卫星通信系统基础：从信号上传到地面接收的全链路概述
卫星通信听起来很高端，好像只有航天局和军方才用得起。其实现在卫星通信已经挺普及了，海事电话、GPS导航、卫星电视、甚至马斯克的星链，都是卫星通信的应用。理解它的基本原理，对做通信相关工作的工程师很有帮助。
一个完整的卫星通信系统包括三大部分：空间段、地面段和用户段。空间段就是天上的通信卫星，地面段是负责管理和控制的地面站，用户段是各种终端设备，比如卫星电话、卫星接收天线这些。卫星在天上当个"中继站"，把地面站发来的信号放大、变频、再转发给另一端的用户。
卫星的轨道类型有好几种。地球同步轨道（GEO）卫星在赤道上空约35786公里，跟地球自转周期一样，从地面看好像固定在天空某个位置。电视广播卫星大多是GEO的，因为地面天线对准一次就不用动了。低轨卫星（LEO）比如星链，轨道高度只有几百到一千多公里，延迟小，但需要很多颗卫星组成星座才能保证全球覆盖。
卫星通信的链路分为上行链路和下行链路。上行是从地面到卫星，下行是从卫星到地面。由于卫星离地面很远，信号衰减特别大，所以地面站一般用很大口径的天线，发射功率也高。卫星上的转发器收到信号后，先进行低噪声放大，然后变频（比如C波段上行6GHz，下行4GHz），再用行波管放大器放大到几十瓦甚至上百瓦，最后通过天线发回地面。
链路预算是个核心概念。简单来说就是算一算信号从发射端到接收端，一路上损耗了多少、增益了多少，最后到达接收机的时候还有没有足够的信噪比。损耗主要包括自由空间损耗（跟距离的平方成正比）、大气衰减、雨衰。增益主要来自天线增益和放大器增益。做链路预算的时候要把这些因素都考虑进去，留够余量。
卫星通信的挑战不少。最大的问题是延迟，GEO卫星的单程传播延迟就有120毫秒左右，来回就是240毫秒，再加上处理时间，打电话的时候能明显感觉到停顿。另一个问题是频谱资源紧张，卫星用的频段（L、S、C、Ku、Ka波段）都是国际协调分配的，干扰控制很严格。天气影响也不可忽视，大雨大雪会造成信号衰减，Ku波段和Ka波段尤其敏感。
从发展趋势看，低轨星座是现在的热点。星链、OneWeb、中国的星网，都在搞几千颗卫星的大星座。低轨延迟低，但卫星运动快，需要复杂的切换算法和相控阵天线来跟踪卫星。另外，激光星间链路也在发展，卫星之间用激光通信，带宽大、不受频谱限制，是未来卫星互联网的重要技术方向。
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