[信息与通信]第6章 数字微波与卫星通信系统.ppt

第6 章 数字微波与卫星通信系统,6.1 数字微波通信系统概述 6.2 SDH数字微波通信系统 6.3 卫星通信系统 6.4 通信卫星 6.5 数字卫星通信系统 6.6 卫星地球站,返回主目录,第6章 数字微波与卫星通信系统,6.1 数字微波通信系统概述 6.1.1 微波通信基本概念 1. 微波通信的频段及特点 微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通信方式。无线电磁波是以频率或波长来分类的, 波长与频率的关系如下: = (61.1) 式中, 为电磁波波长(m); C为电磁波传播速度3×108(m/s); f为电磁波频率(Hz)。,无线电频段的划分如表6.1所示。由表可知, 微波频段在较高频段, 通常人们所说的微波是指频率在0.3300 GHz范围的电磁波, 利用此频段的电磁波来传递信息, 就称之为微波通信。 电磁波频率不同, 波长不同(频率越低, 波长越长), 其空间传播的特性也不一样, 因而用途也有不同。 长波绕射能力最强, 靠地波传播, 常用于长波电台进行海上通信。中波较稳定, 主要用于短距离广播。短波利用了电离层反射进行远距离传播, 主要用于短波通信和短波广播。 在短波传输时，由于电离层的变化, 信号起伏变化较大, 接收信号时强时弱; 晚上电离层较稳定,因此传播效果也较好, 信号较稳定; 在听无线电广播时人们能体会到这一特性。,微波波长短, 接近于光波, 是直线传播, 这就要求两个通信点(信号转接点)间无阻挡, 即所谓的视距通信。微波通信除此之外, 还有以下特点: 工作的微波频段(GHz级别)频率高, 不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响, 因此, 通信可靠性高。由于波长短, 天线尺寸可做得很小, 通常做成面式天线, 增益高, 方向性强。特别在110 GHz频段(称为无线电窗口的微波频段), 衰减、干扰, 以及自然条件等影响都比较小。因此在微波通信以及在卫星通信中首先采用, 而且使用范围一般为C波段。(4/6 GHz)频段。 微波通信又称接力通信或视距通信。这里视距是指要“看得见”对方, 天线的两站间的通信, 距离不会太远, 一般为50 km。,为了远距离传送信号, 微波通信就像人们进行接力赛那样, 把信号一段一段地往前传送, 所以又称为微波接力通信。 微波频带宽, 传输信息容量较大。 2. 数字微波通信系统组成及工作过程 1) 微波通信系统组成 数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成, 如图6.1所示。它由发端站、中间站和收端站组成。 工作过程从图6.1可知, 如从甲地端站送来的数字信号, 经过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理)后, 经数字调制, 形成数字中频调制信号(70 MHz或140 MHz), 再送入发送设备, 进行射频调制变成为微波信号, 进而送入发射天线向微波中间站(微波中继站)发送。,图6.1 数字微波通信系统方框图,微波中间站收到信号后经再处理, 使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送, 这样一直传送到收端站, 收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复出数字基带信号, 再分路还原为原始的数字信号。 2) 微波通信设备的特殊天馈系统 无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的, 微波通信也不例外。由于微波频率高, 波长短, 因此使用的天线一般都采用面式天线, 有喇叭天线、 抛物面天线、卡塞格伦天线等。 如图6.2所示，微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)。其主反射面似一口大锅的抛物面，其抛物面中心(锅底)底部置馈源, 作为发送和接收电磁波信号的门户。,其馈线系统, 一般由波导和同轴电缆(工作频段在 2 GHz以下时)组成。