通信系统第1章.ppt

1、第1章 卫星通信系统概述,1.1 卫星通信的基本概念 1.2 静止卫星通信的特点 1.3 卫星通信系统的组成 1.4 通信卫星的组成和功能 1.5 通信卫星的轨道和发射 1.6 卫星通信地球站 1.7 卫星通信工作频段及电波传播特点,1.1 卫星通信的基本概念,卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。这里, 地球站是指设在地球表面(包括地面、 海洋和大气中)上的无线电通信站。 而用于实现通信目的的这种人造卫星叫作通信卫星, 如图1.1所示。,图 1.1 卫星通信示意图,卫星通信是宇宙无线电通信的形式之一。在国际电信联盟(ITU)的世界无线电

2、行政会议(WARC)通过的规定中，确定了有关卫星通信的术语和定义。通常，把以宇宙飞行体为对象的无线电通信统称为宇宙通信，但按照国际电信联盟的规定， 它的正式名称为宇宙无线电通信。共同进行宇宙无线电通信的一组宇宙站和地球站叫作宇宙系统。这里，宇宙站是指设在地球大气层之外的宇宙飞行体(如人造通信卫星、宇宙飞船等)或其它天体(如月球或别的行星)上的通信站。宇宙通信有三种基本形式， 如图 1.2 所示。,图 1.2 宇宙无线电通信的三种基本形式 (a) 地球站与宇宙站之间的通信； (b) 宇宙站之间的通信； (c) 通过宇宙站的转发或反射进行的地球站之间的通信,由图 1.2 中的三种基本形式组合形成的

3、各种星间通信系统如图 1.3 所示。,图 1.3 星间通信形态,图1.4是静止卫星与地球相对位置的示意图。从卫星向地球引两条切线，切线夹角为 17.34，两切点间弧线距离为18 101 km, 可见在这个卫星电波波束覆盖区内的地球站均可通过该卫星来实现通信。若以 120 的等间隔在静止轨道上配置三颗卫星， 则地球表面除了两极区未被卫星波束覆盖外， 其它区域均在覆盖范围之内，而且其中部分区域为两个静止卫星波束的重叠地区， 因此借助于重叠区内地球站的中继(称之为双跳)，可以实现在不同卫星覆盖区内地球站之间的通信。由此可见，只要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信， 这一特点是其它任何通信方

4、式所不具备的。目前，国际卫星通信组织负责建立的世界卫星通信系统(IS, INTELSAT System)，就是利用静止卫星来实现全球通信的，静止卫星所处的位置分别在太平洋、 印度洋和大西洋上空。它们构成的全球通信网承担着绝大部分的国际通信业务和全部国际电视信号的转播。,图 1.4 静止卫星配置的几何关系,除了上述能覆盖 1/3 地球表面的全球波束(又叫覆球波束)之外，对于固定卫星业务和陆地卫星业务，事实上只要保证覆盖陆地即可， 没有必要覆盖海洋。对于区域通信或国内通信， 也只要求卫星能覆盖特定地区。因此，可以根据特定业务的需要来设计卫星天线，因而出现了半球波束、区域波束、国内波束、 点波束以及

5、形形色色的覆盖特定区域的成形波束，如图 1.5 所示。这样的波束较全球波束窄，可以提高卫星的有效辐射功率， 从而增加系统容量。或者说，在系统容量不变的情况下，可减小地球站天线口径，从而增加地球站的机动性和灵活性，使地球站更加接近用户或直接装于用户处，从而缩短或取消地球站与用户之间的连接电路。此外，利用点波束在地理位置上的分割、扫描等还可实现空分多址、频率再用以及其它特殊用途。,图 1.5 几种常见波束覆盖区域示意图,1.2 静止卫星通信的特点,与其它通信手段相比， 采用静止卫星进行通信具有以下特点: 通信距离远，且费用与通信距离无关。 (2) 覆盖面积大，可进行多址通信。 (3) 通信频带宽，

6、传输容量大，适于多种业务传输。 (4) 通信线路稳定可靠，通信质量高。 (5) 通信电路灵活。 (6) 机动性好。 (7) 可以自发自收进行监测。,静止卫星通信还存在的一些不足：(1) 两极地区为通信盲区， 高纬度地区通信效果不好。(2) 卫星发射和控制技术比较复杂。(3) 存在日凌中断和星蚀现象。 每年春分和秋分前后数日， 太阳、卫星和地球共处在一条直线上，当卫星处在太阳和地球之间时，地球站天线对准卫星的同时，也会对准太阳， 这时因太阳干扰太强，每天有几分钟的通信中断，这种现象通常称为日凌中断。而当卫星进入地球阴影区时，造成了卫星的日蚀， 称作星蚀。在星蚀期间，卫星靠蓄电池供电。由于卫星重量

