卫星通信地球站设备1

1、卫星通信地球站设备一、地球站的分类及组成1.1地球站的各类1.1.1卫星通信地球站可以按安装方式、传输信号特征、天线口径尺寸、设备规模及用途来分类：1、按安装方式：l 固定站l 可搬运站l 移动站2、按传输信号特征：l 模拟站l 数字站3、按业务性质：l 遥测、遥控、跟踪站l 通信业务站4、按用途分：l 民用通信站：公用站专用站l 军用通信站：战略通信站战术通信站l 卫星广播业务l 气象卫星l 航空、航海、导航l 科学实验另外还可以按工作频段、通信卫星类型、多址方式、天线口径等分类。目前国际上，通常地球站天线口径尺寸及G/T值的大小将地球站分为A、B、C、D、E、F、G、Z等各种类型见下表1：

2、表1：各类地球站的天线尺寸及性能指标类型地球站标准天线尺寸（米）最小G/T（dB/k）频段大型站A1518（原3032）35（原40.7）CC1214（原1518）37（原39）KuB111331.7C中型站F391029CE381034KuF27827CE25729Ku小型站F14.5522.7CE13.525KuD14.5522.7CVSATTVROG0.62.45.5C、Ku1.21116C、Ku国内Z0.6325.516C、Kul 其中A、B、C型站称为标准站，用于国际通信；l E和F又分为E1、E2、E3和F1、F2、F3等类型，主要用于国内通信。其中E2、E3和F2、F3又称为中型

3、站。E1、F1称为小型站。1.1.2VSAT地球站的分类1、按安装方式固定、可搬、车载、机载、船载、背负式、手提式等站。2、按网络结构星状、网状、星状网状混合结构。3、按收发方式单收站、单发站、双向站。4、按业务性质固定业务和移动业务。5、按支持的主要业务类型分话音VSAT站、数据VSAT站、综合VSAT站。其它的还有按工作频段分（L波段、C波段、Ku波段等）、多址方式（FDMA、TDMA、CDMA、SDMA等）。1.2地球站的组成一般的卫星通信地球站，尽管对于不同的通信体制，地球站的组成不尽相同。但其基本组成一般包括：天线分系统、发射分系统、接收分系统、信道终端设备、遥测跟踪、监控分系统、伺

4、服跟踪分系统和电源分系统。1.2.1VSAT地球站设备组成VSAT卫星通信网由卫星转发器、主站（中心站）和远端小站三部分组成。1）主站的设备组成：见图1：主站设备连接方框图。l 这是我们为中国机械进出口总公司海外VSAT卫星通信系统所做的技术方案的主站设备构成。该系统的主站设在中石油通信公司（固安）、远端小站8座，设在刚果（布）。该系统工作在扩展C波段（即上行频率为64256725MHz，下行频率为34003700MHz），拟租用泛美8通信卫星（68.5°E）。l 主站设备由三部分组成：天线、ODU、IDU（还有网管）。OMT双工器（正交模转换器、正交模耦合器、极化分离器）收发共用天

5、线要使用双工器。HPA高功率放大器BoosterHPA放大器的激励级BUC（Block UPCoverter）上变频器块LNB（lew noise amplifier Dwon Coverter Block）低噪声放大及下变频器。l ODU和IDU使用了三个不同厂家的设备ODU采用的万康公司提供的美国mitec公司的设备IDU有德国诺达公司的IDU5000室内单元。以及Comtec公司的卫星调制解调器（570L）。l 主站设备组成的特点：上、下变频器采用一次变频。中频为L波段（发：9501525MHz、收：9501700MHz） 主站为多载波工作（将来是）目前是单载波工作，由IDU5000发射

6、一个大载波，接收也是同一个大载波满足刚果（布）项目的8个小站的通信。 10 MHz参考信号和LNB的直流供电由不同的室内单元供给，诺达公司室内单元IDU5000分别对发信和收信支路提供10 MHz参考信号。由570LMODEM对发信支路的BUC提供直流24V供电并对LNB提供直流24V供电。功放则由室内的交流电源供电并在Booster内，经交直流变换后提供功放所需的直流电压。 在室内单元分为两个系统一个是IDU5000为TDMA体制的系统。此系统为网状网，有网管设备对该系统进行监视控制管理。另一个系统则是由570L调制解调器构成。它是一个TDM/MCPC体制的系统，是个星形网，固定预分配的系统

