业余卫星通信常用调制方式

12.2　业余卫星通信常用调制方式

了解了卫星通信计划，测算了卫星轨道以后，同学们就可以在老师的指导下，使用无线电通信设备，尝试卫星通联。不同于业余无线爱好者之间的单频点QSO方式，业余卫星通信和地面的双波段中继通信非常相似。不过除了卫星通信所特有的多普勒效应外，还具有其他特点。

“希望一号”卫星上的中继器具有多种通信模式，其中FM、CW、SSB是模拟调制方式，大家比较熟悉，我们就从这里开始研究。

当“希望一号”卫星接收到CW、SSB等上行信号后，经过卫星内部设备的差转后变为其他频率，并通过下行通道发射。当上行载波携带的信息按原样通过下行载波返回了地面，就称为“线性中继”方式。这类中继器称为线性变换器或线性转发器（Linear Transponder）。上行的模拟信号，只要在限定的上行频率带内就可以转发下行。因此卫星上的这类设备也称为模拟中继器。让我们详细了解通常如何利用卫星线性转发器完成通信过程的。

1.卫星通信的环路测试

利用上行信号经卫星中继转发后的下行信号，完成测试卫星和地面站通信设备和信道，这种操作方法称为“环路测试”。在卫星通信中，环路测试非常重要，它能了解卫星中继器和地面站设备的工作状态及信道的情况。

具体操作方法是：当卫星进入了通信覆盖范围，同时星载转发器已经开启。操作员首先在规定的下行频段范围内搜索可用的空闲频道，设定环路测试的收听频率。一般采用先固定下行频率，再通过上行频道发送测试信号，仔细捕捉经过卫星中继后返回地面站的测试信号。

在环路测试过程中，须非常耐心地逐渐改变上行频率，直到在下行频率中接收到自己发出的测试信号。如果采用的是SSB调制方式，注意是否需要反置（如上行频采用USB，下行频采用LSB）。如果一切正常，你能在下行频率上听到自己发出的测试信号，至此环路形成了。

不过你刚收到信号，还没来得及高兴，可能信号马上就会变得模糊并很快消失了。不用着急，这是因为卫星在空间相对地面站快速运动造成的，需要经常补偿频率的变化量，以抵消多普勒效应，保持住通信环路。

2.卫星通信中多普勒偏移的对策

同学们从前一章节中已了解了无线电通信中的多普勒偏移现象，知道接收信号的频率会随着卫星相对于地面站速度的变化而改变。因此，地面通信人员需要采取措施，补偿多普勒效应引起的频率变化。具体方法有两种：改变发射频率或者改变接收频率。

1）改变发射频率

当两个地面站在通信时同步受到多普勒效应的影响，也就是说，卫星相对于两个地面站运动方向比较一致时，两个站点的连线与卫星运动的轨道基本垂直。建议采用这种方式。操作方法：根据既定的接收频率，调整发射频率，形成自身的环路。通信过程中，固定下行频率，不断调整上行频率以保持环路。原因是：双方共用同一下行频率，由于同步受到多普勒效应的影响，所以保持自身的环路也同时保证了对方对自己信号的接收。

2）改变接收频率

当两个地面站一个处于LOS附近（信号消失点），另一个处在AOS附近（信号捕获点）时，地面站在通信过程中多普勒效应就不会同步。简而言之，卫星相对于两个地面站运动的方向不一致，两个站点的连线和卫星运动的轨道基本平行。建议采用以下方式：在形成环路后，双方改变接收频率跟踪下行线路，会更容易完成通联。同学们可经过不断尝试，掌握规律，使卫星通信的过程变得更有效率。

另外，如果地面站设备具有在发射的同时，监听下行信道的功能，建议采用改变发射频率的操作方式；如果设备在发射时，无法同步监听下行信道，建议采用改变接收频率的操作方式。同学们一起来分析思考其中的原因。

