陈振国 杨鸿文 郭文彬 编著 北京邮电大学出版社

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1 陈振国 杨鸿文 郭文彬 编著 北京邮电大学出版社
卫星通信系统与技术 陈振国 杨鸿文 郭文彬 编著 北京邮电大学出版社

2 第三章 卫星地球站和VSAT 3.1引言 3.2 地球站射频基本性能 3.3 天线、馈源和跟踪系统 3.4 射频 (RF) 分系统

3 第三章 卫星地球站和VSAT 3.5 通信公用和网络接口分系统 3.6 固定和广播卫星业务地球站
3.5  通信公用和网络接口分系统 3.6 固定和广播卫星业务地球站 3.7 很小孔径终端网络 (又称VSAT网络) 3.8 地球站监控，辅助设备，和可靠性分析

4 3.1引言 描述地球站性能的一个最基本参量，是接收天线增益对噪声温度比 (G/T) 值，又称为地球站的品质因素。它表示一个地球站的接收能力强弱， G / T值越高就意味着这个地球站的接收能力越强。因此，根据提供业务和G / T值的不同，可以按此对地球站进行分类。

5 设计考虑 一个地球站的设计主要因素有： 服务类型 通信业务类型 终端站对基带信号质量的要求 业务要求 价格和可靠性

6 设计过程可以用两个主要步骤来区分 第一步是基于整个系统的要求，由此形成地球站的基本参量如G/T值、发射功率、多址联接方案等。
然后，地球站设计师和工程师以最佳的性能价格比，使设备配置设法达到上述性能指标。

7 理解设计应用中的某些折衷

8 国际规定和技术限制 1. 国际规定 2. 技术限制

9 地球站技术近期发展趋向 迹象表明，最大的增长率多半还是移动卫星业务。用户的数目在本世纪前10年会达到1千万以上。大部分手持终端，都具有与地面移动系统同时运行的能力。

10 地球站设备一般组成 图3-1 地球站设备的一般原理性框图

11 3.2 地球站射频基本性能 3.2.1 有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算 EIRP =PTGT
3.2 地球站射频基本性能 有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算 如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线增益，则地球站的有效全向辐射功率就是： EIRP =PTGT

12 接收系统噪声分析和品质因素G / T值计算 通常用天线增益对噪声温度比G / T，表示地球站天线和低噪声放大器的性能，它与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表示低噪声放大器输入端的接收天线增益。

13 1. 通信系统中的噪声 通信系统中有关噪声的论述时基于白噪声的噪声形式，它的功率谱密度为，在很大的频率范围内是平滑的。

14 在电子通信系统中，由噪声源送到匹配负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz表示，为:

15 2. 放大器的噪声温度和噪声系数 系统噪声温度： 噪声系数 :

16 图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统
3. 放大器级联噪声温度 图 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统

17 n个系统噪声温度： n个系统级联时的噪声系数

18 4. 无源器件的噪声温度 有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F

19 5. 天线噪声温度 天线噪声温度是通过天线进入到接收机的噪声的量度，它是由所有外部噪声源产生的噪声分量的积分：

20 6. 系统总噪声温度 图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端

21 3.3 天线、馈源和跟踪系统 天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收和发送特性是相同的。 地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本。
3.3 天线、馈源和跟踪系统 天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收和发送特性是相同的。 地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本。 大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星。

22 1. 天线基础和辐射方向性图 3-8 天线辐射方向性图

23 2. 天线主要特性参量 天线的半功率点波束宽度 天线方向性 效率 增益函数

24 图3-9 天线增益G与半功率点波束宽度Ψhp的关系, 孔径效率 60 %

25 天线系统 基于它们的几何形状，地球站可以使用具有轴对称、和非轴对称的天线结构。

26 1. 轴对称结构 图3-10 喇叭抛物面天线结构图

27 图 卡塞格伦天线结构图

28 图 极轴天线结构图

29 2. 非轴对称结构 (偏馈天线) 图 非轴对称 (偏馈) 天线结构图

30 图3-14 天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置
3. 天线安装 图 天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置

31 馈源系统 1. 主馈源系统功能 2. 喇叭馈源 3. 正交极化馈源

32 图 一种正交极化馈源系统的组成框图

33 图 一种正交极化馈源系统的组成框图

34 跟踪系统 在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功率点波束宽度很大部分时，为了避免使天线指向损耗过大，必须要采用跟踪系统，即： δθS > Ψhp / N

