第三章《衛(wèi)星通信》衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)

第三章衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)

任課老師：溫洪明電子與電氣工程系通信教研室3．1天線及饋源系統(tǒng)

天線決定了地球站的EIRP和G/T，根據(jù)天線的口徑可以分為：大型站天線：15-33m中型站天線：7-15m小型站天線：3-7mVSAT微型天線：0.6-4m

天線就是一種高頻電波能量與高頻信號功率間的換能器，可以作為發(fā)射也可以作為接收。3．1．1地球站天線1、地球站天線的主要特性和技術(shù)指標(biāo)

總體要求是高增益，高效率，低噪聲溫度，寬頻帶，高極化隔離度，小駐波比，堅固質(zhì)輕的材料。工作頻段：接收3625-4200MHz；發(fā)射5850-6425MHz增益：接收增益和發(fā)射增益旁瓣特性：指天線點播輻射方向圖次方向上的輻射特性噪聲溫度：在底物天際角、天線仰角等情況下的噪聲溫度極化形式：雙圓極化（發(fā)射、接收、左旋和右旋）或者線極化（垂直極化和水平極化），橢圓極化比較少極化軸比：非圓極化方式下，長軸和短軸的比值電壓駐波比：點播轉(zhuǎn)播時的駐波特性端口隔離度：發(fā)射和接收端口的隔離情況可耐用功率：可以承受的最大功率3．1．1地球站天線2、地球站天線的結(jié)構(gòu)和類別（1）拋物面天線

單反射面型天線，主反射器為拋物面，饋源位于其焦點附近，能把饋源輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǖ亩ㄏ蛱炀€。F/D（F是拋物線的焦點，D是拋物線的口徑）與饋源的方向角Q是從屬關(guān)系，也就是說只有饋源的方向角確定以后才能確定你所要制作的拋物面天線的直徑及焦距。分為發(fā)射天線和接收天線兩種，發(fā)射天線由饋源發(fā)出的球面電磁波經(jīng)拋物面反射后，成方向性很強的平面波束向空間輻射，可以將無線信號直線發(fā)射到衛(wèi)星或者其他拋物面接收天線。接收天線由拋物面反射器將垂直信號反射收集到饋源。

3．1．1地球站天線3．1．1地球站天線優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，方向性強，工作頻帶寬。缺點：天線噪聲溫度較高；由于采用前饋，會對信號造成一定的遮擋；使用大功率功放時，功放重量帶來的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性必須被考慮。DFOMT來自高功放到LNA（2）卡塞格倫天線

卡塞格倫天線是另一種在微波通信中常用的天線，它是從拋物線演變而來的?？ㄈ駛愄炀€由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。主反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位于雙曲面的另一焦點上。它是由副反射器對輻射源發(fā)出的電磁波進行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然后再經(jīng)主反射器反射后獲得相應(yīng)方向的平面波波束，以實現(xiàn)定向發(fā)射。

3．1．1地球站天線3．1．1地球站天線特點：天線效率高，噪聲溫度低，饋源和低噪聲放大器可以安裝在主反射后方的射頻箱中，方向圖較好。經(jīng)典的卡塞格倫天線由于副反射面的存在阻擋一部分能量，所以天線效率較低，目前常用的是修正型的卡塞格倫天線，天線效率提高到了0.7-0.75，而且能量分布均勻。（3）偏置型天線

天線偏置技術(shù)就是為了解決卡塞格倫天線和拋物面天線中由于總存在一部分的點播能量被阻擋而導(dǎo)致天線增益下降，旁瓣增益高的缺點而發(fā)明的新型天線技術(shù)。偏置天線就是將饋源或者副反射面移出天線的主面輻射區(qū)，從而消除遮擋。常用于較小的地球站和VSAT站。3．1．1地球站天線（4）環(huán)焦天線

