卫星通信课件第5章(xsy)
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对面积S／S0为：
s0 4R2 (地球表面面积 )
(5)最大传传输延时(单程)：
式中C为光速。
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仰角、方位角和星站距离的计算：
静止通信卫星s与地球站A的几何关系可用图a来表 示。其中，设地球站A的经、纬度分别为 1 和 1 ，静 止卫星s的星下点S’的经度为 2 ，而 | 2 1 | 为星 下点S’与地球站A之间的经度差。 为了进一步看清楚几何关系，我们把图a中用斜线 表示的一块地球表面AS’B画在图b中。下面我们分别来 求，当A站天线对准卫星S时，其仰角 e 、方位角 a 与经度差 、地球站纬度 1 的函数关系． 1．仰角 e 通过A站作一条指向S’方向的地平线AP，那么 SAP e 就是A站对卫星S的仰角。
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3、数字处理转发器 转发器将接收到的信号经微波放大 和下变频，变成中频信号再进行解调和 数据处理从而得到基带信号，然后再经 调制、上变频、放大后发回地面。 （1）星上交换的TDMA转发器（书p8081)
（2）星载路由器（书p82) 路由器：读取每一个数据包中的地 址然后决定如何传送的专用智能性的网 络设备，工作在网络层的网络互联设备。
20
注意，利用上式求出的 a 是以正南方向为基准的方位 角，按规定地球站天线都是按正北方向为基准的。因 此，地球站天线的实际方位角 可按下述方法求得， 即 位于北半球的地球站其方位角 180 a 当卫星位于地球站的东侧时 当卫星位于地球站的西侧时 180
a
9
4、星载天线 常用的星载天线有： （1）、单级或双级线状天线：主要用 于TTC全向天线。 （2）、喇叭天线：用于全球波束。 （3）、反射面天线：用于区域波束或 点波束；多馈源赋形。（中心馈源的阻挡效应见
书p79图）
（4）、相控阵天线。
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全球波束天线
全球波束厦盖区的示意图如图所示，一般地说，星下点 (卫星与地心连线和地球表面的交点)s’，处于星上天线 全球波束的立轴上。
第五章 星载和地球站设备
卫星通信系统框图
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一、高功率放大器（HPA）和低噪声放大 器（LNA）
1、高功率放大器（HPA） 卫星通信系统中高功率放大器（HPA）是 其重要部件之一。通常采用的HPA有三种类型： 行波管放大器（TWTA），速调管放大器 （KPA，Klystron power amplifier）和固态功 率放大器（SSPA，Solid state power amplifier）。这三种放大器在不同频率时的功 率输出见书p72图。
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二、星载转发器
通信卫星上的核心是转发器(或中继器）， 他实际上是一部宽频带的收、发信机。由输入设 备、调制设备、本振设备、放大设备和发射设备 组成，是直接承担通信任务的系统，可以转发两 地或多地的电报、电话、数据、传真、电视、广 播等，是一个功能强大、结构复杂的多面手。它 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。 。
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由图不难得出： (1)卫星的全球波束宽度为：
式中， 为波束的半功率宽度，即卫星对地球的最大视角， R为地球半径，等于6378km；h为卫星离地面的高度， 等于35860km。代入上式，可求得（见书p78)
12
(2)覆盖区边缘所对的量大地心角为：
(3)卫星到覆盖区边缘的距离d为：
R 2 d ( R h) sin ( R h) 1 (cos ) ( R h) 1 ( ) Rh
3
2、低噪声放大器（LNA） 低噪声放大器（LNA）的重要指标是内部 噪声，可用等效噪声温度来表示。它在一定程 度上决定了接收站的规模和体积。书p73 图给 出了参量放大器、致冷和常温砷化镓场效应放 大器的内部噪声性能（即等效噪声温度）。可 以看出，同一类的LNA随频段的升高而增加。 参量放大器内部噪声温度低，但成本高。现在 几乎所有的地球站或是卫星上都采用包含 GaAsFET放大器的LNA。
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16
为了求出 e，在图b中作辅助线AA’为OA的延长线;作AP的平行线 SA’，与AA’交于A’点。由图直角三角形AA’S可得：
球面直角三角形ABS’中，用球面三角学的余弦定理(边）（书p79附）
cosb cosc cos a sin c sin a cos B (a, b, c为球面三角形三条边 ,以球半径R为度量单位 , b b' / R , c c ' / R 1 , a a ' / R ) 所以 cos cos1 cos sin 1 sin cos B
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相控阵天线的应用：在低轨卫星蜂窝系统中， 为了延长一个蜂窝的连续服务时间，不至于切 换频繁，常采用“固定地面蜂窝”技术，即让 星载天线对地面作与卫星运动方向相反的扫描， 以保持卫星覆盖其间，运动中的卫星支持某一 蜂窝的波束不变，使蜂窝间的切换和卫星间的 切换等效，从而大大延长了一个蜂窝支持连续 通信的时间。
19
由正弦定理 sin a sin b sin c sin A sin B sin C R为度量单位] 可得
[a, b, c以球半径
sin C sin c sin B / sin b sin 1 / sin C为球面三角形S' 处的角 .
