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卫星转发器和天线
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卫星转发器和天线
作者：&&&&文章来源：本站原创&&&&点击数：&&&&更新时间：&&&&
　　在构成同步通信卫星的各部分中，其他部分都属于通信卫星的伺服系统。通信部分和天线系统才是真正实现卫星通信的主体。３
一、卫星转发器
　　卫星转发器作为空间中继站，具有很强的转发广播电视信号的能力。它是一部高灵敏度、宽频带和大（中）功率的收发信机，以最低附加噪声和失真来放大、变频及转发广播电视信号。转发器性能的好坏是决定卫星广播电视质量的关键。
　　转发器有两种方式。最常用的是高频直接变换方式（一次变频方式）；还有一种是中频变换方式（二次变频方式）。如下图所示：&　　一次变频方式是转发器将星上天线接收的上行信号６ＧＨｚ&（５９２５～６４２５ＭＨｚ），（Ｃ波段）经环行器，收发分离器输出至低噪声放大器进行宽频放大后，送变频器直接变换成４ＧＨｚ（３７００～４２００ＭＨｚ）（Ｃ波段）的下行信号，最后经行波管放大器进行功率放大，由星上天线向地球转发。 　　二次变频方式的转发器将星上天线接收的上行信号６ＧＨｚ（Ｃ波段）低噪放大后，然后进行下变频，将上行信号变为中频信号，中频信号经放大后，再进行上变频（４ＧＨｚ）经功放由星上天线向地球转发。 　　一次变频比二次变频少一次变频，线路简单，但是由于工作频率高，对元器件要求高，但通信容量大，在现代大容量通信卫星和广播卫星中得到广泛应用。二次变频方式电路工作在中频，对元器件要求不高，易实现高增益放大，容易实现ＡＧＣ（自动增益）控制，可以有效利用卫星功率。 　　另外，还有一种叫做处理转发器，其除了进行频率变换信号转发外，还具有信号处理功能。上行信号经过放大、变频后，解调出基带信号（编者注：即电视信号），转发器对基带信号进行处理后，再进行上变频、功率放大后进行转发。由于上行信号在转发器上进行解调，尤其对于数字信号，进行数字信号再生，可以滤除上行链路的噪声，避免噪声叠加积累。 　　卫星转发器的参数主要有ＥＩＲＰ、ＳＦＤ和Ｇ／Ｔ。
　　ＥＩＲＰ称为等效全向辐射功率，它代表卫星发射系统的发射能力，其值等于天线所发射的功率与该天线增益的乘积，它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率。它是全向辐射时在这个方向上所辐射的功率的Ｇ（天线的增益）倍。名称上“等效”也就是这个含义。它通常由卫星公司提供，在进行地面卫星接收计算链路时使用。　　有时候卫星公司还提供ＳＦＤ饱和通量密度这个参数，即上行载波将转发器推到饱和时，在接收天线口面所达到的通量密度。换句话说，就是为使卫星转发器单载波饱和工作，在其接收天线的单位有效面积应输入的功率。　　Ｇ／Ｔ值为转发器的接收天线增益与接收系统噪声温度Ｔ的比值。Ｇ／Ｔ值又称卫星转发器接收系统的品质因数或优值，其决定了卫星接收系统的性能，卫星接收天线的增益越高，系统噪声越低，其接收系统性能质量越好。通常卫星收发共用一面天线，有的卫星使用收、发两面天线。　　（注：若卫星向地面幅射为多波束时，卫星便会有多面天线）　　广播电视卫星通常工作于６／４ＧＨｚ的Ｃ波段和１４／１２ＧＨｚ的Ｋｕ波段，Ｋｕ波段的ＥＩＲＰ高，同等工作条件下可用较小的天线接收，但雨衰较严重。
二、卫星天线&
　　通信卫星上设置有专门的姿态调整系统和消除旋转的系统使卫星天线能始终保持其指向对准地面的某一点，指向精度在0.3度以内。　　根据通信业务的需要，卫星天线有以下几种形式：
　１）全球波束天线：全球波束天线的波束设计成覆盖全球大多数地面的形状，运用于国际通信卫星进行全球的卫星转播和通信。
　２）半球波束天线：由于地球上一大部分是海洋，只有极少的用户，所以，利用半球波束天线，可以将卫星的辐射功率集中在大陆地区。
　３）区域波束天线：专门为某一国家或地区服务的通信卫星可以采用区域波束天线，覆盖特有的服务区。
　　我国国内的通信卫星可以采用“赋形波束”天线，对天线的反射器和馈源进行特殊设计，使波束所覆盖的区域与我国的版图形状相吻合，充分利用宝贵的转发器功率资源，使全国各地地面站都可以收到较强的卫星广播信号。　　“赋形波束”天线和转发器功率确定后，全国地面的等效全向辐射功率分布图应被确定。　　波束中心所照射的区域等效全向辐射功率最大、最边远地区的等效全向辐射功率比中心略小。在建设卫星接收地面站的设计中，必须根据当地的等效全向辐射功率值进行设计计算。
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某接收机前端两级的增益，噪声系数如图2．23所示，带宽为B=30kFHz。其天线等效噪声温度Ta=250K，各级