7、的限制，星载电池除维持星体正常运转外，难以为各转发器提供充足的电能。,(4) 有较大的信号传播延迟和回波干扰。在静止卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为 0.27 s。 进行双向通信时，一问一答往返传播延迟约为 0.54 s。 通话时给人一种不自然的感觉。 此外， 如果不采取特殊措施，由于混合线圈不平衡等因素还会产生“回波干扰”， 即发话者 0.54 s以后会听到反射回来的自己的讲话回声， 而成为一种干扰。这是卫星通信的明显缺点。为了消除或抑制回波干扰, 地球站要增设回波抵消或抑制设备。,1.3 卫星通信系统的组成,卫星通信系统由空间分系统、通信地球站

8、分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成，如图1.6 所示。其中，跟踪遥测及指令分系统对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，并对在轨卫星的轨道、 位置及姿态进行监视和校正。监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测与控制， 以便保证通信卫星的正常运行和工作。空间分系统是指通信卫星， 主要由天线分系统、通信分系统(转发器)、遥测与指令分系统、 控制分系统和电源分系统组成。各部分的功能后面再作介绍。 地面跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统与空间相应的遥测及指令分系统、 控制分系统并不直接用于通信，而是用来保障通信的正

9、常进行。,图 1.6 卫星通信系统的基本组成,图 1.7 卫星通信线路的基本组成,1. 卫星转发器通信卫星是一个设在空中的微波中继站，卫星中的通信系统称为卫星转发器，其主要功能是：收到地面发来的信号(称为上行信号)后，进行低噪声放大，然后混频，混频后的信号再进行功率放大，然后发射回地面(这时的信号称作下行信号)。 卫星通信中， 上行信号和下行信号的频率是不同的，这是为了避免在卫星通信天线中产生同频率信号干扰。一个通信卫星往往有多个转发器，每个转发器被分配在某一工作频段中，并根据所使用的天线覆盖区域，租用或分配给处在覆盖区域内的卫星通信用户。,2. 通信地球站通信地球站由天线馈线设备、发射设备(

10、发射机)、接收设备(接收机)、 信道终端设备等组成。(1) 天线馈线设备。天线是一种定向辐射和接收电磁波的装置。它把发射机输出的信号辐射给卫星，同时把卫星发来的电磁波收集起来送到接收设备。 收发支路主要是靠馈源设备中的双工器来分离的。根据地球站的功能，天线口径可大到 32 m, 也可小到 1 m或更小。大天线一般要有跟踪伺服系统，以确保天线始终对准卫星。小天线一般采用手动跟踪。,(2) 发射设备。发射设备的任务是将信道终端设备输出的中频信号(一般的中频频率是(7018)MHz)变换成射频信号(C波段中是 6 GHz左右)， 并把这一信号的功率放大到一定值。功率放大器可以单载波工作，也可以多载波

11、工作，输出功率可以从几瓦到数千瓦。业务量大的大型地球站常采用速调管功率放大器，输出功率可达 3000 W。中型地球站常采用行波管功率放大器，功率等级为 100400 W。 随着微波集成电路技术的发展，固态砷化镓场效应管放大器(又称固态功放)在小型地球站中被广泛采用， 功率等级从 0.25 W 到125 W不等。例如，TES地球站属小型地球站，它采用了 10 W、20 W两种固态功率放大器，其固态功放设备很小， 可直接放在天线的馈源中心筒里。,(3) 接收设备。接收设备的任务是把接收到的极其微弱的卫星转发信号首先进行低噪声放大(对 4 GHz左右的信号进行放大， 而放大器本身引入的噪声很小)，

12、然后变频到中频信号(一般的中频频率为 (7018)MHz), 供信道终端设备进行解调及其它处理。早期的大型站常采用冷参量放大器作为低噪声放大器， 噪声温度低到 20 K；中等规模的地球站常采用常温参量放大器作为低噪声放大器， 噪声温度低到 55 K；小型的地球站大多采用砷化镓场效应管放大器， 噪声温度从 40 K到80 K不等。,(4) 信道终端设备。对发送支路来讲，信道终端的基本任务是将用户设备(电话、电话交换机、计算机、传真机等)通过传输线接口输入的信号加以处理，使之变成适合卫星信道传输的信号形式。对接收支路来讲，则进行与发送支路相反的处理， 将接收设备送来的信号恢复成用户的信号。对用户信

