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1、第第8 8章章 数字微波与卫星通信系统数字微波与卫星通信系统8.1 8.1 数字微波通信系统概述数字微波通信系统概述8.2 SDH8.2 SDH数字微波通信系统数字微波通信系统8.3 8.3 卫星通信系统概述卫星通信系统概述8.4 8.4 通信卫星通信卫星8.5 8.5 卫星地球站卫星地球站8.6 8.6 多址方式多址方式8.7 8.7 数字卫星通信系统范例数字卫星通信系统范例8.1.1 8.1.1 微波通信基本概念微波通信基本概念1 1 微波通信微波通信 微微波波通通信信指指依依靠靠频频率率为为0.3300GHz的的空空间间电电磁磁波波来传递信息的通信。来传递信息的通信。1）微波通信的频段微
2、波通信的频段 表表8.1为为无无线线电电频频谱谱分分类类。长长波波常常用用于于长长波波电电台台进进行行海海上上通通信信；中中波波主主要要用用于于短短距距离离广广播播；短短波波主主要要用用于于短波通信和短波广播。短波通信和短波广播。8.1 8.1 数字微波通信系统概述数字微波通信系统概述2）微波通信的特点微波通信的特点微波是直线传播，要求两个通信点间是视距通信。微波是直线传播，要求两个通信点间是视距通信。通通信信可可靠靠性性高高（频频率率高高，不不易易受受天天电电、工工业业噪噪声声干扰及太阳黑子变化影响）；干扰及太阳黑子变化影响）；微微波波通通信信又又称称视视距距通通信信或或接接力力通通信信（微
3、微波波通通信信要要远距离传送信号，必须把信号一段一段地往前传送）；远距离传送信号，必须把信号一段一段地往前传送）；传输信息容量较大（频带宽）。传输信息容量较大（频带宽）。2 2 数字微波通信系统数字微波通信系统 1)微波通信系统的组成微波通信系统的组成图图8.1为为数数字字微微波波通通信信系系统统方方框框图图，由由发发端端站站、中中间间站站和收端站组成。和收端站组成。甲甲地地端端站站数数字字信信号号先先多多路路复复用用成成数数字字基基带带信信号号，然然后后经经数数字字调调制制形形成成数数字字中中频频调调制制信信号号，再再送送发发送送设设备备进进行行射射频频调调制制变变成成微微波波信信号号，最最
4、后后送送发发射射天天线线发发向向微微波波中中间间站站；微微波波中中间间站站使使数数字字信信号号再再生生后后又又恢恢复复为为微微波波信信号号向向下下一一站站发发送送，一一直直传传送送到到收收端端站站；收收端端站站把把微微波波信信号号经经过过混混频频、中中频频解解调调恢恢复复出出数数字字基基带带信信号号，再再分分路路还还原原为为原原始始的的数数字字信号。信号。图图8.1数字微波通信系统方框图数字微波通信系统方框图 微波收/发信设备用户终端收信发信长途电信局或微波站长途电信局或微波站中间站终端站终端站天线馈线系统天线馈线系统甲地乙地时分复用设备市内电话局用户终端市内电话局时分复用设备调制解调设备微波
5、收/发信设备调制解调设备2)微波通信设备的特殊天馈系统微波通信设备的特殊天馈系统微波通信通过天馈系统发射、接收信号。微波通信通过天馈系统发射、接收信号。图图8.2为为天天线线馈馈线线系系统统示示意意图图。微微波波天天线线常常用用双双反反射射面面的的抛抛物物面面天天线线(或或卡卡塞塞格格伦伦天天线线)，主主反反射射面面的的抛抛物物面面中中心心底底部部置置天天线线馈馈源源；馈馈线线系系统统一一般般由由波波导导和和同同轴轴电电缆缆组组成成，天线馈源与馈线直接相连。天线馈源与馈线直接相连。微微波波信信号号天天馈馈系系统统中中还还要要通通过过滤滤波波、极极化化分分离离、极极化化旋旋转转等等多多次次变变换
6、换，使使用用的的滤滤波波器器、极极化化器器、匹匹配配器器等等一一般般都是特殊的波导器件。都是特殊的波导器件。图图8.2天线馈线系统天线馈线系统(a)同轴电缆天线馈线系统；同轴电缆天线馈线系统；(b)圆波导天线馈线系统圆波导天线馈线系统极化分离器卡塞格伦天线同轴电缆电缆接头副反射器初级辐射器上密封节卡塞格伦天线的主反射面圆软波导圆波导弯头杂模滤波器圆波导管极化旋转器5825 mm矩形软波导矩形波导密封节接发信机至收信机阶梯变换器矩形波导58255810 mm5825 mm波导弯头终端负荷极化分离器j 69j 54 mm变换器(a)(b)极化补偿节8.1.2 8.1.2 微波传输线路微波传输线路
