第七章卫星通信系统教学要点 1.了解卫星通信系统的组成及各组成部分的功能。 2.了解通信卫星和地面站的组成和工作原理。 3． 了解地面站的多种接入方式。 4． 了解卫星通信的工作频段。 5、了解VSAT卫星通信系统的特点和低轨道移动卫星通信系统的组成和特点。 了解卫星通信系统的组成以及各组成部分的功能。 序号 内容 学时 17.1 概述 127.2 通信卫星的组成 137.3 卫星地面站的组成 147.4 卫星通信应用实例 15 练习与总结 6 本章总课时 4 课时分配 教学难点 第七章 卫星通信系统 7.1 概述 7.2 卫星通信系统的组成通信卫星 7.3 卫星地面站组成 7.4 卫星通信应用实例 本章小结 7.1 概述 1. 卫星通信系统的组成 2. 卫星通信的工作频率及特点 3. 卫星通信的多址连接方法 卫星通信是无线通信的一种，它与普通无线通信不同的是，中继器位于地球上方的卫星上。 卫星通信的思想： 1、卫星通信系统的组成。 1945年，英国人克拉克曾设想，如果在地球赤道上空发射三颗同步轨道卫星，卫星与地球中心的距离为120度，即与地球表面的夹角为120度。 海拔高度为35800公里，卫星天线波束宽度为17度，如图7.1所示，从而形成全球卫星通信网络。 这一愿景如今已成为现实。 图7.1 利用同步卫星建立全球通信（长度单位Km） 同步卫星是指卫星绕地球公转一周的时间等于地球自转的周期，因此从表面上看卫星就像是高空静止。
发射到太空的同步通信卫星都装有微波波段中继器，可以放大地面站发出的无线电波，然后转发回地面，从而完成通信过程。 卫星通信系统由地面站和通信卫星组成。 如图7.2所示，地面站发出的无线电波在通信卫星上中继并被其他地面站接收。 从地球站到卫星的传输线路称为上行链路。 ，从卫星到地球站的线路称为下行链路。 图7.2 卫星通信系统的组成和工作流程 1. 可以有多个地球站。 为了进行双向通信，每个地球站都有接收和发射设备。 两个地球站 A 和 B 如图 7.2 所示。 由于接收和发射设备共用天线，因此使用双工器来分离接收和发射信号。 转发器是安装在卫星上的收发器设备。 用于接收各个地球站的信号，经过变频、放大后传输到各个地球站。 2. 应答器 应答器由天线、收发设备和双工器组成。 3． 卫星通信系统的工作过程：如果A地用户想要与B地用户通话，则A地用户的电话信号通过本地电话线到达地球站A。 地球站A的复用设备将该电话信号复用成为多路电话信号，即基带信号。 然后送至调制器，用70MHz或其他频率的载波进行调制，成为中频调制信号。 然后送至上变频器，转换为频率为f1的微波信号，如6GHz。 最后送至微波高功率放大器放大，通过双工器从天线发射出去。
频率为f1的信号从地球站A发射到卫星转发器，并通过大气和太空组成的上行线路到达卫星转发器。 卫星转发器中的接收设备首先将频率f1的微波信号转换为频率较低的中频信号，放大后再转换为频率f2的下行微波信号，例如4GHz。 然后经发射设备的输出功率放大器放大，再通过天线发射到地球站。 地球站高增益天线接收到的f2微波信号经双工器和低噪声放大器放大，经下变频器转换为中频信号，送入解调器恢复为中频信号。基带信号。 然后经解复用设备分支，通过地面微波中继线路和本地通信线路连接到B处用户。 2、卫星通信的工作频率及特点卫星通信的工作频率分配在300MHz～300GHz的超高频段和极高频段。 该范围被划分为许多较小的频带，如表7.1所示。 1、卫星通信工作频段范围（GHz） 频段范围（GHz） L1~2Ku12.5~18S2~4K18~26.5C4~8Ka26.5~40X8~12.5毫米波 40~300 当工作频率低于1GHz，宇宙噪声会迅速增加。 因此，卫星通信频率一般采用被称为“无线电波窗口”的1-10GHz频段，其中C频段最为常用。 卫星通信具有服务区域广、通信容量大、多地址通信、性能稳定可靠、抗灾能力强等优点。
