衛(wèi)星通信基礎知識課件

1、衛(wèi)星通信培訓班培訓內(nèi)容衛(wèi)星通信的基本原理常用的衛(wèi)星通信方式簡介系統(tǒng)組成及MODEM的功能簡介上下變頻器的原理及功能簡介高功率放大器的原理及功能簡介天線及伺服系統(tǒng)的原理及功能簡介衛(wèi)星通信的基本原理什么是衛(wèi)星通信?衛(wèi)星通信，簡單地說，就是地球上（包括地面、水面和低層大氣中）無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星作中繼站而進行的通信，它覆蓋面積大、不受地理條件的限制、通信頻帶寬、容量大、機動靈活，因而在國際和國內(nèi)通信領域中，成為不可缺少的通信手段。 衛(wèi)星通信示意圖 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類衛(wèi)星通信發(fā)展概況1945年，英國的阿瑟.克拉克在無線電雜志上發(fā)表了地球外的中繼站一文，最先對

2、利用靜止衛(wèi)星進行通信提出了科學的設想。衛(wèi)星通信的發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了兩個階段：1、衛(wèi)星通信的實驗階段(19541964):A:無源衛(wèi)星通信實驗。B:有源衛(wèi)星通信實驗。i:低軌道遲延式實驗通信衛(wèi)星。Ii：中、高度軌道實驗通信衛(wèi)星。Iii同步軌道實驗通信衛(wèi)星。2：衛(wèi)星通信的實用與提高階段(1965).衛(wèi)星通信的基本原理靜止衛(wèi)星：如果衛(wèi)星的軌道是圓形且在赤道軌道上，衛(wèi)星離地面約35860km時，其飛行的方向與地球自轉(zhuǎn)的方向相同，則從地面上任何一點看去，衛(wèi)星都是“靜止”不動的，這種對地靜止的同步衛(wèi)星簡稱為靜止衛(wèi)星。利用靜止衛(wèi)星作為中繼站的通信系統(tǒng)，稱為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)。 地球衛(wèi)星的軌道衛(wèi)星通信的特點

3、1、通信范圍大，三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋全球（除兩極外）。只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點之間都可進行通信。 2、不易受陸地災害的影響（可靠性高）。 3、只要設置地球站，電路即可開通（開通電路迅速）。 4、同時可在多處接收，能經(jīng)濟地實現(xiàn)廣播、多址通信（多址特點）。 5、電路設置非常靈活，可隨時分散過于集中的話務量。 6、同一信道可用于不同方向或不同區(qū)間（多址聯(lián)接）。 衛(wèi)星通信頻段和頻率再用 適用于宇宙通信的頻段為1GHZ 10GHZ，這頻段一般稱為無線電窗口。根據(jù)無線電規(guī)則分配的頻率，目前大多數(shù)衛(wèi)星固定業(yè)務使用6/4GHZ頻段（C頻段）。同時，因采用了相應的降雨補償措施，14/12G

4、HZ頻段(Ku頻段)也開始使用。目前，一些國家和國際組織也在加緊Ka頻段（30/20GHZ）的開發(fā)與利用。 衛(wèi)星通信頻段衛(wèi)星通信頻段C頻段 ：上行頻率：5925- 6425MHZ 下行頻率：3700 - 4200MHZ 帶 寬：500MKu頻段：上行頻率：14.0 - 14.5GHZ 下行頻率：10.95 - 11.20GHZ 11.45 - 11.70GHZ 帶 寬：500M影響靜止衛(wèi)星通信的因素攝動：在地球衛(wèi)星軌道上運行的衛(wèi)星除了受到地球的引力，還受到其他一些次要因素的影響，使衛(wèi)星實際的運行軌道逐漸偏離確定的理想運行軌道，這就是所謂的攝動。其他原因：如地球引力的不均勻，地球大氣層的阻力和太

