卫星通信系统

1、第七章，卫星通信系统，教学重点，1。掌握卫星通信系统的组成及各组成部分的作用。了解通信卫星和地面站的组成和工作原理。3.了解地面站的多址模式。4.了解卫星通信的工作频带。了解VSAT卫星通信系统的特点以及低轨移动卫星通信系统的组成和特点。掌握卫星通信系统的组成及各组成部分的作用。课时分配，教学难点，第7章卫星通信系统，7.1概述，7.2通信卫星的组成，7.3卫星地面站的组成，7.4卫星通信应用实例，本章概述，7.1概述，第一，卫星通信系统的组成，第二，卫星通信的工作频率和特点，第三，卫星通信的多址连接模式，卫星通信是一种无线通信，它不同于普通的无线通信，因为中继器位于地球上方的人造卫星上。(1

2、)卫星通信系统的构成1945年，英国人克拉克曾设想，如果三颗同步轨道卫星在地球赤道上空发射，卫星与地球中心的距离将为120度，离地球表面的高度将为35800公里，卫星天线的波束宽度将为17度，如图7.1所示，从而形成一个全球卫星通信网络。这一假设如今已成为现实。图7.1通过使用同步卫星(长度单位Km)建立全球通信。同步卫星是指绕地球旋转的时间等于地球自转周期的卫星，因此看起来这些卫星在离地球表面很高的高度是静止的。发射到太空的同步通信卫星装有微波波段转发器，它可以放大来自地面站的无线电波，然后将它们转发回地面，从而完成通信过程。卫星通信系统由地面站和通信卫星组成。如图7.2所示，从地面站发射的

3、无线电波在通信卫星上中继，并被其他地面站接收。从地球站到卫星的传输线路称为上行线路，从卫星到地球站的线路称为下行线路。图7.2卫星通信系统的组成和工作过程。1.可能有多个地面站。对于双向通信，每个地球站都有接收和发射设备。图7.2示出了两个地面站a和b。由于接收和发射设备共用一对天线，双工器用于分离接收和发射信号。转发器是安装在卫星上的收发器装置，用于接收来自地面站的信号，并在频率转换和放大后将其发送到地面站。中继器由天线、收发器和双工器组成。如果甲地用户想与乙地用户通话，甲地用户的电话信号将通过本地电话线到达地面站甲。地面站a的多路复用设备将该电话信号多路复用成多信道电话信号，即基带信号。然

4、后发送到调制器，用70兆赫或其他频率的载波调制，形成中频调制波信号。然后，它被馈送到上变频器，并被转换成频率为f1(例如，6GHz)的微波信号。最后，它被送到微波高功率放大器进行放大，并通过双工器从天线发射出去。从地球站a发送到卫星转发器的频率为f1的信号通过由大气和空间组成的上行链路到达卫星转发器。卫星转发器中的接收设备首先将f1频率的微波信号转换成较低频率的中频信号，将其放大，然后将其转换成f2频率的下行微波信号，例如，4千兆赫。然后由发射设备的输出功率放大器放大，并通过天线发送到地面站。地面站高增益天线接收的f2微波信号经双工器和低噪声放大器放大后，经下变频器转换成中频信号，再送解调器恢

5、复成基带信号。然后通过解复用设备分流因此，卫星通信频率一般采用1 10ghz频带，称为“无线电波窗口”，其中c波段是最常用的。卫星通信具有服务范围广、通信容量大、多址通信、性能稳定可靠、抗灾能力强等优点。卫星通信的缺点是由于距离远而造成的长传输延迟。因此，在电视卫星转播过程中，主持人和特约记者之间的对话给人一种不协调的感觉，这是由长时间的延迟造成的。多址连接意味着许多地面站在覆盖区域内通过一个公共通信卫星相互连接，同时建立它们自己的信道而不需要中间连接。多址连接技术和多路复用技术的区别在于多址连接技术是在射频信道中多路复用多个地面站的射频信号；多路复用技术是指在中频信道上多路复用通信站的多个信

6、号。三、卫星通信多址连接方式，多址连接方式有频分多址(FDMA)、时分多址(时分多址)、空分多址(SDMA)和码分多址(码分多址)。在图中，各地面站发射的载波频率为fA、fB，fF。该图显示了地面站a在通过卫星转发器后使用fA的上行链路频率和ff的下行链路频率与地面站b通信的情况。频分多址是根据不同的信号频率，根据不同的信号频率，区分哪个地面站发出信号，如图7.3所示。1.频分多址(FDMA)。根据复用和调制方式的不同，频分多址分为以下几种模式：图7.3频分多址模式示意图。SCPC模式被称为单通道单载波传输，每个电话被分别调制到由卫星传输的射频载波上。这种方法可以用语音作为开关，称为语音激活。

