卫星通信[1]

TDMA卫星通信方式：第一部分TDMA卫星通信方式第一部分1.前言时分多址(TDMA)通信方式,是各站用所发数字信号调制同一无线频率,仅在特定的分配时间里发出电波进行通信的方式.这一通信方式的优点是,可充分发挥无线通信多址联接的特长,能用一部调制解调器与多个站同时进行通信,可使转发器工作在饱和状态(转发器输出的利用率达100)'缺点是收发信速度快,收发信须取得同步.近年来,随着数字通信技术的发展,卫星通信的趋向是FDMA方式将由从低速到高速得到广泛应用的TDMA方式所取代.此外,"用户无线通信",移动通信也在向TDMA方式的方向发展TDMA方式的硬件技术,初期是采用分立集成电路(Ic)'现在是低速处理部分采用微处理器,高速处理部分采用大规模集成龟路(LSI).在系统上,国际通信的同步基准——网同步等问题正在逐步得到解决,用一个波束覆盖工作区的单波束卫星通信将发展为用多个波束覆盖一个或多个工作区的多波束通信.在硬件技术方面,正在研究一种多波束卫星通信方式所必需的卫星交换——时分多扯(SS--TDMA)设备,这种设备能在星上选择交换输入输出突发信号.另外,为了能在在星上进行再生中继,各国正在研究星载TDMA设备.但如前所述,TDMA通信尚需如下一些复杂的功能,如压缩扩展,收发信同步,报头的生成以及与发信信号的合成,收信信号的分离等,这些技术尚欠成熟,需进一步研究开发.本文就TDMA方式的历史,实用TDMA卫星通信方式的原理及未来展望进行讨论.首先讨论的内容是TDMA通信的原理,包括同其他多址联接(MA)方式的比较,指出'I'DMA通信方式的特点及TDMA通信的发展概况.接着讨论TDMA通信的基本技术——收信同步,捕获发信同步及同步码的检出,并讨论TDMA通信用的突发脉冲^剐解调器及纠错方式.最后讨论TDMA设备构成,设备和系统举例,以及未来展望和研究课题.此外,往与TDMA设备一起使用的数字话音内插法(DSI),因不属TDMA方式特有技术,故本文不予涉及.2.概述±.1TDMA通信原理卫星通信中,位于能"旨到"同一颗卫星范围内的地球站,互相可』通过卫星直接进行通信.卫星通信的一大特点就是能做到多个站其用一个转发器互相进行通信(多址联接).多个站共用一个转发器,可避免通信电路之间的干扰.TDMA方式就是多址联接方式之一.TDMA通信的概念如图l所示.这一概念就是规定出收发信信号的基本周期——1TDMA帧(一定长度的时间,图1中表示为Tf),用在此帧内分配到的一对时隙跟对方站进行通信.下面讨论TDMA通信的基本功能.图1TDMA通信的概念(a)信息的压缩/扩展在TDMA通信中,是通过间歇(突发)发出无线电路信号进行信息的收发(通信)的, 因为是按时间分割使用同一额率的卫星电路,所以无线电路的传输速度远远高于可发送的数字信号的传输速度(通常为几倍～几千倍).为进~TDMA通信,须将终端或地面网发来的数字信号在时间轴上加以压缩,变换成高速突发信号.反过来,在收端接收到的是突发性高速信号,须扩展成与终端或地面网的时钟速度相同的信号.这种对信号的压缩/扩展过程是TDMA通信的特点之一.(b)同步为使各站发出的突发信号不致在卫星上相互重叠,须对各发信定时进行控制.为此各站具有共同的定时基准,设定发信定时(发信时间基准),须把各站到卫星的距离差考虑进去.从收信信号里检出特定的信号(基准站同步突发脉冲)作为时间基准的称作收信同步,决定向卫星发送信号的定时称作发信同步(或突发同步).例如,图1中的地球站一1是向TDMA帧的时隙T发出信号,而与地球站一1通信的地球站一n则向时隙T发送信号.这样一来,各站的发信信号在卫星的TDMA帻上按T.～T的顺序收信而不重台,卫星接收的信号被转发器放大后再发给各地球站.因此,上例中在时隙T.发出的信号,在地球站一n由时隙T接收.反过来,地球站一l接收地球站一n在时隙T发来的信号.(c)突发脉冲调制解调器.TDMA通信中,收和发的信号是突发脉冲信号,所以,稠铷解诩器颓在突发状态下工2作.这种调制解调器与收发连续信号的调制解调器不同,调制器只在有发信信号时才输出调翩信号,所以需要开关电路,而解调器为了能解调出收到的突发脉冲信号,需具有利用设置在各突发脉冲报头中的载波恢复码(cR)和时钟再生码(BTR)高速再生出载波和时钟的功能.(d)保护时间虽说是静止卫星,其实卫星在其轨道保持位置范围内还是经常秽动的.随着卫星与地球之间距离的变动(多普勒额移),收发信频率也会变动.所以,只要不是采用下述的SMAX网同步方式,突发脉冲串之间就需要一段无信号时间(保护时间GT).保护时间具有代表性的构成要素示于表1.它们的具体数值需根据卫星位置的保持精度,发信同步周期地球站H寸钟的AFC方式等参数分别加以研究.(e)帧结构决定TDMA帧周期的主要因素有:通信信号的容许时延"和压缩/扩展部分的存储量,建立TDMA同步基准的基准站同步突发脉冲的发信周期,突发脉冲(回路)的分配周期及修正各站发信时间位置的同步控制周期.通常多构成与上述3种周期相应的3层帧,TDMA的帧结构举例如图2所示.图中基帧(2ms)用于基准站同步突发脉冲的发信周期,复帧(20ms)用于分配突发脉冲的周期,面超帧(128Ores)用于控发信同步的周期.囊1保护时问的主要构成因素(--般站)单波束通信方式多波束通信方式反馈电路闭台电路(反馈电路)卫星距离变化率oo0发信时钟频率误差(簇差)o0O多昔勒频率误差o0O数字处理突发位置误差检出O(基准站)O(一般站)0(基准站)量亿误差l收发信同步控制O0O每转发器系统*在星上距离差O"OO基准站突发脉冲同步误差O,.●只在转换转戋器时需要鲁÷转戋器.星藏中继器构成帻的脉冲分为基准站同步脉冲(R,R),一般站同步腺冲(N),数据脉冲(D)及起始捕获脉冲,分别用于TDMA时间基准(从两个基准站发信)一般站时间基准,可发信的信息及起始捕获时的信号传输..备突发脉冲串中带有称作报头的前置码.报头由上述的保护时间(GT),载波恢复码3Ir———————一tI._l————————J匝巫囹丑强羹揎突靛(.I匝卫量硇丑工j]固和峙捕获寰发订订图2TDMA帕结拘举例时钟再生码蕨同步码(uW:独特鹃)构成.在这一部分进行载波恢复,时钟再生后,捡出同步码,从而获得TDMA同步时间基堆或应接收的数据的时阊位置.TDMA帧效率q可用下式定义:rt=(1帧中的有效信息毕特数/'1帧中的全部信息毕特数)×100(1)因此,为提高帧效率,就须缩短不直接传输信息的报头长度.具体地说,就是耍缩短CR,BTR及uw的长度,这就给在突发状态下工作的解调器提出一个研究课题.