图6-1 相对光谱灵敏度V（λ）6.1.1.2 亮度的重要性如果不考虑人所具有的视觉环境，那么照明是没有意义的。用每“点”的亮度乘以其基本表面（投影）面积，可得出观测方向的发光强度，它是人们描述光源特性的首选参数。......
2023-06-15
了解基本知识
【摘要】：由于4/6 GHz 通信卫星的拥挤，以及与地面微波网的干扰问题，目前已开发使用11/14 GHz频段，其中上行采用14～14.5 GHz，下行采用11.7～12.2 GHz，或10.95～11.2 GHz，以及11.45～11.7 GHz，并用于民用卫星和广播卫星业务。20/30 GHz频段也已经开始使用，上行为27.5～31 GHz，下行为17.7～21.2 GHz。图10.42卫星通信系统基本组成卫星通信系统包括如下部分。
卫星通信是现代通信技术、航空航天技术、计算机技术结合的重要成果。卫星通信在国际通信、国内通信、国防、移动通信以及广播电视等领域，得到了广泛应用。卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一，是因为它具有频带宽、容量大、适于多种业务、覆盖能力强、性能稳定、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等特点。
1.卫星通信特点
（1）通信距离远，通信成本与距离无关
由于卫星在离地面几百、几千、几万千米的高度，因此在卫星能覆盖到的范围内，通信成本与距离无关。以地球静止卫星来看，卫星离地36 000 km，一颗卫星几乎覆盖地球的1/3，利用它可以实现最大通信距离约为18 000 km，地球站的建设成本与距离无关。如果采用地球静止卫星，只要三颗就可以基本实现全球的覆盖。
（2）以广播方式工作，便于实现多址联接
卫星通信系统类似于一个多发射台的广播系统，每个有发射机的地球站都可以发射信号，在整个卫星覆盖区内都可以收到所有广播信号。因此只要同时具有收发信机，就可以在几个地球站之间建立通信联接，提供了灵活的组网方式。
（3）通信容量大，传送的业务种类多
由于卫星采用的射频频率在微波波段，可供使用的频带宽，加上太阳能技术和卫星转发器功率越来越大，随着新体制、新技术的不断发展，卫星通信容量越来越大，传输的业务类型越来越多。
（4）需要采用先进的空间电子技术
由于卫星与地面站的距离远，电磁波在空间中的损耗很大，因此需要采用高增益的天线、大功率发射机、低噪声接收设备和高灵敏度调制解调器等，并且空间的电子环境复杂多变，系统必须要承受高低温差大、宇宙辐射强等不利条件，因此卫星的设备的材料必须是特制的，能适应空间环境的。由于卫星造价高，系统还必须采用高可靠性设计。
（5）需要解决信号传播时延带来的影响
由于卫星与地面站距离远，信号传输的时延很明显。对一些业务（如话音）来说，必须采取措施解决时延带来的影响。
（6）需要解决卫星的姿态控制问题
由于空间的环境复杂多变，卫星轨道可能有漂移，姿态可能有偏转，由于卫星离地远，因此轻微漂移和姿态偏转可能造成地面接收的信号变化很大，因此卫星的精确姿态控制也是必须解决的问题。
此外，还必须解决星蚀、地面微波系统与卫星系统的干扰等问题，这些都是保证卫星通信系统正常运转的必要条件。
2.卫星通信频率
卫星通信频率一般工作在微波频段，其主要原因是卫星通信是电磁波穿越大气层的通信，大气中的水分子、氧分子、离子对电磁波的衰减随频率而变化，如图10.41所示。
图10.41 大气对电磁波的吸收损耗
可以看到，在微波频段0.3～10 GHz范围内大气损耗最小，比较适合于电波穿出大气层的传播，并且大体上可以把电波看作是自由空间传播，因此称此频率段为“无线电窗口”，目前在卫星通信中应用最多。在30 GHz附近有一个损耗谷，损耗相对较小，常称此频段为“半透明无线电窗口”。
目前，大部分国际通信卫星尤其是商业卫星使用4/6 GHz 频段，上行为5.925～6.425 GHz，下行为3.7～4.2 GHz，转发器带宽为500 MHz，国内区域性通信卫星也多数应用该频段。
许多国家的政府和军事卫星使用7/8 GHz，上行为7.9～8.4 GHz，下行为7.25～7.75 GHz，这样与民用卫星通信系统在频率上分开，避免相互干扰。
由于4/6 GHz 通信卫星的拥挤，以及与地面微波网的干扰问题，目前已开发使用11/14 GHz频段，其中上行采用14～14.5 GHz，下行采用11.7～12.2 GHz，或10.95～11.2 GHz，以及11.45～11.7 GHz，并用于民用卫星和广播卫星业务。
20/30 GHz频段也已经开始使用，上行为27.5～31 GHz，下行为17.7～21.2 GHz。
3.系统组成
这里以地球同步卫星通信系统为例，说明卫星通信系统的基本构成。图10.42所示为通过卫星进行电话通信的系统框图。
图10.42 卫星通信系统基本组成
卫星通信系统包括如下部分。
（1）控制与管理系统
它是保证卫星通信系统正常运行的重要组成部分。它的任务是对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入轨道上的指定位置，卫星正常运行后，需定期对卫星进行轨道修正和位置保持。在卫星业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，如对卫星转发器功率、卫星天线增益以及地球站发射功率、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。
（2）星上系统
