卫星通信第6章V3 共146页
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即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星
29
1. 天线基础和辐射方向性图
天线辐射方向性图
30
2. 天线主要特性参量
1. 天线的半功率点波束宽度
ΨhpN/D
N ——场分布系数 λ——工作波长 D ——天线直径
31
2. 天线主要特性参量
2.天线方向性
D,P,
PAV
θ ——仰角 φ——方位角 PAV ——平均辐射功率
自动跟踪系统
1 步进跟踪系统 2 单脉冲跟踪技术 3 智能跟踪
51
6.5 射频 (RF) 分系统
6.5.1 发送设备
1. HPA备份方式
1+1 N+1
2. 多载波合成 3. 功率合成
提高输出功率 提高系统可靠性
4. 高功放的非线性
52
6.5.2 接收设备
(a) 参量放大器原理电路框图。(b) 一个GaAs FET低噪声放大器电路
地球站技术近期发展趋向
最大的增长点是移动卫星业务。用户的 数目在本世纪前10年会达到1千万以上。 大部分手持终端，都具有与地面移动系 统同时运行的能力。
18
6. 3 地球站射频基本性能
6.3.1 有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线增 益，则地球站的有效全向辐射功率就是：
第六章 地球站和VSAT
6.1 引言 6.2 HPA & LNA 6.3 地球站射频基本性能 6.4 天线、馈源和跟踪系统 6.5 射频 (RF) 分系统 6.6 通信公用和网络接口分系统 6.7 固定和广播卫星业务地球站 6.8 很小孔径终端网络 (VSAT网络)
1
6.1 引言
卫星通信系统框图
5
不同频段三种放大器的输出功率
3000 2500 2000 1500 1000
500 0
射频功率输出(W）
40W
25W
C 波段
Ku 波段
15W
Ka 波段
KPA TWTA SSPA
6
三种放大器的性能比较
放大器
TWTA KPA SSPA
输出功率
中 50~800W 水冷:10kw
大 1KW以上
小 3-10W
带宽
较宽 C波段：500MHz Ku和Ka波段: 1000MHz
较窄 50-100MHz 介于TWTA和
KPA之间
功放管
真空管
真空管 砷化镓场效应
半导体管
7
低噪声放大器（LNA）
参量放大器 致冷砷化镓场效应放大器 常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)
8
三种LNA的内部噪声性能
放大器噪声温度(K） 140
在地球站天线处观察，当卫星漂移占地 球站天线半功率点波束宽度很大部分时， 为了避免使天线指向损耗过大，必须要 采用跟踪系统，即：
δ θ S > Ψ hp / N
48
对地球站天线跟踪系统的要求
能部分或全部执行下列功能： 1. 卫星搜索 2. 自动跟踪 3. 手工跟踪 4. 程序跟踪
49
(a) 一种卫星跟踪系统的主要元件. (b) 一种步进跟踪系统
24
n个系统噪声温度：
Te Te1Te2/G1Te3/G1G2 Ten/G1G2Gn1
n个系统级联时的噪声系数
FF 1(F 2 1 )/G 1(F 3 1 )/G 1 G 2 (F n 1 )/G 1 G 2G n 1
25
4. 无源器件的噪声温度
ω0
BPF 1
ω1
BPF 2
ωu
ω2
二次变频
57
6.6.1 上变频器和下变频器
卫星通信中只发送一个混频边带 发送频率ωu要求能够快速改变 一般采用二次变频 两个一次变频的级联
58
6.6.1 上变频器和下变频器
2. 转发器跳跃、极化跳跃和上变频器备份
转发器跳跃——在一帧内地球站将发送载 波从一个转发器跳到另一个转发器
53
参量放大器的等效噪声温度可以近似表 示为：
Te ≈ f S To / f i
54
参量放大器可大致划分
不致冷的：To ≈ 环境温度 + 100 C ≈ 270 C = 300 K；
热电致冷的：To ≈ − 500 C = 223 K； 深致冷的：To ≈ − 2500 C = 23 K。
55
6.6 通信公用和网络接口分系统