13、号的处理，可包括模拟信号数字化、信源编码/解码、信道编码/解码、中频信号的调制/解调等。目前，世界上有各种卫星通信系统，各种通信系统的主要特点主要集中在信道终端设备所采用的技术上。,1.4 通信卫星的组成和功能,通信卫星是卫星通信系统中最重要的组成部分。它的基本功能是为各个有关的地球站转发无线电信号，以实现多址中继通信。同时，通信卫星还应具有一些必要的辅助功能，以保证通信任务可靠进行。通信卫星除星体外，主要由以下五个分系统组成，如图 1.8 所示。,图 1.8 通信卫星的组成,1. 天线分系统卫星上装有两种天线，一种是遥测、指令和信标天线，一般是高频或甚高频全向天线，以便可靠地接收指令并向地面

14、发射遥测数据和信标。另一种是通信用微波天线，根据需要可设计成全球波束天线、区域波束天线、点波束天线和赋形波束天线。对于自旋稳定方式的卫星，由于卫星本身是旋转的，因此要采用机械或电子消旋措施，使天线波束始终对准通信区域。 而对三轴稳定卫星， 星体本身不旋转， 故勿需采用消旋天线。,2. 通信分系统卫星上的通信系统又叫转发器或中继器，实质上是一部宽频带的收、发信机。对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真、足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。(1) 透明转发器。透明转发器收到地球站发来的信号后， 除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转

15、发任务。 也就是说， 它对工作频带内的任何信号都是“透明”的通路。透明转发器有一次变频和二次变频两种， 如图 1.9 所示。 (2) 处理转发器。处理转发器除了进行信号转发外，还具有信号处理的功能，如图 1.10 所示。,图 1.9 透明转发器原理方框图 (a) 一次变频； (b) 二次变频,图 1.10 处理转发器原理方框图,3. 电源分系统卫星上的电源分系统是卫星上各种电子设备所需能量的源泉。 它由太阳能电池方阵、蓄电池组、稳压控制电路等组成， 如图 1.11 所示。平时由太阳能电池供电，同时蓄电池被充电。 星蚀时将由蓄电池组供电， 保证卫星通信不间断工作。图中的二极管V1用来阻止蓄电池放

16、电电流流向太阳能电池；V2则为蓄电池提供放电通路。,图 1.11 通信卫星电源方框图,4. 遥测、 指令分系统遥测设备是用各种传感器和敏感元件等器件，不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态的数据， 经放大、多路复用、 编码、 调制等处理后， 通过专用的发射机和天线发给地面的跟踪遥测指令点(TT&C站)，也可称测控站的。测控站接收并检测出卫星发来的遥测信号，转送给卫星监控中心进行分析处理； 需要实施指令控制时，再将指令信号回送给测控站，由测控站向卫星发出有关姿态和位置校正、 星体内温度调节、主备用部件切换、 转发器增益调整等控制指令信号。,指令设备专门用来接收地面测控站发给卫星的指令，并进行解

17、调和译码， 然后将其暂时存储起来， 同时又经遥测设备发回地面进行校对，地面测控站在核对无误后再发出“指令执行”信号。卫星指令设备收到“指令执行”信号后， 将存储的指令送到控制分系统，使有关执行机构正确地完成控制动作。,5. 控制分系统控制分系统由一系列机械的或者电子的可控调整装置组成， 如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置、各种转换开关等。该系统在地面测控站的指令控制下完成对卫星的姿态、 轨道位置、工作状态、主备用部件切换等各项功能的调整。,1.5 通信卫星的轨道和发射,1.5.1 通信卫星的轨道卫星的轨道是指卫星相对地球中心运动的路径。 根据不同应用和要求，卫星在天空中有不同的运行轨道

18、。1. 轨道形状 按轨道形状可将卫星轨道分成： (1) 圆形轨道。 (2) 椭圆形轨道。,2. 卫星轨道倾角按卫星轨道倾角可将卫星轨道分成：(1) 赤道轨道。 卫星轨道平面与地球赤道平面重合， 即轨道倾角为0。(2) 极地轨道。 卫星轨道平面与地球南北极的轴线重合， 即轨道倾角为90。(3) 倾斜轨道。 卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角为090 。,3. 卫星轨道离地面的高度按卫星轨道离地面的高度可将卫星轨道分成：(1) 低轨道。 通常高度为 5002000 km或 5003000 km(许多在 1500 km 以下)， 周期约 105 min(在 1000 km高度)。(2) 中轨道。

19、通常高度为 200020 000 km 或 300020 000 km, 周期约为56 h(对约 10 000 km高度而言)。(3) 高轨道。 通常高度在 20 000 km 以上， 周期大于 12 h。,高轨道卫星的高度为 35 860 km，周期为 24 h的赤道轨道又称为同步卫星轨道或静止卫星轨道。静止卫星轨道的精度要求较高，稍有偏差，卫星就会漂移。 轨道周期比地球自转周期大时，卫星均匀地向西漂移，比地球自转周期小时向东漂移， 周期差万分之一， 每天漂移 0.036。轨道不圆时，卫星每天沿东西方向来回摆动一次，离摆动中心的最大幅度(地心张角的弧度数)是偏心率的 2 倍。 轨道倾角不为0

