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1胡庆教授第8章卫星通信系统及传输信道特性2内容提要•卫星通信系统的基本概念及应用•卫星通信系统工作原理•卫星通信传输线路特性3图8-1卫星通信系统示意图4图8-2静止卫星配置的几何关系图8.1卫星通信系统的基本概念及应用•卫星通信具有覆盖面积大、受地理条件限制少、通信频带宽等特点，因此成为现代信息传输方式不可缺少的一种手段。卫星通信应用非常广泛，几乎可应用于所有公用和专用通信中远距离的中继传输中。58.1.1卫星通信系统简述•卫星通信系统基本组成6图8-3卫星通信系统基本组成•卫星通信的频段分配•卫星通信的使用频段虽然也属于微波频段（300MHz～300GHz），但由于卫星通信电波传播的中继距离远，既受到对流层中的氧、雨、雾的吸收和散射衰减影响，又受到宇宙噪声的影响，如图8-4和图8-5所示。•从电波传播机理和传播损耗来看，300MHz以下的电波不能穿过电离层，而10GHz以上的电波受大气层的云、水蒸气及雨的影响而造成的衰减较大。因此，卫星通信所使用的工作频段，应选择在微波波段的0.3～10GHz为宜。78.1.1卫星通信系统简述88.1.1卫星通信系统简述图8-4大气吸收损耗与频率关系图8-5宇宙噪声与频率的关系98.1.1卫星通信系统简述名称频率范围/GHz下行/上行载波频率/GHz①单向带宽/MHzUHF波段0.3～10.2/0.4500～800L波段1～21.5/1.6S波段2～42.5/2.6C波段4～84/6500～700X波段8～127/8Ku波段12～1812/14或11/14500～1000Ka波段27～4020/30高达3500表8-1目前常用的卫星通信频段•卫星通信的特点•（1）通信距离远，且通信成本与通信距离无关•由图8-2可见，利用一颗静止卫星进行通信，其最大通信距离可达18000km。而地球站的建站费用和维护费用并不因地球站之间的距离远近，地理环境恶劣而有所变化。•（2）覆盖面积大，可进行多址通信•由于静止卫星离地面很高，卫星天线波束的覆盖区域很大，因而只要在卫星天线波束覆盖的区域内，都可设置地球站，共用同一颗卫星在这些地球站间进行双边或多边通信，或者说多址通信；亦可同时在多处接收，能经济地实现广播，便于实现多方向多地点的多址连接，组网灵活。108.1.1卫星通信系统简述•（3）通信频带宽，传输容量大•由于卫星通信可用频段从150MHz～30GHz，并且开始开发Q、V波段(30～50GHz)。因而可用频带宽、传输容量大，目前，卫星通信的传输带宽可达500MHz，适应的通信业务类型多。•（4）通信机动灵活•不受地理条件的限制，只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离通信而且还可以用于安装在移动中的汽车、飞机、船舶等地球站间进行的通信，甚至能直接为个人终端提供通信服务。118.1.1卫星通信系统简述•（5）通信质量好•由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以上的宇宙空间中传播，因而不易受自然条件干扰和陆地灾害的影响，可靠性高。•卫星通信的不足之处在于：•（1）信号传输时延大•卫星通常位于距离地面几百千米、几千千米甚至上万千米的高空，双向传输时时延可能达到秒级，对于实时交互性应用会带来明显的中断感。128.1.1卫星通信系统简述•（2）外界干扰或噪声较多•虽然卫星链路质量相对较好，但由于其依然是无线链路，而且一般来说通信距离非常远，显然受到的外界干扰和噪声也很多，主要包括宇宙噪声、自然噪声、太阳噪声等自然噪声，也包括系统本身各组成部分噪声、其他系统干扰、人为噪声等，因此在卫星通信系统中，对于噪声和干扰的消除或抑制依然是需要非常重视的。•（3）控制较为复杂•由于卫星通信系统中所有链路均是无线链路，而且卫星的位置还可能处于不断变化中，因此控制系统也较为复杂。