由图6.2中可看出, 天线馈源与馈线是直接相连的, 微波信号天馈系统中还要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换, 这些滤波器、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件, 不同于传统的电子器件。 ,图6.2天线馈线系统 (a) 同轴电缆天线馈线系统； (b) 圆波导天线馈线系统,6.1.2 微波传输线路 1. 微波传播的电波特性 在两个微波站间的电波传播我们称为微波信道或微波线路(两站间的接力通道、 接力线路)。 它们之间存在衰减, 这种衰减可以按自由空间天线辐射能量的衰落进行计算, 但其实际传播情况与两站内所处的环境、 自然现象等有关。 如地面或山地的反射波, 雨、雾、雪等对电波的吸收和散射、折射, 这些情况会引起电波的快衰落与慢衰落, 使对方实际收到的电平要低十几至几十分贝。这些衰落还与频率高低有关, 一般在无线电窗口(110 GHz)范围电波特性较好。(电波自由空间传播衰耗见卫星通信中的LP计算公式),2. 微波信号传输线路中的余隙概念 收、发两微波站间的电波传播, 受到电离层、 对流层及环境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。 在空间不同高度的波束, 其传播速度会发生变化, 当上层比下层快时, 则电波射线往下弯曲, 当下层比上层传播快时则往上弯曲, 如图6.3所示。从图中看出，在传输线路上, 有一部分波会投射到地面上来, 引起地面波的反射, 这样在收端除收到直射波外，还会收到满足反射条件的反射波。 此时接收信号的电波即为合成波。 ,图6.3 地面反射和大气折射示意图,从图 6.3 中可看出微波线路的余隙概念,它是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离, 用hc来表示。在设计天线高度时一定要有余隙的计算。 余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径(F1)有关。其中, k主要随气象变化而受影响; F1与电波反射波长, 地面反射点距两微波天线距离等有关，其计算公式为 其中，为微波工作波长； d1 为反射点离发射天线距离； d2 为反射点离接收天线距离；,d为收、 发天线间距离(d=d1+d2)。 余隙计算如下: 当地面反射系数较小时， 线路(山区、丘陵、城市、森林等地区)天线不能太低, 否则会使大气折射电波向下弯曲, 这时k=2/3, hc03F1。 当地面反射系数较大时，线路(如水面、 湖面、 稻田等地区), 余隙不能太小。这时, 余隙标准为 k=4/3(标准大气), hc10F1。,当k=(余隙较大)时，hc135F1。因此 0.3F1 (k=2/3) 1.0F1 (k4/3) 1.35F1 (k) (6.1.3) 3. 数字微波信道的干扰和噪声 微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播引入, 一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、邻近波道干扰、 天线系统同频干扰等。 噪声主要来自设备, 如收、 发信机热噪声以及本振源的热噪声等。 ,6.2 SDH数字微波通信系统,6.2.1 SDH微波接力通信系统组成 一个完整的长途传输的微波接力通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干中继站所组成, 如图6.4所示。一个微波通信系统, 一般要开通多对收、发信波道。因此, 系统的传输速率一般为基本传输速率, 这里讲的基本传输速率指SDH设备的输出速率。 1. 终端站 处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站。对向若干方向辐射的枢纽站, 就其某个方向上的站来说也是终端站。 在此站可上、下全部支路信号, 可配备SDH数字微波的ADM或TM设备, 可作为集中监控站或主站。 ,图6.4 站型配置,2. 枢纽站 枢纽站一般处在长途干线上(一、 二级), 需要完成数个方向的通信任务。在系统多波道工作时要完成STM-N信号的复接与分接, 部分支路的转接和上、下话路, 也有某些波道信号可需再生后继续传输。因此, 这一类站上的设备门类多, 包括各种站型设备, 一般作为监控系统主站。 3. 