第一讲 静止通信卫星与转发器参数介绍PPT课件

1、静止通信卫星与转发器参数介绍,吴波洋,Godfather of the Communication Satellite,a landmark scientific paper: Extra-terrestrial Relays Wireless World, 1945 介绍利用地球同步卫星进行远程中继通信的概念 Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage? 地球同步轨道也被称为Clarke Orbit Sir Arthur C. Clarke 1917年12月诞生于英国，2008年3月逝于斯里兰卡，享年90岁 二战时的英国空军radar

2、specialist，1950年退役时为空军上尉 1954年参与主持美国气象局利用火箭和卫星进行气象预报的研究 印度物理实验室教授，剑桥大学国王学院研究员，斯里兰卡工科大学校长 科幻小说家和技术论文作者，曾获奥斯卡最佳编剧提名 作品目录 1987年设立Arthur C. Clarke Award 获得很多技术和文学奖项，爵士和骑士爵位，小行星4923 墓志铭：Henevergrewup, butheneverstoppedgrowing 个人网页,人造卫星,第一颗人造卫星 1957年10月4日，苏联，Sputnik01或称PS1 近/远地点、倾角与周期：227/945 km，65 deg，96

3、.1 min 直径和发射质量：58 cm，83.6 kg 信号频率与发射时间：20.005 & 40.002 MHz，21 days 卫星寿命：3 months 美国的第一颗人造卫星 1958年1月31日，Explorer-I, 官方名称Satellite 1958 Alpha 近/远地点与周期：360/2535 km，114.9 min 发射质量：13.9 kg 信号频率与功率：108MHz，60mW（30天）& 10mW（105天） 搭载仪器：宇宙射线探测器，微陨石探测器，温度计 探测发现：Van Allen带（环绕地球的带电粒子辐射带）,卫星通信史料,第一颗试验通信卫星SCORE Sig

4、nal Communications by Orbiting Relay 1958年12月18日发射，电池容量只能工作12天 采用实时或存储（利用2个磁带录音机）转发方式，进行短波通信 近/远地点、倾角与周期：183/1481 km，32.3 deg，110.5 min 有效载荷和整星（Atlas导弹作战部）在轨质量：68 & 3969 kg 气球式无源试验通信卫星Echo 1 1960年8月12日发射，NASA 直径30.5米，重76kg，外覆铝膜，反射960和2390MHz信号 近/远地点、倾角与周期：966/2157 km，47.3 deg，117.3 min 载有107.9MHz信标发

5、射机，太阳能电池板和镍铬电池供电 微波反射通信，电视和话音传输试验,卫星通信史料（续一）,第一颗有源通信卫星Telstar 1 1962年7月10日 直径0.71m，高0.39m，重77kg 近/远地点、倾角与周期：952/5933 km，44.8 deg，157.8 min 上/下行频率分别为6GHz和4GHz，全向天线 跨洋电视转播和电话电报传输试验 第一颗地球同步通信卫星Syncom 2 1963年7月26日发射，NASA 直径0.71m，高0.39m，总重68kg，自旋稳定 直流功率29W，2个2W转发器，带宽分别为13MHz和5MHz 上/下行频率分别为7360MHz和1815MHz

6、 slotted dipole天线，增益为2dBi，波束宽度为25deg 轨道高度、倾角与轨位：35891km，32.7deg，55W/26W/28.5E 运行轨道相对于地面作8字形移动，准同步，非静止 110条跨洋电话、电传、传真线路，可用于低质量电视画面传输,卫星通信史料（续二）,第一颗静止轨道通信卫星Syncom 3 1964年8月19日发射，NASA 卫星参数与Syncom 2相同 静止轨位：64W/180E/25W/165E/6W 转播1964年第十八届东京奥运会 第一颗实用商业通信卫星Intelsat 1（又名Early Bird） 1965年的4月6日，INTELSAT，工作寿命

7、3.5年 高0.59m，重39kg，自旋稳定 2个转发器（功率6W，带宽50MHz） 通信服务容量相当于240路电话，使跨大西洋通信容量增加50% 第一次跨洋实况转播电视,卫星通信的特点,以人造通信卫星为中继站的微波中继通信 覆盖范围大 适用于广播方式 通信成本与通信距离无关 便于网络快速扩容及站点应急部署 不容易查找干扰源 通信距离长 传输距离（上行或下行）大致为3万7到4万1千km 传输延时长（单跳需1/4秒以上） 传播损耗大（C、Ku的上/下行约为200/196、207/206dB）,卫星通信的特点（续）,工作频率较高 带宽和通信容量较大 部分频段存在降雨衰耗 建网和使用成本高 卫星转发

