2.3 数据链通信信道

信道是信号的传输媒质，在实际应用中一般用传输信号的频段描述信道。根据借助的传输媒质不同，信道又可分为有线信道和无线信道。有线信道包括同轴电缆、双绞线、光纤等。数据链主要使用无线信道，根据频段分为超短波信道、短波信道和卫星信道等。基带信号被载波调制到不同频段。所以信道带宽表示的就是载波的范围。

在具体应用中，根据网络规划或频谱管理规划，在某个信道频段内选择一些频率进行通信，称为工作频率或工作频点。这些工作频率随作战/训练场景及任务的变化而不同，甚至在单次作战/训练中也会变化，防止干扰己方其他通信设备或对抗敌方的干扰。

数据链通信平台的移动速度远高于地面物体的移动速度，通信距离远大于移动蜂窝小区，并且距离地面有一定的飞行高度。因此，数据链通信信道中的电波传播方式、电波传播衰耗以及天线特性等与地面移动通信信道有较大区别。

2.3.1 超短波信道

超短波频段是数据链的主要通信频段，覆盖Link-4A/Link-11数据链的UHF通信频段（225～400MHz）以及Link-16数据链的L通信频段（960～1215MHz）。

1.超短波通信的特点

1）电波以视距传播方式为主

电离层对电波的反射频率存在理论上限值，即天波通信中的最大可用频率。频率在30MHz以上的超短波频段（包括微波频段）无线电波已超出电离层反射的最大可用频率，不能采用天波传播，否则电波将穿出电离层而无法形成反射传播路径。

与短波、中波和长波相比，超短波频率较高，在大地中所感应的电流远大于短波、中波和长波感应电流，信号能量由于被地表面大量吸收而沿地面传播路径迅速衰减，传播距离非常有限，不宜采用地波传播。因此，超短波频段的电波主要采用视距传播方式。由于Link-11数据链的UHF对空通信频段、Link-4A数据链的UHF通信频段和Link-16数据链的L通信频段均属于超短波频段，所以视距传播是数据链主要的电波传播方式。

视距传播以收发节点天线为基准，在相互间视线可见距离内以直射波进行传播。由于受地球曲率的影响，从一定高度天线发出的电磁波直线传播距离有限，通常以“视线传播极限距离”描述最大视距传播距离，即在无障碍物阻挡的条件下，从一定高度天线顶端所能看到的最远距离，如图2.30所示，地球球面切线AA′就是收发节点A、A′间的视线传播极限距离，而收发节点B、B′间受地球曲率影响，视距不可见，相互间就无法实现视距传播。

在数据链中经常使用视距（LOS，Line of Sight）通信、超视距（BLOS，Beyond-LOS）通信以及非视距（NLOS，Non-LOS）通信这些术语。视距传播方式下，视线传播极限距离内的无线通信称为视距通信；超出视距范围的通信称为超视距通信，如天波传播、地波传播和散射传播；非视距传播方式下，克服障碍物的影响而实现的通信称为非视距通信，如绕射等。Link-4A数据链、Link-11数据链（UHF频段）和Link-16数据链所有平台间的通信都是视距通信，并且可以采用平台中继，通过多级视距通信实现更远距离的超视距通信。Link-11数据链的HF频段实现岸/舰以及舰/舰平台间的天波超视距通信。

2）通信距离与飞行高度和地面天线高度密切相关

由于超短波的视线传播特性，Link-4A、Link-11以及Link-16数据链的视距通信存在有效通信区域，理论上按照“视线传播距离d”分析和描述，是数据链的一个重要参数。

理想情况下，不考虑自由空间传播损耗、传输损耗以及其他非直线传播影响，从无线电几何学的角度，将地球抽象为一定曲率的圆球，发射天线和接收天线抽象为距地点一定高度的点（设为A、B），则相切于球面的AB距离为视线传播极限距离dmax（d≤dmax），dmax受地球曲率影响。下面我们分析dmax的理论计算公式。

假设地球为理想的圆球，其半径R0（6370km）；设收发节点A、B的天线高度分别为h1、h2；设d为收发节点A、B的视线传播极限距离。近似的几何图形如图2.31所示。

根据视线传播极限距离的定义，AB与地球球面相切于M，在图2.31中表示为OMAB⊥。于是有：

则视线传播极限距离：

在实际数据链系统中，h1和h2表示空中飞行平台的飞行高度和地面天线的架设高度。目前，飞行高度不超过10km，地面天线假设高度为米级，则h1≤10m，h2≤10km，远远小于R0（6370km）。因此，假设R0＞＞h1，R0＞＞h2，，有：

在理想自由空间（真空），视线传播极限距离由式（2.29）决定：

其中，h1、h2表示飞机的飞行高度和地面天线的高度，单位为m，视线传播极限距离的单位为km。可见，飞行高度以及地面天线高度是视距通信距离的参数。

前面介绍过，实际空间的电波传播会受到大气折射，电波在地球表面上空的传播路径沿地球表面而发生弯曲。在低层大气中，以及频率高于30～150MHz时，这种弯曲现象显著。数据链的通信频段和空中平台有限的飞行高度，使得视线传播极限距离会明显受到大气折射影响。

实际空间传播时，考虑电波的折射，视线传播极限距离由式（2.30）决定：

其中，k为地球等效半径因子，kR0为地球等效半径。地球等效半径的变化，使地球曲率变化，k＞1，地球等效半径增大，地球曲率减小，视线传播极限距离增加；k＜1，地球等效半径减小，地球曲率增大，视线传播极限距离降低（见图2.32）。

