1、衛(wèi)星通信的概念

在日常生活中，無時無刻不在進行著信息的傳遞，如打電話、收聽廣播、看電視直播等。這些信息傳遞的方式基本上可以分為有線和無線兩種類型。比如人們經(jīng)常使用的手機，就是通過無線電波來傳輸?shù)摹Ｔ趯嶋H中，通過建立一個基站，并在基站覆蓋的范圍內(nèi)，手機就能夠接收到信號，通常稱這種通信方式為地面微波中繼通信。

眾所周知，微波具有視距傳輸特性，兩個通信站之間不能有遮擋。由于受地球曲率影響，地球上兩個高50m的微波通信站之間通信距離大約為50km，要實現(xiàn)更遠距離的通信，就必須用多個微波中繼站（如微波塔）進行接力傳輸，以此來實現(xiàn)地面微波中繼通信。如果把微波中繼站從地面搬到太空中，利用太空“站得高、看得遠”的優(yōu)勢，就可以實現(xiàn)遠距離的通信，如圖9.1所示。因此，可以把衛(wèi)星通信理解為一種特殊的微波中繼通信，即利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信地球站之間或地球站與航天器之間進行通信的無線電波，實現(xiàn)兩點或多點之間的通信。衛(wèi)星通信是航天技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的重要成果，在廣播電視、移動通信、寬帶互聯(lián)網(wǎng)和軍事通信領域得到了廣泛的應用，是當今必不可少的通信方式之一。

2、衛(wèi)星通信工作頻段

衛(wèi)星通信的頻率使用微波頻段（300MHz～300GHz），其原因除了可獲得通信容量大的優(yōu)點之外，主要是考慮到衛(wèi)星處于外層空間（在電離層之外），地面上發(fā)射的電磁波必須穿透電離層才能到達衛(wèi)星。同樣，從衛(wèi)星到地面上的電磁波也必須穿透電離層，而微波頻段恰好具備這一條件。

微波的整個頻段并不都適用于衛(wèi)星通信，選擇工作頻段時，首先，要求電磁波傳輸衰減及其他衰減要小。當電磁波在地球站與衛(wèi)星之間傳播時，要穿過地球周圍的大氣層，會受到電離層中自由電子和離子的吸收，還會受到對流層中的氧、水汽及雨、雪、霧的吸收（見圖9.2）和散射，并產(chǎn)生一定的衰減。這種衰減的大小與工作頻率、天線仰角及氣候條件有密切的關(guān)系。人們通過測量得出了晴朗天氣條件下大氣衰減與頻率的關(guān)系：在0.5GHz以下，電離層中的自由電子或離子的吸收在信號的大氣損耗中起主要作用，頻率越低，損耗越嚴重；在0.01GHz時，損耗大約100dB；而工作頻率高于0.3GHz時，其影響小到可以忽略；在0.

5～10GHz頻段，大氣吸收衰減最小，稱為“無線電窗口”；在15～35GHz頻段，水蒸氣分子吸收占主要地位。與此同時，衰減還與地球站天線仰角有關(guān)。天線仰角越大，電磁波通過大氣層的路徑越短，則吸收產(chǎn)生的衰減越小，并且當頻率低于10GHz后，仰角大于5°時，其影響基本上可以忽略。另外，在30GHz附近也存在一個衰減低谷，稱為“半透明無線電窗口”。

其次，天線接收的外界噪聲要小。宇宙及大氣噪聲與頻率的關(guān)系曲線圖如圖9.3所示。宇宙噪聲是指太空星體的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)輻射所形成的噪聲，它在銀河系中心的指向上達到最大值，通常稱為指向熱空，而在天空其他某些部分的指向則是很低的，稱為冷空。從圖9.3中可以看出，工作頻率如果在1GHz以下，宇宙噪聲會迅速增加，因此人們通常都希望它工作在1GHz以上，這時宇宙噪聲和人為干擾對通信的影響都很小。由前面分析可知，水蒸氣分子和氧分子吸收衰減在10GHz以上時逐漸增大。因此，從降低接收噪聲和大氣衰減的角度來考慮，工作頻段最好為1～10GHz。

還應指出，在進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計時，大氣層中雨、霧、云的影響也是應該考慮的因素。在雨天或有霧、云的氣象條件下，雨滴和霧對于較高頻率（10GHz以上）的電波會產(chǎn)生散射和吸收作用，從而引入較大的附加損耗，稱為雨衰。國際電信聯(lián)盟推薦的雨衰計算公式為