5、陽輻射壓力等。影響靜止衛(wèi)星通信的因素星蝕：在每年的春分和秋分前后各23天中，靜止衛(wèi)星和地心的連線在地球表面的交點(稱為星下點)進入當?shù)氐奈缫箷r間前后，太陽、地球和衛(wèi)星處在一條直線上，此時衛(wèi)星進入地球的陰影區(qū)，即地球擋住了照射到太陽上的陽光，發(fā)生了衛(wèi)星的日蝕，這就是星蝕。 靜止衛(wèi)星發(fā)生星 蝕和日凌中斷的原理影響靜止衛(wèi)星通信的因素日凌中斷：每年春分和秋分前后，在靜止衛(wèi)星星下點進入當?shù)刂形缜昂蟮囊欢螘r間里，衛(wèi)星處于太陽與地球之間。地球站天線在對準衛(wèi)星的同時也會對準太陽，這時強大的太陽噪聲使通信無法進行，這種現(xiàn)象通常稱為日凌中斷。 靜止衛(wèi)星發(fā)生星 蝕和日凌中斷的原理 影響靜止衛(wèi)星通信的因素 圓形傾斜軌

6、道同步衛(wèi)星視在位置的日漂移影響靜止衛(wèi)星通信的因素軌道平面的傾斜效應和位置控制 當靜止衛(wèi)星因某種原因發(fā)生相對于赤道平面向上或向下一個固定的偏離值時，必然形成衛(wèi)星軌道的傾角不為0，于是衛(wèi)星的視在位置或星下點就不再固定，這就是所謂的傾斜效應。由于傾斜效應的存在，同步衛(wèi)星的視在位置和星下點的每日漂移軌跡就成為一個兩圈高、寬不等的“8”字形。衛(wèi)星通信的傳輸時延和回波干擾 時延：指信號在傳輸過程中所產(chǎn)生的時間延遲。單跳：任意兩個在同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站經(jīng)靜止衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)接的通信為單跳。傳輸時間為0.54s 衛(wèi)星通信的缺點之一是：傳輸時延大。傳輸時延大會產(chǎn)生2個問題：1、傳輸電話信號時，會使雙方通話重疊而

7、使通話者覺得很不習慣；2、會出現(xiàn)回波干擾。回波的抑制和抵消：回波抑制器 回波抵消器通信衛(wèi)星系統(tǒng)的組成主要由控制分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、遙測指令分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、和溫控分系統(tǒng)組成。通信分系統(tǒng)由天線和轉(zhuǎn)發(fā)器兩大部分。通信天線分為三種：覆球波束天線、點波束天線、賦形波束天線。通信衛(wèi)星系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)發(fā)器裝在衛(wèi)星上的收、發(fā)系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)發(fā)器，它的作用是，接受由各地面站發(fā)來的信號，經(jīng)變換頻率和放大后，再發(fā)給各收端站。它主要是由天線、接收設備、發(fā)射設備和雙工器組成。 衛(wèi)星通信的頻率再用波束分割頻率再用。利用衛(wèi)星上不同波束方向的天線，實現(xiàn)頻率再用，比如采用所謂半球波束，分別服務于東、西兩個覆蓋區(qū)，或采用所謂區(qū)域波束，

8、分別服務于不同區(qū)域。極化分割頻率再用。利用兩個相互正交的極化波在同一頻率、同一時間傳送兩組獨立的信號，相互之間沒有干擾。不同覆蓋區(qū)域內(nèi)的兩個正交極化波的利用，可實現(xiàn)雙重頻率再用。衛(wèi)星通信的應用領域 國家公眾通信 電視廣播 海 事 氣 象 國 防 信息高速公路 遠程醫(yī)療 電子商務 金融 遠程教育 電 視 會 議 電腦直聯(lián) 政府上網(wǎng) 工程 農(nóng)村電話 我國的通信衛(wèi)星1984年4月8號，我國發(fā)射第一顆實驗靜止通信衛(wèi)星。1986年2月1日，我國發(fā)射成功第一顆實用靜止通信衛(wèi)星。1988年1990年，我國相繼發(fā)生3顆經(jīng)過改進的實用通信衛(wèi)星，分別定點于87.5度E、110.5度E、98度E的赤道上空。87.5