20、时(i 0)， 卫星将会在南北方向上偏离赤道，星下点轨迹呈“8”字形， 离开赤道面最大地心张角等于轨道倾角。因此，真正的静止十分困难。 即使卫星已经静止在某个地理经度的赤道上空， 摄动也会引起它的轨道发生下列变化：,(1) 太阳和月球引力与地球扁率综合影响，使轨道倾角产生长周期的变化， 最初几年的倾角可看成长周期变化，其变化率为 0.70.9()/a。(2) 地球扁率使卫星均匀地向东漂移， 这一影响靠提高轨道半长轴抵消，也就是使轨道的周期比地球自转周期长 6 s。(3) 地球赤道不圆引起卫星东西方向摆动。漂移量与时间的平方成正比。 漂移加速度与静止的地理经度有关，数值在 01.710-3()/

21、d2之间。 若不作轨道控制，任其漂移，经度位置会发生大幅度摆动。 所以静止卫星都具有轨道修正能力。,1.5.2 静止轨道通信卫星发射,静止轨道的通信卫星一般发射重量在几百千克到几千千克。 国际号卫星的发射重量为3750 kg。 如何把这样重的卫星送到约 36 000 km高的静止轨道上去运行而不掉下来， 关键在于速度。 只要有一种发射运载工具能够提供适当的速度，使卫星绕地球作匀速圆周运动所需的向心力等于地球对卫星的引力，就能解决上述问题了。,根据计算，如不考虑空气的阻力， 在地面以 7.9 km/s 的速度把卫星向水平方向抛出去，它将沿着以地球为中心的圆轨道运行，这是在地面发射人造地球卫星所需

22、的最小速度，叫环绕速度，也叫圆轨道速度或第一宇宙速度。 如果我们使卫星速度增加，圆轨道运动就要受到破坏，使轨道从圆变成椭圆。速度越加快， 椭圆拉得越长。当速度增大到 11.2 km/s 时，卫星将摆脱地球的引力，呈抛物线轨道飞出地球去，像地球围绕太阳运行一样，成了人造行星。这个脱离地球而去的速度叫脱离速度， 也叫第二宇宙速度。如卫星速度再继续增加， 除借助地球绕太阳的 30 km/s 的速度外， 再增加一个 16.7 km/s的速度， 则称第三宇宙速度，卫星将飞出太阳系。图1.12表示卫星以不同速度环绕地球运行的轨道。,图 1.12 不同速度的卫星轨道示意图,环绕速度和脱离速度随卫星高度不同而

23、不同，卫星轨道越高，地球对卫星的引力越小(即卫星重量越轻), 其环绕速度和脱离速度就越小。但是发射卫星所需的能量并不减少，反而增加， 因为卫星升高要消耗能量。表1.1中所列的卫星高度与速度关系的数据可供参考。,表 1.1 卫星高度与速度的关系,图 1.13 三级火箭结构示意图,火箭前进的速度大小取决于发动机喷出的气流速度与质量比(火箭发射时的总质量与其熄火时的质量之比)的大小。 在同样的条件下，火箭喷出气体的速度越大，火箭所能达到的速度也就越大。质量比越大，则火箭的结构重量所占的比例就越小，也就是说，它的结构越完善，火箭所能达到的速度也就越大。目前，一般火箭的喷气速度最大只能是 2.5 km/

24、s，相应地，火箭前进的最大速度是 4.5 km/s，达不到环绕速度(7.91 km/s)，即使能达到，火箭以这样高的速度与稠密的空气摩擦， 温度会立刻升到5000 以上，而使其化为灰烬。所以，不能企望用单级火箭把卫星送上天。多级火箭则不同，它由慢到快逐级加速，在低空稠密大气层中的飞行速度并不太快，不致产生高温。随着火箭升空，逐级将工作完毕的前级火箭壳体和发动机(死重)抛掉，来提高质量比， 以达到提高速度的目的。,图 1.14 静止卫星的发射过程 (a) 初始轨道、 转移轨道变换示意图； (b) 漂移轨道、 静止轨道变换示意图,发射过程分为如下四步： 先升入初始轨道(即暂停轨道) 2. 变换到椭

