2.2 通信体制
卫星通信体制主要包括采用的基带信号形式、调制解调方式、编码方式、多址联接方式以及信道分配与交换方式等。
2.2.1 多址联接技术
所谓多址联接，是指处于卫星天线波束覆盖区内的所有卫通站，无论相距多远，地理位置如何，都可以利用共同的卫星，实现双边或多边通信的联接方式。也可表述为借助于同一颗卫星中继的多个卫通站实行两址或多址通信的方式。卫星通信易于实现多址联接，这也是卫星通信的一个主要特点，它是借助卫星通信才能实现的制式，极大地提高了通信系统的效率和灵活性。
实现多址联接的技术基础是信号分割，也就是在发端要进行恰当的信号设计，使系统中各卫通站所发射的信号各有差别；而各卫通站接收端则具有信号识别能力，能从混合的信号中选择出本站所需的信号。一个无线电信号可以用若干个参量来表征，最基本的是信号的射频频率、信号出现的时间以及信号所处的空间。信号之间的差别可集中反映在上述信号参量之间的差别。在卫星通信中，信号的分割和识别可以利用信号的任一种参量来实现。考虑到实际存在的噪声和其他因素的影响，最有效的分割和识别方法则是利用某些信号所具有的正交性来实现多址联接。
卫星通信中常用的多址联接方式有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。
1. 频分多址（FDMA）方式
频分多址（FDMA）方式是当多个卫通站共用卫星转发器时，按照不同站占用不同载波频率的原则，把各站发射的信号配置在转发器频带内的某个位置上。各站接收时，根据载频的不同来区分各卫通站的站址。FDMA方式是目前国际、国内卫星通信的主要多址通信方式。
2. 时分多址（TDMA）方式
在TDMA方式中，分配给各卫通站的不再是FDMA方式的特定载波，而是一个特定的时间间隔（称作时隙）。各卫通站在定时同步系统的控制下，只能在指定的时隙内向卫星发射信号，时间上互不重叠，卫星转发器将各卫通站发来的信号按时序转发出去。由于是单载波工作，且任何时刻只转发一个站的信号，因而，TDMA方式不存在载波间交调的问题，它允许星上转发器的宽带功放工作在近饱和状态，功率效益增加。TDMA系统主要用于传输TDM数字信号。
3. 码分多址（CDMA）方式
码分多址（CDMA）是依靠不同的地址码来区分卫通站的地址。每个站配有不同的地址码，各站所发射的载波既受基带数字信号调制，又受地址码调制，接收时，只有确知其配给地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同，无法解调出信号。卫通站站址的划分是根据各站的码型结构不同来实现和识别的。一般选择伪码（PN码）作地址码。由于PN码的码元宽度远小于PCM信号码元宽度（通常为整数倍），这就使得加了伪随机码的信号频谱远大于原基带信号的频谱，因此码分多址也称为扩频多址。
4. 空分多址（SDMA）方式
空分多址是空间划分多址联接方式的简称，即SDMA方式。它是以卫星上许多不同空间指向的波束，来区分（或覆盖）不同地域的卫通站的地址的。为实现多波束系统，必须采用多波束的天线系统。这种天线由反向器和馈源阵组成，各馈源都可照射反向器，形成波束元。几个波束元拼成一个成形波束。实际应用中，一般很少单独使用SDMA方式，而是与其他多址方式结合使用。
上面介绍的4种多址方式，各有其特点，适用场合也不同，表2-5列出了它们的主要优缺点。
表2-5 4种多址联接方式的比较
2.2.2 多址分配制度
多址分配制度是卫星通信体制的一个重要组成部分，关系到整个通信系统的通信容量、转发器和各卫通站的通道配置和通道的工作效率以及对用户的业务质量，当然也关系到设备的复杂程度。
分配问题的实质，就是设法使分配给网络中各站的通道数要随所要处理的业务量的变化而变化。这种动态的分配实现得越理想，通道利用率也就越高。目前使用的分配制度可分类如下。
①预分配制（PA）：包括固定预分配方式（FPA）和按时预分配方式（TPA）。
②按需分配制（DA）：包括发端固定—收端可变的方式（FT-VR）、收端固定—发端可变的方式（FR-VT）、全可变方式（VT-VR）、分群全可变方式（G-VT-VR）。
③其他分配制度：包括动态分配（DYA）和随机分配（RA）。
1. 信道的预分配方式
预分配方式是把卫星信道事先分配给各卫通站，对业务量大的站，分配给的信道数多；反之，则分配给的信道数少。
最早使用的频分多址方式是预分配FDM/FM/FDMA方式。它是按频率划分，把各卫通站的发射信号配置在卫星频带的指定位置上。
预分配方式也用于时分多址（TDMA）系统中。对于TDMA方式，它把转发器的时隙分成若干分帧，并把分帧事先分配给各个地面站使用。对于业务量大的站，分配给的分帧（时隙）长度长；反之，则时隙短。
