5.3卫星通信
5.3.1卫星通信的定义
卫星通信是指利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球无线电通信站之间进行通信，它是在地面微波中继通信技术和空间技术的的基础上发展起来的。
1979年世界无线电行政会议（WARC）规定宇宙无线电通信有三种方式：
（1）宇宙站与地球之间的通信
（2）宇宙站之间的通信
（3）通过宇宙站转发或反射而进行的地球站之间的通信这里所说的宇宙站是指设在地球大气层以外的宇宙飞行体或其他天体上的通信站（它属于宇宙无线电通信范畴）。地球站是指设在地球表面上的通信站，包括陆地上、水面上和大气地层中移动的或固定的通信站。卫星通讯属于宇宙通讯的第三种方式。
卫星通信分同步卫星通信和非同步卫星通信。同步通信卫星在空间的位置相对于地球上的通信站是静止不动的，它的轨道是圆形的而且轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度约为36000Km，飞行方向与地球的自转方向相同，这时卫星绕地球一周的时间与于地球自转时间相同，那么从地球表面任何一点看卫星，卫星就是静止不动的。
5.3.2卫星通信的分类
按不同角度可以把卫星通信系统分成以下几种：
按通信覆盖区的范围分：
区域卫星通信系统
国内卫星通信系统
国际卫星通信系统
按用户性质分：
军用卫星通信系统
专用卫星通信系统
公用（商用）卫星通信系统
按业务分：
科学试验业务卫星通信系统
广播业务卫星通信系统
移动业务卫星通信系统
固定业务卫星通信系统
按多址方式分：
混合多址业务卫星通信系统
码分多址业务卫星通信系统
空分多址业务卫星通信系统
时分多址业务卫星通信系统
频分多址业务卫星通信系统
按基带信号分：
模拟制式卫星通信系统
数字制式卫星通信系统
按卫星制式分：
静止卫星通信系统
相位卫星通信系统
随机卫星通信系统
从上述分类可以看出，它们都是从不同的侧面反映出卫星通信系统的特点、性质和用途，跟据通信的性质和特点，便能按相应的卫星通信种类考虑和设计。
5.3.3卫星通信的特点
卫星通信与其它通信方式相比，卫星通信有其独到之处：
1.通信距离远，建站成本与通信距离无关，卫星视距可达全球表面积的42.4%，只需三棵卫星适当配置，就可以建立地球两极附近地区以外的全球不间断通信。一个卫星通信系统的各地球站之间，是靠卫星连接的。在卫星的视界内，所有的地球站到卫星的距离约40000Km左右。只要这些地球站与卫星间的信号传输满足技术要求，通信质量便有了保证，地球站的建设经费不因通信站之间的距离远近、两通信站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。所以在远距离通信上，比微波接力、电缆、光缆、短波通信有明显的优势。
2.以广播方式工作，便于实现多址连接。通常，微波接力、散射、地下电缆等，都是“干线”或“点对点”通信。以微波接力为例，北京到吉林之间的通信线路，沈阳是不能直接利用的，除非增加北京到沈阳，或沈阳到吉林的微波接力线路。而卫星通信系统则类似于一个多发射台的广播系统，每个有发射机的地面站，都是一座广播发射台，在卫星天线波束的覆盖区域内，无论什么地方，都可以收到所有的广播信号，而我们可以通过接收机选出所需要的某一个或某几个发射台的信号，所以地球站之间都可以同时通信，这种能实现多方向、多地点通信的能力，称为多址连接。这是卫星通信最突出的优点，它为通信网的组成提供了高效率和灵活性。
3.通信容量大，能传送的业务类型多。由于射频采用微波波段，可供使用的频带很宽，加上卫星上能源（太阳能电池）和卫星转发器功率保证越来越充分，所以，目前IS-V的容量已达12000路双向电话加上两路彩电信号。
4.可以自发自收进行检测。由于地球站以卫星为中继站，卫星将系统内所有地球站发来的信号转发回去，因此进入地球站接收机的信号中，一般包含有本站发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确传输，以及传输质量的优劣。
5.3.4卫星通信系统的组成
1.系统的组成
