第二章《卫星通信》卫星通信系统的组成与体制

1第二章卫星通信系统的组成与体制任课老师：温洪明电子与电气工程系通信教研室22．1卫星通信系统卫星信通3卫星通信2．1．1卫星通信系统的组成图2－1地面微波接力通信示意图BC中继站中继站终端站终端站A卫星信通4一个完整的卫星通信系统，通常是由通信卫星、地球站、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统等四大部分组成图2－2卫星通信示意图2．1．1卫星通信系统的组成卫星信通52．1．2卫星通信系统的各部分功能和作用1、地球站的组成图2－3卫星通信地球站的简化方框图卫星信通6天馈设备（辐射、接收信号和转发）发射机（经上变频变换射频信号，并放大）接收机（经下变频变换中频信号，并放大）终端设备（调制中频，决定多址和复用方式）跟踪设备（校正地球站方位和仰角，手动和自动）2、通信卫星的组成天线分系统（定向发射与接收无线电信号）通信分系统（接收处理并重发信号）电源分系统（提供电能，太阳能电池等）遥测指令分系统（TT&C，发送姿态和状态数据，指令部分接收控制指令）控制分系统（调节和控制卫星的姿态、轨道位置和工作状态等）72．2卫星通信系统主要射频设备介绍卫星信通8低噪声放大器的作用在降频转换之前对收到的初级信号进行放大，目的是利用这种放大器比次级器件明显优越的噪声特性，增加初级信号的强度低噪声放大器的指标噪声特性：相对于输入来说，该器件输出的SNR的改善程度系统增益：系统的整体线性随着低噪声放大器的增益而降低低噪声放大器自身的线性一般要比下游器件要低2．2．1低噪声放大器（LNA）卫星信通9对低噪声放大器的基本要求极低的噪声温度、较高的增益和良好的增益稳定性，很宽的射频工作带宽，高可靠性常温参量放大器利用半导体热偶进行制冷的常温参量放大器低噪声放大器系统的组成及控制日本NEC公司生产的RFS-4GUS-27A的4GHz低噪声放大器2．2．1低噪声放大器（LNA）卫星信通10RFS-4GUS-27A卫星信通11低噪声放大器在接收通道中的作用与位置天线开关双工器LNA本振混频输出天线功放隔离器调制输入某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图卫星信通122．2．2高功率放大器1、对微波发射机的主要要求工作频带宽（5925-6425MHz，带宽为500MHz）功率稳定度要高（[EIRP]s在0.5dB以内）载频精确度要高（SCPC中为40kHz以内）放大器的线性度要高（减小多载波交调干扰）地球站信号上行需要使用能够稳定输出大功率高频信号的高功率放大器，高功放的主要作用是将上变频器送来的射频信号放大到所需的电平后送往天线发射。卫星信通132、速调管放大器速调管高功放输出功率最大（一般可达几千瓦），效率高，但瞬时频带较窄（30-50MHz），工作在不同频率时需要重新调整，且需要预热，只能覆盖一个转发器。射频电路：与传统的速调管高功放一样，GENIV高功放射频系统主要由固态中功率放大模块(SSIPA)、速调管、电弧及功率检测模块等部分组成。速调管作为大功率的微波放大器件是射频系统关键元件，管子由发射电子束的阴极、耦合及调速腔体、电子收集极三部分组成。卫星信通14高压电源电路：专用整流电源柜，集中在5U空间中，采用开关电源以及独立的微处理控制单元，可以按需要灵活调整电压。输入三相380VAC，通过整流滤波成500VDC，经开关电路输出射频系统所需要的电压；输入端一路通过输出接口接到速调管风冷系统供电；一路接到缺相检测板；其中A相接到电源板，提供24VDC工作电压。2、速调管放大器卫星信通15分布式控制系统：高功放射频、电源、前面板、外接口、以太网接口等内部各分系统均有各自独立的微处理器控制，分系统之间采用CAN（ControllerAreaNetwork）总线进行内部通信。