第7章卫星系统概述

1第7章卫星通信概述张威2卫星通信的提出

1945年，英国物理学家克拉克普在《无线电世界》杂志上发表题为《地球以外的中继》的文章，预言人类能够利用在赤道上空同步轨道上运行的卫星实现远距离的通信。

在一颗通信卫星天线的波束所覆盖的地域内，各个地球站之间都可以通过卫星中继转发信号，实现通信。例如，当某地的地球站要和另一地区的地球站通信时，该站将无线电信号发射给卫星，卫星将收到的信号进行放大、频率变换等处理后再转发给另一地球站，于是就建立起该站和另一地球站之间的通信联系。

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一颗距地球表面36000km（距地心42000km）远的同步通信卫星，其天线波束覆盖地域（即对地面的视区）超过地球表面的42.4％，只需要把3颗相隔120°的同步卫星送上天，就可以实现除南北极之外的全球通信。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。它是宇宙通信形式之一。

4静止卫星的轨道位置示意图

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，轨道半径约为42,164公里。从静止卫星看地球，地球的角直径约为17.4度。5静止卫星的覆盖范围示意图

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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。

78卫星通信定义

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。这里地球站是指设在地球表面(包括地面、海洋和大气中)的无线电通信站。而用于实现通信目的的这种人造卫星叫作通信卫星。9我国卫星通信发展状况

“东方红1号”人造卫星的发射成功，开了我国卫星通信事业的先河。1984年4月8日，我国成功地发射了第一颗试验同步通信卫星。1986年2月1日，我国第一颗实用同步通信卫星发射成功，取名为STW，又叫“东方红2号”，向全国传送15套广播节目。1988年3月7日、12月22日、1990年2月4日，我国又分别成功地发射了名为“东方红2号甲”的同步通信卫星。

10卫星通信的特点1、通信距离远。一颗同步通信卫星的无线电波束，可以覆盖地球表面积的42.4％。覆盖区内成千上万公里的距离，经卫星“一跳”可及，最远的通信距离可达13000Km。通信不受地理条件的限制（如山河海洋的阻隔），也不受自然灾害（如洪涝灾害、地震灾害等）和人为事件的影响。

112、通信质量高。这首先是因为通常经过卫星一跳就可以把信息传送到对方，不像微波接力通信那样要经过众多的中继站而不可避免地引入噪声；其次，无线电波主要在外层空间传播，所受大气折射和地面反射影响较小，有较好的传播特性。123、覆盖面积大，可进行多址通信。许多其它类型的通信手段常常是只能实现点对点通信。而卫星通信，由于它是大面积覆盖，因而只要是在卫星天线波束的覆盖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。134、通信频带宽、传输容量大。这是由于卫星通信通常都是使用300MHz以上的微波频段，因而可用频带宽。目前，卫星带宽已达到3000MHz以上，一颗卫星的通信容量已可达到30000路电话，并可同时传输3路彩色电视以及数据等其它信息。145、机动灵活。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离干线通信，而且可以在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终端提供通信服务。15卫星通信的不足

卫星通信具有广播特性。一般来讲较易被窃听。因此必须采取密措施。保密主要从防窃听和信息加密两方面考虑。(1)防窃听。虽然卫星通信比有线通信较易被窃听，但采用先进的技术体制也能起到防止窃听的作用。例如利用卫星信道时延长的特点，采用跳频技术；利用卫星信道频带宽的特点，采用扩频技术；利用卫星天线有多种覆盖的特点，采用点波束天线，使卫星转信能量集中在某一特定工作地区。16(2)信息加密

对于现代侦听技术来说，防窃听已不足以解决通信保密问题，即便是地下电缆、海缆通信，也不能有效地防止窃听。所以，通信保密的重点应是信息加密。现代数字通信及计算机技术为信息加密提供了技术条件。卫星通信信道稳定，不论距离远近均可直达通信，便于传输同步数字加密信息。所以，为保密起见，卫星通信可选用数字通信体制及数字加密技术。17卫星通信发展的回顾

早在1945年10月，英国空军雷达军官阿瑟·克拉克在《无线电世界》发表了《地球外的中继站》一文。大约20年之后，这一设想变成现实。卫星通信的发展过程，大致经历了以下几个阶段:1、20世纪40年代提出构想及探索2、20世纪50年代进入试验阶段3、20世纪60年代中期卫星通信进入实用4、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信5、20世纪80年代VSAT问世6、20世纪90年代卫星通信进入个人通信阶段

