1、卫星通信基础 / Satcom ABC静止卫星 / GSO satellite静止卫星工作在位于赤道平面的圆轨道上，卫星的运行周期为 24小时。由于静止的运转方向和角速度与地球的自转方向和角速度相同，卫星的空间位置与地面任意地点的相对空间关系固定不变。GSO satellites are locating and operating at geostationary orbit. Geostationary orbit is a circular one, with its revolution period of 24 hours. A GSO satellite appears stati
2、onary above the earth, because of its running direction and orbital velocity is as same as the earths rotational direction and speed respectively. Therefore, an earth station could point to the satellite at fixed elevation and azimuth angles.由静止卫星的轨道位置示意图可见，地球的平均半径约为 6378公里，静止卫星的轨道高度约为 35786公里，轨道半径约
3、为 42,164公里。从静止卫星看地球，地球的角直径约为 17.4度。As the sketch map of geostationary orbit shown, the earths mean radius is about 6378 km, while the altitude and orbit radius of a GSO satellite is approximately equal to 35786 km and 42164 km respectively. Looking from a GSO satellite, the earths diameter is about
4、17.4 in angle.在采用 EquiRectengular投影方式的静止卫星的覆盖范围示意图中，三条绿线分别对应东经 105.5度卫星的 0度、15 度、及 30度仰角服务区。图中的 0度仰角服务区表明，静止卫星只能覆盖到南北纬大约 80度处，南北两极附近的高纬度地区并不在静止卫星的服务区内。由 15度仰角服务区的经度覆盖范围大致有 140度可知，只需轨位间隔约为 120度的三颗静止卫星，就可以覆盖南北纬70度以下的绝大部分地球表面。Adopting EquiRectengular projection method, the sketch map of the coverage of
5、 a GSO satellite located in 105.5E longitude presents three green lines denoting service areas of elevation 0, 15 and 30 respectively. The service area of 0 elevation indicates that a GSO satellite could only cover the area between 80N and 80S latitude, while higher latitude areas near north pole an
6、d south pole would be out of the service. On the other hand, the service area of 15 elevation could cover the area about 140 degrees in longitude, it shows that only three GSO satellites with 120orbital space one another could cover most of the earth surface where latitude not higher than 70.卫星通信的历史
7、与现况 / Satcom, the past and the present英国的空军军官 Arthur C Clarke于 1945年著文提出利用静止卫星提供全球微波通信的设想。In 1945, Arthur C. Clarke, a British air force officer, conceived the idea to effect global microwave communication by GSO satellites.卫星通信大致经历了如下发展阶段：1950 年代中期，利用气球卫星等进行无源反射式通信试验；1960 年前后，利用低轨卫星作存储转发式通信试验；1960
8、年代初，利用中、高轨卫星进行越洋通信试验；1964 年，利用静止通信卫星对东京奥运会作了实况转播；1965 年，国际通信卫星组织发射 Intelsat-I；同年，苏联也开始提供卫星通信业务。The satcom development steps are as follows: The earliest space communication was experienced in mid 1950s, when some balloon-satellites were used as passive reflectors. Around 1960, store and then transit
9、 tests were held on low earth orbit (LEO) satellites. In early 1960s, people could communicate across the ocean by mid or high earth orbit (MEO or HEO) satellites. In 1964, GSO satellite was used for live broadcast for Tokyo Olympic Game. Intelsat-1 was launched in 1965 as the first commercial commu
