卫星通信是现代通信技术的重要成果之一。而低轨道小卫星通信系统，因其对收发终端的能量要求较小、造价低、研制周期短、可靠性高等自身优点，以至对于通信的个人化，可靠的移动通信的获取，及边远地区的通信事业都具有很大意义。这样，对低轨卫星地球站的研究成为热点。本文讨论了地球站收发信机的设计，着重于以直接数字合成技术为核心的GFSK调制／解调问题，以及地球站的通信协议控制模块的实现。经实验证明，达到通信要求，并可接收LEO卫星的广播信息。

1　DDS频率合成技术
　　频率合成器如单纯采用锁相环频率合成，要在UHF／VHF频段上输出间隔小于100 Hz的载波，需用多环锁相或小数分频法。这样电路复杂且难调整，因为DDS具有频率精度高、相位连续等优点，可满足跟踪多普勒频移精度的要求。但是DDS输出频率做不到很高，则我们采用DDS＋PLL的频率合成技术。这样既满足了频率分辨率高的要求，又使输出频率达到UHF／VHF频段。在实际工作中锁相环完成的是倍频器的功能。
　　DDS选用AD9850芯片，其最高参考时钟频率达125 MHz，自带比较器。他的输出频率由式（1）可得：　　

其中，phase为32位的频率控制字，CLKIN为参考时钟频率，f_out为输出信号频率。
　　DDS的输出频率分辨率为当频率控制字为1时，DDS的输出频率。所以参考时钟频率为125 MHz时，输出频率分辨率为：　　

　　实际中采用16．384 MHz作为参考时钟，则其频率分辨率可达：

　　利用DDS开发一个时钟发生器，产生精确的时钟信号作为PLL的参考频率，通过改变该时钟频率而达上，PLL将DDS的输出进行65倍频，此时频率合成器的输出精度为：　

2　GFSK调制解调技术分析
2．1　GFSK调制技术
　　利用DDS进行调制易于用软件来调整和控制，且可方便地在调制之前加入预调制滤波器对调制信号进行处理，从而减小已调信号的主瓣宽度，同时加速带外衰减，抑制带外辐射。这样的预调制滤波器，必须具有：
    （1）带宽窄并具有陡峭的截止特性；
    （2）冲击响应的过冲小；
    （3）保证滤波器输出脉冲面积不变。
    能满足上述特性的预调制滤波器是高斯低通滤波器，其冲击响应为：

其中：B_b为高斯滤波的3 db带宽，B_bT_b为系统中可以改变的参数。
2．2　GFSK解调技术
　　这里只简单介绍采用鉴频检波法的GFSK解调技术。
    设GMSK中频信号经限幅器后的信号X_IF（t）为：

　　n_c（t）和n_s（t）为相互独立，均值为0的高斯过程，其方差为σ²。则X_IF（t）又为：

其中，Δφ为信号经过相移网络后产生相移的绝对值，此时y（t）中的相位sgn［φ（t）＋ξ（t）］Δφ中已包含了数据信息sgn（φ（t）），因为R（t）恒为正，则只要根据y（t）的极性进行抽样判决就可恢复出数据。
3　LEO通信系统中Doppler频移的分析
　　由于LEO小卫星轨道低，卫星和地面站之间相对运动速度很快，所以在通信中必须考虑信号的Doppler效应。Doppler效应与卫星速度及发射和接收信号频率有关，其理论表达式如下：

其中：f_d为Doppler频移量；
      f₀为接收或发射信号频率；
　　  v为卫星速率；
      c为光速率。

其中：f为附加Doppler频移后的发射或接收信号频率。
　　根据Doppler频移理论，当移动台靠近时，其Doppler频移相对静止物为正；反之，当移动台远离时，其Doppler频移相对静止物为负。所以，在一次卫星经过过程中，当卫星达到最大仰角之前，下行链路Doppler频移为正，而上行链路Doppler频移为负；当卫星达到仰角最大时，Doppler频移为0；当卫星经过最大仰角之后，下行链路Doppler频移为负，而上行链路的Doppler频移则为正；当卫星在地平线上时Doppler频移达到正的和负的最大值。同时，Doppler频移的变化率在当卫星位于地平线上时达到最小值；当卫星达到最大仰角时，Doppler频移的变化率为最大值。
　　我们采用NORADSGP4／SDP4的标准化轨道模型，由标准两行轨道参数决定的地球中心初始化（ECI）参数。计算Doppler频移，测试数据如图1所示。
　　由图1可以看出：上行（下行）Doppler频移在overhead（最大仰角时）符号改变，且在overhead处曲线的斜率最大，即Doppler频移变化率最大。从另一方面，随着仰角越来越大，以100 Hz为间隔的Doppler频移点也越来越密。同样地，随着仰角越来越大，Doppler频移变化率也越来越大；而当经过overhead（仰角最大处）处后，随着仰角越来越小，Doppler频移变化率也越来越小。由此，证明了以上结论的正确性。

4　LEO小卫星通信协议
　　LEO小卫星和地球站用户之间的数据传输与交换采用的是AX．25链路协议。差错控制采用选择重发ARP（SRP-ARP）方式。卫星的下行链路采用广播方式。卫星的下行链路采用广播方式工作（包括文件广播协议和目录广播协议2部分）；上行链路采用多路复用方式；并采用预约的SALOHA协议。在S＆F（Store＆Forward即存储转发）通信中，利用专为S＆F通信开发的PACSAT协议。其协议结构如图2所示。

　　在PACSAT协议模型中，不管低层协议还是高层协议均采用由XMODEM协议（ISO3309）定义的2 BCRC校验，其FCS（一致校验序列）为：
    x¹⁵＋x¹²＋x⁵＋1（16）　　
　　此CRC16覆盖了AX．25协议中UI帧以及所有广播帧头。
5　结　语
    本文结合LEO卫星通信系统地球站的重要理论与关键技术，提出以DDS调制实现在VHF波段的加入高斯预调制滤波器的CPFSK调制和正交检波法实现在UHF波段的FSK解调为主的方案。着重对在CPFSK调制前加入的高斯预调制滤波器进行了比较详细的理论分析与研究，提出用DDS调制基本原理实现的一种完全可行的高斯滤波CPFSK调制方法。
　　另外，本文还对低轨卫星地球站的通信协议和控制模块做了比较深入的研究，提出了完全可行的LEO小卫星的Doppler频移方法，经过实际测试完全正确。本文的研究结论，为进一步研制以至实现LEO小卫星地球站系统有着重要意义。