预分配方式的信道是事先分配好的，其优点是接续和控制简便，但这种方式不能随通信业务的变化而进行信道调整，因而，预分配信道方式的信道利用率低。
2. 信道的按需分配方式
在实际工作中，各卫通站的通信业务是变化的，在信道固定的情况下，对于业务量大者，信道不够用，导致业务损失；而对于业务量小者，信道会闲置浪费。根据业务量的大小变化随时改变信道的分配状况就是按需分配方式。
按需分配方式的信道分配是根据各卫通站提出的申请，通过转发器上的一个公用信号信道（CSC）来传送按需分配的控制信号，进行信息交换，并完成信道分配。
根据通道分配可变的程度不同，按需分配制又有半可变分配方式和全可变分配方式。
（1）半可变分配方式
①发端固定—收端可变方式（FT-VR或VR）
整个系统中，地球各站能使用的发射载波是固定预分配的；但各个卫通站所用的接收频率可以在转发器（除CSC以外）的整个频带内进行变动，即根据主叫方的要求临时选定。
②收端固定—发端可变的方式（FR-VT或VT）
这种方式是各站所能使用的接收频率是固定分配的，而发射载波频率则在转发器整个可用频带内变动。按照需不需要CSC，它又可分为A型和B型两类。FR-VT-A型需要CSC；FR-VT-B型不需要CSC，而用空闲频率搜索装置来完成CSC的任务。
（2）全可变分配方式
①3种控制方式
按申请全可变分配的卫星通信系统可以采用3种不同的控制方式；集中控制方式、分散控制方式及混合控制方式。
集中控制方式：系统的通道分配、状态监测、计费、通话等均要通过主站。从通信网的结构看，这种控制方式是星状的。集中控制方式由于要双跳，使卫星电路的利用率降低了一半，并且使用也很不方便，故只用于一些专用的系统。
分散控制方式：系统的通道分配、状态监测、计费、通话等均以点对点为基础，也就是各站之间可直接联系通话，而不需要经过主站。从通信网结构看，这种控制方式是网状。
混合控制方式：混合控制方式是指系统中的通道分配、状态监测、计费由主站负责，而通话线路则不经过主站，主叫站与被叫站直接通话。从通信网结构看，CSC是星状结构，话音通道则是网状结构。
②3种控制方式的技术比较
从技术角度看，这3种控制方式是有很大差别的。
关于卫星通道的利用率：全可变的申请分配方式与其他分配方式相比，其卫星通道利用率是最高的，但这是对分散控制方式和混合控制方式而言的，因为这两种控制方式的通话线路都是以点对点为基础的。而对于集中控制方式来说，由于可使用的卫星通道仅是分散控制方式的一半，所以集中控制方式的通道利用率在3种控制方式中是最低的。
关于使用的灵活性：在分散控制方式中，卫通站可以自行选择通信地址和通道，因此使用最为灵活方便，建立起双向线路的时间也最短。而集中控制以及混合控制方式中，两个卫通站之间的通信至少要使用4次CSC，因而加大了CSC的业务量，增加了建立线路所需的时间（一般是分散控制的2～3倍），对使用者来说也是不方便的。
关于系统工作的可靠性：集中控制及混合控制方式中，全网的联接工作均由主站负责，一旦主站发生故障，就会引起很大衰减甚至全网瘫痪。此外，一般站所发信号的情况，也会由于信道衰落或受干扰等原因而未被正确地记录在主站作为通道状态监测用的频率状态上，从而使可利用的通道未能使用或者引起混乱。分散控制方式由于不用主站，因此任何一个一般站发生故障，不会影响全网工作。
关于对信息处理机的要求：信息处理机是实现按需分配的关键设备。集中控制或混合控制的系统中，主站负责全网的监测、通道分配、计费等任务，通常需要大一些的计算机进行处理；网中的一般站则有小型计算机或微处理机即可。分散控制系统中，所有站均只需小型计算机或微处理机。
综上所述，从技术角度看，3种控制方式以分散控制最好，具有卫星通道利用率最高、使用灵活方便、建立线路时间短、系统工作比较稳定可靠、可使用小型的信息处理机等优点；混合控制方式次之；集中控制方式最差。
2.2.3 调制解调方式
调制是用基带信号来改变射频载波的3个基本参数（幅度、频率和相位）的一个或多个参数。理想的调制技术应是功率效率和带宽效率（或者说频谱利用率）高。所谓功率效率，定义为在加性高斯白噪声信道进行数字通信时，对于某一比特误码率（Pb）需要的每比特能量与噪声密度之比（Eb/No）。所谓带宽效率，定义为在1Hz系统带宽内每秒能够传送的比特数。
在数字卫星通信系统中，在选择调制方式时，侧重于功率效率高的调制技术，如目前广泛采用的二相、四相相移键控（BPSK、QPSK）、交错QPSK（OQPSK）和最小频移键控（MSK）等调制方式。选择调制方式时，还应考虑提高带宽效率，主要有多进制的相移键控（如8PSK、16PSK）和正交调幅（如64QAM），它们的频谱效率可在3～6bit/（s·Hz）甚至更高，而BPSK、QPSK、MSK的频谱效率一般不高于2bit/（s·Hz）。