10、nication satellite, and Soviet Union began its satcom service as well in the same year.目前，已有第 9代 Intelsat卫星在轨提供服务。卫星通信成为经济上最为成功的空间技术。仅在东亚和东南亚就有中国、日本、韩国、印度尼西亚、泰国、马来西亚、新加坡、菲律宾等国拥有在轨的静止通信卫星。我国现有 5家通信卫星公司，拥有 10颗在轨通信卫星，总通信容量约为 370个（36MHz）标准转发器。Nowadays, the 9th generation Intelsat satellites are providin
11、g service in orbit, and satcom has become most successful space technology in economy. Only in east and south-east Asia regions, there are 8 countries including China, Japan, Korea, Indonesia, Thailand, Malaysia, Singapore and Philippines which possess communication satellites. And China has now 5 s
12、atcom companies with 10 communication satellites in orbit, and the total communication capacity is approximately 370 standard transponders (36MHz bandwidth per transponder).卫星通信的特点 / Properties of satcom卫星通信是以人造通信卫星为中继站的微波中继通信 ，其特点主要为：覆盖范围大通信成本与通信距离无关，适用于广播方式，便于网络快速扩容及站点应急部署，不容易查找干扰源；通信距离长传输延时长，传播损耗
13、大工作频率较高带宽和通信容量较大，部分频段存在降雨衰耗建网和使用成本高地球站设备和天线、以及网管系统的一次性投入，专业建站 人员的施工费用，卫星转发器（带宽资源与功率资源）的租金Satcom is one kind of microwave communication by utilizing communication satellite as a relay station and it has the following properties.o Wide coverage: cost independent of distance, well suitable for broadcas
14、ting, easier network expansion and quicker remote installation, but difficult in finding interfering resourceso Long distance: long time delay and high loss in propagationo High frequency: wider bandwidth and larger capacity, but higher rain attenuation in some frequency bandso High cost: more expen
15、sive in installation and operation which including earth station equipments and antennas, the network management system, installation expense, and the rent for transponder resource卫星通信的分类 / Classifications for satcom按照业务划分：固定卫星业务（FSS, Fixed Satellite Service）广播卫星业务（BSS, Broadcasting Satellite Servic
16、e）移动卫星业务（MSS, Mobile Satellite Service）According to services types:o FSS, Fixed Satellite Service, satcom service for fixed earth stationso BSS, Broadcasting Satellite Service, broadcasting service for audio, video and datao MSS, Mobile Satellite Service, communication service for mobile users按照工作频段
17、划分：L频段，1-2GHz，移动通信、声音广播S频段，2-3GHz，移动通信、图像广播C频段，4-6GHz，固定通信、声音广播X频段，7-8GHz，固定通信（通常用于政府和军方业务）Ku频段，10-14GHz，固定通信、电视直播Ka频段，17-31GHz，固定通信、移动通信卫星通信的分配频段卫星通信所用的微波频段的划分如下表：频段 频率范围 波长范围UHF 300 - 1120 MHz 100 - 26.8 cmL 1120 -1700 MHz 26.8 -17.7 cmLS 1700 -2600 MHz 17.7 -11.5 cmS 2600 -3950 MHz 11.5 -7.6 cmC