35 对地球站天线跟踪系统的要求是 能部分或全部执行下列功能： 卫星搜索 自动跟踪 手工跟踪 程序跟踪

36 图3-17 (a) 一种卫星跟踪系统的主要元件. (b) 一种步进跟踪系统

37 自动跟踪系统 1 步进跟踪系统 2 单脉冲跟踪技术 3 智能跟踪

38 3.4 射频 (RF) 分系统 发送设备 1. HPA备份方式 2. 多载波合成 3. 功率合成 4. 高功放的非线性

39 图3-27 (a) 参量放大器原理电路框图。(b) 一个GaAs FET低噪声放大器电路
接收设备 图3-27 (a) 参量放大器原理电路框图。(b) 一个GaAs FET低噪声放大器电路

40 参量放大器的等效噪声温度可以近似表示为：
Te ≈ f S To / f i

41 参量放大器可大致划分 不致冷的：To ≈ 环境温度 + 100 C ≈ 270 C = 300 K；
热电致冷的：To ≈ − 500 C = 223 K； 深致冷的：To ≈ − 2500 C = 23 K。

42 3.5 通信公用和网络接口分系统 3.5.1 上变频器 (UC) 和下变频器 (DC) 设计 1. 上变频过程和上变频器设计
3.5  通信公用和网络接口分系统 上变频器 (UC) 和下变频器 (DC) 设计 1. 上变频过程和上变频器设计 2. 转发器跳跃、极化跳跃、和上变频器备份 3. 下变频过程

43 频率合成器 所谓的频率合成器，就是用一个高稳定度的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后对它进行数学四则运算，用电路中的混频、倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技术，使它产生步长一定、与基准频率源具有同样稳定度的大量频率分量输出。

44 图 (a) 发送频率合成器原理图

45 图 (b) 接收频率合成器原理图

46 图 上、下变频合用一种微波频率合成器

47 中频放大、滤波、和均衡 放大、滤波、和群时延均衡功能是在中频实施的。

48 图3-35 在中频滤波中的幅度和群时延限制

49 调制和解调 卫星通信中，调制和解调是在中频实现的。调制和解调系统的类型，应与多址联接方式 (FDMA或TDMA等)、基带信号数量 (多个或一个信道)、基带信号调制载波类型 (数字相位调制或模拟调频) 相适应.

50 基带信号处理 在发送端调制前和接收端解调后，根据信号的类型和传输特性，要对基带信号进行多项信号处理。

51 网络接口分系统 这个分系统是地球站的通信系统设备，和地面网络基带信号之间的接口。主要功能是信号复用和去复用、数字话音插空 (DSI) 和信道倍增 (DCME)、回波抑制和消除，以及图像信号压缩编码 (DVB/MPEG-2) 等。

52 3.6 固定和广播卫星业务地球站 这一节主要介绍三种类型的地球站：大型的INTELSAT的 A标准地球站，中等数据速率的中小型地球站，和VSAT小型地球站。

53 3.6.1 大、中型固定业务地球站 1. 大型地球站原理框图 2. 数字话音插空技术 (DSI) 和中速数据业务 (IDR)
大、中型固定业务地球站 1. 大型地球站原理框图 2. 数字话音插空技术 (DSI) 和中速数据业务 (IDR) 数字话音插空技术 中速数据业务(IDR)的发展 3. TDMA / DSI (或 DNI)

54 3.6.2 广播卫星业务 (BSS) 地球站和卫星电视接收
卫星电视广播发展概况 卫星电视广播系统组成，模拟卫星电视接收机（调谐器） 数字压缩卫星电视接收机原理框图 (DVB / MPEG-2)

55 3.7 很小孔径终端网络 (VSAT)网络 VSAT小站的主要特征是天线孔径小，设备结构紧凑；全固态化，功耗小，成本低；覆盖范围大，对环境条件要求不高；安装组网灵活方便，网络结构、性能指标、设备特性和管理等，都可按照用户的需要来进行设计。

