卫星通信课件第5章xsy.ppt

第五章星载和地球站设备 2 卫星通信系统框图 3 一 高功率放大器 HPA 和低噪声放大器 LNA 1 高功率放大器 HPA 卫星通信系统中高功率放大器 HPA 是其重要部件之一 通常采用的HPA有三种类型 行波管放大器 TWTA 速调管放大器 KPA Klystronpoweramplifier 和固态功率放大器 SSPA Solidstatepoweramplifier 这三种放大器在不同频率时的功率输出见书p72图 4 2 低噪声放大器 LNA 低噪声放大器 LNA 的重要指标是内部噪声 可用等效噪声温度来表示 它在一定程度上决定了接收站的规模和体积 书p73图给出了参量放大器 致冷和常温砷化镓场效应放大器的内部噪声性能 即等效噪声温度 可以看出 同一类的LNA随频段的升高而增加 参量放大器内部噪声温度低 但成本高 现在几乎所有的地球站或是卫星上都采用包含GaAsFET放大器的LNA 5 二 星载转发器 通信卫星上的核心是转发器 或中继器 他实际上是一部宽频带的收 发信机 由输入设备 调制设备 本振设备 放大设备和发射设备组成 是直接承担通信任务的系统 可以转发两地或多地的电报 电话 数据 传真 电视 广播等 是一个功能强大 结构复杂的多面手 它接收来自地面的无线电波 经过放大后 变换频率再向地面发射 相当于一个微波中继站 6 转发器的数量越多 卫星的通信能力就越大 每个转发器覆盖一段频段 所以转发器的数量是衡量卫星先进与否的重要标志通常 我们把星载转发器少于12个 功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量通信卫星 有24个转发器 功率在1000 3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星 7 有48个转发器 功率在3000 7000瓦之间的卫星是大容量通信卫星 转发器多于48个 功率在7000瓦以上的是超大容量通信卫星 目前最大的通信卫星平台上可装150个转发器 东方红三号有24个C波段转发器 6个电视和18个通信传输信道 可传输6套彩色电视节目和15000路电话或电报 传真 数据信号 工作寿命为8年 8 转发器可分为透明转发器和处理转发器 1 透明转发器 弯管式转发器 透明转发器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 书p74图5 4 图5 5给出了其功能图和方框图 切换开关介绍 书p75 76 2 转发器的EIRP和G T 书p76 78 9 3 数字处理转发器转发器将接收到的信号经微波放大和下变频 变成中频信号再进行解调和数据处理从而得到基带信号 然后再经调制 上变频 放大后发回地面 1 星上交换的TDMA转发器 书p80 81 2 星载路由器 书p82 路由器 读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备 工作在网络层的网络互联设备 10 4 星载天线 常用的星载天线有 1 单级或双级线状天线 主要用于TTC全向天线 2 喇叭天线 用于全球波束 3 反射面天线 用于区域波束或点波束 多馈源赋形 中心馈源的阻挡效应见书p79图 4 相控阵天线 11 全球波束天线全球波束厦盖区的示意图如图所示 一般地说 星下点 卫星与地心连线和地球表面的交点 s 处于星上天线全球波束的立轴上 12 由图不难得出 1 卫星的全球波束宽度为 式中 为波束的半功率宽度 即卫星对地球的最大视角 R为地球半径 等于6378km h为卫星离地面的高度 等于35860km 代入上式 可求得 见书p78 13 2 覆盖区边缘所对的量大地心角为 3 卫星到覆盖区边缘的距离d为 14 4 