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1、卫星通信的概念

在日常生活中，无时无刻不在进行着信息的传递，如打电话、收听广播、看电视直播等。这些信息传递的方式基本上可以分为有线和无线两种类型。比如人们经常使用的手机，就是通过无线电波来传输的。在实际中，通过建立一个基站，并在基站覆盖的范围内，手机就能够接收到信号，通常称这种通信方式为地面微波中继通信。

众所周知，微波具有视距传输特性，两个通信站之间不能有遮挡。由于受地球曲率影响，地球上两个高50m的微波通信站之间通信距离大约为50km，要实现更远距离的通信，就必须用多个微波中继站（如微波塔）进行接力传输，以此来实现地面微波中继通信。如果把微波中继站从地面搬到太空中，利用太空“站得高、看得远”的优势，就可以实现远距离的通信，如图9.1所示。因此，可以把卫星通信理解为一种特殊的微波中继通信，即利用人造地球卫星作为中继站，转发卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间进行通信的无线电波，实现两点或多点之间的通信。卫星通信是航天技术和现代通信技术相结合的重要成果，在广播电视、移动通信、宽带互联网和军事通信领域得到了广泛的应用，是当今必不可少的通信方式之一。

2、卫星通信工作频段

卫星通信的频率使用微波频段（300MHz～300GHz），其原因除了可获得通信容量大的优点之外，主要是考虑到卫星处于外层空间（在电离层之外），地面上发射的电磁波必须穿透电离层才能到达卫星。同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而微波频段恰好具备这一条件。

微波的整个频段并不都适用于卫星通信，选择工作频段时，首先，要求电磁波传输衰减及其他衰减要小。当电磁波在地球站与卫星之间传播时，要穿过地球周围的大气层，会受到电离层中自由电子和离子的吸收，还会受到对流层中的氧、水汽及雨、雪、雾的吸收（见图9.2）和散射，并产生一定的衰减。这种衰减的大小与工作频率、天线仰角及气候条件有密切的关系。人们通过测量得出了晴朗天气条件下大气衰减与频率的关系：在0.5GHz以下，电离层中的自由电子或离子的吸收在信号的大气损耗中起主要作用，频率越低，损耗越严重；在0.01GHz时，损耗大约100dB；而工作频率高于0.3GHz时，其影响小到可以忽略；在0.

5～10GHz频段，大气吸收衰减最小，称为“无线电窗口”；在15～35GHz频段，水蒸气分子吸收占主要地位。与此同时，衰减还与地球站天线仰角有关。天线仰角越大，电磁波通过大气层的路径越短，则吸收产生的衰减越小，并且当频率低于10GHz后，仰角大于5°时，其影响基本上可以忽略。另外，在30GHz附近也存在一个衰减低谷，称为“半透明无线电窗口”。

其次，天线接收的外界噪声要小。宇宙及大气噪声与频率的关系曲线图如图9.3所示。宇宙噪声是指太空星体的热气体及分布在星际空间的物质辐射所形成的噪声，它在银河系中心的指向上达到最大值，通常称为指向热空，而在天空其他某些部分的指向则是很低的，称为冷空。从图9.3中可以看出，工作频率如果在1GHz以下，宇宙噪声会迅速增加，因此人们通常都希望它工作在1GHz以上，这时宇宙噪声和人为干扰对通信的影响都很小。由前面分析可知，水蒸气分子和氧分子吸收衰减在10GHz以上时逐渐增大。因此，从降低接收噪声和大气衰减的角度来考虑，工作频段最好为1～10GHz。

还应指出，在进行卫星通信系统设计时，大气层中雨、雾、云的影响也是应该考虑的因素。在雨天或有雾、云的气象条件下，雨滴和雾对于较高频率（10GHz以上）的电波会产生散射和吸收作用，从而引入较大的附加损耗，称为雨衰。国际电信联盟推荐的雨衰计算公式为

图9.2 大气中不同分子对电磁波的吸收

图9.3 宇宙及大气噪声与工作频率的关系曲线图

图9.4给出了雨、雾、云对电磁波的吸收衰减的关系曲线图，实线为雨引起的衰减，虚线为云、雾引起的衰减。可知，当工作频率高于30GHz时，即使是小雨，引起的衰减也不能忽略。当工作频率在10GHz以下时，则必须考虑中雨以上的影响。

图9.4 雨、雾、云对电磁波的吸收衰减的关系曲线

除了上述两个方面，还应考虑如下要求：①有较宽的可用频带，以满足信息传输的要求；②与地面微波通信、雷达等其他无线系统间的干扰要小；③能充分利用现有的通信技术，并便于与现有地面通信设备配合使用；④要满足设备尺寸要求。综合上述要求，应将卫星通信频段选在特高频或微波频段。

3、卫星通信系统的组成

通信系统由卫星分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统、监控管理分系统（统称为跟踪遥测遥控和监视（TTC&M）分系统）及通信业务控制中心组成，如图9.5所示。

