卫星通信基础知识讲座课件

西安星地测控技术有限公司,卫星通信基础知识,讲座,内容：,1,、基本概念,2,、卫星通信系统,3,、卫星通信技术,4,、几个问题,5,、现有卫星通信系统介绍,1,、基本概念,1.1,什么是卫星通信,?,是指地球站之间利用人造地球卫星中继转发，而实现的无线通信。,1,、基本概念,1.2,通信卫星的类型,按轨道类型分：,（,1,）赤道卫星，其轨道面与赤道面重合；,（,2,）极轨道卫星，其轨道面与赤道面垂直。这种卫星穿过地球南、北两极的上空；,（,3,）倾斜轨道卫星，其轨道面相对于赤道面是倾斜的。,1,、基本概念,1.2,通信卫星的类型,按高度分：,（,1,）低高度卫星，,h1500km,；,（,2,）中高度卫星，,8000kmh12000km,；,（,3,）高高度卫星，,h,20000km,。,范艾伦高速粒子带,1,、基本概念,1.2,通信卫星的类型,同步卫星,1,、基本概念,1.3,日凌中断与星蚀,春分和秋分前后还存在星蚀（卫星进入地球的阴影区）和日凌中断（卫星处于太阳和地球之间，受强大的太阳噪声影响而使通信中断）现象。,1,、基本概念,1.4,单跳、双跳,1,、基本概念,1.5,卫星通信频段,1,）,C,波段，,4,6GHZ,设备成熟，可用带宽,500MHz,，大部分国际卫星通信，尤其是商业卫星通信都使用此频段，雨衰小，,1,2dB,C,波段工作频段选择可以有以下选择：,频段,上行（,GHz,）,下行（,GHz,）,标准,C,5.9256.425,3.74.2,扩展,C,5.856.425,3.6254.2,超级扩展,C,5.856.725,3.44.2,Palapa,C,6.4256.725,3.43.7,1,、基本概念,1.5,卫星通信常用频段,1,）,C,波段，,4,6GHZ,扩展,C,特点：,租用费用便宜；,对,L,波接口的调制器、接收机、功放、天线均有扩展频段要求，价格比标准设备高；,下行与地面有重叠，受地面,3.5GHz WBA,，,LMDS,等业务影响，干扰可达,55dB,，造成卫星接收机收通道饱和；,1,、基本概念,1.5,卫星通信常用频段,2,）,Ku,波段，,11,（或,12,）,14GHZ,国际通信卫星从第五代开始使用此频段，国家的民用卫星通信和广播卫星业务大多使用此频段。可用带宽,1400MHz,，雨衰大，一般,510dB,。,1,、基本概念,1.5,卫星通信常用频段,3,）,Ka,波段，,20,30GHz,目前用于宽带卫星通信系统，使用该频段时，可用带宽可增大到,3.5GHZ,，为,4,6GHZ,时的,7,倍，但降雨影响相当严重。最大可达,30dB!,IP Star,：关口站到卫星,铱系统：星际链路,1,、基本概念,1.5,卫星通信常用频段,4,）,UHF,（,0.31Ghz),、,L,波段,(12GHz),目前主要用于非同步卫星或移动业务的卫星通信，用于车辆、舰船和飞机上。,北斗、铱系统、全球星等,1992,年国际电联的,WARC,大会对卫星移动通信的频率分配主要是：,1,、,L,波段,：,1530MHz1660MHz,；,S,波段：,24832500MHz,（下行）,作为主要业务分配给大,LEO,（,Big LEO,）。,2,、,VHF,和,UHF,频段,：,137MHz400MHz,分配给,LEO,（,little LEO,）作为非话业务频段。,1,、基本概念,1.5,卫星通信常用频段,4,）,UHF,（,0.31Ghz),、,L,波段,(12GHz),为什么各种卫星移动选择,L,频段？,除小,LEO,外，各种卫星移动业务都要挤在,L,频段，原因是虽然,L,频段以上的更高的频率资源丰富，但研究表明，,200,2500MHz,频段对树木、房屋的阴影效应小，空间衰耗也不甚大，卫星移动业务正合需要，可是较低频段如地面,800MHZ,、,900MHZ,频段的蜂窝移动电话系统，,800MHZ,集群调度系统，以及广播、电视业务都已挤满，只有,L,频段还可调整。,1,、基本概念,1.5,卫星通信频段,频率范围,GHz,表示符号,0.10.3,VHF,0.31.0,UHF,1.02.0,L,2.04.0,S,4.08.0,C,8.012.0,X,12.018.0,Ku,18.027.0,K,27.040.0,Ka,40.075,V,75110,W,110300,mm,3003000,m,1,、基本概念,1.7,工作频率与雨衰的关系,1,、基本概念,1.7,工作频率与天线尺寸、带宽、雨衰的关系小结,频率,低,高,天线,大,小,雨衰,低,高,带宽,窄,宽,2,、卫星通信系统,对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置，待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修正和位置保持。