圖9.2 大氣中不同分子對電磁波的吸收

圖9.3 宇宙及大氣噪聲與工作頻率的關(guān)系曲線圖

圖9.4給出了雨、霧、云對電磁波的吸收衰減的關(guān)系曲線圖，實線為雨引起的衰減，虛線為云、霧引起的衰減。可知，當工作頻率高于30GHz時，即使是小雨，引起的衰減也不能忽略。當工作頻率在10GHz以下時，則必須考慮中雨以上的影響。

圖9.4 雨、霧、云對電磁波的吸收衰減的關(guān)系曲線

除了上述兩個方面，還應考慮如下要求：①有較寬的可用頻帶，以滿足信息傳輸?shù)囊螅虎谂c地面微波通信、雷達等其他無線系統(tǒng)間的干擾要小；③能充分利用現(xiàn)有的通信技術(shù)，并便于與現(xiàn)有地面通信設備配合使用；④要滿足設備尺寸要求。綜合上述要求，應將衛(wèi)星通信頻段選在特高頻或微波頻段。

3、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

通信系統(tǒng)由衛(wèi)星分系統(tǒng)、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)（統(tǒng)稱為跟蹤遙測遙控和監(jiān)視（TTC&M）分系統(tǒng)）及通信業(yè)務控制中心組成，如圖9.5所示。

圖9.5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

如前所述，通信衛(wèi)星主要是起無線電中繼站的作用，它的有效載荷主要包括通信轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線，星上通信就是依靠通信轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線來完成的。

3.1. 通信轉(zhuǎn)發(fā)器

通信轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用的部分，又稱通信中繼器。衛(wèi)星上每個通信轉(zhuǎn)發(fā)器都有接收機、變頻器、功率放大器三個單元，實質(zhì)上是一組寬頻帶的收、發(fā)信機。它是通信衛(wèi)星中最重要的組成部分，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量。每個通信轉(zhuǎn)發(fā)器都覆蓋了一段頻段，有利于降低通過同一功率放大器的載波數(shù)目，從而降低交調(diào)噪聲，也便于衛(wèi)星功率放大器的制造。

轉(zhuǎn)發(fā)器電路結(jié)構(gòu)根據(jù)性能要求不同通常分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器（彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器、非再生式轉(zhuǎn)發(fā)器）與處理轉(zhuǎn)發(fā)器（再生式轉(zhuǎn)發(fā)器，具有交換和處理功能）。

透明轉(zhuǎn)發(fā)器收到地面發(fā)來的信號后，除進行低噪聲放大、變頻和功率放大外，不做任何加工處理（如解調(diào)、基本信號處理等），只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)的任務。它對工作頻段內(nèi)的任何信號都是“透明”的通路。這種轉(zhuǎn)發(fā)器適合傳送各種信號（模擬信號或數(shù)字信號），不對用戶提過多的要求，有一次變頻和二次變頻兩種方式。

一次變頻式轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的信號直接進行低噪聲放大，經(jīng)過一次變頻和功率放大后，向地球站轉(zhuǎn)發(fā)。這種轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點是帶寬較寬（一般為500MHz），轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性范圍內(nèi)，非線性失真小，允許多載波工作，但它的增益較低、功率不大，適合載波數(shù)量多、通信容量大的系統(tǒng)，適于多址連接。

二次變頻式轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的信號經(jīng)過變頻，變到中頻，功率加以放大和限幅（去干擾、調(diào)幅）后，再變頻到發(fā)射頻率，經(jīng)功率放大后向地球站轉(zhuǎn)發(fā)。這種轉(zhuǎn)發(fā)器的優(yōu)點是中頻增益高（一般為80～100dB）、電路性能穩(wěn)定，但中頻帶窄（一般為幾十兆赫茲），工作在飽和狀態(tài)時易產(chǎn)生非線性干擾，不適合多載波工作，適合容量不大、帶寬較窄的系統(tǒng)。