从提高填效率的观点来看,缩短保护时间也是很重要的.对应各种速度的信息及业务量变动的帧有两种构成方法,一是假设各数据脉冲串长度一定,使每1帧发出的脉冲数变化}二是假设每1帧的突发次数不变,而改变突发脉冲帚的长度.前者每一次突发都需要报头,视在帧效率比后者差,但在收发由各种速度构成的信息的场合,特别是在每呼叫一次分配一次电路的按需分配(DA)的场合,不会像晶者那样出现所谓"掉牙"现象,实质上可达到高的帧效率.反之,后者在周定分配电路的预分配(PA)龅场台,实质上也能达到高的帧效率.电路分配有如下几种方法:收发信信道均可改变的按需分配(DA),只可改变收信的耳标地址(vD),其可改变发信的起始地址(V0)后两者总称为变址(vA).(f)与地面无线通信的差别上面介绍了TDMA通信的原理,但卫星TDMA通信与地面无线(用户无线)TDMA 通信之间有授大的差别.卫星TDMA通信中,卫星位置的变动(多普勒频移),常引起传播路径及收信时钟的变化,而在地面无线TDMA通信中,只要不是以移动站为对象,就没有这种现象.传播路径长度厦收信时钟的变化,使得卫星ToMAtO.信比地面无线TDMA~信复杂多了,如保护时间的设定,从收端随时间位置变化的信号中检出同步码,跟踪发端卫星帧的实时发信定时的控制以及把收到的多普勒频移时钟换读威无多普勒频移时钟等.2.2与其他多址联接方式的比较多址联接方式,除TDMA方式外,还有频分多址联接(FDMA)及要求抗干扰,高保密的军用码分多址联接(CDMA)方式.(a)FDMAFDMA是将卫星转发器的频带加以分割分配给各地球站的方式.各地球站把发信及收信频带按对分配互相进行通信.顿分多址联接方式,根据用载波发送的信号是单渡遭还是多波遭,又分为每载波单路《s'CPC)和每载设多路(MCPc)方式(b)CDMA是给各地球站分配特定的码,再用这个码去调制(二次调制)通常的调制(例如PsK 调制等,在CDMA方式中往往称作一次调制)信号互相进行通信(两个调翩顺序反过来也可以)的方式.本方式与其他方式的不同点是,用一个转发器把频率和时间重叠的信号放大后,再向地球站发信.收信地球站用与发信站相弼的码从这些信号中进行逆调制,获得希望的一次调制信号,接着进行普通的解调,获得基带信号.在逆调制过程中,希望信号被压缩到硪来的带宽,所以,希望信号功率中只有处理增益部分得到了放大(BW/2f'其中,BW是扩展后的带宽,f是信号时钟频率).另一方面,其他电路信号及热噪声在逆调制过程中均不变化而保持一定,所以一次解啊器输入载噪比(CNR)只因处理增益被放大而得到了改善.表2按传输信号,复用等对上述多址联接方式加以分类,各自的特点示于表3.这些方式各有优缺点,可根据各种不同的目的加以采用.裘2多址联接方式的分类方式传输信号复用谓翩方式举侧同时放大载波数/转发器SCPC模拟/数字——低速FM/PSK}(连续或突发状态)FDMA多载波低速FM/PSKMCPC模拟/数字FDM/TDM(连续或囊发状态)TDMA数字TDM~PS.K(突发状态)单载波多载波CDMA,数字TDMPSK(突发状态)(频谱有重叠)表8多址联接方式的特点方式;优点j缺点FDMA(1)调制器工作速度低(2)不需复杂同步即可避免同其他站发信信号的干扰,容易实现多址联接.(3)可采用小地球站通信.(1)每一转发器的传输容量小(随着载波数的增加,传输效率明显降低).(2)不易适应各种速率的数字信号传输.5可最大限度利用转发器的发(D蛊(2)信功l(1)需采取同步措施避免同其他站发j信信号的干扰,基带处理电路复杂.容易传输各种速率的数字信号.(3)可灵活处理各站电路容量的变化.(4)容易实现多波束通信方式的波束间联接.(2)发信功率须与每一转发器相对应.I(1)固定分配各站波道(码),并可I(1)-N要宽频带转发器. CDMA!按需分配.!(2)频谱利用率(bit/s/Hz)低.每一转发器的传输容量是表示多址联接方式性能的重要参数之一,如图3所示,它是随接续数(/转发器)而变化的.FDMA方式中,传输容量随接续数的增加而降低,这是因为,由于转发器的非线性,多载波间的交调噪声随载波的增加——转发器输入功率的增加而增大了.因此,收发话音信号时,有时要采用话音激活技术(只在有话音时才向卫星发出信号),以降低转发器输入功率.CDMA方式的传输容量比其他两种方式小,这是因为转发器的频带受到限制,得不到充分的处理增益,波道数受到期燃,墓■靖辑图3多址复用联接方式中,载波敷与侍输容量(/转发器)的关系举例载波问干扰噪声的限制.另一方面,在TDMA方式中,由一个转发器间歇放大的载波是单波,所以,即使接续站数增多,也不需要转发器输入的回遇,只是由于TDMA~信所必需的报头等额外消耗,才使传输容量降低一些.由此可知,以通常的站数为前提的场台,TDMA多址联接方式可使每一转发器的传输容量达到最大同FDMA方式相比,TDMA方式有如下特点:(i)可最大限度利用卫星转发器发信功率如前所述,FDMA方式是用一个转发器放大多/卜载波,不能让转发器在饱和区工作,而TDMA方式是用一个转发器只间歇放大单载波,所以可让转发器在饱和区工作. (ii)容易传输各种速率的数字信息TDMA方式传送各种速度的信号不需特殊的电路,只增减每一单位时间(具体为帧周期)发出突发脉冲串的次数或改变突发脉冲串的长度就行了.(iii)容易实现多波束通信的波束间联接在多波束卫星通信方式中,用不同波束覆盖的地球站,如果不在星上连接各通信信道,6就不能相互通信]~TDMA方式各突发脉串间有保护时间,所以,通过在这个保护时间里换接各通信信道,很容易设定波束间的通信信道.2.8发展历史(1)历史TDMA~.信方式的开发史可追朔到1966年,当时,美国通信卫星研究所开发出第一颗卫星,通过它作了6Mb/8TDMA(MATE~)的实验'".实验证明,TDMA突发脉冲串间的保护时间是个现实的数值(本侧为2O0ns以下),明确了可以有效实现TDMA系统.1868年日本NTT电气通信研究所进行了13.644Mb/sTDMA(SMAX)方式的实验l;大致在同一时期,美国通信卫星研究所开发了突发脉冲串长度可变~5OMb/s~ITDMA(M—AT—1)方式,并做出了有实用价值的TDMA~备|而日本KDD研究所开发了传输速度为50Mb/s的时间一预分配TAsITDAA(TTT)方式1970年进行了后两者的双向实验.sMAx的最大特点是,在星上各站发来的突发脉冲串的时钟相位一致(取得网同步).