9、度E稱為中衛(wèi)一號。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成 地面站 基本地球站系統(tǒng) 基帶輸出基帶輸入LNAD/C基帶處理HPU/C饋源接口衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介調(diào)制解調(diào)技術(shù):通常把用高頻信號去攜帶低頻信號的過程叫調(diào)制；其反過程叫解調(diào)。調(diào)制分為：模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。目前所采用的調(diào)制方式一般為數(shù)字調(diào)制方式?；绢愋头譃榉日{(diào)制、相位調(diào)制和頻率調(diào)制3種。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介調(diào)幅：即幅度調(diào)制。這種調(diào)制方式使載波（被調(diào)制的波）的幅度隨著信息信號幅度的變化而變化，從而達到傳送信息的目的。調(diào)頻：即頻率調(diào)制。它使載波（被調(diào)制的波）的頻率隨著信息信號頻率的變化而變化。調(diào)相：即相位調(diào)制。它使載波（被調(diào)制的波）的幅度保持不變，而它的相

10、位隨著信息信號幅度的變化而變化。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介DataASKPSKFSK11111000000衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介數(shù)字衛(wèi)星通信的基本調(diào)制方式是移幅鍵控（ASK），相移鍵控（PSK）和頻移鍵控（FSK）。在數(shù)字通信中，目前多采用移相鍵控（PSK）調(diào)制方式衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介QPSK調(diào)制：四相相對移相調(diào)制 利用載波的四種不同的相位變化（01-/4、 00-3/4、 10-5/4和11-7/4）來表征數(shù)字信息。調(diào)制的產(chǎn)生辦法：調(diào)相法 相位選擇法OK-QPSK：理想的QPSK調(diào)制方式，它是使已調(diào)載波的最大相位變化為/2的一種調(diào)制方式。MSK調(diào)制方式：最小相移鍵控方式。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介

11、差錯控制及擾碼差錯控制技術(shù)：自動要求重發(fā)（ARQ）、前向糾錯（FEC）。前向糾錯技術(shù)分為兩類：分組碼：BCH碼卷積碼：分為代數(shù)譯碼和概率譯碼概率譯碼：維特比譯碼和序列譯碼維特比譯碼：計算速度快，設備簡單衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介多路復用：是在同一電信傳輸系統(tǒng)中傳送多路信號的一項技術(shù)。它的基本方法是使多路信號在進入同一條線路傳送之前，使之互不干擾。目前用的多路復用方式有頻分多路復用（FDM）、時分多路復用（TDM）、碼分多路復用（CDM）和空分多路復用（SDM）方式。 衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介擾碼就是作有規(guī)律的隨機化處理后的信碼。作用： 1、減少連“0”或連“1”長度，保證接收機能提取到位定時信號。

12、2、使加擾后的信號頻譜更能適合基帶傳輸。 3、保密通信需要 衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介頻分多路復用（FDM）：用“頻率分割”方法實現(xiàn)的多路復用。時分多路復用（TDM）：用“時間分割”方法實現(xiàn)的多路復用。碼分多路復用（CDM）：利用各路信號碼型結(jié)構(gòu)的正交性而實現(xiàn)的多路復用?？辗侄嗦窂陀茫⊿DM）：在傳輸空間上實現(xiàn)多路復用。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介所謂多址技術(shù)：指把處于不同地點的多個用戶接入一個公共傳輸媒質(zhì)，實現(xiàn)各用戶之間通信的技術(shù)。多址技術(shù)與信道復用相比：它們都是利用一條信道（衛(wèi)星通信線路）同時傳輸多個信號，其不同點在于多路復用是群頻（基帶）信道的復用，多址通信則是射頻信道的復用。多址方式分為頻分多址

13、方式（FDMA）、時分多址方式（TDMA)、碼分多址方式（CDMA）及空分多址方式（SDMA）。 衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介頻分多址（FDMA）方式：不同的站占用不同頻率的信道進行通信。早期的移動通信多使用這種方式。 頻分多址方式是按頻率把各地面站發(fā)射的信號，配置在指 定的衛(wèi)星頻帶內(nèi)，而它們的頻譜排列是互不重疊的。換句話說，就是按頻率區(qū)分站址。優(yōu)點：建立通信線路較為方便。缺點：存在交調(diào)干擾。（交叉調(diào)制干擾）交調(diào)干擾：放大器件在同時放大多個不同頻率的載波信號時，由于輸入、輸出的非線性和調(diào)幅/調(diào)相轉(zhuǎn)換的非線性，都會在輸出信號中產(chǎn)生多種組合頻率成分，當這些組合頻率與信號頻率重合或部分重合時，就會產(chǎn)生干擾

