CH-12-卫星通信CDIO

1卫星通信系统卫星通信定义卫星通信概述（发展、组成、分类、应用等）卫星转发器卫星通信的链路计算卫星通信系统的复用和多址技术2什么是卫星通信？卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信工作在微波频段。3简史1945年，英国《Extra-TerrestrialRelays》一文中提出利用3颗静止卫星覆盖全球的设想。1945年到1964年间，曾经先后利用月球、气球、铜针偶极子带作为中继，进行电话电视传输试验1957年，前苏联发射了第1颗LEO卫星－Sputnic（美苏太空竞赛的导火索）1962年，美国第1次发射了真正实用通信卫星（Telstar/MEO）1965年，第1颗商业通信卫星（INTELSAT-1）进入静止轨道1990-2000年，引入卫星直接广播语言（DAB）业务2000-2005年，引入宽带个人通信；Ka频段系统得到迅速；多个LEO和MEO卫星系统投入运行4卫星通信系统的组成卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大功能部分组成。5主要讨论静止卫星通信系统空间分系统是指通信卫星，主要由天线分系统、遥测与指令分系统、控制分系统、通信分系统和电源分系统组成。通信地球站由天线馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备等组成卫星通信系统的组成6跟踪遥测及指令分系统（TT&C，tracking,telemetryandcommandstation）对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的确定位置，并对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和校正。监控管理分系统(SCC,satellitecontrolcenter)对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测和控制，以确保通信卫星正常运行和工作。卫星通信系统的组成7卫星通信的特点卫星通信与其它通信手段相比，有以下一些特点：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关。(最大通信距离18000km）（2）覆盖面积大，可进行多址通信。（3）通信频带宽，传输容量大。（4）机动灵活。（5）通信线路稳定可靠，传输质量高。8缺点和问题：（1）静止卫星的发射与控制技术比较复杂。（2）地球高纬度地区通信效果不好，并且两极地区为通信盲区。（3）存在日凌中断和星蚀现象。（4）电波的传播时延较大和存在回波干扰。单跳时延0.27秒卫星通信的特点91、静止轨道卫星（GeostationaryEarthOrbit：GEO）：与地球上某一点保持相对静止赤道延伸平面：36000km优点：经济，三颗卫星，覆盖全球缺点：长距离造成大信号衰减和大传播时延（500ms以上）分类10图静止卫星配置的几何关系112、中轨道卫星（MediumEarthOrbit：MEO）高度在5000－12000km左右为了覆盖整个地球需要10颗左右卫星GPS：为美国空军系统运作，用作全球定位。早期为12个卫星星座，在1978～1985年间发射;新的GPS系统，在1989～1994年间发射；为24颗小卫星星座系统,分6个轨道平面覆盖全球分类（续）123、低轨道卫星（LowEarthOrbit：LEO）高度在500－900km提供全球移动电话和数据服务；也可用于地面摄影和侦察优点：信号衰减小，时延小卫星重量轻，结构简单缺点：为了覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂！分类（续）1313不同轨道卫星比较250ms100ms15ms传送延迟来回时间传输延迟大卫星成本较高轨道位置有限卫星体系复杂有多普勒效应生命周期短卫星体系复杂有多普勒效应缺点地表覆盖率42.2%无多普勒效应中度成本传输延迟低低成本传输延迟低讯号衰减低优点24hrs2-4hrs15min可用时间36000km8000-12000km300-1500km高度同步卫星GEO中轨卫星MEO低轨卫星LEO型态1414不同应用之卫星分类就应用方面来说，卫星约可分成下列几类：侦察卫星(SurveillanceSatellites)预警卫星(EarlyWarningSatellites)气象卫星(WeatherSatellite)天文卫星(AstronomicalSatellite)导航卫星(NavigationalSatellite)探测卫星(RemoteSensorSatellite)杀手卫星(KillerSatellite)通信卫星(CommunicationSatellite)15主要应用领域国际电信链路（InternationalTelecommunication）电视节目传送（TVprogramDistribution）企业专用网络（VSATs）军事通信（MilitaryCommunication）移动通信服务（Mobilesatelliteservices）紧急救难服务（EmergencyCommunication）等等。。。􀖜16卫星通信使用的频段17大气中自由电子、离子、氧和水气分子对电波的吸收衰减18L频段——1-2GHz（移动卫星业务、地面微波、广电、蜂窝）S频段——2-4GHz（移动卫星业务、数字音频广播、NASA研究）C频段——4-8GHz（固定卫星业务、地面微波）X频段——8-12.5GHz（卫星军事通信、地球观测卫星）Ku频段——12.5-18GHz（固定卫星、广播卫星、地面微波）K频段——18-26.5GHz（固定卫星、广播卫星、LMDS）Ka频段——26.5-40GHz（固定卫星、星际链路、卫星成像、LMDS）卫星通信使用的频段1919卫星通信使用频率为避免上、下链路于传输空间相互干扰，需将上、下链路之频带错开。因应卫星酬载重量与寿命限制，上链使用较高频率。