卫星通信报告.docx
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卫星通信报告
南京邮电大学
通信与信息工程学院
卫星通信综合实验报告
学院___________________
专业____________________
班级______________
学号__________________
姓名________________________
实验一卫星业务信号传输测试
实验二地面站品质因数（G/T）测试
卫星通信技术实验室
2013年10月16日
实验一卫星业务信号传输测试
一、实验目的
1．掌握卫星通信系统的组成及其工作原理。
2．掌握便携式、固定式卫星通信地面站的设备组成。
3．掌握卫星通信地面站发送和接收参数的调整。
4．掌握
、误码率和接收信号频谱的测量方法。
二、实验内容
1．安装调整便携式、固定式卫星通信地面站设备，使其工作正常。
2．调整便携式、固定式卫星通信地面站天线对准目标卫星。
3．利用卫星链路在便携式、固定式两个地面站之间传输业务（IP电话或其他）信号。
4．按要求调整便携站、固定站的接收和发送参数，使卫星通信系统处于最佳工作状态。
5．改变传输速率，测试不同传输速率下便携站发、固定站收的
、误码率和接收信号频谱。
三、实验原理
3．1卫星通信系统的组成及其工作原理
1．卫星通信系统的组成及各部分作用
图1-1是实验用的一种简单的卫星通信系统，它由一颗通信卫星、两个地面站和上行线路、下行线路所组成并构成卫星链路，进行双向业务信号传输测试。
卫星通信系统一般由空间段和地面段组成。
空间段包含一颗或几颗卫星，地面段由多个地面站组成。
1）卫星转发器
卫星转发器是一个建立在空间的微波中继站。
卫星转发器由天线、双工器、接收设备、变频器和发射设备组成。
其作用是将地面站发来的上行信号进行低噪声放大，变频，再经功率放大后发送到其他地面站。
2）上行线路、下行线路
在卫星通信系统中，从发射地面站到卫星的这一段线路称为上行线路，从卫星到接收地面站的这一段线路称为下行线路。
上行线路、下行线路都是电磁波的传播空间，电磁波将通信卫星和地面站连接起来构成卫星通信链路，完成卫星通信的长途传输任务。
地面站将信号发送到卫星所采用的频率称为上行频率、卫星将信号发送到地面站所采用的频率称为下行频率。
因为上行信号和下行信号所走的路径是相同的，而且收发共用同一副天线，为使收发信号互不干扰，地面站上发射频率和接收频率是不一样的，一般上行频率高于下行频率。
实验中，地面站的发射频率为14.00～14.5GHz，接收频率为12.25～12.75GHz。
图1-1卫星业务信号传输测试原理框图
3）卫星通信地面站
卫星通信地面站是卫星通信系统中设置在地面上的通信终端站，用户通过地面站接入卫星通信线路，进行卫星通信。
地面站的作用是向卫星发送和接收来自卫星的各种信号。
地面站上的主要设备及其作用是：
（1）天馈线
天馈线由天线、馈线、双工器、天线伺服控制器等部分组成。
天线用来向卫星发射信号，同时接收来自卫星的信号。
双工器将地面站的接收信号和发射信号分开、保证接收信号和发射信号互不干扰。
天线伺服控制器用来调整天线对准卫星，并对卫星进行高精度跟踪。
（2）BUC
BUC是上变频功率放大器，其任务是将调制器送来的中频已调信号进行上变频和高功率放大。
（3）LNB
LNB是低噪声下变频器，其任务是将接收的卫星信号进行低噪声放大和下变频。
（4）卫星调制解调器
卫星调制解调器工作在L频段，主要对发送数据进行信道编码（完成扰码、差分编码、前向纠错编码）和调制，对接收信号进行解调和信道译码（完成前向纠错译码、差分解码、去扰码）。
并测出误码率和Eb/N0。
2．信号流程
1）便携站发→固定站收
在便携式地面站上，用户（IP电话信号或图像信号）信号经以太网交换机送到卫星调制器进行调制变成已调中频（0.95-1.45GHz）信号。
