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卫星通信的基础概念

卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的地球站间利用卫星作为中继而进行的通信。

由地球站和卫星两部分组成。

卫星通信的特点是:

通信范围大：只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信;

不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);

同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信(多址特点);电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量;

同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。

缺点：

存在南北极盲区

有延迟

存在雨衰现象

存在日蚀干扰

系统的组成：由卫星端、地面端、用户端三部分组成。

卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统:星载设备和卫星母体。

地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面，及其跟踪、遥测和指令站。

用户段即是各种用户终端。

卫星通信网络的结构

点对点: 两个卫星站之间互通;小站间信息的传输无需中央站转接;组网方式简单。

星状网:外围各边远站仅与中心站直接发生联系，各边远站之间不能通过卫星直接相互通信(必要时，经中心站转接才能建立联系)。

网状网:网络中的各站，彼此可经卫星直接沟通。

混合网:星状网和网状网的混合形式

卫星通信的应用范围

(1)长途电话、传真

(2)电视广播、娱乐

(3)计算机联网

(4)电视会议、电话会议

(5)交互型远程教育

(6)医疗数据

(7)应急业务、新闻广播

卫星通信使用频率

(1)电波应能穿过电离层，传输损耗和外部附加噪声应尽可能小

(2)有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量

(3)较合理的使用无线电频谱，防止各宇宙通信业务之间及与其它地面通信业务之间产生相互干扰

(4)通信采用微波频段(300MHz-300GHz)

多址方式

在微波频带，整个的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在星上设置若干个转发器。每个转发器被分配一定的工作频带。

卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的频率，即采用不同的载波。比较适用于点对点大容量的通信。

时分多址技术即是多个地球站占用同一频带，但占用不同的时隙。与频分多址方式相比，时分多址技术不会产生互调干扰、不需用上下变频把各地球站信号分开、适合数字通信、可根据业务量的变化按需分配传输带宽，使实际容量大幅度增加。

另一种多址技术是**(CDMA)**，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但利用不同的随机码对信息进行编码来区分不同的地址。CDMA采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强、有较好的保密通信能力、可灵活调度传输资源等优点。它比较适合于容量小、分布广、有一定保密要求的系统使用。

卫星的运动轨道

卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道;其轨道近似于椭圆或圆形，地心就处在椭圆的一焦点或圆心上。

按照轨道平面与赤道平面的夹角i(轨道倾角)的不同，地球卫星的轨道有以下三种

赤道轨道(i=0°)

极轨道(i=90° )

倾斜轨道(0°<i<90°)

低轨道卫星通信系统(LEO)

低轨道卫星通信系统(LEO)：距地面500-2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。

低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信;其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。

但是也为这些优势付出了较大的代价:由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星：如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星Teledisc有288颗卫星。

同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。

因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。

中轨道卫星通信系统(MEO)

距地面2000-20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际。

中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折衷，兼有这两种方案的优点同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。

中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。

如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。

而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球

若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，这样可以利用分集接收来提高，同时系统投资要低于低轨道系统。因此，从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。

高轨道卫星通信系统(GEO)

距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。

传统的卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。

但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在方面的应用。

首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难于支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用12m以上的星载天线(L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。

其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至将达到秒级，这是用户、特别是话音通信用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。

目前，同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。

卫星通信系统信号技术知识

地球大气层的结构

对流层:平流层: 电离层

电磁波的分类:地波、天波、视线传播、散射传播

地波：频率<2 MHz;有绕射能力;距离:数百或数千干米

天波：频率:2~30_MHz;特点:被电离层反射。一次反射距离:<4000 km;寂静区：电离层反射波到达地面的区域可能是不连续的，除电磁波可以到达的区域及发射天线附近被地波覆盖的范围，在电磁波不能到达的其它区域。

视线传播：频率>30 MHz。穿透电离层，不能被反射回来，类似光波-视线传播。和天线高度有关

随参(变参)信道特性及其对传输信号的影响

变参信道的传输特性:

信号的传输衰减随时间变化;信号的时延随时间变化

多径效应:信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度(时延)和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象。

多径传播及其影响

多径传播，是指由发射点出发的信号经过多条路径到达接收端。

时域均衡

为了减小码间串扰的影响，通常需要在系统中插入一种可调滤波器来校正或补偿系统特性。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

频域均衡器：是从校正系统的频率特性出发，利用一个可调滤波器的频率特性去补偿信道或系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性接近无失真传输条件。低速系统

时域均衡器：直接校正已失真的响应波形，使包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。高速系统

差错控制编码技术

在数字通信系统中，干扰会使信号产生变形，致使接收端产生误码，这将严重影响数字通信系统的可靠性。

为了提高数字通信系统的可靠性，除了可采用均衡技术来消除乘性干扰引起的码间串扰外，还可以通过对所传数字信息进行特殊的处理(即信道编码)对误码进行检错和纠错进一步降低误码率，以满足通信的传输要求。