25、圆转移轨道 3. 变换至漂移轨道 4. 进入静止轨道,图 1.15 航天飞机,1.6 卫星通信地球站,1.6.1 地球站的种类地球站是卫星通信系统的重要组成部分。 它可以按不同的方法来分类。 按安装方式及设备规模可分为固定站、移动站和可搬运站(在短时间内可拆卸、转移)。在固定站中，根据规模大小又可分为大型站、 中型站和小型站。按天线反射面口径大小分， 有 30 m, 20 m, 15 m, 10 m, 7 m, 5 m, 3 m, 1 m等。按传输信号特征分， 有模拟站和数字站。,按用途分， 有民用、 军用、 广播、 航空、 航海、 气象以及实验站等。按业务性质分， 有遥控、 遥测、 跟踪站，

26、 通信参数测量站， 通信业务站等。此外， 地球站还可按工作频段、通信卫星类型、 多址方式等不同进行分类， 而且随着科学技术的迅猛发展和社会需求的日益增大， 地球站新的种类仍不断涌现， 地球站的分类也将随之而有所改变。,1.6.2 地球站的组成对于不同的通信体制， 地球站的组成也不相同。但是， 从地球站设备的基本组成和工作过程来看，一个典型的双工地球站，一般包括天馈分系统、发射分系统、接收分系统、 信道终端设备分系统、伺服跟踪分系统、 监控分系统、用户接口分系统和电源分系统等， 如图 1.16 所示。,图 1.16 地球站设备的一般组成框图,1. 天馈分系统天线馈线系统简称天馈系统。它是地球站的

27、重要组成部分之一， 是实现自由空间传播的电磁波能量与发射或接收的导行波能量之间联系的设备， 也是决定地球站容量和通信质量的关键性设备之一。天线馈线系统除包括天线、 馈线外， 还应包括用以分离跟踪信号的部件等。由于地球站天线系统的建设费用很大，大约占整个地球站的1/3，因此一般都是收、 发系统共用一部天线。为了不使要发送出去的微波信号在传输过程中泄漏到接收设备中去，通常都在馈线系统中接入双工器，以作为发送波和接收波的分路器。,卡塞格伦天线的原理如图 1.17 所示。它包括一个抛物面形的主反射镜和一个双曲面形的副反射镜，副反射镜放在主反射镜的焦点处。由一次辐射器(即馈源喇叭)辐射出来的电波，首先投

28、射到副反射镜上，而副反射镜又将电波反射到主反射镜上， 主反射镜把副反射镜反射来的波束变成平行波束反射出去。即把向四面八方辐射的球面波变成了朝一定方向辐射的平面波， 这就显著地增加了方向性。,图 1.17 卡塞格伦天线 (a) 卡塞格伦天线原理图； (b) 镜面修正的作用,卡塞格伦天线的主要优点是可以把大功率发射机或低噪声接收机直接与馈源喇叭相连，从而降低了因馈电波导过长(如抛物面天线那样)而引起的损耗噪声。 同时， 从馈源喇叭辐射出来经副反射镜边缘漏出去的电波是射向天空的， 而不是像抛物面天线那样射向地面的，因此降低了大地反射噪声。,因为天线增益与主反射镜直径的平方成正比，为了满足地球站的G/

29、T值，一般把主反射镜做得较大。为了降低天线的噪声温度，主反射镜反射表面的加工精度必须很高，表面必须连续光滑。但是，对天线噪声温度影响最大的还是电波振幅和相位在主反射镜表面的分布状态。实际上，由于电波的绕射效应等影响， 从副反射镜反射到主反射镜的电波能量分布不均匀(或叫照度不均匀)，大部分集中在轴线附近。 为了进一步实现天线的高增益和低噪声，在许多地球站天线中都对主、副反射镜的形状进行了修正， 通过反射表面的微小变形， 使电波在主反射镜口面上的照度分布均匀，如图 1.17(b)所示那样。这种经过镜面修正的天线称为成形波束卡塞格伦天线。成形好的主反射镜表面固定在金属框架上，副反射镜用三脚架支撑在主

30、反射镜前方的焦点处。,2. 发射分系统在标准地球站中，要产生出几百瓦甚至十几千瓦的大功率微波信号以向卫星发射。同时，在FDMA情况下，有时一个地球站还要同时向其它多个地球站发射多个载波，所有这些任务都由地球站大功率发射系统来完成。地球站大功率发射系统的主要设备如图 1.18 所示。通常它由大功率放大器、激励器、发射波合成装置、上变频器及自动功率控制电路等组成。,图 1.18 地球站大功率发射系统的组成,地球站发射系统中，将较低的频率变换到较高的频率，这一变换设备称为上变频器。通常，上变频器可分为一次变频和二次变频两种方式。(1) 一次变频，即从中频(如 70 MHz)直接变到微波射频(如 6

