卫星通信技术
摘要：主要是阐述卫星通信的发展过程以及卫星通信的基本技术特别是VSAT卫星通信技术，最后介绍卫星通信技术的发展趋势。
关键字：发展、卫星通信特点、数字信号调制技术、差错控制编码技术、卫星通信技术今后的趋势
正文：
卫星通信自20世纪40年代提出，并经过半个多世纪的发展，已逐渐成为区域与跨洋通信、国家基础干线通信、国际军事通信、行业及企业专网通信乃至个人通信的重要手段。进入到21世纪，卫星通信面临地面高密度、大容量光纤通信的严峻挑战，但随着信息全球化、互联网、数字多媒体通信以及视频、音频业务的增长，通信个体化、机动性及无缝覆盖的需求，卫星通信已转向其具有独特优势的方向发展。
卫星通信是现代通信技术、航空航天技术和计算机技术结合的重要成果。卫星通信是当今主要的通信方式之一，在国际通信、国内通信、国防、移动通信及广播电视等领域，得到了广泛的应用。卫星通信与其他通信手段相比，具有频带宽、容量大、适于多种业务、覆盖面积大、性能稳定、不妥地地理条件限制等诸多优点，特别是国际通信卫星、国际卫星移动通信等是近年来的研究热点。
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发无线电信号，在两个或多个地球站之间进行的通信。用于转发各地地球站通信的人造地球卫星。卫星通信的设想最早出现在1945年10月英国空军雷达专家阿瑟．克拉克在《无线电世界》杂志上发表的著名论文“地球外的中继站”中，他设想在赤道上空、高度为35786km处设置1颗卫星，以与地球同样的角速度绕太阳同步旋转，就可以实现洲际间的通信。从卫星通信早期的设想到卫星通信广泛应用的今天，卫星通信大致经历了设想阶段、试验阶段和实用阶段。而每一阶段都有一些标志性的重大事件，见证了卫星通信的发展。1945年Arthur 在《Wireless World》上发表论文《Extra-Terrestrial Relays》，1957年前苏联发射第一颗人造地球卫星（一颗LEO卫星），1960年美国发射第一颗无源通信卫星（Echo,回声1号），1962年美国发射第一颗有源通信卫星（电信1号），1964年美国发射第一颗通信卫星SYNCOM3进入静止轨道，1965年INTELSAT组织成立，第一颗商业卫星通信进入静止轨道，1970年中国发射第一颗卫星，东方红1号，一颗LEO卫星，1972年第一个国内卫星通信系统INFER-SPUTNIK系统，在加拿大进入运行，1976年第一代移动通信卫星发射（3颗静止卫星MARISAT）1979年国际移动卫星组织成立，1982年国际海事卫星通信进入运行，INMABSAT-A,移动卫星电话系统，1984年中国发射第一颗试验同步卫星（STW-1号），1986年中国发射第二代通信卫星（东方红2号），1987年INMARSAT成功进行地面移动卫星通信试验，1988年中国发射2颗实用卫星（CHINASAT-1和CHINASAT-2），1990年中国发射1颗实用通信卫星（CHINASAT-3），1997年中国发射第三代大容量通信卫星（东方红3号），1998年通过LEO星座引入手机通信业务，1990年——2000年引入卫星直接广播语音业务，2000年——2005年引入宽带个人通信，Ka频段系统将得到迅速发展，多个LEO和MEO星座系统将投入运行。
卫星通信与其他通信手段相比，具有绝对优势。（1）卫星通信距离远，通信覆盖面积大。利用静止卫星，最大通信距离达18000km左右，这在远距离通信上，比地面微波中继、电缆、光缆、短波通信等有明显优势。（2）卫星通信机动灵活，可进行多址通信。卫星通信由于是大面积覆盖，只要在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点设置地球站，这些地球站可共享一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离通信，而且还能在车载、船载、机载等移动地球站之间进行通信，还可为个人手机提供通信。（3）卫星通信频带宽，传输容量大。由于卫星通信使用微波频段，信号所用带宽和传输容量要比其他频段大得多。卫星带宽一般在500MHz~1000MHz之间，适合传送大容量电话、电报、数据及宽带电视等多种业务。目前，一颗卫星的通信容量已可达同时传输数千路以至上万路电话和3路点数信号以及其他数据。（4）卫星通信传播稳定可靠，通信质量高。由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间中传输，而宇宙空间是接近理想的真空状态，可看做是均匀介质，因此电波传播比较稳定。同时它不受天气、季节等自然条件的影响，且不易受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响，故通信稳定可靠，通信质量高。（5）成本与通信距离无关。卫星通信的建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近及两站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。
