第十一章 SATCOM-ACARS.ppt

第十一章衛(wèi)星通信系統(tǒng)與通信尋址報(bào)告系統(tǒng) ACARS 11 1 1衛(wèi)星通信的定義 衛(wèi)星通信 是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào) 在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信 地球站是指設(shè)在地球表面 包括地面 海洋和大氣中 的無(wú)線電通信站 包括地面地球站 GES 和飛機(jī)上的機(jī)載地球站 AES 用于實(shí)現(xiàn)通信目的的這種人造衛(wèi)星叫作通信衛(wèi)星 如圖11 1所示 衛(wèi)星通信實(shí)際上就是利用通信衛(wèi)星作為中繼站的一種特殊的微波中繼通信方式 圖11 1衛(wèi)星通信示意圖 同步衛(wèi)星 靜止衛(wèi)星 目前 絕大多數(shù)通信衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星 靜止衛(wèi)星 這種衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是赤道平面內(nèi)的圓形軌道 距地面約36000km 它運(yùn)行的方向與地球自轉(zhuǎn)的方向相同 繞地球旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間 即公轉(zhuǎn)周期恰好是24h 和地球的自轉(zhuǎn)周期相等 從地球上看去 如同靜止一般 故叫靜止衛(wèi)星 靜止衛(wèi)星并不是說(shuō)衛(wèi)星真的靜止不動(dòng) 而是與地球同步運(yùn)行 故又叫同步衛(wèi)星 由靜止衛(wèi)星作中繼站組成的通信系統(tǒng)稱為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)或稱同步衛(wèi)星通信系統(tǒng) 圖11 2是靜止衛(wèi)星與地球相對(duì)位置的示意圖 從衛(wèi)星向地球引兩條切線 切線夾角為17 34度 兩切點(diǎn)間弧線距離為18101km 可見在這個(gè)衛(wèi)星電波波束覆蓋區(qū)的地球站均可通過(guò)該衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)通信 這種波束稱全球波束 若以120度的等間隔在靜止 軌道上配置三顆衛(wèi)星 則地球表面除了兩極區(qū)未被衛(wèi)星波束覆蓋外 其他區(qū)域均在覆蓋范圍之內(nèi) 由此可見 只要用三顆等間隔配置的靜止衛(wèi)星上的全球波束覆蓋就可以實(shí)現(xiàn)全球通信 這一特點(diǎn)是任何其他通信方式所不具備的 靜止衛(wèi)星所處的位置分別在太平洋 印度洋和大西洋上空 半球波束 區(qū)域波束 國(guó)內(nèi)波束 點(diǎn)波束 除了上述能覆蓋1 3地球表面的全球波束 又叫覆球波束 之外 對(duì)于固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)和陸地衛(wèi)星業(yè)務(wù) 事實(shí)上只要保證覆蓋陸地即可 沒有必要覆蓋海洋 對(duì)于區(qū)域通信或國(guó)內(nèi)通信 也只要求衛(wèi)星能覆蓋特定地區(qū) 因此 可以根據(jù)特定業(yè)務(wù)的需要來(lái)設(shè)計(jì)衛(wèi)星天線 因而出現(xiàn)了半球波束 區(qū)域波束 國(guó)內(nèi)波束 點(diǎn)波束以及形形色色的覆蓋特定區(qū)域的成形波束 如圖11 3所示 這樣的波束較全球波束窄 可以提高衛(wèi)星的有效輻射功率 因而增加系統(tǒng)容量 圖11 3幾種常見波束覆蓋區(qū)域示意圖 11 1 2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類 1 按衛(wèi)星通信范圍分為 全球衛(wèi)星通信系統(tǒng) 國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng) 區(qū)域衛(wèi)星通信系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 2 按衛(wèi)星處理能力可分為 星上處理通信系統(tǒng)和星上能量放大的轉(zhuǎn)發(fā)通信系統(tǒng) 又稱彎管型通信系統(tǒng) 3 按基帶信號(hào)體制可分為 