7、也就是说，当有声音时载波被发送，当没有声音时载波被关闭。因此，中继器的容量增加了2.5倍。适用于交通流量小的地面站。FDM表示该模式的复用部分被分频，即频分复用；调频是指调制方式为调频；FDMA表示，通信卫星和不同的地面站通过频率连接，即频分多址连接。它适用于通信量大的地面站。(1)FDM/调频/FDMA模式：(2)SCPC模式：频分多址模式具有通信线路建立方便的优点；缺点是容易形成互调干扰。图7.4是时分多址系统的简化框图。为了确保每个站的信号按照指定的时隙进入中继器，必须指定一个站作为参考站，并且参考站周期性地发送脉冲射频信号作为系统中其他站的公共时间参考。时分多址指的是每个地面站发送的信

8、号，这些信号在进入中继器时被及时安排，即每个站的信号占用的时间间隔(简称时隙)彼此不重叠。时分多址(时分多址)在时分多址系统中，卫星转发器中所有地面站的信号占用的时隙之和称为一帧，每个地面站占用的时隙称为成帧。通常，卫星通信系统中的帧长度为125us(相当于8KHZ的采样频率)或125us的整数倍。图7.4是时分多址系统的简化框图。时分复用/时分复用/PSK/时分多址系统是时分多址方式之一。模拟信号通过脉冲编码调制，然后通过时分复用(时分复用)。调制方式为相移键控调制(PSK)，地面站采用时分多址接入方式。时分多址的特点是传输速率高。由于不同的地面站连接在信道的不同时隙，每个系统必须有精确的系

9、统空分多址(SDMA)的特点是要求卫星天线的方向性非常准确。由于天线的波束很窄，卫星的发射功率很集中，从而节省了卫星的发射功率。码分多址方法根据不同类型的信号号码区分不同的地面站。本地站发送的频率和时间可以重叠，但是由于不同的编码方法，本地站的编码信号具有强自相关和弱互相关。来自本地站的信号只能被相应的接收器检测到。码分多址具有抗干扰能力强、安全性好的特点。码分多址接入方法适用于用户容量相对较小的场合，例如飞机、船舶和其他军事应用，其中卫星用于与其他地面站建立通信链路。7.2、通信卫星的组成，1、控制系统，2、天线系统，3、通信系统，4、遥测指挥系统，5、供电系统，6、温度控制系统，通信卫星是

10、卫星通信系统的核心。1.控制系统。控制系统包括位置控制系统和姿态控制系统。除了完成转发任务的通信系统和天线系统外，卫星还必须有电源和温度控制系统、控制系统和遥测指挥系统。如图7.5所示。图7.5通信卫星各系统框图。当静止卫星相对于地球的位置漂移时，通信不能正常进行。此时，卫星的遥测装置向地球发送信号，地球通过遥控装置控制并激活卫星的位置控制系统，使卫星返回其原始位置。位置控制系统由安装在卫星轴向和横向的气体注入装置组成。位置控制系统，姿态控制是使卫星保持对地球或其他参考物体的正确姿态。卫星姿态是否正确不仅会影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区域，还会影响太阳能电池的表面是否朝向太阳。姿态控制

11、系统天线系统用于接收和发射通信卫星上的所有信号。通信卫星天线系统包括通信天线和遥测命令天线。它们的功能与地面通信设备中天线的功能相同。卫星天线与地面天线的不同之处在于：2 .天线材料耐高温和抗辐射。增益很高，以增加卫星的有效辐射功率，天线波束总是指向地球。1。体积小、重量轻、易于送料、易于在卫星上组装、可靠性高、使用寿命长等。通信系统静止卫星的通信系统也称为通信中继器。它由几个相互连接的信道中继器组成。中继器用于放大接收到的微弱信号，然后重新传输。转发器的上行链路和下行链路频率值不同，以便减少上行链路和下行链路之间的干扰，因此转发器中需要频率转换。图7.6是卫星转发器的简化框图。图7.6是卫星

