卫星通信地面站详解[分享]

jack_w1980

                                   卫星通信地面站

任何一条卫星通信线路都包括发端和收端地面站、上行和下行线路以及通信卫星转发器。可见，地面站是卫星通信系统中的一个重要组成部分。

地面站的分类

地面站的基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号。根据卫星通信系统的性质和用途的不同，可有不同形式的地面站。如：按站址的固定与否、G/T值的大小、用途、天线口径以及传输信号的特征等多种方法来分类。

1） 按站址特征分类：可分为固定站、移动站（如舰载站、机载站和车载站等）、可拆卸站（短时间能拆卸转移地点的站）。在固定站中又可分为大型标准站和小型非标准站，前者多用于国际通信和国内大城市间的通信，而后者多用于国内中、小城市或军事通信；移动式地面站特别是车载站，由于它机动灵活，在军事通信中有广泛的应用。

2） 按G/T值分类：地面站性能指数G/T值是反映地面站接收系统的一项重要技术性能指标。其中G为接收天线增益，T为表示接收系统噪声性能的等效噪声温度。G/T值越大，说明地面站接收系统的性能越好。

3） 按用途分类：可分为民用、军用、广播、航海、实验等地面站。

4） 按天线口径分类：可分为1米站、5米站、10米站以及30米站等等。

5） 按传输信号的特征分类：可分为模拟通信站和数字通信站。

对地面站电气性能的基本要求

1、工作频率范围

这是指地面站的射频工作范围。如：工作在6/4GHz的卫星地面站，在FDMA（频分多址）系统中，应在5.925～6.425GHz的上行频率范围内，按系统的分配选取其中一个或若干个频率作为本站的上行发射频率；而在3.700～4.200的上地频率范围内，根据通信需要，接收卫星转发的一个或若干个射频信号。此外，还应考虑必要时载频的更换。用于TDMA（时分多址）的地面站，因所有站的射频相同，只需满足通信信道的频带要求（取决于系统的信号传输速率）即可。

2、性能指数G/T值

卫星转发器的功率由于受到各种因素的限制还不能任意加大的情况下，对地面站的G/T值就要求比较高了。为此一方面要使地面天线有足够大的增益G，另一方面要求整个接收系统引入的噪声（通常以系统的噪声温度T表示）应尽可能地小。G/T值代表了接收地面站的性能，故称为地面站性能指数。

3、有效全向辐射功率（EIRP）及其稳定度

地面站天线的增益与馈入功率之乘积称为有效全向辐射功率。其含义是：为了保持同一接收点的接收电平不变，用无方向性天线代替原有方向性天线时所应馈入的等效功率。EIRP是表征地面站发射能力的一项重要指标。这一指标数值越大，樗着地面站的发射能力越强。对于地面站来说，还要求其发射功率非常稳定，即EIRP不能有大幅度变动，否则影响系统的通信质量。为此要求EIRP  额定值的变化量不超过＋/－0.5dB。

5、射频能量的扩散

当传输电话信号时，要求轻负荷时的射频能量不超过规定值，以减小交调噪声干扰。

6、干扰波辐射

由地面站产生的干扰波，会对其它地面站和地面微波通信系统造成干扰。因此，对于多载波工作所的引起的交调分量应濒于2dBW/4KHz，总的带外辐射应小于4dBW/4KHz。

地面站的组成和各分系统简介

在各种卫星通信系统中所用的地面站是多种多样的，而一个典型的双工地面站设备应当包括信道终端分系统、大功率发射分系统、高灵敏度接收分系统、天线馈电分系统、伺服跟踪分系统、电源分系统以及监控分系统等部分。

1、  信道终端分系统

信道终端分系统中发端设备的作用是对基带信号进行惹事处理，并对中频（如70MHz）进行调制；收端设备的作用与上述过程相反。

信道终端设备，按其处理信号开工的不同可分为模拟制信道终端设备和数字式信道终端设备；按通信业务可分为电视、电话、数据等信道终端设备。



各单元功能如下：电话基带处理单元的作用是将发终端送来的频分复用基带信号进行处理，即进行予加重、自动增益控制、峰值限幅、加入能量扩散信号和加入导频信号等；频率调制器单元的作用是用基带处理单元输出的信号对70MHz的中频调频信号；中频放大单元的作用是放大中频调频信号，并对幅频特性和群时延特性进行一定的均衡。

2、发射分系统

在标准地面站中，需要向卫星发射几百瓦以至十几千瓦的大功率微波信号。为了实现多址通信，还常常向其它地面站同时发射数个载波。因此，地面站应能在高电压、大功率、宽频带和多载波的情况下工作。此系统包括上变频器、自动功率控制器、发射波合成器、激励器和大功率放大器等部分。