一般情况下，由于k＞1，即地球等效半径大于实际地球半径，对于相同天线架设位置和架设高度的发射机，大气折射使数据链的通信距离增大。通常取标准折射的地球等效半径因子k=4/3（kR0=8475km），视线传播极限距离计算公式为

Link-4A数据链的主站是海面指挥平台，从站为空中飞行平台；Link-11数据链的主控站是地面/海面指挥平台或空中预警指挥平台，前哨站为空中飞行平台；Link-16数据链的发送/接收平台是三军作战平台，可以是地面、空中或海面平台。根据式（2.29）、式（2.31），Link-4A、Link-11、Link-16等数据链的视距通信距离有以下特点：

（1）受地球曲率影响较大。

（2）一定条件下，通信距离存在上界——视线传播极限距离（见表2.10）。

表2.10 地空平台视距通信极限距离表

（3）发送平台在地面/海面时，接收平台飞行高度越高，视线范围越大，因而通信距离越远；地面天线高度越高，通信距离越远。将天线架高（高山或高大建筑物）将有效延伸视距传播距离；

（4）相同条件下，发送平台在空中时，与接收平台的通信距离增加（见表2.11）。

表2.11 空中平台视距通信极限距离表

视线传播极限距离dmax是一个理论计算值，通常作为数据链通信距离的参考。在工程设计时，需要综合发射机发射功率、接收机灵敏度、自由空间传播损耗等因素，实际通信距离小于dmax。

2.超短波信道的特性

（1）通信信道稳定，通信误码率低。超短波通信主要是靠电磁波视距传播，与短波通信相比，不受电离层变化的影响。如无有意的人为干扰，基本上属于恒参信道，信号传输比较稳定，因而误码率低，传输速率高。另一方面，与短波信道相比，超短波工作频段和信道间隔宽，可选择的信道数目多，使用频点的间隔可以N倍于信道间隔，有效降低了信道间的干扰，进一步提高了通信质量。Link-11、Link-16数据链的传输速率达几十kbps。

（2）信号传输易受飞机机身、地形地物的影响。根据电波传播理论，频率越高，传播路径上遇到障碍物时的绕射能力越弱。因此，超短波通信收发节点视距间如果存在障碍物阻隔，通信效果将显著变差，甚至无法通信。

Link-4A、Link-11、Link-16数据链的通信平台多为空中飞行平台，要求通信过程中保证收发天线的连线上无遮挡物。如果飞机进行机动，机身可能遮挡视距传播路径。因此，数据链超短波天线多采用全向天线，地面天线架设在开阔无障碍的高处，机载天线往往不止一个。

（3）存在“多普勒频移”。在超短波通信信道中，由于接收方处于高速移动中，比如航空飞行平台在通信时传播频率的扩散而引起的多普勒频移，其扩散程度与接收用户的运动速度成正比，要比地面移动通信中产生的多普勒频移大得多。Link-11、Link-16数据链中，不同状态下收发双方的相对速度相差很大，所以多普勒频谱必须分别分析和描述。

（4）存在多径效应。在工程实践中，多径是不能忽视的客观存在，多径表示发射的电波能量经过多条传播途径到达接收天线，接收天线接收的电波功率是直射波功率与各反射波功率的合成。

对于超短波视距传播，不仅存在发送节点到接收节点的直射波，还有被地面发射后的发射波，从而在接收节点形成多径，接收节点的场强是直射波与发射波场强的叠加。

Link-4A、Link-11与Link-16数据链平台间的通信覆盖范围大（＞300km），通信持续时间长。起飞/降落阶段，空中平台飞行高度低，与地面/海面平台间的通信距离近，该阶段地表面近似为平面，地球曲率被忽略；飞行阶段，空中平台飞行高度高，与地面/海面平台间的通信距离远，此阶段不能忽略地球曲率，地表面近似为球面。两个阶段的反射电波存在一定差异，接收点场强不同。

起飞/降落阶段，反射面是平面，电波的射线仰角Δ很小，通常小于1°（见图2.33）。按照上述平面反射分析，Rfh≈Rfv≈-1，发射波与入射波场强幅度相等，而相位相差180°。接收点场强

其中，PT为发射功率，GT为发射天线增益天线，λ为信号波长，r为视距通信距离d在反射平面上的投影长。

可见，当通信距离较近时，天线高度、通信距离以及信号波长是接收场强的参数，即多径效应使得接收场强随这些参数波动：

①电波波长、收发天线距离不变，接收点场强随天线高度在0与最大值间变化。

②电波波长、收发天线高度不变，接收点场强随收发天线距离增大而呈波动变化，距离减小波动范围减小。

图2.34表示天线高度一定、通信频率400MHz条件下，某种收发信设备通信过程中产生的多径效应所对应的接收功率的变化。接收功率是距离和频率的函数。

③收发天线高度和距离不变，接收点场强随电波波长而波动变化。

在飞机飞行阶段，反射面不再是平面而成为曲面（见图2.35）。曲面除反射电波形成发射波外，还将产生电波能量扩散。总的来说，由于球面的扩散作用，电波在球面上的反射系数小于平面反射系数，远距离通信的曲面反射波场强弱于近距离通信的平面反射波场强。此时接收点场强按照式（2.33）计算