8、器（带宽资源与功率资源） 地球站设备与天线 （网管系统） 建站施工费用,卫星通信的分类,业务 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） 工作频段 L频段，1-2 GHz，移动通信、声音广播 S频段，2-3 (2-4) GHz，移动通信、图像广播 C频段，4-6 GHz，固定通信、声音广播 X频段，7-8 (8-12) GHz，固定通信 Ku频段，10-14 (10.7-18) GHz，固定通信、电视直

9、播 Ka频段，17-31 (18-40) GHz，固定通信、移动通信,卫星通信的分类（续）,轨道 高度 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 类型 形状：圆轨道与椭圆轨道 倾角：赤道轨道，倾斜轨道 对地静止轨道（GEO），轨道高度约为36000公里 转发器 透明信道 星上处理 存储转发,静止卫星轨道,地球的平均半径约为6378公里 静止卫星的轨道高度约为35786公里 静止卫星轨道在赤道平面上 因其运转方向和角速度与地球的自转方向和角速度相同，静止卫星的位置相对地面保持不变 从静止卫星看地球

10、，角直径约为17.4度,静止卫星的覆盖范围,下图采用EquiRectengular投影方式 三条绿线分别对应东经105.5度卫星的0度、15度、及30度仰角服务区 0度仰角服务区只能覆盖到南北纬大约80度处 三颗卫星可以覆盖南北纬70度以下的绝大部分地球表面,卫星操作者与其服务区,国际合作组织 国际卫星组织INTELSAT和INTERSPUTNIK，全球波束、半球波束、区域波束、点波束 海事卫星组织INMARSAT，全球波束、陆地及沿海波束 国际性的卫星公司 INTELSAT的私有化公司NewSkies，部分INTELSAT卫星 SES Global、EuTelSat、PanAmSat、Lor

11、alSkynet等，覆盖陆地及沿海岛屿,卫星操作者与其服务区（续）,亚太地区的卫星公司 东南亚：Palapa、ACeS（印尼）、Shin（ThaiCom，泰国）、MEASAT（马来西亚）、SingTel（新加坡）、Mabuhi（菲律宾），覆盖周边国家及东亚地区 印度：InSat，主要覆盖印度 日本与韩国：JCSAT等（日本与东亚）、KoreaSat（韩国） 澳大利亚：Optus（澳新与东亚地区，已被SingTel收购） 中国的卫星公司 亚洲卫星（AsiaSat），常规轨位在100.5E、105.5E和122.2E 亚太卫星（APT），常规轨位在76.5E、134E和138E 直播卫星（Chin

12、a DBSat），由中广卫（ChinaSat）、鑫诺卫星（Sino）和东方卫星（China Orient）等组成,常用工作频段,上行（地对星）频率高，下行（星对地）频率低 固定卫星业务的常用工作频段 C频段，上行5850-6425MHz，下行3725-4200MHz C扩展频段，上行6425-6725MHz，下行3400-3700MHz LaoSat-1的C频段：6485-6785/3400-3700MHz Ku频段，上行14.0-14.5GHz，下行12.25-12.75GHz（用于中国所在的ITU 3区） LaoSat-1的Ku频段：12.75-13.00/10.75-10.95 GHz

13、Ka频段，上行27.5-31.0GHz，下行17.7-21.2GHz 广播卫星业务的常用工作频段 Ku频段，上行14.5-14.8GHz（用于中国所在的ITU 3区的部分国家），下行11.7-12.2GHz（用于中国所在的ITU 3区） Ka频段，上行17.3-17.8GHz（用于中国所在的ITU 3区）,常用极化方式,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，两种方式的电磁波分别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 采用交叉极化频谱复用方式，可以双倍利用频谱资源 通信卫星的常用极化方式 地区性和国内通信卫

