卫星第4章

4.2.5 星载电源 星载电源系统无疑是卫星不可缺少的设 备之一，它的任务是电能的产生、储存、变
换、调节和分配。
电能可以通过化学能、太阳能或核能转 换而来。
太阳电池是由单元基片电池组成的“太
阳电池阵”。
为了储存电能、保持输出的稳定，需要 与蓄电池组联合使用。
太阳能电池的安装有体装式和展开式两
类。
电话（专线或PSTN） “E” 收 发 “M”
双向电话接口 (4线，E&M)
(a)
数据传输（串行数字接口） 入站数据 出站数据 双向数据通信 时钟 (RS232C) 发送请求 允许发送 电视广播（模拟方式） 复合电视 声音 标记 数据
(b)
电视接口 设备
(c)
图4-20 电话、数据和模拟电视广播业 务的地面接口的示意图
多路信号，将首先利用滤波器组进行分路，
以便将各个已组合在一起且将送往不同下行
波束的各个信道分离出来，再分别送往各下
行波束。 ——众多滤波器的设备不宜用于卫星上
如果系统为TDMA方式，可采用时隙控
制的开关矩阵来实现波束间的交换，即构成
星上波束交换TDMA转发器。
上行链路 波束1 波束2 波束3 波束4 卫星交换矩阵
140
放 120 大 器 100 噪 80 声 温 60 度 40 (K)
20 0 C波段 Ku波段 Ka波段
GaAsFET 致冷GaAsFET 参量放大器
图4-3 三种LNA的内部噪声温度
在实际应用中，LNA模块安装于天线支架 上，以减小与天线之间馈线的损耗，从而降低 馈线损耗所带来的噪声对接收系统G/T的影响。
第4章
星载和地球站设备
卫星转发器 收天线 下行 上行 低噪声模 块变频器 解调器 解码 信息 输出 发天线
高功率 放大器
上变 频器
调制器
编码
信息输入
图4-1 星载和地球站设备
4.1
高功率放大器和低噪声放大器
4.1.1 HPA
卫星通信系统中采用的HPA通常有三类： 行波管放大器（TWTA） 速调管放大器（KPA） 固态功率放大器（SSPA）
地球站的主要性能指标是上行链路的
EIRP和下行链路的G/T值，它们都由地球
站的射频部分设备性能所决定。
1、天线 对于干线的大型地球站，由于可以采用 大功率的放大器，系统设计的上行链路较下 行链路有较高的传输可靠性，使得雨衰时中 断率减小一些。 卫星通信系统中，目前地球站应用最
多的天线是卡塞格伦天线。
带宽是上变频器和下变频器的性能指标之
一。变频器带宽有射频和中频两种含义： 射频带宽是指变频器覆盖射频带宽的能力 中频带宽决定于变频器覆盖各载波信号带
宽的能力，也就是变频器在中频侧的信号带
宽。
4.3.2 中频和基带处理部分
中频和基带处理单元是地球站设备的重要
组成部分，它具有调制/解调、信道编/解码和 复用等重要功能。
3000
射 频 功 率 输 出 (W)
2500 2000 1500 1000 500 0 C波段 Ku波段 Ka波段 固态 行波管 调速管
图4-2 不同频段三种放大器的输出功率
4.1.2 LNA 低噪声放大器（LNA）的最重指标是内部 噪声的大小，用等效噪声温度来量度。 LNA位于接收机的前端，其性能在很大程 度上决定了整个接收系统的等效噪声温度。
利用矩阵开关实现射频交换的Intelsat6，是大容量的FSS（固定业务）、TDMA 系统，每波束的信号带宽达250MHz。
30MHz BW 接收机1 接收机2 上行 接收机3 接收机4 接收机5 A/D A/D A/D A/D A/D 星载数字处理 图4-11 星载中频路由转发器框图 D/A D/A D/A D/A D/A
下行链路 波束1 波束2 波束3 波束4
图4-10 星载SS-TDMA转发交换矩阵示意图
表4-1 不同时隙的开关连接状态 通路 上行 下行 时段 波束 波束 上行 下行 波束 波束 上行 下行 波束 波束 上行 下行 波束 波束
T1 T2 T3 T4
1→2 1→3 1→4 1→1
2→1 2→2 2→3 2→4
Ta 1 T 1 LF LF
270 Tre