其中，Rf0为扩散系数，Δr为曲面情况下的r变化值，Rr为等效地球半径。具体参数的推导和计算请参阅电波传播相关理论。

2.3.2 短波信道

短波通信主要使用高频频段（包括3～30MHz，波长为100～10m），因此，短波通信又常称为高频无线电通信。实际上，为了充分利用近距离地波传播的优点，短波通信还占用了中频段高端的一部分频段，故短波通信实际使用的频率范围为1.6～30MHz（波长200～10m）。

1.短波通信的特点

1）电波传输模式

短波通信主要靠电离层反射（天波）来传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离传播。每一种传播形式都具有各自的频率范围和传播距离的，当采用合适的通信设备时，都可以获得满意的信息传输。一般情况下，对于短波通信来讲，天波传播较地波传播具有更重要的意义。这不仅仅是因为天波可以进行远距离传播，可以超越丘陵地带，而且还因为可以在地波传播无效的很短的距离内建立短波通信线路。

（1）地波传播。短波地波受地面吸收而衰减的程度，比长波和中波大，传播的情况主要取决于地面（包括电波能够穿透的地层）的电气特性。地形起伏、地表植被以及建筑物等，对地波传播也都有很大影响。地波在导电性能良好的海面上传播时，衰减较小；反之，电波在干燥的砂地上或地形起伏很大的山区传播时，衰减则很大。故短波地波只适用于近距离通信。

地波衰减随工作频率递增，在同样的地面条件下，频率越高，衰减越大；利用地波进行通信时，工作频率一般选在5MHz以下。地波传播受天气影响较小，比较稳定，信道参数基本上不随时间而变化，故地波传播信道可以看做恒参信道。

在短波波段利用地波传播时，一般只使用其低端频率（1.6～5MHz）。在海面上，通信距离最远可达（或略超过）1000km；在电气性能极差的陆地上，通信距离只有几十千米。

由于地表上的地貌、地物以及土壤的电气参数都不会随时间很快地发生变化，而且基本上不受气象影响，因此地波传播几乎不存在日变化和季变化，利用地波通信，不需要像天波那样，为了维持链路通畅而经常改变工作频率。地波信号稳定，色散效应很小。短波地波传播大多用于海上船舰之间或船岸之间的通信链路。陆地上的短距离链路，也常常使用地波。

（2）天波传播。短波通信链路主要依靠天波传播来建立。倾斜投射的天波经电离层反射后，可以传播到几千公里外的地面。天波的传播损耗比地波小得多。由电离层反射回的电波本来传播就要远些，尤其是在地面和电离层之间多次反射（多跳传播）之后，可以达到极远的地方。

在远距离短波通信线路的设计中，为了获得比较小的传输衰减，或者为了避免仰角太小，以致现有的短波天线无法满足这一设计要求等原因时，都需要精心选择传输模式。图2.36中画出了几种可能出现的传播模式。

电波长距离传播时，需要多次反射（多跳），由于路径上各处电离层的高度和临界频率不同，并且随着时间变化，传播情况往往十分复杂。

2）远距传输

利用天波传播，短波单次反射最大地面传输距离可达数千千米，多次反射可达上万千米，甚至作环球传播。

3）寂静区

短波传播还有一个重要的特点就是所谓寂静区的存在。当采用无方向天线时，寂静区是围绕发射点的一个环形地域。寂静区形成是由于在短波传播中，地波衰减很快，在离开发射机不太远的地点，就无法接收到地波。而电离层对一定频率的电波反射只能在一定距离以外才能收到。这样就形成了既收不到地波又收不到天波的所谓寂静区。为了保障300km以内近距离的通信，常使用较低的频率及高射天线（能量大部分向高仰角方向辐射的天线），以解决寂静区的问题。

4）最高可用频率（MUF）

最高可用频率（MUF）是指在实际通信中，能被电离层反射回地面的电波的最高频率。若选用的工作频率超过它，则电波穿出电离层，不再返回地面。所以确定通信线路的MUF是线路设计要确定的重要参数之一，而且是计算其他参数的基础。

远距离通信中，电波都是斜射至电离层的，若令此时最大的反射频率为fob，则在已知通信线路长度和反射点高度的情况下，可以从下式求得fob：

式中，fv为电波垂直投射时的最高反射频率，也称临界频率；ϕ为电波斜射至电离层的入射角；d为通信线路的长度；h'为电波反射点电离层的虚高。

通过分析得到以下重要概念：

（1）MUF是指给定通信距离的最高可用频率。若通信距离改变了，计算所得的曲线族和实测的频高图都将发生变化，从而使临界点的位置发生变化，对应的MUF值就改变。显然，MUF还和反射层的电离密度有关，所以凡影响电离密度的诸因素，都将影响MUF的数值。

（2）当通信线路选用MUF作为工作频率时，由于只有一条传播路径，所以在一般情况下，有可能获得最佳接收。

（3）MUF是电波能否返回地面和穿出电离层的临界值。考虑电离层的结构随时间的变化和保证获得长期稳定地接受，在确定线路的工作频率时，不是取预报的MUF值，而是取低于MUF的频率FOT，FOT称为最佳工作频率，一般情况下FOT=0.85MUF。

选用FOT之后，能保证通信线路有90%的可通率。由于工作频率较MUF下降了15%，接收点的场强较工作在MUF时损失了10～20dB，可见为此付出的代价也是很大的。