覆盖区的绝对面积S与相对面积S S0为 5 最大传传输延时 单程 式中C为光速 15 仰角 方位角和星站距离的计算 静止通信卫星s与地球站A的几何关系可用图a来表示 其中 设地球站A的经 纬度分别为和 静止卫星s的星下点S 的经度为 而为星下点S 与地球站A之间的经度差 为了进一步看清楚几何关系 我们把图a中用斜线表示的一块地球表面AS B画在图b中 下面我们分别来求 当A站天线对准卫星S时 其仰角 方位角与经度差 地球站纬度的函数关系 1 仰角通过A站作一条指向S 方向的地平线AP 那么就是A站对卫星S的仰角 16 17 为了求出 在图b中作辅助线AA 为OA的延长线 作AP的平行线SA 与AA 交于A 点 由图直角三角形AA S可得 球面直角三角形ABS 中 用球面三角学的余弦定理 边 书p79附 而所以 18 19 2 方位角图中AB为过A站的子午线上的一段弧 B点为子午线与赤道的交点 通过A站作一条指向正南方向的地平线AQ 那末 QAP 就是A站对卫星S的方位角 由图b中球面直角三角形ABS 根据余弦定理 角 20 21 注意 利用上式求出的是以正南方向为基准的方位角 按规定地球站天线都是按正北方向为基准的 因此 地球站天线的实际方位角可按下述方法求得 即位于北半球的地球站其方位角当卫星位于地球站的东侧时当卫星位于地球站的西侧时 22 位于南半球的地球站其方位角当卫星位于地球站东侧时当卫星位于地球站西侧时3 站星距离d由图b中三角形OAS可知 A站到静止卫星S的距离为d 23 所以 24 通过以上公式推导可以看出 只要知道地球站所在位置的经纬度和静止卫星的定点经度 就可由 d的计算公式分别计算出地球站天线对准卫星时的仰角 方位角以及站星距离 例题 亚太一号 卫星星下点经度 求北京地球站天线对准卫星时的方位角 仰角和站星距 25 26 点波束天线 覆盖面积小 一般为圆形 半功率宽度几度 天线通常为前馈抛物面天线 馈源为喇叭赋形波束天线 对覆盖区的赋形见书p77图 可通过修改反射器形状来实现 也可利用多个馈源从不同方向经反射器产生多波束的组合相控阵列天线相控阵列天线由多个独立的阵列单元组成 各单元由频率接近和相位特定的信号驱动 以得到所需的特性 通过对激励信号相位的控制 可以在阵列天线不作任何物理移动的情况下 改变波束的方向从而进行空间扫描 这就是相控阵列天线的基本工作原理 27 相控阵天线的应用 在低轨卫星蜂窝系统中 为了延长一个蜂窝的连续服务时间 不至于切换频繁 常采用 固定地面蜂窝 技术 即让星载天线对地面作与卫星运动方向相反的扫描 以保持卫星覆盖其间 运动中的卫星支持某一蜂窝的波束不变 使蜂窝间的切换和卫星间的切换等效 从而大大延长了一个蜂窝支持连续通信的时间 28 三 通信地球站设备对于提供双向数字通信链路的地球站设备 主要包括RF终端 包括天线 HPA LNA 和上 下变频器 调制与解调器 基带与控制设备以及用户接口 见书p84图5 16 1 射频部分地球站的主要性能指标是上行链路的EIRP和下行链路的G T值 它们都由射频部分设备的性能决定 1 天线为了达到较高的EIRP 地球站常采用大尺寸 高增益的天线 一般天线直径为7 13m 最大的可达30m 应用较多的天线是卡塞格伦天线 图见后p35 36 29 2 高功率放大器 HPA 3 低噪声放大器 LNA 4 上 下变频器上变频器将中频信号变换为射频信号 而下变频器将射频信号变换为中频信号 2 中频与基带处理部分3 地面接口与陆地链路地球站的地面接口是卫星通信系统业务的终点 它通过陆地链路与地面网或用户终端连接 陆地链路 见书p89图5 19 微波和光纤链路的投资比较 书p89图5 20 30 地面接口 1 电话接口 书p91 a 模拟话音接口 b 数字电话接口 E1接口 T1接口 2 数据传输接口 3 电视接