卫星通信的基础知识

卫星通信的基础知识
卫星通信概述
1.卫星通信的基本概念与特点
定义：卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信，它有三种形式：
（1）宇宙站与地球站之间的通信；（直接通信）
（2）宇宙站之间的通信；（直接通信）
（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。

（间接通信）
第三种通信方式通常称为卫星通信，当卫星为静止卫星时称为静止卫星通信。

大多数通信卫星是地球同步卫星（静止卫星：轨道在一定高度时卫星与地球相对静止）。

静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道平面内。

轨道离地面高度约为35800km （为简单起见，经常称36000km）。

静止卫星通信的特点
（1）静止卫星通信的优点
a 通信距离远，且费用与通信距离无关（只要在卫星波束范围内两站之间的传
输与距离无关）
b 覆盖面积大（三颗卫星即可覆盖所有地方），可进行多址通信（一发多收）
c 通信频带宽（带宽为500M），传输容量大
d 信号传输质量高，通信线路稳定可靠
e 建立通信电路灵活、机动性好（只要卫星覆盖到，均可建立地面站进行通信）
f 可自发自收进行监测
（2）静止卫星通信的缺点
a 静止卫星的发射与控制技术比较复杂（所以国内做卫星发射的很少）。

b 地球的两极地区为通信盲区（轨道与赤道平行，切线方向下来无法到达两
极），而且地球的高纬度地区通信效果不好。

c 存在星蚀（卫星在地球和太阳之间）和日凌（地球在太阳和卫星之间）中断
现象。

——（现今可通过处理缩短这种现象）
d 有较大的信号传输时延（发射和接受时间）和回波干扰。

2. 卫星通信系统的组成
（1）卫星通信系统的组成
通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星（前两个为主要组成，负责卫星收发）、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统（后两个提供辅助功能，监测卫星、姿态调整等）4大部分组成的，如图所示。

（2）卫星通信线路的组成
两个地球站通过通信卫星进行通信的卫星通信线路的组成如图所示，是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。

3.卫星通信地球站设备
对地球站的技术要求
一般来说，对地球站应有以下几方面的要求。

①发送的信号应是宽频带、稳定、大功率的信号，能接收由卫星转发器
转发来的微弱信号（可通过放大解调处理）。

②可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。

③性能稳定、可靠，维护、使用方便。

④建设成本和维护费用不应太高。

（1）地球站的性能指标——品质因数（G/T）
G/T是地球站接收天线的增益G与地球站接收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。

（2）有效辐射功率及其稳定度
为了保证所传送信号的质量，要求地球站的发射机能够发射较大的功率，一般为几百瓦～十几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。

（3）射频频率的稳定度
地球站所发射的射频信号的频率必须很精确，如果有较大漂移，不但要影响卫星转发器频带的有效利用，还会在卫星转发器中产生交调噪声。

（4）射频能量的扩散
为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。

（5）干扰波辐射的限制
为防止干扰波对卫星转发器和其他微波通信系统形成干扰，规定地球站因多载波引起的交调干扰及带外总的有效全向幅射功率应小于限定值。

地球站的组成
标准地球站的组成，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机分系统、通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统6个分系统组成。

（固定站涉及到信道终端设备分系统，一般情况下产品涉及发射系统、接收系统以及天线系统）
发射机分系统
发射机分系统由上变频器（如上图，信道终端出来的是L频段，而天线系统的频段为Ku/Ka,因此需要做变频处理，从上图的上半部分故叫做上变频器）、自动功率控制电路、发射波合成装置、激励器和大功率放大器等组成。

接收机分系统
{LNB
LNA：只放大不变频有时需加下变频器
卫星转发器经过天线后信号会放大一些但是不够需要再加LNB进行再次放大处理}
由于卫星转发器的发射功率较小，只有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经200dB左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。