,对定点的卫星在业务开通前、后进行通信功能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。,2,、卫星通信系统,2.1,通信卫星,电源分系统,通信转发器,遥测与指令分系统,天线分系统,2,、卫星通信系统,2.1,通信卫星,通信转发器,透明转发器：,地面发来的信号仅进行低噪声放大、变频和功率放大后发回地面，对信号不作任何其他处理的转发器，即单纯完成转发任务的转发器。,处理转发器：,指除了信号转发外，还具有信号处理功能的转发器。,2,、卫星通信系统,2.1,通信卫星,转发器主要参数：,工作频段,带宽,功率,结合收发天线后的参数有：,G/T,值，反应卫星接收噪声性能,饱和通量密度（,FSD,），反应卫星接收灵敏度,全向辐射功率（,EIRP,），反应卫星发射功率,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,上变频,发中频,基带处理,业务接口,收中频,下变频,双工器,天线驱动,伺服,供电,高功放,LNA,天线,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.1,波导,微波传输线,口大频率低，口小频率高,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.2,天线,馈源,主反射面,副反射面,卡塞格伦天线,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.2,天线,偏馈天线,馈源,反射面,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.2,天线,主要技术参数：,工作频段,天线直径,天线增益,方向图（旁瓣,特性）,噪声温度,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.2,天线,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.3,功放,行波管功放（,TWTA,）,微波电子管，大功率（,400W,以上），线性差，寿命,610,年，便宜。,固态功放（,SSPA,、,SSPB,）,砷化镓场效应管，中小功率，线性好，寿命,10,年以上，贵。,2,、卫星通信系统,2.2,通信地球站,2.2.4,低噪声放大器（,LNA,、,LNB,）,微波信号低噪声放大,带下变频（,LNB,）或不带（,LNA,）,带,10MHz,参考输入或不带,主要指标：,工作频率,噪声温度,增益,本振稳定性,3,、卫星通信技术,3.1,基带信号与频带信号,基带信号：未进行调制前的模拟或数字信号。,频带信号：模拟或数字信号经过调制后所得到的信号。,数字信号,模拟信号,频带信号,3,、卫星通信技术,3.2,多路复用,频分复用,不同频率范围的频带信号在时间上混合。,OFDM,正交频分复用,COFDM,编码正交频分复用,3,、卫星通信技术,3.3,信道差错控制编码,3.3.1,什么是差错控制编码？,通过信息比特码流中插入一些额外的差错控制比特，使信息比特与差错控制比特之间符合某种给定的约束关系。,3.3.2,差错控制编码类型,反馈纠错：,ARQ,前向纠错：,BCH,、,RS,码、卷积码、,Turbo,码、,LDPC,码,3,、卫星通信技术,3.4,信道调制,3.4.1,什么是调制？,将基带信号频谱搬移到指定载波频率位置的过程。,3.4.2,常用调制方式,模拟：,AM,、,FM,数字：,BPSK,、,QPSK,等,3,、卫星通信技术,3.4,信道调制,3.4.1,什么是调制？,将基带信号频谱搬移到指定载波频率位置的过程。,3.4.2,常用调制方式,模拟：,AM,、,FM,数字：,BPSK,、,QPSK,等,BPSK,3,、卫星通信技术,3.4,信道调制,3.4.1,什么是调制？,将基带信号频谱搬移到指定载波频率位置的过程。,3.4.2,常用调制方式,模拟：,AM,、,FM,数字：,BPSK,、,QPSK,等,3,、卫星通信技术,3.4,信道调制,3.4.1,什么是调制？