第二章《卫星通信》卫星通信系统的组成与体制

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2．2．3 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。
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2．2．3 变频器
2、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

“ 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。 37
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2．3．4 码分多址方式（CDMA）

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。
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RFS-4GUS-27A
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低噪声放大器在接收通道中的作用与位置
天线
LNA 天线开关 双工器 本振
混频 输出
功放 隔离器
某CDMA移动台射频前端收发系统结构框图
调制 输入
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2．2．2 高功率放大器
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。
图2－2 卫星通信示意图
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2．1．2 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
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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） 6
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
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2．2．3 变频器
3、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
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2、速调管放大器
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 （Controller Area Network）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。
各站发（n-1）个载波的FDMA工作示意图
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4、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。 30
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3、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。

SCPC方式工作示意图
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卫 （MCPC）方式
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MCPC指一个载波包含多路不同信号， 称为多 路单 载波(Multiple Channel Per Carrier)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。
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）
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2、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。
2．2 卫星通信系统主要 射频设备介绍
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2．2．1 低噪声放大器（LNA）

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
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。
SDMA方式
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2．3．4 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。


TDMA方式的特点


RB “间歇”通信（变速处理： Ri f / i ） 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 ）
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2．3．2 时分多址方式(TDMA)
TDMA系统工作示意图
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2．3．2 时分多址方式(TDMA)
2、TDMA地球站设备 与用户的输入—输出接口
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2、速调管放大器
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90 LBS/小时。 16
射频电路 ：
与传统的速调管高功放一样，GEN IV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。 13
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2、速调管放大器
高压电源电路 ：
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）
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4、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
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解决方法
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。 31

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。 35
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2．3．3 空分多址方式(SDMA)
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 1
2．1
卫星通信系统
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2．1．1 卫星通信系统的组成

卫星通信
B 中继站
C 中继站
A
终端站
终端站
图2－1 地面微波接力通信示意图
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2．1．1 卫星通信系统的组成

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
2、在FDMA方式中，每个地球站传送多路信号时的 两种方法
（S CPC）方式
（MCPC）方式 25
卫 （SCPC）方式
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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。
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3、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
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3、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。
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。
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2．3．3 空分多址方式(SDMA)

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） 。
三次变频式
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上变频器方框图
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下变频器方框图
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卫星通信多址技术概论
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2．3．1 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。

低噪声放大器自身的线性
一般要比下游器件要低 8
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2．2．1 低噪声放大器（LNA）

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
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2．3．2 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。