衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術(shù)-PPT課件

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)陳振國 楊鴻文 郭文彬 編著北京郵電大學(xué)出版社第三章 衛(wèi)星地球站和VSAT3.1引言 3.2 地球站射頻基本性能3.3 天線、饋源和跟蹤系統(tǒng) 3.4 射頻 (RF) 分系統(tǒng) 第三章 衛(wèi)星地球站和VSAT3.5 通信公用和網(wǎng)絡(luò)接口分系統(tǒng)3.6 固定和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)地球站3.7 很小孔徑終端網(wǎng)絡(luò) (又稱VSAT網(wǎng)絡(luò)) 3.8 地球站監(jiān)控，輔助設(shè)備，和可靠性分析3.1引言描述地球站性能的一個最基本參量，是接收天線增益對噪聲溫度比 (G/T) 值，又稱為地球站的品質(zhì)因素。它表示一個地球站的接收能力強弱， G / T值越高就意味著這個地球站的接收能力越強。因此，根據(jù)提供業(yè)務(wù)和G / T值

2、的不同，可以按此對地球站進(jìn)行分類。 3.1.1 設(shè)計考慮一個地球站的設(shè)計主要因素有：服務(wù)類型 通信業(yè)務(wù)類型 終端站對基帶信號質(zhì)量的要求 業(yè)務(wù)要求 價格和可靠性 設(shè)計過程可以用兩個主要步驟來區(qū)分 第一步是基于整個系統(tǒng)的要求，由此形成地球站的基本參量如G/T值、發(fā)射功率、多址聯(lián)接方案等。然后，地球站設(shè)計師和工程師以最佳的性能價格比，使設(shè)備配置設(shè)法達(dá)到上述性能指標(biāo)。理解設(shè)計應(yīng)用中的某些折衷 3.1.2 國際規(guī)定和技術(shù)限制1. 國際規(guī)定2. 技術(shù)限制3.1.3 地球站技術(shù)近期發(fā)展趨向跡象表明，最大的增長率多半還是移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)。用戶的數(shù)目在本世紀(jì)前10年會達(dá)到1千萬以上。大部分手持終端，都具有與地面移動

3、系統(tǒng)同時運行的能力。3.1.4 地球站設(shè)備一般組成圖3-1 地球站設(shè)備的一般原理性框圖 3.2 地球站射頻基本性能3.2.1 有效全向輻射功率 (EIRP)的定義和計算如果用PT表示天線饋源口的輸入功率，GT是發(fā)射天線增益，則地球站的有效全向輻射功率就是：EIRP =PTGT 接收系統(tǒng)噪聲分析和品質(zhì)因素G / T值計算通常用天線增益對噪聲溫度比G / T，表示地球站天線和低噪聲放大器的性能，它與接收機(jī)的靈敏度密切相關(guān)。參量G是表示低噪聲放大器輸入端的接收天線增益。 1. 通信系統(tǒng)中的噪聲 通信系統(tǒng)中有關(guān)噪聲的論述時基于白噪聲的噪聲形式，它的功率譜密度為，在很大的頻率范圍內(nèi)是平滑的。 在電子通信

4、系統(tǒng)中，由噪聲源送到匹配負(fù)載的白噪聲功率譜密度通常用W / Hz表示，為: 2. 放大器的噪聲溫度和噪聲系數(shù) 系統(tǒng)噪聲溫度：噪聲系數(shù) : 3. 放大器級聯(lián)噪聲溫度 圖3-4 用于等效噪聲溫度分析的級聯(lián)二端口系統(tǒng) n個系統(tǒng)噪聲溫度：n個系統(tǒng)級聯(lián)時的噪聲系數(shù) 4. 無源器件的噪聲溫度 有損網(wǎng)絡(luò)的損耗因子L等于它的噪聲系數(shù)F 5. 天線噪聲溫度 天線噪聲溫度是通過天線進(jìn)入到接收機(jī)的噪聲的量度，它是由所有外部噪聲源產(chǎn)生的噪聲分量的積分： 6. 系統(tǒng)總噪聲溫度 圖3-7 用于等效噪聲溫度計算的地球站接收端 3.3 天線、饋源和跟蹤系統(tǒng)天線是一種互易器件，因此當(dāng)頻率給定時，接收和發(fā)送特性是相同的。地球站天