處理轉(zhuǎn)發(fā)器除了轉(zhuǎn)發(fā)信號，還具有信號處理功能，包括解調(diào)、基帶信號處理和交換、重新調(diào)制。與上述雙變頻透明轉(zhuǎn)發(fā)器相比，處理轉(zhuǎn)發(fā)器只是在兩級變頻器之間增加了信號解調(diào)器、處理單元和調(diào)制器。先將信號解調(diào)，便于信號處理，再經(jīng)調(diào)制、變頻、功率放大后發(fā)回地面。處理轉(zhuǎn)發(fā)器由于上行信號在轉(zhuǎn)發(fā)器上進行解調(diào)，可以濾除上行鏈路的噪聲，避免噪聲疊加積累。此外，上、下行鏈路可考慮不同的調(diào)制方式和分址方式，使星上交換成為可能，并大大降低地面設備功率要求，簡化了地面設備。但這種轉(zhuǎn)發(fā)器設備、技術(shù)復雜，功率損耗較大，造價也較高。

3.2. 通信天線

通信天線的主要功能是提供成形的天線波束，在工作頻率段發(fā)送和接收信號。通信天線按其波束覆蓋區(qū)的大小可分為三種。①全球波束天線：波束半功率寬度約為17.4°，恰好覆蓋整個視區(qū)，天線增益為15～18dB；②點波束天線：波束半功率寬度為幾度或更小，拋物面天線，方向性強，甚至只覆蓋一個地球站，增益較高；③賦形波束天線（或半球波束、區(qū)域波束）。覆蓋區(qū)域輪廓不規(guī)則，視服務區(qū)的邊界而定，如圖9.6所示。

圖9.6 幾種常用波束覆蓋區(qū)域示意圖

3.3通信地球站分系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的地球站是微波無線電收、發(fā)信臺（站），用戶通過它們接入衛(wèi)星鏈路進行通信。圖9.7是典型的通信地球站組成框圖，大體上可分為天線、饋線設備，發(fā)射設備，接收設備，信道終端設備，跟蹤和伺服設備及電源設備。

3.3.1. 天線、饋線設備

天線、饋線設備的基本作用是將發(fā)射機發(fā)送來的射頻信號變成定向（對準衛(wèi)星）輻射的電磁波，同時收集衛(wèi)星發(fā)來的電磁波，送到接收設備。通常，地面站的天線是收、發(fā)共用的，因此，要有雙工器收發(fā)開關(guān)。

3.3.2. 發(fā)射設備

發(fā)射設備的主要任務是將已調(diào)制的中頻（一般為70MHz）信號變換為射頻信號，并將功率放大到一定的電平，經(jīng)饋線送到天線向衛(wèi)星發(fā)射。功率放大器可以是單載波工作，也可以是多載波工作。功率放大器的輸出功率最高可達數(shù)百至數(shù)千瓦。

3.3.3. 接收設備

接收設備的主要任務是把天線收集的來自衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的有用信號，經(jīng)加工變換后，送給解調(diào)器。通常，為了減少接收機內(nèi)部噪聲的干擾、提高靈敏度，接收設備入口的信號電平極其微弱，因此接收設備必須使用低噪聲微波前置放大器。此外，為減少饋線損耗的影響，一般將該放大器安裝在天線上。經(jīng)由低噪聲放大器輸出的射頻信號，要經(jīng)過下變頻變?yōu)橹蓄l信號，以便信道終端解調(diào)器進行解調(diào)。

3.3.4. 信道終端設備

信道終端設備在發(fā)射端的基本任務是，將用戶發(fā)送來的消息加以處理，變成所采用的衛(wèi)星通信體制要求的信號形式；在接收端則應進行與發(fā)射端相反的處理，使收到的信號恢復為原來的消息。

3.3.5. 跟蹤和伺服設備

地球靜止衛(wèi)星并非是絕對“靜止”的，地球站的天線必須經(jīng)常校正方位和仰角，才能對準衛(wèi)星。校正方式主要有手動跟蹤和自動跟蹤兩種，前者是相隔一定時間對天線進行人工定位，各地球站都具備；后者是利用一套電子、機電設備，使天線對衛(wèi)星進行自動跟蹤。

3.3.6. 電源設備

對于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一年中要求99.9%的時間不間斷地、穩(wěn)定可靠地工作。電源系統(tǒng)必須滿足這一要求。特別是大型地球站，一般要有幾種供電電源，即公共電網(wǎng)、柴油發(fā)電機和蓄電池。正常情況下是利用公共電網(wǎng)，一旦公共電網(wǎng)中斷，即由應急發(fā)電機供電，在發(fā)電機開機到正常運行前，由蓄電池短期供電作為過渡。平時，蓄電池由市電通過整流設備對其進行浮充，以備急用。為了保證高度可靠，發(fā)電機也應該有備份。

審核編輯：湯梓紅