,将基带信号频谱搬移到指定载波频率位置的过程。,3.4.2,常用调制方式,模拟：,AM,、,FM,数字：,BPSK,、,QPSK,、,8PSK,、,QAM,等,8PSK,3,、卫星通信技术,3.4,信道调制,3.4.1,什么是调制？,将基带信号频谱搬移到指定载波频率位置的过程。,3.4.2,常用调制方式,模拟：,AM,、,FM,数字：,BPSK,、,QPSK,、,8PSK,、,QAM,等,64QAM,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.1,什么是多址联接方式？,所谓多址联接，是指在卫星的覆盖区内，各地球站通过共同的卫星，同时分别建立相互之间的通信线路。,实现多址联接的,关键是,各地球站所发信号经卫星转发器混合与转发后应能为相应的,对方站识别,，同时，各站信号之间的干扰要尽量小。实现多址联接的技术基础是,信号分割,。,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,依据信号的不同参量来分割，有不同的多址联接方式，常见的有：,频分多址（,FDMA,）,时分多址（,TDMA,）,码分多址（,CDMA,）,空分多址（,SDMA,）,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,1,）频分多址（,FDMA,）,按分配给各站的射频载波频率不同区分站址的方式称为频分多址方式。,f,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,1,）频分多址（,FDMA,）,特点：,技术成熟、设备简单，不需要网同步；,存在互调和交调干扰；功放必须工作于甲类,各载波之间要留有足够宽的保护频带,各站发射功率必须严格控制，存在强信号抑制弱信号的现象。,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,1,）频分多址（,FDMA,）,典型,FDMA,方式,-SCPC,SCPC,是英文,Single Channel Per Carrier,的缩写，即每载波仅传送一路话音（或数据信号）。,3,、卫星通信技术,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,2,）时分多址（,TDMA,）,按分配给各站的不同工作时隙区分各站的信号。,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,2,）时分多址（,TDMA,）,特点：,单载波工作，没有交调；,功放可工作于非线性，功率效率高,频带利用率高,要有精确的同步，以保证各站突发信号到达转发器的时间不发生重叠。,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,2,）时分多址（,TDMA,）,特点：,单载波工作，没有交调；,功放可工作于非线性，功率效率高,频带利用率高,要有精确的同步，以保证各站突发信号到达转发器的时间不发生重叠。,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,3,）空分多址（,SDMA,）,利用卫星天线的不同空间指向区分不同区域地球站信号的多址联接称为空分多址。,采用空分多址方式工作的卫星需有星上交换设备（,SS,）。经常与其他多址方式相结合实现多址联接，如与,FDMA,、,TDMA,结合等。,卫星天线增益高（波束窄），卫星功率可得到合理有效的利用；,不同区域地球站的信号在空间指向上互不重叠，可实现频率重复使用；,空中交换功能,姿态稳定度要求高，要有较庞大和复杂的天线（各天线的波束指向不同）,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,4,）码分多址（,CDMA,）,按分配给各站不同的地址码来区分地址的方式。,它根据扩频通信原理实现，即对各地球站分别用各不相同的、互不相关的伪随机码（地址码）将发送的信号进行扩频调制。这样，即使各站发射的信号在频率、时间、空间上相互重叠，也不会出现相互干扰。,3,、卫星通信技术,3,、卫星通信技术,3.5,多址联接方式,3.5.2,多址联接方式分类,4,）码分多址（,CDMA,）,特点,:,有较强的抗干扰能力,;,有较好的隐蔽性,;,改变地址较灵活方便,;,不需要网同步,;,频带利用率较低，通信容量较小。