通信卫星内的主体是通信装置，其保障部分则有星体上的遥测指令、控制系统和能源装置等。通信卫星的主要作用是无线电中继，星上通信装置包括转发器和天线。一个通信卫星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的信号。
（3）地球站
地球站是卫星通信的地面部分，用户通过它们接入卫星线路进行通信。地球站一般包括天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备、电源设备。
4.多址技术
（1）卫星通信体制
一个通信系统的最基本任务是传输和交换含有信息的信号。所谓通信体制指的是通信系统中采用的信号形式、信号传输方式和信息交换方式。各种通信系统及通信线路的具体组成与它们所用的通信体制有密切的关系。
卫星通信由于具有广播和大面积覆盖的特点，因此特别适合于多个站之间的同时通信，即多址通信，多址通信涉及多址连接的问题。此外如何充分利用卫星转发器的功率和频带，是卫星通信另一个重要问题，这个问题涉及卫星功率和频带的分配方式。根据卫星通信采用的基带信号形式、基带复用方式、调制方式、多址方式、信道分配及交换方式的不同划分不同的卫星通信系统。
通常基带信号可以分成模拟信号、数字信号。在卫星通信中，模拟信号的调制方式通常为调频（FM），数字信号的调制方式通常为相移键控（PSK）调制。基带信号的复用方式根据基带信号的形式也可以分成频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。各地球站之间的多址连接可以是频分复用多址（FDMA）、时分复用多址（TDMA）、码分复用多址（CDMA）、空分复用多址（SDMA）等。信道的分配形式可以分成信道是预定分配（PA）、按申请分配（DA）或随机占用等。
例如，目前国际卫星通信中传输多路电话用得最多的一种体制是：模拟-频分多路复用-预加重-调频-频分多址-预分配，简单记为FDM-FM-FDMA-PA 或FDM/FM/FDMA/PA。其中第一个FDM 表示一个地球站内收集的多路信号的复用方式为频分复用，FM 是该地球站发射信号的调制方式，FDMA 是该地球站与其他地球站之间的多址方式为频分多址，PA 表示分配给该地球站的发射、接收频率是预先分配好的。又如另一种通信体制TDM/PSK/FDMA/PA，表示基带信号采用时分复用（TDM）方式、地球站采用PSK 调制、地球站之间采用时分多址（TDMA）方式进行多址连接，其中每个地球站的发送时隙是预先分配的。图10.43所示为TDM/PSK/FDMA/PA 的通信体制示意图。
图10.43 TDM/PSK/FDMA/PA 通信体制示意
（2）卫星通信的多址技术
多个地球站，无论距离多远，只要位于同一颗卫星的覆盖范围内，就可以通过卫星进行双边或多边通信。多址技术是指系统内多个地球站以何种方式各自占有信道接入卫星和从卫星接收信号。目前使用的技术主要有频分复用（FDMA）、时分复用（TDMA）、码分复用（CDMA）、空分复用（SDMA）、随机多址接入（RA/TDMA），这里主要介绍卫星通信中的这些多址技术的应用。
1）FDMA 多址技术
当多个地球站共用卫星转发器时，如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址，这种多址连接方式就叫FDMA 多址。卫星通信中采用FDMA 多址技术主要有如下形式。
①单址载波
每个地球站在规定的频带内可发多个载波，每个载频代表一个通信方向，如图10.44所示。
图10.44中，A 站发往B站的载波中心频率为f1，发往C 站的载波中心频率为f2，每个载波代表了一个通信方向。
图10.44 单址载波示意图
②多址载波
每个地球站只发一个载波，利用基带的多路复用进行信道定向，如图10.45所示。
图10.45中，A 站只发送中心频率为f1的载波，该载波通过频分复用方式复合了A 站到B站、A 站到C站的信息内容，因此B、C站接收时通过接收共同的载波f1，然后各自用不同的滤波器滤出属于自己部分的信息内容。
图10.45 多址载波示意图
③单路单载波（SCPC）
这种方式是将卫星转发器带宽分成许多子载波，每个载波只传一路话音或数据。这种方式比较灵活，适用于站址多、各站业务量小的情况。由于每个载波只有一个信号，可以根据需要给每个通信方向分配若干载波。例如，Intersat的SPADE（SCPC/PCM/ACCESS/DAMA/EQUIMENT）系统就采用了SCPC多址方式，如图10.46所示。SCPC 多址方式的一个缺点是由于载波多，星上的交调干扰严重，这大大降低了卫星的功率效率，因此大容量卫星系统一般不采用SCPC方式。
图10.46 SCPC多址方式的一种频率分配示意图
2）TDMA 多址技术
TDMA 的原理是用不同的时隙来区分地球站的地址，该系统中只允许各地球站在规定时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排序、互不重叠的。采用TDMA 方式，一般需要一个时间基准站提供共同的标准时间，保证各地球站发射的信号进入转发器时在规定的时隙而不互相干扰，如图10.47所示。
图10.47中，t1时隙被分配为A 到B和A 到C站的传输时间，t2时隙被分配成B到A 的传输时间，各站通过时间基准站调整本地时间，严格按照预定的时隙进行通信。
图10.47 时分多址通信示意图
3）CDMA 多址技术
CDMA 多址技术的原理是采用一组正交（或准正交）的伪随机序列通过相关处理实现多用户共享频率资源和时间资源。每个通信方向采用不同的伪随机序列作为识别，如图10.48所示。
图10.48 CDMA 多址方式示意图
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