第4章 星载和地球站设备
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17
• 全球波束天线
波束的半功率宽度约等于17.4°，覆盖卫星对地球的整 个视区 一般由圆锥喇叭天线加上45°的反射板组成
• 点波束天线
覆盖面积小，一般为圆形，半功率波束宽度为几度 天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭
• 赋形波束天线
可通过修改反射器形状来实现 也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束 的组合
10
二、星载转发器
• 弯管式转发器（透明转发器）
结构简单 性能可靠 适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况
• 数字处理转发器
载波处理转发器 比特流处理转发器 全基带处理转发器
11
• 转发器由输入设备、调制设备、本振设备、放大 设备和发射设备组成，可以转发两地或多地的电 报、电话、数据、传真、电视、广播等多类业务。 • 转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后， 变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。
增加了解调和再调制功能 可能包括译码和重编码设备、解扩设备等
• 全基带处理转发器
具有星上再生能力 具有基带信号处理和交换能力 解调、译码、存储、交换、重组帧、重编码和重调制等。
29
星上交换的TDMA转发器
SS-TDMA转发器的组成
30
通路 时段
上行 下行 波束 波束
上行 下行 波束 波束
50
（五）MSS移动终端和信关站
• 移动终端
车（船）载台 手持机
项目 平均发射功率 (W) 0.4 天线增益(dBi) G/T (dB/K)
Iridium
1.0
-23
Globalstar
0.5
2.5
-22
表4-2 Iridium和Globalstar系统手持机主要参数
51
• 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（对透明转发器而言）
33
星载路由器
图4-12 提供波束形成的转发器
34
三、通信地球站设备
• 射频部分 • 中频与基带处理部分 • 地面接口与陆地链路
陆地链路的选择 地面接口
35
图 4-15 地球站主要单元设备
36
（一）地球站射频部分
• 天线
卡塞格伦天线
• 高功率放大器HPA
波导耦合合路器 滤波器型合路器
• 低噪声放大器LNA • 上、下变频器
37
图4-16 卡塞格伦天线原理图
38
（二）中频与基带处理部分
具有调制/解调、编/解码等功能
调制/解调是在IF载波上进行
具有复用的功能
39
陆地链路的设置和选择
图4-18 地球站与交换局、用户设备间的陆地链路
40
图4-19 微波和光纤两种陆地链路所需投资的比较
14
（一）弯管式转发器（透明转发器）
图4-4
星载微波转发器功能图
15
图4-5 弯管式转发器方框图
16
（二）转发器的EIRP和G/T
• EIRP和G/T是转发器射频部分最重要的两个 指标，除了决定于HPA输出功率和LNA的 等效噪声温度以外，还与星载天线的增益 相关。天线增益G与半功率波束宽度0.5的 关系可以近似表示为 G=27000/(0.5)2 对任意形状服务区的覆盖总希望天线 对该区域提供大的增益，为此采用若干点 波束的组合来对覆盖区赋形。
52
卫星运行的神经中枢 轨道控制 监视卫星的上行和下行链路的通信传输通 道
46
TV单收站
DTH系统的家用单收站
单个接收机
地面有线TV系统的“电缆前端”TVRO
多个接收机
47
图4-23 TVRO天线直径与卫星EIRP的关系
48
图4-22 具有卫星前端的地面有线电视系统
49
图4-24 有线电视网前端的TVRO
26
图4-7 中心馈源的阻挡效应
27
（四）数字处理转发器
• 具有交换和处理的功能 • 数字处理转发器分类
载波处理转发器 比特流处理转发器 全基带处理转发器
28
三种数字处理转发器的特点比较 • 载波处理转发器
以载波为单位直接对射频信号进行处理 具有星上载波交换能力
• 比特流处理转发器
5
图4-2 不同频段三种放大器的输出功率
6
高功率 输出 放大器 功率 TWTA 中 50~ 800W 水冷:10kw KPA 大 1KW以上 SSPA 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
第4章 星载和地球站设备
1
提要
（一）HPA和LNA （二）星载转发器 （三）通信地球站设备 （四）其它类型的地球站 （五）MSS移动终端和信关站
2
卫星通信系统框图
3
图4-1 星载和地球站设备
4
一、HPA和LNA
• 高功率放大器（HPA）
行波管放大器（TWTA） 速调管放大器（KPA） 固态功率放大器（SSPA）
上行 下行 波束 波束
上行 下行 波束 波束
T1
1
2
2
1
3
4
4
3
T2
T3 T4
1
1 1
3
4 1
2
2 2
2
3 4
3
3 3
1
2 3
4
4 4
4
1 2
表4.1 交换矩阵示意图
31
பைடு நூலகம் SWZ
INTELSAT VI 卫星的覆盖图和采用微波交换矩阵的SS-TDMA星上交换示意图
32
解调---再调制转发器
图4-9 解调—再调制转发器结构
41
地面接口
图4-20 三种地面接口的示意图
42
（四）其他类型的地球站
• TT&C地球站 • TV上行站和广播中心 • TV单收站
43
TT&C地球站
44
（1）TT&C地球站
射频 基带处理部分
指令子系统 测距子系统 遥测子系统
地面接口单元：用于与SCC接口