7、微微波波传传播播在在传传播播方方向向无无电电场场、磁磁场场分分量量，因因此此可可视视为为平面波（或横电磁波平面波（或横电磁波）。）。1 1 微波传播的电波特性微波传播的电波特性微波信道微波信道(或微波线路或微波线路)：两个微波站间的电波传播。：两个微波站间的电波传播。微微波波线线路路存存在在衰衰减减，可可按按自自由由空空间间天天线线辐辐射射能能量量衰衰落落来来计计算算。但但是是微微波波线线路路实实际际传传播播情情况况与与微微波波站站所所处处环环境境、自自然然现现象象等等有有关关，地地面面或或山山地地反反射射波波，雨雨、雾雾、雪雪对对电电波波吸吸收收和和散散射射、折折射射都都会会引引起起电电波波
8、快快衰衰落落与与慢慢衰衰落落，使使对对方方收到电平低十几至几十分贝。收到电平低十几至几十分贝。2 2 微波信号传输线路中的余隙微波信号传输线路中的余隙空空间间不不同同高高度度波波束束的的传传播播速速度度不不同同，当当上上层层比比下下层层传传播播快快时时电电波波射射线线往往下下弯弯曲曲，下下层层比比上上层层传传播播快快时时电电波波射线往上弯曲。射线往上弯曲。图图8.3为为地地面面反反射射和和大大气气折折射射示示意意图图。传传输输线线路路上上部部分分波波投投射射到到地地面面引引起起地地面面波波的的反反射射，收收端端电电波波为为直直射射波波与与反射波的合成波。反射波的合成波。微微波波线线路路的的余余
9、隙隙指指从从地地面面最最高高点点（设设为为信信号号反反射射点点)至收、发天线连线间的距离。至收、发天线连线间的距离。图图8.3地面反射和大气折射示意图地面反射和大气折射示意图余余隙隙hc的的计计算算与与等等效效地地球球半半径径系系数数k和和第第一一菲菲涅涅尔尔区区半径半径F1有关有关：微波工作波长；微波工作波长；d1：反射点离发射天线距离；反射点离发射天线距离；d2：反射点离接收天线距离；反射点离接收天线距离；d：收、发天线间距离收、发天线间距离(d=d1+d2)。余隙余隙hc的计算：的计算：0.3F1(k=2/3)hc=1.0F1(k4/3)(8.1.3)1.35F1(k)3 3 数字微波信
10、道的干扰和噪声数字微波信道的干扰和噪声微微波波线线路路的的干干扰扰主主要要来来自自天天馈馈系系统统和和空空间间传传播播，一一般般有有回回波波干干扰扰、交交叉叉极极化化干干扰扰、收收发发干干扰扰、邻邻近近波波道道干干扰扰、天线系统同频干扰等。天线系统同频干扰等。噪声主要来自设备，有收、发信机热噪声以及本振源噪声主要来自设备，有收、发信机热噪声以及本振源的热噪声等。的热噪声等。8.2 SDH8.2 SDH数字微波通信系统数字微波通信系统8.2.1 SDH8.2.1 SDH微波接力通信系统组成微波接力通信系统组成SDH微微波波接接力力通通信信系系统统由由端端站站、枢枢纽纽站站、分分路路站站及及若干中
11、继站组成，如图若干中继站组成，如图8.4所示。所示。图图8.4站型配置站型配置 终端站：终端站：处于线路两端或分支线路终点的站，枢纽站处于线路两端或分支线路终点的站，枢纽站某个方向上的站也是终端站；某个方向上的站也是终端站；枢纽站：枢纽站：一般处在长途干线上一般处在长途干线上(一、一、二级二级)，完成数，完成数个方向的通信任务；个方向的通信任务；分分路路站站：长长途途线线路路中中间间除除可可在在本本站站上上、下下某某收收、发发信信波波道道的的部部分分支支路路外外，还还可可以以沟沟通通干干线线上上两两个个方方向向之之间间通通信信的站；的站；中继站：中继站：线路中间不上、下话路的中间站。线路中间不
12、上、下话路的中间站。8.2.2 SDH8.2.2 SDH微波系统的主要设备微波系统的主要设备1 1 端站设备端站设备SDH微微波波终终端端设设备备主主要要包包括括SDH信信号号复复用用部部分分和和SDH微波传输部分设备。微波传输部分设备。端站可分为终端站、中间站和分路站三类。端站可分为终端站、中间站和分路站三类。1)终端站设备配置终端站设备配置终终端端站站设设备备常常用用在在线线路路两两端端点点或或分分支支线线路路终终点点，配配备备有有SDH复用设备，可上、下全部低次群信号复用设备，可上、下全部低次群信号(支路信号支路信号)。图图8.5为为终终端端站站设设备备配配置置示示意意图图，可可配配备备
