微波与卫星通信ppt课件

1.1 微波与卫星通信的基本概念与特点微波与卫星通信的基本概念与特点1.2 微波通信系统的组成微波通信系统的组成1.3 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成1.4 微波与卫星通信的天线馈线系统微波与卫星通信的天线馈线系统1.1 微波与卫星通信的基本概念与特点1.1 微波与卫星通信的基本微波与卫星通信的基本概念与特点概念与特点1.微波与卫星通信微波与卫星通信 微波是指频率为微波是指频率为300MHz300MHz至至300GHz300GHz的电磁波。的电磁波。微波通信是指用微波频率作载波携带信息，微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，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。进行的通信。1.1 微波与卫星通信的基本概念与特点1.微波与卫星通信 卫星通信又是宇宙无线电通信形式之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：的无线电通信，它有三种形式：（1 1）宇宙站与地球站之间的通信；）宇宙站与地球站之间的通信；（2 2）宇宙站之间的通信；）宇宙站之间的通信；（3 3）通过宇宙站转发或反射而进行）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站间的通信。的地球站间的通信。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2.微波通信的特点微波通信的特点 用于传输频分多路用于传输频分多路-调频制（调频制（FDM-FM）基带信号的系统叫作模拟制微波通信）基带信号的系统叫作模拟制微波通信系统；用于传输数字基带信号的系统叫作系统；用于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统。数字微波通信系统。2.微波通信的特点“微波、多路、接力微波、多路、接力”。“微波微波”是指微波工作频段宽，它包是指微波工作频段宽，它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。“多路多路”是指微波通信的通信容量大，是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。即微波通信设备的通频带可以做得很宽。“接力接力”是目前广泛使用于视距微波是目前广泛使用于视距微波的通信方式。的通信方式。“微波、多路、接力”。数数字字微微波波除除了了具具有有上上面面所所说说的的微微波波通通信信的的普普遍特点外，还具有数字通信的特点：遍特点外，还具有数字通信的特点：（1 1）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；（2 2）保密性强，便于加密；）保密性强，便于加密；（3 3）器器件件便便于于固固态态化化和和集集成成化化，设设备备体体积积小、耗电少；小、耗电少；（4 4）便便于于组组成成综综合合业业务务数数字字网网（ISDNISDN）。数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通3.3.卫星通信的特点卫星通信的特点（1 1）静止卫星通信的优点）静止卫星通信的优点 通信距离远，且费用与通信距离无关通信距离远，且费用与通信距离无关通信距离远，且费用与通信距离无关通信距离远，且费用与通信距离无关 覆盖面积大，可进行多址通信覆盖面积大，可进行多址通信覆盖面积大，可进行多址通信覆盖面积大，可进行多址通信 通信频带宽，传输容量大通信频带宽，传输容量大通信频带宽，传输容量大通信频带宽，传输容量大 信号传输质量高，通信线路稳定可靠信号传输质量高，通信线路稳定可靠信号传输质量高，通信线路稳定可靠信号传输质量高，通信线路稳定可靠 建立通信电路灵活、机动性好建立通信电路灵活、机动性好建立通信电路灵活、机动性好建立通信电路灵活、机动性好3.卫星通信的特点（2 2）静止卫星通信的缺点）静止卫星通信的缺点静止卫星的发射与控制技术比较复杂。静止卫星的发射与控制技术比较复杂。静止卫星的发射与控制技术比较复杂。静止卫星的发射与控制技术比较复杂。地地地地球球球球的的的的两两两两极极极极地地地地区区区区为为为为通通通通信信信信盲盲盲盲区区区区，而而而而且且且且地地地地球的高纬度地区通信效果不好。球的高纬度地区通信效果不好。球的高纬度地区通信效果不好。球的高纬度地区通信效果不好。存在星蚀和日凌中断现象。存在星蚀和日凌中断现象。存在星蚀和日凌中断现象。存在星蚀和日凌中断现象。有有有有较较较较大大大大的的的的信信信信号号号号传传传传输输输输时时时时延延延延和和和和回回回回波波波波干干干干扰扰扰扰。（2）静止卫星通信的缺点1.2 微波通信系统的组成微波通信系统的组成1.2.1系统组成系统组成一一条条微微波波中中继继信信道道是是由由终终端端站站、中中间间站站和和再再生生中中继继站站、终终点点站站及及电电波波空空间间组组成成，如如图图1-1（a）所示。）所示。1.2 微波通信系统的组成1.2.1系统组成 终端站的任务是将复用设备送来的基带信号终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去；或者反之，将收到的微波信频率上并发射出去；或者反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站（不能上、下话路）、分路中继站又分为中间站（不能上、下话路）、分路站和枢纽站（能上、下话路），如图站和枢纽站（能上、下话路），如图1-1（b）所）所示。