18、3950 -5850 MHz 7.6 - 5.1 cmXC 5850 -8200 MHz 5.1 -3.7 cmX 8.2 -12.4 GHz 3.7 -2.4 cmKu 12.4 -18.0 GHz 2.4 -1.7 cmK 18.0 -26.5 GHz 1.7 -1.1 cmKa 26.5 -40.0 GHz 1.1 -0.8 cmAccording to operational frequency bands:o L-band, 1-2GHz, for mobile communication and audio broadcastingro S-band, 2-3GHz, for mo
19、bile communication and video broadcastingo C-band, 4-6GHz, for fixed communication and audio broadcastingo X-band, 7-8GHz, for fixed communication (especially for government and military service)o Ku-band, 10-14GHz, for fixed communication and broadcastingo Ka-band, 17-31GHz, for fixed and mobile co
20、mmunication国际电信联盟通信卫星工作频段的划分国际电信联盟早在六七十年代，曾多次召开世界无线电行政大会，制定了分配空间应用频率的无线电规则，详细地划分了以特高频（UHF）一直到极高频（EHF）为各类卫星通信业务可资利用的工作频段。这些频段具体划分如下：P频段：225-390MHz；频段：390-1550MHz；S频段：1.55-3.4GHz；C频段：3.4-8GHz；X频段：7.925-12.5GHz；Ku频段：12.5-16GHz；K频段：18-26.5GHz；Ka频段：26.5-36GHz；Q频段：36-46GHz；V频段：46-56GHz；通信卫星的工作频段，主要是根据电波传播
21、特点和合理利用无线电频率资源等因素确定的。但由于技术条件的限制，迄今实际应用的频段还十分有限。目前卫星通信常用的工作频段有：UHF频段：400-200MHz；频段：1.6-1.5GHz；C频段：6-4GHz；X频段：8-7GHz；Ku频段：14-11GHz；Ka频段：30-20GHz。卫星通信常用工作频段中，前边的是卫星地球站向卫星传输的上行频率，后边的是卫星向地球站传输的下行频率。例如，C 频段 6-4GHz，表示上行频率为6GHz，下行频率为 4GHz。同时，实际工作频段与划分的频率范围略有出入。整个卫星通信工作频段中，1-10GHz 频段，被称为卫星通信频率的“窗口”。窗口中最理想的频段
22、是频段，它的典型应用实例是国际通信卫星组织发射的第六代国际通信卫星。按照轨道高度划分：低轨（LEO），轨道高度低于 5000公里中轨（MEO），轨道高度在 5000到 20000公里之间高轨（HEO），轨道高度高于 20000公里According to orbital altitude:o LEO, Low Earth Orbit, lower than 5000 kmo MEO, Medium Earth Orbit, between 5000 and 20000 kmo HEO, High Earth Orbit, higher than 20000 km按照轨道类型划分：形状圆轨道与椭
23、圆轨道倾角赤道轨道、倾斜轨道、极轨道对地静止轨道（GEO）在赤道平面上的圆轨道，轨道高度约为 36000公里According to orbital types:o Type: circle orbit and ellipse orbito Inclined angle: equator orbit, inclined orbit and polar orbit按照转发器类型划分：透明信道又称弯管式（bend pipe），不对收自地面的信号作解调处理，经过变频后直接转发回地面星上处理对收自地面的信号作解调和交换处理、以及变频和波束选择后，再转发回地面存储转发暂时存储收自地面的信号，在特定的时间
24、和地点回传给地面，通常用于低轨小卫星According to transponder types:o Transparent channel or bend pipe: frequency conversion and carrier transmission, without demodulate and other processo On-broad processing: including carrier demodulation and switching, even beam exchangeo Store and transit: normally for LEO mini-sa
25、tellite, the received signals will be stored temporarily, and then transmitted back to the earth at desired time and location常用工作频段 /从地面发送上卫星的载波工作频段称为上行频段，从卫星向地面发送的载波工作频段称为下行频段。上行频段的工作频率通常高于下行频段。固定卫星业务的常用工作频段：C频段上行 5850-6425MHz，下行 3725-4200MHz，上下行频率之差通常为2225MHzC扩展频段上行 6425-6725MHz，下行 3400-3700MHz，上下
26、行频率之差通常为 3025MHzKu频段在中国所在的 ITU 3区，上行 14.0-14.5GHz，下行 12.25-12.75GHz，上下行频率差通常为 1750或 1748MHzITU 3区的广播卫星业务常用工作频段：Ka频段上行，17.3-17.8GHzKu频段上行，14.5-14.8GHz（仅分配给部分国家）Ku频段下行，11.7-12.2GHz常用极化方式 /电磁波辐射的电场矢量方向可按旋转或线性方式变化，对应的两种电磁波分别被称为圆极化波和线极化波。圆极化包含相互正交的左旋和右旋两种极化方式，线极化包含相互正交的水平和垂直两种极化方式。在相同的频段同时使用水平和垂直（或者左旋和右旋