（4）取FOT=0.85MUF，就可画出FOT随时间变化的曲线。实际上一条通信线路不需频繁地改变工作频率，一般情况下，白天应选用一个较高的频率，夜间选用1～2个较低的频率即可。

必须指出，按照MUF日变化曲线来确定工作频率，实际上仍不能保证通信线路处于优质状态下工作。这是由于通过计算得到的MUF日变化曲线，实际上适用于电离层参数的月中值，显然这不能适应电离层参数的随机变化，更不能适应电离层的突然骚扰、暴变等异常情况。这就提出了实时选频问题，实时选频原理可参阅相关的短波通信资料。

2.短波信道的特性

1）信道拥挤

短波波段信道拥挤，频带窄，因此要采用特殊的调制方式，如单边带（SSB）调制。这种体制比调幅（AM）节省一半带宽，由于抑制了不携带信息的载波，因而节省了发射功率，目前短波通信装备均为单边带调制。但短波信道的时变和色散特性，使通信可用的瞬时频带较窄，限制了传输的速率。

2）传输损耗

短波信道的传播总损耗包括自由空间传播损耗、电离层的偏移、非偏移吸收以及极化耦合损耗、多跳地面反射损耗、极区吸收损耗、Es层附加损耗等。但目前实际能计算的损耗只有3项，即自由空间传播损耗、电离层非偏移吸收和多跳地面反射损耗。而其他各项损耗以及为以上各项损耗的逐日变化所留的余量，统一称为“额外系统损耗”。所以电离层传播损耗可表示为

式中，Lp为自由空间传播损耗，Li为电离层吸收损耗，Lg为多跳地面反射损耗，Yp为额外系统损耗。这4项中，最主要的一项是自由空间基本传输损耗Lp，它是电波从发射端向远方传播时，随着波束截面逐渐扩大，能量发生扩散所致。电离层吸收损耗Li随着电离层反射次数的增加而增加。地面反射损耗Lg只是在多跳传输时才有，天线的地面损耗已在天线增益内扣除，Lg内不包括。在电波传播过程中还有一些能量损耗目前不易明确计算，这些损耗根据经验统计集中为附加系统损耗Yp。

（1）自由空间基本传输损耗。自由空间基本传输损耗是无线电波离开发射天线以后因几何扩散而引起的能量损耗。最简单的天波传播情况，是假定地面和电离层都是平的，而且是镜面反射。在这种情况下，能量密度随射线路径距离的平方减小。自由空间传输损耗的具体计算可参见2.1.2节。对于长距离传输，包括单跳和多跳路径，其有效几何路径长度甚本上与地面大圆距离呈线性关系。

（2）电离层吸收损耗。电离层吸收可以分成非偏离吸收和偏离吸收两部分。非偏离吸收是指电波在D层传播不出现折射时的吸收，它是电离层吸收的主要部分。偏离吸收是指电波在E层或F层反射区的吸收。偏离吸收很小（≤1dB），一般可以忽略。

电离层吸收的大小程度与太阳黑子数、反射点的太阳天顶角、季节、工作频率、磁旋频率和辐射仰角等参数有关，理论计算十分困难。在工程应用中通常采用半经验公式进行计算。

（3）地面反射损耗。地面反射损耗是电波经由地面反射发生的。这种损耗只是两跳以上并经由地面反射的传输模式才有。

（4）附加系统损耗。附加系统损耗是为了补偿信号强度逐日起伏而考虑的余量。对大量实测数据分析的结果表明，附加系统损耗的分布是地磁纬度、季节、本地时间和路径长度的函数。

在工程计算中，附加系统损耗也可以简单地按CCIR 339号建议中的信号强度起伏因子取定为14dB。

（5）馈线系统损耗。高频馈线系统存在功率损耗，因此发射机馈送到发射天线上的功率实际上总是低于其额定输出功率。高频馈线系统损耗，包括馈电线本身因辐射、反射、衰减等原因所引起的损耗，此外还包括天线开关和平衡不平衡变换器等高频设备所引起的介入损耗。在馈线系统损耗中包括：辐射损耗、反射损耗、衰减损耗、高频器件介入损耗等。

高频馈线系统的功率损耗，主要是因能量的反射和衰减所引起的。在进行链路系统设计时，必须充分估计这两方面所造成的功率损耗。

为使发射天线能够尽量多地将发射机输出的信号能量发射出去，或者使接收天线能够尽量多地将接收到的信号能量传送到接收机，天线输入阻抗应尽可能地与馈电线的特性阻抗相匹配。在短波通信中经常使用宽带天线，宽带天线的输入阻抗随频率而变，因此在选择和设计天线时，应设法减小天线输入阻抗随频率变化的程度。

3）多径效应

由发射地点发出的电波总是经由几条不同路径到达接收地点。由于各条路径的长度不一样，到达接收地点所需要的时间自然也不同。

在短波信道上，多径时延有下列特征：①多径时延随着工作频率偏离MUF的增大而增大；②多径时延和通信距离有密切关系；③多径时延随时间而变化。

多径时延随时间而变化的原因是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。电子密度变化越急剧，多径时延的变化也越严重。所以通常在黎明时刻，电子密度变化最大。多径时延除了随日、小时变化外，由于电离层的结构还存在着较快的随机起伏，所以也存在着快变化，甚至在零点几秒的时间区间内都会发生变化。因此严格地讲，应用统计平均值来描述。多径时延在频域上的反映就是频率选择性衰落。