图9.5 卫星通信系统的组成

如前所述，通信卫星主要是起无线电中继站的作用，它的有效载荷主要包括通信转发器和通信天线，星上通信就是依靠通信转发器和通信天线来完成的。

3.1. 通信转发器

通信转发器是通信卫星中直接起中继站作用的部分，又称通信中继器。卫星上每个通信转发器都有接收机、变频器、功率放大器三个单元，实质上是一组宽频带的收、发信机。它是通信卫星中最重要的组成部分，其性能直接影响到卫星通信系统的工作质量。每个通信转发器都覆盖了一段频段，有利于降低通过同一功率放大器的载波数目，从而降低交调噪声，也便于卫星功率放大器的制造。

转发器电路结构根据性能要求不同通常分为透明转发器（弯管式转发器、非再生式转发器）与处理转发器（再生式转发器，具有交换和处理功能）。

透明转发器收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频和功率放大外，不做任何加工处理（如解调、基本信号处理等），只是单纯地完成转发的任务。它对工作频段内的任何信号都是“透明”的通路。这种转发器适合传送各种信号（模拟信号或数字信号），不对用户提过多的要求，有一次变频和二次变频两种方式。

一次变频式转发器将接收到的信号直接进行低噪声放大，经过一次变频和功率放大后，向地球站转发。这种转发器的优点是带宽较宽（一般为500MHz），转发器工作在线性范围内，非线性失真小，允许多载波工作，但它的增益较低、功率不大，适合载波数量多、通信容量大的系统，适于多址连接。

二次变频式转发器将接收到的信号经过变频，变到中频，功率加以放大和限幅（去干扰、调幅）后，再变频到发射频率，经功率放大后向地球站转发。这种转发器的优点是中频增益高（一般为80～100dB）、电路性能稳定，但中频带窄（一般为几十兆赫兹），工作在饱和状态时易产生非线性干扰，不适合多载波工作，适合容量不大、带宽较窄的系统。

处理转发器除了转发信号，还具有信号处理功能，包括解调、基带信号处理和交换、重新调制。与上述双变频透明转发器相比，处理转发器只是在两级变频器之间增加了信号解调器、处理单元和调制器。先将信号解调，便于信号处理，再经调制、变频、功率放大后发回地面。处理转发器由于上行信号在转发器上进行解调，可以滤除上行链路的噪声，避免噪声叠加积累。此外，上、下行链路可考虑不同的调制方式和分址方式，使星上交换成为可能，并大大降低地面设备功率要求，简化了地面设备。但这种转发器设备、技术复杂，功率损耗较大，造价也较高。

3.2. 通信天线

通信天线的主要功能是提供成形的天线波束，在工作频率段发送和接收信号。通信天线按其波束覆盖区的大小可分为三种。①全球波束天线：波束半功率宽度约为17.4°，恰好覆盖整个视区，天线增益为15～18dB；②点波束天线：波束半功率宽度为几度或更小，抛物面天线，方向性强，甚至只覆盖一个地球站，增益较高；③赋形波束天线（或半球波束、区域波束）。覆盖区域轮廓不规则，视服务区的边界而定，如图9.6所示。

图9.6 几种常用波束覆盖区域示意图

3.3 通信地球站分系统

卫星通信系统的地球站是微波无线电收、发信台（站），用户通过它们接入卫星链路进行通信。图9.7是典型的通信地球站组成框图，大体上可分为天线、馈线设备，发射设备，接收设备，信道终端设备，跟踪和伺服设备及电源设备。

3.3.1. 天线、馈线设备

天线、馈线设备的基本作用是将发射机发送来的射频信号变成定向（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，地面站的天线是收、发共用的，因此，要有双工器收发开关。

3.3.2. 发射设备

发射设备的主要任务是将已调制的中频（一般为70MHz）信号变换为射频信号，并将功率放大到一定的电平，经馈线送到天线向卫星发射。功率放大器可以是单载波工作，也可以是多载波工作。功率放大器的输出功率最高可达数百至数千瓦。

3.3.3. 接收设备

接收设备的主要任务是把天线收集的来自卫星转发器的有用信号，经加工变换后，送给解调器。通常，为了减少接收机内部噪声的干扰、提高灵敏度，接收设备入口的信号电平极其微弱，因此接收设备必须使用低噪声微波前置放大器。此外，为减少馈线损耗的影响，一般将该放大器安装在天线上。经由低噪声放大器输出的射频信号，要经过下变频变为中频信号，以便信道终端解调器进行解调。

3.3.4. 信道终端设备

信道终端设备在发射端的基本任务是，将用户发送来的消息加以处理，变成所采用的卫星通信体制要求的信号形式；在接收端则应进行与发射端相反的处理，使收到的信号恢复为原来的消息。

3.3.5. 跟踪和伺服设备

地球静止卫星并非是绝对“静止”的，地球站的天线必须经常校正方位和仰角，才能对准卫星。校正方式主要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，各地球站都具备；后者是利用一套电子、机电设备，使天线对卫星进行自动跟踪。

3.3.6. 电源设备

对于军事卫星通信系统，一年中要求99.9%的时间不间断地、稳定可靠地工作。电源系统必须满足这一要求。特别是大型地球站，一般要有几种供电电源，即公共电网、柴油发电机和蓄电池。正常情况下是利用公共电网，一旦公共电网中断，即由应急发电机供电，在发电机开机到正常运行前，由蓄电池短期供电作为过渡。平时，蓄电池由市电通过整流设备对其进行浮充，以备急用。为了保证高度可靠，发电机也应该有备份。