衛星通信的概念和工作頻段 衛星通信系統的組成

1、衛星通信的概念

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。比如人們經常使用的手機，就是通過無線電波來傳輸的。在實際中，通過建立一個基站，并在基站覆蓋的范圍內，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”的優勢，就可以實現遠距離的通信，如圖9.1所示。因此，可以把衛星通信理解為一種特殊的微波中繼通信，即利用人造地球衛星作為中繼站，轉發衛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，實現兩點或多點之間的通信。衛星通信是航天技術和現代通信技術相結合的重要成果，在廣播電視、移動通信、寬帶互聯網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、衛星通信工作頻段

衛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點之外，主要是考慮到衛星處于外層空間（在電離層之外），地面上發射的電磁波必須穿透電離層才能到達衛星。同樣，從衛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。天線仰角越大，電磁波通過大氣層的路徑越短，則吸收產生的衰減越小，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，在進行衛星通信系統設計時，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系曲線圖

圖9.4給出了雨、霧、云對電磁波的吸收衰減的關系曲線圖，實線為雨引起的衰減，虛線為云、霧引起的衰減?？芍?，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，以滿足信息傳輸的要求；②與地面微波通信、雷達等其他無線系統間的干擾要??；③能充分利用現有的通信技術，并便于與現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，應將衛星通信頻段選在特高頻或微波頻段。

3、衛星通信系統的組成

通信系統由衛星分系統、通信地球站分系統、跟蹤遙測及指令分系統、監控管理分系統（統稱為跟蹤遙測遙控和監視（TTC&M）分系統）及通信業務控制中心組成，如圖9.5所示。

圖9.5 衛星通信系統的組成

如前所述，通信衛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發器和通信天線，星上通信就是依靠通信轉發器和通信天線來完成的。

3.1. 通信轉發器

通信轉發器是通信衛星中直接起中繼站作用的部分，又稱通信中繼器。衛星上每個通信轉發器都有接收機、變頻器、功率放大器三個單元，實質上是一組寬頻帶的收、發信機。它是通信衛星中最重要的組成部分，其性能直接影響到衛星通信系統的工作質量。每個通信轉發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目，從而降低交調噪聲，也便于衛星功率放大器的制造。

轉發器電路結構根據性能要求不同通常分為透明轉發器（彎管式轉發器、非再生式轉發器）與處理轉發器（再生式轉發器，具有交換和處理功能）。

透明轉發器收到地面發來的信號后，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、基本信號處理等），只是單純地完成轉發的任務。它對工作頻段內的任何信號都是“透明”的通路。這種轉發器適合傳送各種信號（模擬信號或數字信號），不對用戶提過多的要求，有一次變頻和二次變頻兩種方式。

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

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

處理轉發器除了轉發信號，還具有信號處理功能，包括解調、基帶信號處理和交換、重新調制。與上述雙變頻透明轉發器相比，處理轉發器只是在兩級變頻器之間增加了信號解調器、處理單元和調制器。先將信號解調，便于信號處理，再經調制、變頻、功率放大后發回地面。處理轉發器由于上行信號在轉發器上進行解調，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。但這種轉發器設備、技術復雜，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，在工作頻率段發送和接收信號。通信天線按其波束覆蓋區的大小可分為三種。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，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、區域波束）。覆蓋區域輪廓不規則，視服務區的邊界而定，如圖9.6所示。

圖9.6 幾種常用波束覆蓋區域示意圖

3.3通信地球站分系統

衛星通信系統的地球站是微波無線電收、發信臺（站），用戶通過它們接入衛星鏈路進行通信。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射機發送來的射頻信號變成定向（對準衛星）輻射的電磁波，同時收集衛星發來的電磁波，送到接收設備。通常，地面站的天線是收、發共用的，因此，要有雙工器收發開關。

3.3.2. 發射設備

發射設備的主要任務是將已調制的中頻（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，經饋線送到天線向衛星發射。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百至數千瓦。

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星轉發器的有用信號，經加工變換后，送給解調器。通常，為了減少接收機內部噪聲的干擾、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。經由低噪聲放大器輸出的射頻信號，要經過下變頻變為中頻信號，以便信道終端解調器進行解調。

3.3.4. 信道終端設備

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

3.3.5. 跟蹤和伺服設備

地球靜止衛星并非是絕對“靜止”的，地球站的天線必須經常校正方位和仰角，才能對準衛星。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，使天線對衛星進行自動跟蹤。

3.3.6. 電源設備

對于軍事衛星通信系統，一年中要求99.9%的時間不間斷地、穩定可靠地工作。電源系統必須滿足這一要求。特別是大型地球站，一般要有幾種供電電源，即公共電網、柴油發電機和蓄電池。正常情況下是利用公共電網，一旦公共電網中斷，即由應急發電機供電，在發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，發電機也應該有備份。

審核編輯：湯梓紅