1、第六章 卫星传输的基本理论 内容提要 卫星通信 概述 卫星传输线路 卫星通信的多址连接 卫星传输系统的应用 6.1 卫星通信概述 6.1.1卫星通信的基本概念 1.卫星通信 ? 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在多个地球站（卫星接收站）之间进行的通信。 2.通信卫星的作用 ? 相当于离地面很高的微波中继站。 卫星通信的示意图 A、 B、 C、 D、 E分别为地球站。并且他们都能同时看到卫星，那么，他们之间可经过卫星转发信号进行时实通信。 3.立即转发式卫星通信？ 在只用一颗卫星工作的情况下 ,只有那些(如 A、 B两地球站 )能同时 “ 看 ” 到卫星的地球站方可利用卫
2、星相互转发无线电信号进行实时通信 . 称为 立即转发式卫星通信。 4.延迟转发式卫星通信？ 当两个地球站，若不能能同时“看”到卫星 ,又要利用卫星进行通信时 , 只能采用延迟转发式 . 5.同步 (静止 )卫星全球通信系统 用三颗静止卫星的等间隔配置在地球赤道平面内 ,这样三颗卫星就可覆盖整个地球表面 ,只有南北极附近存在盲区 . 这三颗卫星运行周期为 24小时 , 运行轨道在赤道所决定的平面内，定点高度约为35800Km，卫星与地球作切线 ,其夹角17.340的卫星组成。 图 7.2. 静止卫星覆盖区 6.1.2卫星通信的特点 1.卫星通信的优点 (1)通信距离远 ， 覆盖区域大 (2)可进
3、行多址通信 (3)通信频带宽，传输容量大。 由于卫星通信使用的是微波频段（ 300MHz以上），因而可用频带宽、传输容量大，目前，卫星通信的传输带宽可达 500MHz，可传送 10万路以上的电话信号。 (4)机动灵活 (5)通信线路稳定可靠，传输质量高 （ 1）静止卫星的发射与控制技术比较复杂。 受太阳能电池的寿命和控制用燃料重量等的限制，卫星的工作寿命仅约为 7年。 (2)地球高纬度地区的通信效果不好，两极地区为通信 盲区 (3)存在日凌中断和星蚀现象 (4)卫星通信传输距离太长，因而信号传输的 时延较大 。 2. 静止卫星通信的不足之处 6.1.3 卫星通信的使用频段 卫星通信的使用频段虽
4、然也属于微波频段（ 300MHz 300GHz） ， 但由于卫星通信电波传播的中继距离远： 要受到对流层中的氧 、 水和雨 、 雾的吸收和散射衰减影响； 受到宇宙噪声的影响 。 卫星通信工作频段的选择是一个很重要的问题，它将影响到系统的传输容量，地球站与转发器的发射功率，天线口径尺寸的大小和设备的复杂程度以及成本的高低等。 大气中各种吸收衰减 宇宙噪声与频率的关系 频率（ GHz） 在 0.3 10GHz范围内大气吸收衰减最小，因此称此频段为 “ 无线电窗口 ” ，在卫星传输中应用最多。在 30GHz附近也有一个衰减的低谷，常称为 “ 半透明无线电窗口 ” 。选择工作频段时，应选在这些 “ 窗
5、口 ” 附近。 天线接收的外界噪声要小： 从降低接收系统噪声的角度来考虑，工作频段最好选在 l 10GHz之间工作 。 综述两方面考虑， 卫星通信的工作频段一般选在 l 10GHz范围内较为适宜，而且最理想的频段是在 4 6GHz附近， 该频段带宽较宽，便于利用成熟的地面微波中继传输技术，天线尺寸相对来讲也比较小。 由图看出，频率选择主要受 大气层及外界噪声 的影响 ： 国际电联给卫星通信的频段分配为 1-300GHZ 1.特高频 （ UHF）波段 400 200GHz 2.L波段 1.6 1.5GHz; 3.C波段 6 4GHz; 4.X波段 8 7GHz; 5.Ku波段 14 11GHz，
6、 14 12GHz 6.Ka波段 30 20GHz 上述工作频段也不是绝对的 ， 随着通信业务的增长 ，人们正在探索应用更高的频段 ， 直至光波频段 。 波段使用 1.早期使用 C波段 （ 4/6 GHz） :目前大部分民用通信卫星 ， 尤其是商用卫星使用 4 6 GHz频段 ，上行为 5.9256.425 GHz， 下行为 3.7 4.2GHz， 转发器带宽为 500 MHz。 许多国家的政府和军事卫星使用 7 8GHz， 上行为7.98.4 GHz， 下行为 7.257.75 GHz。 2.近期扩展的 Ku波段 （ 11 14GHz） :上行采用 1414.5 GHz， 下行采用 11.7
7、12 2 GHz， 或10.9511.2 GHz， 3.实验使用 Ka波段（ 20 30GHz） ： 上行为 27.531GHz，下行为 17.721 2 GHz。 6.2 卫星传输线路 A、 B两个地球站通过卫星进行通信的卫星传输线路是由收发端地球站，上、下行无线传输线路、卫星转发器 。 若地球站 A所属用户要和 B地球站所属用户通话： A站用户 卫星，上行频率 f1 卫星 B站用户，下行频率 f2 B站的用户要与 A站的用户通话时，与上述过程相似。不过 B站的 上行频率要用 f3，而且 ；下行频率用 f4，而且 ，以避免工作中的相互干扰。 此情况下，任意两个地球站进行双向通信必须占用 4个