31、GHz)。其突出的优点是设备简单，组合频率干扰少。而缺点是中频带宽有限，不利于宽带系统的实现。这种变频方式在小容量的小型地球站或其它某些特定的地球站中较为适用。(2) 二次变频，即从中频(如 70 MHz)先变到较高的中频(如 700 MHz或 1000 MHz)，然后再由此高中频变到微波射频(如 6 GHz)。它的优点是调整方便，易于实现宽带要求。而缺点则是电路较为复杂。这种变频方式广泛地用于大容量的大中型地球站中。,3. 接收分系统地球站接收系统的作用是从噪声中接收来自卫星的信号。 由于卫星转发器的发射功率一般只有几瓦到几十瓦，而且卫星天线的增益也小，因而卫星转发器的有效全向辐射功率较小，

32、 同时卫星转发下来的信号， 经下行线路约 40 000 km的远距离传输后，要衰减200 dB 左右。因此当信号到达地球站时就变得极其微弱，一般只有 10-1710-18W的数量级。所以地球站接收系统的灵敏度必须很高， 噪声必须很低，才能保证正常接收。为了满足上述主要要求，地球站除了采用高增益天线以外， 接收机的前级一般都要采用低噪声放大器。如图 1.19 所示，低噪声接收机系统包括低噪声参量放大器、 低噪声晶体管放大器、波导传输线、 接收波分路设备、下变频器和本机振荡器以及低噪声前置中频放大器等。,图 1.19 低噪声接收机系统的组成方框图 (a) 采用一次变频的接收机组成方框图； (b)

33、采用二次变频的接收机组成方框图,从电路组成方面来看，卫星通信地球站低噪声接收机系统通常都采用超外差方式。并且，它可以采用一次变频，也可以采用二次变频，如图 1.19 所示。当采用一次变频时，一般取中频为 70 MHz或 140 MHz; 采用二次变频时， 第一中频(例如 1125 MHz)一般都高于第二中频， 第二中频采用 70 MHz。,4. 伺服跟踪分系统,地球站天线跟踪卫星的方法有手动跟踪、 程序跟踪和自动跟踪三种。(1) 手动跟踪。 根据预知的卫星轨道位置数据随时间变化的规律， 用人工按时调整天线的指向。,(2) 程序跟踪。将卫星轨道预报的数据(即在地球站所在地观察卫星的方位角和仰角随

34、时间变化的数据)和从天线角度检测器来的天线位置角度值， 一并输入计算机， 计算机对这些数据进行处理、运算、比较，得出卫星轨道和天线实际角度在标准时间内的角度差值，然后将此值送入伺服回路，驱动天线，消除误差角。不断地比较、驱动，使天线一直指向卫星。(3) 自动跟踪。根据地球站接收到卫星所发的信标信号， 检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。由于卫星位置受影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，故目前大中型地球站都采用自动跟踪为主， 手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。,5. 监控分系统地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作， 必须在站内集中监视、 控制和测试。为此，各地球站都有一个中

35、央控制室， 监控分系统就配置在中央控制室内。监控分系统主要由监视设备、 控制设备和测试设备等组成。,6. 电源分系统(1) 应急电源设备。 应急电源设备是当市电发生重大故障或由于地球站增添设备使现用电源电力不足时采用的应急电源。(2) 交流不间断电源设备。 交流不间断电源设备是向地球站， 尤其是大功率发射机提供定频率、 定电压、 不间断的高稳定性电源的设备。,1.7 卫星通信工作频段及电波传播特点,1.7.1 工作频段的选择选择工作频段时， 主要考虑如下因素：(1) 天线系统接收的外界噪声要小。(2) 电波传输损耗及其它损耗要小。(3) 设备重量要轻， 耗电要省。(4) 可用频带要宽， 以满足

36、通信容量的需要。(5) 与其它地面无线系统(如微波中继通信系统、雷达系统等)之间的相互干扰要尽量小。,(6) 能充分利用现有技术设备， 并便于与现有的通信设备配合使用等。综合考虑上述各方面的因素，应将工作频段选在电波能穿透电离层的特高频或微波频段。目前，大多数卫星通信系统选择在下列频段工作： (1) UHF波段 400/200 MHz (2) L波段 1.6/1.5 GHz (3) C波段 6.0/4.0 GHz (4) X波段 8.0/7.0 GHz (5) Ku波段 14.0/12.0 GHz， 14.0/11.0 GHz (6) Ka波段 30/20 GHz,当电波在地球站与卫星之间传播

