卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（一）——卫星通信地球站及射频总体性能指标浅释

甘仲民

（解放军理工大学通信工程学院，南京，210007）

卫星讲座

卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（一）
——卫星通信地球站及射频总体性能指标浅释

甘仲民

（解放军理工大学通信工程学院，南京，210007）

卫星通信地球站射频收、发设备是地球站重要的组成部分，为了保证通信的可靠性和传输质量，对收、发设备给出了一系列技术性能指标要求，这些技术指标涉及诸多专业名词、术语、概念、定义等，弄清这些技术性能指标的内涵和意义，才能在设备产品采购、维护中把好关，在运行中保持良好的工作状态，充分发挥其效能。本讲座共分四讲，将较系统地对收、发设备各部分的技术性能指标逐一解释，着重定性说明，并辅以必要的数学分析，以帮助从事卫星和微波通信的工程技术人员理解和掌握该领域的技术知识，进而应用到实际工作中去。

射频设备，包括天线、接收机、发射机，是卫星通信地球站的重要组成部分，决定了通信链路的传输性能，为了保证好的通信质量、可靠性和电磁兼容性，对RF设备给出了严格的规定，构成了一整套技术指标体系，本讲座将阐明这些指标的定义和内涵，并给出案例。

卫星通信；地球站；射频设备；技术性能指标

1 卫星通信地球站的组成和各部分的作用

在卫星通信系统中，用户之间通过地球站以卫星为中继进行通信，一条完整的通信链路包括上行与下行链路，如图1所示。

图1 基本的卫星通信链路的构成

根据ITU-R的定义，链路（Link）是指在两点之间具有特定特征的远程通信方法。上行链路是指从地球站到卫星方向的无线电发射链路；下行链路是指由卫星到地球站方向的无线电发射链路。对于地球站来说，发射设备是属于上行链路的，而接收设备则属于下行链路。数字通信信号的容量（传输速率）和质量（误比特率），是由上、下行链路的信噪比综合决定的，与地球站天线口径的大小、发射功率和接收灵敏度密切相关。此外，为保证良好的电磁兼容性，一般上、下行链路使用不同的频段，其间有一定的间隔，使之在收、发设备中互不干扰。

在现代卫星通信系统中，还常遇到“空中接口”这一概念，其内涵是对通信信号波形规范化，目的是保证通信可靠进行及有效利用系统的通信资源。空中接口技术包括多址方式、频率和带宽、信道结构、调制方式、编码、定时和同步、双工方式、安全性等。其中，多址方式、频率和带宽等与地球站的射频设备密不可分。

卫星通信地球站是微波无线电收、发信台（站）。图2是典型的地球站组成框图，大体上可以分为：天线、馈线设备（大、中型站还有天线跟踪设备）、发射设备、接收设备、信道终端设备、电源等。

（1）天线、馈线设备。其基本作用是将来自发射射频信号变成定向（对准卫星）辐射的电磁波；同时收集卫星发来的电磁波，送到接收设备。通常，地球站的天线是收、发共用的，因此要有双工器。从双工器到收、发信机之间，有一定长度的馈线与之连接。

（2）发射设备。其主要任务是将已调制的中频（一般为70MHz或140MHz或 波段频率）信号变换为射频信号，并将功率放大到一定电平，经馈线送到天线向卫星发射。根据需要，功率放大器的输出功率可从数瓦至数百瓦，采用固态功放（SSPA）或行波管放大器（TWTA）或速调管放大器。

（3）接收设备。它的主要任务是把天线收集到的来自卫星转发的有用信号，经处理后，送给解调器。通常接收设备入口的信号电平极其微弱，为了减少接收机内部和外部噪声的干扰影响，提高灵敏度，接收设备必须使用低噪声微波前置放大器；为减少馈线损耗的影响，该放大器一般安装在天线上或附近。

图2 地球站组成的简化方框图

（4）信道终端设备。在发端，信道终端的基本任务是，将用户送来的消息加以处理，变成适合所采用的卫星通信体制要求的信号波形；在收端，则进行与发端相反的处理，使收到的信号恢复为原来的消息。