模擬制衛(wèi)星通信系統(tǒng)和數(shù)字制衛(wèi)星通信系統(tǒng) 數(shù)字制又分為窄帶和寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng) 4 按多址方式可分為 頻分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng) 時(shí)分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng) 空分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng) 碼分多址衛(wèi)星通信系統(tǒng)和混合多址衛(wèi)星通信系統(tǒng) 5 按所用的頻段可分為 特高頻 UHF 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 超高頻 SHF 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 極高頻 毫米波 EHF 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 或者分為C波段 Ku波段 Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng) 以及激光衛(wèi)星通信系統(tǒng) 6 按通信業(yè)務(wù)種類可分為 固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 廣播電視衛(wèi)星通信系統(tǒng) 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和軍事等衛(wèi)星通信系統(tǒng) 11 1 3衛(wèi)星通信的特點(diǎn) 一 與其他通信手段相比的主要優(yōu)點(diǎn) 1 通信距離遠(yuǎn) 且費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān) 由圖12 13可見 利用靜止衛(wèi)星 最大通信距離達(dá)18000Km左右 而且建站費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用不因通信站之間的距離遠(yuǎn)近及兩站之間地面上的自然條件惡劣程度而變化 這在遠(yuǎn)距離通信上 比地面微波中繼 電纜 光纜 短波通信等有明顯的優(yōu)勢(shì) 除了國(guó)際通信外 在國(guó)內(nèi)或區(qū)域通信中 尤其對(duì)邊遠(yuǎn)的城市 農(nóng)村和交通 經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū) 衛(wèi)星通信是極其有效的現(xiàn)代通信手段 2 覆蓋面積大 可進(jìn)行多址通信 許多其他類型的通信手段 通常只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 例如地面微波中繼線路只有干線或分支線路上的中繼站方能參與通信 不在這條線上的點(diǎn)就無(wú)法利用它進(jìn)行通信 而衛(wèi)星通信由于是大面積覆蓋 在衛(wèi)星天線波束覆蓋的整個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)都可設(shè)置地球站 這些地球站可共用一顆通信衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)雙邊或多邊通信 即進(jìn)行多址通信 由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域很大 而且在這個(gè)范圍內(nèi)的地球站基本上不受地理?xiàng)l件或通信對(duì)象的限制 有一顆在軌道上的衛(wèi)星 就相當(dāng)于在全國(guó)鋪設(shè)了可以通過(guò)任何一點(diǎn)的無(wú)形的電路 因此使通信線路具有很大的靈活性 3 通信頻帶寬 傳輸容量大 適于多種業(yè)務(wù)傳輸 目前 衛(wèi)星帶寬可達(dá)GHz量級(jí) 一顆衛(wèi)星的容量可達(dá)數(shù)千路以至上萬(wàn)路電話 并可傳輸高分辨力的照片和其他信息 4 通信線路穩(wěn)定可靠 通信質(zhì)量高 衛(wèi)星通信的電波主要是在大氣層以外的宇宙空間傳輸 而宇宙空間是接近真空狀態(tài)的 可看做是均勻介質(zhì) 電波傳播比較穩(wěn)定 同時(shí)它不受地形 地物如丘陵 沙漠 叢林 沼澤地等自然條件影響 