目前卫星通信常用频带：降雨衰减严重射频装备成本高使用带宽很大30(27.5-30.5)20(17.7-21.7)Ka降雨衰减较大地面微波干扰14(14.0-14.5)11(11.7-12.2)Ku地面微波干扰6(5.925-6.425)4(3.7-4.2)C备注上链频率(GHz)下链频率(GHz)频带20卫星覆盖波束全球覆盖：卫星天线照射地球表面最大面积，约17.4度区域覆盖：典型的区域覆盖天线波束宽度5度。点波束覆盖：天线的波束宽带约2度。全球覆盖区域覆盖点波束覆盖21停泊轨道Parkingorbit转移轨道Transferorbit漂移轨道DriftorbitGEO静地卫星发射22卫星的寿命长短主要取决于：燃料器件老化，太阳能电池板老化等空间环境卫星运行轨道卫星寿命23卫星轨道相关计算2453211222032(kepler'sconstant)3.98600441810/(gravitationalconstant)6.67210/6.67210/sEGMkmsGNmkgkmkg2222/km/s(/)(/)INEarFmrmGMr25离心力:圆形轨道上卫星的速度为v:卫星绕轨道一周的时间，轨道周期T:OUTF26通信卫星的有效载荷通信卫星的有效载荷包括全部通信转发器和天线卫星天线VHF/UHF天线，遥测遥控用，全向微波天线，通信用，根据波束宽度不同，分为全球波束，区域波束和点波束等卫星转发器透明型转发器基带处理型转发器27透明型转发器28透明型转发器29基带处理型转发器30卫星链路计算其中，等效全向辐射功率EIRP=(ERIP:EquivalentIsotropicallyRadiatedPower)功率通量密度：22/4ttPGFWmR考虑发射天线增益时：ttPG31接收天线有效面积为A，则接收到的信号功率：24ttrPGAPFAR2(4/)ttrrPGGPR24rAGLinkEquation（链路方程）32链路方程的分贝表示式：()rrpPEIRPGLdBw2101010*log(4/)20log(4/)pLRRLp为链路损耗（pathloss）20log(4/)pLR自由空间链路损耗:32.420log()20log()pLRf注意:f:MHzR:km3334卫星通信系统从发端地球站到收端地球站的信息传输过程中，要经过上行链路、卫星转发器和下行链路。上行链路的信号质量(如误码性能)取决于卫星收到的信号功率电平和卫星接收系统的噪声功率电平大小。下行链路信号的质量取决于收端地球站接收到的信号功率电平和地球站接收系统的噪声功率电平的大小。35图4-1用于端对端链路设计的、从信号始发站到终点站的无线电链路划分36例题已知IS—W号卫星作点波束运用时，其有效全向辐射功率[EIRP]S＝34.2dBW，接收天线增益GRS＝16.7dB。又知某地球站有效全向辐射功率[EIRP]E＝98.6dBW，接收天线增益GRE＝60.0dB，接收馈线损耗LFRE＝0.05dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率Cs和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。设某卫星［EIRP］s＝32dBW，下行频率为4GHz，d＝40000km，地球站接收天线直径D＝25m，效率为0.7。试计算地球站接收信号的功率。37卫星通信系统的技术体制通信体制指通信系统采用的信号传输方式和信号交换方式内容包括：基带信号的传输方式、中频（射频）信号的调制、多址连接方式以及信道分配与交换制度等。信号形式：数字、模拟38FDMLPFBPF调制器消息信号1CH1CH2CH2CH1cfLPFLPF调制器调制器BPFBPF2cfcnf1cfCHnCHn+信道BPFBPFBPF解调器解调器解调器2cfcnfLPFLPFLPF39典型例子：多路载波电话系统基群频谱结构图载波频率(kHz)f686460108kHz12464NfcN40TDMIntimedivisionmultiplexing(TDM)agroupofsignalstaketurnsusingachannel.Fig5.22SlotorganizationofoneT1frame41T1体系中共25个时隙第0个时隙只有1bit同步位时隙1到24每个时隙有8bit，为每路电路的一个采样点1+(8x24)=193bits.标准数字电话的采样间隔为125μs所以数据速率为1.544(Mbps).42其他TDM系统E132个信道32channelsrunningat64kbpseach30voicechannels2channelsreservedforsignalingandsynchronization比特速率为2.048Mbps.43基本的多址技术FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)（模拟信号和数字信号）TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)（数字信号）CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)SDMA多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。卫星通信系统的多址技术4445在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。FDMA（1）要求解决好卫星的功率和带宽之间的（2）必须严格控制功（3）设置适当的保护（4）尽量减少互调的影响。46FDMA47FDMA的分类1.每载波多路MCPC-FDMA方式如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。2．每载波单路SCPC-FDMA方式由于SCPC方式主要应用于业务量较小的、同时通信路数最多只有几条甚至一条的地球站。48FDMA-SCPC数字话路每个话路的RFbandwidth为40kHz保护频带宽度为10kHz49互调影响50在一个宽带的无