45
（2）SCC
真空管 砷化镓场效 应半导体管
7
三种放大器的性能比较
• 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
图4-3 三种LNA的内部噪声性能
9
LNA前端的接法
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 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
12
• 转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。 • 星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫 星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在 1000~3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有 48个转发器，功率在3000~7000瓦之间的卫星称为 大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000 瓦以上的称为超大容量通信卫星。目前最大的通 信卫星平台上可装150个转发器。东方红三号有24 个C波段转发器，6个电视和18个通信传输信道， 可传输6套彩色电视节目和15000路电话或电报、 传真、数据信号，工作寿命为8年。
18
19
多波束卫星天线的典型方框图
20
波束宽度与天线直径的关系
21
22
图4-8
对覆盖区赋形
23
（三）星载天线
• 喇叭型天线 • 抛物面反射型天线 • 相控阵列天线
24
• 喇叭天线
形状似喇叭，如圆锥形、角锥形 辐射效率高 天线方向性强
25
抛物面反射型天线
图4-6 中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线
13
星上处理和交换的功能
• • • • • • 波束间、载波间交换，如射频交换、中频交换或基带交换 调制方式的变换，如上行PSK，下行DPSK 多址方式的变换，如上行FDMA，下行TDMA 速率变换，如将低速上行信道变换成高速的下行信道 星上再生，如星上解调/再调制，解码/再编码等 存储转发和基带处理，如信令处理、路由选择、信息压缩 和重新组帧 • 星上智能网控 • 星间链路 • 抗干扰保护，如自适应天线调零，可控点波束，转发器放 大特性的智能控制
• 全球波束天线
波束的半功率宽度约等于17.4°，覆盖卫星对地球的整 个视区 一般由圆锥喇叭天线加上45°的反射板组成
• 点波束天线
覆盖面积小，一般为圆形，半功率波束宽度为几度 天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭
• 赋形波束天线
可通过修改反射器形状来实现 也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束 的组合
10
二、星载转发器
• 弯管式转发器（透明转发器）
结构简单 性能可靠 适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况
• 数字处理转发器
载波处理转发器 比特流处理转发器 全基带处理转发器
11
• 转发器由输入设备、调制设备、本振设备、放大 设备和发射设备组成，可以转发两地或多地的电 报、电话、数据、传真、电视、广播等多类业务。 • 转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后， 变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。
增加了解调和再调制功能 可能包括译码和重编码设备、解扩设备等
• 全基带处理转发器
具有星上再生能力 具有基带信号处理和交换能力 解调、译码、存储、交换、重组帧、重编码和重调制等。
29
星上交换的TDMA转发器
SS-TDMA转发器的组成
30
通路 时段
上行 下行 波束 波束
上行 下行 波束 波束
50
（五）MSS移动终端和信关站
• 移动终端
车（船）载台 手持机
项目 平均发射功率 (W) 0.4 天线增益(dBi) G/T (dB/K)
Iridium
1.0
-23
Globalstar
0.5
2.5
-22
表4-2 Iridium和Globalstar系统手持机主要参数
51
• 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（对透明转发器而言）
33
星载路由器
图4-12 提供波束形成的转发器
34
三、通信地球站设备
• 射频部分 • 中频与基带处理部分 • 地面接口与陆地链路
陆地链路的选择 地面接口
35
图 4-15 地球站主要单元设备
36
（一）地球站射频部分
• 天线
卡塞格伦天线
• 高功率放大器HPA
波导耦合合路器 滤波器型合路器
• 低噪声放大器LNA • 上、下变频器
37
图4-16 卡塞格伦天线原理图
38
（二）中频与基带处理部分
具有调制/解调、编/解码等功能
调制/解调是在IF载波上进行
具有复用的功能
39
陆地链路的设置和选择
图4-18 地球站与交换局、用户设备间的陆地链路
40
图4-19 微波和光纤两种陆地链路所需投资的比较
14
（一）弯管式转发器（透明转发器）
图4-4
星载微波转发器功能图
15
图4-5 弯管式转发器方框图
16
（二）转发器的EIRP和G/T
• EIRP和G/T是转发器射频部分最重要的两个 指标，除了决定于HPA输出功率和LNA的 等效噪声温度以外，还与星载天线的增益 相关。天线增益G与半功率波束宽度0.5的 关系可以近似表示为 G=27000/(0.5)2 对任意形状服务区的覆盖总希望天线 对该区域提供大的增益，为此采用若干点 波束的组合来对覆盖区赋形。