从发终端送来的中频宽带调频信号经上变频器（一般采用参量变频器）变换成微波信号。上变频器的所用的本机振荡频率由本振（又叫泵源）产生，本振一般采用晶振锁相倍频的方法，以产生频率稳定度很高的微波振荡频率。  

卫星通信工作频段及电波传播特点

工作频段选择

卫星通信选用的工作频段会直接影响系统的传输容量，影响地面站和转发器的发射功率、天线尺寸以及通信质量。选择工作频段的主要原则是：1）电波传输损耗要小2）天线系统接收的外部噪声要小3）有较宽的频带以满足通信容量需求4）与其它通信、雷达等电子系统间的干扰要小5）能充分利用现有的通信技术。

目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：

UHF  波段――――400、200MHz

L     波段――――1.6/1.5GHz

C     波段――――6.0/4.0GHz

X     波段――――8.0/7.0GHz

K     波段――――14.0/12.0;14.0/11.0;30/20GHz

传播损耗：无线电波在自由空间传播时，不会产生反射、折射、散射和吸收等现象，其总能量并不会被损耗。但是，电波在自由空间传播，其能量密度会因扩散而衰减，这衰减称为自由空间传播损耗，用符号Ls表示。

通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成。通信系统的基本任务是传输和交换含有信息的信号。卫星通信由于具有广播和大面积覆盖的特点，因此特别适用于多个站之间的同时通信，即多址通信。多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地面站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信联接，即“多址联接”。

信道的多路复用和多址联接方式都是利用一条信道同时传输多个信号，但两种信道复用的不同点在于：多路复用是群频（即基带）信道的复用；而多址通信则是射频信道的复用。

1）频分多址（FDMA）方式：是按频率高低不同，把各地面站发射的信号，排列在卫星工作频带内的某个位置上，类似于收音机中各个电台频率的排列。

频分复用：常采用单边带频分复用制（SSB、FDM），把各话路的频谱搬移到基带的不同位置上，组成一个各话路频带按频率高低排列的基带信号。

调频：要传输上述基带信号，必须先把它调制到射频载波上去。

多址联接：建立频分多址通信，可采用两种方法：第一种方法是每个地面站向其它各地面站均分别发射一个不同频率的载波。如果有n个地面站，则每个地面站发向卫星的载波数为（n-1）个，n个地面站同时发向卫星的载波数将为

n(n-1)个，因此，发射地面站和转发器的功率放大器会因非线性而产生较严重的交调噪声。所以，只有地面站数目不多时才会采用这种方式。另一种方法是把一个站要发送出去的所有话音信号全部经多路复用后再调制到一个载波上。当其它各地面站接收时，则是利用带通滤波器从解调后的群信号中只取出与本站有关的信号。这样，一个地面站只发射一个载波，卫星转发器的载波数目将明显地减少。

2）时分多址方式（TDMA）：就是各地面站发射的信号在通过转发器时是按时间排列的，即各站信号所占时隙互不重迭。由于这种方式是按时间分割信号的，因而分给每一地面站的不再是规定的载波频率，而是一个指定的时隙。换句话说，各地站的信号只是在规定的时隙内通过转发器。因此，任何时间都只有一个地面站的载波通过转发器。
多址方式：
   
频分多址
1） 各站发射的载波所占频带互不重叠。

2） 名载波的包络恒定

3） 转发器工作于多载波
  识别方法：滤波器
  优点：可沿用地面微波通信的成熟技术和设备；不需要网同步。
  缺点：有互调噪声，不能充分利用卫星功率和频带；上行频率、功率要监控
  适用场合：大、中、小容量线路

时分多址
1） 各站的突发信号所占时隙互不重叠。

2） 转发器工作于单载波
识别方法：时间选通门
优点：没有互调问题，卫星的功率与频带能充分利用；上行功率不需严格控制；便于大、小站兼容，站多时通信容量较大。
缺点：需要精确网同步，低业务量用户需相同的EIRP。
适用场合：大、中容量线路

空分多址

1） 各站发射的信号只进入该站所属通信区域中。

2） 可实现频率多重复用。

3） 转发器成为空中交换机。
识别方法：窄波束天线
优点：可提高卫星频带利用率，增加转发器容量或降低对地面站的要求。
缺点：对卫星控制技术要求严格，星上设备复杂，需要交换设备。
适用场合：大容量线路

码分多址
1） 各站使用不同的地址码进行扩展频谱调制。

2） 各载波包络恒定，在时域和频域均互相混合。
识别方法：相关器
优点：抗干扰能力强，信号功率谱密度低，隐蔽性好，不需要网定时，使用灵活。
缺点：频带利用率低，通信容量较小；地址码选择较难；接收时地址码捕获时间较长。
适用场合：军事通信小容量线路。VSAT和移动卫星通信系统。