从而,在此方式中,保护时间用一个码元即可,帧效率高.sMAx方式在电路分割方法上实现TVD方式,与PA方式相比,接续站数在20个以上,传输效率高一倍.MAT—l方式采用突发脉冲串长度可变的收信地址可变方式(1次突发/站),它是按需决定各站突发脉冲串长度的.TTT方式不是按需而是按照电路分配时间表改变突发脉冲串长度,基本上是固定分配方式,通过采用时分话音内插(TASI)技术,电路效率相当于按需分配方式.后来,各国进行了各种开发研究,世界上最早的商~TEMA系统t(传输容量为400 路话音)是加拿大于1976年推出的.日本NTT公司1982年应用了TDMA--60M和TDMA--1OOM方式",这两种方式与SMAX方式同样采用时钟完垒同步方式和低电平捕获法.前者的传输容量约为60Mb/s(480×64kb/s双向话音波道),是世界上头一个应用30/2OGHz频段的商用卫星通信系统.另一方面,国际通信卫星组织的TDMA~星通信方式,也在经过种种变迁之后选择了下述两种系统,~3OMHz带宽的转发器传输速度为6OMb/7s[;~TDMA系统]~72MHz 带宽的转发器传输速度为120Mb/s的TDMA系统.从1985年起,国际通信卫星组织一v号卫星带有效字话音内插的12OMb/sTDMA 方式投入了商用.(2)研究开发要点TDMA方式的研究开发要点集中在如下两个方面;①如何在频带受限情况下使传输容量达到最大}②如何在卫星发信功率受限情况下使传输容量达到最大.下面从传输容量(/转发器)的观点来讨论TDMA方式的性能.(a)频率受限条件下的传输容量传输容量T.(信遒)可用压缩率C.(BR/BR:TDMA时钟/信道发信信号时钟), TDMA~1纠错编码率R表示如下式:T:?R?e.(2)7转发器频带(B)是有限的,设额谱利用率为(bit/s/I-Iz),则BR-根据Bw和由式(3)加以限制:BR.≤B?"qf(3)因此,传输容量T可使用这些参数用式(4)表示:T=-q.?R?B/BR:(4)(b)功率受限条件下的传输容量在传输容量由发信功率决定的场合,TDMA时钟速度受到上限的限制.设电路中断指标E./N'.(dB)及c,N'dB)分别表示为(E/N.3TA(C/N3h,两者健BR.及B有式(5)的关系,为在一定C/N条件下获得所希望的E/No,BR存在有上限. [E/N.]=[C/N]一[BR/B](5)式中,[BR/B]=101gI.(BR-/B,)因此,传输容量T受式(6)的限制.T1-R?(B/BR)?1O([C/N]一[E/N.]T)(6)从以上分析可以说,TDMA通信的研究历史,主要是如何使式(5)和式(6)给出最大的T的历史.例如,为使1大,需缩短①载波恢复码,②时钟再生码,③独特码,④保护时间,并需@加长帻的长度'为缩短④和②,需研究具有快捕和低滑动特性的突发脉冲解调电路l为缩短@,需研究同步码,为缩短④,需研究高稳定时钟,AFC/APC方式及同步方法,另外,@的帧长随着随机存贮器(RAM)容量的增大而加长,大大有助于提高帧效率. 同样,为提高频谱利用率(1),需开发在非线性电路中误码率(或E/N.>恶化小且频谱宽度窄的调制解调方式,研制LB2相相移键控(PSK)效率更高的4相PSK 方式,偏移i相PSK方式,编码PSK方式等.当然,除了上述研究外,为使设备更经济,体积更小,并扩大其应用领域,还进行了LST化和IC化的研究.文献(1)宫:"新版衡星通信工学",予于(昭17)(2)川橘:"南星通信",j口于社(昭51).(3)J.J.SpiIker:"Digitalcommunicationsbysatellite".Prentice—Hall (1977).(4)宫:南星通信技衍,鬣子通信学会(昭55).(5)K.Feher:"Digitalcommunicationssate11ite/Earthstationengineeti—ng".Prentice—Hall(1981)-(6)V?K?Bhargava,D.Haccoun.R.MatyasandP?Nusph"DigitalCOrn—municationsbysatellite",JohnWileY&Sons(1981)(7)宫内,野坂:"岁衡星通信",麈棠因耆(昭60)8(8)官肉,更田,山本:"榭星通信一,柬柬鼋视大学出版局(昭6o,.(9)W.L.PritchardandJ.A.Scfuln:"SatelliteCommunicationSystems Engineering",Prentice—Hall(1986)?(10)CCI'J■RecommendationG.114"MeanOne-wayPropagationTime"? (I1)T?SekimotoandJ.Puentel"ASatdliteTimeDivisionMultiPleA- ceessExperiment",mun.,CON[-16,8(196g).(12)M?Takada,S.Nakamura,S?Kondo,Y.InoutM.OnoandH.Ikeda: "NewPCM-TDMASatelliteCommunicationSystemandV affable Destination",Int.Conf.onDigitalSatelliteCommunication(1969).(I3)W.G.Schmitt,O.G.Gabbard,E.R.CacciamaniW.G.MailletandW? W.Wu:MA T一1.INTELSTsExperimental700-channelTDM—A/DASYstem",ibid.(14)K.Nosakal"TTTSystem50MbpsPCMTDMASystemithTims PrcassignmentandTASIFeatures",ibid.(15)R.K.K*Aan:"TheTELESATTDMASystemICC75(June1975).(16)K.MiY auchi,H.FuketaandY.Watanab~:"DigitalTechniquefor DomesticSatolliteCommunicationSystemsofNTT",7thAIAA(1978).(17)INTELSA TTDMA/DSISYSTEMSPECIFICATIONBG一42—65E (1981).(上接18页)(20)T.FujinoandK.Fu.~iwara:"Multi—dimensionalSoft—DecisionUnique WordDetectiOn",ICC86(1985).(21)守茸,梗本,力口藤I"低c/N时汇糟时五:一,一F横出特性0一改善法", 昭6l信学穗全大,sl6—8。