分路站 在长途线路中间, 除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路外, 还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站。在此类站, 亦有部分波道的信号需再生后继续传输，因此此种站应配备SDH的传输设备及分插复用设备ADM, 或多套再生中继设备, 可作为监控系统主站或受控站。 ,4. 中继站 在线路中间, 不上、下话路的中间站称为中继站。它对已收到的已调信号进行解调、判决、再生, 转发至下一方向的调制前, 经过再生去掉干扰、 噪声, 以此体现数字通信优越性。 此种站不设置倒换设备, 应有站间公务联络和无人值守功能。,6.2.2 SDH微波系统的主要设备 SDH数字微波通信系统的设备配置, 根据系统组织在线路上的位置和作用来安排。 这里以STM-4为例来进行分析。 1. 端站设备 端站是以STM-4信号速率为终结的站, 此站一般都带有STM-4的光接口, 如图6.5所示。 SDH微波终端设备如图中所示, 它主要包括SDH信号复用部分(即数字微波基带信号)以及SDH微波传输部分设备。SDH复用部分设备要完成4个STM-1或4×63个2 Mb/s数字信号流的复用(接), 然后通过STM-4速率的光接口送中频调制解调器(IF Modem)。两个STM-4光接口分别安排在波道A、B的中频调制、解调器中, 其中一个作为备份。,从图 6.5 中可看出, STM-4 系统622 Mb/s的传输容量, 实际上是在两个微波波道中传送的。OAMP单元通过控制网络(CNet)与中频调制解调器接口, 完成系统的操作、管理、维护和参考配置功能。 端站可分为终端站、 中间站和分路站三种类型。 1) 终端站设备配置 终端站设备在SDH光传输通信系统中已讲述, 即为TM, 一般用在线路两端点或分支线路终点, 都配备SDH复用设备, 可上、下全部低次群信号(支路信号)。向若干方向辐射的枢纽站就其一个方向来说也是一个终端站。 此站的基本组成如图6.5所示, 可配多套SDH复用设备和SDH传输设备。 ,图6.5 终端站设备配置,2) 中间站设备 中间站设备只具备STM-N速率的接口, 其配置如图6.6所示。这里的设备有STM-4光接口, 无复用设备和SDH微波传输设备。 该站型设备可放在枢纽站上, 用作某方向的信号转接。 3) 分路站设备 分路站设备配置如图6.7所示。它配备有SDH分插复用设备(ADM), 这里的设备具有传输速率为STM-4的接口和有限个支路接口, 此处为部分的2 Mb/s接口和STM-1接口。 STM-4接口主要用于沟通干线上两个方向的通信。2 Mb/s接口用于本地上、下部分话路。分路站设备可以安放在枢纽站和分路站上, 用于部分话路的转接和上、下。,图6.6 中间端站设备配置,图6.7 分路站设备配置,2. 再生站设备 再生站设备主要用于接收、再生和发送由微波通道所传输的SDH数字信号。一对收、发信波道信号的再生, 一般由两套分别用于向上发送方向的再生站设备完成。比如说, 一套设备用于东西方向的接收和发送, 另一套则用于相反方向。一个方向的再生站设备如图6.8所示。 这里的设备模块配备与其他设备不一样, 它没有光传输接口电路和1N保护电路, 也没有分路部分, 只有SDH信号的再生中继转接部分的设备模块。它可装在中继站、分路站和枢纽站, 在后两种站中, 亦可能有部分波道的信号需再生后继续传输。 这里是一一对应关系, 因此对于多波道传输, 则需配置多套再生器设备。 ,图6.8 再生站设备配置,3. SDH微波基带信号处理 SDH数字微波通信中的SDH信号处理, 一般称为DSP部分, 它分为发送和接收两个方向, 它要完成微波传送中的绝大部分信号处理功能, 如图6.9所示。 在发信方面它首先要完成主用、备用、再生中继用的三种数据信号流选择, 组成SDH数字微波帧的段开销(SOH)及SDH数字微波辅助开销(RFCOH)的插入, 以及信号的扰码、 码型变换等功能, 并把信号送入调制器。 ,图 6.9 数字信号处理器,在收信方面完成与上述过程的反变换。从解调器来的数字信号, 经码型反变换, 去扰码以及取出SDH开销和SDH微波和辅助开销, 恢复出STM-N信号。 4. SDH微波系统的运行、维护、管理的配置子系统(OAMP) SDH数字微波传输系统的管理, 可用网络管理的分层结构来描述。分为网元层和网元管理层, 提供一个完备的OAMP管理平台, 完成对近、 远端设备的运行、维护的监控和管理。