示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电图1-1 微波通信的信道构成图1-1 微波通信的信道构成1.2.2微波收发信设备的组成微波收发信设备的组成1.发信设备的组成发信设备的组成 从目前使用的数字微波通信设备来看，分为从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机（使用微波调相器）和变频式直接调制式发信机（使用微波调相器）和变频式发信机。中小容量的数字微波（发信机。中小容量的数字微波（480路以下）设路以下）设备可用前一种方案。备可用前一种方案。下面以一种典型的变频式发信机为例加以说下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如图明，如图1-2所示。所示。1.2.2微波收发信设备的组成图1-2 变频式发信机方框图图1-2 变频式发信机方框图2.发信设备的主要性能指标发信设备的主要性能指标（1）工作频段）工作频段 从无线电频谱的划分来看，我们把频率为从无线电频谱的划分来看，我们把频率为0.3300GHz的射频称为微波频率。的射频称为微波频率。（2）输出功率）输出功率 输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。（3）频率稳定度）频率稳定度 发信机的每个工作波道都有一个标称的射频发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用中心工作频率，用f0表示。表示。2.发信设备的主要性能指标3.收信设备的组成收信设备的组成 数字微波的收信设备和解调设备组成数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两个部分。射频和中频两个部分。图图1-3所示的是一个有空间分集接收的所示的是一个有空间分集接收的收信设备组成方框图。收信设备组成方框图。3.收信设备的组成图1-3 外差式收信机方框图图1-3 外差式收信机方框图4.收信设备的主要性能指标收信设备的主要性能指标（1）工作频段）工作频段 收信机是与发信机配合工作的。收信机是与发信机配合工作的。（2）收信本振的频率稳定度）收信本振的频率稳定度 接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。定的。（3）噪声系数）噪声系数 数字微波收信机的噪声系数一般为数字微波收信机的噪声系数一般为2.57dB，比模拟微波收信机的噪声系数小，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。左右。4.收信设备的主要性能指标（4）通频带）通频带 收信机接收的已调波是一个频带信号，即已收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱（的主要成分）要占有一定的带宽。调波频谱（的主要成分）要占有一定的带宽。（5）选择性）选择性 对某个波道的收信机而言，要求它只接收本对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。就是收信机的选择性。（4）通频带（6）收信机的最大增益）收信机的最大增益 天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。在随时变动。（7）自动增益控制范围）自动增益控制范围 以自由空间传播条件下的收信电平为基准，以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。基准电平时，称为下衰落。（6）收信机的最大增益1.3 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成1.3.1 系统组成系统组成1.静止卫星通信系统静止卫星通信系统 卫星通信的工作频段与微波通信相同。卫星通信的工作频段与微波通信相同。图图1-4所示的是卫星通信的示意图。所示的是卫星通信的示意图。1.3 卫星通信系统的组成1.3.1 系统组成图1-4 卫星通信示意图图1-4 卫星通信示意图 静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道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平面内。轨道离地面高度约为35800km（为简单起见，经常称（为简单起见，经常称36000km）。）。图图1-5所示为静止卫星配置的几何关系所示为静止卫星配置的几何关系示意图示意图。静止卫星是指卫星的运行轨道在赤道平面内。轨道图1-5 静止卫星的配置图1-5 静止卫星的配置目前国际卫星通信组织负责建立的国目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（际卫星通信系统（INTELSAT），简称），简称IS，就是利用静止卫星来实现全球通信的。，就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担大西洋上空，它们构成的全球通信网承担着大约着大约80%的国际通信业务和全部国际电的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图视转播业务，如图1-6所示所示。目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（INTELS图1-6 卫星通信示意图图1-6 卫星通信示意图2.卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成（1）卫星通信系统的组成）卫星通信系统的组成 通常卫星通信系统是由地球站、通信通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统统4大部分组成的，如图大部分组成的，如图1-7所示。