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南京邮电大学
通信与信息工程学院
卫星通信实验报告
院系通信与信息工程
专业通信工程
班级B110106
学号B11010627
姓名蔡宇杰
实验一卫星信号传输测试
实验二天线馈源系统测试
卫星通信技术实验室
2014年10月13日
实验一卫星信号传输测试
一、实验目的
1．掌握卫星通信系统的组成及其工作原理。
2．掌握频谱分析仪的操作和参数设置。
3．掌握天线对准卫星的调整方法。
4.掌握地球站发送和接收参数的设置、EB/N0、误码率和接收信号频谱的测量方法。
5．掌握天线方向图的测量原理和方法。
二、实验内容
1．安装调整便携站、固定站卫星通信地球站设备，使其工作正常。
2．调整便携站、固定站卫星通信地球站天线对准目标卫星。
3．用频谱仪测量便携站、固定站接收的卫星信标信号电平，并测出天线极化隔离度。
4．利用卫星链路在便携站、固定站两个地球站之间传输IP电话（或其他）信号。
5．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。
6．改变传输速率，测试不同传输速率下便携站发、固定站收的EB/N0、误码率和接收信号频谱，观察不同传输速率下接收信号的质量有何变化。
7．测量便携站天线接收方向图，计算便携站天线接收增益。
三、实验原理
3．1卫星通信实验系统的组成及其主要部件作用
图1-1是实验用的一种简单的卫星通信系统，它由一颗卫星转发器，两个地球站和上行线路、下行线路组成，并构成卫星链路，进行卫星信号的传输测试。
1．卫星转发器
卫星转发器是一个建立在空中的微波中继站。
卫星转发器由天线、双工器、接收设备、变频器和发射设备等组成。
作用是将地球站发来的上行信号进行低噪声放大，变频，再经功率放大后发到其他地球站。
2．上行线路、下行线路
从发射地球站到卫星的这一段线路称为上行线路，从卫星到接收地球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球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。
3．卫星通信地球站
卫星通信地球站是卫星通信系统中设置在地面上的通信终端站，用户通过地球站接入卫星通信线路进行卫星通信。
地球站的作用是向卫星发送和接收来自卫星的各种信号。
地球站上的主要设备及其作用是：
Ku频段0.9米天线便携式卫星通信地面站Ku频段1.2米天线固定式卫星通信地面站
图1-1卫星通信实验系统原理框图
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。
双工器将地球站的接收信号和发射信号分开、保证接收和发射互不干扰。
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信号上变频和功率放大，送天线发到卫星。
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，送解调器解调。
4）卫星调制解调器
卫星调制解调器工作在L频段，主要对发送信号进行信道编码（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。
3．2地球站天线对星调整
1．地球站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角
1）方位角（AZ）：
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之间的角度称为方位角。
2）仰角（EL）：
从接收点仰望卫星的视线与水平线构成的夹角称为仰角。
3）极化角（P）：
极化角是由于接收天线所在地位置与卫星所在轨位的经度差及地球曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。
方位角、仰角和极化角的示意图如图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、极化角是由地球站天线的位置和同步轨道卫星的位置确定的。
设地球站经度为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，利用静止卫星和地球站的几何关系，可推出地球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。
当地球站天线位于北半球时，天线对准卫星的方位角、仰角、极化角计算公式为：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
式中：
Re——地球半经（6378Km）；H——同步卫星距地球表面的高度（35786km）。
2．地球站天线的指向和极化角旋向的判定
天线的指向是由计算出来的方位角和仰角确定的，天线的极化旋向是由极化角确定的。
方位角以正北方向为基准00，顺时针为正，逆时针为负。
正东为900，正南为1800，正西为2700。
方位角的确定方法：
可分为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，卫星位于接收站的正南方，天线指向正南。