数字SDH微波管理系统如图6.10所示。 由图中可知, OAMP管理平台的基本功能是从人机接口接收管理人员的操作指令, 从系统的单元设备中采集信息数据, 并根据这些指令和数据, 处理该系统(传输网)中发生的各种事件。这些事件分两类: 一类是SDH系统的传输业务; 一类是设备的运行、管理与监视。 ,图 6.10 SDH微波传输管理系统的结构,6.2.3 SDH数字微波传输系统的主要技术 1. 抗衰落的技术 在前面讲到微波传送信道(线路)时提到了微波是视距、 沿直线传播的。但是在传播路径上由于气象条件变化, 传播环境的不同, 会产生各种对电波影响的情况, 使传送的电波随时间而恶化衰落, 称之为时变恶化因素。主要表现在: 大气吸收衰耗(大气中氧分子、磁界极子、水蒸气分子(H2O)等吸收电波能量; 雨、雾引起的散射衰耗; 多经衰落, 电波通过地面反射、大气折射、气流变化的散射等情况产生的电波衰落; , 微波频率选择的衰落等。 对于以上的衰落, 常采用以下几种抗衰落措施: 自动增益控制(AGC)技术: 这是在收信机中频中， 普遍采用的抗衰落技术, 一般使用在中频放大器中。 频率分集技术: 采用两个或两个以上, 具有一定频率间隔的微波频率, 同时发送和接收同一信息。 空间分集技术: 在空间不同垂直高度设置几副天线, 同时接收一个发射天线的微波信号, 然后合成或选择其中一个强信号。 有几副接收天线就称几重分集。 自适应均衡技术: 这种均衡技术分为频域自动均衡和时域自动均衡两种。 交叉极化干扰补偿技术。,2. SDH数字微波实用的调制解调技术 上面对数字信号无线传输调制的一般方式进行了简单的叙述。为防止解码时的相位模糊, 一般都在调制器前要进行差分编码变换; 为保证传输的可靠性, 降低误码, 进行了纠错编码变换。为防止其差分编码带来误码扩散, 一般把纠错编码变换放在差分编码之前。在传统的调制器中, 编码器和调制器各自独立实现。 但在高速率的STM-1这样的SDH系列中, 为提高C/N和降低误码, 提高编码增量和功率利用率, 特把纠错编码与调制器作为一个整体来考虑, 这种调制方式称为网格编码(TCM)调制。在STM-1中一般采用TCM-64QAM调制, 而解调采用维特比译码来实现。,在STM-4的SDH系列的数字微波系统中, 由于其数码率是前者的4倍, 在使用网格编码(TCM)调制技术中, 使用的维特比译码实现较因难, 因而采用了一种叫做多级的编码调制(MLCM)的方法，如采用卷积编码为第一级编码, 奇偶校验为第二级编码, 由此称为多级编码。如STM-4中采用的64QAM MLCM调制方式。另外还有LEE代码64QAM调制等方式的调制技术, 这里不一一赘述。 在不同的无线数字通信系统中, 还有不同的数字调制技术, 如数字移动通信中的MSK调制技术, 卫星通信中的OK-QPSK调制技术等, 将在后面继续介绍。FSK、ASK和PSK是基本调制方式, 其他调制方式只是以此为基础进行组合、扩展和改造而已。,3. 分集技术 分集技术分为信号分集接收技术(在收信中选择质量好的某一路作为输出, 有的也称倒换式分集)和室内分集技术(这里主要指最大功率组合器与最小色散组合器有多重室内分集)。 4. 非线性失真补偿技术 非线性失真补偿技术一般采用功率回退法与功率合成法、 预畸变法、前馈法等。 5. SDH微波传输新技术 要使微波能传送更高速率的SDH数字传送模块, 达到STM-16以上, 就对微波信道频谱利用率提出了极高的要求。 为满足这个要求, 必须研究一系列的新技术：, 提高调制的状态数及严格限带。为提高频带利用率, 一般采用多电平QAM技术, 今后可能实现1024QAM/2048QAM或更高电平QAM调制技术。 采用更复杂的纠错编码技术以降低系统误码率。 网格编码调制及维特比检测技术。 高性能、 全数字化的二维时域均衡技术。 多载波的并联传输技术。 采用多重空间分集接收、发端功放非线性预校正、 自适应正交极化干扰消除电路等技术。,6.3 卫星通信系统,6.3.1 卫星通信系统的组成及特点 1. 卫星通信系统组成及工作过程 卫星通信部分主要包括发端地面站、收端地面站、上行线、下行线和通信卫星等五大部分, 如图6.12所示。（图6.11） 当甲地一些用户要与乙地的某些用户通话时, 甲地首先要把本站的信号组成基带信号, 经过调制器变换为中频信号(70 MHz), 再经上变频变为微波信号, 经高功放放大后, 由天线发向卫星(上行线)。