CAN总线信号由两条线传输，表示为CAN_H和CAN_L。总线上任意节点在任意时刻可以向其它相连的任意节点发送信息而不分主次，是一种便捷、可靠、实时性强的现场总线。2、速调管放大器卫星信通16风冷系统：高功放的散热采用的是风冷系统，有速调管的集电极散热风机，箱体散热风扇，速调管体冷却风扇，束稳压器散热风扇组成。速调管高功放的效率不算太高，电源的功率绝大部分转换为热能消耗了，因此其散热系统对确保高功放正常工作至关重要，尤其是速调管集电极散热。高功放对集电极散热采取了风压监测和过温监测双重保护措施，要求其集电极空气流量大于1000LBS/小时，箱体散热空气流量大于90LBS/小时。2、速调管放大器卫星信通173、行波管放大器通过电磁场与电子流发生能量交换使高频信号得到放大的微波电真空器件，有很宽的瞬时带宽可以覆盖6GHz发送频段的500MHz，不需要进行外部调谐，增益高，缺点是效率低，电路复杂，成本高。最大的输出功率在千瓦以内。，可以做微波发射机的激励级、中间级和末级的功率放大。RF分系统（衰减器、定向耦合器等）电源分系统（不采用串联稳压，而用高频开关稳压电源：灯丝电源、螺旋线电源、收集极电源）卫星信通184、固态微波功率放大器场效应管效应晶体管和功率合成技术的发展而产生，优点是瞬时带宽宽，体积小，寿命长，电源简单经济，可靠性好。微波晶体管微波功率场效应晶体管微波固态功放电路卫星信通192．2．3变频器1、概述变频器的作用把信号频谱从一个频段搬到另一个频段，但不改变信号频谱本身的形状。上变频器把已调中频信号载波变换到微波频段要求的位置。下变频器在收信过程中，对于从LNA接收来的射频信号，将其载波频谱搬移到中频段上。卫星信通202、变频器的组成变频器要完成频谱搬移，具有三个基本组成部分非线性元件、振荡器、带通滤波器实际使用的变频器通常包括混频器、本振、中频放大器、射频滤波器、隔离器和群时延均衡器2．2．3变频器卫星信通213、变频器的分类一次变频式70MHz活140MHz直接变换到射频上二次变频式先由第一级混频将中频信号变换到一个固定的高中频率上，称为第二中频，479.5MHz，再经混频到射频三次变频式2．2．3变频器卫星信通22上变频器方框图卫星信通23下变频器方框图242．3卫星通信多址技术概论卫星信通252．3．1频分多址方式(FDMA)1、FDMA的基本特征FDMA是一种把卫星转发器的可用射频频带按频率高低划分给各地球站的多址联接方式。各地球站就在分配的频带内发射各自的信号，在频率上互不重叠。2、在FDMA方式中，每个地球站传送多路信号时的两种方法（SCPC）方式（MCPC）方式卫星信通26（SCPC）方式每个载波只传送一路话或数据，可以根据需要给每个地球站分配若干个载波，比如固定分配给某个站80对双向话音信道，则意味着该站满负荷工作时要同时发送80个不同频率的载波，每个载波携带一路话音信号。SCPC方式工作示意图卫星信通27（MCPC）方式MCPC指一个载波包含多路不同信号，称为多路单载波(MultipleChannelPerCarrier)系统。由于一个转发器只有一个载波，因此没有多载波的谐波干扰问题，频带和功率的利用率较高。但多路信号要在同一地点上星，不同节目需要地面传输设备将节目传送到地面站复用后送往上星设备。卫星信通283、FDMA的多址连接技术（1）多址载波在三站共用的卫星转发器上，A、B、C各站的发信频率是不同的，信号频谱彼此不重叠。这样，各站在接收时，可以根据频率的不同来识别发射站址。各站只发一个载波的FDMA工作示意图卫星信通293、FDMA的多址连接技术（2）单址载波每个地球站可同时对其它地球站分别使用不同的载波频率，有一个对象站，就对应一个发送载波，也就是说，对于有n个地球站的卫星通信系统，每个站要发送（n-1）个载波。