星通信从1960年代就开始进入应用；随着空间通信的需求,近年来卫星通信的场景急剧扩大。

早期应用中卫星通信大多是在卫星和地面站之间进行，地面站是固定带有大型抛物面天线。

在最近应用中已经发展到能够实现卫星和小型终端(如移动终端(UE)、物联网设备、GNSS终端)之间的通信并且可以覆盖无人机和飞机等空中物体。

图1.卫星通信和应用卫星通信类型根据其用途卫星被放置在各种不同的轨道上。

一般来说卫星轨道离地球越远，它可以覆盖的区域更广，但会导致更大的延迟。

相反当轨道更靠近地球时，延迟会变短，但单个卫星覆盖的区域会变小。

因此需要大量的卫星来覆盖地球上更广泛的区域。

目前卫星通信系统根据其卫星轨道距离地球的高度分为高(GEO)、中(MEO)、低(LEO三类(卫星参数见图2)；其中大多数宽带通信或低成本卫星系统部署在低地球轨道(LEO)上。

图2.通信卫星基本参数对比卫星通信频率分别使用低、中、高频段；近年来随着低频段饱和系统提供更宽的带宽，通信频率变得越来越高。

目前使用的频段列表如下：•L波段(1-2 Ghz)•S波段(2-4 Ghz)•C波段(4-8 Ghz)•X波段(8-12 Ghz)•Ku波段(12-18 Ghz)•Ka波段(26-40 Ghz)•V波段(40-75 Ghz)•E波段60-90 Ghz）*Ka 波段与5G/NR FR2频率重叠；C波段与5G/NR FR1频率重叠。

通信卫星系统目前许多国家都拥有卫星通信系统分别用于宽带(如WiFi服务)、移动通信和物联网，世界上著名的卫星通信公司分别如下：•Starlink•Kuiper•OneWeb•SpaceMobile•Iridium•SWARM•Lacuna[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)][color=rgba(0, 0, 0, 0.5)]收录于合集[color=var(--weui-LINK)]#卫星通信[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)] 2个。

