(fā)射功率一般只有幾瓦至幾十瓦,而衛(wèi)星上的通信天線的增益也不高,所以衛(wèi)星轉發(fā)器的有效全向輻射功率一般情況下比較小。

1.地面站接收系統(tǒng)的組成 圖6-17是地面站高靈敏接收系統(tǒng)主要設備的組成方框圖。圖6-17地面站高靈敏度接收系統(tǒng)主要設備的組成方框圖 2.主要技術要求

(1)噪聲溫度要低。

(2)工作頻帶要寬。

(3)其他要求。

3.低噪聲放大器 在微波頻段使用的低噪聲放大器主要是低噪聲晶體管放大器、場效應管放大器和參量放大器等。

4.下變頻器 經(jīng)低噪聲放大器放大的微波信號,需要到下變頻器變換成中頻信號,再經(jīng)過中頻放大后送到解調(diào)器去。地面站接收系統(tǒng)中的中頻,通常都是70MHz。 6.5.4信道終端系統(tǒng) 信道終端系統(tǒng)可以分為上行和下行兩部分,這兩部分都工作在70MHz中頻以下。

1.上行部分 上行部分即發(fā)端信道終端設備,它包括電話和電視兩個通道。

2.下行部分 信道終端設備下行部分的任務是把從低噪聲接收機送來的70MHz信號,經(jīng)過中放、解調(diào)和基帶處理后輸出基帶信號，然后送到終端接口設備,把基帶信號進行分解。 6.5.5通信控制系統(tǒng) 為使操作人員隨時掌握各種設備的運行狀態(tài),在設備有故障時迅速處理,以及有效地對設備進行維護管理,地面站需配置必要的監(jiān)測控制設備。

6.5.6電源系統(tǒng) 地面站電源系統(tǒng)要滿足整個衛(wèi)星地面站的所有設備所需的電能,特別是大型地面站(國際、國內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)站)。 (1)對于市電,一般都要求可由幾條線供電,或者由不停電的專網(wǎng)供電。

(2)應急電源設備,當市電發(fā)生重大事故或供電不足等情況時,在地球站特配兩臺全自動控制的并聯(lián)運用的柴油發(fā)電機,并輔助以高壓配電房和并聯(lián)控制等設備,以保證供電的充足。

(3)蓄電池,平時儲存穩(wěn)定的電能以備萬一停電或者補充電力不足。

(4)交流不間斷電源,這里主要指向地面站供電,特別是向大功率發(fā)射機提供定頻率、定電壓、不間斷的、穩(wěn)定性的電源設備。6.6衛(wèi)星通信的新技術 6.6.1VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

VSAT是VERYSMALL

APERTURE

TERMINAL的縮寫,直譯為“甚小孔徑終端”,意譯應是“甚小天線地球站”。

VSAT的迅速發(fā)展還得益于20世紀80年代計算機的大量普及和計算機聯(lián)網(wǎng)需求的大量增加。

VSAT系統(tǒng)工作在14~11GHz的Ku頻段以及C頻段。 1.VSAT系統(tǒng)的特點

(1)VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)是衛(wèi)星通信技術演變的產(chǎn)物,是一系列先進技術綜合運用的結果。

(2)波段擴展新技術(C波段、Ku波段)以及擴頻通信技術。

(3)有效的多址和復接技術,分組交換和通信協(xié)議標準化。

(4)天線小型化及高功率衛(wèi)星發(fā)展。

(5)VSAT的組網(wǎng)優(yōu)點有:成本低、體積小、易于安裝維護,不受地形的限制;組網(wǎng)方便,通信效率高;性能質(zhì)量好、可靠性高,通信容量自適應且擴容簡便等。 2.VSAT網(wǎng)絡結構 典型的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡主要由主站、衛(wèi)星和許多遠端小站(VSAT)三部分組成。從網(wǎng)絡結構上分為星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)三種,如圖6-18所示。 星形網(wǎng)又稱為衛(wèi)星通信的單(雙)跳形式,如圖6-18(a)所示。另外一種情況為雙跳方式,如圖6-18(b)所示。網(wǎng)狀網(wǎng)如圖6-18(c)所示。

圖6-18VSAT組網(wǎng)形式單跳形式的網(wǎng)絡；(b)混合形式的網(wǎng)絡；(c)全連接網(wǎng)形式的網(wǎng)絡 3.VSAT系統(tǒng)的多址方式 在VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,可以靈活地應用FDMA、TDMA、CDMA等幾種方式來實現(xiàn)組網(wǎng)。

1)SCPC方式

2)CDMA方式

3)TDMA方式 在這段數(shù)據(jù)后加上強有力的檢錯編碼(32bit),就構成了一個數(shù)據(jù)分組,如圖6-19所示。圖6-19P-ALOHA數(shù)據(jù)分組結構 (2)S-ALOHA。S-ALOHA是在前一種方式的基礎上,對發(fā)射時隙控制從地面站移到空中。

(3)SREJ-ALOHA系統(tǒng)。 這三種方式的比較如表6-2所示。表6-2三種ALOHA多址方式表示 4.VSAT網(wǎng)組成

VSAT通信網(wǎng)由VSAT小站、主站和衛(wèi)星轉發(fā)器組成。

1)主站 主站也叫中心站或中央站,是VSAT網(wǎng)的心臟。

2)VSAT小站

VSAT小站由小口徑天線、室外單元(ODU,OutDoorUnit)和室內(nèi)單元(IDU,InDoorUnit)組成。

3)衛(wèi)星轉發(fā)器 一般采用工作于C或Ku波段的同步衛(wèi)星透明轉發(fā)器。 5.VSAT系統(tǒng)的發(fā)展

VSAT系統(tǒng)主要在以下4個方面進行改進。

(1)降低成本和安裝費用。