卫星收到地面站的上行信号， 经放大处理, 变换为下行的微波信号。 ,图6.11 卫星通信的示意图,图6.12 卫星通信线路的组成,3. 卫星通信的特点 与其他长途通信系统相比, 卫星通信具有以下特点: 覆盖面积大, 通信距离远。 一颗静止卫星可最大覆盖地球表面三分之一, 三颗同步卫星可覆盖除两极外的全球表面, 从而实现全球通信。 设站灵活, 容易实现多址通信。 通信容量大, 传送的业务类型多。 卫星通信一般为恒参信道, 信道特性稳定。 电路使用费用与通信距离无关。 建站快, 投资省。 其不足主要表现为: , 要求卫星严格, 有高可靠性、 长寿命。 通信地球站设备较复杂、 庞大。 卫星传输信号有延迟。 ,6.3.2 卫星通信传输线路性能参数 在卫星通信系统中(如图6.13所示), 信号从发端地面站到收端地面站, 经过了信号发射、上行线、卫星转发、下行线和收端接收这一系列的传输过程。在整个传输过程中, 信号会受到各种干扰、衰耗、噪声及本身信道频率特性等影响， 使波形失真，从而使信号质量恶化。因此,我们必须规定所传输的信号要达到的质量标准、 基本要求和限度。这就必须对传输线路的各参数进行一系列规范(原CCIR及现在ITU-R的建议标准)。 在这里只对卫星传输的几个主要参数进行介绍, 其他有关参数性能及线路计算请参阅有关专著。 ,图6.13 卫星通信系统的工作过程,1. 全向有效辐射功率(EIRP) 它表示天线对着目标方向所辐射的电波强度(一般用dBW来表示): 式中：PT为设备发送功率(W); GT为发射天线增益，且有 式中，D为天线直径(m)；为发射电波波长(m); LT为发射部分天馈系统损耗等；为天线效率。 EIRP有两个含义:,其一, 是指地面站天线向着卫星接收方向辐射的电波强度, 用EIRPE表示; 其二, 是指卫星转发器天线向接收地面站方向所辐射的电波强度, 用EIRPS表示。 2. 传播衰耗 传播衰耗表示电波在自由空间(恒参信道)传播的衰耗, 又称故有衰减(卫星与地面站两天线间传输衰耗); 用LP表示: LP= 其中，d为卫星与地面站之间的距离(m)； 为电波的波长(m)； LP为传播衰耗。,3. 传播方程 接收端的信号强度(PR)表示卫星通信系统接收信号的能力。 它与对方的全向辐射功率成正比, 与传播衰耗成反比, 与接收天线增益成正比: PR= 其中，EIRP为发送端的全向有效辐射功率(它可以是EIRPS, 也可为EIRPE)；GR为接收天线有效增益(这已经排除了天馈系统的损耗, 称有效增益);LP为传播衰耗(它可以是上行线, 也可以是下行线的传播路途的衰耗)。 4. 接收地面站性能指数 接收地面站性能指数是卫星通信系统中的特有参数:,注: 这里的T要折合到信号输入端进行计算。 从G/T值来看, 接收天线增益越大越好, 从T来看, 接收部分的等效噪声越小越好, 这就直观反映了接收端的性能优劣, 所以一般称为地面站或者卫星接收机的性能指数。 世界卫星组织规定了A级卫星地面站性能指数 G/T40.7+20 lgf/4 (dB/k6) 这里f的单位为千兆赫(GHz)。 5. C/T值与S/N 载噪比(C/N)和载波噪声温度比(C/T)是衡量卫星线路未经解调前送入接收设备的重要参数。因为,N=KTB (6.3.6) 所以 式中， N为噪声功率； K为波尔前罗常数； T为系统等效噪声幅度；B为接收机带宽。 这里，C/N和C/T的区别在于C/T中没有宽带因素。 S/N是指卫星传送信号经解调后的输出信噪比, 它是随传送信号种类, 如图像、 话音、 数据等业务不同而有区别的。 6. 门限电平 卫星通信系统中, 在接收端恢复出的信号的质量一般用S/N来表示, 以此表示信号优劣。 在数字系统中， 一般用误码率来表示, 也可以等效为S/N。当设备已经确定时,卫星通信系统的 C/N(C/T)与S/N的关系, 可用门限电平来表示, 如图6.14所示。 门限效应: 当卫星接收机解调器输出端的S/N与系统输入端的C/N之间的关系如图6.14所示，如C/N小于某一数值时, S/N会急剧下降的这种现象， 称为门限效应。产生门限效应的这一C/N限值称为门限电平。 门限电平的含义是: 为保证接收到的话音、图像、数据等信号的质量, 或者说为使接收系统对接收到的信号进行解调后, 能有起码的信噪比或误比特率时, 接收系统必须得到的最小载噪比值。,图6.14 调频系统的门限电平,由于在卫星通信系统中有些不确定因素, 如电子设备性能变化, 天线定向偏差,气候条件变化等都会引起传输衰耗增大和噪声增加, 使C/N下降。