对接收机分系统的主要要求：
①噪声温度低，接收机分系统的噪声温度很低，
一般只有几十开尔文（K）。

②工作频带宽，一般要求具有500MHz的带宽。

③增益稳定。

低噪声放大器
在微波频段使用的低噪声放大器主要是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。

下变频器
经低噪声放大器放大的微波信号，要送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器。

4.地球站的天线系统 （以地球站为基础，结合公司产品）
地球站的天线是卫星通信中最具特色的设备，是一个庞大的系统。

大多数地球站采用反射面型天线。

反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。

反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线（如动中通和固定站，波束反射到主面，在反射到副面，再进入喇叭）和单反射面天线（如静中通，喇叭在前端，卫星波束经过天线面直接进入喇叭）；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。

目标：地球站天线的轴要始终对准卫星方向
固定卫星地球站系统主要由天馈分系统（喇叭、主副面、双工器等主要完成信号收发）、伺服及接收机分系统（复杂时可划分为伺服分系统和接收机分系统，主要负责运动控制）以及传动分系统（指转台部分，主要提供可靠支撑和功能平台）组成。

其中天馈分系统完成信号的收发功能，伺服及接收机分系统控制天线转动及跟踪，完成天线对准卫星的功能。

传动分系统主要为以上系统提供可靠的支撑及工作平台。

固定卫星地球站系统
伺服及接收机分系统
天
馈分系统
传动分系统
天馈分系统
辐射或接收无线电波能量的装置
天线分类：
天线随着波段不同，可分长中波天线、短波天线（线天线：手机、路由器）、微波天线（面天线：公司产品）。

不同频段有不同类型，前者多为线天线，后者多为面天线。

面天线又有：喇叭天线、缝隙天线、透镜天线、抛物面天线。

抛物面天线最为常用，它又分：前馈抛物面天线、后馈抛物面天线（双反射面天线）。

后馈抛物面天线都是双反射面天线，它又有：卡塞格伦天线、格里戈里天线、环焦天线。

为了提高天线增益、降低旁瓣，双反射面天线都可以采用反射面修正技术。

组成：
主反射面、（副反射面）、波纹喇叭、-----馈源系统---- 双工器、功分器、多路旋转关节、多个滤波器等部件组成
单脉冲跟踪：多模产生器、组合网络（会分成合分路、差分路，再到伺服系统，精度较高；但是馈源系统复杂，成本高，需要使用单脉冲接收机解调两个分路）
方向图（信号强弱能量分布图，纵坐标单位dB，横坐标单位角度）
中心频率（如图14.25GHz）
波束宽度(y=-6时抛物线对应的X2-X1=1-(-1))=2即为2dB波束宽度
旁瓣（X=0点位天线对准卫星处，偏离此处的第一个最高点即为第一旁瓣，以此类推，越偏离X=0处接受信号的能力越弱；主瓣越大，对其他卫星的影响会更厉害）
极化（电磁波传输方向与大地水平时为水平极化，垂直时为垂直极化，采用两种方式利用率会更高，另外一个概念交叉极化。

水平极化和垂直极化频点—频谱仪的电平值--不一样，运用反极化（两者的电平差）找到的点就是极化方向。

结构组成
前国内外，比较成熟的转台主要有两种形式，A-E型天线转台和X-Y型天线转台。

A-E装置X-Y装置
（1）结构较小，重量较轻。

结构较大，重量较重。

（2）能做到的精密度较高做到较高精密度的困难较大（3）天线罩（若需要的话）较小要用较大的天线罩
（4）在跟踪过程中天线的极化形式保持不变在跟踪过程中天线的极化形式是变话的，必须要用圆极化或极化分集接受，来弥补这一缺点
（5）结构较轻小，抗风力较差结构更结实，能耐较大的风负载
（6）在头顶有约5-10°的死区(如动中通) 低俯角时有两个约10°的死区，但可以适当安排轴线方向，使得跟踪避过死区
（7）需要大的伺服驱动功率驱动功率较小
（8）天线馈电需要高频滑环或旋转关
节
馈电不需要高频滑环或旋转关节。