当AZ＜1800时，卫星位于接收站的东南方，天线指向正南偏东的角度为1800-AZ。
当AZ＞1800时，卫星位于接收站的西南方，天线指向正南偏西的角度为AZ-1800。
。
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仰角指向示意图
当EL=00时，地球站天线的口面垂直于地面，当EL=900时，地球站天线的口面平行于地面。
极化角旋向的确定方法：
也分为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是当地球站位于北半球，观察者面向静止卫星时，天线极化角的调整示意图。
图中列出的是水平极化的情况。
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，接收站与卫星同经度，其极化为理想的水平极化或垂直极化。
当极化角P＜0时，天线极化要左旋。
所谓左旋，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。
当极化角P＞0时，天线极化要右旋。
所谓右旋，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。
3．地球站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角调整
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。
调整方位角、仰角是使天线对准卫星，调整极化角是使天线极化与卫星发射波的极化相匹配，接收信号最大。
1）天线方位角调整
首先用罗盘或指南针找到正南方，再调整天线方位调整装置使天线正对正南方。
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）卫星发射波的极化定义
卫星发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。
当电场矢量方向与卫星所在点的圆的切线方向一致时，卫星发射的信号为水平极化。
当电场矢量方向与卫星运动轨道平面垂直时，卫星发射的信号为垂直极化。
（3）地球站天线的极化定义
地球站天线的极化定义是以卫星接收点的地平面为基准的。
当电场矢量方向平行于地面时，为水平极化。
电场矢量方向垂直于地面时，为垂直极化。
天线双工器的接收端口和发送端口都是矩形波导。
在矩形波导中，电场矢量方向是垂直于波导宽边的。
当矩形波导窄边平行于地面时，电场也平行于地面，定义为水平极化，传输的是水平极化波。
当矩形波导窄边垂直于地面时，电场也垂直于地面，定义为垂直极化，传输的是垂直极化波。
（4）极化角的调整
地球站天线的极化调整通常指的是线极化天线的极化调整。
当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向一致时，接收的卫星信号最大。
当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向不一致时，接收的卫星信号会变小，产生极化损失。
当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向正交时，几乎收不到卫星信号，极化损失最大。
只要天线的极化方向与卫星发射波的极化方向不一致，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。
调整极化角的目的就是使天线接收极化与卫星发射波的极化方向一致，接收信号最大，减小在双线极化系统中产生交叉极化干扰。
调整极化角，就是将天线馈源旋转一个角度，使天线接收极化与卫星发射波极化相匹配。
3．3卫星信号传输流程
1．便携站发→固定站收
在便携站上，用户IP电话信号（或其他信号）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上变频变成上行频率（14.00-14.50GHz）信号，再经功率放大器放大后由天线发送到卫星。
卫星收到地球站发来的上行频率（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球站。
固定式地球站收到卫星下行频率（12.25-12.75GHz）信号后，进入LNB进行低噪声放大和下变频，将下行频率（12.25-12.75GHz）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IP电话（或其他）用户。
同时从卫星解调器上读出EB/N0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。
3．4天线接收方向图测试
1．利用卫星信标法测量天线接收方向图
卫星信标法测量天线接收方向图的原理如图1-6所示：
设卫星的各向同性辐射功率为EIRPS（dBW），下行空间传播总损耗为LDOWN（dB），LNB的增益为GLNB（dB），待测天线的接收增益为GR（θ）（dBi）（θ为天线偏离波束中心的角度，θ等于零表示天线在最大方向上的增益），射频电缆的传输损耗为LRF（dB），双工器接收支路损耗为L（dB），则到达天线口面的功率电平P（dBm）为：
（1-4）
进入频谱分析仪的功率电平Pmea（θ）为：