目前，很多卫星轨道预测软件都能测算多普勒频移的参考数据，只要在对应的计算窗口中输入相应的上下行频率，就可以进行即时计算，见图12－5。

图12－5　多普勒效应补偿软件测算窗口

3.卫星线性转发器频率、反置模式和亚音频

1）线性转发器的频率计算

业余卫星所载荷的线性转发器实际上好比一部双工的单边带电台，它的英文名是：Linear Transponder。主要功能是将通过上行频率接收到的信号实时从下行频率上通过某种调制方式发射出去，从而完成中继。“希望一号”卫星线性转发器的上行频段为：145.925 0～145.975 0 MHz SSB/CW；下行频段为：435.765 0～435.715 0 MHz。

“希望一号”卫星上下行频率之间所对应的关系是什么？具体的计算公式如下：

Fr（MHz）=581.69－ Fs

即：接收频率（MHz）=581.69（MHz）－发射频率（MHz）

例如：145.925对应435.715，145.950对应435.740，145.975对应435.765，见图12－6。

图12－6　“希望一号”卫星线性转发器的上下行频率对应图

2）线性转发器的反置

明确了上下行频率之间的对应关系，卫星通信设备调试完毕，卫星轨道的预测准确无误，表明准备就绪。当“希望一号”卫星经过上海上空时，同学们使用了预定的USB方式进行通信，运用卫星的线性转发器进行中继，终于听到了远方电台的声音，但兴奋之余，却发现好不容易维持的通信环路，反馈回来的话音不清晰，根本无法听清，这是什么原因造成的呢？

别急，再看一看“希望一号”卫星主要无线电设备的工作参数表中“卫星线性转发器”的技术数据表吧。除了转发的频段，转发的功率以外，中间还有一个不引人注意的词——“反置”，英语为Inverting，这就是根本原因：线性转发器反置，这就是要求收发时上下边带要“反转”。

原来通信卫星为进一步避免干扰，在转发时采用了SSB发射和接收采用不同边频的方法。也就是：如果你使用USB下行接收，那就必须采用LSB进行上行发射。反之用LSB下行接收，则必须采用USB进行上行发射。但对CW方式没有特殊要求，只要通过公式计算出它对应的频率，不需要考虑“反置”因素。

3）“希望一号”业余卫星FM通信中的亚音频

同学们在使用对讲机通信时一定有过这样的经历：当同一频道里有多个同学在同时通信，你得非常仔细地分辨通话内容，想尽办法避开他台干扰。不过随着通信技术的进步，一种称为CTCSS（Continuous Tone Controlled Squelch System）“连续语音控制静噪系统”问世了。它俗称为“亚音频”，通常会在同频无线通信中应用。它的原理是将低频（67 Hz～250.3 Hz）附加在正常音频信号中一起传输的技术，因其频率范围在标准音频以下，所以称为亚音频。混在普通的音频信号中难以察觉。当接收机对接收信号进行中频解调后，亚音频信号也同步经过滤波、整形，输入到接收机内的CPU中，与本机设定的CTCSS频率进行比较，决定是否需要开启静音开关，这样就巧妙地解决了无关信号的干扰^[1]。

了解了亚音频技术后，再回到“希望一号”卫星的FM中继通信。它的调频转发器频率为：上行频率为145.825 0 MHz（67.0 Hz亚音频），下行频率为435.675 0 MHz。各有一个频率分别用于接收和发射。为尽可能避免各种干扰造成的无效中继，卫星FM转发器设置了亚音频功能，表示为：“PL 67.0 Hz”，即亚音频率为67 Hz。只有带有这个亚音频且具有一定强度的FM信号，才能打开卫星载荷的FM转发器实现中继。这与带有亚音频的中继通信站很相似。如何进行亚音频设置？我们以THF7对讲机为例，就设置的一般过程进行说明，见图12－7。

图12－7　THF7对讲机亚音频设置

如果使用FM中继方式进行“希望一号”卫星通信，双方电台必须都要具备亚音频的功能，并确定亚音频设为67 Hz，因为其他频率无法打开卫星转发器。由于卫星转发器内部的CPU还要对接收信号的波型进行加工、辨别，因此上行信号要有一定的强度，这样才能让卫星内部的DSP（信号数字处理器）正常处理信号数据，从而完成转发。因此天线系统与电台发射功率要合理进行配置。