悬赏：0&答案豆
提问人：匿名网友
发布时间：
某接收机前端两级的增益，噪声系数如图2．23所示，带宽为B=30kFHz。其天线等效噪声温度Ta=250K，各级间相匹配，且输入，输出阻抗均为500。求： (1)为获得输出信噪比(SNR)omin=20dB，接收机的最小输入电平Pi,min为多少？ (2)若要求输出电压Vo=1mV，问第二级的功率增益GP2至少多大？请帮忙给出正确答案和分析，谢谢！
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卫星链路预算初步通俗解析（中）
2 有关链路预算的几个重要概念及公式 由于公式是死的，带入公式进行数学计算的过程毕竟是一个简单的过程，关键是对带入的各项式有关概念的理解及灵活掌握，这才是最应掌握的。输入功率为PsG的全向辐射器也可以产生同样大小的通量密度，故PsG就是有效全向辐射功率，即： EIRP=PsG 通常EIRP用dB表示，即[EIRP]=[Ps]+[G] dBW同样如用PE代表地面站天线馈源口的发射功率，G来表示发射天线增益，则EIRP的表达式同上是一样的，表示了地面站发射系统的能力。2.1.2 G/T G为天线增益，T为卫星接收系统的噪声温度，单位为dB/K 。• 品质因数G/T是指接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比；• G/T反映了接收系统的质量；• 表征了卫星对接收不同地理位置的信号的放大能力； • G/T在链路预算中的主要作用是求上行载噪比；• G/T和SFD反映卫星接收系统的性能，也就是与地面发射站有关；• 地面站接收天线增益对接收系统噪声温度的比，也同样用G/T表示，其主要作用是求下行载噪比。2.1.3 SFD SFD（单载波输入饱和通量密度）单位为 dBW/ 。• 含义：为使卫星转发器处于单载波饱和状态工作，在其接收天线的单位有效面积上应输入的功率；• 由于卫星覆盖区域不同，SFD表征了卫星对不同地理位置的信号接收的饱和程度，它也有与G/T基本相同的覆盖图；• SFD在链路预算中的主要作用是求发射站的上行全向辐射功率，进而不断调配，计算得出发射站天线口径和功放大小；• SFD的标称值不仅和衰减档有关，实际上还和G/T值有关。如无特别指明，SFD值是指其在G/T=0dB/K时的值。2.4 等效噪声温度考虑到卫星通信线路中噪声的多样性，为便于分析计算，将所有噪声都归结等效为热噪声来处理，即等效噪声温度。等效噪声功率PN计算公式同上。噪声等效带宽总是大于由幅频曲线定义的-3dB带宽（B-3dB），一般经验值是噪声带宽等于-3dB带宽的1.12倍。2.5 天线噪声地面站天线噪声主要包括两大部分：天线损耗引起的噪声和天空噪声。天空噪声可涵盖的范围较广，如包括太阳系噪声、宇宙（银河系）噪声、大气噪声及降雨噪声和来自于地面的噪声等。天线噪声温度与工作频率、天线的性能、仰角、气候的好坏密切相关，与天线口径的大小关系极小。当地面站仰角过低时，天线噪声温度会急剧增加，故C频段地面站选址时天线仰角不得低于5°，Ku频段地面站天线仰角不得低于10°，链路预算时应特别注意。Pa是在频率带宽Bn范围内，天线在匹配条件下所接收到（包括本身）的噪声功率。可见Ta并不是指天线本身的物理温度，而是指等效噪声温度。如地面站天线的物理温度可以是300K，但其Ta却可以是30K。T0：室温，通常被认为是290K；LF：吸收网络的损耗。室温下有耗网络的噪声系数等于该网络的功率损耗，即F=L。噪声温度及噪声系数是放大器噪声的两种表示方法。在卫星接收系统中，一般噪声温度规定C-BAND低噪声放大器，单位为K；而噪声系数一般用于规定Ku-BAND低噪声放大器及接收机单元，单位为dB。二者之间的换算按2.6中公式，注意要将F换算成真值带入式中。2.7 全系统噪声温度图3为一个典型的接收系统示意图。
图3 接收系统连接图
以低噪声放大器的输入端作为参考点，由此点所得的整个系统的噪声温度为：一般高频头的增益在60dB，即106，可见后面各级（如线缆、接收机或解调器）噪声对整个系统的噪声温度影响很小，可忽略不计，即整个系统的等效噪声温度由前级来决定。这也是为什么LNA（LNB）总是与抛物面天线紧密相连的原因，目的就是尽量减小二者之间由波导带来的传输损耗，防止噪声温度的增加。接收站的系统噪声温度大致（忽略了馈线的噪声温度）为：由上可见，接收天线增益越高、连接低噪放的波导损耗越低、同时低噪放的噪声温度越低，G/T值越高，接收卫星下行信号的载噪比就越高。因此在卫星信号调制方式及功率已固定的前提下，如欲提高接收信号质量，要么更换更大的天线、要么更换噪声温度更低的低噪放，别无它法。实际操作中一般是通过更换天线的方法来提高信号质量，这是由于目前接收站配置的低噪放一般噪声温度都比较低，差异不大，更换低噪放不如换大点的天线对接收改善得更明显。卫星上的天线和接收机的等效噪声温度一般分别在二、三百K的数量级，总的系统噪声温度大约在500K左右。链路计算中，通常C波段地面接收系统噪声温度一般取100K，Ku波段取120~150K。2.8 转发器输入回退（IBO）和输出回退（OBO）卫星转发器的功放级多采用行波管放大器(TWTA)，这种放大器在最大输出功率点附近的输出/输入关系曲线呈现非线性特性，如图4所示。