181、20世纪40年代提出构想及探索1945年10月，英国科学家阿瑟·克拉克发表文章，提出利用同步进行全球无线电通信的科学设想。最初利用月球反射进行探索试验以进行通信。但由于回波信号弱、时延长、提供通信时间短、带宽窄、失真大等缺点，因此没有发展前途。192、20世纪50年代进入试验阶段

1957年10月，第一颗人造地球卫星上天后，卫星通信的试验很快就转人利用人造地球卫星试验阶段。主要试验项目是有源无源卫星试验和各种不同轨道卫星试验。试验证明：

(1)无源卫星不可取。主要缺点是无源卫星要求地面大功率发射和高灵敏接收，通信质量差，不宜宽带通信，卫星反射体面积要大，且受流星撞击干扰，卫星只能是低轨道等。1964年后，无源卫星试验宣告终止。

(2)通过对各种轨道高度的有源通信卫星的试验，证明了高空轨道特别是同步定点轨道对于远距离、大容量、高质量的通信最有利。所以，试验及试用逐步集中到同步定点卫星方面。203、20世纪60年代中期卫星通信进入实用

1965年4月，西方国家财团组成的“国际卫星通信组织”把第一代“国际通信卫星”(INTELSAT-1，简记为IS-1，原名“晨鸟”)射入静止同步轨道，正式承担国际通信业务。两周后，苏联也成功地发射了第一颗非同步通信卫星“闪电-1”，进入倾角为650、远地点为40000km、近地点为500km的准同步轨道(运行周期12小时)，对其北方、西伯利亚、中亚地区提供电视、广播、传真和一些电话业务。这标志着卫星通信开始进入实用阶段。213、20世纪60年代中期卫星通信进入实用1965年成立的国际通信卫星组织INTELSAT。相继发射了IS-1，IS-Ⅱ，IS-Ⅲ通信卫星。一些国家建成了一批地球站，初步构成了国际卫星通信网络，开拓了国际卫星通信业务。限于当时技术条件，地球站设备十分庞大，采用30m口径的大型天线、几千瓦速调管发射机、致冷参量放大器接收机，建设一座地球站耗资巨大。224、20世纪70年代初期卫星通信进入国内通信1972年加拿大首次发射了国内通信卫星ANIK，率先开展了国内卫星通信业务，取得了明显的规模经济效益。地球站开始采用21m、18m、10m等较小口径天线，用几百瓦级行波管发射机、常温参量放大器接收机，使地球站向小型化迈进一大步，成本也大为下降。此间还出现了海事卫星通信系统，通过大型岸上地球站转接，为海运船只提供了通信服务。235、20世纪80年代VSAT问世

VSAT(VerySmallApertureTerminal)卫星通信系统问世，卫星通信进入了一个突破性的发展阶段。VSAT是集通信、电子、计算机技术于一体的、固态化、智能化的小型无人值守的地球站。一般C频段VSAT站的天线口径约3m，Ku频段为1.8m，1.2m或更小。可以把这种小站建在用户的楼顶上或就近地方直接为用户服务。VSAT技术的发展，为大量专业卫星通信网的发展创造了条件，开创了卫星通信应用发展的新局面。24附录：卫星通信的分类按照业务划分：固定卫星业务（FSS,FixedSatelliteService）广播卫星业务（BSS,BroadcastingSatelliteService）移动卫星业务（MSS,MobileSatelliteService）按照工作频段划分：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

25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--20000公里高轨（HEO），轨道高度高于20000公里按照轨道类型划分：形状——圆轨道与椭圆轨道倾角——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26按照转发器类型划分：透明信道：又称弯管式（bendpipe），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，在特定的时间和地点回传给地面，通常用于低轨小卫星。7.1卫星电视广播频道7.1.1全球范围卫星广播的频段分配7.1.2卫星电视频道的划分7.1.3亚太地区上空主要电视广播卫星分布情况7.1.4我国上空部分数字卫星电视节目表7.1.5在我国可收到的卫星电视广播7.1.1全球范围卫星广播的频段分配1979年世界无线电管理会议对卫星广播的频段进行了分配，共分6个频段;三个电视区。卫星电视广播分3个区：第一区包括欧洲，非洲，蒙古，土耳其，阿拉伯半岛；第二区包括美洲，第三区包括亚洲，大洋洲。我国属于第三区域，应该是用12GHz频带的卫星广播。第三区频道分配如图：