此中频信号经BUC变成上行频率（14.00-14.50GHz）信号，再经高功率放大器放大后由天线发送到卫星。
卫星收到地面站发来的上行频率（14.00-14.50GHz）信号后，首先进行低噪声放大，然后进行变频，将上行频率（14.00-14.50GHz）信号变成下行频率（12.25-12.75GHz）信号，再经功率放大后将信号发送到固定式地面站。
固定式地面站收到卫星下行频率（12.25-12.75GHz）信号后，首先进入LNB进行低噪声放大和下变频，将下行频率信号变成中频（0.95-1.45GHz）信号。
此中频信号经功分器分成两路：
一路送卫星解调器进行解调，解调后的信号经以太网交换机送到用户。
同时从卫星解调器上读出
和误码率。
另一路信号送至频谱分析仪，通过调整频谱分析仪测出卫星下行信号的频谱。
2）固定站发→便携站收固定站发→便携站收的过程与上述一样。
3．2地面站天线对准卫星的调整
1．地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角
地面站天线对准卫星的调整主要是调整天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。
1）方位角：
从接收点到卫星的视线在接收点的水平面上有一条正投影线，从接收点的正北方向开始，顺时针方向至这条正投影线的角度就是方位角。
2）仰角：
从接收点仰望卫星的视线于水平线构成的夹角称为仰角。
3）极化角：
极化角是指由于接收者所在地位置与卫星所在轨的经度差及地面曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。
方位角、仰角和极化角示意图如图1-2所示：
图1-2方位角、仰角、极化角示意图
4）方位角、仰角、极化角计算公式
方位角、仰角、极化角是由地面站天线位置和同步轨道卫星的位置确定的。
设地面站经度为λe（东经为正，西经为负），纬度为φe（北纬为正，南纬为负），卫星经度为λs（东经为正，西经为负），方位以正北为零，顺时针方向为正，利用静止卫星和地面站的几何关系，可推出地面站天线对准卫星的方位角AZ、仰角EL和极化角P的计算公式。
当地面站天线位于北半面时，计算公式为：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
式中：
Re——地球半经（6378Km）；
H——同步卫星距地球面的高度（35786km）。
2．地面站天线指向和极化角旋向的判定方法
天线的指向是由方位角和仰角确定的，天线的极化旋向是由极化角确定的。
方位角以正北为基准00，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。
正东为900，正南为1800，正西为2700。
1）方位角的确定方法：
分为AZ=1800、AZ＜1800、AZ＞1800三种情况。
其指向示意图1-3所示。
图1-3方位角指向示意图
当AZ=1800时，表示卫星位于地面站的正南方，天线指向正南。
当AZ＜1800时，表示卫星位于地面站的东南方，天线指向正南偏东的角度为1800-AZ。
当AZ＞1800时，表示卫星位于地面站的西南方，天线指向正南偏西的角度为AZ-1800。
2）仰角的确定方法：
可分为EL=00，00＜EL＜900，EL=900三种情况。
其指向示意图1-4所示。
图1-4俯仰角指向示意图
当EL=00时，天线的口面垂直于地面；当EL=900时，天线的口面平行于地面。
3）极化角旋向的确定方法：
分为：
P＜0，P=0，P＞0三种情况。
极化角调整示意图如图1-5所示：
图1-5是当地面站位于北半面时，观察者面向静止卫星时，天线极化角的调整示意图。
图中列出了水平极化的情况。
垂直极化的调整方法与此相同。
P＜0P=0P＞0
图1-5极化角调整示意图
当极化角P=0时，地面站与卫星同经度，其极化为理想的水平极化或垂直极化。