13、多多套套SDH复复用用设备和设备和SDH传输设备。传输设备。图图8.5终端站设备配置终端站设备配置 2)中间站设备中间站设备图图8.6为为中中间间站站设设备备配配置置示示意意图图，只只具具备备STM-N速速率率接口，无复用设备。接口，无复用设备。3)分路站设备分路站设备图图8.7为为分分路路站站设设备备配配置置示示意意图图，配配备备SDH分分插插复复用用设设备备(ADM)，具具有有STM-4速速率率接接口口和和有有限限个个支支路路接接口口（2Mb/s接口和接口和STM-1接口）。接口）。STM-4接接口口用用于于沟沟通通干干线线上上两两个个方方向向的的通通信信；2Mb/s接口用于本地上、下部分
14、话路。接口用于本地上、下部分话路。图图8.6中间端站设备配置中间端站设备配置图图8.7分路站设备配置分路站设备配置2 2 再生站设备再生站设备再再生生站站设设备备主主要要用用于于接接收收、再再生生和和发发送送微微波波通通道道传输的传输的SDH数字信号。数字信号。一一对对收收、发发信信波波道道信信号号的的再再生生一一般般由由两两套套分分别别用用于于发发送送方方向向的的再再生生站站设设备备完完成成，只只有有SDH信信号号再再生生中继转接部分的设备模块。中继转接部分的设备模块。图图8.8为一个方向的再生站设备配置示意图。为一个方向的再生站设备配置示意图。图图8.8再生站设备配置再生站设备配置3 SD
15、H3 SDH微波基带信号处理微波基带信号处理SDH微微波波基基带带信信号号处处理理常常称称DSP部部分分，分分为为发发送送和和接收两个方向，完成微波传送中绝大部分信号处理功能。接收两个方向，完成微波传送中绝大部分信号处理功能。图图8.9为数字信号处理器方框图。为数字信号处理器方框图。发发端端：首首先先选选择择主主用用、备备用用和和再再生生中中继继用用三三种种数数据据信信号号流流；然然后后插插入入段段开开销销SOH以以及及微微波波辅辅助助开开销销RFCOH，并对信号进行扰码、码型变换等并对信号进行扰码、码型变换等功能；最后送调制器。功能；最后送调制器。收收端端：解解调调器器解解调调出出的的数数字
16、字信信号号先先进进行行码码型型反反变变换换、去去扰扰码码处处理理，并并且且取取出出SDH开开销销和和SDH微微波波辅辅助助开开销销，最最后恢复后恢复STM-N信号。信号。图图8.9数字信号处理器数字信号处理器SOH分接3选1SOH插入扰码去扰码RFCOH插入ROH分接纠错解码纠错编码格雷解码差分编码差分解码格雷编码自/格变换格/自变换时延调整分配主用备用SOH9999RFCOH927855IQ主用备用999922810IQ2格雷解码4 SDH4 SDH微波系统的运行、维护、管理微波系统的运行、维护、管理OAMPOAMPSDH数数字字微微波波传传输输系系统统的的管管理理分分为为网网元元层层和和网
17、网元元管管理理层层，提提供供一一个个完完备备的的OAMP管管理理平平台台，对对近近端端、远远端设备的运行、维护进行监控和管理。端设备的运行、维护进行监控和管理。图图8.10为为SDH微微波波传传输输管管理理系系统统结结构构框框图图。人人机机接接口口接接收收管管理理人人员员的的操操作作指指令令；系系统统的的单单元元设设备备采采集集信信息息数数据据；系系统统根根据据接接收收的的指指令令和和数数据据处处理理系系统统(传传输输网网)中中发发生生的的各各种种事事件件（SDH系系统统的的传传输输业业务务和和设设备备运运行行、管管理与监视）。理与监视）。图图8.10SDH微波传输管理系统的结构微波传输管理系
18、统的结构8.2.3 SDH8.2.3 SDH数字微波传输系统的主要技术数字微波传输系统的主要技术1 1 抗衰落的技术抗衰落的技术微微波波在在传传播播路路径径上上受受气气象象条条件件变变化化、传传播播环环境境不不同同影响使得传送电波随时间恶化衰落。影响使得传送电波随时间恶化衰落。衰落表现衰落表现:大气吸收衰耗；大气吸收衰耗；雨、雾引起的散射衰耗；雨、雾引起的散射衰耗；多经衰落；多经衰落；微波频率选择衰落等。微波频率选择衰落等。常用的抗衰落措施：常用的抗衰落措施：自动增益控制自动增益控制AGC技术；技术；频频率率分分集集技技术术(用用两两个个或或两两个个以以上上有有一一定定频频率率间间隔隔的微波频
19、率同时发送和接收同一信息的微波频率同时发送和接收同一信息)；空空间间分分集集技技术术(空空间间不不同同垂垂直直高高度度的的几几副副天天线线同同时时接接收收一一个个发发射射天天线线的的微微波波信信号号，然然后后合合成成或或选选择择其其中中一一个个强信号强信号)；自自适适应应均均衡衡技技术术(频频域域自自动动均均衡衡和和时时域域自自动动均均衡衡)；交叉极化干扰补偿技术。交叉极化干扰补偿技术。2 SDH2 SDH数字微波实用的调制解调技术数字微波实用的调制解调技术数数字字调调制制有有三三种种基基本本调调制制方方式式：ASK、FSK和和PSK，不不同同的的数数字字通通信信系系统统采采用用不不同同的的数