27、）这两种相互正交的极化方式，被称为交叉极化频谱复用。采用交叉极化频谱复用方式的通信卫星可以双倍利用频谱资源。地区性和国内通信卫星多采用双线极化复用方式。国际卫星组织的 C频段转发器多采用双圆极化复用方式。国际电联分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式。由于圆极化电波在穿越雨区时，更容易产生去极化效应，降低交叉极化隔离度。国际电联规定，广播卫星在经过协调后，也可以改用双线极化复用方式。频率极化计划与通信转发器 /由通信卫星的频率极化计划图可见，通信卫星的整个工作频段通常被分为多个子频段。每个子频段都由一套滤波、变频和放大电路构成独立的传输通道，相关的电路设备被称为通信转发器。C频段转发器的带宽通
28、常为 36MHz或 72MHz，Ku 频段转发器的带宽通常为 54MHz或 36MHz透明信道方式的通信转发器只对信号作滤波、变频和放大处理：（接收天线定向接收上行信号，低噪声放大器对上行信号进行预放大，）输入带通滤波器选择上行信号中的相关频率分量，混频器对信号作上行/下行频率转换，信道放大器用于调整转发器的增益，功率放大器对输出信号作功率放大，输出带通滤波器限制带外噪声对相邻转发器的影响，（发送天线定向发送下行信号。） 分贝的概念 /卫星通信所用的放大倍数和传输损耗等的数值都很大，不便于用真数表示和比较。如果用以 10为底的对数，即贝尔（Bel）表示时，又因单位过大而不很方便。常用单位为分贝
29、（dB，decibel），即贝尔的1/10。采用对数后，还可以将乘除运算简化为加减运算。以分贝形式表示的计算单位有：增益或损耗单位 dB 功率关系，G dB = 10 log10 (P1 / P2)电压关系，G dB = 20 log10 (V1 / V2)电流关系，G dB = 20 log10 (I1 / I2)功率单位 dBW或 dBm1W = 0dBW 1mW = 0dBm0dBW = 30dBm带宽单位 dBHz1Hz = 0dBHz 1kHz = 30dBHz1MHz = 60dBHz天线增益单位 dBi温度单位 dBk，等等传输损耗 /自由空间传输损耗的计算公式：Lf = (4d
30、/)2Lf = 10 lg (4d/)2 = 20 lg (4d/)上式中的为信号的波长，即光速与信号频率的比值 = c / f = 3 * 108 / f (m)传输损耗与距离的平方成正比，传输损耗与信号频率的平方成正比。当传输距离为 3万 6千公里时，4GHz信号的自由空间传输损耗约为 195.6dB6GHz信号的自由空间传输损耗约为 199.1dB12GHz信号的自由空间传输损耗约为 205.2dB14GHz信号的自由空间传输损耗约为 206.5dB面反射天线 /卫星通信采用定向天线聚集信号能量，克服超长距离传输带来的极大损耗。卫星通信地球站常用抛物面反射天线。通信广播卫星多采用抛物面结
31、构的波束赋型天线。与全向天线相比，定向天线对信号能量的放大倍数为天线增益。天线增益与信号频率的平方成正比。抛物面反射天线的增益与天线口径的平方成正比。天线增益随辐射球面的角坐标而变化的分布图为天线方向图。抛物面天线的方向图通常由一个主瓣和多个旁瓣构成。主瓣为圆柱状，旁瓣通常为环柱状。从主瓣、第一旁瓣、近旁瓣、远旁瓣、直到后瓣的天线增益，在总体上随偏轴角的增加而呈递减趋势。为了直观表示，本应由三维极坐标表示的天线方向图也可被分解为两个直角坐标图。直角坐标方向图的 X轴为天线的方位角或者俯仰角，Y 轴为对应于不同角度的天线增益值。赋型天线的方向图可用等值线图表示。抛物面天线的主瓣波束宽度与信号频率
32、、以及天线口径成反比。天线主瓣的半功率波束宽度（波束中心与天线增益从峰值下降 3dB的偏轴方向的夹角）的估算公式为HPBW = (35 to 36) /D为使增益分布能符合不同服务区的要求，卫星天线多采用赋型波束设计。赋型天线通常分为单反射面复合馈源、以及单馈源赋型反射面等两种设计方式。转发器的主要参数 /卫星转发器的三个主要参数为 G/T、SFD 与 EIRP。G/T 和 SFD反映卫星接收系统在其服务区内的性能，它们与卫星接收天线的增益分布线性相关。EIRP 反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益分布线性相关。卫星天线增益随天线指向与工作频率而变。因此，转发器参数随服务区内的不同地点
33、而变，同一地点的不同转发器参数也有差异。特定地点的转发器参数可从城市参数列表或等值线分布图中查到 。G/T为接收系统的品质因数（figure of merit）。它是接收天线增益G与接收系统噪声温度 T之比值，单位为 dB/k。G/T 的计算公式为G/T = GR TS式中的 GR为卫星天线的接收增益，T S为卫星接收系统的噪声温度。饱和通量密度 SFD为，当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。它反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为dBW/m2。SFD 与 G/T的关系为SFD = constant + attn G/T式中的 constant为反映转发器增益
34、的计算常数，其数值多在-100 与-90 之间，constant越小，转发器的增益就越高；attn 为转发器的增益调整量，它可由地面遥控改变，用于调整 SFD的灵敏度。用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器 attn的当前设置值，并且据此对从图表查到的 SFD数据作修正。有效全向辐射功率 EIRP为卫星转发器在指定方向上的辐射功率。它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为 dBW。EIRP 的计算公式为EIRP = P Loss + GT 式中的 P为放大器的输出功率，Loss 为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，GT为卫星天线的发送增益。由对比同一颗通信卫星的 C频段 EIRP分