對衛(wèi)星通信天線的總要求是在寬頻帶內(nèi)有較低的旁瓣、較高的口面效率及較高的G/T值，當(dāng)天線的口面較小時，使用環(huán)焦天線能較好地同時滿足這些要求。因此，環(huán)焦天線特別適用于VSAT地球站。

環(huán)焦天線由主反射面、副反射面和饋源喇叭三部分組成，主反射面為部分旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面由橢圓弧CB繞主反射面軸線OC旋轉(zhuǎn)一周構(gòu)成，饋源喇叭位于旋轉(zhuǎn)橢球面的一個焦點M上。由饋源輻射的電波經(jīng)副反射面反射后匯聚于橢球面的另一焦點M’，M’是拋物面OD的焦點，因此，經(jīng)主反射面反射后的電波平行射出。由于天線是繞機械軸的旋轉(zhuǎn)體，因此焦點M’構(gòu)成一個垂直于天線軸的圓環(huán)，故稱此天線為環(huán)焦天線。3．1．1地球站天線

環(huán)焦天線的設(shè)計可消除副反射面對對電波的阻擋，也可基本消除副反射面對饋源喇叭的回射，饋源喇叭和副反射面可設(shè)計得很近，這樣有利于在寬頻帶內(nèi)降低天線的旁瓣和駐波比，提高天線效率。缺點是主反射面地利用率低，如圖所示，AA’間的區(qū)域沒有作用。

3．1．1地球站天線（5）格里戈倫天線格里高利天線也是一種雙反射面天線，也由主反射面、副反射面及饋源組成，如圖所示。

與卡塞格倫天線不同的是，它的副反射面是一個橢球面。饋源置于橢球面的一個焦點F1上，橢球面的另一個焦點F2與主反射面的焦點重合。格里高利天線的許多特性都與卡塞格倫天線相似，不同的是橢球面的焦點是一個實焦點，所有波束匯聚于這點。3．1．1地球站天線（5）雙頻段天線

如果使用頻率選擇表面（FSS）作副反射面，就可以構(gòu)成雙頻段天線。FSS是一種空間濾波器，通過在空間放置周期性的金屬貼片或金屬縫隙構(gòu)成，它在某些頻率可讓電磁波無衰減的通過，而在另外一些頻率將電磁波完全反射。

其結(jié)構(gòu)及電磁特性如圖所示，在頻率f1電磁波被完全反射，在頻率f2電磁波完全通過。如果我們使用這樣的FSS作副反射面，并使饋源1工作在f1，饋源2工作在f2，則兩個饋源可無干擾地工作在同一副天線上。利用相同地原理，可制成多頻段天線，這種技術(shù)已在衛(wèi)星上得到應(yīng)用。這種天線地優(yōu)點是可有效利用反射面，降低天線重量。3．1．1地球站天線FSS的結(jié)構(gòu)及電磁特性雙頻段天線3．1．1地球站天線3．2地球站天線跟蹤伺服系統(tǒng)3．2．1地球站天線跟蹤系統(tǒng)體制

1、步進跟蹤系統(tǒng)

步進跟蹤又稱為極值跟蹤或者極值跟蹤體制，她是根據(jù)衛(wèi)星信標(biāo)信號或者導(dǎo)頻信號的極大值來判定天線是否對準(zhǔn)衛(wèi)星，然后一步步低控制天線在方位面和信仰角內(nèi)轉(zhuǎn)動，使天線準(zhǔn)確指向衛(wèi)星。

步進跟蹤的原理和設(shè)備（同一步式和雙向搜索式）

搜索步：數(shù)據(jù)取樣、場強記憶電路，比較電路調(diào)整步：向衛(wèi)星方向轉(zhuǎn)動一步優(yōu)缺點天線波束不能完全停留于對準(zhǔn)的衛(wèi)星，跟蹤精度和速度不高，但設(shè)備簡單，維修方便3．2．1地球站天線跟蹤系統(tǒng)體制