7、。（570L有其特点，即它采用了Turbo纠错编码）。这两个系统共用室外单元ODU和天馈系统。2、远端小站设备组成见远端小站设备连接方框图图2l ODU由万康公司提供的澳大利亚的Coden公司的设备；l IDU则由德国诺达公司SKYwanODU2500室内单元；l 小站设备由三部分组成：天馈系统、ODU、IDU；l 上、下变频均为一次变频，中频为L波段；l 小站发射一个载波（TDMA大载波），接收一个载波（与发射的TDMA为同一个载波）；l IRD电视接收机（接收泛美4号星的中央第4套、第9套节目）；l 由IRD向LNB提供直流24V电源；l IDU2500向收、发支路提供10MHz参考信号；

8、l BUC由室内交流电源提供供电。注：将来在远端可以配置以570L调制解调器作为室内单元再配以扩展C波段的天线和ODU，构成星形网的的远端小站。二、地球站的天馈系统2.1天线的功能与分类2.1.1天线的功能1）把发送设备产生的大功率微波信号以电磁波的形式向卫星辐射。2）接收卫星转发器的微波信号，并把它送至接收设备的第一级低噪声放大器中。3）要使天线始终对准卫星方向（采用伺服跟踪系统）。2.1.2天线的分类卫星通信一般采用面天线，所谓面天线，就是具有初级馈源并由反射面形成次级辐射场的天线。面天线主要包括单反射面天线和双反射面天线两大类。其主要类型如下：1）前馈式抛物面天线（单反射面）由馈源喇叭和

9、主反射抛物面组成如图2A。由位于焦点处馈源发出的球面波经抛物面反射后变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束，这种天线早期用过，由于馈源的阻挡，效率较低，现已不用。2）偏馈（偏置）抛物面天线（单反射面天线）它实质上是切割抛物面部分曲面，在焦点处放置馈源喇叭，使其仅对偏置反射面照射。图如2b，由于馈源偏离视轴，不产生阻挡，故可提高效率，降低副瓣。是VSAT小型地球站理想的天线。比如，Ku波段1.2米天线和1.8米天线均采用此种天线。3）卡塞格伦天线（双反射面天线）利用后凸双曲面和抛物面而形成的双反射面天线。如图2c所示。由馈源喇叭对副反射面（双曲面）照射，再由副反射面再对主反射面（抛物面）

10、照射形成平面波束。这种天线口径利用系数高，从而提高了天线的效率。这是大、中型卫星通信地面站，不论C波段还是Ku波段，均采用此类天线。（属后馈式天线）。4）环焦天线（双反射面天线）环焦天线又称偏焦轴天线。其特点是作为主反射面的焦点不是一个点而是副反射面前的一个焦环，如图2d所示，它克服了馈源喇叭直接照射副反射面产生驻波的缺点。并减少了副反射面遮挡的影响，提高了效率，降低了副瓣电平。适用于VSAT小型地面站及电视单收站。图2a：前馈抛物面天线图2b:偏馈抛物面天线图2c：卡塞格伦天线图2d：环焦天线2.2天线的构成1）天线的组成以卡塞格伦天线为例，它是由主反射面、副反射面、馈源喇叭（初级辐射器、或

11、一次辐射器）、双工器、座架、驱动装置。（对于大型天线有同服跟踪系统）等组成。一般6米以下天线不需要自动跟踪系统。67米天线可用可不用。8米以上天线需要自动跟踪系统。天线的驱动方式：人工、电动、自动三种方式。2）双工器（1）关于极化在介绍双工器之前，先来介绍关于极化的基本概念。什么是极化、什么是线极化、什么是园极化？l 什么是极化表征均匀平面波的电场矢量在空间指向的变化。它是通过电场矢量末端的轨迹来具体说明。光学上称之为偏振。按电场矢量轨迹的特点极化分为线极化、园极化、椭园极化三种。l 什么是线极化、园极化、椭园极化？当电场矢量末端的轨迹在垂直于电磁波传播方向的垂直平面上的投影是一条直线时，称为

