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卫星通信培训班 培训内容卫星通信的基本原理常用的卫星通信方式简介系统组成及MODEM的功能简介上下变频器的原理及功能简介高功率放大器的原理及功能简介天线及伺服系统的原理及功能简介 卫星通信的基本原理 什么是卫星通信 卫星通信 简单地说 就是地球上 包括地面 水面和低层大气中 无线电通信站之间利用人造卫星作中继站而进行的通信 它覆盖面积大 不受地理条件的限制 通信频带宽 容量大 机动灵活 因而在国际和国内通信领域中 成为不可缺少的通信手段 卫星通信示意图 卫星通信系统的分类 卫星通信系统的分类 卫星通信系统的分类 卫星通信发展概况 1945年 英国的阿瑟 克拉克在 无线电杂志 上发表了 地球外的中继站 一文 最先对利用静止卫星进行通信提出了科学的设想 卫星通信的发展过程 大致经历了两个阶段 1 卫星通信的实验阶段 1954 1964 A 无源卫星通信实验 B 有源卫星通信实验 i 低轨道迟延式实验通信卫星 Ii 中 高度轨道实验通信卫星 Iii同步轨道实验通信卫星 2 卫星通信的实用与提高阶段 1965 卫星通信的基本原理 静止卫星 如果卫星的轨道是圆形且在赤道轨道上 卫星离地面约35860km时 其飞行的方向与地球自转的方向相同 则从地面上任何一点看去 卫星都是 静止 不动的 这种对地静止的同步卫星简称为静止卫星 利用静止卫星作为中继站的通信系统 称为静止卫星通信系统 地球卫星的轨道 卫星通信的特点 1 通信范围大 三颗同步卫星即可覆盖全球 除两极外 只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内 从任何两点之间都可进行通信 2 不易受陆地灾害的影响 可靠性高 3 只要设置地球站 电路即可开通 开通电路迅速 4 同时可在多处接收 能经济地实现广播 多址通信 多址特点 5 电路设置非常灵活 可随时分散过于集中的话务量 6 同一信道可用于不同方向或不同区间 多址联接 卫星通信频段和频率再用 适用于宇宙通信的频段为1GHZ 10GHZ 这频段一般称为无线电窗口 根据无线电规则分配的频率 目前大多数卫星固定业务使用6 4GHZ频段 C频段 同时 因采用了相应的降雨补偿措施 14 12GHZ频段 Ku频段 也开始使用 目前 一些国家和国际组织也在加紧Ka频段 30 20GHZ 的开发与利用 卫星通信频段 卫星通信频段 C频段 上行频率 5925 6425MHZ下行频率 3700 4200MHZ带宽 500MKu频段 上行频率 14 0 14 5GHZ下行频率 10 95 11 20GHZ11 45 11 70GHZ带宽 500M 影响静止卫星通信的因素 摄动 在地球卫星轨道上运行的卫星除了受到地球的引力 还受到其他一些次要因素的影响 使卫星实际的运行轨道逐渐偏离确定的理想运行轨道 这就是所谓的摄动 其他原因 如地球引力的不均匀 地球大气层的阻力和太阳辐射压力等 影响静止卫星通信的因素 星蚀 在每年的春分和秋分前后各23天中 静止卫星和地心的连线在地球表面的交点 称为星下点 进入当地的午夜时间前后 太阳 地球和卫星处在一条直线上 此时卫星进入地球的阴影区 即地球挡住了照射到太阳上的阳光 发生了卫星的日蚀 这就是星蚀 静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理 影响静止卫星通信的因素 日凌中断 每年春分和秋分前后 在静止卫星星下点进入当地中午前后的一段时间里 卫星处于太阳与地球之间 地球站天线在对准卫星的同时也会对准太阳 这时强大的太阳噪声使通信无法进行 这种现象通常称为日凌中断 静止卫星发生星蚀和日凌中断的原理 影响静止卫星通信的因素 圆形倾斜轨道同步卫星视在位置的日漂移 影响静止卫星通信的因素 轨道平面的倾斜效应和位置控制当静止卫星因某种原因发生相对于赤道平面向上或向下一个固定的偏离值时 必然形成卫星轨道的倾角不为0 于是卫星的视在位置或星下点就不再固定 这就是所谓的倾斜效应 由于倾斜效应的存在 同步卫星的视在位置和星下点的每日漂移轨迹就成为一个两圈高 宽不等的 8 字形 