4.2.3 星载天线 星载天线是卫星有效载荷的重要组成部 分。现代卫星天线能根据要求提供不同的覆 盖特性，如特定形状的区域性覆盖或点波束 覆盖，可有效而灵活地利用转发器资源。
1、喇叭天线 对于一定长度的波导，如果在一端用适 当频率的微波功率激励它，那么在另一开口
A
A
A
下行
A
A
前向处理器
4GHz 上行 下变频 A/D 分接、存 储、交换 数字波 束成形 复用 D/A 上变频 1.5GHz 下行
反向处理器
6GHz 下行 上变频 D/A 分接、存 储、交换 数字波 束成形 分接 A/D 下变频 1.6GHz 上行
图4-12 具有动态波束形成的星载路由器框图
5、视频广播卫星星上处理器
线。
HPA后的合路器有两种：
1）波导耦合合路器
常见的有等耦合损耗（损耗为3dB）的耦合 器。 2）滤波器型合路器
以滤波器组构成。能将每一射频通道低损
耗连接到天线公用端口上。
滤波器前耦合器：将多路发射载波合路后
送入一宽带功率放大器进行多载波放大。
对于频率较高的Ku、Ka频段，地球发射站 应有上行链路功率控制（UPC）功能，以便补偿
需要天线辐射方向图的主波束为特定形状，
以便与服务区的形状相匹配。
休斯公司的美国大陆赋形波束天线有两种：
56个馈源的反射面天线，重量为
36kg，损耗约为1.0dB； 赋形反射面天线（单馈源），重量仅
为6.4kg，损耗约为0.3dB
4、相控阵列天线和多波束天线 阵列天线是由多个辐射单按一定规律排 列组合而成的，其特性与辐射单元的数目、
4.2
星载转发器
4.2.1 弯管式转发器
星载转发器工作于通信卫星平台上，它 提供一个完整的微波传输信道，并在没有维 修和更换器件的条件下稳定地工作多年（由 卫星寿命确定）。
一次电源
蓄电池
-
V
+ 转发器
+
-
接收(上行) 天线 热
工作台
发射(下行) 天线
图4-4 星载微波转发器功能概念框图
常采用TWTA
主反射器(抛物面) 馈源喇叭 发射机或 接收机 副反射器(双曲面)
图4-16 卡塞格伦天线原理图
2、高功率放大器
有时要求将多个（物理上分离的）频率信 道的信号送至同一天线进行发射，这时需要采 用耦合系统。 如果每一载频采用单独的功率放大器，应
在这些HPA后采用合路器作为耦合系统，以便
将各单个HPA的输出合路为一个输出口送至天
效途径。
1）时钟误差与准同步滑帧接口技术 地面公用网时钟的稳准度为±1×10-11。 地面网与卫星通信系统的相对频差保持在 2×10-11的量级。
为了吸收频差，接口处设置了缓存器。缓
存器“写入”和“读出”的定时分别由接口两
侧的系统时钟控制。
2）常用的几种接口 卫星通信中，除广播电视系统地球站与地 面设备尚有模拟接口外，包括话音在内的绝大 多数接口都是数字接口。
链路衰落的变化。
3、低噪声放大器
为了使天线不至于太大，通常是以特定的 接收系统等效噪声温度和所需的G/T值，确定
所需的最小天线增益。
4、上变频器和下变频器
上变频器将中频信号变换为射频信号，而 下变频器则将射频信号变换为中频信号。 信号带宽较窄→中频可选为70MHz
信号带宽较宽→中频常选为140MHz
4Leabharlann Baidu4
其他类型的地球站
调制/解调是在IF载波上进行的，每一载
波需要一个Modem。
卫星通信链路的误码率较高，同时还存在 突发错误，因此在卫星通信系统中通常都要采 用前向纠错编码。 卷积码是卫星通信系统中常用的编码方 式。
4.3.3 地面接口与陆地链路
1、陆地链路的设置和选择
地球站的地面接口可视为卫星通信系统的 业务终点，它通过陆地链路（Tail Link）与地 面网或用户终端相连接。 地球站通过陆地链路与远端的一个或多
端将有部分功率辐射到空间去。
为了提高辐射的效率和增强其方向性， 用于辐射电磁波天线的“波导”截面应均匀 地扩展，做成喇叭形。
2、抛物面反射天线
朝向地球 朝向地球
(a)中心馈源抛物面反射天线
(b)偏置馈源抛物面反射天线
图4-6 抛物面反射天线
3、赋形天线 对任意形状服务区的覆盖总希望天线对 该区域，也仅对该区域提供大的增益，为此