且不易受自然或人為干擾以及通信距離變化的影響 故通信穩(wěn)定可靠 傳輸質(zhì)量高 5 通信電路靈活 地面微波通信要考慮地勢(shì)情況 要避開高空遮擋 在高空中 海洋上都不能實(shí)現(xiàn)通信 而衛(wèi)星通信解決了這個(gè)問題 具有較大的靈活性 6 機(jī)動(dòng)性好 衛(wèi)星通信不僅能作為大型地球站之間的遠(yuǎn)距離通信干線 而且可以為車載 船載 地面小型機(jī)動(dòng)終端以及個(gè)人終端提供移動(dòng)通信 能夠根據(jù)需要迅速建立同各個(gè)方向的通信聯(lián)絡(luò) 能在短時(shí)間內(nèi)將通信網(wǎng)延伸至新的區(qū)域 或者使設(shè)施遭到破壞的地域迅速恢復(fù)通信 7 可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測(cè) 當(dāng)收發(fā)端地球站處于同一覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí) 本站同樣收到自己發(fā)出的信號(hào) 從而可以監(jiān)視本站所發(fā)消息是否正確傳輸 以及傳輸質(zhì)量的優(yōu)劣 衛(wèi)星通信具有上述這些突出的優(yōu)點(diǎn) 從而獲得了迅速的發(fā)展 成為強(qiáng)有力的現(xiàn)代化通信手段之一 應(yīng)用范圍極其廣泛 不僅用于傳輸話音 電報(bào) 數(shù)據(jù)等 而且由于衛(wèi)星所具有的廣播特性 它也特別適用于廣播電視節(jié)目的傳送 二 靜止衛(wèi)星通信存在的某些不足 1 兩極地區(qū)為通信盲區(qū) 高緯度地區(qū)通信效果不好 2 衛(wèi)星發(fā)射和控制技術(shù)比較復(fù)雜 接收天線的尺寸較大 設(shè)施昂貴 通信費(fèi)用高 3 存在日凌中斷和星蝕現(xiàn)象 即每年春分和秋分前后數(shù)日 太陽(yáng) 衛(wèi)星和地球共處在一條直線上 當(dāng)衛(wèi)星處在太陽(yáng)和地球之間時(shí) 地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的同時(shí) 也會(huì)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng) 這時(shí)因太陽(yáng)干擾太強(qiáng) 每天有幾分鐘的通信中斷 這種現(xiàn)象通常稱為日凌中斷 而當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí) 造成了衛(wèi)星的日蝕 稱作星蝕 在星蝕期間 衛(wèi)星靠蓄電池供電 由于衛(wèi)星重量限制 星載電池除維持星體正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要外 難以為各轉(zhuǎn)發(fā)器提供充足的電源 4 有較大的信號(hào)傳播延遲和回波干擾 在靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 從地球站發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到另一地球站時(shí) 單程傳播時(shí)間約為0 27s 進(jìn)行雙向通信時(shí) 一問一答往返傳播延遲約為0 54s 通話時(shí)給人一種不自然的感覺 此外 如果不采取特殊措施 由于混合線圈不平衡等因素還會(huì)產(chǎn)生 回波干擾 即發(fā)話者0 54s以后會(huì)聽到反射回來(lái)自己的講話回聲 成為一種干擾 這是衛(wèi)星通信的明顯缺點(diǎn) 為了消除或抑制回波干擾 地球站要增設(shè)回波抵消或抑制設(shè)備 三 數(shù)字衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)和主要技術(shù) 一 數(shù)字衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)與模擬衛(wèi)星通信相比 數(shù)字衛(wèi)星通信具有如下主要優(yōu)點(diǎn) 1 多址聯(lián)接能增大傳輸容量 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的傳輸容量取決于發(fā)射機(jī)高功率放大器 HPA 的輸出功率 在模擬調(diào)頻方式中 采用頻分多址 FDMA 方式 轉(zhuǎn)發(fā)器同時(shí)放大多個(gè)載波 為了減小互調(diào)干擾 