6.6.1 上变频器 (UC) 和下变频器 (DC)
变频
一次变频 二次变频
中频
70MHz （36MHz转发器） 140MHz （72MHz转发器）
56
6.6.1 上变频器和下变频器
1. 上变频过程和上变频器原理
ω0
BPF
ωu
ω1
一次变频
TV单收站（TVRO）
DTH（直接到户）
单接收机 小天线
Cable Head End
多接收机 大天线
77
TVRO天线直径与卫星EIRP的关系
具有卫星前端的地面有线电视系统
6.6.8 MSS移动终端和信关站
移动终端
GEO：舰（船）载、 机载、车载
LEO/MEO：便携式
60
(a) 发送频率合成器原理图
(b) 接收频率合成器原理图
上、下变频合用一种微波频率合成器
6.6.3 中频放大、滤波和均衡
放大、滤波、和群时延均衡功能是在中 频实施的。
64
在中频滤波中的幅度和群时延限制
6.6.4 调制和解调
卫星通信中，调制和解调是在中频实现的。 调制和解调系统的类型，应与多址联接方 式 (FDMA或TDMA等)、基带信号数量 (多 个或一个信道)、基带信号调制载波类型 (数 字相位调制或模拟调频) 相适应.
10
6.3 地球站射频基本性能
描述地球站性能的一个最基本参量，是 接收天线增益对噪声温度比 (G/T) 值， 又称为地球站的品质因数。它表示一个 地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意 味着地球站的接收能力越强。因此，根 据提供业务和G/T值的不同，可以按此对 地球站进行分类。
13
地球站分类
44
6.4.3 馈源系统
1. 主馈源系统功能
照射整个主反射器 将发射和接收信号频带隔离开 在双极化系统中分离和组合信号极化 为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号
2. 喇叭馈源 3. 正交极化馈源
45
一种正交极化馈源系统的组成框图
一种正交极化馈源系统的组成框图
6.4.4 跟踪系统
用于等效噪声温度计算的地球站接收端
T T S T e T L A 1L 1 L 11 T 0 T e2 T G e 2 3
28
6.4 天线、馈源和跟踪系统
1. 天线是一种互易器件，当频率给定时，接收和 发送特性是相同的
2. 地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本 3. 大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，
6.4.2 天线系统
基于它们的几何形状，地球站可以使用 具有轴对称和非轴对称的天线结构。
36
1. 轴对称结构
喇叭抛物面天线结构图
37
卡塞格伦天线结构图
极轴天线结构图
2. 非轴对称结构 (偏馈天线)
非轴对称 (偏馈) 天线结构图
42
3. 天线安装
天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置
21
在电子通信系统中，由噪声源送到匹配 负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz 表示，为:
N0/2kT S/2
22
2. S Te
噪声系数 :
FGk0B TNn 1Te
Gk0B T
T0
23
3. 放大器级联噪声温度
用于等效噪声温度分析的级联二端口系统
68
6.6.6 网络接口分系统
陆地链路选择
地面微波 光缆 电缆
PSTN、 PN RF 终端
70
6.6.6 网络接口分系统
地面接口
电话通信
模拟电话：四线制，0/5V 数字电话：E1， G.703
T1 ， G.703
71
6.6.6 网络接口分系统
地面接口
数据通信
低速（SCPC）：RS232，56kb/s 中速（IDR）（MCPC)）：64k~45Mb/s 高速（TDMA）：120Mb/s
星载和地球站设备
6.2 HPA和LNA
高功率放大器（HPA）
行波管放大器（TWTA） Traveling Wave Tube Amplifier
速调管放大器（KPA） Klystron Power Amplifier
固态功率放大器（SSPA） Solid State Power Amplifier
66