一个卫星通信系统是由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测系统、指令分系统和监控管理分系统等四部分组成。其中有的直接用来通信，有的用来保障通信的正常进行。
1）跟踪遥测及指令分系统
它的任务是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入轨道上指定位置，待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修正和位置保持。
2）监控管理系统
3）空间分系统
空间分系统就是通信卫星。它是由控制系统、天线系统、遥测指令系统和电源系统所构成。它主要起无线电中继站的作用。是靠卫星上通信装置中的转发器和天线来完成转发任务。一个卫星上的装置可以包括一个或多个转发器，每个转发器能同时接收和转发多个地球站通信信号。所以，当每个转发器所能提供的功率和带宽一定时，转发器越多，卫星通信容量就越大。
来自地面通信线路的各种信号（电话、数据、或电视信号），经过地球站A的终端设备（模拟或数字终端）输出一个对模拟信号采用频率复用，对数字信号采用时间复用的多路复用信号即基带信号。通过调制器把它们调制到一个较高的中频（70MHz）信号上。模拟信号采用调频，数字信号采用相移键控。调制器输出的已调中频信号在发射机上的变频器中变成频率更高的发射频率f1(约6GHz)，最后经过发射机的功率放大器放大到足够高的电平通过双工器由天线向卫星发射出去。双工器的作用是把发射信号和接收信号分开，使收发信号共用一副天线。
从地球站A发射的射频信号传输到卫星时，卫星转发器的接收机首先将经收到的射频变成中频信号，并进行适当的放大（也可以对射频信号直接进行放大），然后再进行射频变换，变成f2(约4GHz)的射频信号。再经发射机放大由天线转发下来，到达B站。地球B站的接收机，经天线把微弱的转发信号接受下来，经过低噪音放大器（LNA）加以放大，再变换成（在下变频器中）中频信号，进一步进行放大，然后经解调器把基带信号解调出来，最后通过终端设备把基带信号分路，再送到地面其他通信线路。
4）通信地球站
卫星通信站是连接卫星线路和用户的中枢，它相当于接力通信系统的终端站。用户把要传输的信息通过微波送到地球站，地球站再把信息通过天线送至卫星。由卫星把接收到的信息送回到地球站，经地球站再送到需要通信的用户进行通信。
由于地球站类型的系列往往以天线的口径来划分。例如，国际通信卫星通信系统（IS）中，规定A类标准站的天线口径为30～32m；B类站为11～13m；C类站天线口径为4.57m和3.05m等等。
以上完成了卫星通信线路的一个单向通信过程，反之也一样。进行多路通信的情况也与此类似。
2.卫星通信频道的划分
随着卫星技术的发展，利用卫星进行的各种无线电通信逐渐增加。为了减少各系统之间的相互影响和干扰，ITU作出了一系列的规定。如系统允许的干扰量，卫星位置的保持精度及天线指向精度，最大辐射量密度，频率划分。1971年ITU无线电行政大会指配了各类卫星通信业务可利用的频段。
3.卫星通信线路的组成
卫星通信线路就是卫星通信电波所经过的整个线路，它不仅包括通信卫星和地球站等各主要单元，而且还包括电波在各单元之间的传播途径。
5.3.5通信卫星的组成
通信卫星是由控制系统、天线系统、遥测指令系统、通信和电源系统所组成。通信卫星的主体是通信卫星，其保障部分是星上遥测、控制和能源（含太阳能电池和蓄电池）。通信卫星是将所有的地球站发射的无线电信号经卫星转发器传到对方的地球站。
1.控制系统
卫星通信的控制系统包括卫星的位置和姿态控制系统，是由一系列机械的或者电子的可控制调整装置组成。
由于静止卫星在轨道上存在着轨道倾斜效应，使卫星发生漂移，影响通信的正常进行。为克服这种影响，使卫星保持在指定位置上，通常用位置控制系统来完成这一任务。在地面控制中心发出指令时，位置控制利用装在卫星上的竖向和横向两个气体喷射推进装置来分别控制卫星在纬度和经度方向的漂移。
2.天线系统
卫星通信天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种。由于它们装在卫星上，故与地面天线不同；它们体积小、重量轻、馈电可靠性高、寿命长以及有适应于在卫星上组装的结构及特点，另外，卫星天线设在卫星壳体外面，故又要求天线材料必须耐高温和耐辐射。