66SYS SECURITY 系统安全二、卫星通信质量保证措施（一）加强技术融合和关键技术创新在下一阶段工作中，加强技术融合与关键技术创新能消除诸多影响因素的影响，所以工作人员需要充分了解现有技术的发展现状，并从多个技术角度进行创新，这是强化系统性能的重要组成部分。

常见的技术措施包括：（1）实现卫星天线距离标准化，通过正确安装天线，避免天线旁瓣传输等问题发生。

在正确安装天线后，严格控制天线之间的距离，这是降低干扰的有效手段。

（2）天线的接入口位置需要进一步明确使用要求，例如严禁不足1m 的天线入网。

这是因为在天线不足1m 的情况下，会造成系统容量下降，并且小天线也会控制旁瓣辐射变化；注意检查天线旁瓣，通过卫星接收站向发射方向检查天线并评价发射旁瓣的性能，对于所有没有满足天线旁瓣特征的卫星接收站均不能入通信网络。

同时，还需要采用多种使用手段将减低传输非线性互调干扰问题，本文提出的技术创新思路包括：（1）卫星接收站与转发器的功率放大器的输出功率会对饱和输出功率产生直接影响，所以可留有一部分输出回退量，这种方法可以降低彼此之间的干扰影响。

（2）针对用户的入网需求做检验，保证卫星接收站与用户之间的相互抑制比良好，行波管放大器不足-24dBc，需退回7dB；固态放大器不足-27dBc 的，功放回退6dB [2]。

（3）降低互调干扰，通过线极化技术，使功放率维持在理想状态。

如行波管放大器，采用均衡器做载波补偿，这种方法能够显著降低相互干扰所造成的功率损失问题。

（二）优化卫星信道分配在卫星通信过程中，采用动态信道分配管理模式能够进一步强化卫星通信质量。

目前所使用的动态信道分配（DCA）模式中的所有波束均没有固定的信道，并且所有信道都可以在任意的波束内使用，但是需要在网控摘要：卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信，基于我国通信技术发展现状，论文主要介绍影响卫星通信质量的主要因素提出加强技术融合和关键技术创新，优化卫星信道分配，优化卫星接入通信管理与切换，进行卫星通信网信令系统开发和设备更新与维护等相关措施，旨在构建覆盖面积广，通信容量大和通信稳定性好的卫星通信系统。

名词解释：1 卫星通信：是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

2 宇宙通信：以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信称为宇宙通信。

3 摄动:对静止卫星来说,由于地球结构的不均匀和太阳,月亮的引力的影响等,将使卫星轨道参数随时变化,不断偏离出开卜勒法则确定的理想轨道,产生一定的漂移这种现象称为摄动.填空：1 宇宙通信包括三种形式：（1）（地球站）与（宇宙站）之间的通信，（2）（宇宙站）与（宇宙站）之间的通信，（3）通过宇宙站的（转发或反射）进行地球站之间的通信。

2 卫星通信系统通常由（通信卫星），（地球站）（跟踪遥测及指令系统）和（监控管理系统）等四大部分组成。

3 通信卫星主要由（天线分系统），（通信分系统），（遥测指令系统），（控制分系统）和（电源分系统）等五部分组成。

简答：1卫星通信与其它通信手段相比，具有哪些明显的特点？答：（1）通信距离远，且费用与通信距离无关；（2）覆盖面积大，可进行多址通信；（3）通信频带宽，传输容量大；（4）机动灵活；（5）通信线路稳定可靠，传输质量高。

2 简述卫星通信的基本工作原理。

答：首先，经市内通信线路送来的电话信号，在一个地球站的终端设备内进行多路复用，成为多路电话的基带信号，在调制器中对中频载波进行调制，然后经上变频器变换为微波频率f1的射频信号，再经功率放大器、双工器和天线发向卫星。

这一信号经过大气层和宇宙空间，信号强度将受到很大的衰减，并引入一定的噪声，最后到达卫星。

在卫星转发器中，首先将微波频率f1的上行信号经低噪声接收机进行放大，并变换为微波频率较低的下行频率f2的信号,再经功率放大，由天线发向收端地球站。

由卫星转发器发向地球站的载波频率f2的信号，同样要经过大气层和宇宙空间，也要受到很大的衰减，最后到达收端地球站。

由于卫星发射功率较小，天线增益较低，所以收端地球站必须用增益很高的天线和噪声非常低的接收机才能进行正常接收。

B09231 刘洋扬20094023129卫星通信技术一、前言卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波的通信，自20世纪90年代以来，卫星移动通信的迅猛发展推动了天线技术的进步。

卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。

到目前为止，全世界已建成和正在建立的卫星通信系统由数十个。

人们对卫星通信的新体制、新技术继续进行了广泛、深入的研究和试验，取得了很大的提高和发展。

二、卫星通信原理卫星通信之所以存在，是因为地球的形状是一个圆形球体。

由于用于宽带通信的无线电电波是以微波频率沿直线传播的，因而长距离通信需要利用中继传送信号。

卫星可以连接地球上相聚数千米的地点，因而十分适合作为长途通信中继器的安装点。

（一）卫星通信的概念卫星通信是指利用人造卫星做中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行通信。