2、卫星通信的特点卫星通信的缺点是由于距离远，传输延迟时间长。 因此，电视卫星转播时主持人与特约记者的对话给人一种不协调的感觉。 这都是由于延迟时间过长造成的。 多址连接方式是指多个地面站通过一颗公共通信卫星在覆盖区域内实现互联，同时建立各自的信道，无需中间连接。 多址连接技术与复用技术的区别在于：多址连接技术是将来自多个地面站的射频信号在射频信道上进行复用； 复用技术是将来自一个通信站的多个信号在中频信道上进行复用。 3、卫星通信的多址连接方法多址连接方法包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和码分多址(CDMA)。 图中，各个地面站发射的载波频率为fA、fB、……fF。 图中所示为地面站A通过卫星转发器后使用fA的上行频率，使用fF的下行频率与地面站B进行通信的情况。 。 频分多址是基于每个地面站发射信号的不同频率。 通过不同的信号频率来区分是哪个地面站发送信号，如图7.3所示。 1、频分多址（FDMA） 频分多址根据复用和调制方式的不同，分为以下几种方式： 图7.3 频分多址方式示意图 SCPC方式称为单通道单载波传输，每条电话线分别调制到卫星传输的射频载波上。
这种方式可以用语音作为开关，称为语音激活。 即有语音时发射载波，无语音时关闭所使用的载波。 这使得应答器的容量增加了 2.5 倍。 适用于通信流量较小的地球站。 FDM是指该方法的复用部分按频率划分，即频分复用； FM表示调制方式为调频； FDMA是指通信卫星与不同地面站之间的连接按频率划分，即频分复用地址连接。 适用于通信流量较大的地球站。 (1)FDM/FM/FDMA方式： (2)SCPC方式：频分多址方式的优点是方便建立通信线路； 缺点是容易引起互调干扰。 图 7.4 是时分多址系统的简化框图。 为了保证每个站点的信号在指定的时隙内进入应答器，必须将一个站点指定为基站。 基站周期性地发射脉冲射频信号作为系统中其他站的公共时间参考。 时分多址是指各个地球站发射的信号在进入应答器时按照时间排列，即各个站信号所占用的时隙（简称时隙）相互不重叠。 2、时分多址（TDMA） 在时分多址系统中，卫星转发器中所有地球站的信号所占用的时隙之和称为一帧，每个地球站所占用的时隙为称为帧。 通常，卫星通信系统中的帧长度为125us（相当于采样频率8KHZ）或125us的整数倍。 图 7.4 时分多址系统的简化框图。 PCM/TDM/PSK/TDMA系统是时分多址方法之一。 模拟信号通过 PCM 编码，然后进行时分复用 (TDM)。 调制使用相移键。 受控调制（PSK），地面站采用时分多址（TDMA）接入方式。
时分多址方法的特点是传输速率高。 由于不同的地面站在信道的不同时隙接入，因此要求各系统具有精确的系统同步、帧同步、比特同步等。空分多址方法是指在卫星上安装多个天线。 这些天线的波束指向地球上的不同区域。 不同区域的地面站发射的无线电波在空间上不会相互重叠。 即使在同一时间，不同地区的地面站使用相同的频率，它们之间也不会有干扰。 空分多址本质上是频率的地理复用，允许重复使用相同的频率来容纳更多的用户。 3． 空分多址(SDMA) SDMA的特点是要求卫星天线的方向性非常准确。 由于天线的波束很窄，卫星的发射功率集中，从而节省了卫星的发射功率。 码分多址方法根据不同的信号模式来区分不同的地面站。 各地面站发射的频率和时间可以重叠，但由于编码方式不同，各地面站的编码信号自相关性较强，互相关性较弱。 每个地面站发出的信号只能使用其相应的接收器来检测。 4． 码分多址(CDMA) CDMA的特点是抗干扰能力强、保密性能好。 CDMA接入方式适用于用户容量相对较小的场合，如飞机、船舶等军事应用，利用卫星与其他地面站建立通信链路。 7.2 通信卫星的组成 1.控制系统 2.天线系统 3.通信系统 4.遥测指挥系统 5.供电系统 6.温控系统 通信卫星是卫星通信系统的核心。