12、线极化波。当投影是园时，为园极化波，投影为椭园时为椭园极化波。级极化分为垂直极化和水平极化。园极化分左旋园极化和右旋园极化，向传播方向看过去电场矢量顺时针旋转的称为右旋园极化。逆时针旋转的称为左旋园极化。l 线极化、园极化、椭园极化波之间的关系。空间传播的电磁波常为椭园极化波。即瞬时电场的大小和方向随时间变化，其矢量轨迹为椭园形，椭园的长轴与短轴之比定义为轴比。当轴比为1时变为园极化波，当轴比为无限大时，椭园极化波变为线极化波。因此，线、园极化波是椭园极化波的特例。任一椭园极化波都可以分解为两个极化方向互相垂直的直线极化波的叠加。任一直线极化波也可以分解为两个振幅相等但旋转方向相反的园极化波的

13、叠加。任一园极化波可分解为两个振幅相等，相位差90°（或270°）的两个线极化波。l 园极化和线极化波的相互转化通过微波移相器可将园极化波转换为线极化波，也可将线极化波转换为园极化波。（2）双工器：对于区域或国内卫星通信通常采用线极化天线（对于国际卫星通信通常采用园极化天线）。而线极化天线所用的双工器又称为OMT（Oithomode tiansduser），OMT又叫做正交模转换器或正交模耦合器。OMT的作用是用于收发共用天线来分离收发信号的。其结构见图2e所示。OMT有三个端口，若端口1输入垂直线极化波，端口2输入水平线极化波，则从端口3将输出两个互相垂直的线极化波。相互

14、垂直的两个线极化波之间无能量耦合，传输互不影响。根据图中的结构，端口1、2是相互隔离的，故端口1的电磁波不会传到端口2云，反之亦然。按照互易原理，若端口3输入两个互相垂直的线极化波，它们将分别从端口1和端口2输出。在端口1接发射机，端口2接入接收机，端口3接天线的馈源喇叭，这样就构成了卫星通信天线的双工器。发射信号（端口1）不会传至接收机（端口2），而是传送给天线（设发信信号为垂直极化波），而从天线接收来的水平极化波只能传送至端口2（接收机），而不能传送至端口1（发射机），起到了收发分离的作用。通常为了增大收发信的隔离度，在OMT的收信支路还要安装一个发信带阻滤波器，以便进一步抑制发信号进入收

15、信机（LNB）。一般该滤波器提供55dB的阻带，加上交叉极化隔离30dB，收发总的隔离度可达到85dB。2.3天线的主要性指标天线的主要电气性参数有：天线口径、工作频段、天线增益、方向性图、极化隔离度、天线的噪声温度、极化方式。1）天线增益l 定义在输入功率相等的条件下，实际天线与各向均匀辐射的理想点源天线，在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。l 增益的计算公式G(D/)2 =(Df/C)2 G 天线增益 天线线效率（一般在50%-70%）D 天线的直径 工作波长（f-工作频率）C 光速通常天线增益以分贝（dBi）表示G=10lg(D/)22) 天线方向性图l 定义以天线的焦点为原点在各个

16、方向上辐射的强度。用以说明辐射场在主轴方向上的集中程度，或非主轴方向的抑制程度。通常方向性图仅在某一平面内测量，得到平面方向图，如E面、H面方向图或水平面、垂直面方向图。l 主瓣和旁瓣(见图2F)最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其余称为旁瓣，有第一旁瓣、第二旁瓣离主瓣180°的旁瓣称为后瓣。主瓣越尖锐，则方向性越好。旁瓣会对卫星通信系统产生干扰，因此旁瓣的抑制是天线的重要指标。l 波束宽度（波瓣宽度）波束宽度又称主瓣宽度，又称半功率波束宽度（指方向图主瓣最大功率下降3dB处的夹角）波束宽度：2°0.5=(58°- 80°) /D例：4.5米天线：C波段2&#

17、176;0.8°（发射）Ku波段2°0.32°（发射）3米天线：C波段：1.1°（发射）Ku波段：0.44°（发射）l 天线发射旁瓣方向图指标第一旁瓣的功率必须比主瓣小14dB以上；旁瓣峰值超过下式所确定的包络线的旁瓣数目不能多于总旁瓣数的10%。G29-25lg 10°20°G 旁瓣的增益 主波束最大值（中心轴）与旁瓣的夹角，以度计3）天线噪声温度l 进入天线的噪声主要有二种：银河系的宇宙噪声和来自大地、大气的热噪声。l C波段主要是大地、大气的热噪声l 同一天线尺寸，仰角越低，天线热噪声越大（因为信号穿过大气层的厚度越大

18、，大气噪声越强）。一般天线的仰角要大于10°l 同一仰角时，天线越大，天线噪声温度越低举例：天线仰角4.5米天线3米天线4.5米天线3米天线C波段C波段Ku波段Ku波段5°40°K41°71°K65°10°29°K28.5°55°K51°20°23°K24.7°47°K44°30°19°K23.7°45°K42°4) 极化隔离度用交叉极化鉴别度XPD来衡量极化的纯度。XPD=10lg（主

19、极化分量的功率/交叉极化分量的功率 ）dB2.4 调整天线对星调整天线对星的三大参数是：方位角、仰角、极化角。方位角和仰角的调整是通过调整天线来进行的，而极化角的调整则是旋转馈源的双工器来进行极化匹配的。1、方位角方位角是以真北为参考点，沿顺时针开始计算的角度（0°180°）下面是以正南为基准进行方位角的计算。方位角的计算A=arctg【tg(s-g)/sin】s 卫星（星下点）经度g 地球站的经度 地球站的纬度l 方位角的调整：首先用指南针找到正南方，使天线方向正对南方，如果计算的方位角A是负值，则将天线向正南偏西转动A度。2、仰角：地球站主瓣的中心线与地面水平线形成的夹

20、角（0°90°）l 仰角的计算公式H=arctg（cos(s-g).cos-0.5127/1-【cos(s-g)cos】2½H 仰角s 卫星（星下点）经度g 地球站的经度 地球站的纬度l 仰角的调整：最好用量角器加上一个垂针作成的仰角调整专用工具。调整顺序：先调整好仰角，再调整方位角。3、极化角：国内和区域卫星通信一般均采用线极化，线极化分为水平极化和垂直极化。（水平极化以/符号表示，垂直极化用表示）l 天线极化的定义以地球站的地平面为基准，天线馈源的双工器的矩形波导管口窄边平行于地平面（电场矢量平行于地平面），则为水平极化。窄边垂直于地平面，则为垂直极化，如下图

21、E 垂直E 水平地平线E 水平E 垂直图：水平与垂直极化波极化角的计算方式：P=arctg【sin(s-g)/tg】P 极化角s 卫星（星下点）经度g 地球站的经度 地球站的纬度l 极化角的调整先计算出极化角的数值，其值有三种情况P0：极化角为零（当卫星经度与地球站经度一致时），不需要再旋转双工器，是水平极化就调到水平极化（或垂直极化）。P0：当卫星经度小于地球站经度时，极化角得负值（此时的方位角是正南偏西），对于前馈天线，逆时针旋转双工器P角度。对于后馈天线则顺时针旋转双工器以P角度。P：当卫星经度大于地球站经度时，极化角P得正值。（天线的方位角应是正南偏东），对于前馈天线，将双工器顺时针旋

22、转以P角度（站在天线前）对于后馈天线，将双工器逆时针旋转以P角度（站在天线后）。l 对星的实际调整：（可分两步）粗调按所计算的方位角、仰角来调整天线的指向，按计算的极化角旋转双工器旋转的角度。细调用频谱仪，或电视卫星接收机中的信号强度指示进行调整。l 方位角、仰角、极化角计算举例以北京为例：（东径116.46°，北纬39.92°）卫星经度方位角仰角极化角亚太R76.5°E南偏西52.55°28.35°37.51°鑫诺1号110.5°E南偏西9.24°43.4°7.07°三、室外单元（上、下变频器

23、）上变频器将中频信号变换成射频信号称为上变频器。下变频器将射频信号变换成中频信号称为下变频器。1、变频器应具备的特性：1）低交调失真为适应多载波工作应有足够好的交调指标。2）频率可变性在卫星转发器所覆盖的500MHz带宽内，应能任意变换工作频率。3）高频率稳定度4）低的相位噪声对数字载波而言，必须有低的相位噪声。2、变频器的工作原理变频器由混频器和本地振荡器所组成。混频器是将两个输入信号频率进行加、减运算的电路。l 工作原理：混频器由非线性器件和带通滤波器组成。由于混频器是非线性器件，当输入二个频率时（中频信号和本振频率）其输出，除这两个基波信号外，还会产生新的频率分量：二个输入信号的各次谐波

24、以及各种组合频率，组合频率中最主要的是二个输入频率的和频与差频。其中和频或差频是我们所需要，一般上变频取和频。因此用带通滤波器让和频的频率通过其余的的有频率分量被抑制。因此变频器起到了频谱搬移的作用。3、变频方式：上、下变器的变频方式有一次变频和二次变频1）两次变频方式我们以C波段为例a）上变频器b)下变频器l 上变频器各级频率的关系是：第一中频：70MHz±18MHz（固定频率）第一本振频率：1112.5 MHz（固定频率）第二中频频率：1182.5 MHz（取和频）固定频率第二本振频率：（可变频率）4742.55242.5 MHz产生发射的RF信号频率：59256425 MHzl

25、 下变频器各级频率的关系是：RF输入信号频率：37004200 MHz第一本振频率：（可变频率）4742.55242.5 MHz第一中频频率：1042.5 MHz（固定频率）取差频第二本振频率：（固定频率）1112.5 MHz第二中频频率：70 MHzl 本振频率合成器（或本振频率综合器）固定频率合成器产生固定频率112.5 MHz作为第一上变频器和第二下变频器的本振信号。可变频率合成器产生4742.55242.5 MHz本振信号作为第二上变频器和LNB的本振信号。两个频率合成器的参考频率源是10MHz高频率稳定度的晶体振荡器。2）一次变频l 各级频率关系：来自调制解调器的可变L波段频率：95

26、01450 MHz本振频率为4975 MHz固定频率产生C波段发射的RF频率：59256425MHz（取和频）b)下变频器（框图如下）l 各级频率关系接收RF输入信号：37004200MHz固定本振频率：5150 MHz产生L波段中频（可变）：9501450 MHz四、卫星信道编码与调制技术1、卫星信道编码技术数字信号在传输中，往往由于各种原因，使得传输的数据流中产生误码。因此降低误码率是信道编码（纠错编码）的基本任务。其本质是增加通信的可靠性。信道编码的过程是在源数据流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。当然加插的这些码元（称为开销）会降低有用的信息速率。1）编码调制方案应

27、考虑的因素差错概率 频谱利用率（Rs/w）。Rs信息速率，W带宽。 功率效率（为达到某误码性能Pe值所要求的Eb/No值 复杂度2）常用的纠错编码方式卷积编码（维特比译码）l 卷积编码的编码效率1/2、2/3、3/4、5/6、7/8l 适合于纠随机差错RS编码（里德所罗门编码）l 截短的RS码（204、188）它是线性分组码，开销是16个字节其编码效率为188/204l 适合于纠突发差错，纠突发差错的长度最大8个字节。Turbo编码93年诞生的Turbo码，它是由两个递归系统的卷积码利用交织器把它们并并行级联构成。由于它不需要二次编码，其编码效率比传统的RS码卷积码要好。 级联码：l RS码（

28、外码）卷积码（内码），采用维特比译码，l RS码（外码）TCM（内码）格状编码l LDPC码（低密度奇偶校验码，外码）Turbo码（内码）2、卫星信道的调制技术卫星信道的心脏是调制解调器，卫星系统的性能主要取决于使用的调制解调和滤波方法。系统的频谱效率，需要的功率、天线的尺寸，以至整个性能都明显地受到调制解调器的影响。1）对调制解调的基本要求l 有较高的功率利用率（功率效率）为达到一定的BER所需的Eb/No（比特能量/噪声功率谱密度，又称为归一化信噪比或能量信噪比）要求在一定的Eb/No条件下，BER低的调制方式，以节省卫星功率。l 有较高的频谱效率频谱效率指1Hz系统带宽所传输的信息速率（

29、单位：bit/s/Hz）。2) 常用的调制解调方式鉴于卫星通信信道的非线性，而要求采用恒包络调制，主要采用的是MPSK。M值越大频谱利用率越高，同时对功率的要求也越高。其中QPSK的频谱效率是BPSK的二倍。二者的功率利用率都是最高的。因此目前QPSK是卫星通信中主要的调制方式之一。随着卫星和地球站功放线性化水平的提高和数字调制技术的进步，将来也会采用频谱利用率更高的高阶调制方式如8psk，16QAM、32QAM、OFDM、和TCM等。各类调制的频谱效率：BPSK：1bit/s/HzQPSK：2 bit/s/Hz8PSK：3 bit/s/Hz16QAM：4 bit/s/Hz功率效率比较调制方式Eb/No（在BER10-3）QPSK6.9dB(3/4FEC)8-PSK 9.3dB(3/4FEC)16-QA