6.6.5 基带信号处理
在发送端调制前和接收端解调后，根据信 号的类型和传输特性，要对基带信号进行 多项信号处理。
67
6.6.6 网络接口分系统
这个分系统是地球站的通信系统设备，和地面网 络基带信号之间的接口。主要功能是信号复用和 去 复 用 、 数 字 话 音 插 空 ( DSI) 和 信 道 倍 增 (DCME)、回波抑制和消除，以及图像信号压缩编 码 (DVB/MPEG-2) 等。
EIRP =PTGT
19
接收系统噪声分析和品质因数G / T值计算 通常用天线增益对噪声温度比G / T，表 示地球站天线和低噪声放大器的性能，它 与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表 示低噪声放大器输入端的接收天线增益。
20
1. 通信系统中的噪声
通信系统中有关噪声的论述时基于白噪 声的噪声形式，它的功率谱密度为N0/2， 在很大的频率范围内是平滑的。
VSAT系统中小站设备的天线口径通常为 0.3-2.4m，由主站应用管理软件监测和控制 小型地球站。
83
VSAT的特点
可支持多种业务类型：数据、话音、图象等 可工作在C波段或Ku波段 VSAT终端天线小、设计结构紧密、功耗小、
成本低、安装方便、对环境要求低 组网灵活、独立性强，其网络结构、技术性能、
业务
地球站类型
FSS固定业务
MSS移动业务 BSS直播业务
大 中 小 很小 很小 大 中 小 大 小
近似G/T值 （dB/K）
40 30 25 20 12 -4 -12 -24 15 8
注解
发送/接收 单收
要求跟踪 要求跟踪 没有跟踪 社区接收 个体接收
14
地球站设备一般组成
地球站设备的一般原理性框图
120
100
80
60
40
20
0
C
Ku
波段
波段
Ka 波段
参量放大器 制冷GaAs GaAs
9
LNA前端接法
LNA模块只包含低噪声放大器 宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声
放大器以外，还包含宽带下变频器(1GHz) 窄带低噪声下变频模块： LNA模块除了低噪
声放大器以外，还包含窄带下变频器(70MHz)
极化跳跃——地球站将载波从一个极化的 转发器跳跃到另一个极化的转发器
3. 下变频过程——二次变频
59
6.6.2 频率合成器
所谓的频率合成器，就是用一个高稳定度 的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后 对它进行数学四则运算，用电路中的混频、 倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技 术，使它产生步长一定、与基准频率源具 有同样稳定度的大量频率分量输出。
典型手机参数
系统
平均发射功率 天线增益
G/T
Iridium
0.4W
1.0 dBi
-23
Globalstar
0.5W
2.5dBi
-22
6.6.8 MSS移动终端和信关站
信关站
网络（用户）管理功能 与地面公用网互连的功能 交换功能（路由分配功能）
82
6.7 VSAT网络
VSAT的概念
VSAT：早期称为微型站、小型数据站或甚 小孔径终端。到80年代中期，人们习惯称为 VSAT终端或VSAT系统（网络）。
电视传输：单向，复合电视信号
72
6.6.7 其他类型地球站
TT&C地球站
10~13米天线 RF终端 地面接口 基带设备
指令子系统 测距子系统 遥测子系统
74
6.6.7 其他类型地球站（2）
TV上行站
大型地球站 视频数字化 多路压缩传输
76
6.6.7 其他类型地球站（3）
有损二端口网络的等效噪声温度为
Te (L1)T0
有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F
26
5. 天线噪声温度
天线噪声温度是通过天线进入到接收机 的噪声的量度，它是由所有外部噪声源 产生的噪声分量的积分：
T A4 10 2 0 G (,)T b(,)d
27
6. 系统总噪声温度
32
2. 天线主要特性参量
3. 效率
抛物面天线——50~70% 喇叭天线——90%
33
2. 天线主要特性参量
4.增益函数
G,D ,P P i/4 ,