在短波通信中比较常用的抗衰落方法有：①采用不易受衰落影响的调制技术；②采用分集接收技术；③增大等效发射功率；④选用接近MUF的频率。把多径效应控制到最小；⑤采用自适应天线阵，以克服多径效应。

4）多普勒频移

当电离层的高度快速变化时，由于多普勒效应的关系，天波信号的频率（或相位）发生变化。电离层的反射点的高度降低时，路径长度相应缩短，此时，发射频率似乎提高了Δf；反之，反射点的高度升高时，路径长度增大，发射频率似乎降低了Δf。这种所谓多普勒频移，在电离层处于寂静状态时（一般是夜间）约在1～2Hz以下；在日出和日落期间则比较大，可达几赫兹；而在电离层骚扰时最严重，可能达到十几赫兹或几十赫兹。

多普勒频移实际上也常常由短波传播的多径效应所引起。出现多普勒频移时，信号频谱产生畸变。从时间域观察，这种现象表示短波天波传播存在着时间选择性衰落。

多普勒频移与衰落速率和信噪比的大小有关，衰落速率越高和信噪比越低，频移或相位起伏越严重。多普勒频移与工作频率也有关系，工作频率较高而且接近MUF时，多径效应减小，从而频移或相位起伏也减小。多普勒频移影响短波通信的质量，不仅会引起信号失真，而且严重限制电报和数据传输的速率。

5）相位起伏与频谱扩散

信号相位起伏是指相位随时间的不规则变化。引起信号相位起伏的主要原因是多径传播。此外，电离层折射率的随机变化及电离层不均匀体的快速运动，都会使信号的传输路径长度不断变化，而出现相位的随机起伏。根据实测结果得出：信号衰落率愈高，信噪比愈低，相位起伏愈大。

如果在电离层信道输入一正弦波信号，那么，即使不存在热噪声一类的加性干扰的作用，经多径衰落信道后，其输出信号波形的幅度也可能随时间而变化，亦即衰落对信号的幅度和相位进行了调制。此时，信道输出信号的频谱比输入信号的频谱有所展宽。这种现象称为频谱扩散。

当信号的相位随时间变化时，必然产生附加的频移。无线信道中的频率偏移主要是由于收发双方的相对运动而引起的。由传播中多普勒效应所造成的发射信号频率的漂移称为多普勒频移。必须指出，就是只存在一根射线，也就是单一模式传播的条件下，由于电离层经常性的快速运动，以及反射层高度的快速变化，使传播路径的长度不断地变化，信号的相位也随之产生起伏不定的变化。若从时间域的角度观察这一现象，这将意味着短波传播中存在着时间选择性衰落。

2.3.3 卫星信道

随着数据链通信传输距离需求的不断增加，卫星通信远距离、大容量的传输优势已逐渐在数据链的距离扩展中得到应用，如美军的联合距离扩展JRE、卫星战术数据链S-TADIL J和英军的卫星战术数据链STDL。

自1965年第一颗国际通信卫星投入商用以来，卫星通信得到了迅速发展。目前卫星通信已成为国际通信的重要手段，使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万多条话路，80%的洲际通信业务和近100%的远距离电视传输业务均采用卫星通信。同时，军事侦察、监视及情报信息的获取和远距传输，也大量依靠通信卫星。

卫星通信就是利用人造地球卫星运载的中继通信站作为中继，进行卫星天线波束覆盖范围内的地球上（地面、水面和低层大气中）通信站之间的远距离的无线通信，如图2.37所示。多个波束覆盖不同范围的地域，可以实现多个地球通信站之间的相互通信。

卫星通信线路主要有上行线路、下行线路以及卫星转发器。上行线路由地面站发送至卫星，下行线路由卫星至地面接收站，卫星“中继”设备又称转发器，基本原理与地面无人值守微波中继站相同。某一天线波束覆盖区域内的地面站发送的信号，经上行线路被卫星转发器接收并进行变频、放大甚至处理，转换为下行信号，然后经下行线路由另一天线向其波束覆盖区域内的地球站转发。

1.卫星通信的特点

只有通信技术的不断成熟和发展，无线通信的质量才能得到逐步改善和提高。卫星通信作为一种重要的通信方式，在数字技术的迅速发展推动下，也得到了迅速发展。但是由于陆地光缆通信的迅速发展，对传统的卫星通信产生了重大的冲击。到了20世纪90年代中后期，由于卫星通信技术的发展，再加上卫星通信本身所具有的广播式传送及接入方式灵活等特点，使得它在因特网、宽带多媒体通信和卫星电视广播等方面得到了迅速发展。与其他通信技术相比，卫星通信技术有着自己与众不同的特点，主要表现在以下几个方面：

（1）通信距离远，通信成本不受距离影响。卫星能为相距18000km的两个地面站提供直接通信。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所改变。这在远距离通信时，比地面微波中继、电缆、光缆、短波通信等通信手段有明显的优势。

（2）覆盖地域广、通信的灵活性大。而卫星通信由于是大面积覆盖，理论上讲一颗静止卫星最大能覆盖42.4%的地球表面积。由于卫星覆盖区域很大，而且在这个范围内的地球站基本上不受地理条件或通信对象的限制。有一颗在轨道上的卫星，就相当于在全国铺设了可以通过任何一点的无形的电路，因此使通信线路具有很大的灵活性。