14、噪聲，即交調(diào)干擾。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介時分多址（TDMA）方式：系統(tǒng)內(nèi)的用戶共同使用一個信道，但占用的時間不同，所以相互之間不會產(chǎn)生干擾。時分多址方式就是各地面站發(fā)射的信號在通過轉(zhuǎn)發(fā)器時是按 時間排列的，即各站信號所占時隙互不重疊。由于這種方式是按時間分割信號的，因而分給每一地面站的不再是規(guī)定的載波頻率，而是一個指定的時隙。換句話說，各地面站的信號只是在規(guī)定的時隙內(nèi)通過轉(zhuǎn)發(fā)器。因此，任何一個時間都只有一個地面站的載波通過轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介碼分多址（CDMA）方式：給共用一個信道的每個站都分配一個獨特的“碼序列”，各用戶依靠它來區(qū)分。所謂碼分多址方式，它的特點是各地面站所發(fā)的信號常

15、常占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部頻帶，而發(fā)射時間是任意的。因此，各站所發(fā)信號在時間上、頻帶上都可能是重疊的。這種多址方式分離信號的基本概念是利用碼型（或波型）的正交性來實現(xiàn)信號分割的。 衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介空分多址（SDMA）方式：利用空間分割來構(gòu)成不同信道的技術(shù)。所謂空分多址方式，是在衛(wèi)星上裝有多副天線，它們的波束分別指向地球上各個區(qū)域的地面站，利用天線的方向性來分割各站信號。這時，各區(qū)域的地面站發(fā)出的信號在空間上互不重疊，即使不同區(qū)域的地面站在同一時間，用相同的頻率工作，也不會互相干擾。因此，可容納更多的用戶，起到了頻率再用的作用。當然，這時要求天線的指向性十分正確，否則達不到上述目的。 衛(wèi)星通信的主

16、要技術(shù)簡介編碼與解碼：編碼：指用二進制的數(shù)字代碼來表示信息。在數(shù)字通信中，編碼指用一組組二進制的數(shù)字代碼，來表示一個個模擬信號抽樣值的過程。即把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字代碼的過程。解碼：又叫“譯碼”，指把二進制數(shù)字信號還原為模擬信號的過程。衛(wèi)星通信的主要技術(shù)簡介將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼進行傳輸、交換和處理，也就是實現(xiàn)通信的數(shù)字化，主要有以下優(yōu)點：1、抗干擾能力強，能保證較好的通信質(zhì)量。2、傳輸距離可以無限延長。3、可以實現(xiàn)各種通信業(yè)務的綜合傳送。4、便于通信和計算機的融合。5、便于實現(xiàn)保密通信。衛(wèi)星通信地球站設備簡介地面站技術(shù)指標：載噪比：接收系統(tǒng)輸入端的載波功率與噪聲功率之比值，是決定一條衛(wèi)星通信

17、線路傳輸質(zhì)量的最主要指標。信噪比 ：系統(tǒng)輸出端的信號功率與噪聲功率之比（Eb/No）。天線的增益 G ：指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。自由空間傳播損耗：是指在自由空間，一個無損耗的各向同性輻射源到與其路徑長度相等的距離處的理論損耗 。衛(wèi)星通信地球站設備簡介地面站技術(shù)指標：有效全向輻射功率EIRP ：是地球站或衛(wèi)星的天線發(fā)送出的功率（P）和該天線增益（G）的乘積，表示了發(fā)送功率和天線增益的聯(lián)合效果 。等效輸入噪聲溫度Te：它是把網(wǎng)絡內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲折算到網(wǎng)絡輸入端，并用噪聲溫度來表示。它是度量網(wǎng)絡內(nèi)部噪聲的一個參數(shù)品質(zhì)因數(shù)G/T值 ：是

18、衡量一個地球站接收性能好壞的重要指標，其定義為： G/T = 天線接收增益/系統(tǒng)噪聲溫度衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線設備由天線、饋線和跟蹤系統(tǒng)三個部分組成 。功能：有效地使發(fā)射功率轉(zhuǎn)換成電磁能量，并發(fā)射到空間去，同時也將空間接收到極為微弱的電磁波能量有效地轉(zhuǎn)換為同頻信號的高頻功率饋送給接收機。 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng)天線的種類：標準卡塞格倫天線：如圖所示，主面為旋轉(zhuǎn)拋物面，付面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。拋物面的焦點與雙曲面的虛焦點重合， 雙曲面的實焦點與饋源的相位中心重合。并三點共軸。 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng)天線的種類：標準格利高利天線： 如圖所示，主面為旋轉(zhuǎn)拋物面，付面為旋轉(zhuǎn)橢圓

