微波與衛(wèi)星通信技術(shù)-資料下載頁

　　

【正文】 頻段，上行為 ～ ，下行為 ～ ，轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為 500MHz，國內(nèi)區(qū)域性通信衛(wèi)星多數(shù)也應(yīng)用該頻段。 許多國家的政府和軍事衛(wèi)星使用 7/8GHz，上行為 ～ GHz，下行為 ～ ，這樣與民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)在頻率上分開，避免相互干擾。 由于 4/6GHz通信衛(wèi)星的擁擠，以及與地面微波網(wǎng)的干擾問題，目前已開發(fā)使用 11/14GHz頻段，其中上行采用 14～ ，下行采用 ～ ，或～ ，以及 ～ ，并用于民用衛(wèi)星和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)。 20/30GHz頻段也已經(jīng)開始使用，上行為 ～31GHz，下行為 ～ 。 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)成 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成 這里主要以地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，說明衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成。如圖 521 示意了通過衛(wèi)星進行電話通信的系統(tǒng)框圖。 圖 521衛(wèi)星電話通信系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)部分包括如下幾個部分內(nèi)容。 （一）控制與管理系統(tǒng) 它是保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常運行的重要組成部分。它的任務(wù)是對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準(zhǔn)確進入軌道上的指定位置，衛(wèi)星正常運行后，需定期對衛(wèi)星進行軌道修正和位置保持在衛(wèi)星業(yè)務(wù)開通前、后進行通信性能的監(jiān)測和控制，例如對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及地球站發(fā)射功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以保證正常通信。 （二）星上系統(tǒng) 通信衛(wèi)星內(nèi)的主體是通信裝置，其保障部分則有星體上的遙測指令、控制系統(tǒng)和能源裝置等。通信衛(wèi)星的主要作用是無線電中繼，星上通信裝置包括轉(zhuǎn)發(fā)器和天線。一個通信衛(wèi)星可以包括一個或多個轉(zhuǎn)發(fā)器，每個轉(zhuǎn)發(fā)器能同時接收和轉(zhuǎn)發(fā)多個地球站的信號。 （三）地球站 地球站是衛(wèi)星通信的地面部分，用戶通過它們接入衛(wèi)星線路，進行通信。地球站一般包括天線、饋線設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備、信道終端設(shè)備、天線跟蹤飼服設(shè)備、電源設(shè)備。 衛(wèi)星通信鏈路計算 （一）衛(wèi)星通信鏈路構(gòu)成 圖 522是典型的衛(wèi)星通信鏈路的組成。由于衛(wèi)星到地面的距離很遠，電磁波傳播的路徑很長，電波在傳播中受到的衰減很大，因此無論是衛(wèi)星還是地面站收到的信號都十分微弱，所以衛(wèi)星通信中噪聲的影響是一個很突出的問題。衛(wèi)星線路計算主要是計算在接收的輸入端載波與噪聲的功率比 (載噪比 )，其他部分鏈路的計算與一般的通信系統(tǒng)沒有區(qū)別。對于模擬制衛(wèi)星通信系統(tǒng)，載噪比決定了系統(tǒng)輸出端的信噪比；對于數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)，載噪比決定了系統(tǒng)輸出端的誤碼率。 圖 522 衛(wèi)星通信鏈路構(gòu)成 （二）衛(wèi)星通信鏈路計算基本公式 衛(wèi)星通信鏈路中的載噪比是接收端收到的載波功率與噪聲功率的比值，傳輸過程中發(fā)生的各種損耗和受到的各種噪聲干擾都反映在衛(wèi)星或地面站接收機輸入端的載噪比中。 1. 鏈路功率 （ 1）鏈路功率計算方程 [PR]=[PT]+[GT]+[GR][LP][ La][Lta][Lra] (dBW) (512) 式中： PT是發(fā)射功率， [PT]是 PT的分貝表示； GT是發(fā)射天線增益； GR是接收天線增益； LP是路徑損能 (自由空間損耗 )； La是大氣損耗 (含雨衰 )； Lta是與發(fā)射天線相關(guān)的損耗 (如饋線損耗、指向誤差等 )； Lra是與接收天線相關(guān)的損耗。 （ 2）有效全向輻射功率 EIRP 衛(wèi)星通信中常用 EIRP來代表地球站或通信衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力，它指的是發(fā)射天線所發(fā)射的功率與發(fā)射天線增益的乘積，即 EIRP=PTGT （ 513） （ 3）自由空間損耗 LP 設(shè)一個無方向性天線發(fā)射功率為 PT(W)，若在距離為d(m)為足夠遠的地方接收，又設(shè)接收天線的有效接收面積為，則接收到的功率 PR為 （ 514） 24 dAPP TR ???若發(fā)射天線的增益為 GT，將 帶入，則 （ 515） 式中： 稱為自由空間損耗。 （ 4）大氣損耗 La 電波在大氣中傳輸時，要受到電離層中的自由電子和離子的吸收，受到對流層中氧分子、水蒸氣分子和云、雨、雪、霧等的吸收和散射，從而形成損耗。 ???24 AG R ?PRTTRTTR LGGPdGGPP ???????? 24 ??24??????? ??dLP這種損耗與電波頻率、 波束的仰角以及氣候的好壞都有關(guān)系。圖 519是根據(jù)實測結(jié)果繪制的電波通過大氣層所產(chǎn)生的吸收損耗情況。 （ 5）其他損耗 1）與發(fā)射天線有關(guān)的損耗 Lta：主要包括饋線損耗、天線指向損耗； 2）饋線損耗：指從功率放大器的輸出端到發(fā)射天線之間的饋線連接損耗； 3）天線指向損耗：指由于星體的漂移、大氣折射、接收天線跟蹤精度等原因，天線指向偏離理想方向，造成在衛(wèi)星方向上的天線增益不是最大的天線增益，相當(dāng)于信號受到了損耗。 2. 接收端噪聲功率 （ 1）接收端噪聲功率計算 衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲功率可以用噪聲溫度來表示，系統(tǒng)的噪聲溫度為 Ts=Ta+Tf (516) 式中： Ts是接收機輸入端系統(tǒng)噪聲溫度，凡是天線噪聲溫度，包括天線、饋線、天空 (雨、雪、太陽、宇宙等 )等產(chǎn)生的噪聲溫度； Tf是接收機噪聲溫度。接收機輸入端的噪聲功率為 N=10lg kBTs=+10lg Ts+10lg B (dBW) (517) 式中： k = 1023 J/K(玻耳茲曼常數(shù) )； B是系統(tǒng)帶寬。 3. 接收端載噪比 C/N 由上得到接收端載噪比： （ dB） (518) 定義接收系統(tǒng)的性能因數(shù)為 ，該參數(shù)反映了接收系統(tǒng)的性能。因此上式變?yōu)椋? （ dB） (519) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????????? BTLLLGE IR PNC SrataPRSRTGTG ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????????????????? BLLLTGE IR PNC rataP 衛(wèi)星通信多址技術(shù) 多個地球站，無論距離多遠，只要位于同一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，就可以通過衛(wèi)星進行雙邊或多邊通信。多址技術(shù)是指系統(tǒng)內(nèi)多個地球站以何種方式各自占有信道接入衛(wèi)星和從衛(wèi)星接收信號。目前使用的技術(shù)主要有頻分復(fù)用 (FDMA)、時分復(fù)用 (TDMA)、碼分復(fù)用 (CDMA)、空分復(fù)用 (SDMA)。 （一） FDMA多址技術(shù) 當(dāng)多個地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，如果根據(jù)配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址，這種多址連接方式就叫 FDMA多址。 衛(wèi)星通信中采用 FDMA多址技術(shù)主要有如下形式： 1. 單址載波 每個地球站在規(guī)定的頻帶內(nèi)可發(fā)多個載波，每個載頻代表一個通信方向。 2. 多址載波 每個地球站只發(fā)一個載波，利用基帶的多路復(fù)用進行信道定向。 3. 單路單載波 每個載波只傳一路話音或數(shù)據(jù)。這種方式比較靈活，適用于站址多、各站業(yè)務(wù)量小的情況。由于每個載波只有一個信號，可以根據(jù)需要給每個通信方向分配若干載波。 （二） TDMA多址技術(shù) TDMA的原理是用不同的時隙來區(qū)分地球站的地址，該系統(tǒng)中只允許各地球站在規(guī)定時隙內(nèi)發(fā)射信號，這些射頻信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時，在時間上是嚴(yán)格依次排序、互不重疊的。 采用 TDMA方式，一般需要一個時間基準(zhǔn)站提供共同的標(biāo)準(zhǔn)時間，保證各地球站發(fā)射的信號進入轉(zhuǎn)發(fā)器時在規(guī)定的時隙而不互相干擾。 （三） CDMA多址技術(shù) CDMA多址技術(shù)的原理是采用一組正交 (或準(zhǔn)正交 )的偽隨機序列通過相關(guān)處理實現(xiàn)多用戶共享頻率資源和時間資源。每個通信方向采用不同的偽隨機序列作為識別。 （四） SDMA多址技術(shù) SDMA多址技術(shù)的原理是利用地球站的地理位置不同，采用天線的波束成形技術(shù)，達到多用戶共享頻率資源、時間資源和碼資源，如圖 523所示。 圖 523 空分多址 同步衛(wèi)星通信系統(tǒng) 同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)是利用定位在地球同步軌道上的衛(wèi)星進行通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，原則上只要 3顆同步衛(wèi)星就可以基本覆蓋地球。如圖 524所示地球站 1要與地球站 3通信，由于地球站 1， 3不在同一顆星覆蓋區(qū)內(nèi)，因此必須通過衛(wèi)星 A， B覆蓋的交疊區(qū)的地球站 2進行中轉(zhuǎn)。 圖 524同步衛(wèi)星覆蓋 同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成包括同步衛(wèi)星、地球站和控制中心。其中同步衛(wèi)星的組成包括：衛(wèi)星天線分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、電源分系統(tǒng)、跟蹤遙測指令分系統(tǒng)，如圖 525所示。 