（5）天线跟踪及驱动装置。由于种种原因，静止卫星并非绝对“静止”，因此，地球站的天线必须经常校正自己的方位和仰角，保持对准卫星。其方式有手动跟踪和自动跟踪两种，前者是相隔一定时间对天线进行人工定位；后者是是利用一套电子、机电设备，使天线电轴对卫星进行自动跟踪。手动跟踪是各型地球站都具有的；自动跟踪则多用于大、中型地球站。

（6）电源。提供地球站各部分设备正常运行所需之电能，包括市电、发电机或蓄电池等。

2 地球站射频设备的性能指标

通常所说的地球站射频设备，包括天线馈电、发射和接收设备，空中接口中对射频的要求，是确定工作频带即所适用的某一或某几种微波频段；而整个射频设备，其电路工作频率涵盖从几十兆赫（MHz）中频至空中接口的微波、毫米波频段。为了提供用户所需要的通信传输能力（通常用传输速率表征）、通信质量、保证系统的电磁兼容性等，要规范射频设备的性能，就是说其总体和各分设备要达到规定的指标要求。这些指标要求条文甚多，涉及卫星通信物理层和微波领域的许多概念与知识。本讲座拟对其进行系统的诠释，以便于从事卫星通信地球站运作的工程技术人员理解和掌握这些指标体系，以有利于对地球站射频设备的维护、使用。

就总体而言，衡量地球站射频性能的主要技术指标有：工作频段，天线口径、极化方式、发射系统的等效全向辐射功率（EIRP）、接收系统的接收品质因数（G/T）等。

（1）工作频段。通常，对地静止通信卫星的有效载荷是具有多频段的；地球站应覆盖所链接的通信卫星某一或某几种工作频段，以便于系统对卫星频率资源的分配。一般，地球站是单频段工作的，如工作于C波段（上行5.925GHz～6.425GHz或5.825GHz～6.425GHz；下行3.7GHz～4.2GHz或3.625GHz～4.225GHz）的地球站，或Ku波段（上行14GHz～14.5GHz；下行11.7GHz～12.2GHz）地球站，或Ka波段（上行30GHz～31GHz；下行20.2GHz～21.2GHz）地球站。为了具有更大的适应性，或某些特殊用途（如军用），也有使用双频段（C，Ku或C，X或X，Ka）或多频段的地球站。在工作频段内，整机和各分机均应符合规定的指标要求。

（2）天线口径。工作于微波频段的地球站，为了获得高定向辐射、接收电磁波的能力，一般采用反射面型天线，如抛物面天线等，其尺寸常作为站型大小的标志。

（3）极化。地球站天线发射的电磁波，可用线极化或圆极化方式传播；接收来自卫星发射的电磁波，也有一定的极化方式。所谓极化，是指电磁波电场矢量末端轨迹曲线，如为直线，则便是线极化，其中又按电场方向与地表面平行或垂直分为水平或垂直极化；电场矢量末端轨迹曲线为圆形，则称为圆极化。从电磁波的传播方向看去，电场矢量是顺时针方向旋转画圆时称为右旋圆极化，若是逆时针的，便称为左旋圆极化。电磁场理论表明，相互正交（水平线极化与垂直线极化、右旋与左旋圆极化等）的极化波没有能量交换，即是相互隔离的，利用此特性可实现频率复用，如采用水平线极化和垂直线极化来使用同一微波频率，从而使通信容量加倍。地球站的极化方式要与卫星的相匹配，并根据需要设置为具有单极化或双极化的功能。关于极化方式，将在第二讲中进一步解释。

（4）等效全向辐射功率（EIRP）。将天线的定向辐射能力和地球站的发射机综合，用以表征地球站的发射能力，通常用分贝数（dBW）表示。具体定义和计算将在以后详及。

（5）接收品质因数（G/T）。接收系统的灵敏度，即接收微弱信号的能力，是由接收天线增益和系统的噪声温度综合决定的，通常用分贝数（dB/K）表示。具体定义和计算将在以后详及。