天线增益——增益函数的最大值
G42 AD2 （圆形天线）
34
天线增益G与半功率点波束宽度Ψ hp的关系, 孔径效率 60 %
29
1. 天线基础和辐射方向性图
天线辐射方向性图
30
2. 天线主要特性参量
1. 天线的半功率点波束宽度
ΨhpN/D
N ——场分布系数 λ——工作波长 D ——天线直径
31
2. 天线主要特性参量
2.天线方向性
D,P,
PAV
θ ——仰角 φ——方位角 PAV ——平均辐射功率
自动跟踪系统
1 步进跟踪系统 2 单脉冲跟踪技术 3 智能跟踪
51
6.5 射频 (RF) 分系统
6.5.1 发送设备
1. HPA备份方式
1+1 N+1
2. 多载波合成 3. 功率合成
提高输出功率 提高系统可靠性
4. 高功放的非线性
52
6.5.2 接收设备
(a) 参量放大器原理电路框图。(b) 一个GaAs FET低噪声放大器电路
地球站技术近期发展趋向
最大的增长点是移动卫星业务。用户的 数目在本世纪前10年会达到1千万以上。 大部分手持终端，都具有与地面移动系 统同时运行的能力。
18
6. 3 地球站射频基本性能
6.3.1 有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线增 益，则地球站的有效全向辐射功率就是：
第六章 地球站和VSAT
6.1 引言 6.2 HPA & LNA 6.3 地球站射频基本性能 6.4 天线、馈源和跟踪系统 6.5 射频 (RF) 分系统 6.6 通信公用和网络接口分系统 6.7 固定和广播卫星业务地球站 6.8 很小孔径终端网络 (VSAT网络)
1
6.1 引言
卫星通信系统框图
5
不同频段三种放大器的输出功率
3000 2500 2000 1500 1000
500 0
射频功率输出(W）
40W
25W
C 波段
Ku 波段
15W
Ka 波段
KPA TWTA SSPA
6
三种放大器的性能比较
放大器
TWTA KPA SSPA
输出功率
中 50~800W 水冷:10kw
大 1KW以上
小 3-10W
带宽
较宽 C波段：500MHz Ku和Ka波段: 1000MHz
较窄 50-100MHz 介于TWTA和
KPA之间
功放管
真空管
真空管 砷化镓场效应
半导体管
7
低噪声放大器（LNA）
参量放大器 致冷砷化镓场效应放大器 常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)
8
三种LNA的内部噪声性能
放大器噪声温度(K） 140
在地球站天线处观察，当卫星漂移占地 球站天线半功率点波束宽度很大部分时， 为了避免使天线指向损耗过大，必须要 采用跟踪系统，即：
δ θ S > Ψ hp / N
48
对地球站天线跟踪系统的要求
能部分或全部执行下列功能： 1. 卫星搜索 2. 自动跟踪 3. 手工跟踪 4. 程序跟踪
49
(a) 一种卫星跟踪系统的主要元件. (b) 一种步进跟踪系统
24
n个系统噪声温度：
Te Te1Te2/G1Te3/G1G2 Ten/G1G2Gn1
n个系统级联时的噪声系数
FF 1(F 2 1 )/G 1(F 3 1 )/G 1 G 2 (F n 1 )/G 1 G 2G n 1
25
4. 无源器件的噪声温度
ω0
BPF 1
ω1
BPF 2
ωu
ω2
二次变频
57
6.6.1 上变频器和下变频器
卫星通信中只发送一个混频边带 发送频率ωu要求能够快速改变 一般采用二次变频 两个一次变频的级联
58
6.6.1 上变频器和下变频器
2. 转发器跳跃、极化跳跃和上变频器备份
转发器跳跃——在一帧内地球站将发送载 波从一个转发器跳到另一个转发器
53
参量放大器的等效噪声温度可以近似表 示为：
Te ≈ f S To / f i
54
参量放大器可大致划分
不致冷的：To ≈ 环境温度 + 100 C ≈ 270 C = 300 K；
热电致冷的：To ≈ − 500 C = 223 K； 深致冷的：To ≈ − 2500 C = 23 K。
55
6.6 通信公用和网络接口分系统
6.6.1 上变频器 (UC) 和下变频器 (DC)
变频
一次变频 二次变频
中频
70MHz （36MHz转发器） 140MHz （72MHz转发器）