所示。2.卫星通信系统的组成 图1-7 卫星通信系统的组成 图1-7 卫星通信系统的组成（2）卫星通信线路的组成）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卫星通信线路的组成如图1-8所示，是由发所示，是由发端地球站，上、下行无线传输路径和收端端地球站，上、下行无线传输路径和收端地球站组成的。地球站组成的。（2）卫星通信线路的组成图1-8 卫星通信线路的组成图1-8 卫星通信线路的组成1.3.2 地球站的组成及其工作原理地球站的组成及其工作原理1.对地球站的技术要求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。一般来说，对地球站应有以下几方面的要求。发送的信号应是宽频带、稳定、大功率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。的信号，能接收由卫星转发器转发来的微弱信号。可以传输多路电话、电报、传真，以及可以传输多路电话、电报、传真，以及高速数据、电视等多种业务的信号。高速数据、电视等多种业务的信号。性能稳定、可靠，维护、使用方便。性能稳定、可靠，维护、使用方便。建设成本和维护费用不应太高。建设成本和维护费用不应太高。1.3.2 地球站的组成及其工作原理（1）地球站的性能指标）地球站的性能指标品质因品质因数（数（G/T）G/T是地球站接收天线的增益是地球站接收天线的增益G与地球站接与地球站接收系统的等效噪声温度收系统的等效噪声温度T的比值，它表征了地球的比值，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站对微弱信号的接收能力，称为地球站的品质因数。数。（2）有效辐射功率及其稳定度）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几千瓦，而且要求所发射的射频信号功率非常稳定。定。（1）地球站的性能指标品质因数（G/T）（3）射频频率的稳定度）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，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。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）射频能量的扩散 为减小交调干扰，必须对地球站在负载轻为减小交调干扰，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（即通话数少）的时候所发射的射频频谱能量密度加以限制。度加以限制。（3）射频频率的稳定度（5）干扰波辐射的限制）干扰波辐射的限制 为防止干扰波对卫星转发器和其他微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。射功率应小于限定值。（5）干扰波辐射的限制2.地球站的组成地球站的组成 如图如图1-9所示的为国际卫星通信频分多所示的为国际卫星通信频分多址方式址方式A型标准地球站的组成方框图，主型标准地球站的组成方框图，主要由天线分系统、发射机分系统、接收机要由天线分系统、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、通信控制分系统、信道终端设备分系统和电源分系统分系统和电源分系统6个分系统组成。个分系统组成。2.地球站的组成图1-9 地球站的总体方框图图1-9 地球站的总体方框图电视信号包括图像信号和伴音信号。图像信电视信号包括图像信号和伴音信号。图像信号经过电视通道的视频处理单元和调制器，成为号经过电视通道的视频处理单元和调制器，成为70MHz的中频调频波，再经过中频放大、上变频的中频调频波，再经过中频放大、上变频以及功率放大，然后送往天线。以及功率放大，然后送往天线。伴音信号有时要利用多路电话的通道进行传伴音信号有时要利用多路电话的通道进行传送。送。接收信号时，过程与上述相反。并且在接收接收信号时，过程与上述相反。并且在接收分离装置中把电视图像信号与多路电话信号分开，分离装置中把电视图像信号与多路电话信号分开，分别经不同的通道解调后送往终端设备。分别经不同的通道解调后送往终端设备。电视信号包括图像信号和伴音信号。图像信号经过电视通道的视频处3.发射机分系统发射机分系统（1）组成和要求）组成和要求 由于发射卫星条件的限制，卫星转发器天线由于发射卫星条件的限制，卫星转发器天线的口径和增益不能太大。的口径和增益不能太大。发射机分系统的组成如图发射机分系统的组成如图1-10所示，由上变所示，由上变频器、自动功率控制电路、发射波合成装置、激频器、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。励器和大功率放大器等组成。3.发射机分系统图1-10 发射机分系统的组成图1-10 发射机分系统的组成对地球站发射机分系统的主要要求有以下几对地球站发射机分系统的主要要求有以下几点。点。发射的功率大。发射的功率大。频带宽，从而保证通信容量以及发射多频带宽，从而保证通信容量以及发射多个载波所需的带宽。个载波所需的带宽。射频的频率稳定度高。射频的频率稳定度高。放大器的线性好。放大器的线性好。增益稳定，对发射地球站的有效全向辐增益稳定，对发射地球站的有效全向辐射功率要求保持在额定值的射功率要求保持在额定值的0.5dB以内，以保证以内，以保证接收地球站的性能指标。接收地球站的性能指标。对地球站发射机分系统的主要要求有以下几点。（2）功率放大器）功率放大器 发射机分系统中的功率放大器由行波管功率发射机分系统中的功率放大器由行波管功率放大器或速调管功率放大器组成。