圖 525 同步衛(wèi)星通信系統(tǒng) （一）衛(wèi)星天線分系統(tǒng) 衛(wèi)星天線有兩類：遙測指令天線和通信天線。遙測指令天線通常采用全向天線，通信天線按其波束覆蓋區(qū)大小可分為全球波束天線、點波束天線、區(qū)域 (賦形 )波束天線。 （二）衛(wèi)星通信分系統(tǒng) 衛(wèi)星通信分系統(tǒng)是通信衛(wèi)星的核心部分，如圖 525所示，它包括各種轉(zhuǎn)發(fā)器。轉(zhuǎn)發(fā)器的功能是將接收到的地球站的信號放大，然后通過下變頻發(fā)射出去。轉(zhuǎn)發(fā)器按照變頻的方式和傳輸信號形式的不同可分為三種：單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器、雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器和星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器。 1. 單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器 單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器如圖 526所示，這種轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的信號直接放大，然后變頻為下行頻率，最后經(jīng)功放輸出到天線發(fā)射給地球站。這種轉(zhuǎn)發(fā)器適用于載波數(shù)多、通信容量大的多址連接系統(tǒng)。 圖 526單變頻轉(zhuǎn)發(fā)器 2. 雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器 雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器先將接收到的信號變換到中頻，經(jīng)限幅后，再變換為下行頻率，最后經(jīng)功放由天線發(fā)給地球站，如圖527所示。雙變頻方式的優(yōu)點是轉(zhuǎn)發(fā)增益高，電路工作穩(wěn)定 :缺點是中頻帶寬窄，不適合于多載波工作。它適用于通信容量不大、所需帶寬較窄的通信系統(tǒng)。 圖 527 雙變頻轉(zhuǎn)發(fā)器 3. 星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器 星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器如圖 528所示，星上處理包括兩類：一類是對數(shù)字信號進行解調(diào)再生，消除噪聲積累；另一類是進行其他更高級的信號變換和處理，如上行頻分多址變?yōu)橄滦袝r分多址等。 圖 528 星上處理框圖 （三）衛(wèi)星電源分系統(tǒng) 為了保證衛(wèi)星的工作時間必須有充足的能源，衛(wèi)星上的能源主要來源有兩部分：太陽能和蓄電池。當(dāng)有光照時使用太陽能，并對蓄電池進行充電；當(dāng)光照不到時采用蓄電池。衛(wèi)星電源分系統(tǒng)必須提供給其他分系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的電源使用，并且保持不間斷供電。 （四）跟蹤遙測指令分系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括遙測和指令兩大部分，此外還有應(yīng)用于衛(wèi)星跟蹤的信標(biāo)發(fā)射設(shè)備。 遙測設(shè)備用各種傳感器不斷測得有關(guān)衛(wèi)星的姿態(tài)及星內(nèi)各部分工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并將這些信息發(fā)給地面的控制中心。 控制中心根據(jù)接收到的衛(wèi)星的遙測信息進行分析和處理，然后發(fā)給衛(wèi)星相應(yīng)的控制指令。衛(wèi)星接收到指令后，先存儲然后通過遙測設(shè)備發(fā)回控制中心校對，當(dāng)收到指令無誤后，才將存儲的指令送到控制分系統(tǒng)執(zhí)行。 （五）控制分系統(tǒng) 控制分系統(tǒng)由一系列機械或電子的可控調(diào)整裝置構(gòu)成，完成對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道、工作狀態(tài)的調(diào)整。 GPS ? GPS 是英文 Global Positioning System（ 全球定位系統(tǒng) ）的簡稱，而其中文簡稱為 “ 球位系 ” 。 GPS是 20世紀(jì) 70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過 20余年的研究實驗，耗資 300億美元，到 1994年 3月，全球覆蓋率高達 98%的 24顆 GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。在機械領(lǐng)域 GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范 (Geometrical Product Specifications)簡稱 GPS。另外一種解釋為G/s（ GB per s） GPS接收機 可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的 廣播 星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化） ? 由于 GPS技術(shù)