通信天线为对准地球上通信区的微波天线，必须方向性强，增益高，以增加卫星的有效辐射功率，更重要的是应使天线波束永远指向地球，为此，在自旋稳定卫星中，一般采用削旋技术。
遥测指令用的天线是工作在高频和甚高频的全方向性天线。它用来在卫星进入静止轨道之前和进入静止轨道后，向地面控制中心发射遥测信号和接收地面信号。一般采用倾斜绕杆天线、螺旋天线和套筒偶极子天线等。
3.遥测指令系统
为保证卫星通信正常运行，需要了解卫星内部各种设备的工作情况，以便必要时通过遥测指令调整某些设备的工作状态。为了使地球站天线能跟踪卫星，卫星要发1~2个信标信号。
卫星上遥测信号包括使卫星保持正确的姿态和正常的工作状态（如电源电压、频率、温度、控制气体压力等）的信号，来自传感器的信号以及指令证实信号等，这些信号经放大、模/数变换，编码后调制到副载波或信标信号上，然后与通信信息一起发向地面。
地面测控中心接收到信号后通过解调、解码，恢复出遥测信号，并将它们送到计算机中进行信号处理。当发现卫星上某些信号参数不符合要求时，就会立即发出指令信号送到卫星上，卫星上指令接收机接收到该信号后，经检测，译码后送到控制机构。
4.卫星转发器
通信系统是卫星通信的核心，它由卫星转发器所组成，其性能直接影响到卫星通信系统的质量，它的电路结构随性能要求分两类。一类是非再生式转发器，另一类是再生式转发器。
1）非再生式转发器。是将接收到的信号直接放大后转发出去，而不进行解调和基带处理。从放大方式来看由可分为中频放大式转发器和微波放大式转发器。
中频放大式转发器用于把接收到的微波信号转化成中频信号，然后再放大和限幅，变换成射频信号，经过功率放大后向地球站转发。
微波放大式转发器是把接收到的微波直接放大，经过变频和功率放大后向地球站转发。微波放大式转发器同中频放大式转发器相比较，其射频带比较宽，在500MHz左右，而且转发器工作于线性范围，从而避免了非线性失真，因此允许许多载波同时工作，适合于大容量的系统。
2）再生式转发器。非再生式转发器主要用于模拟卫星通信系统，而再生式转发器则是应用于数字卫星通信系统中。再生式转发器除了转发信号外，还具有信号处理的功能。
再生式转发器的优点是可以做到噪声不累积，而且抗干扰能力强。因而在同样的通信质量要求的情况下，可以减少转发器的发射功率。另外，再生式解调基带信号在卫星中可进行各种不同的信号处理，使在卫星上进行数字交换成为可能。
5.3.6卫星通信地球站
1.地球站的分类及技术指标
1）地球站的分类。地球站是卫星通信系统的重要组成部分，根据安装方式可分为固定站和移动站。固定站不能移动，移动站可以建在车辆上、船舶上或飞机上。
地球站按天线尺寸分：有大型站：20～30m，中型站：7.5～18m，小型站；6m以下。
地球站按传输信号形式分：有模拟站；主要是传输多路模拟电话信号及电视图象信号。数字站：主要是传输高速数字信号。
国际卫星通信组织对各类型的地球站有一个分类标准。
2）地球站技术指标
工作频率范围：目前，大部分国际通信卫星尤其是商用卫星使用4/6GHz频段，上行线为5.925～6.425GHz，下行线为3.7～4.2GHz，带宽为500MHz。政府和军用卫星使用7/8GHz，上行线为7.9～8.4GHz，下行线为7.2～7.75GHz。这样民用和军用卫星通信系统在频率上分开，避免互相干扰。
性能指标——品质因数（G/T）：地球站天线的接收增益G与地球站接收系统等效噪声T的比值G/T称为品质因数，它表示地球站对弱信号的接收能力。
G/T值越大，其地球站的性能越好。
有效全向辐射功率（EIRP及稳定度：地球站天线的发射增益与馈入功率之积称为EIRP。它的物理含义是为保持同一接点的接收电平不变，用无方向性天线代替原有方向性天线时所需馈入的等效功率。这一指标越大，说明地球站的发射能力越强。
3）地球站的组成及功能
由于工作频段、服务对象、业务类型及通信体制不同，故在卫星通信系统中所采用的地球站种类也不相同。但从地球站设备的基本组成和工作过程来说，还是基本相同的。典型的双工地球站设备包括电话天线系统、功率发射分系统、接收分系统、终端分系统、电源分系统和监控分系统六部分。