就必須降低放大器的輸入和輸出功率 因而傳輸容量必然小 在數(shù)字衛(wèi)星通信方式中 一般采用時(shí)分多址 TDMA 方式 單載波工作不會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾 HPA可工作在飽和區(qū) 所以傳輸容量就能加大 可更有效地利用空間段資源 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率效率高 空間段費(fèi)用經(jīng)濟(jì) 2 時(shí)分多址 TDMA 或中數(shù)據(jù)速率 IDR 載波系統(tǒng)可以與低速率編碼 LRE 及數(shù)字話音內(nèi)插 DSI 結(jié)合使用獲得高增益電路倍增 從而大大提高了信道利用率和系統(tǒng)容量 3 抗干擾能力強(qiáng) 當(dāng)載波干擾比在20 30dB范圍內(nèi)時(shí) 數(shù)字系統(tǒng)即能提供優(yōu)良的性能 而模擬FDM FM系統(tǒng)往往要求高得多的載波干擾比 4 和等效的模擬系統(tǒng)相比可改善端到端的質(zhì)量和性能 便于進(jìn)行糾錯(cuò)控制和加密 同時(shí)可改善設(shè)備可靠性且易于維護(hù) 5 便于同綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) ISDN 配合工作 由于數(shù)據(jù) 電話 傳真 會(huì)議電視等各種業(yè)務(wù)迅速發(fā)展 地面通信網(wǎng)正向數(shù)字化發(fā)展 數(shù)字化后 各種信源信息都轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)字比特流 它與源信息是彩色電視或模擬話音還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)關(guān) 數(shù)字衛(wèi)星通信可以容納各種業(yè)務(wù) 而且可以和地面網(wǎng)連接 6 便于提供新業(yè)務(wù) 隨著數(shù)字技術(shù) 計(jì)算機(jī)和各種新器件的出現(xiàn) 產(chǎn)生了一些用模擬方法不能實(shí)現(xiàn)的新業(yè)務(wù) 如計(jì)算機(jī)通信 各種服務(wù)預(yù)定系統(tǒng)和銀行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移等 7 具有高度的靈活性 可適應(yīng)話音業(yè)務(wù)和信息速率范圍很廣 如從64kb S 44 736Mb 泛的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要 能夠把傳輸速率不同的信號(hào)進(jìn)行復(fù)接和多址連接 8 利用數(shù)字通信技術(shù)后 空中交換臺(tái) 具有很強(qiáng)信號(hào)處理能力的再生式衛(wèi)星成為可行 另外 多波束星上交換工作也成為可能 9 可以采用數(shù)字處理壓縮頻帶 提高傳輸效率 還可以采用數(shù)字處理的回波抵消技術(shù)消除因靜止衛(wèi)星通信長(zhǎng)時(shí)延造成的回波干擾 10 傳輸質(zhì)量幾乎與距離及網(wǎng)絡(luò)布局無(wú)關(guān) 在多跨距線路中 多段接續(xù) 信號(hào)再生和信號(hào)處理都不會(huì)降低數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量 而在模擬系統(tǒng)中 噪聲是要積累的 在非再生式衛(wèi)星系統(tǒng)中 上行線路噪聲和下行線路噪聲是相加的 二 數(shù)字衛(wèi)星通信的主要技術(shù)包括數(shù)字衛(wèi)星通信在內(nèi)的各種數(shù)字通信系統(tǒng)雖然千差萬(wàn)別 但歸納起來(lái) 可用圖11 4所示的典型數(shù)字通信系統(tǒng)模型來(lái)概括 圖中不帶陰影部分是基本的 即數(shù)字信號(hào)形成 調(diào)制與解調(diào) 同步系統(tǒng) 收發(fā)信機(jī)和信道 陰影部分則屬于信號(hào)的處理和變換部分 其中包括 信源編碼與解碼 加密與解密 信道編碼與解碼 多路分解與合成 擴(kuò)頻與解擴(kuò) 多址技術(shù)等 圖中各部分的排列順序是一種典型情況 但具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)并非一定都按這一順序安排 而且并非必須包括其中所有環(huán)節(jié) 