2、單脈沖跟蹤系統(tǒng)單脈沖指在一個脈沖的時間間隔內(nèi)就能夠得到完整的天線波束偏離衛(wèi)星的信息：方位和俯仰角誤差，并能驅(qū)動伺服系統(tǒng)使天線迅速對準(zhǔn)衛(wèi)星。根據(jù)方式不同，可以分為多喇叭跟蹤和多模跟蹤兩種。等信號法在偏離天線軸線的方向，尋找兩個或者四個對稱的點，然后比較想過戶對稱點上得信號大小，并以此來判定目標(biāo)偏離軸線的方向。優(yōu)缺點跟蹤精度和速度很高，但設(shè)備復(fù)雜，成本較高3．2．1地球站天線跟蹤系統(tǒng)體制

3、記憶極值式跟蹤系統(tǒng)

記憶極值式跟蹤系統(tǒng)與其他步進式跟蹤的共同點就是把極大值記憶下來與實時值進行比較，不同點是記憶極值式系統(tǒng)的電機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，也就是沒有搜索步和調(diào)整步之分。優(yōu)點在于用一般的三相電動機，控制信號不用功率放大，對傳動系統(tǒng)要求也低。

3．2．2跟蹤接收機跟蹤接收機的主要任務(wù)是把天線接收來的微波信號（信標(biāo)信號、導(dǎo)頻信號、誤差信號）進行放大，并把他的幅度變換為直流信號，直流信號的大小對應(yīng)于微波信號的強弱。1、信標(biāo)信號跟蹤信標(biāo)信號頻率高，需要獨立的下變頻器，，用專門的跟蹤接收機接收信標(biāo)信號，適用于所有典型的地球站。2、導(dǎo)頻信號跟蹤

導(dǎo)頻信號頻率較低，信號直接取自于下變頻器，這樣和通信信號能夠公用一個下變頻器，這種方法僅適用于小型衛(wèi)星地球站，不適用與大型站和主站。3．2．3天線伺服系統(tǒng)1、伺服系統(tǒng)必須具備的主要功能

天線伺服系統(tǒng)是根據(jù)跟蹤系統(tǒng)給出的誤差控制信號來驅(qū)動天線使得天線波束對準(zhǔn)衛(wèi)星。必須具備的功能有：轉(zhuǎn)動天線反饋天線新位置信息將交流信號變成直流信號和將直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號（控制信號為交流，驅(qū)動器件識別直流，位置信息為直流，必須轉(zhuǎn)換為交流才能完成控制。）系統(tǒng)中還需要電壓放大和功率放大元件3．2．3天線伺服系統(tǒng)2、伺服系統(tǒng)的分類根據(jù)驅(qū)動器件的不同可以分為以電動機（直流或者交流）來轉(zhuǎn)動天線的機電伺服系統(tǒng)和用電液閥來控制液壓馬達(dá)推動天線轉(zhuǎn)動的電液伺服系統(tǒng)。根據(jù)采用的跟蹤體制可以分為以下幾種方式：步進跟蹤的伺服系統(tǒng)

省去了復(fù)雜的饋源，簡化了跟蹤接收機，但是因為天線主波束方向圖頂端平坦，使得跟蹤器難以確認(rèn)天線的最佳指向。

微處理器在伺服系統(tǒng)中能夠正確進行數(shù)據(jù)采樣、存儲、數(shù)據(jù)比較等控制，以及邏輯關(guān)系的處理，在完成同步的同時，完成對天線的位置、速度等參數(shù)進行計算。3．2．3天線伺服系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換外部控制指令D/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換放大方位步進電動機俯仰步進電動機放大軸角編碼器位置顯示自信標(biāo)跟蹤接收機微處理器微處理機控制的伺服系統(tǒng)框圖3．2．3天線伺服系統(tǒng)方位相敏檢波俯仰相敏檢波方位基準(zhǔn)電壓俯仰基準(zhǔn)電壓放大器放大器功率放大器功率放大器執(zhí)行部件執(zhí)行部件敏感部件敏感部件EL位置顯示AZ位置顯示誤差信號AZEL自跟蹤接收機單脈沖跟蹤的伺服系統(tǒng)