放大器或速调管功率放大器组成。（3）上变频器和本机振荡器）上变频器和本机振荡器 发射机分系统中的上变频器一般都采用参量发射机分系统中的上变频器一般都采用参量变频器，它的主要特点是噪声小而且有一定的增变频器，它的主要特点是噪声小而且有一定的增益。益。无论是上变频器或接收机分系统中用的下变无论是上变频器或接收机分系统中用的下变频器，都要有本机振荡器。晶振倍频锁相振荡源频器，都要有本机振荡器。晶振倍频锁相振荡源的组成如图的组成如图1-11所示。所示。（2）功率放大器图1-11 晶振倍频锁相振荡源图1-11 晶振倍频锁相振荡源4.接收机分系统接收机分系统（1）组成与要求）组成与要求 由于卫星转发器的发射功率较小，只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，有几瓦至几十瓦，而且天线的增益也不高，经经200dB左右的下行线路损耗之后，到达左右的下行线路损耗之后，到达地球站的信号极微弱。地球站的信号极微弱。4.接收机分系统对接收机分系统的主要要求：对接收机分系统的主要要求：噪噪声声温温度度低低，接接收收机机分分系系统统的的噪噪声声温度很低，一般只有几十开尔文（温度很低，一般只有几十开尔文（K）。）。工工 作作 频频 带带 宽宽，一一 般般 要要 求求 具具 有有500MHz的带宽。的带宽。增益稳定。增益稳定。对接收机分系统的主要要求：（2）低噪声放大器）低噪声放大器 在微波频段使用的低噪声放大器主要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、场效应管放大器是低噪声晶体管放大器、场效应管放大器和参量放大器等。和参量放大器等。（3）下变频器）下变频器 经低噪声放大器放大的微波信号，要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，再经过中频放送到下变频器变换成中频，再经过中频放大后送到解调器。大后送到解调器。（2）低噪声放大器5.信道终端设备分系统信道终端设备分系统 信道终端设备分系统可以分为上行和下行两信道终端设备分系统可以分为上行和下行两个部分。个部分。（1）上行部分）上行部分 预加重预加重预加重预加重 当解调器对多路电话信号的调频波解调时，当解调器对多路电话信号的调频波解调时，噪声也进入解调器，使解调后输出的话路信噪比噪声也进入解调器，使解调后输出的话路信噪比降低。但解调器输出的噪声功率谱密度降低。但解调器输出的噪声功率谱密度n0为抛物为抛物线分布，如图线分布，如图1-12所示。所示。5.信道终端设备分系统图1-12 解调器输出的噪声功率谱上变频。图1-12 解调器输出的噪声功率谱上变频。为为解解决决这这个个问问题题，需需在在发发端端调调制制器器之之前前接接一一个个预预加加重重网网络络，将将高高端端信信号号幅幅度度提提高高，而而使使低低端端信信号号幅幅度度适适当当降降低低。由由于于信信道道噪噪声声功功率率谱谱的的分分布布不不受受预预加加重重电电路路的的影影响响，因因而而使使频频带带内内各各处处的的信信噪噪比比变变得得均均匀匀了了。在在接接收收信信号号时时再再进进行行相相反反处处理理，即即去去加加重重以恢复原来的信号。以恢复原来的信号。为解决这个问题，需在发端调制器之前接一个预加重网络，将高端信 加权加权 由于人们听觉的频率特性是不平坦的，由于人们听觉的频率特性是不平坦的，一般对一般对1000Hz左右的噪声感觉最灵敏，对左右的噪声感觉最灵敏，对30004000Hz以上或以上或200300Hz以下的噪以下的噪声感觉迟钝，即实际感受的噪声较小。声感觉迟钝，即实际感受的噪声较小。因因此在测量话路的噪声时，为考虑受话人实际感受此在测量话路的噪声时，为考虑受话人实际感受的噪声状况，需要接入加权网络，用来表示人们的噪声状况，需要接入加权网络，用来表示人们的主观评定，成为如图的主观评定，成为如图1-13所示的形状。所示的形状。加权图1-13 加权电路特性图1-13 加权电路特性 能量扩散信号的处理能量扩散信号的处理 由于发端行波管或速调管放大器在多由于发端行波管或速调管放大器在多载波工作时，会因管子所具有的非线性特载波工作时，会因管子所具有的非线性特性而产生交调干扰噪声。性而产生交调干扰噪声。由实验得知，外加由实验得知，外加的信号用的信号用20150Hz的三角波较为合适，如图的三角波较为合适，如图1-14所示。所示。导频信号导频信号 在卫星通信线路信号传输的过程中，在卫星通信线路信号传输的过程中，有时因某种原因会发生所传送的信号太小有时因某种原因会发生所传送的信号太小甚至中断的现象。甚至中断的现象。能量扩散信号的处理图1-14 能量扩散信号波形图1-14 能量扩散信号波形(2)下行部分下行部分 信道终端设备下行部分的任务是把从信道终端设备下行部分的任务是把从低噪声接收机送来的低噪声接收机送来的70MHz信号，经过中信号，经过中放、解调和基带处理后，输出基带信号，放、解调和基带处理后，输出基带信号，然后再送到终端接口设备，把基带信号进然后再送到终端接口设备，把基带信号进行分解。行分解。(2)下行部分6.通信控制分系统通信控制分系统 地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。常工作，必须在站内集中监视、控制和测试。7.电源分系统电源分系统 地球站电源分系统要供应站内全部设备所需地球站电源分系统要供应站内全部设备所需用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。用的电能，它关系到通信的质量及设备的可靠性。当利用公用交流市电来对地球站供电时，通当利用公用交流市电来对地球站供电时，通过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，过电力传输线路，必然会同时引进许多杂波干扰，而且公用交流市电也会出现波动。