衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)知識

1、衛(wèi)星通信概述1. 衛(wèi)星通信的基本概念與特點(diǎn)定義： 衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信又是宇宙無線電通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飛行體為對象的無線電通信，它有三種形式： （1）宇宙站與地球站之間的通信； （直接通信）（2）宇宙站之間的通信； （直接通信）（3）通過宇宙站轉(zhuǎn)發(fā)或反射而進(jìn)行的地球站間的通信。（間接通信） 第三種通信方式通常稱為衛(wèi)星通信，當(dāng)衛(wèi)星為靜止衛(wèi)星時稱為靜止衛(wèi)星通信。大多數(shù)通信衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星（靜止衛(wèi)星：軌道在一定高度時衛(wèi)星與地球相對靜止）。靜止衛(wèi)星是指衛(wèi)星的運(yùn)行軌道在赤道平面內(nèi)。軌道離地面高度約為358

2、00km（為簡單起見，經(jīng)常稱36000km）。 靜止衛(wèi)星通信的特點(diǎn)（1）靜止衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)a 通信距離遠(yuǎn)，且費(fèi)用與通信距離無關(guān)（只要在衛(wèi)星波束范圍內(nèi)兩站之間的傳輸與距離無關(guān)）b 覆蓋面積大（三顆衛(wèi)星即可覆蓋所有地方），可進(jìn)行多址通信（一發(fā)多收）c 通信頻帶寬（帶寬為500M），傳輸容量大d 信號傳輸質(zhì)量高，通信線路穩(wěn)定可靠e 建立通信電路靈活、機(jī)動性好（只要衛(wèi)星覆蓋到，均可建立地面站進(jìn)行通信） f 可自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測 （2）靜止衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)a 靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜（所以國內(nèi)做衛(wèi)星發(fā)射的很少）。b 地球的兩極地區(qū)為通信盲區(qū)（軌道與赤道平行，切線方向下來無法到達(dá)兩極），而且地球的高緯

3、度地區(qū)通信效果不好。c 存在星蝕（衛(wèi)星在地球和太陽之間）和日凌（地球在太陽和衛(wèi)星之間）中斷現(xiàn)象。（現(xiàn)今可通過處理縮短這種現(xiàn)象）d 有較大的信號傳輸時延（發(fā)射和接受時間）和回波干擾。 2. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成（1）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成 通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由地球站、通信衛(wèi)星（前兩個為主要組成，負(fù)責(zé)衛(wèi)星收發(fā)）、跟蹤遙測及指令系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)（后兩個提供輔助功能，監(jiān)測衛(wèi)星、姿態(tài)調(diào)整等）4大部分組成的，如圖所示。（2）衛(wèi)星通信線路的組成 兩個地球站通過通信衛(wèi)星進(jìn)行通信的衛(wèi)星通信線路的組成如圖所示，是由發(fā)端地球站，上、下行無線傳輸路徑和收端地球站組成的。 3.衛(wèi)星通信地球站設(shè)備 對地球站的技術(shù)要求 一般來

4、說，對地球站應(yīng)有以下幾方面的要求。 發(fā)送的信號應(yīng)是寬頻帶、穩(wěn)定、大功率的信號，能接收由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)來的微弱信號（可通過放大解調(diào)處理）。 可以傳輸多路電話、電報(bào)、傳真，以及高速數(shù)據(jù)、電視等多種業(yè)務(wù)的信號。 性能穩(wěn)定、可靠，維護(hù)、使用方便。 建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用不應(yīng)太高。 （1）地球站的性能指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)（G/T） G/T是地球站接收天線的增益G與地球站接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度T的比值，它表征了地球站對微弱信號的接收能力，稱為地球站的品質(zhì)因數(shù)。 （2）有效輻射功率及其穩(wěn)定度 為了保證所傳送信號的質(zhì)量，要求地球站的發(fā)射機(jī)能夠發(fā)射較大的功率，一般為幾百瓦十幾千瓦，而且要求所發(fā)射的射頻信號功率非常穩(wěn)定。（3

5、）射頻頻率的穩(wěn)定度 地球站所發(fā)射的射頻信號的頻率必須很精確，如果有較大漂移，不但要影響衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶的有效利用，還會在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中產(chǎn)生交調(diào)噪聲。 （4）射頻能量的擴(kuò)散 為減小交調(diào)干擾，必須對地球站在負(fù)載輕（即通話數(shù)少）的時候所發(fā)射的射頻頻譜能量密度加以限制。（5）干擾波輻射的限制 為防止干擾波對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和其他微波通信系統(tǒng)形成干擾，規(guī)定地球站因多載波引起的交調(diào)干擾及帶外總的有效全向幅射功率應(yīng)小于限定值。 地球站的組成 標(biāo)準(zhǔn)地球站的組成，主要由天線分系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)、接收機(jī)分系統(tǒng)、通信控制分系統(tǒng)、信道終端設(shè)備分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)6個分系統(tǒng)組成。 （固定站涉及到信道終端設(shè)備分系統(tǒng)，一般情況下產(chǎn)品涉