（6）偏轴辐射功率密度的限制。在地球卫星轨道中，对地静止轨道是惟一的，为了充分利用这一宝贵的轨道资源，又不致引起系统之间的相互干扰，ITU对卫星配置最小间隔做了严格的规定：C频段相邻卫星的轨道弧度间隔不能小于2°，Ku频段相邻卫星的轨道弧度间隔不能小于1°。相应地，对地球站偏离天线电轴（天线主波束最大辐射方向）的辐射强度也有明确的规定，以避免对邻星产生干扰，这在VSAT系统中是尤其需要注意的，因为其中的小站天线是小口径的，天线波束较宽，当辐射功率过高时，可能造成对邻星的干扰。实际上此问题在其他使用小型地球站的系统中也是存在的。为保证卫星通信系统间良好的电磁兼容性，ITU对固定业务卫星通信地球站的偏轴辐射功率密度也有明确的规定。

图3 地球站天线偏轴辐射可能造成对邻星的干扰

某VSAT系统中主站和小站（VSAT）的基本技术指标见表1。

表1 某VSAT系统中主站和小站（VSAT）的基本技术指标

3 ITU-R对固定业务卫星通信地球站的偏轴辐射功率密度的规定

（1）在6GHz频段，偏离天线主轴大于或等于2.5°时，在对地静止卫星轨道3°以内任何方向的偏轴EIRP密度不应超过下列限值：

有话音激活的SCPC/PSK电话系统：

偏轴角φ 最大EIRP(dBW/40kHz)

2.5°≤φ＜48° 45-25logφ

48°≤φ≤180° 3

除了上条以外的其他调制方式：

偏轴角φ 最大EIRP(dBW/40kHz)

2.5°≤φ＜7° 32-25logφ

7°＜φ≤9.2° 11

9.2°＜φ≤48° 35-25logφ

48°＜φ≤180° -7

（2）在14GHz频段，偏离天线主轴大于或等于2.5°时，在对地静止卫星轨道3°以内任何方向的偏轴EIRP密度不应超过下列限值：

偏轴角φ 最大EIRP(dBW/40kHz)

2.5°≤φ＜7° 33-25logφ

7°＜φ≤9.2° 12

9.2°＜φ≤48° 35-25logφ

48°＜φ≤180° -6

（3）VSAT的工作频率在分配给固定卫星业务（地对空）的频带之外，当偏轴角大于7°时，在每100kHz频带内，VSAT的轴外寄生EIRP应低于下列界限：

无载波（包括单收VSAT站）：

960MHz～10.7GHz 48dBpW

10.7GHz～21.2GHz 54dBpW

21.2GHz～40GHz 60dBpW

有载波，频率范围在载波±400MHz以外的收/发VSAT站：

960MHz～3.4GHz 49dBpW

3.4GHz～10.7GHz 54dBpW

10.7GHz～21.2GHz 60dBpW

21.2GHz～40GHz 67dBpW

有载波，频率范围在载波±400MHz以内的收/发VSAT站4dBW。

[1] 吕海寰，蔡剑铭，甘仲民等．卫星通信系统（修订本）．北京：人民邮电出版社，1994．

[2] Timothy Pratt, Charles B0stian, Jeremy Allnutt．卫星通信（第二版）英文版．北京：电子工业出版社，2003．

Introduction of Technical Per formance Specification for Receiving -Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station (Part 1) -- Introduction of Satellite Communications Earth Station and System Performance Specification

Gan Zhongmin
(Institute of Communication Engineering, PLAUST, Nanjing, 210007)

RF equipment, including antenna and transceiver, is an important part of a satellite communications earth station. It determines the performance of a communication link. To guarantee good communication quality, reliability and electromagnetic compatibility, strict regulations for RF equipment are made, and a complete set of technical performance specif cations is constructed. In this series of lectures, we will explain def nitions and content of these technical specif cations, and give examples in practical applications.

satellite communications; earth station; RF equipment; technical performance specif cation

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2014.11.001

TN 927+.2

A

1672-7274（2014）11-0001-04