当极化角P＞0时，天线极化右旋。
右旋是指观测者面向静止卫星，右手拇指指向卫星时，其余四指握转的旋向。
当极化角P＜0时，天线极化左旋。
左旋是指观测者面向静止卫星，左手拇指指向卫星时，其余四指握转的旋向。
3．地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角调整
1）天线方位角的调整
首先用罗盘或指南针找到正南方，再调整天线的方位调整装置使天线正对正南，如果方位角AZ大于1800，则调整天线向正南偏西转动AZ-1800，如果AZ小于1800，则调整天线向正南偏东方向转动1800-AZ。
2）天线仰角的调整
首先调整天线仰角调整装置，再用罗盘仪量出仰角，直至天线仰角等于仰角的理论计算值。
3）天线极化角的调整
（1）极化的概念
卫星信号的极化有线极化和圆极化两大类。
当电场矢量的指向随时间的变化始终是一条直线时，称为线极化（包括水平极化和垂直极化）。
当电场矢量的指向随时间的变化是一个圆时，称为圆极化（包括左旋圆极化和右旋圆极化）。
（2）卫星辐射极化波的极化定义
卫星辐射波的极化定义是以卫星轴系为基准的，卫星运动轨迹近似为圆。
当电场矢量的方向与卫星所在点的圆的切线方向一致时，卫星辐射的信号为水平极化波。
当电场矢量的方向与卫星运动轨道平面（赤道平面）垂直时，卫星辐射的信号为垂直极化波。
（3）地面站接收天线的极化定义
地面站接收天线的极化定义是以卫星接收点的地平面为基准的。
当电场矢量的方向平行于地面时，称为水平极化。
当电场矢量的方向垂直于地面时，称为垂直极化。
天线双工器的接收端口和发送端口采用的是矩形波导。
当矩形波导口的窄边平行于地平面时，电场矢量平行于地面，定义为水平极化，接收的是水平极化波。
当矩形波导口的窄边垂直于地面时，电场矢量也垂直于地面，定义为垂直极化，接收的是垂直极化波。
（4）极化角的调整
在线极化的天线中，垂直极化波要用垂直极化的天线接收，水平极化波要用水平极化的天线来接收。
当接收天线的极化方向与卫星发射波的极化方向一致时，接收到的信号最大。
当接收天线的极化方向与卫星发射波的极化方向不一致时，接收到的信号就会变小，产生极化失配。
当接收天线的极化方向与卫星发射波的极化方向正交时，天线几乎收不到卫星信号。
极化失配最大。
由于卫星辐射波的极化与地面接收站的极化定义不同，卫星将信号发到地面时，卫星发射波的极化已不再是理想的水平极化或垂直极化，而是变化了一个角度。
只要接收天线的极化与卫星发射波的极化不一致，就会产生极化失配。
极化失配不但会导致接收功率下降，还会在双线极化系统中产生交叉极化干扰。
因此，必须调整天线极化角，使地面站天线接收极化与卫星发射波极化一致，此时，接收信号最大。
四、实验仪器及实验框图
本实验的实验仪器及实验框图如图1-1所示：
五、实验步骤
1．按图1-1安装、连接、调整便携式和固定式卫星通信地面站，使其工作正常。
2．根据天线所在地经度、纬度和静止卫星的经度，计算天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。
这些计算值是天线指向卫星的初始近似值，最终的方位角、仰角和极化角要通过天线接收卫星信标信号电平的大小来修正。
3．调整固定式地面站天线对准目标卫星（选星后人工调整）
分粗调和细调两步进行：
1）粗调
依据计算的天线对准卫星的方位角、仰角和极化角，预置天线极化角、仰角和方位角，使其近似等于极化角、仰角和方位角的理论计算值。
2）细调，用频谱仪测量卫星信标信号，使天线准确对准卫星。
固定天线方位角不动，细调天线仰角。
驱动天线在俯仰方向上±100范围内扫描，用频谱仪观察卫星信标信号，当频谱仪接收的信号最大时，天线在俯仰方向上对准了卫星，固定仰角。
固定天线仰角不动，细调天线方位角。
驱动天线在方位方向上±100范围内扫描，用频谱仪观察卫星信标信号，当频谱仪接收的信号最大时，天线在方位方向上对准了卫星，固定方位角。