52
卫星运行的神经中枢 轨道控制 监视卫星的上行和下行链路的通信传输通 道
46
TV单收站
DTH系统的家用单收站
单个接收机
地面有线TV系统的“电缆前端”TVRO
多个接收机
47
图4-23 TVRO天线直径与卫星EIRP的关系
48
图4-22 具有卫星前端的地面有线电视系统
49
图4-24 有线电视网前端的TVRO
26
图4-7 中心馈源的阻挡效应
27
（四）数字处理转发器
• 具有交换和处理的功能 • 数字处理转发器分类
载波处理转发器 比特流处理转发器 全基带处理转发器
28
三种数字处理转发器的特点比较 • 载波处理转发器
以载波为单位直接对射频信号进行处理 具有星上载波交换能力
• 比特流处理转发器
5
图4-2 不同频段三种放大器的输出功率
6
高功率 输出 放大器 功率 TWTA 中 50~ 800W 水冷:10kw KPA 大 1KW以上 SSPA 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
第4章 星载和地球站设备
1
提要
（一）HPA和LNA （二）星载转发器 （三）通信地球站设备 （四）其它类型的地球站 （五）MSS移动终端和信关站
2
卫星通信系统框图
3
图4-1 星载和地球站设备
4
一、HPA和LNA
• 高功率放大器（HPA）
行波管放大器（TWTA） 速调管放大器（KPA） 固态功率放大器（SSPA）
上行 下行 波束 波束
上行 下行 波束 波束
T1
1
2
2
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T2
T3 T4
1
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2
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4
4 4
4
1 2
表4.1 交换矩阵示意图
31
பைடு நூலகம் SWZ
INTELSAT VI 卫星的覆盖图和采用微波交换矩阵的SS-TDMA星上交换示意图
32
解调---再调制转发器
图4-9 解调—再调制转发器结构
41
地面接口
图4-20 三种地面接口的示意图
42
（四）其他类型的地球站
• TT&C地球站 • TV上行站和广播中心 • TV单收站
43
TT&C地球站
44
（1）TT&C地球站
射频 基带处理部分
指令子系统 测距子系统 遥测子系统
地面接口单元：用于与SCC接口
45
（2）SCC
真空管 砷化镓场效 应半导体管
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三种放大器的性能比较
• 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
图4-3 三种LNA的内部噪声性能
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LNA前端的接法
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 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
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• 转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。 • 星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫 星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在 1000~3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有 48个转发器，功率在3000~7000瓦之间的卫星称为 大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000 瓦以上的称为超大容量通信卫星。目前最大的通 信卫星平台上可装150个转发器。东方红三号有24 个C波段转发器，6个电视和18个通信传输信道， 可传输6套彩色电视节目和15000路电话或电报、 传真、数据信号，工作寿命为8年。
18
19
多波束卫星天线的典型方框图
20
波束宽度与天线直径的关系
21
22
图4-8
对覆盖区赋形
23
（三）星载天线
• 喇叭型天线 • 抛物面反射型天线 • 相控阵列天线
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• 喇叭天线
形状似喇叭，如圆锥形、角锥形 辐射效率高 天线方向性强
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抛物面反射型天线
图4-6 中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线
13
星上处理和交换的功能
• • • • • • 波束间、载波间交换，如射频交换、中频交换或基带交换 调制方式的变换，如上行PSK，下行DPSK 多址方式的变换，如上行FDMA，下行TDMA 速率变换，如将低速上行信道变换成高速的下行信道 星上再生，如星上解调/再调制，解码/再编码等 存储转发和基带处理，如信令处理、路由选择、信息压缩 和重新组帧 • 星上智能网控 • 星间链路 • 抗干扰保护，如自适应天线调零，可控点波束，转发器放 大特性的智能控制