各站发（n-1）个载波的FDMA工作示意图卫星信通304、FDMA的特点频分多址是最基本的多址方式，其突出优点是简单、可靠、便于实现。因此在卫星通信发展的初期，几乎所有卫星通信系统都采用这种方式，至今FDMA仍然是一种主要的多址方式。缺点：①受转发器非线性放大器的影响，在多个载波同时通过转发器时，会出现转发器总的输出功率降低（功率利用率下降）、产生互调噪声以及可懂串话、强载波抑制弱载波现象，因而有效容量将随载波增多而急剧降低，并且大小站难以兼容。②灵活性低，要重新分配频率比较困难，不容易实现动态按需分配信道。卫星信通31为了克服FDMA的缺点，妥善解决以上问题，FDMA系统在工作上采取一定的措施，这便形成了FDMA方式工作的若干特点：首先，要求系统进行严格的功率控制。这个问题对于功率受限系统尤为突出，因为系统中某一地球站发射的功率若大于额定值，就会侵占转发器分给其它站载波的功率；反之，发射功率过小，又会影响通信质量。其次，要设置适当的保护频带。频带的部分重叠会造成邻道干扰，而载频的误差、漂移等因素是造成频带部分重叠的原因，因此要求载波之间必须留有一定的保护频带。第三，要尽量采取一些减少互调影响的措施。解决方法卫星信通322．3．2时分多址方式(TDMA)1、TDMA方式工作原理TDMA是把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时隙，分配给各站使用的一种多址连接方式。TDMA系统中的各站只在规定的时隙内以突发（burst）形式发射它的已调信号，这些信号通过转发器时在时间上是严格排列、互不重叠的。TDMA方式的特点“间歇”通信（变速处理：）无交调方式（工作于饱和状态）数字通信（信道控制灵活，便于实现按需分配信道）ifiBRR/卫星信通332．3．2时分多址方式(TDMA)TDMA系统工作示意图卫星信通342．3．2时分多址方式(TDMA)2、TDMA地球站设备与用户的输入—输出接口信号的取样、量化和编码实现数字化。用跳帧法或者码速率调整法客服时钟频差。TDMA终端把信号以分帧形式经卫星转发；从卫星接收所属的分帧信号，并传至各地面接口；完成系统的初始捕捉和分帧同步；完成卫星线路的分配和控制。卫星信通35SDMA的基本特征通信卫星有多个点波束天线分别指向不同的区域，则在不同区域的地球站之间，由于所处空间不同而可以区分。利用卫星天线的不同空间指向区分不同区域地球站信号的多址联接称为空分多址（SDMA）。SDMA方式有许多新颖特点天线增益高（波束窄），转发器的功率可得到合理有效的利用；空间指向互不重叠，可实现频率重复使用，通信容量成倍扩大；空中交换机实现方便的多址通信；对卫星姿态稳定度等要求高；较庞大和复杂的天线和星上交换设备等；使卫星设备复杂，可靠性降低，风险大。2．3．3空分多址方式(SDMA)卫星信通36SDMA方式2．3．3空分多址方式(SDMA)卫星信通372．3．4码分多址方式（CDMA）CDMA的基本特征各地球站分别用不相同的、互不相关的伪随机码（地址码）将发送信号进行扩频调制来区分地址的方式称为码分多址。各站发射的信号在频率、时间、空间上相互重叠，也不会出现相互干扰。扩频调制，使其频谱大为展宽，然后由卫星信道进行宽带传输，接收端经解扩后得到扩频增益。“扩展频谱多址联接方式”(SSMA)通常地址码码元宽度远小于信号的码元宽度，受基带调制的已调波再受地址码调制后，其频谱宽度大为扩展。卫星信通38CDMA方式的特点扩频技术具有较强的抗干扰能力，有较好的隐蔽性；改变地址灵活方便（只需换用另一地址码就可与另一地球站通信，不影响全网工作）；下行频带利用率较低，通信容量较小；最适合战时的军用卫星通信，也适用于地球站容量小、分布广的上行信道。码分多址的主要方式：直接序列扩频码分多址（CDMA/DS）跳频码分多址（CDMA/FH）2．3．4码分多址方式（CDMA）卫星信通39CDMA方式