卫星通信的基本技术主要有语音压缩编码技术、数字信号调制技术、差错控制技术与扰码技术、数字复接技术、多址连接方式和信道分配技术和多址技术。现代移动通信系统一般采用数字调制技术。由于数字通信技术具有组网灵活，可以使用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够与其他网络较容易地进行互连互通，所以通信系统的传输模式已经由模拟方式向数字方式转变。近年来，数字通信系统的研究取得了很大的进展，不论对于系统信令还是信息，都要求采取数字化传输。然而一般的数字调制技术，如幅度键控（ASK）、移相键控（PSK）和移频键控（FSK）。在移动通信系统中，通常选用一些抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高地调制技术，尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率，以适用于移动通信的要求。卫星移动通信系统由于传输距离远、星上载荷能力的限制，其对调制/解调技术的基本要求为：①卫星通信信道既是功率和带宽受限的信道，又是非线性信道。随着通信容量的日益增加，频谱资源日趋紧张，致使信道间互相干扰的问题相当突出，这不仅要求调制信号的频带占用尽可能小，频带利用率要尽量提高，而且要求调制信号具有快速高频滚降的频谱特性，从而使调制信号通过带限和非线性处理后具有尽可能小的频谱扩散。②目前，针对卫星通信大容量和星间组网的需求，为提高卫星通信的优势，在成本上、服务质量上必须不断提高水平。卫星只有具有星上交换和处理能力，才能更好地满足要求。这使得星上采用的调制/解调技术必须具有较高的功率和频谱效率、较低的实现复杂等特性。同时当卫星通信使用Ku、Ka等频段时，受雨衰影响较严重，要求调制/解调技术具有好的功率效率，减小信道衰落带来的影响。从卫星系统网络同步要求考虑，调制/解调技术应具有优良的同步性能，并要有与地面通信网的兼容性。③评价各种调制/解调技术的优劣，在满足以上各种要求的基础上，对其实现的复杂性、频带利用率和功率效率应作重点考虑。在具体实现过程中，应尽量采用经过充分验证的成熟技术，采用高效率的解调技术，降低接收机的功耗，尽量减小设备的体积重量，保证实现的可靠性。
数字信号调制技术分为（1）相移键控调制方式，所谓相移键控方式，是恒包络调制的一种，用数字基带信号对载波相位进行控制，在基带码元变化时，会产生相位突变。PSK调制技术的发展，主要是为了尽量节省频谱资源，达到高效利用频谱的目的。一个已调波的频谱特性与其相位路径有着紧密的关系。要控制已调波的频谱特性，就必须控制它的相位路径，因此，PSK调制技术的不断发展，就是使已调波相位路径不断得到改进与完善的过程。从二相相移键控（BPSK），到四相相移键控（QPSK）和偏移相移键控（OQPSK）等调制方式的提出，都是为了提高信道频带利用率，是频谱高频快速滚降，减小带外辐射。二相相移键控就是二进制的数字信号0和1用BPSK调制方式时，由于发送端以某个相位作为基准，因而在接收端也必须有这样的一个固定的基准相位作参考。在实际应用中，一般采用差分相移键控DSPK，DSPK是利用前后相邻码元的相对载波相位来表示数字信息的一种表示方法。四相相移键控是在BPSK调制的基础上提出的，QPSK正交相移键控是多相相移键控中常用的一种，QPSK技术以其抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高等优点目前广泛应用于数字微波系统或数字卫星通信系统中。它是一种恒包络调制技术，它所携带的信息全部在相位上，无论幅度上的衰减和干扰多么严重，只要调制信号的相位不发生错误，就不会造成信息丢失，因此QPSK调制技术特别适合于衰减和噪声十分严重的卫星通信。偏移四相相移键控OQPSK是继QPSK技术之后发展起来的一种恒包络数字调制技术，是QPSK技术的一种改进形式，也称为交错正交相移键控技术。它与QPSK技术有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。（2）频移键控调制方式FSK也称为数字频率调制，其基本原理是利用数字信号离散取值对载波频率进行键控调制。FSK调制在低、中速数据传输中，特别是在衰落信道中传输数据时，有着广泛的应用。频移键控调制方式主要有二进制频移键控、最小频移键控、高斯最小频移键控、频移交错正交调制、正弦频移键控和平滑调频。
差错控制编码技术广泛用于卫星通信中。卫星通信系统由于远距离传送数据，由于衰减噪声和干扰等影响，信号在传输过程中将产生畸变。如果要保证通信质量，就需要增大Eb/No。但是，一般的卫星通信都是非实时、功率受限的。对于要求越来越高的卫星通信系统，高的传信率和低的误码率就成为了衡量系统好坏的一个标准。因此必须使用相应的信道编码进行检错和纠错。在数字通信系统中利用信道编码进行差错控制的方式主要有三种：反馈重传方式、前向纠错方式和混合纠错方式。卫星通信区别于地面无线通信的一个明显特点是卫星通信系统的端到端之间存在很大的链路传播延时。前向纠错方式在采用合适的信号编码方案后，可以尽可能小的编码冗余获得优良的差错控制性能，同时避免星上设备过于复杂。目前在卫星通信中，得到公认的较好的差错控制方式是前向纠错方式。
近年来，卫星通信技术尤其是国外卫星通信技术有了长足的发展，无论是在军事还是商业领域都不断有新型高质量、大功率、长寿命的卫星发射升空，新的卫星通信技术不断涌现。社会需求是发展卫星通信技术的原动力。今天和将来人们对信息的需求已不满足于传统的通信服务，更感兴趣的是多媒体之类的服务如：无线Internet；直接到家的娱乐、Direct-TV；移动语音和数据通信；组播和交互TV；3G、I-Phone等。随着卫星固定通信、卫星移动通信、卫星直接广播3种通信方式融合，地面电信网、计算机网和有线电视网三网融合，各种卫星通信网与各种地面通信网互联互通，未来的通信网必将是一个包括地下的光缆，地面的微波和蜂窝移动通信，低轨道、中轨道以及静止轨道的通信卫星系统组成的服务于全球的混合通信网。它们之间既可以单独组成通信系统，又可以在不同系统间互连互通，真正构成全球无缝隙覆盖的天地一体化的海、陆、空、天共用的能够提供各种宽带和多种业务的综合通信网。它标志着真正个人通信时代的到来。
参考文献：《现代通信技术》张敬堂主编，国防工业出版社
《卫星通信系统》郭庆、王振永、顾学迈编著，电子工业出版社
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