卫星通信是地面微波接力通信的继承和发扬，是微波接力的一种特殊形式。

（二）卫星通信系统的组成卫星通信系统由空间段和地面段两部分组成。

1.空间段空间段以卫星为主体，并包括地面卫星控制中心（SCC）、跟踪、遥测和指令站。

卫星星载的通信分系统主要是转发器，现代的星载转发器不仅能提供足够增益，而且具有处理和交换功能。

2.地面段地面段包括了支持用户访问卫星转发器，并实现户间通信的所有地面措施。

卫星地球站是地面段的主体，它提供与卫星的连接链路，其硬件设备与相关协议均适合卫星信道的传输。

三卫星通信优缺点( 1)卫星通信覆盖区域大，通信距离远。

因为卫星距离地面很远，一颗地球同步卫星便可覆盖地球表面的1/3，因此，利用3颗适当分布的地球同步卫星即可实现除两极以外的全球通信。

卫星通信是目前远距离越洋电话和电视广播的主要手段。

(2)卫星通信具有多址联接功能。

卫星所覆盖区域内的所有地球站都能利用同一卫星进行相互间的通信，即多址联接。

根据IEEE 521-2002标准，X波段是指频率在8-12 GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。

而在某些场合中，X波段的频率范围则为7-11.2 GHz。

通俗而言，X波段中的X即英语中的“extended”，表示“扩展的”调幅广播。

X波段通常的下行频率为7.25-7.75 GHz，上行频率为7.9-8.4 GHz，也常被称为7/8 GHz 波段（英语：8/7 GHz X-band）[1]。

而NASA和欧洲空间局的深空站通用的X波段通信频率范围则为上行7145-7235 MHz，下行8400-8500 MHz。

[2][3]根据国际电信联盟无线电规则第8条，X频段在空间应用方面有空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。

雨衰减对X频段的信号传输有一定的影响。

鉴于ka频段具有可用带宽宽，干扰少，设备体积小的特点。

因此，ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务、直接到家庭（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。

ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的需求较高，但这些都可以采取相关技术手段予以克服。

总之，ka频段卫星通信系统主要是在提供双向多媒体业务方面具有较大优势。

其他微波波段波段名称频率范围波长范围波段名称频率范围波长范围L波段 1 - 2 GHz300.00 - 150.00 mmS波段 2 - 4 GHz150.00 - 75.00 mmC波段 4 - 8 GHz75.00 - 37.50 mmX波段8 - 12 GHz37.50 - 25.00 mmK u波段12 - 18 GHz25.00 - 16.67 mmK波段18 - 27 GHz16.67 - 11.11 mmK a波段27 - 40 GHz11.11 - 7.50 mm Q波段30 - 50 GHz10.00 - 6.00 mmU波段40 - 60 GHz7.50 - 5.00 mm V波段50 - 75 GHz 6.00 - 4.00 mmE波段60 - 90 GHz 5.00 - 3.33 mm W波段75 - 110 GHz 4.00 - 2.73 mmF波段90 - 140 GHz3.33 - 2.14 mm D波段110 - 170 GHz2.73 - 1.76 mm。

常用卫星通信天线简介天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣影响整个通信系统的性能。

地球站与卫星之间的距离遥远，为保证信号的有效传输，大多数地球站采用反射面型天线。

反射面型天线的特点是方向性好，增益高，便于电波的远距离传输。

反射面的分类方法很多，按反射面的数量可分为双反射面天线和单反射面天线；按馈电方式分为正馈天线和偏馈天线；按频段可分为单频段天线和多频段天线；按反射面的形状分为平板天线和抛物面天线等。

下文对一些常用的天线作简单介绍。

1．抛物面天线抛物面天线是一种单反射面型天线，利用轴对称的旋转抛物面作为主反射面，将馈源置于抛物面的焦点F上，馈源通常采用喇叭天线或喇叭天线阵列，如图1所示。

发射时信号从馈源向抛物面辐射，经抛物面反射后向空中辐射。

由于馈源位于抛物面的焦点上，电波经抛物面反射后，沿抛物面法向平行辐射。

接收时，经反射面反射后，电波汇聚到馈源，馈源可接收到最大信号能量。

图1 抛物面天线抛物面天线的优点是结构简单，较双反射面天线便于装配。

缺点是天线噪声温度较高；由于采用前馈，会对信号造成一定的遮挡；使用大功率功放时，功放重量带来的结构不稳定性必须被考虑。

2．卡塞格伦天线卡塞格伦天线是一种双反射面天线，它由两个发射面和一个馈源组成，如图2所示。

主反射面是一个旋转抛物面，副反射面为旋转双曲面，馈源置于旋转双曲面的实焦点F1上，抛物面的焦点与旋转双曲面的焦点重合，即都位于F2点。

从从馈源辐射出来的电磁波被副反射面反射向主反射面，在主反射面上再次被反射。

由于主反射面的焦点与副反射面的焦点重合，经主副反射面的两次反射后，电波平行于抛物面法向方向定向辐射。

对经典的卡塞格伦天线来说，副反射面的存在遮挡了一部分能量，使得天线的效率降低，能量分布不均匀，必须进行修正。

修正型卡塞格伦天线通过天线面修正后，天线效率可提高到0.7—0.75，而且能量分布均匀。

目前，大多数地球站采用的都是修正型卡塞格伦天线。

卫星通信试题一、（基础部分）1. 在卫星通信系统中，通信卫星的作用是（中继转发信号）。

2．静止轨道卫星距离地球表面（36,000公里左右）3．位于静止轨道上的通信卫星（相对于地球并不静止，会在轨道上几公里至几十公里的范围内漂移）4．属于Ku波段的频率范围是（. 12.5-15GHz）5．GPS系统使用的1200MHz/1500MHz左右的微波信号属于（ A L波段）。