(2)
sina sin A sin a sin B / sin b sin / sin (3)
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喇叭反射器天线
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三、通信地球站设备
对于提供双向数字通信链路的地球站设备，主要包 括RF终端（包括天线、HPA、LNA、和上、下变频器）、 调制与解调器、基带与控制设备以及用户接口。（见书
p84图5-16）
1、射频部分 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，它们都由射频部分设备的性能决定。 （1）天线 为了达到较高的EIRP，地球站常采用大尺寸、高 增益的天线。一般天线直径为7-13m，最大的可达 30m。应用较多的天线是卡塞格伦天线。（图见后
微波和光纤链路的投资比较（书p89图5-20)
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地面接口: （1）电话接口：（书p91) a、模拟话音接口；b、数字电话接口（E1接口， T1接口）。 （2）数据传输接口。 （3）电视接口。 4、TT&C(跟踪、遥测和指令系统）和SCC(卫星控 制中心）（书p93-94)
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卡塞格伦天线工作原理： 发信时从O2点辐 射的电波，在副反射 器任意点P被反射时， 其反射波宛如从O1辐 射的电波，这反射波 成为由O1点辐射的球 面波，在主反射的开 口面上获得平面波。 收信时，主反射器收 集到的能量经副反射 器收集到馈源中。
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转发器的数量越多，卫星的通信能力就 越大（每个转发器覆盖一段频段），所 以转发器的数量是衡量卫星先进与否的 重要标志 通常，我们把星载转发器少于12个， 功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量 通信卫星；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；
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有48个转发器，功率在3000~7000瓦之 间的卫星是大容量通信卫星；转发器多 于48个，功率在7000瓦以上的是超大容 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
p35,36）
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（2）高功率放大器（HPA） （3）低噪声放大器（LNA） （4）上、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 将射频信号变换为中频信号。
2、中频与基带处理部分
3、地面接口与陆地链路 地球站的地面接口是卫星通信系统业务的终点， 它通过陆地链路与地面网或用户终端连接。 陆地链路(见书p89图5-19)
而cso cosb cosc cos a sin c sin a cos B(余弦定理) cosccosa cos1 cos
22
所以
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通过以上公式推导可以看出，只要知道地球站所 在位置的经纬度和静止卫星的定点经度，就可 由 e 、 a 、 d的计算公式 分别计算出地球站天线对 准卫星时的仰角、方位角以及站星距离。
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位于南半球的地球站其方位角 a 当卫星位于地球站东侧时 当卫星位于地球站西侧时 360 a 3．站星距离d 由图b中三角形OAS可知，A站到静止卫星S 的距离为 d。
2 d 2 RE ( RE hE ) 2 2 RE ( RE hE ) cos
cos cos 0.151 1 e arctg 2 1 (cos1 cos ) tg a arctg sin 1 d 42238 1.023 0.302cos1 cos km
2 138.00E 例题：“亚太一号”卫星星下点经度 ， 求北京地球站天线对准卫星时的方位角、仰角和站星 距。 24
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点波束天线 –覆盖面积小，一般为圆形，半功率宽度几度 –天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭 赋形波束天线（对覆盖区的赋形见书p77图） –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产生多波束的组合 相控阵列天线 相控阵列天线由多个独立的阵列单元组成，各单元由频 率接近和相位特定的信号驱动，以得到所需的特性。通过 对激励信号相位的控制，可以在阵列天线不作任何物理移 动的情况下，改变波束的方向从而进行空间扫描，这就是 相控阵列天线的基本工作原理。
而 B 2 所以
17
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2．方位角 a 图中AB为过A站的子午线上的一段弧，B点为子午 线与赤道的交点。通过A站作一条指向正南方向的地平 线AQ，那末／QAP= a 就是A站对卫星S的方位角。 由图b中球面直角三角形ABS’，根据余弦定理（角）
cos A cos B cosC sin B sin C cos a (A, B, C为球面三角形三个角 ; a, b, c为球面 三角形三条边,以球半径R为度量单位, b b' / R , c c ' / R 1 , a a ' / R ) B 90 cos a cos A sin C cos a sin C cos (1)
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转发器可分为透明转发器和处理转 发器。 1、透明转发器（弯管式转发器）： 透明转发器接收地面发来的信号后，只 进行放大、变频、再放大后发回地面， 对信号不进行任何加工和处理，只是单 纯地完成转发任务。书p74图5-4，图5-5 给出了其功能图和方框图。
切换开关介绍（书p75-76) 2、转发器的EIRP和G/T（书p76-78)
s0 4R2 (地球表面面积 )
(5)最大传传输延时(单程)：
式中C为光速。
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仰角、方位角和星站距离的计算：
静止通信卫星s与地球站A的几何关系可用图a来表 示。其中，设地球站A的经、纬度分别为 1 和 1 ，静 止卫星s的星下点S’的经度为 2 ，而 | 2 1 | 为星 下点S’与地球站A之间的经度差。 为了进一步看清楚几何关系，我们把图a中用斜线 表示的一块地球表面AS’B画在图b中。下面我们分别来 求，当A站天线对准卫星S时，其仰角 e 、方位角 a 与经度差 、地球站纬度 1 的函数关系． 1．仰角 e 通过A站作一条指向S’方向的地平线AP，那么 SAP e 就是A站对卫星S的仰角。
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3、数字处理转发器 转发器将接收到的信号经微波放大 和下变频，变成中频信号再进行解调和 数据处理从而得到基带信号，然后再经 调制、上变频、放大后发回地面。 （1）星上交换的TDMA转发器（书p8081)
（2）星载路由器（书p82) 路由器：读取每一个数据包中的地 址然后决定如何传送的专用智能性的网 络设备，工作在网络层的网络互联设备。
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注意，利用上式求出的 a 是以正南方向为基准的方位 角，按规定地球站天线都是按正北方向为基准的。因 此，地球站天线的实际方位角 可按下述方法求得， 即 位于北半球的地球站其方位角 180 a 当卫星位于地球站的东侧时 当卫星位于地球站的西侧时 180
a
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4、星载天线 常用的星载天线有： （1）、单级或双级线状天线：主要用 于TTC全向天线。 （2）、喇叭天线：用于全球波束。 （3）、反射面天线：用于区域波束或 点波束；多馈源赋形。（中心馈源的阻挡效应见
书p79图）
（4）、相控阵天线。
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全球波束天线
全球波束厦盖区的示意图如图所示，一般地说，星下点 (卫星与地心连线和地球表面的交点)s’，处于星上天线 全球波束的立轴上。
第五章 星载和地球站设备
卫星通信系统框图
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一、高功率放大器（HPA）和低噪声放大 器（LNA）
1、高功率放大器（HPA） 卫星通信系统中高功率放大器（HPA）是 其重要部件之一。通常采用的HPA有三种类型： 行波管放大器（TWTA），速调管放大器 （KPA，Klystron power amplifier）和固态功 率放大器（SSPA，Solid state power amplifier）。这三种放大器在不同频率时的功 率输出见书p72图。
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二、星载转发器
通信卫星上的核心是转发器(或中继器）， 他实际上是一部宽频带的收、发信机。由输入设 备、调制设备、本振设备、放大设备和发射设备 组成，是直接承担通信任务的系统，可以转发两 地或多地的电报、电话、数据、传真、电视、广 播等，是一个功能强大、结构复杂的多面手。它 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。 。
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由图不难得出： (1)卫星的全球波束宽度为：
式中， 为波束的半功率宽度，即卫星对地球的最大视角， R为地球半径，等于6378km；h为卫星离地面的高度， 等于35860km。代入上式，可求得（见书p78)
12
(2)覆盖区边缘所对的量大地心角为：
(3)卫星到覆盖区边缘的距离d为：
R 2 d ( R h) sin ( R h) 1 (cos ) ( R h) 1 ( ) Rh
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2、低噪声放大器（LNA） 低噪声放大器（LNA）的重要指标是内部 噪声，可用等效噪声温度来表示。它在一定程 度上决定了接收站的规模和体积。书p73 图给 出了参量放大器、致冷和常温砷化镓场效应放 大器的内部噪声性能（即等效噪声温度）。可 以看出，同一类的LNA随频段的升高而增加。 参量放大器内部噪声温度低，但成本高。现在 几乎所有的地球站或是卫星上都采用包含 GaAsFET放大器的LNA。
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为了求出 e，在图b中作辅助线AA’为OA的延长线;作AP的平行线 SA’，与AA’交于A’点。由图直角三角形AA’S可得：
球面直角三角形ABS’中，用球面三角学的余弦定理(边）（书p79附）
cosb cosc cos a sin c sin a cos B (a, b, c为球面三角形三条边 ,以球半径R为度量单位 , b b' / R , c c ' / R 1 , a a ' / R ) 所以 cos cos1 cos sin 1 sin cos B
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相控阵天线的应用：在低轨卫星蜂窝系统中， 为了延长一个蜂窝的连续服务时间，不至于切 换频繁，常采用“固定地面蜂窝”技术，即让 星载天线对地面作与卫星运动方向相反的扫描， 以保持卫星覆盖其间，运动中的卫星支持某一 蜂窝的波束不变，使蜂窝间的切换和卫星间的 切换等效，从而大大延长了一个蜂窝支持连续 通信的时间。
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由正弦定理 sin a sin b sin c sin A sin B sin C R为度量单位] 可得
[a, b, c以球半径
sin C sin c sin B / sin b sin 1 / sin C为球面三角形S' 处的角 .
(2)
sina sin A sin a sin B / sin b sin / sin (3)
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喇叭反射器天线
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三、通信地球站设备
对于提供双向数字通信链路的地球站设备，主要包 括RF终端（包括天线、HPA、LNA、和上、下变频器）、 调制与解调器、基带与控制设备以及用户接口。（见书
p84图5-16）
1、射频部分 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，它们都由射频部分设备的性能决定。 （1）天线 为了达到较高的EIRP，地球站常采用大尺寸、高 增益的天线。一般天线直径为7-13m，最大的可达 30m。应用较多的天线是卡塞格伦天线。（图见后
微波和光纤链路的投资比较（书p89图5-20)
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地面接口: （1）电话接口：（书p91) a、模拟话音接口；b、数字电话接口（E1接口， T1接口）。 （2）数据传输接口。 （3）电视接口。 4、TT&C(跟踪、遥测和指令系统）和SCC(卫星控 制中心）（书p93-94)
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卡塞格伦天线工作原理： 发信时从O2点辐 射的电波，在副反射 器任意点P被反射时， 其反射波宛如从O1辐 射的电波，这反射波 成为由O1点辐射的球 面波，在主反射的开 口面上获得平面波。 收信时，主反射器收 集到的能量经副反射 器收集到馈源中。
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转发器的数量越多，卫星的通信能力就 越大（每个转发器覆盖一段频段），所 以转发器的数量是衡量卫星先进与否的 重要标志 通常，我们把星载转发器少于12个， 功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量 通信卫星；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；
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有48个转发器，功率在3000~7000瓦之 间的卫星是大容量通信卫星；转发器多 于48个，功率在7000瓦以上的是超大容 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
p35,36）
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（2）高功率放大器（HPA） （3）低噪声放大器（LNA） （4）上、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 将射频信号变换为中频信号。
2、中频与基带处理部分
3、地面接口与陆地链路 地球站的地面接口是卫星通信系统业务的终点， 它通过陆地链路与地面网或用户终端连接。 陆地链路(见书p89图5-19)
而cso cosb cosc cos a sin c sin a cos B(余弦定理) cosccosa cos1 cos
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通过以上公式推导可以看出，只要知道地球站所 在位置的经纬度和静止卫星的定点经度，就可 由 e 、 a 、 d的计算公式 分别计算出地球站天线对 准卫星时的仰角、方位角以及站星距离。
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位于南半球的地球站其方位角 a 当卫星位于地球站东侧时 当卫星位于地球站西侧时 360 a 3．站星距离d 由图b中三角形OAS可知，A站到静止卫星S 的距离为 d。
2 d 2 RE ( RE hE ) 2 2 RE ( RE hE ) cos
cos cos 0.151 1 e arctg 2 1 (cos1 cos ) tg a arctg sin 1 d 42238 1.023 0.302cos1 cos km
2 138.00E 例题：“亚太一号”卫星星下点经度 ， 求北京地球站天线对准卫星时的方位角、仰角和站星 距。 24
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点波束天线 –覆盖面积小，一般为圆形，半功率宽度几度 –天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭 赋形波束天线（对覆盖区的赋形见书p77图） –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产生多波束的组合 相控阵列天线 相控阵列天线由多个独立的阵列单元组成，各单元由频 率接近和相位特定的信号驱动，以得到所需的特性。通过 对激励信号相位的控制，可以在阵列天线不作任何物理移 动的情况下，改变波束的方向从而进行空间扫描，这就是 相控阵列天线的基本工作原理。
而 B 2 所以
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2．方位角 a 图中AB为过A站的子午线上的一段弧，B点为子午 线与赤道的交点。通过A站作一条指向正南方向的地平 线AQ，那末／QAP= a 就是A站对卫星S的方位角。 由图b中球面直角三角形ABS’，根据余弦定理（角）
cos A cos B cosC sin B sin C cos a (A, B, C为球面三角形三个角 ; a, b, c为球面 三角形三条边,以球半径R为度量单位, b b' / R , c c ' / R 1 , a a ' / R ) B 90 cos a cos A sin C cos a sin C cos (1)
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转发器可分为透明转发器和处理转 发器。 1、透明转发器（弯管式转发器）： 透明转发器接收地面发来的信号后，只 进行放大、变频、再放大后发回地面， 对信号不进行任何加工和处理，只是单 纯地完成转发任务。书p74图5-4，图5-5 给出了其功能图和方框图。
切换开关介绍（书p75-76) 2、转发器的EIRP和G/T（书p76-78)