14、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 广播卫星的常用极化方式 国际电联分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式 电视直播频段也可以改用双线极化复用方式,频率和极化计划,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 LaoSat-1卫星C频段转发器的频率和极化计划如下图所示,频率和极化计划（续）,LaoSat-1卫星Ku频段转发器的频率和极化计划如下图所示,通信转发器,透明信道方式的

15、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）,通信转发器（续）,常用图表，C频段上下行链路之信号电平变化,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 用以10为底的对数，即贝尔（Bel）表示时，又因单位过大而略感不方便 常用单位为分贝（dB，decibel），即贝尔的1/1

16、0 采用对数的另一个好处是，可以将乘除运算简化为加减运算 例一，增益分别为G1和G2的两级放大器的级联增益为 G = G1 * G2 （倍） = G1 + G2（dB） 式中，符号 表示将框内的参数取其对数值 例二，功率为P、带宽为BW的载波的功率谱密度为 P0 = P / BW （W/Hz） = P - BW（dBW/Hz ）,分贝的概念（续）,以分贝形式表示的计算单位 增益或损耗单位dB， GdB = 10 log10 (P1 / P2) GdB = 20 log10 (V1 / V2)（？） 功率单位dBW或dBm 1W = 0dBW1mW = 0dBm0dBW = 30dBm 带宽单位

17、dBHz 1kHz = 30dBHz1MHz = 60dBHz 天线增益单位dBi、温度单位dBk等 常用数据 7、5、3、2倍分别约为8.5、7、4.8、3dB 2、1、0.5、0.2dB分别约为1.6、1.3、1.12、1.05倍 -2、-1、-0.5、-0.2dB分别约为0.6、0.8、0.9、0.95倍 由此可见0.5dB几乎可以忽略不计,传输损耗,自由空间的传输损耗 Lf = (4pd /l)2 Lf = 10lg(4pd/l)2 = 20lg(4pd/l)(dB) 上式中，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

18、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， 信号频率为4GHz的自由空间传输损耗约为195.6dB 信号频率为6GHz的自由空间传输损耗约为199.1dB 信号频率为12GHz的自由空间传输损耗约为205.2dB 信号频率为14GHz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，克服传输损耗 地球站常用抛物面反射天线 卫星多采用波束赋型天线 天线增益 与全向天线相比，定向天线对信号能量的放大倍数 天线增益的单位为dBi，其中i表示全向（isotropic） 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

19、正比 天线方向图 天线增益随辐射平面的角坐标而变化的分布图 抛物面天线的方向图采用方位和俯仰两个坐标的增益幅值表示 赋型天线的方向图可用等值线图表示,抛物面天线,天线增益 抛物面天线的增益公式为 G = 10lg( h (pfD/c)2 ) (dBi) 式中，f 为工作频率、D为天线口径、h 为天线效率、c 为光速 与信号频率的平方成正比 与天线口径的平方成正比 常用数据 C频段1.8、2.4、3、4.5、6.2m天线的上/下行增益分别大致为 40/36、42/39、44/41、48/44、51/47dBi Ku频段0.95、1.2、1.8、2.4、3m天线的上/下行增益分别大致为 41/40

20、、43/42、47/45、49/48、51/50dBi,抛物面天线（续一）,主瓣波束宽度 与信号频率成反比 与天线口径成反比 双边的半功率波束宽度的估算公式为 HPBW = (70 to 72) D/l （度） 常用图表，不同口径Ku天线的主瓣波束宽度,抛物面天线（续二）,天线方向图 天线增益随偏轴角的增加而在总体上呈递减趋势 方向图可被分为主瓣、第一旁瓣、其他近旁瓣、以及远旁瓣 主瓣为圆柱状 旁瓣通常为从里到外一圈低于一圈的环柱状 常用数据 C频段1.8、2.4、3、4.5、6.2m天线相对于0.5度邻星的上/下行偏轴增益差分别大致为0.9/0.3、1.6/0.7、2.6/1.1、5.8/2

21、.4、11/4.7dB； Ku频段0.95、1.2、1.8、2.4、3m天线相对于0.5度邻星的上/下行偏轴增益差分别大致为1.2/0.8、2.0/1.4、4.6/3.3、8.3/5.9、13/9.3dB； 由此可见，C频段和Ku频段的常用中小口径天线都不符合0.5度邻星的干扰协调要求 C频段1.8、2.4、3、4.5、6.2m天线相对于2度邻星的上/下行偏轴增益差分别大致为15/6、21/11、23/18、26/23、29/25dB； Ku频段0.95、1.2、1.8、2.4、3m天线相对于2度邻星的上/下行偏轴增益差分别大致为21/15、22/21、25/24、28/26、30/28dB；