（1-5）
式（1-5）是卫星信标法测量天线接收方向图的原理公式。
Pmea（θ）是频谱仪测量的卫星信号电平。
当待测天线对准卫星时，GR（θ）最大，即Pmea（θ）最大。
当待测天线偏离波束中心时，GR（θ）发生变化，此时频谱仪测量的信号功率也随着变化，利用频谱仪的迹线功能，记录天线运动轨迹，即为测量的待测天线方向图。
图1-6卫星信标法测量天线接收方向图的原理框图
2．天线方向图的主瓣、副瓣、3dB波束宽度、10dB波束宽度
天线方向图中有许多波瓣，辐射强度最大的波瓣称为主瓣，其余的波瓣称为副瓣或旁瓣，主瓣旁的第一个波瓣叫第一旁瓣。
第一旁瓣电平要求低于主瓣电平14dB以上。
在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，天线的增益越高，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
天线方向图示意图如图1-7所示：
图1-7天线方向图示意图
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，这两个角度不一样，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：
（1-6）
式中：
EL——天线对准卫星时的仰角（0）；
AZ——天线未修正时的方位角，即要求天线转动的角度（0）；
——天线修正后的方位角（0）。
4．3dB波束宽度、10dB波束宽度计算公式
θ3dBBW——方向图中3dB波束宽度处的宽度秒数×天线转动速度（度）（1-7）
θ10dBBW——方向图中10dB波束宽度处的宽度秒数×天线转动速度（度）（1-8）
5．天线增益计算公式，根据EIA标准，天线增益采用3dB、10dB波束带宽方法计算。
（1-9）
式中：
G——为待测天线增益（dBi）
θAZ3dBBW——天线方位方向图的3dB波束宽度（0）；
θEL3dBBW——天线俯仰方向图的3dB波束宽度（0）；
θAZ10dBBW——天线方位方向图的10dB波束宽度（0）；
θEL10dBBW——天线俯仰方向图的10dB波束宽度（0）；
Loss——天线馈源网络的插入损耗（dB），接收支路Loss=0.35dB，（实验测得）；
f——为卫星信号下行频率（GHz）；
rms——为抛物面天线表面精度，单位inch。
计算时rms取0.5mm，则：
四、实验仪器与实验框图
实验仪器与实验框图1-1所示：
五、实验步骤
5．1调整固定站、便携站天线对准目标卫星
1．按图1-1连接测量系统，并使系统工作正常。
2．确定目标卫星和信标信号，目标卫星选：
中星6A，经度为：
125.00E，信标频率为：
12.260GHz，信标极化为：
垂直。
3．确定接收站所在地经度、纬度，南京的经度为：
118.780E、纬度为：
32.040。
4．根据卫星经度、接收站所在地经度纬度，计算天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。
5．调整固定站天线对准目标卫星（选星后人工调整，现已对准目标卫星，实验中不需调整）。
若要调整，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。
细调方位角、仰角和极化角，用频谱仪测量信号电平是否最大，判断天线是否对准卫星。
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电平最大时，天线在俯仰方向上对准了目标卫星，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电平最大时，天线在方位方向上对准了目标卫星，固定方位角。
固定天线方位角、仰角不动，微调天线极化角。
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）用频谱分析仪测量固定站天线接收的正极化卫星信标信号电平。
4）用频谱分析仪测量固定站天线接收的反极化卫星信标信号电平。
5）计算天线极化隔离度。
天线极化隔离度等于正极化信号电平—反极化信号电平，单位为dB。
6．调整便携站天线对准目标卫星（选星后自动调整）
1）调整便携式地球站天线伺服控制器，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）用频谱分析仪测量便携站天线接收的正极化卫星信标信号电平。
4）用频谱分析仪测量便携站天线接收的反极化卫星信标信号电平。
5）计算天线极化隔离度。
天线极化隔离度等于正极化信号电平—反极化信号电平，单位为dB。
5．2卫星信号传输测试（本实验用便携站发，固定站收测试）
1．调整便携站、固定站天线对准目标卫星，且极化匹配。
2．调整便携站卫星调制解调器，Modem发送模块设置如下：
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）：
950MHz～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）
3．调整固定站卫星调制解调器，Modem接收模块设置如下：
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）：