56
6.6.1 上变频器和下变频器
1. 上变频过程和上变频器原理
ω0
BPF
ωu
ω1
一次变频
TV单收站（TVRO）
DTH（直接到户）
单接收机 小天线
Cable Head End
多接收机 大天线
77
TVRO天线直径与卫星EIRP的关系
具有卫星前端的地面有线电视系统
6.6.8 MSS移动终端和信关站
移动终端
GEO：舰（船）载、 机载、车载
LEO/MEO：便携式
60
(a) 发送频率合成器原理图
(b) 接收频率合成器原理图
上、下变频合用一种微波频率合成器
6.6.3 中频放大、滤波和均衡
放大、滤波、和群时延均衡功能是在中 频实施的。
64
在中频滤波中的幅度和群时延限制
6.6.4 调制和解调
卫星通信中，调制和解调是在中频实现的。 调制和解调系统的类型，应与多址联接方 式 (FDMA或TDMA等)、基带信号数量 (多 个或一个信道)、基带信号调制载波类型 (数 字相位调制或模拟调频) 相适应.
10
6.3 地球站射频基本性能
描述地球站性能的一个最基本参量，是 接收天线增益对噪声温度比 (G/T) 值， 又称为地球站的品质因数。它表示一个 地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意 味着地球站的接收能力越强。因此，根 据提供业务和G/T值的不同，可以按此对 地球站进行分类。
13
地球站分类
44
6.4.3 馈源系统
1. 主馈源系统功能
照射整个主反射器 将发射和接收信号频带隔离开 在双极化系统中分离和组合信号极化 为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号
2. 喇叭馈源 3. 正交极化馈源
45
一种正交极化馈源系统的组成框图
一种正交极化馈源系统的组成框图
6.4.4 跟踪系统
用于等效噪声温度计算的地球站接收端
T T S T e T L A 1L 1 L 11 T 0 T e2 T G e 2 3
28
6.4 天线、馈源和跟踪系统
1. 天线是一种互易器件，当频率给定时，接收和 发送特性是相同的
2. 地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本 3. 大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，
6.4.2 天线系统
基于它们的几何形状，地球站可以使用 具有轴对称和非轴对称的天线结构。
36
1. 轴对称结构
喇叭抛物面天线结构图
37
卡塞格伦天线结构图
极轴天线结构图
2. 非轴对称结构 (偏馈天线)
非轴对称 (偏馈) 天线结构图
42
3. 天线安装
天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置
21
在电子通信系统中，由噪声源送到匹配 负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz 表示，为:
N0/2kT S/2
22
2. S Te
噪声系数 :
FGk0B TNn 1Te
Gk0B T
T0
23
3. 放大器级联噪声温度
用于等效噪声温度分析的级联二端口系统
68
6.6.6 网络接口分系统
陆地链路选择
地面微波 光缆 电缆
PSTN、 PN RF 终端
70
6.6.6 网络接口分系统
地面接口
电话通信
模拟电话：四线制，0/5V 数字电话：E1， G.703
T1 ， G.703
71
6.6.6 网络接口分系统
地面接口
数据通信
低速（SCPC）：RS232，56kb/s 中速（IDR）（MCPC)）：64k~45Mb/s 高速（TDMA）：120Mb/s
星载和地球站设备
6.2 HPA和LNA
高功率放大器（HPA）
行波管放大器（TWTA） Traveling Wave Tube Amplifier
速调管放大器（KPA） Klystron Power Amplifier
固态功率放大器（SSPA） Solid State Power Amplifier
66
6.6.5 基带信号处理
在发送端调制前和接收端解调后，根据信 号的类型和传输特性，要对基带信号进行 多项信号处理。
67