先把控制信號電壓放大，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘柡?，再通過功率放大，以推動執(zhí)行元件轉(zhuǎn)動天線，并通過誤差敏感元件將天線的位置信息反饋會放大器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時由顯示裝置顯示天線的方位和俯仰位置。單脈沖跟蹤的伺服系統(tǒng)框圖3．2．3天線伺服系統(tǒng)船載衛(wèi)星通信天線的伺服控制系統(tǒng)無源穩(wěn)定

也稱為飛輪穩(wěn)定和重力穩(wěn)定。是將天線安裝在x軸和y軸所決定的平面上，平面下面帶有高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，利用旋轉(zhuǎn)飛輪的陀螺效應(yīng)提供由于船體搖擺帶來的干擾力矩的恢復(fù)力矩，使得x軸和y軸所構(gòu)成的平面不受船體搖擺的影響而形成一個穩(wěn)定的平臺。也稱為機械穩(wěn)定法，穩(wěn)定精度不高，要求不高的場合應(yīng)用，簡單、造價低。有源穩(wěn)定有緣穩(wěn)定分為本機穩(wěn)定和外部引導(dǎo)穩(wěn)定，外部引導(dǎo)穩(wěn)定又分為機械穩(wěn)定和電器穩(wěn)定。一般要求高、口徑大的場合運用。3．2．3天線伺服系統(tǒng)地球站伺服系統(tǒng)的指標(biāo)

指標(biāo)的環(huán)境條件為：-30°C~+55°C；精度工作條件：穩(wěn)定風(fēng)速、陣風(fēng)。（1）指向精度天線波束軸線與所要求的方向之間的夾角要小于0.2個波束寬度。（2）跟蹤精度在自動跟蹤工作狀態(tài)下，天線波束軸線與接收的衛(wèi)星信號來波方向之間的誤差要小于0.1個波束寬度。3．3信號處理技術(shù)3．3．1數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)(DSI)1、“話音內(nèi)插”技術(shù)（DSI）在電話通信中，由于每句話間的間隙、詞匯間隙以及停頓思考等原因，平均有40～50％左右時間間隔內(nèi)是不傳輸話音信號的，若利用這些空隙時間來傳輸其它話路的信號，就能提高電話線路的利用率近一倍2、數(shù)字話音內(nèi)插的類型時分話音內(nèi)插（TASI）