950MHz～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/N0（信噪门限）：
接收信噪比低于此值将产生业务中断。
4．用固定站卫星解调器测试误码率、EB/N0，用频谱分析仪测量接收信号频谱
（1）按步骤2、3配置好发送、接收参数；（注意发送、接收参数必须匹配，否则不能解调）。
（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）查看Modem接收解调信息（误码率、信噪比）：
Moniter->RxParameters
（5）在发端调制器上设置数据速率分别为256Kbps、1024kbps、2048kbps。
在收端解调器上分别测量相对应的EB/N0、误码率，用频谱仪测出不同速率下接收信号频谱的幅度和3dB带宽，在电视机上观察不同传输速率下接收的图像和语音信号有何变化。
（6）将测试图形记于图1-8、图1-9、图1-10，测试数据记于表1-1。
5．3天线方向图测试（本实验测试便携站天线的接收方向图）
1．调整便携站天线对准目标卫星
1）调整伺服控制器方位和俯仰调整装置，驱动天线方位和俯仰电机转动，使天线对准目标卫星。
2）调整伺服控制器极化调整装置，驱动极化电机转动，使天线极化与卫星极化相匹配。
此时，天线处于波束中心，接收信号电平最大，记录该信号电平（作为天线再对波束中心的参考）。
2．设置频谱仪工作状态，测量天线接收（方位、俯仰）方向图
1）固定待测天线仰角不动，测量天线接收方位方向图
驱动待测天线方位从波束中心逆时针转动-200。
再驱动待测天线从左向右顺时针旋转，通过待测天线波束中心后到达+200位置停止。
频谱仪实时记录待测天线的方位方向图，将所测方向图编号存入频谱仪。
2）固定待测天线方位不动，测量天线接收俯仰方向图
先将待测天线回到波束中心，使天线重新对准卫星，检查天线处于波束中心的电平值是否相同。
驱动待测天线俯仰从波束中心向下转动-200。
再驱动待测天线从下向上转动，通过待测天线波束中心后到达+200位置停止。
频谱仪实时记录待测天线的俯仰方向图，将所测俯仰方向图编号存入频谱仪。
3）利用频谱仪码刻功能，用手工方法对所测方位方向图和俯仰方向图进行处理，分别获得待测天线接收方位方向图和俯仰方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度（s）、l0dB波束宽度（s）。
4）根据所测方向图数据，计算3dB波束宽度（度）、10dB波束宽度（度）和天线接收增益G。
5）从频谱仪中取出所测方向图并粘贴到实验报告中的图1-11和图1-12。
测试数据记于表2-1。
6）利用方位角修正公式，对方位方向图的方位角进行修正，计算方位角修正后的天线接收增益。
六、实验图形与实验数据表
1．接收信号频谱测试图，见图1-8、图1-9、图1-10。
2．天线接收方向图的测试图，见图1-11、图1-12。
其中：
图1-11是方位方向图
（1）主瓣电平、
（2）副瓣电平、（3）3dB波束宽度、（4）10dB波束宽度。
图1-12是俯仰方向图
（1）主瓣电平、
（2）副瓣电平、（3）3dB波束宽度、（4）10dB波束宽度。
3．天线对星调整、卫星信号传输测试、天线方向图测试数据见表1-1。
图1-8激励电平为-25dBm，数据速率256Kbps的接收信号频谱图
图1-9激励电平为25dBm，数据速率1024kbps的接收信号频谱图
图1-10激励电平为-25dBm，数据速率为2048kbps的接收信号频谱图
图1-11
（1）方位方向图主瓣电平
图1-11
（2）方位方向图副瓣电平
图1-11（3）方位方向图3dB波束宽度
图1-11（4）方位方向图10dB波束宽度
图1-11方位方向图
（1）主瓣电平、
（2）副瓣电平、（3）3dB波束宽度、（4）10dB波束宽度
图1-12
（1）俯仰方向图主瓣电平
图1-12
（2）俯仰方向图副瓣电平
图1-12（3）俯仰方向图3dB波束宽度
图1-12（4）俯仰方向图10dB波束宽度
图1-12俯仰方向图
（1）主瓣电平、
（2）副瓣电平、（3）3dB波束宽度、（4）10dB波束宽度
表1-1：
实验一数据表
实验仪器和设备
频谱分析仪、便携站设备（发端）
频谱分析仪、固定站设备（收端）
天线对星调整
天线所在地经度、纬度（度）
经度：
118.780纬度：
32.040
经度：
118.780纬度：
32.040
天线对准的卫星经度、卫星名称
经度：
125.0E名称：
中星6A
经度：
125.0E名称：
中星6A
天线对准卫星的角度（度）
AZ：
168.40EL：
52.10P：
-9.820
AZ：
168.40EL：
52.10P：
-9.820
频谱仪
测量信
标信号
卫星信标极化/频率（GHz）
极化：
垂直频率：
12.260
极化：
垂直频率：
12.260
LNB本振频率（GHz）
11.30
11.30
频谱仪工作频率（GHz）
0.96
0.96
正极化信号电平（dBm）
-64.8
-64.8
反极化信号电平（dBm）
-95.7
-95.7
极化隔离度（dB）
30.9
30.9
卫星信号传输测试
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）：
升级会员 