（3）具有多址连接特性，实现多点对多点通信。大部分通信手段通常只能实现点对点通信。例如，在地面微波通信中，只有在干线或分支线路上的中继微波站才能参与通信，线路以外的其他微波中继站点均无法利用它通信。而在卫星通信中，可以实现多点对多点通信，让地球站之间共用同一颗卫星进行双边或多边通信，也称为多址通信。多址连接的意思是同一个卫星转发器可以连接多个地球站，多址技术是根据信号的特征来分割信号和识别信号，信号通常具有频率、时间、空间等特征。卫星通信常用的多址连接方式有频分多址连接、时分多址连接、码分多址连接和空分多址连接，另外频率再用技术也是一种多址方式。

在微波频带，整个通信卫星的工作频带约有500MHz宽度，为了便于放大和发射及减少变调干扰，一般在卫星上设置若干个转发器，每个转发器的工作频带宽度为36MHz或72MHz。目前的卫星通信多采用频分多址技术，不同的地球站占用不同的，即采用不同的载波。它对于点对点大容量的通信比较适合。近年来，已逐渐采用时分多址技术，即每一地球站占用同一频带，但占用不同的时隙，它比频分多址有一系列优点，如不会产生互调干扰，不需用上下变频把各地球站信号分开，适合数字通信，可根据业务量的变化按需分配，可采用数字话音插空等新技术，使容量增加5倍。另一种多址技术是码分多址，即不同的地球站占用同一频率和同一时间，但有不同的随机码来区分不同的地址。它采用了扩展频谱通信技术，具有抗干扰能力强，有较好的保密通信能力，可灵活调度话路等优点，其缺点是频谱利用率较低。它比较适合于容量小，分布广，有一定保密要求的系统使用。

（4）传播稳定可靠，通信质量高。卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输，宇宙空间接近真空状态，可看做是均匀介质，电波传播比较稳定，不易受到自然条件和干扰的影响，信道近似为恒参信道，传输质量高，链路可用度通常都在99%以上；卫星通信具有自发自收的能力，便于进行信号监测，确保传输质量。此外传统的卫星通信可能会受恶劣天气如特大暴雨、大冰雹、暴雪和日凌等现象影响，经过不断发展和成熟，现阶段的卫星通信使用了Ku波段和高功率卫星，相对传统的C波段卫星对天气和日凌的抗干扰能力已经大大提高了，目前用于因特网接入的卫星通信可以确保数据信息在传输的时候有较强的稳定性。

（5）组网灵活，应用多样。卫星通信能够根据需要组成不同的网络结构和运行控制体系；站点开通和撤收时间短，建站一般不受地理条件的限制；不仅能作为大型固定地球站之间的远距离干线通信，还可以为小型固定站、各类移动站和个人终端提供通信，能够根据需要迅速建立与各个方向的通信联络，能在短时间内将通信网延伸至新的区域，或者使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信。

（6）可用的无线电频率范围大（频带宽）。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。目前，卫星通信带宽可达500～1000MHz以上。一颗卫星的容量可达数千路以至上万路电话，并可传输高分辨率的照片和其他信息。表2.12给出了不同波段、不同带宽应用的范围。

表2.12 卫星通信不同波段的应用范围

（7）使用数据包分发技术来提高传输速度。卫星通信的数据包分发服务可以让内容提供商能够以高达3Mbps的速度（相当于普通Modem的100倍）向任意的远端接收站发送数字、音频、视频及文本文件，如软件、电子文档、远程教学教材等，卫星通信的条件接入机制确保数据只被授权用户接收。数据包分发服务主要利用卫星信道天然的广播优势，能够以非常低廉的价格实现广大区域内大数据量的分发。信息以组播方式推送给一组卫星通信用户，这些用户无须任何操作，只需打开计算机即可接收信息，实现我们通常提到的“信息推送”服务。

（8）高速接入。卫星通信技术给因特网接入速度提高了一个层次，它将用户的上行数据和下行数据分离，相对较少的上行数据（如对网站的信息请求）可以通过现有的Modem和ISDN等任何方式传输，而大量的下行数据（如图片、动态图像）则通过54M宽带卫星转发器直接发送到用户端。用户可以享受高达400kbps的浏览和下载速度，这一速度是标准ISDN的3倍多，是28.8k Modem的14倍，它支持标准的TCP/IP网络协议及WWW、E-mail、Newsgroup、Telnet等应用。同时，它不像ISDN和小范围内应用的ADSL及Cable Modem技术，DirecPC拥有可以立即为全球任何角落提供服务的成熟技术。

（9）能提供IP视频流多点传送。卫星业务已在直播卫星电视市场起步，卫星通信将提供高清晰度电视业务。通过卫星传输INTERNET电视，能为用户提供视频点播，针对用户需求双向传送广告，有选择地观看经过定制处理的更加丰富的电视内容。供企业用户使用的视频广播和桌面电视会议也将寄希望于宽带卫星网络。而IP视频流多点传送是又一种新的应用业务。这一应用是依靠卫星技术所具有的广播和覆盖范围宽的特点，对众多的用户提供视频服务，如基于IP提供MPEG2实时视频传送。