在L、S、Ku、Ka(213)、Q(42)、85六个频段中，L波段的传输损耗最小、覆盖面大，地面接收机最简单且价格便宜。但其缺点是频带窄，不利于传送多路信号，而且该波段正处于地面UHF电视频道内，容易与地面电视相互干扰；国际电联也规定我国不使用该波段。S波段天线有效开口截面积要小些，为了避免干扰，需要控制地面功率通量密度，使之只能分集接受。K波段天线有效开口截面积更小，电波传播的损失及雨致衰减更大，但抛物面天线的增益也更高。我国决定采用K波段作为卫星电视广播频段。参照书表3.1.17.1.2卫星电视频道的划分1.模拟卫星电视频道的划分

相邻频道间隔：19.18MHz(也有采用20MHz)

上沿保护带为：11MHz

下沿保护带为：14MHzKu频段中心频率计算：

fn=11708.30+19.18N(MHz)C频段中心频率计算：fn=3708.30+19.18N(MHz)Ku频段的频率范围：11.7~12.2GHz,24个电视频道

C频段的频率范围：3.7~4.2GHz,24个电视频道2.数字卫星电视频道的划分

(1)频分多路方式：单路单载波方式（SCPC）,每频道带宽5~7MHz(2)时分多路方式：多路单载波方式（MCPC）,带宽（36MHz,54MHz,72MHz),复用频道数2~10个。参考书上表3.1.2与表3.1.37.1.3亚太地区上空主要电视广播卫星分布情况

亚太地区上空电视广播分布情况亚太地区上空C、Ku频道主要电视广播卫星分布情况。请参看书表3.1.4与表3.1.57.1.4我国上空部分数字卫星电视节目表请参看书表3.1.6

7.1.5在我国可收到的卫星电视广播请参看书表3.1.77.2数字卫星系统7.2.1卫星广播电视卫星的轨道位置7.2.2上行发射机或星载转发器的组成7.2.3数字卫星电视地面接收站7.2.4家用数字卫星电视接收机7.2.5国际卫星数字电视广播参数7.2.1卫星广播电视卫星的轨道位置广播卫星位于地球上空35860km的圆形轨道，他的运行周期T=24小时，同步卫星。要实现全球电视广播，起码要三颗卫星，从卫星向地球引两条切线，切线间的夹角约为17.34度，其电视广播的边界对地心夹角为152度。卫星电视广播的覆盖范围与卫星高度h、地面接收站可接受电视信号的最低仰角θ的关系：r:地球半径h:卫星高度θ:天线最低仰角β:覆盖范围中心角最大传输延迟时间：7.2.2上行发射机或星载转发器的组成1.数字卫星上行站向卫星发射信号的发射机叫上行发射机，多套数字电视、音频信号经节目流复用后再送入传输流复用，在传输流复用中进行加扰或能量扩散，信道纠错编码、数据交织及QPSK数字调治，然后经上变频和功放送入抛物面天线发到卫星。如图3.2.3数字卫星上行站2.星载转发器(1)直接变频式转发器工作原理直接变频式转发器如图所示。上行信号f1

经低噪放大后送入变频器，变为f2在进行功率放大，被放大后的信号经双工器送入卫星抛物面天线，在向地面下行。(2)二次变频式转发器工作原理上行C:6GHzKU:14GHz下行C:4GHzKU:12GHz星载转发器的原理方框图如图，图中f2信号是上行频率，经放大后由下变频器变为中频f3，将f3信号放大后再经上变频器变为下行频率f4。可见星载转发器的转接方式就像地面微波中继站中的中频转接方式。7.2.3数字卫星电视地面接收站数字卫星电视地面接收站如图，它对信号的处理是与数字卫星电视发射机相反的过程。7.2.4家用数字卫星电视接收机1.采用第二中频的调谐解调器电路电子调谐器的主要功能是从第一中频信号中选出所要接受的某一卫星电视频道的频率，并将它变换成第二中频或零中频信号输出。有两种方式：一种是采用第二中频的电路形式，另一种是零中频的电路形式。2.零中频的调谐解调器电路框图采用零中频方案的调谐解调器电路结构框图如图。它节省了中频处理电路和声表面波滤波器等单元，从而简化了电路、降低了成本。以下为我国曾实验过的数字卫星广播电视数据格式名称质量等放显示分辨率典型视频码率(Mbit/s)LDTV家用级VCD质量约300线1.15SDTV专业级广播质量约400线4~5SDTV广播级演播室质量500线以上8~9档次和等级