卫星通信的传输时延和回波干扰 时延 指信号在传输过程中所产生的时间延迟 单跳 任意两个在同一卫星覆盖区域内的地球站经静止卫星一次转接的通信为单跳 传输时间为0 54s卫星通信的缺点之一是 传输时延大 传输时延大会产生2个问题 1 传输电话信号时 会使双方通话重叠而使通话者觉得很不习惯 2 会出现回波干扰 回波的抑制和抵消 回波抑制器回波抵消器 通信卫星系统的组成 主要由控制分系统 通信分系统 遥测指令分系统 电源分系统 和温控分系统组成 通信分系统由天线和转发器两大部分 通信天线分为三种 覆球波束天线 点波束天线 赋形波束天线 通信卫星系统的组成 转发器装在卫星上的收 发系统称为转发器 它的作用是 接受由各地面站发来的信号 经变换频率和放大后 再发给各收端站 它主要是由天线 接收设备 发射设备和双工器组成 卫星通信的频率再用 波束分割频率再用 利用卫星上不同波束方向的天线 实现频率再用 比如采用所谓半球波束 分别服务于东 西两个覆盖区 或采用所谓区域波束 分别服务于不同区域 极化分割频率再用 利用两个相互正交的极化波在同一频率 同一时间传送两组独立的信号 相互之间没有干扰 不同覆盖区域内的两个正交极化波的利用 可实现双重频率再用 卫星通信的应用领域 国家公众通信电视广播海事气象国防信息高速公路远程医疗电子商务金融远程教育电视会议电脑直联政府上网工程农村电话 我国的通信卫星 1984年4月8号 我国发射第一颗实验静止通信卫星 1986年2月1日 我国发射成功第一颗实用静止通信卫星 1988年 1990年 我国相继发生3颗经过改进的实用通信卫星 分别定点于87 5度E 110 5度E 98度E的赤道上空 87 5度E称为中卫一号 卫星通信系统的组成 地面站基本地球站系统 卫星通信的主要技术简介 调制解调技术 通常把用高频信号去携带低频信号的过程叫调制 其反过程叫解调 调制分为 模拟调制和数字调制 目前所采用的调制方式一般为数字调制方式 基本类型分为幅度调制 相位调制和频率调制3种 卫星通信的主要技术简介 调幅 即幅度调制 这种调制方式使载波 被调制的波 的幅度随着信息信号幅度的变化而变化 从而达到传送信息的目的 调频 即频率调制 它使载波 被调制的波 的频率随着信息信号频率的变化而变化 调相 即相位调制 它使载波 被调制的波 的幅度保持不变 而它的相位随着信息信号幅度的变化而变化 卫星通信的主要技术简介 卫星通信的主要技术简介 数字卫星通信的基本调制方式是移幅键控 ASK 相移键控 PSK 和频移键控 FSK 在数字通信中 目前多采用移相键控 PSK 调制方式 卫星通信的主要技术简介 QPSK调制 四相相对移相调制利用载波的四种不同的相位变化 01 4 00 3 4 10 5 4和11 7 4 来表征数字信息 调制的产生办法 调相法相位选择法OK QPSK 理想的QPSK调制方式 它是使已调载波的最大相位变化为 2的一种调制方式 MSK调制方式 最小相移键控方式 卫星通信的主要技术简介 差错控制及扰码差错控制技术 自动要求重发 ARQ 前向纠错 FEC 前向纠错技术分为两类 分组码 BCH码卷积码 分为代数译码和概率译码概率译码 维特比译码和序列译码维特比译码 计算速度快 设备简单 卫星通信的主要技术简介 多路复用 是在同一电信传输系统中传送多路信号的一项技术 它的基本方法是使多路信号在进入同一条线路传送之前 使之互不干扰 目前用的多路复用方式有频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 码分多路复用 CDM 和空分多路复用 SDM 方式 卫星通信的主要技术简介 扰码就是作有规律的随机化处理后的信码 作用 1 减少连 0 或连 1 长度 保证接收机能提取到位定时信号 2 使加扰后的信号频谱更能适合基带传输 3 保密通信需要 卫星通信的主要技术简介 频分多路复用 FDM 用 频率分割 方法实现的多路复用 时分多路复用 TDM 用 时间分割 方法实现的多路复用 码分多路复用 CDM 利用各路信号码型结构的正交性而实现的多路复用 空分多路复用 SDM 在传输空间上实现多路复用 卫星通信的主要技术简介 所谓多址技术 