（10）其他特点。卫星通信除了上面一些特点外，其实还有很多比较显著的特点，例如可以用低成本的价格提供较宽的带宽；可实现同时传播；通信业务多样化、综合化；能对终端用户实现地址化管理，从而可以实现即时提供所需信息；具有全球/区域覆盖能力，以适应未来个人化业务连接需要。

由于卫星通信具有上述这些突出的优点，从而获得了迅速的发展，成为强有力的远程通信手段。

2.卫星信道的特性

卫星通信的空间环境与地面通信的环境完全不同。在地面通信中，无线电波只受当地贴近地面的低层大气和当地地形地物的影响。对于空间站与地球站之间的卫星通信而言，无线电波要同时穿越电离层、同温层和对流层，地面与整个大气层的影响同时存在。对于卫星数据链系统，除了要为通信提供卫星通信信道，还要按照约定的规程和应用协议来封装并安全地传输规定格式的数据和控制信息，具有高时效等特点。所以卫星信道有着区别于其他信道独有特性。

1）大气对卫星信道的影响

通常把地球周围的大气层分为平均高度10～12km的对流层。从10～12km到60km的同温层和60km以上的电离层。每一大气层的物理差别造成了每层电流传播的不同特性及不同影响。总之，在卫星通信中由于跨越距离大，因此，影响电波传播的因素很多，表2.13列出了有关的传播问题。

表2.13 卫星通信系统中的传播问题

2）卫星信道传播的损耗

卫星信道传播损耗的计算要根据卫星链路所处的环境不同而有所区别。就空间站与空间站之间的卫星通信而言，其传播环境完全可以认为是自由空间传播。所以，研究该段卫星通信链路的传播损耗时，应首先研究自由空间的损耗，这部分损耗在整个传输损耗中占绝大部分。至于其他因素引起的损耗，可以在考虑自由空间损耗的基础上加以修正。

但是计算地空电路的传播损耗时要考虑以下各项因素：空间扩散损耗、氧气和水汽的吸收损耗、雨衰减、对流层闪烁衰落、波束扩散损耗、去极化效应以及站址分集改善等相关因素。

大气气体的吸收损耗与频率和地面水汽密度有关。特别是，考虑地空倾斜路径，在这种路径上氧气和水汽的吸收损耗都与仰角有密切的关系，必须进行比较复杂的仰角修正。另外一方面，大气气体的密度是沿高度呈指数递降的，大气等效高度或等效路径长度的计算也是重要的。

卫星信道的雨衰减与无线电波的频率、电波的极化、地空电路的仰角、地球站的经纬度和地球站所在地点的降雨率有关。

3）卫星信道的多径效应

移动卫星通信的电波传播情况与固定卫星通信的传播情况不同，就是移动卫星通信存在严重的衰落现象。

电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已成为通过各个路径到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。电波途经建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地移动卫星通信系统的电波传播影响很大。

陆地移动卫星通信中，地面终端天线除接收直接到达的直射波外，还接收由邻近地面反射来的电波，以及由邻近山峰或其他地形地物散射来的杂散波。而终端又在移动，所以构成了快衰落，衰落深度可以很大，其程度还与终端天线型式有关。如终端天线为全向天线，则不论从何方向来的电波都同样接收，衰落程度就会大一些。而如果是方向性强的定向天线将波束指向瞄准卫星，其他方向来的电波接收的少一些，衰落深度也将小一些。

同样，当终端移动时，会因周围环境对卫星的直射波呈现遮挡效应，这时会有更强烈的慢衰落，甚至出现盲区。

海事移动卫星通信多径传播的特点是除直射波外，有来自近处的正常反射波，还有来自前方较广范围的非正常反射波（杂散波），浪高在1m以上时，非正常反射波明显。

航空移动卫星通信除直射波外，还有来自海面较广范围的非正常反射波（杂散波），具有多普勒频移。

在航空移动卫星通信系统中，由于飞机的速度和高度比其他移动站大得多，所以，由表面反射引起的多径衰落不同于其他移动卫星通信系统。陆地和海事系统直射波和反射波之间的传播延迟较小，引起接收信号幅度和相位的瞬时变化。在航空移动卫星通信系统中，海面漫反射波相对于直接分量有较大的传播延迟。事实上，漫反射分量之间也有轻微的延迟，但对航空卫星通信典型数据率而言可以忽略。

当直射波和反射波之间的传播延迟差与数据符号时宽可比拟时，会引起严重的符号间干扰，即频率选择性衰落。传播延迟差与仰角和高度有关。因为只有仰角低于30°时漫射分量作用才明显，所以延迟时差一般小于40μs，对这样的时延，为避免频率选择性衰落，符号速率应小于2400baud。

4）卫星信道的多普勒频移

当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射端载频发生频移，即多普勒效应引起的附加频移，称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相关解调的数字通信危害较大。

对于地面移动通信，载波频率900MHz时，移动台速度为50km/h，最大多普勒频移约为41.7Hz。非静止轨道卫星通信系统的最大多普勒频移远大于地面移动通信情况，可达几十千赫兹，系统必须考虑对其进行补偿，处理方法有：

（1）终端—卫星闭环频率控制；

（2）星上多普勒频移校正；

（3）链路接收端的预校正；

（4）链路发送端的预校正。

方法（1）能进行精确的频移控制，但需要复杂的设备；方法（2）不需要终端参与，设备较简单，但在一个覆盖区内存在有接收频差。高椭圆轨道系统多普勒频移较小，一般只需增大信道间的保护带宽即可。