而且公用交流市电也会出现波动。6.通信控制分系统1.3.3 静静止止卫卫星星的的运运行行轨轨道道与与观观察参数察参数1.静止卫星的发射静止卫星的发射 要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要使卫星进入运行轨道，必须依靠运载火箭。要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速要想使卫星绕地球运转，还必须使卫星的初始速度大于度大于8km/s。但单级火箭的速度只能达到。但单级火箭的速度只能达到2.5km/s，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑，因此，发射静止卫星必须采用带有捆绑技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆技术的三级火箭。捆绑技术就是把几支小火箭捆在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，在大火箭的第一级上，用以提高发射的飞行速度，卫星装在第三级火箭的前端，如图卫星装在第三级火箭的前端，如图1-15所示。所示。1.3.3 静止卫星的运行轨道与观察参数图1-15 发射卫星的三级火箭示意图图1-15 发射卫星的三级火箭示意图2.发射过程发射过程 一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程一颗自旋稳定的静止卫星的发射过程如图如图1-16所示，全部过程大体可分为如下所示，全部过程大体可分为如下几个阶段。几个阶段。（1）进入初始轨道）进入初始轨道 开始发射后，依次点燃三级火箭的一、开始发射后，依次点燃三级火箭的一、二级火箭，把卫星送到初始轨道。二级火箭，把卫星送到初始轨道。2.发射过程图1-16 静止卫星的发射过程图1-16 静止卫星的发射过程（2）进入转移轨道）进入转移轨道 卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星在初始轨道上只飞行一小段，当卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点卫星快要到达初始轨道与赤道平面的交点时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初时，要点燃第三级火箭，以使卫星脱离初始轨道而进入转移轨道。始轨道而进入转移轨道。（2）进入转移轨道（3）进入漂移轨道）进入漂移轨道 卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述卫星在转移轨道上运行了几圈，完成了上述各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启各项准备工作后，当再次到达远地点时，就要启动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道，如图动远地点发动机，使卫星进入漂移轨道，如图1-17所示。所示。（4）进入静止轨道）进入静止轨道 卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点卫星在漂移轨道上运行时，离静止卫星定点位置是很近的。位置是很近的。（3）进入漂移轨道图1-17 远地点的轨道变换图1-17 远地点的轨道变换3.通信卫星的姿态控制通信卫星的姿态控制 卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天卫星上装有通信用的定向天线，要求定向天线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。线的波束应指向地球中心或某覆盖区的中心。（1）角度惯性控制）角度惯性控制 角度惯性控制也叫自旋稳定法，是早期静止角度惯性控制也叫自旋稳定法，是早期静止卫星常用的姿态控制方法。卫星常用的姿态控制方法。采用自旋稳定法的卫星，如采用自旋稳定法的卫星，如IS-，IS-等，等，卫星的天线要安装在一个平台上。卫星的天线要安装在一个平台上。3.通信卫星的姿态控制（2）三轴稳定法）三轴稳定法 三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫三轴稳定法是指卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴，如上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴，如图图1-18所示。所示。三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直三轴可以采用喷气、惯性飞轮或电机等来直接分别控制每个轴保持稳定。接分别控制每个轴保持稳定。（2）三轴稳定法图1-18 三轴稳定法示意图图1-18 三轴稳定法示意图4.静止卫星的观察参数静止卫星的观察参数 在地球站的调测、开通和使用过程中，都要在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球站天线工作时的方位角知道地球站天线工作时的方位角a和仰角和仰角e。此。此外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道外，为了计算自由空间的传播损耗，还必须知道地球站与卫星之间的距离地球站与卫星之间的距离站星距。站星距。图图1-19示出了静止卫星示出了静止卫星S与地球站与地球站A的几何关的几何关系。系。4.