138.1.1卫星通信系统简述8.1.2卫星通信的应用•卫星在数据传输业务中的应用14图8-6局域/城域网互联中的卫星•卫星在移动通信系统中的应用•三类移动卫星通信系统：•第一类是低轨道（LEO）移动卫星通信系统，如美国Motorola公司提出的“铱（Iridiun）”系统和美国LoralQualcomm公司提出的“全球星”（Globalstar）系统；•第二类是中轨道和（MEO）移动卫星通信系统，如全球个人卫星通信公司（ICO）提出的国际个人卫星通信系统；•第三类是静止轨道（GEO）移动卫星通信系统，如加拿大TMI与美国AMSC合作开发的北美MSAT系统以及亚洲蜂窝系统（Aees）。158.1.2卫星通信的应用168.1.2卫星通信的应用图8-7Iridium卫星移动通信系统的基本组成178.1.2卫星通信的应用图8-8Globalstar系统结构•卫星在视频广播业务传输中的应用•目前，世界上运行的GEO卫星转发器中，有三分之二是用于电视和视频广播的。利用卫星广播系统传送数字化视频信号的方式有3种：•一是点对多点的TV节目分配：数字视频信号从演播室通过卫星系统传送到地区广播站或地区电缆TV系统接收站，从而完成节目的分配。通常所传送的信号是宽带的多路数据流。•二是点到点的传输：用于数字视频信号从实况直播现场到演播室，或从一个演播室到另一个演播室的卫星传输。•三是点对多点的直接到户（DTH）广播方式：在卫星直播系统中，家庭用户用天线口径为0.5m左右的接收机，可接收5～8路视频信号。188.1.2卫星通信的应用•卫星在电话等交互式业务传输中的应用•电话业务是卫星通信系统支持的重要业务之一，但与地面光缆支持的PSTN电话网相比较，其经济性是考虑问题的焦点。卫星信道容量小、成本高，只有在地面网无法覆盖（或建立相应的地面投资极高而效益甚低）的乡村地区的用户才使用卫星电话。•GEO卫星离地面高，信号传输延时长（约250ms）。如果系统用来支持电话业务，会晤双方会有脱离接触的感觉。另外，卫星通信系统长的传播延时还会带来回波干扰的问题。198.1.2卫星通信的应用•卫星通信系统包括空间段和地面段，空间段的组成包括通信卫星（空间分系统）、跟踪遥测与指令分系统（TT&C，Tracking,，TelemetryandCommandStation）和卫星控制中心（SCC，SatelliteControlCenter），地面段包括所有的地球站，又称为地球站分系统。208.2卫星通信系统工作原理8.2.1卫星通信地面段•地面段包括了支持用户访问卫星转发器，并实现用户间通信的所有地面设施。用户可以是电话用户、电视观众和网络信息供应商等。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。•地球站是卫星传输系统的主要组成部分，所有的用户终端将通过它接入卫星通信线路。根据地球站的大小和用途不同，它的组成也有所不同。作为典型的标准地球站一般包括天线分系统、收、发信机分系统、信道终端设备分系统、信道控制分系统、终端接口设备和电源分系统六个分系统，如图8-9所示。21228.2.1卫星通信地面段图8-9地球站的基本组成方框图8.2.2卫星通信空间段•空间段的组成包括通信卫星、TT&C和SCC。•SCC（卫星控制中心）的任务是对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。23•TCC（测控站）是受卫星控制中心直接管辖的、卫星测控系统的附属部分。它与卫星控制中心结合，其任务是：检测和控制火箭并对卫星进行跟踪测量；控制其准确进入静止轨道上的指定位置；待卫星正常运行后，定期对卫星进行轨道修正和位置保持；测控卫星的通信系统及其他部分的工作状态，使其正常工作；必要时，控制卫星的退役。•SCC和TCC构成了卫星测控系统，一个测控系统一般以卫星控制中心为主体，加上分布在不同地区的多个测控站组成。