为保证卫星通信线路不致于工作在门限电平以下, 一般都留有一定的余量, 此余量称为门限余量(E)。 在传输线路总体设计时就必须考虑“门限余量(E)”。 7. 卫星传输信号的几种信号处理技术 除在前面已讲述过的数字信号基带处理的纠错编码技术和扰码处理技术外， 还有以下几种信号处理技术。 1) 能量扩散技术 由于卫星转发器是在多载波工作, 而转发器的变频器件为非线性器件, 因而会产生交流干扰, 特别对于有些载波未调制和负担少的情况, 载波功率大就会对其他载波带来严重干扰。,为此,对未调制的载波, 外加一个信号, 使其能量扩散。外加信号称为能量扩散信号, 一般为20150Hz的三角波, 它可在接收端用高通滤波去掉。 2) 预加重 由于收端解调器对多路信号调频波解调时, 噪声也在其中, 解调后的高端信号S/N比低端的S/N低。为解决这一问题, 在基带处理时加一个预加重网络, 使频带内信噪比均匀, 在接收端进行相反处理, 用去加重网络恢复原信号。 3) 加权 加权主要是对人的视觉和听觉频率特性而言的。,人们对噪声的敏感程度和实际上存在的噪声之间有差别, 为使S/N的实际情况和人的感觉器官协调, 特采用了修正值, 这个修正值称为加权值。 加权在传输中没有实际意义, 而是改善了人们在接收信号时的感觉。采用了加权、加重以后使人们感觉到S/N提高了。 ,6.4 通信卫星,6.4.1 同步通信卫星 1. 地球卫星轨道 地球卫星都有自己的运行轨道, 这种轨道有圆形, 也有椭圆形, 轨道所在的平面称为轨道面, 轨道面都要通过地心。 当卫星的轨道平面与赤道平面的夹角为0°时, 地球卫星的轨道称赤道轨道。当卫星轨道平面与赤道平面夹角为90°时, 卫星的轨道为极轨道。当卫星轨道平面与赤道平面夹角在090°之间时, 称卫星轨道为倾斜轨道, 如图6.15所示。 ,图6.15 地球卫星的几种轨道,当卫星运行轨道在赤道面内时, 称赤道轨道, 如轨道呈圆形, 此轨道离地面高度为357866 km时, 此轨道称为同步轨道。 同步轨道只有一个, 是宝贵的空间资源。 2. 同步通信卫星 在同步轨道上运行的卫星, 卫星运行方向与地球自转方向相同, 由西向东作圆周运动, 卫星运行周期为恒星日(23小时56分4秒), 一般称为24小时。它的匀速运动速度 v=3.07km/s, 这时卫星相对于地球表面呈静止状态, 在地球上观察卫星时, 此卫星是静止不动的, 人们把这个卫星叫做同步卫星或叫静止卫星。 这个轨道也称为静止轨道。,利用同步卫星(静止卫星)来转发无线电信号组成的通信系统就称为卫星通信系统, 作为通信用的这个卫星就叫做同步通信卫星。 我们这里主要讲述的就是同步卫星通信。 3. 影响同步卫星通信的因素 1) 摄动 在空中运行的卫星, 受到来自地球、太阳、月亮的引力以及地球形状不均匀, 太阳辐射压力等影响, 使卫星运行轨道偏离预定理想轨道, 这种现象称为摄动。 2) 轨道平面倾斜效应 当静止卫星受到某些因素影响而发生相对于赤道平面向上、向下的固定偏离时, 就使卫星的视在位置及星下点发生改变, 这就称为倾斜效应。,卫星的摄动及倾斜效应会引起卫星的位置发生变化, 偏离原来的经度、纬度。对于静止卫星通信系统就必须采取措施, 使卫星稳定在预定的位置, 这就称为位置控制。在卫星上有许多喷嘴, 当发生位置偏离时, 控制其喷射汽体燃烧, 推动卫星回到原位置。 3) 星蚀与日凌中断 当静止卫星和地心及太阳在一条直线上, 且地球挡住太阳使卫星处于阴影区时, 就称此为星蚀。星蚀一般发生在每年春分和秋分前后23天, 当地的午夜时间前后, 持续时间大约1小时左右。这时, 卫星上太阳能电池不能供电, 只能依靠星载蓄电池或化学电池供电, 也可以适当调整卫星位置。 ,在这一直线上的另一种情况是, 当太阳正对着卫星, 地面站天线对准太阳, 这时因太阳黑子产生的强大的太阳噪声干扰,会使通信短暂中断,这种现象称为日凌中断。这种现象也是发生在每年春分、秋分前后各6天左右。每次大概6分钟, 因此在通信中要尽量避免。 4) 卫星姿态的保持与控制 前面讲到卫星的位置要控制，使之保持在预定位置，但这还不够，还必须使卫星的天线波束指向覆盖区中心，使卫星上太阳能电池板正对太阳。这就要求卫星相对于地球保持一定的姿态，使之达到上述两项要求。使卫星姿态保持的控制方法主要有：角度惯性控制(自施稳定法)和三轴稳定法。后者采用较多，因后者具有控制精度较高，可节省燃料，太阳能电池板可以做得较大，电能供给功率较大等优点。