利用呼叫之間的間隙，在通話者聽話而未講話以及講話停頓的空閑時間，把空閑的通路暫時分配給其他用戶。話音預(yù)測編碼（SPEC）只當(dāng)某一個時刻樣值的PCM編碼與前一樣位的PCM編碼有明顯的差別既不能預(yù)測時，才發(fā)出此時刻的碼組，否則不發(fā)，因而減少了需要傳輸?shù)拇a符數(shù)。3．3．1數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)(DSI)3、時分話音內(nèi)插（TASI）的基本原理延遲線話音存儲器-發(fā)分配狀態(tài)寄存器-發(fā)分配處理機-發(fā)話音檢測器分配信號產(chǎn)生器合路器分配信號接收器分配處理機-收分配狀態(tài)寄存器-收話音存儲器-收分路器n個話路輸入通道分配通道數(shù)據(jù)通道m(xù)話路數(shù)字式時分話音內(nèi)插系統(tǒng)原理圖3．3．1數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)(DSI)4、數(shù)字話音時分內(nèi)插的工作過程在發(fā)送端，話音檢測器依次對各輸入話路的工作狀態(tài)加以識別，判斷它們是否有語音信號通過。分配信息的傳送方式有兩種，一種是只發(fā)送最新的狀態(tài)連接信息；另一種是發(fā)送全部連接狀態(tài)信息。話路質(zhì)量不變的情況下，使用m條話路為n路服務(wù)（n>m），則有：GDSI=n/m不同A值條件下DSI與n的關(guān)系3．3．1數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)(DSI)5、音預(yù)測編碼SPEC在圖中給出了SPEC發(fā)端的原理圖。其工作過程如下。①話音檢測器依次對輸入的采用TDM復(fù)用格式的N個通道編碼碼組進行檢測，當(dāng)有話音編碼輸入時，則打開傳送門，將此編碼碼組送至中間幀寄存器和零級預(yù)測器；否則傳送門仍保持關(guān)閉狀態(tài)。②零級預(yù)測器將預(yù)測器幀存儲器中所儲存的上一次取樣時刻通過該通道的那一組編碼與剛收到的碼組進行比較，并計算出它們的差值。③與此同時，又將此碼組“寫入”發(fā)送幀寄存器，并在規(guī)定時間進行“讀操作”。④在零級預(yù)測器中，各次比較的情況被編成分配碼（SAW），如可預(yù)測用“0”表示，而不可預(yù)測則用“1”表示。3．3．1數(shù)字話音內(nèi)插技術(shù)(DSI)⑤在接收端，則根據(jù)所接收到的“分配通道”和“M個輸出通道”的結(jié)構(gòu)，就可恢復(fù)出原發(fā)端輸入的N通道的TDM幀結(jié)構(gòu)。SPEC發(fā)端方框圖3．3．2回波抑制（抵消）技術(shù)1、一條長途電話線路的基本組成

二線制、四線制、制式輪換問題、回波

長途電路線路組成HANAHBNB放大GWabab衰減LE衰減LW放大GE傳輸延時D傳輸延時D衰減LSB衰減LSA用戶A用戶B二進制四進制二進制H：混合線圈N：平衡網(wǎng)絡(luò)3．3．2回波抑制（抵消）技術(shù)衛(wèi)星通信線路產(chǎn)生回波干擾示意圖S—衛(wèi)星D—雙工器T—發(fā)射機R—接收機H—混合線圈

—信號傳輸線路—回波傳輸線路TDHRTDHRS電話機A電話機B發(fā)端站收端站2、回波抑制技術(shù)為了解決回波干擾問題，必須在語音信號的基帶線路中接入一定的電路，以便在不影響語音信號正常傳輸條件下，將回波消弱或者抵消，這就是回波抑制技術(shù)。3．3．2回波抑制（抵消）技術(shù)3、回波抵消器種類模擬式回波抵消器數(shù)字式回波抵消器

都是用一個濾波器模擬混合線圈，是他的輸出與接收話音信號的泄露相互抵消，以防止回?fù)芨蓴_的發(fā)生。

3．3．3語音編碼技術(shù)1、信源編碼——

PCM、DPCM、△M2、語音壓縮編碼技術(shù)

根據(jù)人對信號的不同參數(shù)的反應(yīng)不同而降低地傳輸率。

3、語音編碼技術(shù)的分類

波形編碼直接將十余語音信號變成數(shù)字代碼，目的是盡可能真實地在收端恢復(fù)語音波形，也稱為真跡編碼。（16-64bit/s）參量編碼(聲碼器)

在語音的頻域或者其他正交變換域提取其特征參量并變換成數(shù)字代碼，也稱為變換域編碼。（600-9600bit/s）混合編碼

使用一定的算法，把波形編碼的高質(zhì)量與聲碼器的高效率結(jié)合，從而實現(xiàn)更低的數(shù)碼率（9600bit/s以下），或者高質(zhì)量語音。

