📚 课程目录第2章卫星通信基础

2. 卫星通信基础

相控阵终端的所有设计取舍，最终都要回到卫星通信的基本约束上：用什么频段、链路能闭合多少余量、采用什么调制编码、多址方式如何分配资源、波束怎样覆盖服务区，以及终端处在什么应用场景。理解这五件事，才能在阵列规模、波束数量、EIRP、G/T 与成本之间做出正确权衡。

一、频段划分：从 L 到 Ka/Q/V 的取舍

卫星通信频段决定了天线口径、雨衰、带宽与器件工艺。低频段（L/S）波束宽、雨衰小、终端可小型化，但可用带宽窄；高频段（Ku/Ka）带宽大、波束窄、增益高，但雨衰显著、对指向精度要求高；Q/V 与光通信面向未来超大容量，受大气影响更严重。

频段	典型频率	带宽特点	雨衰	典型终端场景
L	1–2 GHz	窄，抗干扰强	很小	手持、物联网、移动通信
S	2–4 GHz	较窄	小	车载、船载移动终端
Ku	12–18 GHz	较宽	中等	VSAT、机载、动中通
Ka	26.5–40 GHz	宽，多点波束	较大	HTS 宽带、相控阵终端
Q/V	37–51 GHz	很宽	大	VHTS、馈电链路

相控阵终端多工作在 Ku/Ka 频段：Ka 频段波长更短，阵元间距更小，同样口径可容纳更多阵元，更易实现多波束与电扫。

二、链路预算：把“能不能通”算清楚

链路预算是卫星通信的“能量账本”，核心是载噪比 C/N 与 Eb/N0。上行看终端 EIRP 与卫星 G/T，下行看卫星 EIRP 与终端 G/T，再叠加自由空间损耗、雨衰、大气吸收、指向损耗与馈线损耗。

链路预算核心公式：
C/N0 = EIRP - FSL + G/T - k - L_附加
FSL(dB) = 92.45 + 20lg(f_GHz) + 20lg(d_km)
Eb/N0 = C/N0 - 10lg(Rb)
其中：k = -228.6 dBW/K/Hz，Rb 为信息速率

以 Ka 频段 20 GHz、GEO 卫星 36000 km 为例，自由空间损耗约 210 dB；若终端 EIRP 为 45 dBW、卫星 G/T 为 5 dB/K，则 C/N0 约 45 − 210 + 5 + 228.6 ≈ 68.6 dBHz。若信息速率 10 Mbps（70 dBHz），则 Eb/N0 ≈ −1.4 dB，需靠编码增益补足。

常见误区：只算晴空链路。Ka 频段暴雨时雨衰可达 10–20 dB，链路预算必须预留雨衰余量，或采用自适应编码调制（ACM）动态降速保通。

三、调制编码：频谱效率与可靠性的平衡

调制决定每符号携带多少比特，编码决定纠错能力。低阶调制（QPSK）抗噪强、效率低；高阶调制（16APSK、32APSK）效率高但需要更高 C/N。DVB-S2X 将调制与 LDPC 编码组合成 MODCOD 集合，配合 ACM 根据信道实时切换。

QPSK + 1/4 LDPC：极低 C/N 可用，适合雨衰边缘保底。
8PSK + 3/4：中等效率，动中通常用。
16APSK/32APSK + 高码率：晴空高吞吐，需链路余量充足。

四、多址方式：多用户如何共享卫星资源

多址解决“多个终端如何共用一颗卫星”的问题。FDMA 按频率分割，实现简单但功率效率低；TDMA 按时间分割，便于动态分配；CDMA 抗干扰强但容量受限；MF-TDMA 是 DVB-RCS 常用上行方式；OFDMA/SC-FDMA 在低轨与 5G NTN 中广泛使用。

五、波束覆盖与终端应用场景

GEO 卫星波束覆盖固定，HTS 采用多点波束实现频率复用，容量大幅提升，但波束边缘 C/N 下降，终端需更高 G/T 或更低 MODCOD。LEO 星座波束高速移动，终端需快速跟踪与波束切换，相控阵电扫优势明显。

典型终端场景与设计取向：

固定 VSAT：口径大、G/T 高，追求高吞吐，可用高阶 MODCOD。
动中通（车/船/机）：需快速电扫与低轮廓，Ku/Ka 相控阵为主，ACM 保底。
便携/手持：L/S 频段，低速率、低功耗，波束宽易对准。
低轨宽带：Ka/Ku 相控阵，快速切换、多波束跟踪，链路预算随仰角变化大。

设计复盘：链路预算、MODCOD 与波束覆盖三者联动。若终端位于波束边缘且遇雨衰，应优先降 MODCOD 保链路，而非盲目增大阵列口径——后者成本与功耗上升更快。

综上，频段决定物理边界，链路预算决定能量可行性，调制编码决定效率与可靠性，多址决定资源分配，波束覆盖决定服务形态，终端场景则把这些约束收敛为具体设计指标。相控阵终端的波束数量、阵元规模、EIRP 与 G/T，正是在这五者的共同约束下确定的。