用途图像格式数码率上限值MF@LLLDTV352*2884MF@MLSDTV720*57615MF@H1440LEDTV1440*115260MF@HLHDTV1920*115280类别净码率（Mbit/s）实际码率（Mbit/s）视频55.112音频（4声道）0.5120.544图文电视（22行/帧）0.2050.338数据0.01920.0192PSI码0.0300.030总码率5.76626.05127.2.5国际卫星数字电视广播参数国外数字卫星电视广播参数如下0dBuV

德DW（Mbit/s）

法MCM（Mbit/s）

法TV5（Mbit/s）意大利RAI（Mbit/s）西班牙TVE（Mbit/s）86666音频0.2560.1920.2560.2560.192数据00000PSI0.0070.0070.0060.0050.005总码率8.56.396.456.456.397.4数字卫星电视接收7.4.1数字卫星电视接收机的基本组成7.4.2几种常见的整机结构方案7.4.3各部分电路分析7.4.4主要芯片介绍7.4.1数字卫星电视接收机的基本组成数字卫星电视接收机包括室外抛物面天线、室外高频头、室内高频调频器、室内数字视音频解压缩设备等4部分组成，如图：数字卫星电视接收机由室外接收下来的信号送入室外高频头进行低噪声放大、混频、送出950~2150MHz的第一中频信号，然后由射频电缆送到室内调谐器，最后送到音、视频解码器。室内数字接收单元，在有些场合也称为综合接收解码器等。其基本功能是将室外单元通过射频电缆传送下来的第一中频信号（950~2150MHz），经本机变换器处理后输出视频和音频信号，提供给用户的电视机，监视器或其他调制转发设备。从信号的处理过程看，数字卫星电视接收机的信号处理流程刚好与相应发射系统的信号的处理过程相反。虚线框表示室内调谐器部分，它包括模拟调谐解调电路，双路A/D变换器，数字解调器，信通解码器等。（1）室内调谐选台器。其主要功能是从室外单元通过射频电缆送来的第一中频信号中选出所要接受的某一卫星电视频道的频率，并将它变桓成零中频信号输出。所谓的零中频方案，就是在混频时，使本机振荡器的输出频率与输入信号频率相同，从而使混频电路的输出信号为零中频的基带信号。该基带信号可直接送到后面的数字解调和解码电路进行处理。其最大的好处是节省了中频处理电路和声表面波滤波器等单元，从而简化了电路、降低了成本。零中频的调谐解调器电路框图如图3.4.3。（2）信道解调和解码。该模块对应于发射系统的信道编码模块，其功能是对输入的零中频的模拟信号进行模数转换，并进行载频和时钟的恢复，校正在模数转换过程中产生的抽样误差，产生正确的抽样值。该模块的另一个作用是纠正传输过程中产生的误码，提高传输的可靠性，为解多路复用电路提供无误的传输码流，从而保证图像和伴音信号的质量。（3）解多路复用。该模块对应发射系统的多路复用模块。它是根据传输码流中所定义的特殊语法来进行解复用的。由于复用过程是分两级进行的，故解多路复用过程也是两个层次：先对传送流解复用，得到独立的节目流，接着对节目流进行解复用，分离出节目流中的视频、音频以及一些服务信息数据，送给信源解码模块。（4）信源解码。该部分包括了视频解压缩和音频解压缩两大部分。按照MPEG-2的解码算法分别对压缩的视频码流和音频码流进行解码，从而得到正常的视频数据和音频数据码流。（5）视频编码和音频数据转换。视频解码器输出的色差信号和亮度信号是数字化的码流，它必须经过视频编码器编码产生模拟的PAL或NTSC制式图像信号，以便送给普通的模拟电视机收看。音频解码恢复出的信号也是数字形式，也应通过D/A变换器将它转化成模拟的音频信号，送给电视机重现伴音（6）射频调制器。图中没有给出，但应放在音、视频信号输出之后。该模块作用与模拟卫星接收机的对应模块一样，使不带AV输入端子的电视机也能收看数字卫星电视节目。（7）32bitCPU。数字卫星电视接收系统是一个复杂的大系统，各个模块都有各自复杂的处理算法，彼此之间的数据交换十分频繁，数据的处理和传输速度要求很高。因此需要采用速度快、功能强的32bitCPU。在实际的接收机中，这些模块都由相应的集成电路来实现，并通过功能强大的32bitCPU和多任务处理操作系统对整个系统的硬件系统和软件系统进行协调和控制。7.4.2几种常见的整机结构方案1.三片机方案飞利浦公司发布了全部采用该公司自己芯片的数字卫星电视接收机三片解决方案，其系统组成框图如图7.4.4，在前段，单片的数字解调和信道解码芯片TDA8044集成了双路模拟数转换器，使前端的电路大为简化。2.STMicroelectronics公司的两片机解决方案