,6.4.2 通信卫星组成 同步通信卫星主要由控制分系统、通信分系统、遥测指令分系统、电源分系统、温控分系统等组成, 如图6.16所示。 1. 控制分系统 控制分系统主要由各种可控的调整装置、驱动装置(喷气抵进器)及各种转换开关等组成。它在地面遥控指令下, 主要完成对卫星姿态、 位置、 工作状态, 主、 备用设备切换等控制功能。 2. 通信分系统 通信分系统是通信卫星的关键, 通信转发任务全落在它身上, 因此责任重大。它主要由天线和转发器两大部分组成。,1) 天线 对卫星上天线要求严格: 要体积小、重量轻、馈电方便、 易折叠、易展开; 电器特性好、增益高、效率高、宽频带等。 其种类有: (1) 全方向性天线。 此天线是完成遥测和指令信号的发送、 接收功能的。 (2) 通信天线。 卫星上的通信天线, 主要是接收、转发地面站的通信信号。通信天线要对准所覆盖的区域, 按其覆盖面大小可分为以下4类。,·球波束天线: 覆盖地球表面面积最大, 如图6.17 所示。一般可达地球表面的1/3。 ·覆形波束天线(区域波束天线): 覆盖的地球通信区域为一特定的区域, 如为一个国家国土等。 ·半球波束天线: 是球波束天线覆盖的1/2。 ·点波束天线: 此波束很窄, 覆盖地面某一限定的小区。 2) 转发器 卫星通信转发器有三种, 即双、单变频转发器和处理转发器。 (1) 单变频转发器。,此转发器是目前用得较多的转发器。这种转发器较简单, 实现容易, 它的组成框图如图6.18所示。此转发器一直在微波段工作, 它把接收到的上行信号, 经过放大, 直接变拉为下行频率, 再经功率放大后, 通过天线发回地面。 (2) 双变频转发器。 双变频转发器如图6.19所示, 它先把接收到的上行信号经下变频为中频, 经放大、限幅以后再上变频为下行信号, 再进行功放和发射。 这种转发器经过两次变频, 所以称双变频转发器。此种转发器用得较少, 早期的业务量小的卫星通信系统采用过。 ,(3) 处理转发器。 处理转发器, 主要具有处理信号的功能, 它的组成方框图如图6.20所示。在卫星上的信号处理主要指经下变频后, 对信号进行解调后的处理, 然后重新调制、上变频、功放后发向地面站。 卫星上的信号处理一般分三种情况: 一种是对数字信号进行判决、再生, 使噪声不积累; 第二种是多个卫星天线之间的信号交换处理; 第三种为更复杂的星上处理系统, 它包括了信号的变换、 交换和处理等。 ,3. 遥测指令分系统 遥测指令分系统分两部分: 遥测部分和遥控指令部分。 1) 遥测部分 此部分主要收集卫星上设备工作的数据, 如电流、 电压、 温度、传感器信息、气体压力指令证实等信号。这些数据经处理后送往地面监测中心站。 2) 遥控指令部分 地球上收到卫星遥测的有关数据时, 要对卫星的位置、 姿态进行控制。设备中的部件转换, 大功率电源开关等, 都要由遥控指令来进行。地面控制中心把指令发向卫星, 在卫星上经处理后送往控制设备, 控制设备根据指令的准备、指令、执行几个阶段来完成对卫星上各部分设备的控制和备用部件的倒换等。 ,4. 电源分系统 卫星上设备工作的能源, 主要由太阳能电池提供, 辅助以原子能电池和化学电池。对电池的要求高, 除要求体积小、重量轻、 高效率、 高可靠性外, 还要求提供电能的时间长而稳定。为保证卫星上的设备供电, 在卫星上特别设置了电源控制电路, 在特定情况下进行电源的控制。 5. 温控分系统 通信卫星里的设备都是在密闭环境下工作的。电器设备工作, 特别是行波管功率放大器产生的热量及卫星受太阳照射等使温度会发生变化, 而工作要求, 特别是本振设备, 要求温度恒定, 因此就必须对星上温度进行控制。,6.4.3 观察参量 卫星地面站的天线要与卫星上通信天线对准, 才能接收和发送通信信号。 如何才能使两者对准呢? 主要由地面站对卫星的几个观察参量来决定。 这几个观察参量是指地球站天线轴线指向静止卫星的方位角、 仰角和距离三参数。同步卫星的观察参量如图6.21所示。 同步卫星的位置, 只要有了经度就能确定(因在同步轨道上由经度定点), 地面站位置由经度和纬度确定。 利用以上的条件和卫星高度(35 786 km), 即可用公式(工程用)计算出来。 ,图 6.21 中, S表示静止卫星, D表示地球站, O为地球中心。 S与O连线在地表面交点为M, 叫做星下点。 D与S连线叫直视线, 直视线的长度就是地球站至卫星的距离d。D所在的水平面称地球站平面, SD(直视线)在地面的投影称方位线。 