5、線可以用來作為定義各個參量的樣本。大部分地球站天線要求能沿著兩根軸方向運動，即仰角和方位角方向，以便能迅速跟蹤衛(wèi)星。 1. 天線基礎(chǔ)和輻射方向性圖3-8 天線輻射方向性圖 2. 天線主要特性參量 天線的半功率點波束寬度 天線方向性 效率 增益函數(shù) 圖3-9 天線增益G與半功率點波束寬度hp的關(guān)系, 孔徑效率 60 % 3.3.2 天線系統(tǒng) 基于它們的幾何形狀，地球站可以使用具有軸對稱、和非軸對稱的天線結(jié)構(gòu)。 1. 軸對稱結(jié)構(gòu)圖3-10 喇叭拋物面天線結(jié)構(gòu)圖 圖3-11 卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)圖 圖3-12 極軸天線結(jié)構(gòu)圖 2. 非軸對稱結(jié)構(gòu) (偏饋天線) 圖3-13 非軸對稱 (偏饋) 天線結(jié)構(gòu)圖

6、3. 天線安裝圖3-14 天線安裝結(jié)構(gòu)圖: (a) 方位角仰角裝置； (b) XY軸裝置 3.3.3 饋源系統(tǒng)1. 主饋源系統(tǒng)功能2. 喇叭饋源3. 正交極化饋源圖3-15 一種正交極化饋源系統(tǒng)的組成框圖 圖3-15 一種正交極化饋源系統(tǒng)的組成框圖 3.3.4 跟蹤系統(tǒng) 在地球站天線處觀察，當(dāng)衛(wèi)星漂移占地球站天線半功率點波束寬度很大部分時，為了避免使天線指向損耗過大，必須要采用跟蹤系統(tǒng)，即： S hp / N 對地球站天線跟蹤系統(tǒng)的要求是 能部分或全部執(zhí)行下列功能：衛(wèi)星搜索 自動跟蹤 手工跟蹤 程序跟蹤 圖3-17 (a) 一種衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的主要元件. (b) 一種步進(jìn)跟蹤系統(tǒng) 自動跟蹤系統(tǒng)

7、1 步進(jìn)跟蹤系統(tǒng) 2 單脈沖跟蹤技術(shù) 3 智能跟蹤 3.4 射頻 (RF) 分系統(tǒng) 3.4.1 發(fā)送設(shè)備1. HPA備份方式2. 多載波合成3. 功率合成 4. 高功放的非線性3.4.2 接收設(shè)備圖3-27 (a) 參量放大器原理電路框圖。(b) 一個GaAs FET低噪聲放大器電路 參量放大器的等效噪聲溫度可以近似表示為： Te f S To / f i 參量放大器可大致劃分 不致冷的：To 環(huán)境溫度 + 100 C 270 C = 300 K；熱電致冷的：To 500 C = 223 K；深致冷的：To 2500 C = 23 K。 3.5 通信公用和網(wǎng)絡(luò)接口分系統(tǒng)3.5.1 上變頻器 (

8、UC) 和下變頻器 (DC) 設(shè)計 1. 上變頻過程和上變頻器設(shè)計2. 轉(zhuǎn)發(fā)器跳躍、極化跳躍、和上變頻器備份 3. 下變頻過程 3.5.2 頻率合成器所謂的頻率合成器，就是用一個高穩(wěn)定度的基音晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源；然后對它進(jìn)行數(shù)學(xué)四則運算，用電路中的混頻、倍頻、分頻電路來實現(xiàn)；最后采用鎖相技術(shù)，使它產(chǎn)生步長一定、與基準(zhǔn)頻率源具有同樣穩(wěn)定度的大量頻率分量輸出。圖3-33 (a) 發(fā)送頻率合成器原理圖 圖3-33 (b) 接收頻率合成器原理圖 圖3-34 上、下變頻合用一種微波頻率合成器 3.5.3 中頻放大、濾波、和均衡 放大、濾波、和群時延均衡功能是在中頻實施的。 圖3-35 在中頻濾波中

