衛(wèi)星通信課件第5章(xsy)

1、第五章 星載和地球站設備 2衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖3一、高功率放大器（HPA）和低噪聲放大 器（LNA） 1、高功率放大器（HPA） 衛(wèi)星通信系統(tǒng)中高功率放大器（HPA）是其重要部件之一。通常采用的HPA有三種類型：行波管放大器（TWTA），速調(diào)管放大器（KPA，Klystron power amplifier）和固態(tài)功率放大器（SSPA，Solid state power amplifier）。這三種放大器在不同頻率時的功率輸出見書p72圖。 4 2、低噪聲放大器（LNA） 低噪聲放大器（LNA）的重要指標是內(nèi)部內(nèi)部噪聲噪聲，可用等效噪聲溫度來表示。它在一定程度上決定了接收站的規(guī)模和體積。書p73

2、 圖給出了參量放大器、致冷和常溫砷化鎵場效應放大器的內(nèi)部噪聲性能（即等效噪聲溫度）?？梢钥闯?，同一類的LNA隨頻段的升高而增加。參量放大器內(nèi)部噪聲溫度低，但成本高。現(xiàn)在幾乎所有的地球站或是衛(wèi)星上都采用包含GaAsFET放大器的LNA。 5二、星載轉(zhuǎn)發(fā)器 通信衛(wèi)星上的核心是轉(zhuǎn)發(fā)器(或中繼器），他實際上是一部寬頻帶的收、發(fā)信機。由輸入設備、調(diào)制設備、本振設備、放大設備和發(fā)射設備組成，是直接承擔通信任務的系統(tǒng)，可以轉(zhuǎn)發(fā)兩地或多地的電報、電話、數(shù)據(jù)、傳真、電視、廣播等，是一個功能強大、結構復雜的多面手。它接收來自地面的無線電波，經(jīng)過放大后，變換頻率再向地面發(fā)射，相當于一個微波中繼站。 。6轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量

3、越多，衛(wèi)星的通信能力就越大（每個轉(zhuǎn)發(fā)器覆蓋一段頻段），所以轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量是衡量衛(wèi)星先進與否的重要標志 通常，我們把星載轉(zhuǎn)發(fā)器少于12個，功率小于1000瓦的通信衛(wèi)星稱為小容量小容量通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星；有24個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在10003000瓦之間的衛(wèi)星稱為中容量通中容量通信衛(wèi)星信衛(wèi)星；7有48個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在30007000瓦之間的衛(wèi)星是大容量通信衛(wèi)星大容量通信衛(wèi)星；轉(zhuǎn)發(fā)器多于48個，功率在7000瓦以上的是超大容超大容量通信衛(wèi)星量通信衛(wèi)星。 目前最大的通信衛(wèi)星平臺上可裝150個轉(zhuǎn)發(fā)器。東方紅三號有24個C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，6個電視和18個通信傳輸信道，可傳輸6套彩色電視節(jié)目和15000路電話或電報、傳真

4、、數(shù)據(jù)信號，工作壽命為8年8 轉(zhuǎn)發(fā)器可分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器。 1、透明轉(zhuǎn)發(fā)器透明轉(zhuǎn)發(fā)器（彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器）：透明轉(zhuǎn)發(fā)器接收地面發(fā)來的信號后，只進行放大、變頻、再放大后發(fā)回地面，對信號不進行任何加工和處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務。書p74圖5-4，圖5-5給出了其功能圖和方框圖。 切換開關介紹切換開關介紹（書p75-76) 2、轉(zhuǎn)發(fā)器的轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP和和G/T（書p76-78) 9 3、數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)器 轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的信號經(jīng)微波放大和下變頻，變成中頻信號再進行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理從而得到基帶信號，然后再經(jīng)調(diào)制、上變頻、放大后發(fā)回地面。 （1）星上交換的TDMA轉(zhuǎn)發(fā)器（書p80-81)

5、 （2）星載路由器（書p82) 路由器路由器：讀取每一個數(shù)據(jù)包中的地址然后決定如何傳送的專用智能性的網(wǎng)絡設備，工作在網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡互聯(lián)設備。10 4、星載天線、星載天線 常用的星載天線有： （1）、單級或雙級線狀天線：主要用于TTC全向天線。 （2）、喇叭天線：用于全球波束。 （3）、反射面天線：用于區(qū)域波束或點波束；多饋源賦形。（中心饋源的阻擋效應見書p79圖） （4）、相控陣天線。11全球波束天線全球波束天線 全球波束廈蓋區(qū)的示意圖如圖所示，一般地說，星下點(衛(wèi)星與地心連線和地球表面的交點)s，處于星上天線全球波束的立軸上。12由圖不難得出： (1)衛(wèi)星的全球波束寬度為： 式中， 為波束的半

6、功率寬度，即衛(wèi)星對地球的最大視角，R為地球半徑，等于6378km；h為衛(wèi)星離地面的高度，等于35860km。代入上式，可求得（見書p78)13(2)覆蓋區(qū)邊緣所對的量大地心角為：(3)衛(wèi)星到覆蓋區(qū)邊緣的距離d為：22)(1)()(cos1)(sin)(hRRhRhRhRd14 (4)覆蓋區(qū)的絕對面積S與相對面積SS0為： (5)最大傳傳輸延時(單程)：式中C為光速。)( 420地球表面面積Rs15仰角、方位角和星站距離的計算：仰角、方位角和星站距離的計算： 靜止通信衛(wèi)星s與地球站A的幾何關系可用圖a來表示。其中，設地球站A的經(jīng)、緯度分別為 和 ，靜止衛(wèi)星s的星下點S的經(jīng)度為 ，而 為星下點S與