工程上，LNA模块有三种接法： 1）LNA模块只有低噪声放大器，不包含 下变频器。 此时，LNA的输入、输出频率相同。
2）宽带低噪声下变频模块 在LNA模块中除低噪声放大器外，还包含 了宽带下变频器，变频后的高中频一般选在 1GHz左右，带宽约500MHz。
3）窄带低噪声下变频器 接法与2类似，但其输出是低中频（如 70MHz）的单通道窄带信号，它对IFL的要求最 低。
4.3
通信地球站设备
上变频器 + R 上变频器 高功率 放大器 高功率 放大器 R
复用 和 编码
Modem Modem
R 下变频器 + 低噪声 放大器 R 低噪声 放大器
地面接口 和链路连接 用户
下变频器 监视和控制系统 加热、通风 支持系统 图4-15 地球站主要单元设备 电源和电器设施
4.3.1 射频部分
个用户连接起来，其距离：几百～几千米。
到其它公用 传输设备
微波链路 主 地球站 IFL RF 终端 IFL RF 终端 光缆 （专用或公用）
电话 交换局 本地环路 用户
图4-18 地球站与电话交换局、用户设备间的陆地链路
2、地面接口 地球站与用户设备之间的接口，或者与地 面网的接口是卫星通信网设计的重要方面，它 对QoS有极大的影响。 接口标准化是实现设备（地球站与用户 设备）之间或不同通信网之间互连互通的有
A A A A A A
F1 F2 F3 F4 F5 F6 LPF 合 路 器
图4-9 解调-再调制转发器的一种结构
3、星上射频波束交换转发器
多波束系统将由卫星天线所形成的多个
点波束实现对整个服务区的覆盖。点波束能 有效提高卫星的EIRP和G/T值，并在各点波 束之间实现频率的再利用。
对于FDMA系统，每一上行波束是频分
相控阵天线包括阵列辐射单元、移相器
和波束形成网络（也称为馈电网络）。
4.2.4 数字处理转发器
1、星载处理转发器的基本功能
星载数字处理转发器在将接收的上行信 号向地球转发之前要进行相应的处理，功能 包括：射频波束交换、解调-再调制处理、中 频信道路由和基带分组交换、视频广播卫星 对远端节目的编辑处理及多址方式变换等。
PA I M U X PA PA ┇ PA O M U X
BPF
A
BPF
转发器滤波器 图4-5 弯管式转发器方框图
弯管式转发器仅完成对信号的放大和将上 行频率变换为下行频率。
4.2.2 转发器的EIRP和G/T
转发器射频部分最重要的指标是EIRP和
G/T，而这两个参数除了决定于HPA输出功 率和LNA（接收机）的等效噪声温度以外， 还与星载天线的增益密切相关。
相对位置、激励电流的幅度和相位有关。
阵列天线的辐射特性是各单元辐射场的 复矢量之和，天线在远区辐射场的方向图为 天线单元因子与阵列因子的乘积。
相控阵天线与普通阵列天线的区别在于， 阵列中各单元激励电流的相对相位和功率可 以控制，以便在阵列天线不做任何物理移动
的情况下，实现波束位置的移动，并完成对
辐射波束的赋形。
星载信号处理一般在中频进行，即：接 收信号经下变频至中频后，再输入至星上处
理器。
2、解调-再调制转发器
解调-再调制能有效地抑制上行链路噪声
对整个系统性能的影响。
F1 F2 F3 F4 F5 F6 接收机
解调 解调 解调 解调 解调 解调 基 带 交 换
再解调 再解调 再解调 再解调 再解调 再解调
3→4 3→1 3→2 3→3
4→3 4→4 4→1 4→2
实现SS-TDMA的关键是全网同步，它 将保证从不同波束来的突发脉冲是按正确的 时间到达而不会碰撞。 当其连接某地球站的上行链路的波束并 不返回到同一下行波束时，要求位于不同波 束覆盖范围的发、收地球站必须与卫星交换 机同步。
4、星载路由器
解扩散 外编 码器 能量 扩散 QPSK 调制 解 调 器 组 解扩散 „„ 解扩散 分 组 复 用 能量 扩散 数据 交织 内编 码器 QPSK 调制
MPEG-2 数据流
解扩散
下行链路 IF 星上处理
上行链路
图4-13 DVB星载处理器
6、多址方式的变换 星上进行多址方式的变换有可能使系统 性能得到一定的改善。