6. 在卫星通信的多址联接中，采用不同工作频带来区分不同地球站的方式称为（A FDMA）。

7. 在卫星通信的多址联接中，采用不同的工作时隙来区分不同地球站的方式称为（TDMA）。

8. 利用公安卫星通信网召开电视电话会议时，采用的信道分配方式是（按需分配频段）。

9. 在公安卫星通信地球站使用的VSAT设备中，简称为TES的设备是（电话地球站）10. 在公安卫星通信地球站使用的VSAT设备中，简称为PES的设备是（个人地球站）11．在公安卫星通信系统中，被称为QD的设备是（单话音站）12．在公安卫星通信系统中，被称为HES的设备是（单话音站）(专业部分)13．由地球站发射给通信卫星的信号常被称为（上行信号）14．由通信卫星转发给地球站的信号常被称为（下行信号）15．VSAT指的是（甚小口径卫星地球站）16．在制作IFL电缆时，必须在电缆接头上使用热缩套管的主要原因是（防止雨水渗入接头，以免影响接头连接的可靠性和使用寿命）17. 对于地球站发射系统而言，其发射频带宽度一般要求在（500MHz以上）18. 衡量地球站发射信号能力的参数是（EIRP）19. 衡量地球站接收信号能力的参数是（G/T值）20．对Ku波段卫星通信的可靠性影响最大的气候现象是（夏季长时间的瓢泼大雨）21．在以下波段中，大气衰耗最小的是（L波段）22. 通信卫星上的转发器实际上是一套（宽带收发信机）23．在通信卫星的转发器中使用双工器的原因是（为了实现收发共用一付天线时的信号分离）24．SCPC的含义是（单路单载波）25．公安卫星通信网的中心站设在（公安部）26．DAMA的含义是（按需分配，多址接入）27．LNA指的是（按需分配，多址接入）二、多选题（共28题）1. 利用通信卫星可以传输的信息有（电话、电话、图像、数据）2. 与地面微波中继、陆地移动通信相比，卫星通信的主要特点有（覆盖范围大、通信链路稳定，抗自然灾害能力强、通信费用与距离无关、能同时实现多个相距遥远的地球站之间的通信联接）3. 卫星通信系统主要由（通信卫星、地球站）组成。

卫星通信链路总结目录前言 (1)1 .天线增益,等效辐射功率和接收功率 (1)2 . 传输损耗 (3)3 .系统噪声温度 (3)4 .载噪比 (8)5 .上行链路 (9)6,下行链路 (10)7 .雨水衰减 (10)8 .联合载噪比 (11)9 .互调噪声 (12)前言1.空间链路狭义上分为上行链路和下行链路，如果不考虑卫星组网的情况，就是一颗卫星做中继，两个地面终端通信的场景。

上行链路和下行链路都有很大的损耗，计算这些损耗和衰落，是设计卫星通信产品的重要指标。

2.整个通信过程可以大致理解为地面站一一卫星转发器一一地面站3.接下来我们就从地面的发射机天线讲起，将整个链路讲清楚4.在工程中，我们经常将数值转换为db的形式，在本文中口则为某数据的db 值例如天线增益G为10410Λ4,贝∣J[G]=101gG=40dB[G]=101gG=40dB1.天线增益,等效辐射功率和接收功率为了提高天线定向辐射的能力，通信天线的定向性都很强，但计算中不容易。

我们会引入线的增益的概念。

假如现有一个定向天线，它的输出功率为PsP_s,增益为GG就意味着该天线等效为一个输出功率为PsGP.sG的各向同性天线。

将天线等效为各向同性天线后，这个天线在空间中等距离球面的各点辐射相同。

在发射天线和接收天线对准的情况下，等效全向天线的计算结果和原定向天线的计算结果相同。

举例来说就是发射天线输出功率PsP-S,那么发射天线的等效全向辐射功率(11)E1RP=GtPsEIRP=GJP_s∖tag{1-1}发射天线辐射的电磁波强度至于距离有关，辐射功率通量密度(1・2)①m=EIRP4πr2\Phi_m=\frac{EIRP}{4\pir^2}∖tag{1-2}接收天线的增益GrG_r接收天线的有效面积(1-3)Se=λ2Gr4五S-e=∖frac{∖1ambda^2G_r}{4∖pi}∖tag{1-3}发射天线的接收功率(1-4)Pr=ΦmSe=GtGrPs(入44r)2P_r=\Phi_mS_e=G_tG_rP_s(\frac{\1ambda}{4\pir})^2∖tag{1-4}用分贝的语言表示(1-5)[EIRP]=[Gt]+[Ps][EIRP]=[G.t]+[P.s]∖tag{1-5}(1-6)[Pr]=[EIRP]+[Gr]d10Ig(4πrλ)2[P_r]=[EIRP]+[G_r]-101g(\frac{4\pir}{∖1ambda})^2∖tag{1-6}其中等号右边第三项被称为自由空间损耗[FS1](1-7)[FS1]=201g(f)+201g(r)+201g4πc[FS1]=201g(f)+201g(r)+201g∖frac{4∖pi}{c}∖tag{1-7}其中频率单位为MHz,距离单位为km,FS1为比值无单位则光速单位为km*MHz=109m∕s1(P9m∕s,所以c=0.3km*MHzc=0.3km*MHz(1-7)的第三项(1-8)201g4πc=201g4*3.140.3=32.4201g∖frac{4∖pi}{c}=201g∖frac{4*3.14}{0.3}=32.4∖tag{1-8}自由空间损耗FS1的计算(1-9)[FS1]=201gf+201gr+32.4[FS1]=201gf+201gr+32.4∖tag{1-9}补充天线增益的计算公式，在卫星通信中，反射面天线的使用尤为广泛，近年来有向微带天线等体积更小，增益更大的阵列天线发展的趋势，但我们只在此介绍反射面天线的增益的计算公式(I-IO)G=η(πDλ)2=η(πfDc)2G=∖eta(∖frac{∖piD}{∖1ambda})λ2=∖eta(∖frac{∖pifD}{c})λ2∖tag{1-10}参数表中频率比波长更常见,公式(1-10)中n∖eta是孔径效率，有两个典型值，0.55和0.72.D是反射面口径当频率单位GHz,反射面口径单位m,光速单位m*GHz=109m∕s10^9m∕s,c=3×IO-ImGHzc=3∖times1O^{-1}m∖cdotGHz将常数带入：(I-I1)G=η(10.47fD)2G=\eta(10.47fD)A2\tag{1-11}根据(1・6)我们得到了一条链路的两端，计算出了最后接收功率。