6、及發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及天線系統(tǒng)）發(fā)射機(jī)分系統(tǒng) 發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)由上變頻器（如上圖，信道終端出來的是L頻段，而天線系統(tǒng)的頻段為Ku/Ka,因此需要做變頻處理，從上圖的上半部分故叫做上變頻器）、自動功率控制電路、發(fā)射波合成裝置、激勵器和大功率放大器等組成。 接收機(jī)分系統(tǒng)LNBLNA：只放大不變頻 有時需加下變頻器 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器經(jīng)過天線后信號會放大一些但是不夠需要再加LNB進(jìn)行再次放大處理由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率較小，只有幾瓦至幾十瓦，而且天線的增益也不高，經(jīng)200dB左右的下行線路損耗之后，到達(dá)地球站的信號極微弱。 對接收機(jī)分系統(tǒng)的主要要求： 噪聲溫度低，接收機(jī)分系統(tǒng)的噪聲溫度很低， 一般只有幾十開爾

7、文（K）。 工作頻帶寬，一般要求具有500MHz的帶寬。 增益穩(wěn)定。低噪聲放大器 在微波頻段使用的低噪聲放大器主要是低噪聲晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器和參量放大器等。下變頻器 經(jīng)低噪聲放大器放大的微波信號，要送到下變頻器變換成中頻，再經(jīng)過中頻放大后送到解調(diào)器。 4.地球站的天線系統(tǒng) （以地球站為基礎(chǔ)，結(jié)合公司產(chǎn)品） 地球站的天線是衛(wèi)星通信中最具特色的設(shè)備，是一個龐大的系統(tǒng)。大多數(shù)地球站采用反射面型天線。反射面型天線的特點(diǎn)是方向性好，增益高，便于電波的遠(yuǎn)距離傳輸。反射面的分類方法很多，按反射面的數(shù)量可分為雙反射面天線（如動中通和固定站，波束反射到主面，在反射到副面，再進(jìn)入喇叭）和單反射面天線（如

8、靜中通，喇叭在前端，衛(wèi)星波束經(jīng)過天線面直接進(jìn)入喇叭）；按饋電方式分為正饋天線和偏饋天線；按頻段可分為單頻段天線和多頻段天線；按反射面的形狀分為平板天線和拋物面天線等。 目標(biāo)：地球站天線的軸要始終對準(zhǔn)衛(wèi)星方向 固定衛(wèi)星地球站系統(tǒng)主要由天饋分系統(tǒng)（喇叭、主副面、雙工器等主要完成信號收發(fā)）、伺服及接收機(jī)分系統(tǒng)（復(fù)雜時可劃分為伺服分系統(tǒng)和接收機(jī)分系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)動控制）以及傳動分系統(tǒng)（指轉(zhuǎn)臺部分，主要提供可靠支撐和功能平臺）組成。其中天饋分系統(tǒng)完成信號的收發(fā)功能，伺服及接收機(jī)分系統(tǒng)控制天線轉(zhuǎn)動及跟蹤，完成天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的功能。傳動分系統(tǒng)主要為以上系統(tǒng)提供可靠的支撐及工作平臺。天饋分系統(tǒng) 輻射或接收無線電

9、波能量的裝置 天線分類：天線隨著波段不同，可分長中波天線、短波天線（線天線：手機(jī)、路由器）、微波天線（面天線：公司產(chǎn)品）。不同頻段有不同類型，前者多為線天線，后者多為面天線。面天線又有：喇叭天線、縫隙天線、透鏡天線、拋物面天線。拋物面天線最為常用，它又分：前饋拋物面天線、后饋拋物面天線（雙反射面天線）。后饋拋物面天線都是雙反射面天線，它又有：卡塞格倫天線、格里戈里天線、環(huán)焦天線。為了提高天線增益、降低旁瓣，雙反射面天線都可以采用反射面修正技術(shù)。組成： 主反射面、（副反射面）、波紋喇叭、-饋源系統(tǒng)-à雙工器、功分器、多路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、多個濾波器等部件組成 單脈沖跟蹤：多模產(chǎn)生器、組合網(wǎng)絡(luò)

10、（會分成合分路、差分路，再到伺服系統(tǒng)，精度較高；但是饋源系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，需要使用單脈沖接收機(jī)解調(diào)兩個分路）方向圖 （信號強(qiáng)弱能量分布圖，縱坐標(biāo)單位dB，橫坐標(biāo) 單位角度）中心頻率 （如圖 14.25GHz）波束寬度 (y=-6時拋物線對應(yīng)的X2-X1=1-(-1)=2即為2dB波束寬度旁瓣 （X=0點(diǎn)位天線對準(zhǔn)衛(wèi)星處，偏離此處的第一個最高點(diǎn)即為第一旁瓣，以此類推，越偏離X=0處接受信號的能力越弱；主瓣越大，對其他衛(wèi)星的影響會更厲害）極化（電磁波傳輸方向與大地水平時為水平極化，垂直時為垂直極化，采用兩種方式利用率會更高，另外一個概念交叉極化。水平極化和垂直極化頻點(diǎn)頻譜儀的電平值-不一樣，運(yùn)用反極化（兩者的電平差）找到的點(diǎn)就是極化方向。結(jié)構(gòu)組成前國內(nèi)外，比較成熟的轉(zhuǎn)臺主要有兩種形式，A-E型天線轉(zhuǎn)臺和X-Y型天線轉(zhuǎn)臺。A-E裝置 X-Y裝置 （1）結(jié)構(gòu)較小，重量較輕。 結(jié)構(gòu)較大，重量較重。 （2）能做到的精密度較高 做到較高精密度的困難較大 （3）天線罩（若需要的話）較小 要用較大的天線罩 （4）在跟蹤過程中天線的極化形式保持不變 在跟蹤過程中天線的極化形式是變話的，必須要用圓極化或