8、频道 。 13 ff 24 ff 6.2.1 卫星传输系统中存在的噪声和干扰 接收机系统内、外噪声的来源 卫星传输系统中存在的噪声和干扰： 1太阳系噪声 2宇宙噪声和大气噪声 3降雨噪声 4地面噪声 5干扰噪声 天线接收到噪声的大小可以用天线的等效噪声温度 Ta表示。 6.2.2 接收机的载噪比 C/N与地球站性能因素 G/T值 1.接收机输入端的信号功率 接收点的信号功率为 ： 222444dGGPGdGPAWPRTTRTTRSR 自由空间传播损耗 （ GT、 GR为 1时 ） : 2)4( dPPLRTP PRTRTTRTTRLGGdGGPdGGPPCT22P)4(1)4(也可进一步写为
9、2.接收机输入端的噪声功率 N 由电子线路分析可知，当接收机阻抗匹配时，外部噪声折算到接收机输入端的噪声功率为： 接收端匹配时的热噪声功率为 N=k T B 式中 :k=1.38 10-23J K为波尔兹曼常数 ， T为接收系统的等效噪声温度 ， B为等效噪声带宽 . 3.接收机输入载噪比 C/N和地球站性能品质因数 G T值 （ 1） 接收机输入 端的信号载波功率，线路噪声之比为 载噪比： k T BLGGPNCPRTT 1 C/N = PT + GT + GR - Lp - kTB C/N = EIRP + GR - LP - kTB 式中 : EIRP = PT + GT =10lg(P
10、TGT)称为 有效全向辐射功率 。 （ 2）上行线路 C N U C/N u= EIRP g + GRS - LPU- kTsatBsat 式中： EIRP g为地球站有效全向辐射功率， GRS为卫星接收天线增益， LPU 为上行传播衰减； Tsat为卫星接收系统的噪声温度； Bsat为卫星接收系统的带宽。 （ 3）下行线路 C N D C/N D= EIRP s+ GR - LpD - kTtB 式中： EIPR S为卫星转发器的有效全向辐射功率 ， LPD 为下行传播衰减 ， GR 为地球站天线接收增益 ， Tt为地球站接收系统的噪声温度； B为地球站接收系统带宽 。 由上式可以看出 ，
11、当设计好卫星转发器的有效全向辐射功率 EIRPs之后 ， 若地球站的工作频率 、接收系统带宽以及下行线路传输衰减 数值一定 ， 则接收系统输入端载噪比 将由 决定 ,因而称 为 地球站性能因素 ， 简写 。 值越大 ， 值也越大 ， 表现出地球站接收系统性能越好 。 地球站性能因素 G/T值 pDLNCtRTGtRTGTGTGNC例如 ， 国际卫星组织规定 ， A型标准地球站在 4GHz ， 仰角 5 时的G/T 40.7dB/K， 而对其他频率工作下的性能因素做出的规定为： G/T 40.7 20lgf/4 式中 ， 工作频率 f的单位是 GHz。 若考虑整个卫星线路时， C/N中噪声温度扩
12、展为地球站输入端的噪声三部分之和 T=Tu+Ti+TD N=kTB=k(Tu+ TD+Ti)B 式中 : Tu: 上行线路噪声温度 ; Ti: 卫星转发器的交调噪声温度 ;TD: 下行线路噪声温度 . (4)整个卫星线路的 C/N 6.2.3卫星通信的 （ 接收系统的品质因素） 模拟通信系统强调信噪比 S N，数字通信系统强调载噪比 C N,它们的值是带宽函 数。缺乏一般性 ,对不同带宽的系统不便比较， 改用 C T(与带宽无关 )值表示。 C/T= C/NkB T是接收系统的等效噪声温度，包括 TU，TD， Ti 。 TC1.热噪声对上下行线路 C T的影响 (1) 上行线路 C TU值 为
13、了说明上行线路 C/TU值与转发器输入信号功率的关系，引入 转发器的灵敏度： 当卫星转发器达到最大输出（饱和）时，其输入端所需要的最小单位信号功率，即单位面积上的有效全向辐射功率，以功率密度 Ws表示： 22224444 pUgggs LE I R PdE I R PdE I R PW Ws = EIRPg - LpU +4/2 （ 1） 单载波情况 C TU =C/NU+ k+ Bsat C TU =EIRPg - LpU +GRS/Tsat )( dBBkTLGE I R PNCs a ts a tpURsgU因 EIRPgM= EIRPgs-BOi 式中 : EIRPgs表示转发器在单波工作时的值 ; EIRPgM表示在多载波工作时的值 ; BOi 输入补偿 . 与之对应的 C TU和 C T Um 表示 : ipUsgM BOLWE I R P 24 RspUgMUM s a tGC E I R P LT T 24s a tRsis TGBOW（ 1） 多载波情况