微调极化角。
用频谱仪观察信标信号，当频谱仪接收信号最大时，天线极化与卫星发射波极化相匹配。
3）用频谱分析仪测出固定式地面站天线接收的卫星信标信号电平。
4．调整便携式地面站天线对准目标卫星（选星后自动调整）
1）调整便携式地面站天线伺服控制器，选择目标卫星和自动跟踪模式。
2）伺服控制器自动调整天线对准卫星的方位角、仰角和极化角，使天线对准目标卫星。
3）用频谱分析仪测出便携式地面站天线接收的卫星信标信号电平。
5．调整卫星调制解调器的发送和接收参数
1）Modem发送模块设置
Config->Remote->Local进入本地配置模式
Config->Tx进入发送模块配置菜单
（1）FEC（前向纠错码）：
Viterbit，TPC等；
（2）Mod（调制方式）：
BPSK,QPSK,OQPSK等；
（3）Code（编码效率）：
1/2、3/4、21/44等；
（4）Data（信息速率）：
2.4kbps～5Mbps
（5）Frq（发送频率）：
950M～1450MHz，调整步长为100Hz；
（6）On/Off（载波发送开关）
（7）Pwr（激励电平）：
-40dBm～0dBm，BUC的输入激励；
（8）Scram（扰码方式）：
Default-On、IESS-315-No、Off；
（9）Clk（发送时钟源）：
Int、Ext、Loop-Timed；
（10）Inv（频谱反转）
2）Modem接收模块设置
Config->Remote->Local进入本地配置模式
Config－>Rx进入接收模块配置菜单
（1）FEC（前向纠错码）：
Viterbit，TPC等；
（2）Dem（解调方式）：
BPSK,QPSK,OQPSK等；
（3）Code（编码效率）：
1/2、3/4、21/44等；
（4）Data（信息速率）：
2.4kbps～5Mbps
（5）Frq（接收频率）：
950M～1450MHz，调整步长为100Hz；
（6）Acq（解调捕获范围）：
-/+1kHzto-/+200kHz
（7）Descram（解扰方式）：
Default-On、IESS-315-No、Off；
（8）Buf（接收缓冲）：
Default-On、IESS-315-No、Off；
（9）Inv（频谱反转）
（10）Eb/No（信噪门限）：
接收信噪比低于此值将产生业务中断。
6．测试便携站发、固定站收的
、误码率和接收信号频谱。
1）检查调制解调器的发送、接收参数配置是否一致（配置不一致不能解调）。
2）BUC加电：
Config->ODU->BUC->DC-Power选择为On
->10MHz选择为On
3）LNB加电：
Config->ODU->LNB->DC-Voltage选择为18V
->10MHz选择为On
4）改变传输速率，分别测量256Kbps、1024kbps、2048kbps等不同传输速率下，便携站发固定站收的
、误码率和接收信号频谱。
将测试数据记于表1-1，测试图形记于图1-6、图1-7、图1-8。
六、实验数据与实验图表
实验数所见表1-1，实验图表见图1-6、图1-7、图1-8。
图1-6激励电平为-25dBm，数据速率256Kbps的接收信号频谱图
图1-7激励电平为-25dBm，数据速率1024kbps的接收信号频谱图
图1-8激励电平为-25dBm，数据速率为2048kbps的接收信号频谱图
六、实验数据
表1-1：
卫星业务信号传输测试数据表
实验仪器和设备
便携站（发端）
固定站（收端）
E4447A频谱分析仪
E4408B频谱分析仪
Ku频段0.9米便携式地面站设备
Ku频段1.2米固定式地面站设备
天线对卫星
卫星名称、经度
鑫诺一号、110.50E
鑫诺一号、110.50E
天线所在地
经度、纬度
经度（度）
118.780
118.780
纬度（度）
32.040
32.040