静止卫星的观察参数图图1-19 静止卫星观察参数图解静止卫星观察参数图解图1-19 静止卫星观察参数图解微波与卫星通信ppt课件【例【例1-1】“亚太一号亚太一号”卫星的星下点卫星的星下点s的经度的经度为为2=138.00E(东经东经)，北京地球站的参数为，北京地球站的参数为1=116.45E,1=39.92，求求北北京京地地球球站站的的仰角、方位角和站星距。仰角、方位角和站星距。解解 由由已已知知条条件件得得知知：1=39.92，经经度度差差=21=138.00116.45=21.55代入公式得仰角代入公式得仰角【例1-1】“亚太一号”卫星的星下点s的经度为2=138微波与卫星通信ppt课件5.卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类 （1）按卫星的覆盖范围分，有国际卫星通信）按卫星的覆盖范围分，有国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统。（2）按用户的性质分，有公用卫星通信系统、）按用户的性质分，有公用卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。（3）按卫星的制式分，有静止卫星通信系统）按卫星的制式分，有静止卫星通信系统和非静止卫星通信系统（卫星绕地球运转一周不和非静止卫星通信系统（卫星绕地球运转一周不等于等于24小时）。小时）。5.卫星通信系统的分类1.3.4 通信卫星的组成及其工作原理通信卫星的组成及其工作原理 图图1-20示出了通信卫星各系统的组成方框图。示出了通信卫星各系统的组成方框图。由通信分系统、控制分系统、遥测与指令分系统、由通信分系统、控制分系统、遥测与指令分系统、电源分系统和温控分系统电源分系统和温控分系统5个部分组成。个部分组成。1.通信分系统的转发器通信分系统的转发器 通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分。通信分系统分为转发器和卫星天线两大部分。1.3.4 通信卫星的组成及其工作原理图1-20 通信卫星的组成图1-20 通信卫星的组成（1）单变频转发器）单变频转发器 单变频转发器是目前用得较多的转发器，如单变频转发器是目前用得较多的转发器，如图图1-21（a）所示。所示。（2）双变频转发器）双变频转发器 双变频转发器如图双变频转发器如图1-21（b）所示。）所示。（3）处理转发器）处理转发器 处理转发器除了转发信号外，主要还具有处处理转发器除了转发信号外，主要还具有处理信号的功能。它的组成方框图如图理信号的功能。它的组成方框图如图1-21（c）所）所示。示。（1）单变频转发器图1-21 卫星转发器组成的方框图图1-21 卫星转发器组成的方框图卫星上的信号处理大体包括三种类型：卫星上的信号处理大体包括三种类型：一种是对数字信号进行判决和再生，使噪一种是对数字信号进行判决和再生，使噪声不积累；另一种是在多个卫星天线波束声不积累；另一种是在多个卫星天线波束之间进行信号交换与处理；第三种是对信之间进行信号交换与处理；第三种是对信号进行更复杂的变换、交换和处理。号进行更复杂的变换、交换和处理。卫星上的信号处理大体包括三种类型：一种是对数字信号进行判决和2.控制分系统控制分系统 控制分系统由各种可控的调整装置，如各种控制分系统由各种可控的调整装置，如各种喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组喷气推进器、各种驱动装置和各种转换开关等组成。成。3.遥测指令分系统遥测指令分系统 地球上的控制站经常不断地需要了解卫星内地球上的控制站经常不断地需要了解卫星内部设备的工作情况，有时要通过遥测指令信号控部设备的工作情况，有时要通过遥测指令信号控制卫星上设备产生一定的动作。制卫星上设备产生一定的动作。2.控制分系统（1）遥测部分）遥测部分 遥测部分用来了解卫星上各种设备的情况，遥测部分用来了解卫星上各种设备的情况，例如表示某些部件的电流、电压和温度等信号，例如表示某些部件的电流、电压和温度等信号，传感器的信息，指令证实信号以及反映控制用气传感器的信息，指令证实信号以及反映控制用气体压力的信号等。体压力的信号等。（2）遥控指令部分）遥控指令部分 对卫星进行位置和姿态控制的各喷射推进器对卫星进行位置和姿态控制的各喷射推进器的点火与否，行波管高压电源的开、关，己发生的点火与否，行波管高压电源的开、关，己发生故障的部件与备用部件的转换以及其他需要由地故障的部件与备用部件的转换以及其他需要由地面对卫星某些设备的控制等，上述这些动作都要面对卫星某些设备的控制等，上述这些动作都要由遥控指令部分来进行。由遥控指令部分来进行。（1）遥测部分4.电源分系统电源分系统 卫星上的电源除要求体积小、重量轻、效率卫星上的电源除要求体积小、重量轻、效率高和可靠性之外，还要求电源能在长时间内保持高和可靠性之外，还要求电源能在长时间内保持足够的输出。足够的输出。（1）太阳能电池）太阳能电池 太阳能电池由光电器件组成，其中最常用的太阳能电池由光电器件组成，其中最常用的是硅太阳能电池。是硅太阳能电池。（2）化学电池）化学电池 为了使通信卫星在星蚀期间也能工作，一般为了使通信卫星在星蚀期间也能工作，一般常用可以充、放电的化学电池作为二次电池与太常用可以充、放电的化学电池作为二次电池与太阳能电池并用。阳能电池并用。4.电源分系统5.温控分系统温控分系统 在通信卫星里，会因为行波管功在通信卫星里，会因为行波管功率放大器和电源系统等部分产生热而率放大器和电源系统等部分产生热而升温。升温。5.温控分系统1.4 微波与卫星通信的天线微波与卫星通信的天线馈线系统馈线系统1.4.1微波通信的天线馈线系统微波通信的天线馈线系统1.天线馈线系统的型式天线馈线系统的型式 微波通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导微波通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导型两种型式。