,3,、卫星通信技术,3.6,信道分配方式,预分配（,PA,）,将频率资源预先分配给地球站，不用也空着。,按需分配（,DAMA,）,需要时申请频率资源，再分配给地球站，用完后还回。,按需分配带宽（,BOD,）,随业务码流的变化动态分配带宽。,4,、几个问题,(a),垂直极化,(b),水平极化,(c),右旋圆极化,(d),左旋圆极化,(f),左旋椭圆极化,(e),右旋椭圆极化,4.1,什么是圆极化与线极化？,自由空间电磁波通常以电场的取向作为电波极化方向。,4,、两个问题,4.2,什么是,EIRP,？,Effective Isotropic Radiated Power,（有效等向辐射功率）,EIRP=G*Pt (,天线增益,G,发射功率,Pt,）,1,*（,G*Pt,）（天线增益,1,发射功率,G*Pt,）,功率通量密度,点天线以,G*Pt,功率发射,卫星,4,、几个问题,4.3,为什么不把,Ku,波段的天线做得手机天线这么小？,理论上可以（线天线），实际不可用：,到了,Ku,波段时，电波是以直线传播的。,天线处的接收信号很微弱,5,、现有卫星通信系统介绍,5.1,铱系统,1,、,1988,年美国摩托罗拉公司提出的一种低轨道移动卫星通信系统，最初是由,77,颗小型智能卫星组成，在,780,公里的地球上空围绕,7,个极地轨道运行，通过微波彼此互连成网络。后来又提出改由,66,颗卫星来完成，并于,1998,年建成。,5,、现有卫星通信系统介绍,5.1,铱系统,2,、极地圆轨道高度约，每个轨道平面分布颗在轨运行卫星及颗备用卫星，每颗卫星重。,5,、现有卫星通信系统介绍,5.1,铱系统,3,、采用了其特有的、代表了现代高科技最新成果的“星上处理技术”和前所未有的“星际链路技术”，提供的主要业务：电话,/,传真（,2.4kbps,）、数据（,2.4kbps,）、寻呼。,5,、现有卫星通信系统介绍,5.1,铱系统,4,、,1999,年,8,月,13,日，由美国摩托罗拉公司牵头组建的铱星公司正式申请破产保护，于,2000,年,3,月,17,日一,3,月,18,日午夜停止全部运营。,地面蜂窝网已经趋于完善,手机价格和通话费用太高：,在中国大陆对地面固定和移动电话的国内通话费是每分钟,9.8,元人民币，国 际通话费每分钟,27.4,元；铱卫星手机对铱卫星手机每分钟,14.3,元；地面固定和移 动电话呼叫铱卫星手机每分钟,14,元；每月基本费,250,元。,终端供货不足,债务过高,5,、现有卫星通信系统介绍,5.2 GPS,系统,GPS,系统是美国,70,年代开始研制的新一代卫星定位系统, 6,个轨道面上的,24,颗卫星网状星座方案 。自,1995,年宣布达到全运行工作能力以来，工作一直很正常。明年将发射改进型的第二代,GPS,卫星，并计划于,2014,年发射第一颗型号为,3A,的第三代,GPS,卫星。第三代,GPS,卫星现阶段已完成初步设计，预计,2012,年出厂 ，与现有,GPS,相比，,GPS,的信号发射功率可提高,100,倍，定位精度提高到,0.2-0.5,米，这样可以使,GPS,制导武器的精度达到,1,米以内。届时，,GPS,的定位、导航和授时能力将得到进一步提高。,5,、现有卫星通信系统介绍,5.2 GPS,系统,定位原理：,四星定位，已知四星位置及,卫星钟的钟差，可以算出被测物（,x,y,z,）及钟差,Vt0,提供的参数：,坐标、速度、时间等,5,、现有卫星通信系统介绍,5.2 GPS,系统,GPS,星座,5,、现有卫星通信系统介绍,5.2 GPS,系统,终端与模块,5,、现有卫星通信系统介绍,5.3,北斗一代系统,是我国自,上世纪,80,年代开始研究的自已,卫星导航定位系统，称为“北斗一号”,，该系统于,1993,年进入正式开发阶段，并于,2000,年,10,月和,12,月分别成功地发射了最初的两颗“北斗”卫星。,系统,最终计划是,在,2010,年建立一个由,6,颗同步卫星组成的导航卫星定位系统，其中两颗为备用星。,采用双星定位技术，具有导航定位、简短报文通信、精确授时三大功能,平面定位精度在,20,米左右，高程精度在,10,米左右,用户单次通信封装的报文数据最大长度可达,210,个字节，最小长度为,43,个字节,授时精度为,1us,。,5,、现有卫星通信系统介绍,5.3,北斗一代系统,定位原理：,三球定位,5,、现有卫星通信系统介绍,5.3,北斗一代系统,定位过程：,1,、中心向两星发出站信号,2,、用户接收其中之一,3,、用户发送入站信号,4,、中心计算位置,5,、中心发位置给用户,谢谢！,