图4 TWTA特性
当多载波工作于同一个转发器时，为了避免由于非线性产生的交调干扰，必须控制转发器不能输出功率过大以致进入非线性区。转发器一定要回退一定数值，数值多少以使放大器工作在线性状态为准，但此时，整个转发器的输出功率将远低于最大功率。为了减小这种损失，有的转发器配置有线性化器以改善放大器的非线性。带线性化器的转发器，输入回退一般是6dB，输出是3dB；如不带线性化器，则输入回退一般是9dB，输出是4.5dB。一个载波占用整个转发器不需要回退，即IBO及OBO为0dB。同卫星转发器一样，如地面站同一个功放发射多个载波，同样也需要回退一定dB。 2.9 载波回退（CBO）多载波共用同一个转发器，各个载波不仅先要按转发器多载波要求进行回退，而且还要按照各自租用带宽的多少，按照比例相应进行回退，即载波回退。载波回退值公式：CBOC ：载波的输出回退值；BWTXP ：转发器带宽；BWC：载波租用带宽。2.10 载波输入回退（CIBO）和载波输出回退（COBO） 载波输入回退和输出回退将分别被用于计算载波的上、下行EIRP。载波输入回退CIBO=载波回退CBO+转发器输入回退IBO。 载波输出回退COBO=载波回退CBO+转发器输出回退OBO。 如转发器只有一个全频带载波，则CIBO=COBO=0dB，即无需回退。2.11 载波带宽 2.11.1 符号速率前向纠错(FEC)编码率通常为：1/2、2/3、3/4、5/6和7/8；Reed-Solomon编码率常用：188/204，如无则RS=1；BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、32APSK及64QAM的调制因子分别为1、2、3、4、5、6。2.11.2 载波噪声带宽 载波噪声带宽是一个重要概念，在链路预算中要经常用到此带宽计算有关数值，特别是计算C/T与C/N的相互变换，及Eb/N0与C/N的的相互变换。实际计算中一般噪声带宽按如下公式计算Noise Bandwidth=符号速率×1.2 2.11.3 载波占用带宽 载波占用带宽表明了此载波实际占用卫星转发器资源的多少，一般定义为-26dB带宽，即载波从峰值向下26dB后所占的频谱宽度。工程时通过仪器测量此值，实际中一般通过计算获得：占用带宽Occupancy Bandwidth=符号速率×(1+滚降系数RollOff) 2.11.4 载波分配带宽 由于载波加大功率或功放饱和等原因将会导致载波带宽加大以致干扰到相邻载波，严重的还会导致相邻一个或多个载波业务中断。为了保护载波免于或少于被相邻载波干扰，或防止可能由于自身原因干扰其它载波，卫星公司分配频率带宽时，要在实际载波占用带宽的基础上加上一定的保护带宽，一般是载波分配带宽=占用带宽+保护带宽。保护带宽=占用帶宽的±2.5%或最大±200kHz。分配带宽一般采用计算值：Allocated Bandwidth=符号速率×(1+滚降系数+0.05)。如载波获分配的带宽位于转发器的边沿，保护带宽应考虑减半。部分用户强调其选用的调制器滚降系数为0.2或0.25，故其载波分配带宽可压缩到符号速率的1.25倍或1.3倍，但有时不被卫星操作者所接受，特别是带宽较小的载波（如小于1MHz带宽），为保护其载波少受干扰，滚降系数仍按通常的0.35计算。2.11.5 3dB带宽或10dB带宽载波从峰值向下3dB或10dB后所占的带宽宽度，称为3dB带宽或10dB带宽。注意：此3dB带宽（或10dB带宽）同卫星天线波束宽度的3dB带宽（或10dB带宽）虽然是字面相同，但是含义却是完全不同的两个概念。虽然都是载波由峰值下降3dB后进行测量的宽带，但单位却是一个是频率单位：MHz，一个是角度单位：度。2.11.6 载波功率等效带宽 卫星转发器频率带宽和功率是转发器的两个重要资源，二者都是有限的。平时常讲的是频率带宽，较少提到载波功率等效带宽。用户租用一定带宽，按照规定其只能使用相应频率带宽的功率，不允许超功率使用。如用户租用4MHz带宽却超功率使用3dB，则实际上其已经相当于发了一个8MHz带宽的载波。
（未完待续
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