20、数字字调调制制技技术术，比比如如数数字字移动通信采用移动通信采用MSK调制，卫星通信采用调制，卫星通信采用OK-QPSK调制调制。STM-1系系列列采采用用网网格格编编码码调调制制TCM，一一般般采采用用TCM-64QAM调调制，解调采用维特比译码。制，解调采用维特比译码。STM-4系系 列列 采采 用用 多多 级级 编编 码码 调调 制制 MLCM，可可 采采 用用64QAMMLCM调制或调制或LEE代码代码64QAM调制等。调制等。3 3 分集技术分集技术分分集集技技术术分分为为信信号号分分集集接接收收技技术术(接接收收信信号号选选择择质质量量好好的的某某路路作作为为输输出出)和和室室内内
21、分分集集技技术术(最最大大功功率率组组合合器器与与最最小小色色散组合器有多重室内分集散组合器有多重室内分集)。4 4 非线性失真补偿技术非线性失真补偿技术非非线线性性失失真真补补偿偿技技术术常常采采用用功功率率回回退退法法、功功率率合合成成法法、预畸变法与前馈法等。预畸变法与前馈法等。5 SDH5 SDH微波传输新技术微波传输新技术微微波波要要传传送送STM-16以以上上高高速速率率的的SDH数数字字传传送送模模块块，必须研究一系列的新技术：必须研究一系列的新技术：提高调制状态数及严格限带；提高调制状态数及严格限带；采用更复杂的纠错编码技术；采用更复杂的纠错编码技术；网格编码调制及维特比检测技
22、术；网格编码调制及维特比检测技术；高性能、全数字化二维时域均衡技术；高性能、全数字化二维时域均衡技术；多载波并联传输技术；多载波并联传输技术；采采用用多多重重空空间间分分集集接接收收、发发端端功功放放非非线线性性预预校校正正、自适应正交极化干扰消除电路等技术。自适应正交极化干扰消除电路等技术。分组码：分组码：将输入信息序列分成长为将输入信息序列分成长为L的组，然后的组，然后增加只与本组信息数字有关的多余度增加只与本组信息数字有关的多余度构成（构成（N，L）分组码；）分组码；卷积码：卷积码：将输入信息序列分成长为将输入信息序列分成长为k0的组，然后的组，然后增加与本组以及前增加与本组以及前m组信
23、息数字有关的组信息数字有关的多余度构成（多余度构成（n0，k0，m）卷积码）卷积码。卷积码的基本概念卷积码的基本概念(2,1,2)卷积码编码器卷积码编码器 卷积码的描述卷积码的描述状态图状态图树图树图格图格图在输入序列的控制下，编码器沿码树在输入序列的控制下，编码器沿码树通过某一特定路径的过程通过某一特定路径的过程卷积码的编码卷积码的编码卷积码的译码卷积码的译码根据接收序列，在码树上选择一根据接收序列，在码树上选择一条路径的过程条路径的过程1.从第从第1时刻的全零状态开始；时刻的全零状态开始；2.时刻时刻t，对每一状态只记录到达路径中对每一状态只记录到达路径中最短路径最短路径及其及其度量度量；
24、3.向向t+1时刻前进时刻前进时时，对，对t时刻每个状态延伸时刻每个状态延伸；4.对所得到的对所得到的t+1时刻到达每一状态的时刻到达每一状态的2k条路径条路径进行比较，找到进行比较，找到最短路径最短路径作为作为幸存幸存路径路径；5.直到码的终点，如确定终点是一个确定状态，直到码的终点，如确定终点是一个确定状态，则最终保留的路径就是译码结果则最终保留的路径就是译码结果。维特比译码维特比译码从从码码树树起起始始节节点点开开始始，把把接接收收到到的的第第一一个个子子码码的的n个个码码元元与与自自始始节节点点出出发发的的两两条条分分支支按按照照最最小小汉汉明明距距离进行比较，离进行比较，沿差异最小分
25、支走向第二个节点；沿差异最小分支走向第二个节点；第第二二个个节节点点上上，以以同同样样原原理理到到达达下下一一个个节节点点，以以此类推，最后得到一条路径。此类推，最后得到一条路径。序列译码序列译码8.3 8.3 卫星通信系统卫星通信系统8.3.1 8.3.1 卫星通信系统的组成及特点卫星通信系统的组成及特点 卫卫星星通通信信指指利利用用人人造造地地球球卫卫星星作作为为中中继继站站转转发发无无线线电电信号，在多个地球站间进行信息交流的通信方式。信号，在多个地球站间进行信息交流的通信方式。图图8.118.11为卫星通信示意图。为卫星通信示意图。1 1 卫星通信系统组成及工作过程卫星通信系统组成及工
26、作过程1）卫星通信系统组成卫星通信系统组成 卫卫星星通通信信系系统统由由通通信信部部分分和和保保护护部部分分组组成成，卫卫星星通通信信部部分分主主要要包包括括发发端端地地面面站站、收收端端地地面面站站、上上行行线线、下下行行线线和通信卫星，图和通信卫星，图8.12为卫星通信线路组成示意图。为卫星通信线路组成示意图。图8.11 卫星通信的示意图图图8.12卫星通信线路的组成卫星通信线路的组成2）卫星通信系统工作过程卫星通信系统工作过程卫卫星星通通信信系系统统中中信信号号从从发发端端地地面面站站到到收收端端地地面面站站，经经过过信信号号发发射射、上上行行线线、卫卫星星转转发发、下下行行线线和和信信
27、号号接接收收的传输过程。的传输过程。图图8.13为卫星通信系统的工作过程示意图。为卫星通信系统的工作过程示意图。发发端端：甲甲地地先先把把本本站站信信号号组组成成基基带带信信号号；然然后后经经调调制制器器变变换换为为中中频频信信号号；最最后后经经上上变变频频变变为为微微波波信信号号，由由天线发向天线发向卫星（上行线）；卫星（上行线）；卫卫星星：卫卫星星收收到到地地面面站站的的上上行行信信号号，经经放放大大处处理理变换为下行的微波信号；变换为下行的微波信号；收收端端：乙乙地地收收端端站站天天线线接接收收卫卫星星转转发发其其他他地地面面站站给给本本站站的的微微波波信信号号(下下行行线线)，先先经经
28、低低噪噪声声放放大大、下下变变频频为为中中频频信信号号(70MHz)；再再经经中中频频解解调调还还原原为为基基带带信信号号；最最后分路基带信号送给用户。后分路基带信号送给用户。乙乙端端站站发发向向甲甲端端站站的的信信号号过过程程同同上上，只只是是上上行行线线、下行线频率不同而已。下行线频率不同而已。图图8.13卫星通信系统的工作过程卫星通信系统的工作过程2 2 卫星通信的保障部分卫星通信的保障部分卫卫星星通通信信保保障障部部分分主主要要由由地地面面话话音音的的监监控控管管理理和和卫卫星星通信系统的监控、管理维护等组成。通信系统的监控、管理维护等组成。地地面面站站设设立立监监控控台台，控控制制方
29、方式式有有计计算算机机控控制制和和人人工工控制；控制；卫卫星星通通信信控控制制系系统统包包括括：星星上上控控制制、卫卫星星通通信信网网络络的管理和控制。的管理和控制。3 3 卫星通信的特点卫星通信的特点优点：优点：覆盖面积大，通信距离远；覆盖面积大，通信距离远；设站灵活，易实现多址通信；设站灵活，易实现多址通信；通信容量大，业务类型多；通信容量大，业务类型多；信道特性稳定；信道特性稳定；费用与通信距离无关；费用与通信距离无关；建站快，投资省。建站快，投资省。缺点：缺点：要求卫星高可靠性、长寿命；要求卫星高可靠性、长寿命；通信地球站设备庞大复杂；通信地球站设备庞大复杂；信号有延迟。信号有延迟。8
30、.3.2 8.3.2 卫星通信传输线路性能参数卫星通信传输线路性能参数1 1 全向有效辐射功率全向有效辐射功率EIRPEIRP 天线对着目标方向所辐射的电波强度。天线对着目标方向所辐射的电波强度。PT：设备发送功率设备发送功率(W)；GT：发射天线增益发射天线增益LT：发射部分天馈系统损耗发射部分天馈系统损耗（8.3.1）D：天线直径天线直径(m)；：发射电波波长发射电波波长(m)；：天线效率。天线效率。EIRP有有两两个个含含义义：指指地地面面站站天天线线向向着着卫卫星星接接收收方方向向辐辐射射的的电电波波强强度度EIRPE；卫卫星星转转发发器器天天线线向向接接收收地地面面站站方方向所辐射的
31、电波强度向所辐射的电波强度EIRPS。（8.3.2）2 2 传播衰耗传播衰耗L LP P电电波波在在自自由由空空间间的的传传播播衰衰耗耗，也也称称固固有有衰衰减减（卫卫星星与与地面站两天线间传输衰耗）地面站两天线间传输衰耗）LP=d：卫星与地面站间的距离卫星与地面站间的距离(m)；：波长波长(m)。3 3 传播方程传播方程接接收收端端信信号号强强度度表表示示卫卫星星通通信信系系统统接接收收信信号号的的能能力力，与与发发端端全全向向辐辐射射功功率率、接接收收天天线线增增益益成成正正比比，与与传传播播衰衰耗耗成反比。成反比。（8.3.3）EIRP：发送端全向有效辐射功率发送端全向有效辐射功率(EI
32、RPS或或EIRPE)；GR：接收天线有效增益；接收天线有效增益；LP：传播衰耗。传播衰耗。4 4接收地面站性能指数接收地面站性能指数GR：天线的有效增益；天线的有效增益；T：接收系统的等效噪声温度。接收系统的等效噪声温度。（8.3.4）（8.3.5）5 C/T5 C/T值与值与S/NS/N载载波波噪噪声声温温度度比比C/T是是衡衡量量卫卫星星传传送送信信号号未未经经解解调调前前送入接收设备的载波噪声温度比。送入接收设备的载波噪声温度比。N：噪声功率；噪声功率；K：波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T：系统等效噪声温度；系统等效噪声温度；B：接收机带宽。接收机带宽。信噪比信噪比S/N是卫星传送信号经
33、解调后的输出信噪比。是卫星传送信号经解调后的输出信噪比。（8.3.7）6 6 门限电平门限电平卫卫星星通通信信系系统统的的C/N与与S/N的的关关系系，可可用用门门限限电电平平来来表示，如图表示，如图8.14所示。所示。门门限限效效应应：载载噪噪比比C/N小小于于某某一一数数值值时时，信信噪噪比比S/N会急剧下降的现象称门限效应。会急剧下降的现象称门限效应。门限电平：门限电平：产生门限效应的产生门限效应的C/N限值。限值。门门限限余余量量：保保证证卫卫星星通通信信线线路路工工作作在在门门限限电电平平以以上上所留有的余量所留有的余量。图图8.14调频系统的门限电平调频系统的门限电平 7 7 卫星
34、传输信号的几种信号处理技术卫星传输信号的几种信号处理技术1)能量扩散技术能量扩散技术由由于于卫卫星星转转发发器器的的变变频频器器多多载载波波工工作作时时会会产产生生交交调调干干扰扰，通通过过给给未未调调制制载载波波外外加加一一个个信信号号使使其其能能量量扩扩散散，减减少少它对其他载波的干扰。它对其他载波的干扰。2)预加重预加重由由于于收收端端解解调调后后高高端端S/N低低于于低低端端S/N，基基带带处处理理时时加加一个预加重网络使带内信噪比均匀。一个预加重网络使带内信噪比均匀。3)加权加权为为使使实实际际S/N与与人人的的感感觉觉器器官官协协调调采采用用了了修修正正值值，该该修正值称修正值称为
35、加权值。为加权值。8.4 8.4 通信卫星通信卫星8.4.1 8.4.1 同步通信卫星同步通信卫星1 1 地球卫星轨道地球卫星轨道赤道轨道：赤道轨道：卫星的轨道平面与赤道平面夹角为卫星的轨道平面与赤道平面夹角为0；极轨道：极轨道：卫星轨道平面与赤道平面夹角为卫星轨道平面与赤道平面夹角为90；倾倾斜斜轨轨道道：卫卫星星轨轨道道平平面面与与赤赤道道平平面面夹夹角角在在090之之间；间；同同步步轨轨道道：卫卫星星运运行行轨轨道道在在赤赤道道面面，轨轨道道离离地地面面高高度度为为35786.6km时时此轨道称同步轨道。此轨道称同步轨道。图图8.15为地球卫星的几种轨道示意图。为地球卫星的几种轨道示意图
36、。图图8.15地球卫星的几种轨道地球卫星的几种轨道 2 2 同步通信卫星同步通信卫星同同步步卫卫星星（静静止止卫卫星星）：同同步步轨轨道道上上运运行行的的卫卫星星，其其运运行行方方向向与与地地球球自自转转方方向向相相同同，运运行行周周期期为为恒恒星星日日(23小小时时56分分4秒），卫星相对于地球表面呈静止状态。秒），卫星相对于地球表面呈静止状态。静止轨道：静止轨道：静止卫星运行的轨道。静止卫星运行的轨道。卫卫星星通通信信系系统统：利利用用同同步步卫卫星星转转发发无无线线电电信信号号组组成成的的通信系统。通信系统。3 3 影响同步卫星通信的因素影响同步卫星通信的因素1)摄动摄动空空中中运运行行
37、的的卫卫星星受受地地球球、太太阳阳、月月亮亮引引力力，地地球球形形状状不不均均匀匀及及太太阳阳辐辐射射压压力力等等影影响响使使得得卫卫星星运运行行轨轨道道偏偏离离预预定定理想轨道的现象。理想轨道的现象。2)轨道平面倾斜效应轨道平面倾斜效应静静止止卫卫星星受受到到某某些些因因素素影影响响发发生生的的相相对对于于赤赤道道平平面面向向上上、向向下下的的固固定定偏偏离离时时，使使得得卫卫星星视视在在位位置置及及星星下下点点发生改变。发生改变。3)星蚀与日凌中断星蚀与日凌中断星星蚀蚀：静静止止卫卫星星和和地地心心及及太太阳阳在在一一条条直直线线上上，并并且且地球挡住太阳使卫星处于阴影区。地球挡住太阳使卫