6.6.6 网络接口分系统
这个分系统是地球站的通信系统设备，和地面网 络基带信号之间的接口。主要功能是信号复用和 去 复 用 、 数 字 话 音 插 空 ( DSI) 和 信 道 倍 增 (DCME)、回波抑制和消除，以及图像信号压缩编 码 (DVB/MPEG-2) 等。
EIRP =PTGT
19
接收系统噪声分析和品质因数G / T值计算 通常用天线增益对噪声温度比G / T，表 示地球站天线和低噪声放大器的性能，它 与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表 示低噪声放大器输入端的接收天线增益。
20
1. 通信系统中的噪声
通信系统中有关噪声的论述时基于白噪 声的噪声形式，它的功率谱密度为N0/2， 在很大的频率范围内是平滑的。
VSAT系统中小站设备的天线口径通常为 0.3-2.4m，由主站应用管理软件监测和控制 小型地球站。
83
VSAT的特点
可支持多种业务类型：数据、话音、图象等 可工作在C波段或Ku波段 VSAT终端天线小、设计结构紧密、功耗小、
成本低、安装方便、对环境要求低 组网灵活、独立性强，其网络结构、技术性能、
业务
地球站类型
FSS固定业务
MSS移动业务 BSS直播业务
大 中 小 很小 很小 大 中 小 大 小
近似G/T值 （dB/K）
40 30 25 20 12 -4 -12 -24 15 8
注解
发送/接收 单收
要求跟踪 要求跟踪 没有跟踪 社区接收 个体接收
14
地球站设备一般组成
地球站设备的一般原理性框图
120
100
80
60
40
20
0
C
Ku
波段
波段
Ka 波段
参量放大器 制冷GaAs GaAs
9
LNA前端接法
LNA模块只包含低噪声放大器 宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声
放大器以外，还包含宽带下变频器(1GHz) 窄带低噪声下变频模块： LNA模块除了低噪
声放大器以外，还包含窄带下变频器(70MHz)
极化跳跃——地球站将载波从一个极化的 转发器跳跃到另一个极化的转发器
3. 下变频过程——二次变频
59
6.6.2 频率合成器
所谓的频率合成器，就是用一个高稳定度 的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后 对它进行数学四则运算，用电路中的混频、 倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技 术，使它产生步长一定、与基准频率源具 有同样稳定度的大量频率分量输出。
典型手机参数
系统
平均发射功率 天线增益
G/T
Iridium
0.4W
1.0 dBi
-23
Globalstar
0.5W
2.5dBi
-22
6.6.8 MSS移动终端和信关站
信关站
网络（用户）管理功能 与地面公用网互连的功能 交换功能（路由分配功能）
82
6.7 VSAT网络
VSAT的概念
VSAT：早期称为微型站、小型数据站或甚 小孔径终端。到80年代中期，人们习惯称为 VSAT终端或VSAT系统（网络）。
电视传输：单向，复合电视信号
72
6.6.7 其他类型地球站
TT&C地球站
10~13米天线 RF终端 地面接口 基带设备
指令子系统 测距子系统 遥测子系统
74
6.6.7 其他类型地球站（2）
TV上行站
大型地球站 视频数字化 多路压缩传输
76
6.6.7 其他类型地球站（3）
有损二端口网络的等效噪声温度为
Te (L1)T0
有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F
26
5. 天线噪声温度
天线噪声温度是通过天线进入到接收机 的噪声的量度，它是由所有外部噪声源 产生的噪声分量的积分：
T A4 10 2 0 G (,)T b(,)d
27
6. 系统总噪声温度
32
2. 天线主要特性参量
3. 效率
抛物面天线——50~70% 喇叭天线——90%
33
2. 天线主要特性参量
4.增益函数
G,D ,P P i/4 ,
天线增益——增益函数的最大值
G42 AD2 （圆形天线）
34
天线增益G与半功率点波束宽度Ψ hp的关系, 孔径效率 60 %