天线对准卫星的方位角仰角极化角
方位角（度）
195.3
仰角（度）
52.2
极化角（度）
-12.96
频谱仪测
卫星信标
信号电平
卫星信标信号极化
垂直
卫星信标频率GHz
12.26
LNB本振频率GHz
11.3
频谱仪工作频率GHz
0.96
信标信号电平dBm
-67.53
-64.53
发射接收
参数设置
调制解调器设置
调制器设置
解调器设置
前向纠错码：
TPC
前向纠错码：
TPC
调制方式：
QPSK
解调方式：
QPSK
编码效率：
3/4
编码效率：
3/4
数据速率Kbps：
1024
信息速率Kbps：
1024
发送频率GHz：
1.089
接收频率MHz：
1089
扰码方式：
Default-On
解扰方式：
Default-On
激励电平dBm：
-23
RSLdBm：
-55
BUC、LNB设置
BUC设置
LNB设置
工作电压V：
23.8
工作电压V：
17.5
工作电流A：
1.75
工作电流mA：
160
参考源MHz：
10
参考源MHz：
10
输入信号频率GHz：
1.089
输入信号频率GHz：
1.089
本振信号频率GHz：
13.05
本振信号频率GHz：
11.3
发射信号频率GHz：
14.139
输出信号频率GHz：
12.389
发射信号极化：
水平
输入信号极化：
垂直
便携站发
固定站收
Eb/N0
误码率
接收频谱
便携站（发端）
固定站（收端）
固定站接收测试数据
发送数据速率Kbps
接收数据速率Kbps
Eb/N0（dB）
BER
频谱
图号
频谱幅度
（dBm）
频谱3dB带宽
（KHz）
数据速率：
256
数据速率：
256
12.3
10^-9
图1-6
-89.62
181.25
数据速率：
1024
数据速率：
1024
6.2
10^-9
图1-7
-93.72
687.50
数据速率：
2048
数据速率：
2048
3.1
10^-5
图1-8
-96.87
1425.00
七、思考题
1、在卫星通信地面站上，天线和双工器的作用是什么？
答：
天线是用来集中能量，提供天线增益并将信号发射出去，也可以接收信号。
双工器是异频双工电台，中继台的主要配件，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。
首先，我们希望双工器的体积小巧、重量轻。
其次，双工器必须便于安装。
2、LNB和BUC代表什么？
各有什么作用？
答：
LNB又叫高频头（LowNoiseBlock）即低噪声下变频器，其功能是将由馈源传送的卫星信号经过放大和下变频，把Ku或C波段信号变成L波段，经同轴电缆传送给卫星接收机。
BUC（BlockUp-Converter）即上变频功率放大器，把卫星Modem输出的L波段信号转变为高频的射频信号逆向传送到C波段、KU波段或KA波段卫星。
3、地面站天线对准卫星的调整主要调整什么？
怎样确定天线对准了目标卫星？
答：
方位角、仰角、极化角
由天线所在地的经度、纬度以及卫星的经度可算出天线对准卫星大致的方位角、仰角和极化角。
根据接受信标信号的大小进行微调可以确定具体方向。
。
4、为什么要调整天线极化？
怎样调整天线极化？
答：
极化角是指由于接收天线所在地位置与卫星所在地经度差的加大及地球曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。
接收天线后部有一个可旋转的部件，旋转其可调整极化角。
5、当双工器发射端口的宽边平行于地面时，发射和接收的各是什么极化波？
答：
发射垂直极化，接收水平极化。
6、卫星调制解调器发射和接收参数的调整，主要调整哪些参数？
答:
调制器：
前向纠错编码，调制方式，信息速率，发送频率，扰码方式，激励电平。
解调器：
前向纠错编码，调制方式，信息速率，接受频率，解扰方式，RSL。
BUC：
输入信号频率，本振信号频率，发射信号极化。
