随着互联网应用的普及和卫星通信技术的迅猛发展，宽带卫星通信系统及其与地面互联网相融合已成为卫星通信新一轮发展的重要方向。基于多波束地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星的大容量宽带通信系统在卫星通信的这一轮发展中占有十分重要的地位。特别是波束个数达到上百个的Ka波段卫星通信系统，能使可用频率资源扩展到100 GHz以上，发展前景很好，但目前这类系统都是基于弯管式透明转发的。本文在分析其特点和运行情况后指出：基于弯管式透明转发的互联网接入卫星通信系统存在一个致命的弱点，这就是容易发生网络拥塞；采用非再生式星上信号处理（Non-Regenerative-On-Board Processing，NR-OBP）实现星上交换，不仅可以有效地解决这个问题，而且也能为充分利用卫星资源、尽力增大通信容量和改善通信质量开劈新的道路。　　对于伴随着非再生式星上处理出现的新难题，即许多路尚未解调译码的信号在星上交换之后如何通过下行链路高效地进行信道复用传输的问题，本文认为采用准正交时分复用（Quasi Orthogonal Time DivisionMultiplexing，QOTDM）技术可以圆满地解决。针对现有多波束GEO宽带卫星通信系统在服务质量和资源利用率等方面存在的问题，提出了两个改进的系统方案。本文的主要研究内容，就是围绕这两个系统方案的论证，对有关系统的性能和关键技术进行深入研究的。本文的主要创新性成果可概述如下：　　1.在NR-OBP宽带卫星通信系统中，需要在星上对非等带宽的多个用户信号进行频分分路、基带程控交换、信号重构和下行信道复用传输等处理，本文推导了对非等带宽信号进行频分分路和合路的数学模型，提出了一种基于多相滤波器和快速傅里叶变换（Fast FourierTransform，FFT）的频分分路的新方法。仿真和FPGA设计的结果表明，与已有文献发表的方法相比，新方法具有FFT点数少、FPGA实现的复杂度低、能达到希望的性能等特点，适用于基于NR-OBP的宽带卫星通信系统。　　2.针对基于NR-OBP和星上交换的大容量宽带卫星通信系统中存在多路未解调的数字调制信号通过下行链路高效地进行信道复用传输的难题，提出一种基于QOTDM的传输方案。QOTDM还能与频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）相结合构成MF-QOTDM，或与常规时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）方法相结合构成TDM-QOTDM，可将信道复用的信号路数扩展至数百路以上。与通常的FDM传输方式相比，QOTDM综合效益更高，这是因为它不像FDM那样存在多载波互调干扰，而造成星上功率放大器功率效率降低、射频设备体积和重量增大等问题。通过与FDM传输方式的对比分析和仿真验证，突显了这种传输方式对于改善链路性能的高效益。　　3.为了解决现有大容量多波束GEO卫星通信系统在扩展用户容量和改善业务质量方面存在的问题，提出了一种基于NR-OBP、将星上程控交换与IP交换相结合的系统方案。星上采用基于样点的程控交换与IP交换相结合的交换方式，前者有利于支持宽带实时业务和大量数据流的高速传输，后者大大缩短了信令执行或网页浏览响应的时间延迟，可在提高业务服务质量的同时，提高信道利用率和数据吞吐率。系统采用多频-时分多址接入（Multiple Frequency-Time Division Multiple Access，MF-TDMA）与时隙同步码分多址（Synchronization Code Division Multiple Access，SCDMA）相结合的接入方式，显著增大了用户容量；用户下行链路采用基于IP的数字视频广播（IP-over-Digital Video Broadcasting，IP-over-DVB）协议的16 APSK调制方式，下载速率高达150 Mbps。与基于星上重构为FDM信号进行传输的方案相比，其链路性能可得到显著的改善，因而可大大缩小宽带移动用户“动中通”天线的等效口径，而大幅度降低用户终端的成本。　　4.为了解决用于互联网接入的大容量多波束GEO卫星通信系统容易发生网络拥塞的问题，提出了一种基于非再生式星上信号处理和程控交换的解决方案。所提出的系统方案，在星上只进行非再生式信号处理、程控交换、闭环同步控制、信令信息处理和信道调度管理，加之其下行链路采用MF-QOTDM方式传输，因此其星上处理设备的复杂度远远低于基于星上再生式处理和交换的系统；而它却可以有效地解决网络拥塞的问题，因为它有星上交换。各个关口站所属小区用户信号不是都从本关口站落地，而是分散到它们所访问的目的网址所属关口站或其它馈送链路中有空闲信道的关口站落地；因而能够从根本上解决各条馈送链路忙闲不均，忙时区的馈送链路容易发生拥塞的问题；而且其它方面的服务质量也可得到显著改善，信道利用率大大提高，实际运行时的用户容量、数据吞吐率也能显著增大。仿真验证了所用MF-QOTDM的优越性能，并利用我们相关项目的FPGA设计实现的经验，分析了所提系统星上有效载荷设备的复杂度、功耗及实现的可能性。　　期望本文的研究成果，能为我国卫星通信的下一轮发展和应用提供有价值的重要参考。