56 VSAT 网络结构和组网方案 用在VSAT网络中的主要结构有：星型结构、广播网络、网状或总节点 (总线连接) 连接。

57 1. 网络结构组网方案 星型网结构 网状 (或总节点) 网连接 星形和网状网的混合结构连接 卫星单跳结构 远地终端

58 2. 组网方式 – 共用网方案 图 VSAT系统的共用网方案

59 3. 网状系统中的传输技术 (1). DAMA / SCPC (2).TDM / SCPC (3).TDMA (4).CDMA

60 图3-52 VSAT系统典型数据通信主站原理框图

61 图3-53 VSAT系统典型语音通信主站原理框图
1. 主站 图 VSAT系统典型语音通信主站原理框图

62 图3-54 VSAT系统端站: (a) 原理框图. (b) 外形结构

63 3. 空间段 VSAT系统空间段的主要部分是卫星转发器，它多数是Ku波段，也仍然有C波段的。从传播条件考虑C波段条件好，受降雨衰减影响小，可靠性高。

64 3.7.3 VSAT系统工作原理 1. VSAT系统的数据通信网
如图3-55所示的VSAT系统，小站和主站是通过卫星转发器连成星型网络结构。其中主站发射的EIRP高，接收G/T值大，故而所有小站都可直接与它互通。

65 图 VSAT小型地球站网络

66 (1). 卫星多址联接方案 数据通信时，在VSAT系统中使用的主要是随机联接和预约方案。

67 (2). 自适应分配TDMA(AA/TDMA)
外向传输 (Outbound) 内向 (Inbound) 数据 RA/TDMA信道

68 图 AA/TDMA的幀格式和分组格式

69 图3-57 (a) 随机连接模式传输 (b) 预约模式数据传输

70 图3-58 混合模式传输时平均时延与流量的关系曲线
图 混合模式传输时平均时延与流量的关系曲线

71 (3)协议变换，误差控制和流量控制 协议变换目标 误差控制 流量控制

72 2. VSAT系统的电话通信网 该电路通信网主要特征是BPSK或QPSK调制。TDM，1/ 2 FEC率卷积编码，维特比译码。P T = 5 ~ 50 W，T = 80 K。 多址方式： DAMA/SCPC(SCPC/PSK/FDMA), 或PA/SCPC。

73 (1). 频率分配方案 频率分配方案是FDMA多址方式，可分配频带被分成业务信道和控制信道两部分，信道分配方案绘出如图3-59所示。

74 图 TES系统的信道频率分配方案

75 (2) TES系统的原理框图 TES系统的室外单元由天线﹑中频单元﹑和射频单元等组成。室内单元由地面接口设备(TIE)﹑语音信道单元(VCU)﹑数据信道单元(DCU)﹑监控信道单元(MCU)﹑和中频分路盘等所组成，如图3-60所示。

76 图 小功率TES系统的 (a) 设备框图

77 图 小功率TES系统 (b) 结构外形

78 图3-61 (a) TES系统小功率室外单元的原理框图

79 图3-61 (b) TES系统小功率室外单元的结构外形

80 3. VSAT系统的CDMA窄带数据网 系统和设备主要参数： 系统远端站室内单元的设备

81 图3-62 CONTEL系统的CDMA系统

82 年代后期VSAT网络的发展 1. 用于Internet连接的VSAT网络 2. 宽带VSAT的工业化

83 3.8 地球站监控， 辅助设备，和可靠性分析 3.8.1 地球站监控 (M&C)
3.8 地球站监控， 辅助设备，和可靠性分析 地球站监控 (M&C) 监控装置的主要作用是检测设备的故障情况，判断故障的模式，自动切换到备份系统。

84 图3-63 一个的地球站射频设备的的监控原理框图
图3-63 一个的地球站射频设备的的监控原理框图

85 射频设备的监控主要包括 HPA、 LNA、 UC和 DC等的备份切换逻辑电路； 数据搜索单元 (DAU) ； 天线控制单元 (ACU) 。

86 图 ：1备份LNA逻辑控制电路

87 辅助设备 对一个地球站讲，有下列三种类型能源： 不仃电电源 备份电源 无备份电源

88 设备可靠性分析 除天线外，地球站的各个分系统都采用某种备用方式，以提高它的可靠性。一般情况下，硬件的可靠性是表明它在设计条件下和规定的时间内，正常运行不出故障的概率。

89 如果故障的出现是随机的，则硬件工作时间长于时间间隔t的概率为指数分布，即有:

90 平均发生故障的时间间隔，通常称之为平均故障时间 (MTTF)，为：

91 如果很多孤立的分系统是级联的，它\们之中的任一个出故障时，这个系统就出现故障。那么一个级联系统的可靠性，就是各个分系统可靠性的乘积：

92 级联系统的MTTF为：

93 分系统并联时，只要一个分系统工作正常，整个系统就能正常工作。因此，并联系统的可靠性为：

94 平均故障时间就是:

95 对应的平均故障率为：

96 地球站的可用平均概率为: