第章卫星地球站.ppt

2024/5/22 周三1可编辑第3章 卫星地球站卫星通信卫星通信2024/5/22 周三2可编辑卫星地球站Note:2024/5/22 周三3可编辑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)（单位dB/K）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。2024/5/22 周三4可编辑3.1.1 设计考虑一个地球站的设计主要因素有：服务类型：FSS、BSS、MSS通信业务类型：电话、数据、电视等 终端站对基带信号质量的要求 业务要求 价格和可靠性 2024/5/22 周三5可编辑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。2024/5/22 周三6可编辑理解设计应用中的某些折衷 G/T：要求的品质因数C/No：载波功率/噪声功率谱密度EIRP：有效全向辐射功率（s：卫星）卫星上发射功率和天线增益有关Lp：传播损耗，正比于路径的平方Lm：设计余量，对抗其余衰减K：玻尔兹曼常数2024/5/22 周三7可编辑3.1.2 国际规定和技术限制1.国际规定比如频带、功率等限制，不能对地面无线通信造成干扰2.技术限制比如平台载荷能力、最大发射功率、天线尺寸等2024/5/22 周三8可编辑3.1.3 地球站技术近期发展趋向关键技术：n回波控制技术；n语音编码和视频压缩技术；n天线技术：控制副瓣电平；n设备小型化：超大规模集成电路（VLSI）技术2024/5/22 周三9可编辑3.1.4 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 2024/5/22 周三10可编辑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n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 GT天线最大增益方向上的增益（主瓣）之所以称为有效全向辐射功率，是相对于定向天线而言的。PS：1W的PT提供给定向天线得到的效果相当于采用全向天线时，馈源口采用 ETRP（W）的效果。单位：dBW、dBm2024/5/22 周三11可编辑例：2kW的高功放和一个20m的卡塞格伦天线，在14.25GHz时，它的发射天线增益为66.82dB。高功放到天线馈源口的损耗为1dB，则地球站的EIRP值为：n EIRP=33+66.82 1=98.82 dBW 有效全向辐射功率(EIRP)的定义和计算注：dBW、dBm绝对的功率值 dBi（相对全向天线）、dBd（相对偶极子天线）增益相对值（两者相差2.15）dBc功率相对值 dB相对值天线增益与f有关的连接线导致损耗的存在利用dB计算时，除法变为加法2024/5/22 周三12可编辑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，参量T是接收机内部噪声温度。2024/5/22 周三13可编辑1、通信系统中的噪声 通信系统中有关噪声的论述是基于白噪声的噪声形式，它的功率谱密度在很大的频率范围内是平滑的。2024/5/22 周三14可编辑在电子通信系统中，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:（双边功率谱密度）噪声源输出的噪声功率为Ts：噪声源等效噪声温度2024/5/22 周三15可编辑2、放大器的噪声温度和噪声系数 系统噪声温度：噪声系数:输入噪声源系统内部等效噪声2024/5/22 周三16可编辑PS：推导过程：(1)噪声温度N=G*Ns+Nn=G*KTsB+Nn=GKB(Ts+Nn/GKB)=GKB(Ts+Te)Te=Nn/GKB等效输入噪声温度 此时，对一个有内部噪声的放大器，其输入端总的等效噪声温度为Te+Ts=T(2)噪声系数定义1 假定输入端的噪声温度为T0，则F=1定义2 Ts=T0时，输入信噪比与输出信噪比的比值G、NnNsN系统输出噪声功率无内部噪声时的输出噪声功率F=1+Pi/NiPo/NoTeTo所以，Te=（F-1）To2024/5/22 周三17可编辑放大器级联噪声温度 图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统 在M1输出端噪声功率：N1=G1KB(Ts+Te1)在M2输出端噪声功率：N=N12+N2=G2G1KB(Ts+Te1)+G2KBTe2 =G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1)N1经过M2放大M2内部噪声整个系统：N=G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1)G=G1*G2 Te=Te1+Te2/G1 F=1+=1+=1+=F1+TeToTe1+Te2/G1ToTe1ToTe2/ToG1F2-1G12024/5/22 周三18可编辑n个系统噪声温度：n个系统级联时的噪声系数 2024/5/22 周三19可编辑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 无源器件（双工器、馈线）通常用功率的损耗L表示其特性 G=1/L。经此类器件后，载波噪声比发生L倍衰减（载波功率衰减L倍，而噪声功率谱密度和带宽均无变化）。L*=即 L*=则 L=1+=F CoNoGNiCi/L(KToB+KTeB)/LCiKToBTeToPS:无源器件内部虽然无噪声，但是其损耗却带来了和噪声相同的效果理解：无源器件只对载波功率进行衰减而不影响噪声功率 Te实际是不存在的，也就是无源器件无内部噪声，Te只是反 映损耗造成的影响。2024/5/22 周三20可编辑天线噪声温度 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：天线俯仰角天线方位角天线在该方向的增益函数在该方向的照亮温度2024/5/22 周三21可编辑系统总噪声温度 图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端 天线系统接收机源后级等效2024/5/22 周三22可编辑几点结论天线增益越高、连接波导损耗越低，G/T值就越高，因而下行载波噪声比也越高。LNA的等效噪声温度越低，G/T值越高。另外，它的增益必须足够大，以降低后面电路对噪声的影响。G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关。2024/5/22 周三23可编辑PS:对“G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关”说明（1）以LNA前为参考点：G=GA/L1 T=Ts+Te=TA/L1+(L1-1)To/L1+Te2+Te3/G2 则 G/T=GA/TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2（2）以天线后为参考点：G=GA T=Ts+Te=TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2 则 G/T=GA/TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2 综上两种情况：G、T的具体值不同，但是G/T却是相同的。2024/5/22 周三24可编辑例：地面站在11.95GHz处接收天线增益为65.53dB,TA=60K,波导损耗为0.3dB（L1=100.03=1.072）,LNA的等效噪声温度为Te2=150K，LNA增益为G2=60dB,下变频器噪声温度Te3=11*103K，假定环境T=290K，求G/T（相处或想减单位）解：以LNA前为参考点 T=Ts+Te=TA/L1+(L1-1)To/L1+Te2+Te3/G2=225.5K 10logT=23.53dBK G=65.53-0.3=65.23dB 所以，（G/T）dB=65.23-23.53=41.7(dB/K)2024/5/22 周三25可编辑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。（天伺馈系统）2024/5/22 周三26可编辑天线基础和辐射方向性图3-8 天线辐射方向性图 2024/5/22 周三27可编辑天线主要特性参量 1.天线的半功率点波束宽度 2.天线方向性：某方向的信号功率强度/平均功率3.效率：1-能量损失，抛物面天线50%70%，喇叭口天线90%4.增益函数：效率方向性 hp=N/D N-与电磁场分布相关的常数，-波长，D-天线口径D(,)=P（，）/Pav -俯仰角（0-180），-方位角（0-360）P(，)-某个方向上的功率强度（从该方向上单位立体角辐射的功率）Pav-平均功率（PT/4R2）球的立体角是4G(,)=*D(,)最大值称为天线增益 G=4A/2 其中A-天线面积，-信号波长图3-9 天线增益G与半功率点波束宽度hp的关系,孔径效率 60%2024/5/22 周三哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)通信工程系通信工程系282024/5/22 周三29可编辑3.3.2 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。要求：高增益、低副瓣、噪声尽可能小2024/5/22 周三30可编辑(1)轴对称结构图3-10 喇叭抛物面天线结构图 结构：主焦点馈源+抛物面反射器优点：结构简单缺点：热噪声较大原因：喇叭口对准地面，温度高；馈线较长。OMT：正交模式耦合器收发分离2024/5/22 周三31可编辑正焦天线实物图图3-11 卡塞格伦天线结构图 结构：馈源+抛物面主反射器+双曲面副反射器优点：热噪声低2024/5/22 周三哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)通信工程系通信工程系322024/5/22 周三33可编辑卡塞格伦天线实物图2024/5/22 周三34可编辑(2)非轴对称结构(偏馈天线)图3-13 非轴对称(偏馈)天线结构图 2024/5/22 周三35可编辑非轴对称(偏馈)天线实物图 2024/5/22 周三36可编辑3.天线安装天线安装结构图:(a)方位角仰角装置；(b)XY轴装置 2024/5/22 周三37可编辑3.3.3 馈源系统照射主反射器收发隔离双极化分离和组合为卫星跟踪系统提供误差信号2024/5/22 周三38可编辑3.3.4 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：S hp/N 一天内地球站观察到的最大卫星漂移半功率点波束宽度与应用要求有关的常数2024/5/22 周三39可编辑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：1.卫星搜索 2.自动跟踪 3.手工跟踪 4.程序跟踪 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 固定幅度和频点2024/5/22 周三哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)通信工程系通信工程系402024/5/22 周三41可编辑自动跟踪系统 1 步进跟踪系统：设计简单；精度低 2 单脉冲跟踪技术：精度高；但要求有两个信道的相关接收机，复杂3 智能跟踪：上述两者的优点2024/5/22 周三42可编辑3.4 射频(RF)分系统 3.4.1 发送设备1.HPAn包括固态功率放大器（SSPA，用于小型地球站）和行波管放大器（TWTA，用于大型地球站）两大类2.上变频器2024/5/22 周三43可编辑3.4 射频(RF)分系统 3.4.2 接收设备1.LNA2.下变频器2024/5/22 周三44可编辑3.4 射频(RF)分系统所谓的频率合成器，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。3.4.3 频率合成器2024/5/22 周三45锁相环的构成及基本原理三个基本部分构成一个负反馈环:2024/5/22 周三46锁定状态示意图未锁定锁定2024/5/22 周三47可编辑锁相环的典型应用1、锁相倍频 在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路。如下图所示：i(t)PDPD LFLFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：式中N为分频器的倍频比。2024/5/22 周三48可编辑2、锁相分频：在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路。如下图所示：i(t)PDPD LFLFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)当环路锁定时：当环路锁定时：式中N为倍频器的倍频次数。2024/5/22 周三49可编辑3、锁相混频器 设混频器的本振信号频率为L，在Lo时混频器的输出频率为（L-o），经差频放大器后加到鉴相器上。当环路锁定时 o(t)i(t)L(t)PDPD LFLFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混频混频差频放大差频放大2024/5/22 周三50可编辑4、频率合成器 频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。锁相环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频率纯度，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。(1)锁相式单环频率合成器：当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：即：当N改变时，输出信号频率相应为fi 的整数倍变化。PDPD LFLFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M2024/5/22 周三51可编辑 环C(2)三环式频率合成器已知：已知：求输出信号频率范围及频率间隔 环A环BPDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLFLFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频 带通带通fo(t)fc(t)fo-fB2024/5/22 周三52解：解：而而 而环路而环路C为混频环，为混频环，即当环路锁定时：即当环路锁定时：有有 当NA=300，NB=351时，当NA=301，NB=351时，因此频率间隔：PDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLFLFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频带通带通fo(t)fc(t)fo-fB而当而当 =399，=397时输出频率最高。时输出频率最高。所 以，合 成 器 的 频 率 范 围 为：（35.440.099）MHz图3-33 (a)发送频率合成器原理图 2024/5/22 周三哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)通信工程系通信工程系56图3-33 (b)接收频率合成器原理图 2024/5/22 周三哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)通信工程系通信工程系57