9、的幅度和群時延限制 3.5.4 調(diào)制和解調(diào) 衛(wèi)星通信中，調(diào)制和解調(diào)是在中頻實現(xiàn)的。調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的類型，應(yīng)與多址聯(lián)接方式 (FDMA或TDMA等)、基帶信號數(shù)量 (多個或一個信道)、基帶信號調(diào)制載波類型 (數(shù)字相位調(diào)制或模擬調(diào)頻) 相適應(yīng).3.5.5 基帶信號處理在發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后，根據(jù)信號的類型和傳輸特性，要對基帶信號進(jìn)行多項信號處理。 3.5.6 網(wǎng)絡(luò)接口分系統(tǒng)這個分系統(tǒng)是地球站的通信系統(tǒng)設(shè)備，和地面網(wǎng)絡(luò)基帶信號之間的接口。主要功能是信號復(fù)用和去復(fù)用、數(shù)字話音插空 (DSI) 和信道倍增 (DCME)、回波抑制和消除，以及圖像信號壓縮編碼 (DVB/MPEG-2) 等。 3.6

10、固定和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)地球站這一節(jié)主要介紹三種類型的地球站：大型的INTELSAT的 A標(biāo)準(zhǔn)地球站，中等數(shù)據(jù)速率的中小型地球站，和VSAT小型地球站。3.6.1 大、中型固定業(yè)務(wù)地球站 1. 大型地球站原理框圖 2. 數(shù)字話音插空技術(shù) (DSI) 和中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) (IDR)數(shù)字話音插空技術(shù) 中速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(IDR)的發(fā)展3. TDMA / DSI (或 DNI)3.6.2 廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù) (BSS) 地球站和衛(wèi)星電視接收 衛(wèi)星電視廣播發(fā)展概況衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)組成，模擬衛(wèi)星電視接收機(jī)（調(diào)諧器）數(shù)字壓縮衛(wèi)星電視接收機(jī)原理框圖 (DVB / MPEG-2)3.7 很小孔徑終端網(wǎng)絡(luò) (VSAT)網(wǎng)絡(luò)VSAT小

11、站的主要特征是天線孔徑小，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊；全固態(tài)化，功耗小，成本低；覆蓋范圍大，對環(huán)境條件要求不高；安裝組網(wǎng)靈活方便，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、設(shè)備特性和管理等，都可按照用戶的需要來進(jìn)行設(shè)計。3.7.1 VSAT 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方案用在VSAT網(wǎng)絡(luò)中的主要結(jié)構(gòu)有：星型結(jié)構(gòu)、廣播網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀或總節(jié)點 (總線連接) 連接。1. 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方案 星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀 (或總節(jié)點) 網(wǎng)連接 星形和網(wǎng)狀網(wǎng)的混合結(jié)構(gòu)連接衛(wèi)星單跳結(jié)構(gòu) 遠(yuǎn)地終端 2. 組網(wǎng)方式 共用網(wǎng)方案圖3-51 VSAT系統(tǒng)的共用網(wǎng)方案 3. 網(wǎng)狀系統(tǒng)中的傳輸技術(shù) (1). DAMA / SCPC (2).TDM / SCPC (3).TDMA (4

12、).CDMA 3.7.2 典型VSAT系統(tǒng)組成圖3-52 VSAT系統(tǒng)典型數(shù)據(jù)通信主站原理框圖 1. 主站圖3-53 VSAT系統(tǒng)典型語音通信主站原理框圖 2. VSAT站 (又稱遠(yuǎn)端小站) 圖3-54 VSAT系統(tǒng)端站: (a) 原理框圖. (b) 外形結(jié)構(gòu) 3. 空間段VSAT系統(tǒng)空間段的主要部分是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，它多數(shù)是Ku波段，也仍然有C波段的。從傳播條件考慮C波段條件好，受降雨衰減影響小，可靠性高。 3.7.3 VSAT系統(tǒng)工作原理 1. VSAT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 如圖3-55所示的VSAT系統(tǒng)，小站和主站是通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器連成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中主站發(fā)射的EIRP高，接收G/T值大，故而所