3．3．3語音編碼技術(shù)4、改進的波形編碼和參量編碼差值脈碼調(diào)制（DPCM）

由于語音信號的波形是相關(guān)性的，而卻取樣后的前后幅度樣值仍有相關(guān)性。在對后面的幅度樣值編碼時，利用前面的幅度樣值，利用相關(guān)性，減少編碼的位數(shù)，降低信碼中信息冗余度和數(shù)碼率的方法。abS(1)S(0)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)S(8)S(8)S(9)S(10)S(11)S(12)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)d(7)S(7)d(9)d(10)d(11)d(12)S(t)ttTS話音信號采用DPCM編碼時的取樣幅度及其差值a—話音信號波形b—取樣的幅度與差值

3．3．3語音編碼技術(shù)參量編碼器（聲碼器）

（1）語音生成及其模型音源、聲道、輻射三部分，標(biāo)志音源的參量有：主音的基音周期和濁音與清音的強度。沖激序列發(fā)生器聲門脈沖模型隨機噪聲發(fā)生器時變線性濾波器基音周期語音信號輸出AvAn語音生成器模型T:基音周期幅度頻譜包絡(luò)T語音信號的頻譜

3．3．3語音編碼技術(shù)濁音清音通道聲碼器原理方框圖（2）聲碼器的基本原理聲碼器完成的作用是對語音信號的分析與合成，在發(fā)送端通過對語音信號的分析，得出要傳送的特征參量；在接收端則是根據(jù)收到的參量再合成得出近似與原語音的信號。線性預(yù)測聲碼器的原理方框圖

3．3．3語音編碼技術(shù)（3）線性預(yù)測聲碼器的原理線性預(yù)測聲碼器是目前應(yīng)用比較廣泛的一種聲碼器，發(fā)送端包括兩個部分：線性預(yù)測分析器（用于計算線性預(yù)測系數(shù)）和提取基音與判別濁音/清音的檢測器。3．4調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)

頻率調(diào)制是為了增加傳輸帶寬，得到大的調(diào)制增益，有利于地球站接收機獲得較高的C/N，或者在給定載噪比的情況寫可以減少衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率。為了解決調(diào)頻制帶來信號頻帶增加的缺點，并增加現(xiàn)有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的容量，改善信號的傳輸質(zhì)量，有自解壓縮法擴展技術(shù)，可以應(yīng)用于FDM/FM/FDMA體制，也可以應(yīng)用于壓擴單邊帶調(diào)幅頻分多址（CSSB/AM/FDMA）。設(shè)計目的：一種是以有效利用地球站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)站的發(fā)射功率為目的的調(diào)制方式，稱為功率有效方式。一種是以有效利用射頻頻帶為主要目的的調(diào)制方式，大于2bit/s/Hz時，稱為頻譜有效方式。調(diào)制技術(shù)通信體制：

FSK、PSK、MPSK、CPFSK、MSK等都是恒定的包絡(luò)調(diào)制，因為交調(diào)的存在，使得ASK方式的應(yīng)用受到限制。信道特性

采用PSK調(diào)制方式可以獲得最佳的接收性能。新到的干擾是加性的高斯白噪聲，所以認(rèn)為是恒參信道。3．4．1模擬調(diào)制1、頻率調(diào)制技術(shù)

在模擬衛(wèi)星通信中，用調(diào)頻方式傳輸電話信號時常用的方法頻分復(fù)用／調(diào)頻（FDM／FM）方式每載波單路/調(diào)頻（SCPC／FM）方式FDM/FM解調(diào)過程1、頻率調(diào)制技術(shù)

在模擬衛(wèi)星通信中，用調(diào)頻方式傳輸電話信號時常用的方法頻分復(fù)用／調(diào)頻（FDM／FM）方式每載波單路/調(diào)頻（SCPC／FM）方式LNA下變頻IF濾波限幅微分器包絡(luò)檢波LPF分路復(fù)接器本振限幅微分器包絡(luò)檢波FM解調(diào)器

·

··來自衛(wèi)星的微波FM信號加噪聲

壓擴器原理框圖3．4．1模擬調(diào)制2、CS