22、 由此可见，C频段3m、以及Ku频段1.2m以上口径天线大致符合2度邻星的干扰协调要求,赋型天线,赋型波束设计的目的 使天线的增益分布符合不同服务区的要求 赋型波束设计方式 单反射面复合馈源方式 单馈源赋型反射面方式 天线方向图与转发器参数的关系 卫星接收天线的方向图与G/T和SFD线性相关 卫星发送天线的方向图与EIRP线性相关,赋型天线（续）,LaoSat-1的Ku频段接收和发送增益图 由天线增益与频 率的平方成正比，折成对数，Ku上行增益应比下行高约1.5dB，由此推得下表数据,由此可见，为满足LaoSat-1的G/T在所有服务区均满足6dBk要求，而硬性摊平天线接收增益等值线图的做法，

23、收到的只是负面效果,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 G/T和SFD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 EIRP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 不同地点的转发器参数是不同的 同一地点、不同转发器的参数也有差异 特定地点的转发器参数可从城市参数表或等值线分布图中查到,转发器参数：G/T,Figure of merit，即接收系统的品质因数 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 计算公式为 G/T = GRTS 式中，GR为卫

24、星天线的接收增益 TS为卫星接收系统的噪声温度 常用数据 LaoSat-1的C频段G/T大致为-3到-2 dB/k LaoSat-1的Ku频段G/T略高于6 dB/k,转发器参数：SFD,饱和通量密度，反映卫星转发器对上行功率的需求量 当转发器被推到饱和工作点（Satulated）时，上行载波在接收天线口面所达到的通量（Flux）密度（Density） 单位为dBw/m2 与G/T的关系为 SFD = constant + attn G/T 式中，constant为反映转发器增益的计算常数，其值多在-100 与-90之间，constant越小，转发器的增益就越高； attn为可被地面遥控改变的

25、转发器增益调整量，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，并且据此对原由图表提供的SFD数据作修正 常用数据 LaoSat-1之C、Ku频段转发器在FGM模式的SFD值均为 - (70 to 93) - G/T,转发器参数：EIRP,Effective Isotropic Radiated Power，有效全向辐射功率 通过定向天线，在指定方向上发送的功率 单位为dBW 为天线增益与功放输出功率之对数和 计算公式为 EIRP = P Loss + GT 式中，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

26、线的发送增益 常用数据 LaoSat-1的C频段EIRP大致为40到41dBW LaoSat-1的Ku频段EIRP大致为54到56dBW,C与Ku频段转发器参数比较,C频段转发器的服务区大，通常覆盖几乎所有的可见陆地 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 电波传输通常不受气候条件的影响 适用于可靠性较高的业务、以及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 EIRP通常为44到56dBW，G/T通常为-2到+8dB/k 地面天线口径可以小于1米 电波传输容易受降雨等气候条件的影响 适用于站点较多、建

27、网条件较差的国内业务,输入输出关系曲线,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 纵坐标为输出功率，横坐标为输入功率 曲线的顶点对应于放大器的饱和功率，即最大功率 左侧为线性段，其最 高点为线性点 线性点越接近于饱和 点，放大器的线性越 好，多载波条件下的 最大输出功率越高,输入回退与输出回退,I/O关系曲线以饱和功率，即曲线的顶点所对应的最大功率为参考点 输出回退 OPBO或OBO（Output Back-off） 饱和输出功率与曲线上某个实际输出功率之差值 输入回退 IPBO或IBO（Input Back-off） 饱和输入功率与某个实际输入功率的差值,线性功率与线性回退,转发器在多载波工作时，将产生互调分量， 对带外载波造成干扰 两个单载波（CW）与其互调分量的频谱图如下,线性功率与线性回退（续）,为了避免互调干扰，应使转发器处于线性工作条件下，即控制转发器内所有载波的总功率，使之不超过转发器的线性功率点 线性功率点的OPBO与IPBO分别为转发器的线性OPBO与IPBO