多普勒频移在LEO通信系统中是有害成分，在定位系统中却是有用的信息源。若已知卫星精确位置，则根据多普勒频移可进行地面定位。

5）卫星信道的电波传播延迟

固定卫星业务系统的总传播路径延迟，在很大程度上取决于卫星的高度以及采用单跳还是多次跳接构成的卫星链路。地球站与卫星间单向传输延迟时间为

式中，R=RE+h，h为卫星的高度，RE为地球的等效半径，c为光速，α为卫星方向和地球站间的地球球心的张角。当卫星处在地球球顶上方时，延迟最小，当卫星处在地球站可看见的地平线上时，延迟最大。

在非地球静止卫星通信系统中，由于地球站和卫星间的距离随时间变化，因此这种情况下的传输延迟也随时间变化，这个变化一般不会超过20ms。传输延迟的变化对时分多址通信系统具有重要的意义。这种延迟的变化将使地球站之间的同步传输出现困难。在卫星通信中，我们关心的往往不是地球站—卫星—地球站之间的延迟时间数值，而是两个以上地球站到卫星的传输延迟的差，即差分传输延迟。

6）卫星信道中存在的各种噪声

卫星通信线路和其他无线电通信线路一样，通信质量的好坏取决于接收系统输入端的信号载波功率和噪声功率的比值，而不是单纯地取决于信号载波功率的绝对值。因为卫星通信线路上无线电波经过远距离的空间传播后，信号功率衰减很大，到达地球站或卫星接收天线时已十分微弱，同时在传播过程中还引入各种噪声。为了保证接收系统输入端信号载波功率和噪声功率之比值，降低接收系统的噪声到最小程度极为重要。

接收系统的噪声可分为来自各种噪声源的外部噪声和内部噪声。其中有些噪声是由天线从其周围辐射源的辐射中所接收到的，如宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、太阳噪声、天线噪声、地面噪声等，还有些噪声则是伴随信号一起从卫星发出被收端地球站收到的，包括发端地球站、上行线路、卫星接收系统的热噪声，以及多载波工作时卫星及发端地球站的非线性器件产生的互调噪声；此外还有些干扰噪声。不过其频谱在120MHz以下，因而对工作于微波频段的卫星通信来说其影响可忽略不计。

（1）宇宙噪声。宇宙噪声主要包括银河系辐射噪声、太阳射电辐射噪声和月球、行星及射电点源的射电辐射噪声。频率在1GHz以下时，银河系辐射噪声影响较大，故一般就将银河系噪声称为宇宙噪声。银河系噪声在银河系中心指向上达到最大值，通常称之为指向热空。而在天空其他某些部分的指向上则是很低的，故称之为指向冷空。宇宙噪声是频率的函数，在1GHz以下时，它是天线噪声的主要部分。

对于固定卫星业务所使用的频段，宇宙的背景成分对天线噪声温度的影响是很小的，但对宇宙中的某些离散的辐射源，则是要考虑的，如太阳、月亮以及一些较强的射电星云，如仙后座A、金牛座A、天鹅座A和猎户座A等。这些星座辐射的噪声，人们可以把它当成一个比较恒定的信号源，有意识地利用它进行地球站天线及品质因数的精密测量。但是当地球站天线到卫星和到太阳、月亮的指向角度非常接近，甚至在一条直线上时，太阳和月球对地球站的系统噪声会带来严重的影响，以致造成通信中断。

（2）大气噪声。大气层对穿过它的电波，在吸收能量的同时，也产生电磁辐射而形成噪声，其中主要是水蒸气及氧分子构成的大气噪声。大气噪声是频率的函数，在10GHz以上时显著增加，此外，它又是仰角的函数，仰角越低，穿过大气层的途径越长，大气噪声对天线噪声温度的贡献越大。

（3）降雨噪声。降雨和云、雾在引起电波损耗的同时还产生噪声（即所谓的降雨噪声），它对天线噪声温度的贡献与雨量、频率、天线仰角有关。

（4）地面噪声。对微波来说，地球是一个较好的吸收体，是个热辐射源。从卫星向地球看，平均噪声温度约为254K。地球站天线，除由其旁瓣、后瓣接收到直接由地球产生的热辐射外，还可能接收到经地面反射的其他辐射。当仰角不高时，地面噪声中对天线噪声测试贡献最大的是副反射面的溢出噪声，这是指卡塞格伦天线（卫星通信地球站工作在1GHz以上频段时，较多的用这种天线或这种天线的变形）馈源喇叭的辐射波束主瓣边缘的相当一部分以及其旁瓣是越过副反射面的，当仰角不高（小于30°）时，它们接收地面热噪声的量是相当大的。

（5）干扰噪声。干扰噪声主要是来自地面的或空间的其他干扰源。如用于工业、科学和医疗的设备产生的辐射干扰；各种电气器械和装置（包括电力及电信分配网络）产生的辐射干扰；地面通信电台和中继系统发射机带外发射、杂散发射等；空间通信业务与地面无线业务之间共用同一频段相互产生的干扰；多个空间通信业务共用同一频段时相互间产生的干扰；另外，还存在宇宙空间的天电干扰、雷电干扰等。

前面讲述了卫星信道的传播特性，表2.14为针对卫星信道的不同传播特性给出的相应解决办法。

表2.14 卫星信道传播特性的解决办法