35、布图和 Ku频段 EIRP分布图可知，C 频段转发器的服务区大，通常覆盖几乎所有的可见陆地，适用于远距离的国际或洲际业务；Ku 频段转发器的服务区小，通常只覆盖一个大国或数个小国，只适用于国内业务。C 频段转发器的 EIRP通常为 36到 42dBW，G/T 通常为-5 到+1dB/k，地面天线的口径一般不小于 1.8米；Ku 频段转发器的 EIRP通常为 44到 56dBW，G/T 通常为-2 到+8dB/k，地面天线口径有可能小于 1米。另一方面，C频段因为电波传播通常不受气候条件的影响，适用于可靠性较高的业务；Ku频段转发器则因电波传播可能遭受降雨衰耗的影响，只适用于建网条件较差、天线尺
36、寸和成本受限的业务。I/O关系曲线与功率回退 /卫星转发器通常采用行波管功率放大器。行波管放大器是一种非线性放大器，放大器输入功率与输出功率的关系可由 I/O关系曲线表示。图中的纵坐标和横坐标分别为放大器的输出功率和输入功率。曲线的顶点对应于放大器的饱和输出功率。曲线从左至右可被大致分为三个区。左侧为线性区，输出功率和输入功率呈线性关系，最高点为放大器的线性工作点。线性工作点和饱和点之间为非线性区，输出功率的增幅低于输入功率的增幅。饱和点的右侧为过饱和区，输出功率将随输入功率的增大而下降。饱和输出功率与曲线上某个点的输出功率之差值为该功率点的输出回退值（OBO，Output Back-off）
37、，饱和输入功率与某个实际输入功率的差值为该功率点的输入回退值（IBO，Input Back-off）。I/O 关系曲线以饱和功率，即曲线的顶点所对应的最大功率为参考点。饱和功率点的输出回退值和输入回退值均为 0。转发器在多载波工作时，将产生互调分量，降低工作性能。为了避免互调干扰，所有载波的总功率应该不超过转发器的线性功率，以使转发器工作在线性条件下。转发器线性工作点的 OBO和 IBO分别为转发器的线性 OBO和线性 IBO。放大器的线性工作点越接近于饱和点，多载波条件下的最大输出功率就越高。采用行波管放大器的转发器线性 OBO通常为 4.5dB。部分加装线性器的转发器，可以提高多载波条件下
38、的转发器总输出功率，其线性 OBO通常为 3dB。短波是指频率为 330MHz 的无线电波。短波的波长短，沿地球表面传播的地波绕射能力差，传播的有效距离短。短波以天波形式传播时，在电离层中所受到的吸收作用小，有利于电离层的反射。经过一次反射可以得到 1004000km的跳跃距离。经过电离层和大地的几次连续反射，传播的距离更远。超短波（ultra-short wave）亦称甚高频（VHF）波 、米波（波长范围为 1 米至10 米） ，频率从 30 兆赫至 300M 赫的无线电波，传插频带宽，短距离传播依靠电磁的辐射特性，用于电视广播和无线话筒传送音频信号，采用锐方向性的天线可补偿传输过程的衰减。
39、波段名称 频率范围 波长范围 L 波段 1 - 2 GHz 300.00 - 150.00 mm S 波段 2 - 4 GHz 150.00 - 75.00 mm C 波段 4 - 8 GHz 75.00 - 37.50 mm X 波段 8 - 12 GHz 37.50 - 25.00 mm Ku 波段 12 - 18 GHz 25.00 - 16.67 mm K 波段 18 - 27 GHz 16.67 - 11.11 mm Ka 波段 27 - 40 GHz 11.11 - 7.50 mm Q 波段 30 - 50 GHz 10.00 - 6.00 mmU 波段 40 - 60 GHz 7
40、.50 - 5.00 mmV 波段 50 - 75 GHz 6.00 - 4.00 mmE 波段 60 - 90 GHz 5.00 - 3.33 mm W 波段 75 - 110 GHz 4.00 - 2.73 mm F 波段 90 - 140 GHz 3.33 - 2.14 mm D 波段 110 - 170 GHz 2.73 - 1.76 mm微波是指频率为 300MHz-300GHz 的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在 1 米（不含 1 米）到 1 毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波” 。微
41、波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。微波能通常由直流电或 50Hz 交流电通过一特殊的器件来获得。电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在 380 至 780 纳米之间，称为可见光。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X- 射线和伽马射线等等。只
42、要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。尽管如此，只有处于可见光频域以内的电磁波，才可以被人们肉眼看到。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。 无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。射频（RF）是 Radio Frequency 的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从 300KHz300GHz 之间。射频简称 RF 射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于 1000 次的交流电称为低频电流，大于10000 次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频(大于 10K)；射频（300K-300G）是高频的较高频段；微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。