248.2.2卫星通信空间段258.2.2卫星通信空间段图8-10通信卫星的组成方框图•（1）通信分系统•卫星上的通信分系统又称为转发器，它实际上是—个提供卫星发射天线和接收天线之间连接的设备，是构成卫星通信的中枢，其功能是使卫星具有接收、处理并转发信号的能力。转发器是卫星有效载荷的两个主要组成部分之一，对它的基本要求是以最小的附加噪声和失真、足够的工作频带和输出功率来为各地球站可靠且有效地转发无线电信号。268.2.2卫星通信空间段•（2）天线分系统•天线分系统是卫星有效载荷的另一个主要组成部分，它承担了接收上行链路信号和发射下行链路信号的双重任务。•卫星天线分为2类：遥测指令天线和通信天线。遥测指令天线通常使用全向天线，以便可靠地接收地面指令并向地面发送遥测数据和信标。卫星接收到的信标信号送入姿态控制设备，使卫星天线精确地指向地球站上的覆盖区。通信天线是地面上许多地球站与维修商各种卫星分系统之间的接口，其主要功能是提供成形的下行和上行天线波束，在工作频段发送和接收信号。278.2.2卫星通信空间段•（3）跟踪遥测和指令分系统以及控制分系统•与地面的TCC和SCC一起工作，提供对卫星的整体控制，其中也包括卫星通过跟踪设备为地球站跟踪卫星发送信标、接收地面控制系统的各种指令、执行姿态控制与位置控制等。•（4）电源分系统•是给星上设备提供稳定可靠的电源，主要采用太阳能电池。当有光照时，电源系统要能产生必须的电功率，满足星上系统的运行，并同时要保证有多余的能量用蓄电池储存起来，当卫星处于发射状态或者地球阴影区的时候，蓄电池可以提供充足的电源功率。288.2.2卫星通信空间段8.2.3卫星通信线路及工作过程29图8-11卫星通信线路的组成•假如A地球站用户要与B地球站用户通电话。其通话过程是：•A地球站用户的电话信号经地面通信线路送至A地球站终端，与其他用户电话信号进行复用合路，得到多路电话基带信号（该信号少则几十路，多则几万路），再送至调制器对载波进行调制，形成已调中频信号，经上变频器变成微波信号。308.2.3卫星通信线路及工作过程•然后，进一步由微波功率放大器放大到足够大的功率后，以双工器由天线向卫星发射出去。这个信号为上行线信号，其频率f1称为上行线频率。•卫星天线接收到A地球站发来的上行线微波信号，经双工器送到放大器放大，再经变频器变为f2的微波信号（一般f2低于f1），经转发器末级功率放大器放大到一定的电平之后，送到双工器经卫星天线发向地球站，称此微波信号为下行线路信号，f2为下行线频率。318.2.3卫星通信线路及工作过程•B地球站收到卫星下行线f2信号，经双工器进入低噪声放大器放大，又经下变频器变到中频，然后送到解调器进行解调，恢复出基带信号，再由终端机的多路电话复用设备分离出各个话路信号，通过市内通信线路将电话信号传给用户。这样，A地球站用户传送给B地球站用户的单向电话就完成了。同样，B地球站用户传给A地球站用户的单向电话，其过程与上述类似。328.2.3卫星通信线路及工作过程8.2.4通信卫星运行轨道•卫星轨道分类•按卫星轨道的倾角可分为赤道轨道、极轨道和倾斜轨道，如图8-12所示。若卫星的轨道平面与赤道平面重合，即i=0°则此卫星轨道称为赤道轨道，在赤道轨道运行的卫星称为赤道卫星（一般为静止卫星）；若i=90°，即卫星轨道平面穿过地球的南北极，与赤道平面垂直，则称为极轨道；若0°i90°，即卫星轨道平面倾斜于赤道平面，则称为倾斜轨道。3334图8-12倾角不同的卫星轨道图图8-13卫星轨道高度的划分8.2.4通信卫星运行轨道•按卫星离地面最大高度h的不同，可把卫星轨道及卫星分为：低轨道（LEO，LowEarthOrbit），此时h＜5000km，此轨道上的卫星称为低轨卫星，其运行周期约为2～4h；中轨道（MEO，MediumEarthOrbit），此时5000km＜h＜20000km，此轨道上的卫星称为中轨卫星，其运行周期约为4～12h；高轨道（HEO，HighlyEllipticalOrbit），其轨道高度h＞20000km，高轨卫星的运行周期大于12h，如图8-13所示。3