1、控制系统控制系统包括位置控制系统和姿态控制两部分。 卫星除了完成转发任务的通信系统和天线系统外，还必须具备电源和温控系统、控制系统、遥测指挥系统等。 如图7.5所示。 图 7.5 各通信卫星系统框图。 当静止卫星的位置相对于地球发生漂移时，通信就无法正常进行。 这时卫星电话原理，卫星的遥测装置向地球发送信号，地球通过遥控装置控制并启动卫星上的位置控制系统，使卫星返回原来的位置。 位置控制系统由安装在卫星轴向和横向的气体喷射装置组成。 1.位置控制系统 姿态控制是使卫星保持对地球或其他参考物体的正确姿态。 卫星姿态是否正确不仅影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区域，还影响太阳能电池表面是否面向太阳。 2、姿态控制系统 2、天线系统 天线系统用于完成通信卫星上所有信号的接收和发射任务。 通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线。 它们的功能与地面通信设备中的天线相同。 卫星天线和地面天线的不同特点是： 2、天线材料耐高温、耐辐射。 3、增益高以增加卫星有效辐射功率，天线波束始终指向地球。 1、体积小、重量轻、供电方便、易于在卫星上组装、可靠性高、寿命长。 3、通信系统 静止卫星的通信系统也称为通信中继。 它由多个相互连接的通道转发器组成。 转发器的作用是放大接收到的微弱信号，然后重新发送（重传）。
转发器的上下行频率值不同，为了减少上下行线路之间的干扰，所以转发器内部需要进行变频。 图 7.6 是卫星转发器的简化框图。 图 7.6 卫星转发器的简化框图。 来自天线的6GHz信号依次经过前置放大器、混频器、滤波器和放大器，然后经过可控衰减器，再经过滤波器，送到由5到6级晶体管组成的系统。 放大器，最终输出发送到天线。 信号处理过程： 4.遥测指挥系统 遥测指挥系统包括遥测和遥控指挥系统两部分。 遥测部分的作用是在地球上测试卫星上各种设备的工作情况。 卫星向地球发射的信号主要包括电流、电压、温度等指示相关部分工作状态的信号、各种传感器的信息、命令确认信号、控制用气压等。 1、各类遥测部分中的遥测数据必须随时通过遥测系统发送至地面监控中心。 这些数据的传输方式与通信过程类似，即在调制前经过复用、放大、编码等处理。 用于控制卫星姿态和位置的喷气推进装置的点火； 行波管高压电源的开启和关闭； 故障部件和备件的转换、地球对卫星内部各种设备的控制等都是通过遥控指挥系统完成的。 2、遥控指令系统的指令信号从地球上的控制站发出，在卫星转发器中分离卫星电话原理，经过检测解码后发送到控制设备，控制各个执行器执行命令。
5、供电系统通信卫星使用的电源有太阳能电池和化学电池。 太阳能电池是通信卫星的基本电源，由光电器件组成。 太阳能电池直接输出的电压不稳定，必须经过电压调整后才能提供给负载。 通信卫星配备可充放电的化学电池，可与太阳能电池配合使用。 在没有日食的时期，化学电池由太阳能电池充电。 在日食期间，它由化学电池供电。 1.太阳能电池 2.化学电池 6.温度控制系统 卫星受到太阳辐射时的温度与绕地球运行并远离太阳时的温度有很大不同，而且变化频繁。 同时，由于行波管功率放大器和供电系统产生的热量，卫星内部温度升高。 卫星内的电子设备，如本振等，必须具有稳定的温度，否则会影响通信质量。 因此，卫星内部必须安装温度控制系统。 7.3 卫星地面站的组成 1. 天线馈电系统 2. 地面站发射系统的组成 3. 地面站接收系统的组成 地面站是卫星通信系统的重要组成部分。 它有两个作用，一是向卫星传输信号；二是向卫星传输信号。 另一种是接收卫星转发的其他地面站的信号。 根据安装方式和规模的不同，地面站可分为固定站、移动站和可拆卸站。 根据用途不同，地面站根据使用的天线直径不同可分为30m站、10m站、5m站、3m站、1m站等。 标准地面站如图7.7所示，由天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和供电系统六部分组成。
图7.7 地面站系统总体组成框图。 信号流程： 1、城市内的电话、电视信号通过微波线路或电缆发送至地面站的终端接口设备。 2、发射系统对来自终端的基带信号（复用信号）进行高频调制，放大到足够的功率后发送给天线； 3、从天线接收到的卫星转发的信号通过馈电设备进行分配。 到接收系统，完成解调、放大和干扰滤除的任务，并将基带复用信号输出到终端系统。 4、终端系统将各种电话信号、电视信号和数据分离出来，分别发送给用户。 1． 天馈系统 地面站的天馈系统决定了地面站的