12、转发器的简化框图。来自天线的6GHz信号依次通过前置放大器、混频器、滤波器和放大器，然后通过可控衰减器，然后通过滤波器，然后被发送到由5-6个晶体管组成的放大器，最后输出被发送到天线。4.遥测指挥系统，包括遥测和遥控指挥系统。遥测部分的作用是测试地球卫星上各种设备的运行情况。卫星向地球传输的信号主要包括指示相关部件的电流、电压和温度的工作状态的信号、来自各种传感器的信息、命令确认信号、用于控制的气压等。1。遥测部分，即遥测数据，应通过遥测系统随时发送到地面监控中心。这些数据传输方法类似于通信过程，即调制前的多路复用、放大、编码和其他处理。用于控制姿态和位置的喷气推进装置的点火遥控命令系统，命令

13、信号由地球控制站发送，在卫星转发器中分离，检测，解码并发送到控制设备，以控制各种执行机构执行命令。5.供电系统。通信卫星的电源包括太阳能电池和化学电池。太阳能电池是通信卫星的基本电源，由光电器件组成。太阳能电池直接输出的电压不稳定，只能在电压调整后提供给负载。在通讯卫星上，装有可以充放电的化学电池和太阳能电池。在日食期间，化学电池由太阳能电池充电。日食期间，电能由化学电池提供。太阳能电池、化学电池、温度控制系统当卫星受到太阳能辐射时，以及当卫星绕地球旋转到背向太阳的一侧时，卫星的温度会有很大的不同，并且经常变化。同时，卫星由于行波管功率放大器和供电系统产生的热量而发热。但是，卫星内部的电子设备

14、，如本机振荡器，必须有稳定的温度，否则会影响通信质量。因此，卫星必须配备温度控制系统。7.3卫星地面站的组成，1。天线馈电系统，2。地面站发射系统的组成。地面站接收系统的组成。地面站是卫星通信系统的重要组成部分。它有两个功能：一是向卫星发送信号；第二是接收从其他地面站通过卫星传输的信号。根据安装方式和规模的不同，地面站可分为固定站、移动站和可拆卸站。根据不同的用途，地面站可根据不同的天线直径分为30m站、10m站、5m站、3m站和1m站。如图7.7所示，标准地面站由六部分组成：天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和供电系统。图7.7地面站系统和信号流程的总体组成框图。城市中的电

15、话和电视信号通过微波线路或电缆发送到地面站的终端接口设备。2.发送系统对来自终端的基带信号(复用信号)进行高频调制，并在发送到天线之前将其放大到足够的功率；3.卫星从天线接收到的信号通过馈电设备分配到接收系统，完成解调、放大和干扰滤波任务，基带复用信号输出到终端系统。终端系统分离各种电话信号、电视信号和数据，并分别发送给用户。(1)天线馈电系统，地面站的天线馈电系统是决定地面站容量和通信质量的关键设备之一。天线系统的建设成本约占地面站总成本的三分之一。在馈电系统中，接收和发射信号应尽可能分开，以便共用一个天线。天线系统的主要技术要求是高增益、低噪声、宽频带和良好的方向性。天线馈电系统由天线、馈

16、电和天线方向跟踪控制组成。天线，地球站的大部分天线使用抛物面天线，其原理如图7.8所示。它由一次辐射器、二次反射器和一次反射器组成。二次反射器是双曲面的，一次反射器是抛物面的。初级辐射器的等效辐射中心与次级反射器的共轭焦点O2重合。电磁波从初级辐射器辐射，并首先辐射到次级反射器，次级反射器将电磁波反射到初级反射器，初级反射器将电磁波转换成平行波束进行传输，从而改善波束的方向性。接收时，电磁波的路径与上述过程相反。工作原理：图7.8抛物面天线，2。馈电和天线方向跟踪控制，馈电设备连接在天线和发射机和接收机之间。其功能是将发射机输出的射频信号馈送到天线，同时将天线接收到的电磁波发送到接收机，即发射当接收时，由天线接收的波(例如，左旋圆极化波)应该在与传输期间接收的波不同的极化方向上，但仍然通过极化转换器，并在被发送到接收器之前变成线性极化波。图中的偏振分离器，即双工器，用于分离发射波和接收波。需要图中的跟踪信号和跟踪信号来控制天线自动跟踪卫星。为了使天线能够旋转，系统配备了方位角和仰角旋转装置。地面站传输系统的组成和地面站高功率传输系统的组成如图7