37、时，必须穿过地球周围的大气层，因此要受到电离层中自由电子和离子的吸收，受到对流层中的氧分子、水蒸气分子和雨、雾、云、雪和冰雹等的吸收和散射，从而形成损耗。 这种损耗与电波的频率、 波束的仰角以及气候条件有密切的关系。人们通过大量的分析和实测，得出了在晴朗天气条件下，大气吸收损耗与频率的关系曲线，如图 1.20 所示。从图中可以看出，0.1 GHz以下自由电子或离子的吸收起主要作用，频率越低越严重，频率高于 0.3 GHz时，其影响可以忽略。水蒸气分子在 21 GHz左右发生谐振吸收，出现一个更大的损耗峰。 氮没有谐振峰， 二氧化碳的谐振峰在 300 GHz。 地球站所处位置使天线波束仰角越大，

38、无线电波通过大气层的路径越短，则吸收作用就越小。频率低于10 GHz，仰角大于 5时，其影响基本上可以忽略。,图 1.20 大气中电子、离子、氧分子和水蒸气分子对电波的吸收,由图 1.20 可见，在 0.310 GHz 频段，大气损耗最小，故称此频段为“无线电窗口”。 另外， 在 30 GHz附近也有一个损耗低谷， 通常称此频段为“半透明无线电窗口”。选择工作频段时应该考虑选在这些“窗口”附近。 另外，从外界噪声影响来考虑，当频率降低到 0.1 GHz以下时，宇宙噪声会迅速增加，如图 1.21 所示， 所以最低频率不能低于 0.1 GHz。 通常在 1 GHz以上，宇宙噪声和人为噪声对通信影响

39、较小；而大气噪声，其中包括氧气、水蒸气、雨、云、 雾噪声等在10GHz 以上频段对通信影响较大，因此，从降低接收系统噪声角度来考虑，卫星通信工作频段最好选在 110 GHz之间。,图 1.21 外部噪声对接收信号的影响(晴天),1.7.2 电波传播的特点1. 自由空间的传播损耗卫星通信链路的传输损耗包括自由空间损耗、大气吸收损耗、天线指向误差损耗、极化损耗和降雨损耗等。其中主要是自由空间传播损耗，这是由于卫星通信中电波主要在大气层以外的自由空间传播，因此研究传播损耗时，应首先研究自由空间的损耗，这部分损耗在整个传输损耗中占绝大部分。至于其它因素引起的损耗，可以考虑在自由空间损耗的基础上加以修正

40、。,当电波在自由空间传播时，设在与波束中心轴向相距d的地方，用增益为GR的天线接收，则接收信号功率可由下式表示：,式中，PT为天线发射功率，GT为发射天线增益，AR=D2/4为接收天线开口面积(D为天线直径)，为天线效率，为波长。 式(1.1)中的因子(4d/)2即为自由空间传播损耗(LP)。于是有,通常用分贝表示为LP=92.44+20 lg d(km)+20 lg f(GHz) 或 LP=32.44+20 lg d(km)+20 lg f(GHz) 式(1.2)表明： 电波在自由空间以球面形式传播，电磁场能量扩散， 接收机只能接收到其中一小部分所形成的一种损耗。地球站至静止卫星的距离因地球

41、站直视卫星的仰角不同而不同， 约在 35 900 km(仰角 90)到 42 000km之间。计算时一般取 d=40 000 km。,(1.3),2. 大气损耗 1) 对流层的影响电波在对流层中传播时，要受到氧和水分子的吸收衰减， 如图 1.22 所示。 仰角为 0 时，其衰减量在 5 dB以下。,图 1.22 雨、雾、云引起的损耗及对噪声温度的影响 (a) 损耗曲线； (b) 噪声温度曲线,大气中雨、雾、云的影响在卫星系统设计时必须予以考虑。 图 1.22(a)所示为雨、雾、云对电波的吸收作用。可见，当工作频率大于 30 GHz时，即使小雨， 造成的损耗也不能忽视。在 10 GHz以下时，则

42、必须考虑中雨以上的影响。对于暴雨，其衰减更为严重，但其分布范围很小， 实际暴雨区的有效途径也较短。 云和雾的影响如图中虚线所示。图 1.22(b)所示为雨、雾、 云对天线噪声温度的影响。 为了保证可靠通信， 在进行链路设计时， 通常先以晴天为基础进行计算， 然后留有一定的余量， 以保证降雨、 下雪等情况仍然满足通信质量要求， 这个余量叫降雨余量。 晴天大气损耗值以表 1.2 所列值为参考。 此外，对于暴雨的影响， 通常要求地球站的发射功率要有一个增量。,2) 电离层的影响电波穿过电离层的衰减量，随入射角而变化。 垂直入射时， 衰减量在50/f(MHz4)2dB以下。另外，由于折射而引起的方向变