38、星处于阴影区。日日凌凌中中断断：静静止止卫卫星星和和地地心心及及太太阳阳在在一一条条直直线线上上，并并且且太太阳阳正正对对卫卫星星，地地面面站站天天线线对对准准太太阳阳时时，太太阳阳黑黑子子产生的强大太阳噪声干扰使通信短暂中断的现象。产生的强大太阳噪声干扰使通信短暂中断的现象。4)卫星姿态的保持与控制卫星姿态的保持与控制卫卫星星位位置置须须保保持持在在预预定定位位置置、天天线线波波束束须须指指向向覆覆盖盖区区中中心心，这这就就要要求求卫卫星星相相对对于于地地球球保保持持一一定定的的姿态。姿态。卫星姿态控制：自旋稳定法和三轴稳定法。卫星姿态控制：自旋稳定法和三轴稳定法。三三轴轴稳稳定定法法由由于
39、于具具有有较较高高的的控控制制精精度度、太太阳阳能能电电池池板板可可做做得得较较大大、电电能能供供给给功功率率较较大大等等优优点点得得到到广泛应用。广泛应用。8.4.2 8.4.2 通信卫星组成通信卫星组成 同同步步通通信信卫卫星星主主要要由由控控制制分分系系统统、通通信信分分系系统统、遥遥测测指指令令分分系系统统、电电源源分分系系统统、温温控控分分系系统统五五大大部部分分组成，图组成，图8.16为通信卫星组成示意图。为通信卫星组成示意图。1控制分系统控制分系统主主要要由由各各种种可可控控的的调调整整装装置置、驱驱动动装装置置及及各各种种转转换换开开关关组组成成，完完成成卫卫星星的的姿姿态态、
40、位位置置、工工作作状状态态以以及及主、备用设备切换等控制。主、备用设备切换等控制。2通信分系统通信分系统主要由天主要由天线和转发器两大部分组成。线和转发器两大部分组成。1)天线天线(1)全方向性天线全方向性天线完成遥测和指令信号的发送、接收。完成遥测和指令信号的发送、接收。(2)通信天线通信天线接收、转发地面站的通信信号。接收、转发地面站的通信信号。通通信信天天线线按按其其覆覆盖盖面面大大小小分分为为4类类：球球波波束束天天线线、区区域波束天线、半球波束天线和点波束天线。域波束天线、半球波束天线和点波束天线。图图8.17为为IS-V太平洋覆盖区的波束配置示意图。太平洋覆盖区的波束配置示意图。球
41、球波波束束天天线线：覆覆盖盖地地球球表表面面面面积积最最大大，一一般般可可达达地球表面的地球表面的1/3；区区域域波波束束天天线线（覆覆形形波波束束天天线线）：覆覆盖盖地地球球特特定定区域；区域；半球波束天线：球波束天线覆盖的半球波束天线：球波束天线覆盖的1/2；点波束天线：点波束天线：覆盖地面某一限定的小区。覆盖地面某一限定的小区。2)转发器转发器卫卫星星通通信信转转发发器器：单单变变频频转转发发器器、双双变变频频转转发发器器和和处理转发器。处理转发器。(1)单变频转发器单变频转发器接接收收到到的的上上行行信信号号放放大大后后直直接接变变换换为为下下行行频频率率，再再经功率放大后通过天线发回
42、地面。经功率放大后通过天线发回地面。图图8.18为单变频转发器组成方框图为单变频转发器组成方框图(2)双变频转发器双变频转发器接接收收到到的的上上行行信信号号放放大大后后先先变变频频为为中中频频信信号号，然然后后经经放放大大、限限幅幅后后再再上上变变频频为为下下行行信信号号，最最后后经经功功放放通通过过天线发回地面。天线发回地面。图图8.19为双变频转发器组成方框图。为双变频转发器组成方框图。(3)处理转发器处理转发器接接收收到到的的上上行行信信号号放放大大后后先先变变频频为为中中频频信信号号，再再进进行行解解调调、信信号号处处理理、重重新新调调制制和和上上变变频频为为下下行行信信号号，最最后
43、后经经功放通过天线发回地面。功放通过天线发回地面。图图8.20为处理转发器的组成方框图。为处理转发器的组成方框图。卫卫星星上上信信号号处处理理：对对数数字字信信号号进进行行判判决决、再再生生来来消消除除，噪噪声声积积累累；多多个个卫卫星星天天线线之之间间的的信信号号交交换换处处理理；星星上上处处理理系统，包括信号变换、交换和处理等。系统，包括信号变换、交换和处理等。3 3 遥测指令分系统遥测指令分系统遥测指令分系统包括遥测部分和遥控指令部分。遥测指令分系统包括遥测部分和遥控指令部分。1)遥测部分遥测部分收收集集卫卫星星上上设设备备工工作作的的数数据据（如如电电流流、电电压压、温温度度、传感器信
44、息、气体压力指令证实等）。传感器信息、气体压力指令证实等）。2)遥控指令部分遥控指令部分地地面面控控制制中中心心把把遥遥控控指指令令发发向向卫卫星星，卫卫星星处处理理后后送送往往控控制制设设备备来来完完成成对对卫卫星星上上各各部部分分设设备备的的控控制制和和备备用用部部件件的的倒换等，从而控制卫星的位置、姿态。倒换等，从而控制卫星的位置、姿态。4 4 电源分系统电源分系统卫卫星星上上设设备备工工作作的的能能源源主主要要由由太太阳阳能能电电池池提提供供，并并且且,以原子能电池和化学电池辅助。以原子能电池和化学电池辅助。卫星上设置电源控制电路来保证星上设备供电。卫星上设置电源控制电路来保证星上设备