直视线与方位线所确定的平面称方位面, 由图可见 SM在此方位面内。 方位角: 用来表示, 定义为地面站所在正北方向(经线正北方向), 按顺时针方向旋转与方位线的夹角。可证明:,地球指向卫星的仰角用表示。定义为地球站方位线与直视线之间的夹角: =arcsin,式中，R0为地球半径, 为 6378km, K=(R0+h/, R0) h为卫星离地面高度35 786.6 km; =1-2, 1为卫星所在位置经度， 2为地面站所在位置经度; 为地面站所在位置纬度。,6.5 数字卫星通信系统,6.5.1 数字卫星通信系统概念 在卫星通信的早期, 采用了模拟信号和调频技术。 数字通信时代, 地面通信已基本上实现了IDN(综合数字网), 因此对卫星(地面站的终端信号卫星基带信号)都基本上使用数字信号, 称为数字基带信号, 其系统组成如图6.22所示。图中所示的编码和多路复用组成卫星数字基带信号。图中的调制是指数字调制。在接收端与发端信号变换过程相反, 即为解调、多路分离和译码, 数字信号变为用户模拟信号(对话音和电视信号)。 ,1. 卫星数字基带信号 数字卫星通信系统的数字基带信号, 包括的内容很多, 它可以分为 单路PCM信号, 每路话音为64 kb/s速率。 差值编码DM、 DPCM、 ADPCM被压缩的, 速率较低的32 kb/s、 16 kb/s或者CVSD等其他压缩编码的数字信号。 多路复用数字信号PDH系列的基群2 Mb/s, 二次群8 Mb/s以及三次群34 Mb/s的低中速数字信号, 其接口码型为HDB3码。 数字多路复用的140 Mb/s四次群较高速率的数字基带信号, 其接口码型为CMI码。, 数字多路复用的卫星SDH的STM-0、 STM-1、 STM-4以及更高速率的 STM-N同步数字传送模块的信号。 特殊压缩的数字图像信号, 如 2 Mb/s的会议电视以及被压缩的 34 Mb/s彩色电视信号, 高清晰度彩色电视信号等。 彩色电视的数字伴音。 数据信号(多媒体信号、 计算机信号)。 数字话音、 数字图像(数字彩色电视)、 数字伴音及数据信号等组合成的数字基带信号等。 10 经数字倍增设备(DCME)处理数字信号的框图如图6.23所示。,图中所示, DCME实际上是一个数字压缩设备, 其基本组成为DLI、TSI、DSI、ADPCM、VBR和DLI。DLI为数字线路接口, 完成多路数字信号， 如2.048 Mb/s、30/32路或1.544 Mb/s、24路信号接口功能；TSI为时隙变换， 它可完成10×24路及8×30/32路系统的比特流的时隙安排变换； DSI为数字话音插空, 是一种数字信号的压缩技术, 利用人们话音间隙、压缩数字信号等; ADPCM为自适应差分脉冲编码，用这种差分编码来压缩数字信号；VBR为可变比特率，这是数字话音采用的一种压缩编码方法； DLI为传输侧接口，是卫星数字基带信号入口。 ,DLI为传输侧接口， 是卫星数字基带信号入口。 用此设备完成把8路 2 Mb/s或10路1544 Mb/s的数字信号经变换处理, 变成为2 Mb/s 数字卫星基带信号, 再送到调制器进行中频调制。还有其他型号的数字倍增设备(数字压缩设备)处理的卫星数字基带信号。 2. 数字调制 这里讲的调制, 是指对数字卫星基带信号进行的中频调制。 在数字卫星通信中的数字调制技术与数字微波采用的调制方式类似, 在现在卫星通信中大量采用QPSK多相调制, 或者OK-QPSK偏移四相相移键控, 又称为参差四相相位键控(SQPSK)。 当数字卫星通信采用高速率的SDH数字卫星通信时, 可参照SDH数字微波采用MQAM 调制技术。 3. 时分多址(TDMA),6.5.2 多址方式 多址方式是指在卫星覆盖区内的多地球站, 通过一颗卫星的转发信号, 建立以地球站为站址的两址或多址间的通信。这里的多址是指在卫星转发器频带的射频信道的复用。 1. 频分多址(FDMA)方式 所谓频分多址, 是指按地面站分配的射频不同来区别地球站的站址, 如图6.24所示。使各地球站的地址频率, 在卫星转发器频带内不发生重叠, 而且还要留有保护频带,如图6.25所示。在这种多址方式中, 要注意防止多载波间的互调干扰(交调干扰)。卫星转发器和地球站的高功率射频信号由行波管或速调管放大, 并同时放大多个载波信号。由于器件的输入、输出非线性以及调幅/调相的非线性, 会使输出信号中产生多种组合频率成分。这些组合频率成分, 特别是三阶组合频率成分