指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质 实现各用户之间通信的技术 多址技术与信道复用相比 它们都是利用一条信道 卫星通信线路 同时传输多个信号 其不同点在于多路复用是群频 基带 信道的复用 多址通信则是射频信道的复用 多址方式分为频分多址方式 FDMA 时分多址方式 TDMA 码分多址方式 CDMA 及空分多址方式 SDMA 卫星通信的主要技术简介 频分多址 FDMA 方式 不同的站占用不同频率的信道进行通信 早期的移动通信多使用这种方式 频分多址方式是按频率把各地面站发射的信号 配置在指定的卫星频带内 而它们的频谱排列是互不重叠的 换句话说 就是按频率区分站址 优点 建立通信线路较为方便 缺点 存在交调干扰 交叉调制干扰 交调干扰 放大器件在同时放大多个不同频率的载波信号时 由于输入 输出的非线性和调幅 调相转换的非线性 都会在输出信号中产生多种组合频率成分 当这些组合频率与信号频率重合或部分重合时 就会产生干扰噪声 即交调干扰 卫星通信的主要技术简介 时分多址 TDMA 方式 系统内的用户共同使用一个信道 但占用的时间不同 所以相互之间不会产生干扰 时分多址方式就是各地面站发射的信号在通过转发器时是按时间排列的 即各站信号所占时隙互不重叠 由于这种方式是按时间分割信号的 因而分给每一地面站的不再是规定的载波频率 而是一个指定的时隙 换句话说 各地面站的信号只是在规定的时隙内通过转发器 因此 任何一个时间都只有一个地面站的载波通过转发器 卫星通信的主要技术简介 码分多址 CDMA 方式 给共用一个信道的每个站都分配一个独特的 码序列 各用户依靠它来区分 所谓码分多址方式 它的特点是各地面站所发的信号常常占用转发器的全部频带 而发射时间是任意的 因此 各站所发信号在时间上 频带上都可能是重叠的 这种多址方式分离信号的基本概念是利用码型 或波型 的正交性来实现信号分割的 卫星通信的主要技术简介 空分多址 SDMA 方式 利用空间分割来构成不同信道的技术 所谓空分多址方式 是在卫星上装有多副天线 它们的波束分别指向地球上各个区域的地面站 利用天线的方向性来分割各站信号 这时 各区域的地面站发出的信号在空间上互不重叠 即使不同区域的地面站在同一时间 用相同的频率工作 也不会互相干扰 因此 可容纳更多的用户 起到了频率再用的作用 当然 这时要求天线的指向性十分正确 否则达不到上述目的 卫星通信的主要技术简介 编码与解码 编码 指用二进制的数字代码来表示信息 在数字通信中 编码指用一组组二进制的数字代码 来表示一个个模拟信号抽样值的过程 即把模拟信号转化为数字代码的过程 解码 又叫 译码 指把二进制数字信号还原为模拟信号的过程 卫星通信的主要技术简介 将模拟信号转换成数字代码进行传输 交换和处理 也就是实现通信的数字化 主要有以下优点 1 抗干扰能力强 能保证较好的通信质量 2 传输距离可以无限延长 3 可以实现各种通信业务的综合传送 4 便于通信和计算机的融合 5 便于实现保密通信 卫星通信地球站设备简介 地面站技术指标 载噪比 接收系统输入端的载波功率与噪声功率之比值 是决定一条卫星通信线路传输质量的最主要指标 信噪比 系统输出端的信号功率与噪声功率之比 Eb No 天线的增益G 指在输入功率相等的条件下 实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比 自由空间传播损耗 是指在自由空间 一个无损耗的各向同性辐射源到与其路径长度相等的距离处的理论损耗 卫星通信地球站设备简介 地面站技术指标 有效全向辐射功率EIRP 是地球站或卫星的天线发送出的功率 P 和该天线增益 G 的乘积 表示了发送功率和天线增益的联合效果 等效输入噪声温度Te 它是把网络内部产生的噪声折算到网络输入端 并用噪声温度来表示 它是度量网络内部噪声的一个参数品质因数G T值 是衡量一个地球站接收性能好坏的重要指标 其定义为 G T 天线接收增益 系统噪声温度 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线设备由天线 馈线和跟踪系统三个部分组成 功能 有效地使发射功率转换成电磁能量 