19、面。橢圓面的一焦點與旋轉(zhuǎn)拋物面焦點重和，橢圓面的另一個焦點與饋源的相位中心重合。 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng)天線的種類：偏置前饋天線: 如圖所示，主面為拋物面天線的一部分。此天線由于無遮擋，天線的付瓣低。由于對稱性差，故交叉極化較差，常用于ku頻段作為TVRO天線或用于數(shù)據(jù)通信天線 。 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng)天線的種類：標準環(huán)焦天線: 主面為偏軸旋轉(zhuǎn)拋物面，副面為組合旋轉(zhuǎn)橢圓面。旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點為一圓環(huán)，故為環(huán)焦天線。橢圓面焦點與喇叭相位中心重合。衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)： 1、工作頻率C-BAND Rx 37004200MHz 36254200MHz 3

20、4004200MHz Tx 59256425MHz 58506425MHz 58506650MHzKu-BAND Rx 11.211.7GHz 12.212.7GHz 10.9511.50GHz Tx 14.014.5GHz 14.014.54GHz 14.014.5GHz衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：2、天線效率 。一般來講，對于 C-BAND Rx: 70 Tx: 65設計好的天線 Ku-BAND Rx: 65 Tx 603、極化形式：國際電聯(lián)規(guī)定：洲際通信為雙圓極化，區(qū)域通信為雙線極化。4、饋源損耗：Rx:0.2dB Tx:0.3dB 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng)

21、 天線系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：5、端口隔離建議標準為： 雙圓極化 雙線極化 Rx-Rx 20dB 30dB Tx-Tx 20dB 30dB Tx-Rx 85dB 85dB衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)： 6、天線噪聲溫度：天線噪聲溫度和天線仰角有關，也與歸算地方有關。有歸算到天線出口，有歸算到天線喇叭口。這兩種歸算方式，中間差一個饋源損耗。 7、天線方向圖：第一旁瓣：-14dB衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 饋線系統(tǒng)基本組成：主要由極化變換器、雙工器以及一些波導聯(lián)件組成。極化變換器只有在衛(wèi)星輻射和接收圓極化波時，才是必需的。雙工器的作用是使從發(fā)射設備來的信號只向天線傳輸，并保證泄漏

22、到接收設備的發(fā)送功率小到可允許程度；同時要求使從天線設備通道來的接收信號經(jīng)過它只向接收設備傳輸，而盡量不泄漏到發(fā)射設備去。 衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線饋線系統(tǒng)的技術(shù)要求：1、工作頻率范圍寬。2、天線波束寬度窄，旁瓣電平低。3、天線噪聲溫度低。4、饋線系統(tǒng)損耗小、頻帶寬、匹配好，收發(fā)通道之間隔離度大。衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 天線跟蹤系統(tǒng) ：伺服系統(tǒng)功率驅(qū)動單元PDU操作控制單元OCUAZEL位置傳感器鍵盤LNA饋源信標接收機急停限位聯(lián)鎖衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 低噪聲放大器（LNA）：即：一個具有極低固有熱噪聲的接收機。對于低噪聲放大器的基本要求是： 具有極低的噪聲溫度，以滿足地球站品質(zhì)因數(shù)G/T值的要求； 具有較高的增益及良好的增益穩(wěn)定性， 很寬的射頻工作帶寬，以便適應衛(wèi)星下行頻段的要求， 具有很高的可靠性 。衛(wèi)星通信地球站設備簡介天饋系統(tǒng) 低噪聲放大器（LNA）的技術(shù)參數(shù)：典型的C頻段低噪聲放大器的參數(shù)如下：頻率特性 3.6254.2GHz增益 60dB增益波段 0.5dB 全頻段內(nèi)噪聲溫度 40K（環(huán)境溫度23）群時延 線性0.01ns