BPSK、QPSK、OQPSK、MSK调制方式具有近乎相同的功率效率。它们彼此之间的差异在于带宽效率、对非线性的不敏感性以及实现的复杂性。
常用调制方式见表2-6。从表中可见，BPSK的带宽效率和抗扰性最差，但它实现起来最简单；MSK的抗扰性最好，带宽效率中等，但最复杂；QPSK和OQPSK带宽效率最好，抗扰性和复杂性中等。因此，绝大多数数字卫星通信系统采用QPSK调制方式，它兼顾了功率效率和带宽效率，既可获得较高的信噪比，又有较高的频带利用率。
表2-6 调制方式比较
注：A到D表示从最好到最差。
2.2.4 信源编码技术
信源编码技术是将消息（信源信号）或其特征信号经采样变换为数字代码的技术。消息一般为连续变化的模拟量，若直接用这连续变化的信号进行调制、传输，则称为模拟通信；若经编码变为数字代码后再调制和传输，则称为数字通信。编码技术广泛应用于数字通信领域。信源编码的目的如下。
①将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式，即A/D转换。
②提高通信的有效性，尽可能地减少原信息中的冗余，使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大，即压缩编码。
卫星通信信源的编码主要包括抽样、量化和编码3个过程。其中，抽样是完成将时间连续的信号转化为时间离散的信号，即时间上的离散化。量化是用一定数目的电平表示抽样幅度的变化过程，量化后幅度的变化已不再是连续的；编码是将量化后的数字信号编码成一个二进制码组输出。
1. 脉冲振幅调制（PAM）
PAM是脉冲载波序列的幅度随消息信号变化的一种调制方式。除了脉冲振幅调制以外，还有脉冲相位调制（PPM）和脉冲宽度调制（PDM）。PAM是脉冲编码调制（PCM）的基础。
由于已调信号在时间上离散，但脉冲参数的变化是连续的，也可称为脉冲模拟调制。实际脉冲是有限宽度的窄脉冲，所以，实际取样有两种，自然取样和平顶取样。
自然取样：时间内脉冲幅度随信号幅度的变化而变化。
平顶取样：时间内脉冲幅度不变。
均匀量化器：输入信号均匀分布时的最佳量化器是均匀量化器。特点是量化噪声Nq与信号统计特性无关，仅取决于量化间隔Δ，量化绝对误差始终在±Δ/2之间，小信号信噪比会比大信号信噪比低很多，输入信号的动态范围受到很大限制。对于幅度分布不均匀的信号（语音），小幅度出现机会多，采用均匀量化会使大多数时间的量化信噪比较低。
非均匀量化：为克服均匀量化的缺点，使小信号的量化台阶减小，大信号的量化台阶增大，而改进形成的量化方式为非均匀量化，即根据信号的不同区间确定间隔。
实现方法是压扩处理，在发送端压缩原始抽样值（非线性变换），再均匀量化，在接收端进行扩张，如图2-15所示。
图2-15 非均匀量化
2. 脉冲编码调制（PCM）
PCM是将模拟信号抽样、量化，然后使已量化值变换成代码的过程，如图2-16所示。
图2-16 PCM通信系统的组成
3. 差分脉冲编码调制（DPCM）
DPCM是对话路速率低于64kbit/s的语音信号样值与预测值之差进行量化编码的方式，如图2-17所示。
图2-17 DPCM通信系统的组成
4. 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）
ADPCM是综合自适应脉冲编码调制和差分脉冲编码调制的优点而形成的。自适应脉冲编码调制是一种随输入信号幅度变化而改变其量化阶梯尺度大小的一种编码方法。而差分脉冲编码调制，是相对前一个抽样值去估计后一个将要进行量化的预测值，并只对实际信号值与预测值之差进行量化编码。很明显，由于是相对前一个抽样值的差值量化编码，因而抽样值的幅度变化会大大降低，从而会减小数据比特率，降低存储和传输的数据处理量。差分脉冲编码实际上是一种数据压缩技术，它能降低传输的数据速率，从而也降低了系统要求的带宽。
2.2.5 差错控制编码技术
20世纪70年代以来，由于大规模集成电路技术、卫星及计算机通信网技术的发展，信道纠错编/解码的研究得到了广泛的应用。
通常固定业务卫星信道是典型的加性高斯噪声信道，由于噪声的影响，信道会产生随机的差错；而移动卫星信道是典型的衰落噪声信道，信道要产生随机和突发的差错。信道的差错控制编码已在卫星通信、地面移动通信和计算机通信网中得到了广泛的应用。
卫星通信系统采用差错控制技术，首要的是考虑对付随机性差错，有时则还要采用交织纠错编码等措施对付突发性差错。此外，与所采用的调制方式也有关系，譬如采用DPSK，由于会产生误码扩散，就要考虑选择抗突发性差错的纠错码。自动要求重发（ARQ，Automatic Request for Repeat）与前向纠错（FEC，Forward Error Correction）这两种差错控制方式在卫星通信中均有使用。