7、地球站A之間的經(jīng)度差。 為了進一步看清楚幾何關系，我們把圖a中用斜線表示的一塊地球表面ASB畫在圖b中。下面我們分別來求，當A站天線對準衛(wèi)星S時，其仰角 、方位角 與經(jīng)度差 、地球站緯度 的函數(shù)關系 1仰角 通過A站作一條指向S方向的地平線AP，那么 就是A站對衛(wèi)星S的仰角。 211|12 e a 1 eeSAP1617為了求出 ，在圖b中作輔助線AA為OA的延長線;作AP的平行線SA，與AA交于A點。由圖直角三角形AAS可得：球面直角三角形ABS中，用球面三角學的余弦定理(邊）（書p79附）而 所以 eBcossinsincoscoscos 11所以2B)/ ,/ ,/ ,R,cb,(a,

8、Bcossinsincoscoscos1RaaRccRbbacacb為度量單位以球半徑為球面三角形三條邊18192方位角 圖中AB為過A站的子午線上的一段弧，B點為子午線與赤道的交點。通過A站作一條指向正南方向的地平線AQ，那末QAP= 就是A站對衛(wèi)星S的方位角。 由圖b中球面直角三角形ABS，根據(jù)余弦定理（角） a a(1) cossincossincoscos90)/ ,/ ,/ ,R,cb,a,;CB,(A, cossinsincoscoscos1CaCABRaaRccRbbaCBCBAa為度量單位以球半徑三角形三條邊為球面為球面三角形三個角20.SC(3) sin/sinsin/sin

9、sinsinsin(2) sin/sinsin/sinsinsinRcb,a, sinsinsinsinsinsina1處的角為球面三角形可得為度量單位以球半徑由正弦定理bBaAbBcCCcBbAa21注意，利用上式求出的 是以正南方向為基準的方位角，按規(guī)定地球站天線都是按正北方向為基準的。因此，地球站天線的實際方位角 可按下述方法求得，即 位于北半球的地球站其方位角 當衛(wèi)星位于地球站的東側(cè)時 當衛(wèi)星位于地球站的西側(cè)時 a aa18018022位于南半球的地球站其方位角 當衛(wèi)星位于地球站東側(cè)時 當衛(wèi)星位于地球站西側(cè)時 3站星距離d 由圖b中三角形OAS可知，A站到靜止衛(wèi)星S的距離為 d。 aa

10、360coscoscosccosa )(cossinsincoscoscoscos)(2)(1222余弦定理而BacacbcsohRRhRRdEEEEEE23 所以24 通過以上公式推導可以看出，只要知道地球站所在位置的經(jīng)緯度和靜止衛(wèi)星的定點經(jīng)度，就可由 、 、 d的計算公式 分別計算出地球站天線對準衛(wèi)星時的仰角、方位角以及站星距離。 例題：例題：“亞太一號”衛(wèi)星星下點經(jīng)度 ，求北京地球站天線對準衛(wèi)星時的方位角、仰角和站星距。 e aE00.1382kmdtgarctgarctgaecoscos302. 0023. 142238sin)cos(cos1151. 0coscos112112526

11、點波束天線點波束天線 覆蓋面積小，一般為圓形，半功率寬度幾度 天線通常為前饋拋物面天線，饋源為喇叭賦形波束天線賦形波束天線（對覆蓋區(qū)的賦形見書p77圖） 可通過修改反射器形狀來實現(xiàn) 也可利用多個饋源從不同方向經(jīng)反射器產(chǎn)生多波束的組合相控陣列天線相控陣列天線 相控陣列天線由多個獨立的陣列單元組成，各單元由頻率接近和相位特定的信號驅(qū)動，以得到所需的特性。通過對激勵信號相位的控制，可以在陣列天線不作任何物理移動的情況下，改變波束的方向從而進行空間掃描，這就是相控陣列天線的基本工作原理。27相控陣天線的應用相控陣天線的應用：在低軌衛(wèi)星蜂窩系統(tǒng)中，為了延長一個蜂窩的連續(xù)服務時間，不至于切換頻繁，常采用“

12、固定地面蜂窩”技術，即讓星載天線對地面作與衛(wèi)星運動方向相反的掃描，以保持衛(wèi)星覆蓋其間，運動中的衛(wèi)星支持某一蜂窩的波束不變，使蜂窩間的切換和衛(wèi)星間的切換等效，從而大大延長了一個蜂窩支持連續(xù)通信的時間。28三、通信地球站設備 對于提供雙向數(shù)字通信鏈路的地球站設備，主要包括RF終端（包括天線、HPA、LNA、和上、下變頻器）、調(diào)制與解調(diào)器、基帶與控制設備以及用戶接口。（見書p84圖5-16） 1、射頻部分 地球站的主要性能指標是上行鏈路的EIRP和下行鏈路的G/T值，它們都由射頻部分設備的性能決定。 （1）天線 為了達到較高的EIRP，地球站常采用大尺寸、高增益的天線。一般天線直徑為7-13m，最大的可達30m。應用較多的天線是卡塞格倫天線。（圖見后p35,36）29（2）高功率放大器（HPA）（3）低噪聲放大器（LNA）（4）上、下變頻器 上變頻器將中頻信號變換為射頻信號，而下變頻器將射頻信號變換為中頻信號。 2、中頻與基帶處理部分 3、地面接口與陸地鏈路 地球站的地面接口是衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務的終點，它通過陸地鏈路與地面網(wǎng)或用戶終端連接。 陸地鏈路(見書p89圖5-19) 微波和光纖鏈路的投資比較（書p89圖5-20)30地面接口: （1）電話接口：（書p91) a、模擬話音接口；b、數(shù)字電話接口（E1接口，T