43、化在 0.6100/f(MHz)2()以下。再有，电波还受地球磁场的影响，线性极化电磁波的极化平面会发生旋转效应， 称之为法拉第效应，其旋转周数在5200/f(MHz)2以下。也就是说， 1GHz的旋转角度在 72以下， 4GHz时在 4.5以下。因此， 要根据不同情况，对极化面的变化进行补偿。利用圆极化波可以避免由于法拉第效应而造成的损失。此外，地球站天线指向误差产生的损耗一般为 0.5dB，极化损耗一般可取 0.25 dB。,3. 移动卫星通信电波传播的衰落现象移动卫星通信的电波传播情况和固定卫星通信的不同，就是移动卫星通信存在严重的衰落现象。电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射

44、、散射、 绕射到达接收天线时，已成为通过各个路径到达的合成波， 即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。 电波途经建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地移动卫星通信系统的电波传播影响很大。,图 1.23 移动卫星通信电波传播 (a) 陆地； (b) 慢衰落； (c) 航空,4. 多普勒频移当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射端载频发生频移，即多普勒效应引起的附加频移，称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相关解调的数字通信危害较大。椭圆轨道多普勒频移的表达式无法用公式表达， 现给出圆轨道的多

45、普勒频移表达式：,(1.4),式中, vD为卫星与用户的相对运动速度，fC为射频频率，c为光速， 为卫星与用户之间的连线与速度vD方向的夹角。,移动卫星通信系统可能利用的是静止轨道卫星，也可能是非静止轨道卫星。对于前者，产生多普勒频移是因为用户终端的运动， 后者主要取决于卫星相对地面目标的快速运动。表1.3列出了静止轨道、 中轨道(高度约10 000 km)和低轨道(高度约1000km)卫星系统工作在C波段时的最大多普勒频移的典型值，以及在星间切换时多普勒频移的突变值。,表1.3 不同轨道系统的多普勒频移,非静止轨道卫星通信系统的最大多普勒频移远大于地面移动通信情况， 系统必须考虑对其进行补偿

46、， 处理的方法有：(1) 终端卫星闭环频率控制。(2) 星上多普勒频移校正。(3) 链路接收端的预校正。(4) 链路发送端的预校正。方法(1)能进行精确的频移控制，但需要复杂的设备。方法(2)不需要终端参与，设备较简单，但在一个覆盖区内存在接收频差。高椭圆轨道系统多普勒频移较小，一般只需增大信道间的保护带宽即可。,1.7.3 卫星通信线路噪声在卫星通信线路中，地球站接收的信号极其微弱。 而且， 在接收信号的同时，还有各种噪声进入接收系统。由于地球站使用了低噪声放大器， 接收机的内部噪声影响已经很小，因此， 其它各种外部噪声就必须加以考虑了。下面介绍卫星通信线路噪声的来源及其计算方法。地球站接收

47、系统的噪声来源如图 1.24 所示，可分为外部噪声和内部噪声两大类。 外部噪声主要有：,图 1.24 地球站接收机输入端系统噪声,(1) 宇宙噪声。图 1.21 所示为其平均特性。宇宙噪声主要包括银河系辐射噪声、 太阳射电辐射噪声和月球、行星及射电点源的射电辐射噪声。 频率在1 GHz以下时，银河系辐射噪声影响较大，故一般就将银河系噪声称为宇宙噪声。 当接收天线指向银河系时收到的噪声等效温度和频率的关系如图 1.21 所示。(2) 大气噪声。大气除产生吸收现象外，还同时产生噪声。 通常天线波束内的大气，将在天线输出上产生如图 1.21 所示随入射角而变化的大气噪声。这种影响，在入射角小时，将急

48、剧增加。,(3) 降雨噪声。降雨除会引起无线电波的损耗外， 同时也会产生噪声。 实践证明，在 4 GHz 时，噪声温度的上升最大可达 100 K。国际卫星通信组织设计 4 GHz接收系统时，为了避免暴雨的影响，考虑给出 6 dB的余量。(4) 干扰噪声。这是来自其它地面通信系统的干扰电波所引起的噪声。按 CCIR 规定， 任意 1h 内干扰噪声的平均值应在 1000 pW以下。,(5) 地面噪声。在天线副瓣较大的情况下，会混进来一些直接由地面温度引起的噪声以及由地面反射的大气噪声，这些噪声叫作地面噪声。通过天线设计，可以把此噪声温度控制在 320 K。(6) 上行线路和转发器的互调噪声。上行线路噪声主要由转发器接收系统产生，其大小取决于卫星天线增益和接收机噪声温度。 转发器互调噪声主要是由于行波管放大器同时放大多个载波， 因非线性特性而产生的。这些噪声将随信号一起， 经下行线路而进入接收系统。此外， 还有天电噪声、 太阳噪声、 天线罩噪声等。至于接收系统的内部噪声， 主要来自馈线、 放大器和变频器等部分。,