13、有小站都可直接與它互通。 圖3-55 VSAT小型地球站網(wǎng)絡(luò) (1). 衛(wèi)星多址聯(lián)接方案 數(shù)據(jù)通信時，在VSAT系統(tǒng)中使用的主要是隨機(jī)聯(lián)接和預(yù)約方案。 (2). 自適應(yīng)分配TDMA(AA/TDMA)外向傳輸 (Outbound) 內(nèi)向 (Inbound) 數(shù)據(jù)RA/TDMA信道圖3-56 AA/TDMA的幀格式和分組格式 圖3-57 (a) 隨機(jī)連接模式傳輸 (b) 預(yù)約模式數(shù)據(jù)傳輸 圖3-58 混合模式傳輸時平均時延與流量的關(guān)系曲線 (3)協(xié)議變換，誤差控制和流量控制協(xié)議變換目標(biāo) 誤差控制 流量控制 2. VSAT系統(tǒng)的電話通信網(wǎng) 該電路通信網(wǎng)主要特征是BPSK或QPSK調(diào)制。TDM，1/

14、2 FEC率卷積編碼，維特比譯碼。P T = 5 50 W，T = 80 K。多址方式： DAMA/SCPC(SCPC/PSK/FDMA), 或PA/SCPC。(1). 頻率分配方案 頻率分配方案是FDMA多址方式，可分配頻帶被分成業(yè)務(wù)信道和控制信道兩部分，信道分配方案繪出如圖3-59所示。 圖3-59 TES系統(tǒng)的信道頻率分配方案 (2) TES系統(tǒng)的原理框圖 TES系統(tǒng)的室外單元由天線中頻單元和射頻單元等組成。室內(nèi)單元由地面接口設(shè)備(TIE)語音信道單元(VCU)數(shù)據(jù)信道單元(DCU)監(jiān)控信道單元(MCU)和中頻分路盤等所組成，如圖3-60所示。 圖3-60 小功率TES系統(tǒng)的 (a) 設(shè)

15、備框圖 圖3-60 小功率TES系統(tǒng) (b) 結(jié)構(gòu)外形 圖3-61 (a) TES系統(tǒng)小功率室外單元的原理框圖 圖3-61 (b) TES系統(tǒng)小功率室外單元的結(jié)構(gòu)外形 3. VSAT系統(tǒng)的CDMA窄帶數(shù)據(jù)網(wǎng) 系統(tǒng)和設(shè)備主要參數(shù)：系統(tǒng)遠(yuǎn)端站室內(nèi)單元的設(shè)備 圖3-62 CONTEL系統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)3.7.4 90年代后期VSAT網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 1. 用于Internet連接的VSAT網(wǎng)絡(luò)2. 寬帶VSAT的工業(yè)化3.8 地球站監(jiān)控，輔助設(shè)備，和可靠性分析3.8.1 地球站監(jiān)控 (M&C)監(jiān)控裝置的主要作用是檢測設(shè)備的故障情況，判斷故障的模式，自動切換到備份系統(tǒng)。圖3-63 一個的地球站射頻設(shè)備的的監(jiān)控原理框圖 射頻設(shè)備的監(jiān)控主要包括 HPA、 LNA、 UC和 DC等的備份切換邏輯電路； 數(shù)據(jù)搜索單元 (DAU) ； 天線控制單元 (ACU) 。 圖3-64 1：1備份LNA邏輯控制電路 3.8.2 輔助設(shè)備對一個地球站講，有下列三種類型能源：不仃電電源 備份電源 無備份電源 3.8.3 設(shè)備可靠性分析除天線外，地球站的各個分系統(tǒng)都采用某種備用方式，以提高它的可靠性。一般情況下，硬件的可靠性是表明它在