型两种型式。图图1-22所示的是同轴电缆型天、馈线系统。所示的是同轴电缆型天、馈线系统。图图1-23所示的是圆波导型天、馈线系统。所示的是圆波导型天、馈线系统。1.4 微波与卫星通信的天线馈线系统1.4.1微波通信的天图1-22 同轴电缆天馈线系统图1-22 同轴电缆天馈线系统图1-23 圆波导天馈线系统图1-23 圆波导天馈线系统2.对微波天线的技术要求对微波天线的技术要求 常用微波天线的基本形式有：喇叭天线、抛物常用微波天线的基本形式有：喇叭天线、抛物面天线、喇叭抛物面天线及潜望镜天线等。面天线、喇叭抛物面天线及潜望镜天线等。微波天线的主要技术指标有如下几个方面。微波天线的主要技术指标有如下几个方面。2.对微波天线的技术要求（1）天线增益）天线增益 微波通信中使用的面式天线，其增益可用下微波通信中使用的面式天线，其增益可用下式表示：式表示：式中，式中，A为天线的口面面积，为天线的口面面积，为波长，为波长，A为口面利用系数。为口面利用系数。（1）天线增益(2)对主瓣宽度的要求对主瓣宽度的要求 在视距微波通信线路中，天线增益过在视距微波通信线路中，天线增益过高将使主瓣张角过小。高将使主瓣张角过小。（3）天线与馈线应匹配良好）天线与馈线应匹配良好 在整个工作频段内，要求天线与馈线在整个工作频段内，要求天线与馈线应匹配连接，否则将造成反射，进而造成应匹配连接，否则将造成反射，进而造成线路噪声。线路噪声。(2)对主瓣宽度的要求（4）交叉极化去耦）交叉极化去耦 在在采采用用双双极极化化的的微微波波天天线线中中，由由于于天天线线本本身身结结构构的的不不均均匀匀性性及及不不对对称称，不不同同极极化化波波（即即垂垂直直极极化化波波和和水水平平极极化化波波）可可在在天天线线中中互互相相耦耦合合，互互为为干干扰扰，分分别别成成为为与与之之 正正 交交 的的 主主 极极 化化 波波 的的 寄寄 生生 波波。（4）交叉极化去耦（5）天线防卫度）天线防卫度 天线防卫度是指天线在最大辐射方向天线防卫度是指天线在最大辐射方向上对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。上对从其他方向来的干扰电波的衰耗能力。在微波线路中，由于采用二频制，因此在在微波线路中，由于采用二频制，因此在同一微波站中，两个方向的接收机工作在同一微波站中，两个方向的接收机工作在同一频率，如图同一频率，如图1-24所示。所示。（5）天线防卫度图1-24 天线防卫度图解图1-24 天线防卫度图解3.卡塞格林天线卡塞格林天线 卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面卡塞格林天线是一种具有双反射器的抛物面天线，其外形简图如图天线，其外形简图如图1-25所示。图所示。图1-25（a）所）所示为一般式，较常见。近年来出现了不少加圆柱示为一般式，较常见。近年来出现了不少加圆柱屏蔽罩式的抛物面天线，见图屏蔽罩式的抛物面天线，见图1-25（b），它可），它可以降低向后方辐射的功率（降低后瓣）。又因为以降低向后方辐射的功率（降低后瓣）。又因为它可以减小初级辐射器（激励器）的直接辐射，它可以减小初级辐射器（激励器）的直接辐射，所以对减弱旁瓣也有好处。所以对减弱旁瓣也有好处。3.卡塞格林天线图1-25 卡塞格林天线外形简图图1-25 卡塞格林天线外形简图图图1-26所所示示的的是是说说明明这这种种天天线线工工作作原原理理的的简简图图。图图1-26卡塞格林天线工作原理简图卡塞格林天线工作原理简图图1-26所示的是说明这种天线工作原理的简图。卡卡塞塞格格林林天天线线是是由由初初级级喇喇叭叭辐辐射射器器、双双曲曲面面副副反反射射器器和和抛抛物物面主反射面三部分组成。面主反射面三部分组成。卡塞格林天线是由初级喇叭辐射器、双曲面副反射器和抛物面主反射1.4.2通信卫星的天线系统通信卫星的天线系统 卫星天线有两种类型。一种是用于遥控、遥卫星天线有两种类型。一种是用于遥控、遥测和信标信号的全向天线，接收地面的指令及向测和信标信号的全向天线，接收地面的指令及向地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、地面发送遥测数据。这种天线常用鞭状、螺旋形、绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚高频天绕杆式或套筒偶极子天线，属于高频或甚高频天线。另一种是用于通信的微波定向天线，根据波线。另一种是用于通信的微波定向天线，根据波束宽度不同，分为三类。束宽度不同，分为三类。1.4.2通信卫星的天线系统（1）全球波束天线：波束宽度约）全球波束天线：波束宽度约为为1718。（2）点波束天线：其波束比全球）点波束天线：其波束比全球波束窄得多，故增益较高，但其辐射波束窄得多，故增益较高，但其辐射的区域比全球波束小得多。的区域比全球波束小得多。（1）全球波束天线：波束宽度约为1718。（3）区域波束天线：）区域波束天线：如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要如果地面要求覆盖的区域形状不规则，就要用区域波束天线，也称赋形波束天线。用区域波束天线，也称赋形波束天线。其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或其覆盖区域可通过修改天线反射器的形状或使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反使用多个馈源从不同方向照射天线反射器，由反射器产生多个波束的组合来实现。如图射器产生多个波束的组合来实现。如图1-27及图及图1-28所示。所示。（3）区域波束天线：图图1-27 卫星天线系统示意图卫星天线系统示意图图1-27 卫星天线系统示意图图1-28 各种波束覆盖示意图图1-28 各种波束覆盖示意图1.4.3地球站的天线馈线系统地球站的天线馈线系统1.概述概述 地球站的天线是卫星通信中最具特色的设备，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。当卫星通信用是一个庞大的系统。当卫星通信用C频段和频段和Ku频频段时，根据地球站天线的口径大小可划分为大、段时，根据地球站天线的口径大小可划分为大、中、小三种站型。中、小三种站型。1.4.3地球站的天线馈线系统2.地球站天线馈线系统的组成地球站天线馈线系统的组成 图图1-29所示的为地球站的天线馈线系统方框所示的为地球站的天线馈线系统方框图。它与视距微波通信天馈线系统相比，显然多图。它与视距微波通信天馈线系统相比，显然多了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天线的轴了一套天线跟踪卫星的系统，即地球站天线的轴要始终对准卫星方向。要始终对准卫星方向。2.地球站天线馈线系统的组成图1-29 地球站天线馈线系统的组成图1-29 地球站天线馈线系统的组成3.与天线馈源连接的低噪声放大器与天线馈源连接的低噪声放大器 地球站的收信系统在接收信号的同时，地球站的收信系统在接收信号的同时，也会有各种线路噪声被接收。也会有各种线路噪声被接收。3.与天线馈源连接的低噪声放大器图1-30 天线系统与机房的连接图1-30 天线系统与机房的连接1.5 微波与卫星通信的频率配置微波与卫星通信的频率配置1.5.1微波通信的射频频率配置微波通信的射频频率配置1.频率配置的基本原则频率配置的基本原则 不论是模拟微波还是数字微波，其频率配置不论是模拟微波还是数字微波，其频率配置都应符合下面的基本原则。都应符合下面的基本原则。1.5 微波与卫星通信的频率配置1.5.1微波通信的射频频率（1）在一个中间站，一个单向波道的收信）在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率，而且有足够大的间隔，和发信必须使用不同频率，而且有足够大的间隔，以避免发送信号被本站的收信机收到，使正常的以避免发送信号被本站的收信机收到，使正常的接收信号受到干扰。接收信号受到干扰。（2）多波道同时工作时，相邻波道频率之）多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔，以免互相发生干扰。间必须有足够的间隔，以免互相发生干扰。（3）整个频谱安排必须紧凑，使给定的频）整个频谱安排必须紧凑，使给定的频段能得到经济的利用。段能得到经济的利用。（1）在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率（4）因微波天线和天线塔建设费用很高，）因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天线。所以选用的频率配多波道系统要设法共用天线。所以选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到天线建设费用低，置方案应有利于天线共用，达到天线建设费用低，又能满足技术指标的目的。又能满足技术指标的目的。（5）对于外差式收信机，不应产生镜像干）对于外差式收信机，不应产生镜像干扰，即不允许某一波道的发信频率等于其他波道扰，即不允许某一波道的发信频率等于其他波道收信机的镜像频率。收信机的镜像频率。（4）因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天图1-31 多波道二频制的频率配置方案图1-31 多波道二频制的频率配置方案2.数字微波频率配置方案举例数字微波频率配置方案举例 对于数字微波通信系统的频率配置，对于数字微波通信系统的频率配置，CCIR正在逐步提出相应的建议书。正在逐步提出相应的建议书。2.数字微波频率配置方案举例图1-32 多波道的频率配置间隔图1-32 多波道的频率配置间隔1.5.2卫星通信频段的选取卫星通信频段的选取1.考虑的主要因素考虑的主要因素 选取工作频段时，考虑的主要因素有：选取工作频段时，考虑的主要因素有：（1）天线系统接收的外界干扰噪声要小；）天线系统接收的外界干扰噪声要小；（2）电波传播损耗要小；）电波传播损耗要小；（3）适用于该频段的设备重量要轻，且体）适用于该频段的设备重量要轻，且体积小；积小；1.5.2卫星通信频段的选取（4）可用频带宽，以便满足传输信息）可用频带宽，以便满足传输信息的要求；的要求；（5）与其他地面无线系统（雷达系统、）与其他地面无线系统（雷达系统、地面微波中继通信系统等）之间的相互干地面微波中继通信系统等）之间的相互干扰要尽量小；扰要尽量小；（6）尽可能地利用现有的通信技术和）尽可能地利用现有的通信技术和设备设备。（4）可用频带宽，以便满足传输信息的要求；2.卫星通信的无线电窗口卫星通信的无线电窗口 目前大多数卫星通信系统选择了如下频段：目前大多数卫星通信系统选择了如下频段：（1）UHF（超高频）频段（超高频）频段400/200MHz；（2）微波）微波L频段频段1.6/1.5GHz;（3）微波）微波C频段频段6.0/4.0GHz;（4）微波）微波X频段频段8.0/7.0GHz;（5）微波）微波Ku频段频段14.0/12.0GHz和和14.0/11.0GHz;（6）微波）微波Ka频段频段30/20GHz。2.卫星通信的无线电窗口随着通信业务的迅速增长，人们随着通信业务的迅速增长，人们正在探索应用更高频段的可能性。正在探索应用更高频段的可能性。1971年的世界无线电行政会议已确定年的世界无线电行政会议已确定将宇宙通信的频段扩展到将宇宙通信的频段扩展到275GHz。随着通信业务的迅速增长，人们正在探索应用更高频段的可能性。1