第一章卫星通信概述知识点1．卫星通信的概念？卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

Eg：有卫星参与的通信就是卫星通信（错）（！卫星通信最终要实现地球站之间的通信）2 ．卫星通信上下行链路概念？以及上下行链路使用频率的表示方式？上行链路：从地球站发射信号到通信卫星所经过的通信路径下行链路：通信卫星将信号转发到其他（另一）地球站的通信路径表示方式：6Ghz（上行频率）/4Ghz（下行频率）3 ．静止轨道卫星的概念？，高度？，微波传播的时延（单程和双程）？静止轨道卫星：相对于地球表面上的任一点，卫星的位置保持固定不变高度：距地面高度为35860公里微波传输时延（传输时延较大）：单程0.27s，双程0.54s4 ．日凌中断和日蚀中断产生的原因、时间以及应对的策略？日凌中断日蚀中断产生原因卫星、太阳和地球站接收天线在一条直线上，太阳噪声进入接收天线，造成通信中断卫星运行到地球的阴影面，太阳能电池板无法充电，而星载蓄电池只能维持卫星自转，不能支持转发器工作产生时间每年春分前和秋分前后的6天左右，每年两次，每次约3~6天每年春分前秋分前23天开始，于春分前秋分后23天结束，每次持续时间约10分钟，完全日蚀最长持续72分钟应对策略“避让”、“换星”大容量蓄电池5.为什么地球同步卫星在高纬度地区通信效果不如低纬度地区？PPT高纬度地区地面地形（复杂）；地球表面杂波；两极地区接收天线仰角太小（需要极地轨道卫星辅助）6.地球站的总体框图？及其各部分的作用？地球站总体框图：书p8图1-6（/PPT）各部分作用：（1）天馈设备——将发射机送来的射频信号经天线向卫星方向辐射，同时它又接收卫星转发的信号送往接收机（2）发射机——将已调制的中频信号，经上变频器变换为射频信号，并放大到一定的电平，经馈线送至天线向卫星发射（3）接收机——从噪声中接收来自卫星的有用信号，经下变频器变换为中频信号，送至解调器（4）信道终端设备：将用户终端送来的信息加以处理，成为基带信号，对中频进行调制，同时对接收的中频已调信号进行解调以及进行与发端相反的处理，输出基带信号送往用户终端（5）天线跟踪设备：校正地球站天线的方位和仰角，以便使天线对准卫星（6）电源设备：供应站内全部设备所需的电能7.衡量地球站发射性能的指标？衡量地球站的接收性能的指标？总体性能指标：工作频段；天线口径；等效全向辐射功率；——发射性能接收品质因数；——接收性能偏轴辐射功率密度的限制。

1.卫星通信的相关基本概念及特点卫星通信的定义：卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

宇宙无线电通信的定义：宇宙无线电通信指以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信方式，简称宇宙通信。

卫星通信属于宇宙无线电通信中的第三种方式，是地面微波中继通信的发展，是微波中继通信的一种特殊方式。

微波通信的特点1.波长短－100厘米至1毫米2.直线传播，视距通信（Line-of-Sight）3.最大通信距离受地球曲率限制4.微波通信天线铁塔的高度：50－60米，则其视距通信距离：约50公里。

计算公式：其中，r为地球半径，6378km h为中继站天线到地面的高度。

2.静止卫星的相关概念如满足条件、覆盖参数等静止卫星：卫星的位置相对地球站呈静止状态，即同步卫星。

静止卫星的条件：✧卫星的运行轨道在赤道平面内✧卫星运行的轨道形状为圆形轨道✧卫星距地面的高度约为35786.6km✧卫星运行的方向与地球自转的方向相同，即自西向东✧卫星绕地球运行一周的时间恰好是24h，和地球的自转周期相等覆盖参数：由于卫星的高度较高，因而一颗卫星对地球表面的覆盖区域面积大。

该区域的面积达到全球表面的42.4%，因此只需设置彼此间隔为120°的三颗卫星，就可以建立起除南、北两极地区以外的全球通信。

最大通信距离可达18000km3.大气吸收损耗的基本内容大气对电波有吸收作用，从而造成大气吸收损耗吸收电波的大气成份电子、氧分子、水汽水汽、氧分子对电波的吸收衰减起主要作用大气吸收损耗与使用频段关系✧1-5GHz：大气损耗小✧5-10GHz：大气损耗开始增加✧30-50GHz：大气损耗急剧增加大气吸收损耗与地球站天线仰角相关✧天线仰角大，则电波穿过大气层距离减小，大气损耗小✧天线仰角应大于5 °坏天气引起的大气损耗，与损耗大小相关的因素✧雨、雪的大小✧云、雾的浓度✧工作频段4.开普勒三定律(自行整理公式)开普勒第一定律人造地球卫星0<=e<1e=0 表示圆形轨道，圆心即地心。