LNB：
输入信号频率，本振信号频率，输入信号极化。
7、若传输条件不变，增加数据速率，Eb/N0、误码率、接收信号频谱和图像信号有何变化？
答：
1M到2M：
Eb/N下降、误码率升高、接收信号频谱展宽和图像信号失真
256K到1M：
Eb/N0下降、误码率升高、接收信号频谱展宽和图像信号清晰
8、怎样根据卫星下行频率设置频谱分析仪的工作频率？
答：
工作频率等于下行频率减去LNB本振频率。
实验二地面站品质因数G/T测试
一、实验目的
1．掌握天线方向图的测试原理和方法
2．掌握地面站接收系统噪声温度的测试原理和方法
3．掌握地面站品质因数G/T的测试原理和方法
二、实验内容
1．调整便携式、固定式地面站天线对准目标卫星
2．测量天线接收方位方向图、俯仰方向图
3．利用天线方向图计算主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度和10dB波束宽度
4．计算天线接收增益G
5．测量地面站接收系统噪声温度T
6．计算地面站品质因数G/T
三、实验原理
卫星通信地面站品质因数（G/T）是衡量地面站接收系统性能的重要指标，是卫星通信线路设计的重要依据之一，也是地面站系统进入国际卫星通信网的强制性验证测试项目之一。
（G/T）定义为天线接收增益G与地面站接收系统噪声温度T之比，用分贝表示为：
（2-1）
本实验采用间接法测量地面站品质因数（G/T），测量分两步进行。
第一步测量天线接收增益GR，第二步测量地面站接收系统噪声温度TSYS，据GR和TSYS，求出G/T值。
3．1天线接收增益GR的测量
天线接收增益GR采用波束宽度法确定：
其基本思路是通过测量天线接收方向图的3dB波束宽度、10dB波束宽度、天线表面精度和馈源插入损耗，从而计算出天线接收增益。
1．天线接收方向图测量原理
天线接收方向图可用卫星信标法和辅助站法测量。
卫星信标法只能测量天线接收方向图，不能测发射方向图，且测试频率受卫星信标频率的限制，方向图的测量范围受卫星发射功率和频谱仪灵敏度的限制。
辅助站法既可测量天线接收方向图，也可测量天线发射方向图。
其测量原理图如图2-1所示：
图2-1辅助站法测量天线接收方向图的原理框图
图中：
便携式卫星通信地面站为待测站，固定式卫星通信地面站为辅助站。
待测站天线的接收方向图是在辅助站的帮助下完成的。
其基本方法是：
待测站天线和辅助站天线同时对准目标卫星，且天线极化都与卫星极化匹配。
由辅助站天线发送一未调制单载波信号到卫星，待测站天线从卫星上接收这一单载波信号，然后分别转动待测站天线的方位或俯仰，随着待测天线偏离波束中心，天线的增益随天线方位或俯仰偏离波束中心而变化，利用频谱仪的迹线功能记录信号电平的变化，即为待测天线的接收方位和俯仰方向图。
本实验用信标法测量天线接收方向图（固定站不发信号）。
2．天线接收方向图的主瓣、副瓣和3dB波束宽度、10dB波束宽度
天线方向图的示意图如图2-2所示：
图2-2天线方向图示意图
方向图中有许多波瓣，辐射强度最大的波瓣称为主瓣，主瓣旁的第一个波瓣叫做第一旁瓣。
主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB的两点间的夹角定义为3dB波束宽度，辐射强度降低10dB的两点间的夹角定义为10dB波束宽度。
天线方向图的波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
3．方位方向图方位角的修正
在方位方向图测量中，要考虑方位角的修正。
因为天线方位方向图中的方位角是空间方位平面指向角，而天线方位角显示器上显示的角度是水平面内的方位角，这两个角度是不一样的，其差值随着仰角的变化而变化，所以，在测量方位方向图时，要进行方位角修正。
方位角的修正公式为
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