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第五章 星载和地球站设备 高功率放大器（HPA） 卫星通信系统中通常采用的HPA有三种类型：行波管放大器（TWTA），速调管放大器（KPA，Klystron power amplifier）和固态功率放大器（SSPA，Solid state power amplifier）。不同频段时三种放大器的输出功率如图所示： 低噪声放大器（LNA） 低噪声放大器（LNA）的最重要指标是内部噪声的大小，用等效噪声温度来量度。LNA的性能在很大程度上决定了整个接收系统的等效噪声温度。 参量放大器、致冷和常温的砷化镓场效放大器三种商用LNA 5.2星载转发器 转发器 通信卫星上的核心是转发器，它接收来自地面的无线电波，经过放大后，变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。 它由输入设备、调制设备、本振设备、放大设备和发射设备组成，是直接承担通信任务的系统，可以转发两地或多地的电报、电话、数据、传真、电视、广播等，是一个功能强大、结构复杂的多面手。 转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大，所以转发器的数量是衡量卫星先进与否的重要标志。 星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在1000~3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在3000~7000瓦之间的卫星是大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000瓦以上的是超大容量通信卫星。 目前最大的通信卫星平台上可装150个转发器。东方红三号有24个C波段转发器，6个电视和18个通信传输信道，可传输6套彩色电视接，节目和15000路电话或电报、传真、数据信号，工作寿命为8年。 弯管式转发器 是相对于数字处理转发器而言的。它仅完成对信号的放大和将上行频率变换为下行频率。 下图给出了弯管式转发器方框图。 为了提高星载转发器的可靠性，一些容易失效的模块或部件都有冗余配置。因此，星上除了通信设备及其冗余部分外，还有各种切换开关。 为了使卫星转发器能为特定的服务区提供服务，天线应指向服务区，而且希望以服务区的形状而赋形。 天线 1、单级或双级线状天线：主要用于TTC全向天线。 2、喇叭天线：用于全球波束，信标天线。 3、反射面天线：用于区域波束或点波束；多馈源赋形。 抛物面反射型天线： 1）中心馈源的抛物面天线：馈源喇叭位于抛物面的交点处 2）馈源偏置的抛物面天线。 4、全球波束天线 点波束天线 赋形波束天线 全球波束天线 波束的半功率宽度约等于17.4°,覆盖卫星对地球的整个视区 –一般由圆锥喇叭天线加上45°的反射板组成 点波束天线 –覆盖面积小，一般为圆形，半功率宽度几度 –天线通常为前馈抛物面天线，馈源为喇叭 赋形波束天线 可通过修改反射器形状来实现 也可利用多个馈源从不同方向经反射器产生多波束的组合 5、相控阵列天线和多波束天线 阵列天线 相控阵列天线由多个独立的阵列单元组成，各单元由功率接近和相位特定的信号驱动，以得到所需的特性。通过对激励信号功率和相位的控制，可以在阵列天线不作任何物理移动的情况下，移动波束的位置和完成不问的天线赋形。 多波束天线 星载多波束天线的应用是多方面的。比如，跟踪与数据中继卫星用于跟踪不同的低轨用户星；对地面特定的“点”(小的高业务密度地区)进行覆盖；对地面形成蜂窝覆盖，以支持小型移动终端的接入。多波束天线可以采用多个馈源和同一反射面天线组成，但更多的是相控两列天线。 数字处理转发器 星载数字处理转发器在将接收的上行信号向地球站转发之前要进行数字信号处理。包括时分或分组信道的交换。窄带信道的选择和路由，FEC数据流的解码和再编码等，其目的是便于下行链路的最佳传输。这些处理技术涉及到高速A/D转换、快速傅氏变换、数字滤波、高速数据的缓存和编解码等。应用实例： 解调-再调制转发器 星上交换的TDMA转发器 星载路由器 星载电源 太阳能电池的安装有体装式和展开式两类。 5.3 通信地球站设备 本书讨论的地球站设备主要包括RF终端、调制与解调器、基带与控制设备以及用户接口，如图所示。 对于每个固定地球站设备，还必须有可靠的电源供给和保持电气性能所需的温度和湿度。 地球站的末端是与地面某种类型设备相连接的接口。地面线路可以是光缆或者微波线路，将业务延伸到相应得业务点。 地球站一般都设置有本地或远端的监视和控制设备，以便于对地球站的操作和管理。 不同类型的地球站其监视和控制设备的复杂程度不一样，但总体来说都主要具有三方面的功能： 为工作人员提供一个集中监视、告警和控制的平台，将分散监视点的数据和各类告警信号集中的操作台，还可以有存储和打印监视数据的外围设备，并为操作人员提供启闭设备、切换传输路径等功能。 向网络控制中心提供地球站的传输和业务质量