并发射到空间去 同时也将空间接收到极为微弱的电磁波能量有效地转换为同频信号的高频功率馈送给接收机 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线的种类 标准卡塞格伦天线 如图所示 主面为旋转抛物面 付面为旋转双曲面 抛物面的焦点与双曲面的虚焦点重合 双曲面的实焦点与馈源的相位中心重合 并三点共轴 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线的种类 标准格利高利天线 如图所示 主面为旋转抛物面 付面为旋转椭圆面 椭圆面的一焦点与旋转抛物面焦点重和 椭圆面的另一个焦点与馈源的相位中心重合 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线的种类 偏置前馈天线 如图所示 主面为抛物面天线的一部分 此天线由于无遮挡 天线的付瓣低 由于对称性差 故交叉极化较差 常用于ku频段作为TVRO天线或用于数据通信天线 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线的种类 标准环焦天线 主面为偏轴旋转抛物面 副面为组合旋转椭圆面 旋转抛物面的焦点为一圆环 故为环焦天线 椭圆面焦点与喇叭相位中心重合 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线系统的技术参数 1 工作频率C BANDRx3700 4200MHz3625 4200MHz3400 4200MHzTx5925 6425MHz5850 6425MHz5850 6650MHzKu BANDRx11 2 11 7GHz12 2 12 7GHz10 95 11 50GHzTx14 0 14 5GHz14 0 14 54GHz14 0 14 5GHz 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线系统的技术参数 2 天线效率 一般来讲 对于C BANDRx 70 Tx 65 设计好的天线Ku BANDRx 65 Tx 60 3 极化形式 国际电联规定 洲际通信为双圆极化 区域通信为双线极化 4 馈源损耗 Rx 0 2dBTx 0 3dB 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线系统的技术参数 5 端口隔离建议标准为 双圆极化双线极化Rx Rx20dB30dBTx Tx20dB30dBTx Rx85dB85dB 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线系统的技术参数 6 天线噪声温度 天线噪声温度和天线仰角有关 也与归算地方有关 有归算到天线出口 有归算到天线喇叭口 这两种归算方式 中间差一个馈源损耗 7 天线方向图 第一旁瓣 14dB 卫星通信地球站设备简介 天馈系统馈线系统基本组成 主要由极化变换器 双工器以及一些波导联件组成 极化变换器只有在卫星辐射和接收圆极化波时 才是必需的 双工器的作用是使从发射设备来的信号只向天线传输 并保证泄漏到接收设备的发送功率小到可允许程度 同时要求使从天线设备通道来的接收信号经过它只向接收设备传输 而尽量不泄漏到发射设备去 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线馈线系统的技术要求 1 工作频率范围宽 2 天线波束宽度窄 旁瓣电平低 3 天线噪声温度低 4 馈线系统损耗小 频带宽 匹配好 收发通道之间隔离度大 卫星通信地球站设备简介 天馈系统天线跟踪系统 伺服系统 卫星通信地球站设备简介 天馈系统低噪声放大器 LNA 即 一个具有极低固有热噪声的接收机 对于低噪声放大器的基本要求是 具有极低的噪声温度 以满足地球站品质因数G T值的要求 具有较高的增益及良好的增益稳定性 很宽的射频工作带宽 以便适应卫星下行频段的要求 具有很高的可靠性 卫星通信地球站设备简介 天馈系统低噪声放大器 LNA 的技术参数 典型的C频段低噪声放大器的参数如下 频率特性3 625 4 2GHz增益 60