STMicroelectronics公司的两片机解决方案在前端模拟解调电路上，采用了零中频解调方案；在数字解调和信道解码部分，采用性能更好地STv0299；与前面所介绍的各种方案不同的地方是，它将带32bit微处理器核的解复用芯片、视音频解码器全部集成在一起，构成单片的STi5500芯片。3.ST公司单片机方案单片机方案指的是高频调谐器只能用一块芯片，即低噪放大、模拟调谐、零中频解调、数字调制解调、信道解码等合成一块芯片。采用STv0399来完成。4.富士通公司的两片机方案富士通公司的两片机方案的结构图如图，其核心的芯片是MB87L2250，它集成了解多工复用器、MPEG视音频解码器和32bit为处理器控制器。数字视频编码器采用了ADI公司的ADV7171，音频DAC则采用了PCM1723前端电路采用通用的一体化调谐解调解码器，该方案在国内市场上十分流行。7.4.3各部分电路分析1.数字解调与信道解码电路电子调谐解调器产生的正交模拟I,Q两路基带信号，送到数字解调与信道解码电路进行进一步的处理。数字解调与信道解码电路的功能是将模拟I,Q基带信号进行数字化变化后，用数字信号处理方式，进一步进行数字解调和解码。如图：（1）匹配滤波

接收系统中的一个重要的问题就是如何提高解调器输入端的载噪比，因为提高载噪比可以降低解调后信号的误码率。由匹配滤波器理论知，只要发射信号频谱与信道的频率特性有最佳的配合，或在信道的输出端插入一个具有某种频率特性的滤波器而使信道和滤波器的综合特性成为最佳，就可以提高解调输入端的载噪比。由于信道和发射信号具有多样性和随机性，因此一般应采用插入滤波器的方法，才能实现频谱与综合信道的匹配。如果发射端输出的信号为s(t),在叠加信道加性噪声n(t)后的输出为v(t),则匹配滤波器的频率特性应为

（2）QPSK数字解调

QPSK数字解调的电路组成框图如图，它包括A/D转换器、匹配滤波器、插值器、时钟恢复电路和载频恢复电路等。实际电路中，在模拟正交解调器中所使用的本振信号并非由接收信号中提取的相干载频，而是有高频定度的频率合成器所产生的。这样，由于传输信号的频率偏移或接收系统前端的高频头低噪声下变频组建本振的偏移，在实际载频和标称载频之间必然存在频差及相位抖动。这使得输出的模拟基带信号是带有载频误差的信号，这样的模拟基带信号即使采用定时准确地时钟进行取样判决，得到的也是数字信号也不是原来的发射端的调制信号，这样导致了抽样判决后增大了误码率。另外，A/D的取样时钟也不是从输入信号中提取的，当取样时钟与输入的数据不同时，将不能在最佳取样时刻进行抽样，得到的样值的统计信噪比就不是最高的，即取样判决后的误码率增大。因此，在本电路中需要恢复出一个与数据同步的时钟，来校正固定取样所造成的样点误差。同时，准确的定位时信息可为数字解调之后的信道纠错解码提供正确的时钟。QPSK数字解调模块实际上可消除模拟正交解调输出中附带的载频偏移量，并保证抽样判决输出端得到最低误码率。（3）信道解码

数字解调后得到的最佳取样值，还应该在信道解码模块中对传输过程中出现的误码进行校正，以得到误码率低的输出码流，保证