45、供电。5 5 温控分系统温控分系统通通信信卫卫星星里里的的设设备备工工作作要要求求温温度度恒恒定定，须须对对星星上上温温度度进行控制。进行控制。卫卫星星上上的的温温度度传传感感器器随随时时监监测测卫卫星星温温度度并并把把信信号号送送会会监控站，地面通过遥控指令控制卫星温度。监控站，地面通过遥控指令控制卫星温度。8.4.3 8.4.3 观察参量观察参量观观察察参参量量指指地地球球站站天天线线轴轴线线指指向向静静止止卫卫星星的的方方位位角角、仰角和距离这三个参数。仰角和距离这三个参数。图图8.21为为静静止止卫卫星星的的观观察察参参量量示示意意图图，S为为静静止止卫卫星星，D为为地地球球站站，静静
46、止止卫卫星星S与与地地球球中中心心O的的连连线线在在地地表表面面交交点点M为星下点，为星下点，D与与S连线（直视线）在地面投影称方位线。连线（直视线）在地面投影称方位线。方方位位角角：地地面面站站所所在在正正北北方方向向按按顺顺时时针针方方向向旋旋转转与与方位线的夹角；方位线的夹角；仰角仰角：地球站方位线与直视线之间的夹角。地球站方位线与直视线之间的夹角。其中：其中：=1-2,K=(R0+h）/R0 ：地面站所在位置纬度；地面站所在位置纬度；1：卫星所在位置经度；卫星所在位置经度；2：地面站所在位置经度；地面站所在位置经度；R0：地球半径地球半径6378km；h：卫星离地面高度卫星离地面高度3
47、5786.6km。（8.4.1）（8.4.2）（8.4.3）8.5 8.5 卫星地球站卫星地球站8.5.1 8.5.1 地球站组成地球站组成卫星通信系统中信号的组装与分路由地球站完成，卫星通信系统中信号的组装与分路由地球站完成，地地球球站站按按用用途途分分为为民民用用、军军用用、广广播播、航航海海、气气象象、通通信信等等站站；按按天天线线大大小小分分为为30m，10m，5m，3m等等站站；按业务分为通信、数据、广播、跟踪、遥测等站。按业务分为通信、数据、广播、跟踪、遥测等站。图图8.22为标准的地球站总体方框图，由天馈分系统、为标准的地球站总体方框图，由天馈分系统、发射分系统、接收分系统、通发
48、射分系统、接收分系统、通信终端分系统、监控管理信终端分系统、监控管理分系统及电源分系统组成。分系统及电源分系统组成。8.5.2 8.5.2 地球站分系统地球站分系统1 1 天馈分系统天馈分系统地地球球站站天天馈馈系系统统由由天天线线、馈馈线线及及伺伺服服跟跟踪踪部部分分组组成成，图图8.23为为天线和馈线部分组成示意图天线和馈线部分组成示意图。发发射射信信号号通通过过馈馈源源经经副副反反射射面面、主主反反射射面面反反射射后后射射向向卫卫星星；接接收收信信号号由由天天线线投投射射入入馈馈源源喇喇叭叭，再再由由馈馈线线送送入入接接收机。收机。伺伺服服跟跟踪踪部部分分使使地地球球站站天天线线始始终终
49、瞄瞄准准卫卫星星天天线线，从从而而进进行行正正常常通通信信。常常用用跟跟踪踪方方法法有有手手动动跟跟踪踪、半半自自动动跟跟踪踪和和自动跟踪。自动跟踪。2 2 发射机分系统发射机分系统发发射射机机系系统统由由上上变变频频器器、自自动动功功率率控控制制电电路路、发发射射合合成成装装置置、激激励励器器和和大大功功率率放放大大器器组组成成，图图8.24为为发发射射分系统的组成方框图。分系统的组成方框图。发射机部分要求：发射机部分要求：功率大；功率大；频带宽；频带宽；载频精度高；载频精度高；放大器线性好，增益稳定。放大器线性好，增益稳定。3 3 接收机系统接收机系统地地球球站站接接收收系系统统必必须须是
50、是低低噪噪声声接接收收系系统统，由由低低噪噪声声放大器、下变频器、本机振荡器组成。放大器、下变频器、本机振荡器组成。接收机部分要求：接收机部分要求：噪声温度低；噪声温度低；工作频带宽；工作频带宽；增益稳定。增益稳定。信号经低噪声放大后送下变频器变换为中频信号，信号经低噪声放大后送下变频器变换为中频信号，变频分为一次变频和两次变频。变频分为一次变频和两次变频。4 4 通信终端部分通信终端部分卫星通信终端部分主要分为上行和下行两部分，工作卫星通信终端部分主要分为上行和下行两部分，工作在中频在中频70MHz以下。以下。5通信控制部分和电源部分通信控制部分和电源部分1)通信控制部分通信控制部分卫星通信