卫星通信基础(二).doc

卫星通信基础（二）卫星通信的分类 / Classifications for satcom按照业务划分：固定卫星业务（FSS, Fixed Satellite Service） 广播卫星业务（BSS, Broadcasting Satellite Service） 移动卫星业务（MSS, Mobile Satellite Service）According to services types: FSS, Fixed Satellite Service, satcom service for fixed earth stations BSS, Broadcasting Satellite Service, broadcasting service for audio, video and data MSS, Mobile Satellite Service, communication service for mobile users按照工作频段划分：L频段，1-2GHz，移动通信、声音广播 S频段，2-3GHz，移动通信、图像广播 C频段，4-6GHz，固定通信、声音广播X频段，7-8GHz，固定通信（通常用于政府和军方业务）Ku频段，10-14GHz，固定通信、电视直播Ka频段，17-31GHz，固定通信、移动通信According to operational frequency bands: L-band, 1-2GHz, for mobile communication and audio broadcastingr S-band, 2-3GHz, for mobile communication and video broadcasting C-band, 4-6GHz, for fixed communication and audio broadcasting X-band, 7-8GHz, for fixed communication (especially for government and military service) Ku-band, 10-14GHz, for fixed communication and broadcasting Ka-band, 17-31GHz, for fixed and mobile communication按照轨道高度划分：低轨（LEO），轨道高度低于5000公里 中轨（MEO），轨道高度在5000到20000公里之间 高轨（HEO），轨道高度高于20000公里According to orbital altitude: LEO, Low Earth Orbit, lower than 5000 km MEO, Medium Earth Orbit, between 5000 and 20000 km HEO, High Earth Orbit, higher than 20000 km按照轨道类型划分：形状圆轨道与椭圆轨道 倾角赤道轨道、倾斜轨道、极轨道 对地静止轨道（GEO）在赤道平面上的圆轨道，轨道高度约为36000公里According to orbital types: Type: circle orbit and ellipse orbit Inclined angle: equator orbit, inclined orbit and polar orbit按照转发器类型划分：透明信道又称弯管式（bend pipe），不对收自地面的信号作解调处理，经过变频后直接转发回地面 星上处理对收自地面的信号作解调和交换处理、以及变频和波束选择后，再转发回地面 存储转发暂时存储收自地面的信号，在特定的时间和地点回传给地面，通常用于低轨小卫星According to transponder types: Transparent channel or bend pipe: frequency conversion and carrier transmission, without demodulate and other process On-broad processing: including carrier demodulation and switching, even beam exchange Store and transit: normally for LEO mini-satellite, the received signals will be stored temporarily, and then transmitted back to the earth at desired time and location常用工作频段 / 从地面发送上卫星的载波工作频段称为上行频段，从卫星向地面发送的载波工作频段称为下行频段。上行频段的工作频率通常高于下行频段。 固定卫星业务的常用工作频段： C频段上行5850-6425MHz，下行3725-4200MHz，上下行频率之差通常为2225MHzC扩展频段上行6425-6725MHz，下行3400-3700MHz，上下行频率之差通常为3025MHzKu频段在中国所在的ITU 3区，上行14.0-14.5GHz，下行12.25-12.75GHz，上下行频率差通常为1750或1748MHz ITU 3区的广播卫星业务常用工作频段：Ka频段上行，17.3-17.8GHzKu频段上行，14.5-14.8GHz（仅分配给部分国家） Ku频段下行，11.7-12.2GHz常用极化方式 / 电磁波辐射的电场矢量方向可按旋转或线性方式变化，对应的两种电磁波分别被称为圆极化波和线极化波。圆极化包含相互正交的左旋和右旋两种极化方式，线极化包含相互正交的水平和垂直两种极化方式。 在相同的频段同时使用水平和垂直（或者左旋和右旋）这两种相互正交的极化方式，被称为交叉极化频谱复用。采用交叉极化频谱复用方式的通信卫星可以双倍利用频谱资源。 地区性和国内通信卫星多采用双线极化复用方式。国际卫星组织的C频段转发器多采用双圆极化复用方式。 国际电联分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式。由于圆极化电波在穿越雨区时，更容易产生去极化效应，降低交叉极化隔离度。国际电联规定，广播卫星在经过协调后，也可以改用双线极化复用方式。频率极化计划与通信转发器 /由通信卫星的频率极化计划图可见，通信卫星的整个工作频段通常被分为多个子频段。每个子频段都由一套滤波、变频和放大电路构成独立的传输通道，相关的电路设备被称为通信转发器。C频段转发器的带宽通常为36MHz或72MHz，Ku频段转发器的带宽通常为54MHz或36MHz透明信道方式的通信转发器只对信号作滤波、变频和放大处理：（接收天线定向接收上行信号，低噪声放大器对上行信号进行预放大，）输入带通滤波器选择上行信号中的相关频率分量，混频器对信号作上行/下行频率转换，信道放大器用于调整转发器的增益，功率放大器对输出信号作功率放大，输出带通滤波器限制带外噪声对相邻转发器的影响，（发送天线定向发送下行信号。）分贝的概念 /卫星通信所用的放大倍数和传输损耗等的数值都很大，不便于用真数表示和比较。如果用以10为底的对数，即贝尔（Bel）表示时，又因单位过大而不很方便。常用单位为分贝（dB，decibel），即贝尔的1/10。采用对数后，还可以将乘除运算简化为加减运算。以分贝形式表示的计算单位有： 增益或损耗单位dB 功率关系，GdB= 10 log10(P1/ P2) 电压关系，GdB= 20 log10(V1/ V2) 电流关系，GdB= 20 log10(I1/ I2) 功率单位dBW或dBm 1W = 0dBW 1mW = 0dBm 0dBW = 30dBm带宽单位dBHz 1Hz = 0dBHz 1kHz = 30dBHz 1MHz = 60dBHz天线增益单位dBi 温度单位dBk，等等传输损耗 / 自由空间传输损耗的计算公式： Lf = (4pd/l)2 Lf = 10 lg (4pd/l)2= 20 lg (4pd/l) 上式中的l为信号的波长，即光速与信号频率的比值 l = c / f = 3 * 108/ f (m) 传输损耗与距离的平方成正比，传输损耗与信号频率的平方成正比。 当传输距离为3万6千公里时， 4GHz信号的自由空间传输损耗约为195.6dB 6GHz信号的自由空间传输损耗约为199.1dB 12GHz信号的自由空间传输损耗约为205.2dB 14GHz信号的自由空间传输损耗约为206.5dB面反射天线 /卫星通信采用定向天线聚集信号能量，克服超长距离传输带来的极大损耗。卫星通信地球站常用抛物面反射天线。通信广播卫星多采用抛物面结构的波束赋型天线。与全向天线相比，定向天线对信号能量的放大倍数为天线增益。天线增益与信号频率的平方成正比。抛物面反射天线的增益与天线口径的平方成正比。 天线增益随辐射球面的角坐标而变化的分布图为天线方向图。抛物面天线的方向图通常由一个主瓣和多个旁瓣构成。主瓣为圆柱状，旁瓣通常为环柱状。从主瓣、第一旁瓣、近旁瓣、远旁瓣、直到后瓣的天线增益，在总体上随偏轴角的增加而呈递减趋势。为了直观表示，本应由三维极坐标表示的天线方向图也可被分解为两个直角坐标图。直角坐标方向图的X轴为天线的方位角或者俯仰角，Y轴为对应于不同角度的天线增益值。赋型天线的方向图可用等值线图表示。 抛物面天线的主瓣波束宽度与信号频率、以及天线口径成反比。天线主瓣的半功率波束宽度（波束中心与天线增益从峰值下降3dB的偏轴方向的夹角）的估算公式为 HPBW = (35 to 36) l/D 为使增益分布能符合不同服务区的要求，卫星天线多采用赋型波束设计。赋型天线通常分为单反射面复合馈源、以及单馈源赋型反射面等两种设计方式。 转发器的主要参数 /卫星转发器的三个主要参数为G/T、SFD与EIRP。G/T和SFD反映卫星接收系统在其服务区内的性能，它们与卫星接收天线的增益分布线性相关。EIRP反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益分布线性相关。卫星天线增益随天线指向与工作频率而变。因此，转发器参数随服务区内的不同地点而变，同一地点的不同转发器参数也有差异。特定地点的转发器参数可从城市参数列表或等值线分布图中查到 。G/T为接收系统的品质因数（figure of merit）。它是接收天线增益G与接收系统噪声温度T之比值，单位为dB/k。G/T的计算公式为 G/T = GR TS式中的GR为卫星天线的接收增益，TS为卫星接收系统的噪声温度。饱和通量密度SFD为，当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。它反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为dBW/m2。SFD与G/T的关系为 SFD = constant + attn G/T 式中的constant为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100与-90之间，constant越小，转发器的增益就越高；attn为转发器的增益调整量，它可由地面遥控改变，用于调整SFD的灵敏度。用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器attn的当前设置值，并且据此对从图表查到的SFD数据作修正。 有效全向辐射功率EIRP为卫星转发器在指定方向上的辐射功率。它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为dBW。EIRP的计算公式为 EIRP = P Loss + GT式中的P为放大器的输出功率，Loss为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，GT为卫星天线的发送增益。由对比同一颗通信卫星的C频段EIRP分布图和Ku频段EIRP分布图可知，C频段转发器的服务区大，通常覆盖几乎所有的可见陆地，适用于远距离的国际或洲际业务；Ku频段转发器的服务区小，通常只覆盖一个大国或数个小国，只适用于国内业务。C频段转发器的EIRP通常为36到42dBW，G/T通常为-5到+1dB/k，地面天线的口径一般不小于1.8米；Ku频段转发器的EIRP通常为44到56dBW，G/T通常为-2到+8dB/k，地面天线口径有可能小于1米。另一方面，C频段因为电波传播通常不受气候条件的影响，适用于可靠性较高的业务；Ku频段转发器则因电波传播可能遭受降雨衰耗的影响，只适用于建网条件较差、天线尺寸和成本受限的业务。I/O关系曲线与功率回退 /卫星转发器通常采用行波管功率放大器。行波管放大器是一种非线性放大器，放大器输入功率与输出功率的关系可由I/O关系曲线表示。图中的纵坐标和横坐标分别为放大器的输出功率和输入功率。曲线的顶点对应于放大器的饱和输出功率。曲线从左至右可被大致分为三个区。左侧为线性区，输出功率和输入功率呈线性关系，最高点为放大器的线性工作点。线性工作点和饱和点之间为非线性区，输出功率的增幅低于输入功率的增幅。饱和点的右侧为过饱和区，输出功率将随输入功率的增大而下降。饱和输出功率与曲线上某个点的输出功率之差值为该功率点的输出回退值（OBO，Output Back-off），饱和输入功率与某个实际输入功率的差值为该功率点的输入回退