圖中虛線框內(nèi)部分叫做調(diào)制解調(diào)器 MODEM 現(xiàn)把各部分的技術(shù)簡(jiǎn)述如下 1 數(shù)字信號(hào)形成數(shù)字信號(hào)形成主要用來(lái)把源信息 如文字或模擬信息變換成適應(yīng)數(shù)字系統(tǒng)處理和傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)技術(shù)上包含字母編碼 抽樣 量化 脈沖編碼調(diào)制 對(duì)于模擬信息 如話音 則先按照抽樣定理抽樣 抽樣頻率至少為信號(hào)上限頻率的兩倍 量化則是把模擬信號(hào)無(wú)限多可能的連續(xù)值用有限離散值來(lái)代替 這些有限的離散值通過(guò)脈沖編碼調(diào)制變換成各種類型的PCM波形 2 信源編碼與解碼信源編解碼的目的在于把所形成的數(shù)字信號(hào)在一定比特率下增加其信噪比 或者在一定信噪比下減少比特率 換句話說(shuō) 即盡量減少信源的多余度 用最少的比特來(lái)傳送信息 從而提高了傳輸?shù)挠行?信源編碼的基本方法有三類 一類是匹配編碼 它是根據(jù)信源中各元素的出現(xiàn)概率不同 分別給予不同長(zhǎng)短的代碼 使代碼長(zhǎng)度與概率分布相匹配 代碼的平均長(zhǎng)度比較短 數(shù)碼也就少了 另一類是變換編碼 它是把信源從一種信號(hào)空間變換成另一種信號(hào)空間 然后對(duì)變換后的信號(hào)進(jìn)行編碼 例如預(yù)測(cè)變換 即把預(yù)測(cè)將發(fā)生的信號(hào)值與真實(shí)信號(hào)的誤差信號(hào)進(jìn)行編碼 如果預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確 預(yù)測(cè)誤差越小 編成的碼就越少 達(dá)到了壓縮數(shù)碼的目的 第三類為識(shí)別編碼 它是對(duì)信源先進(jìn)行識(shí)別 視其是什么文字或什么聲音 然后把每種文字和聲音編成不同的代碼 發(fā)端向收端只發(fā)送代碼 收端則根據(jù)代碼恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)的文字或聲音 顯然 這種方法可極大地壓縮數(shù)碼率 但因已失去了原來(lái)的文字或聲音的特征 不同人寫的字或不同人發(fā)的聲音都恢復(fù)成同一個(gè)樣了 3 加密與解密為了保證數(shù)字信號(hào)與所傳信息的安全 防止無(wú)權(quán)用戶干擾和竊密 一般應(yīng)采取加密措施 數(shù)字信號(hào)比起模擬信號(hào)來(lái)易于加密 且效果也好 這是數(shù)字通信突出的優(yōu)點(diǎn)之一 4 信道編碼與解碼數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí) 由于噪聲 衰落以及人為干擾等 將會(huì)引起差錯(cuò) 信道編碼的目的就是提高傳輸?shù)目垢蓴_性 信道編碼的一類基本方法是波形編碼 或稱為信號(hào)設(shè)計(jì) 它把原來(lái)的波形變換成新的較好的波形 以改善其檢測(cè)性能 編碼過(guò)程主要是使被編碼信號(hào)具有更好的距離特性 即信號(hào)之間的差別性更大 5 多路復(fù)用及多址聯(lián)接技術(shù)多路復(fù)用和多址聯(lián)接都是信道復(fù)用問題 目的是充分利用通信資源 不過(guò) 多路復(fù)用是指一個(gè)地球站把送來(lái)的多個(gè)信號(hào)在基帶信道上進(jìn)行復(fù)用 而多址聯(lián)接則是指多個(gè)地球站發(fā)射的信號(hào) 在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上進(jìn)行射頻信道的復(fù)用 二者都是對(duì)多用戶合理有效地分配信道資源 基本的方法有頻分 時(shí)分 碼分 空分和極化波分 所有這些方式的共同點(diǎn)在于各用戶信號(hào)間互不干擾 在接收端易于區(qū)分 它們都是利用信號(hào)間互不重疊 在頻域 時(shí)域 空域中的正交性或準(zhǔn)正交性 6 調(diào)制與解調(diào)數(shù)字式的調(diào)制技術(shù)可分為相移鍵控 PSK 頻移鍵控 FSK 幅度鍵控 ASK 連續(xù)相位調(diào)制 CPM 以及它們的各種組合 在衛(wèi)星通信中考慮減小互調(diào)干擾問題 主要選擇恒包絡(luò)調(diào)制 主要采用PSK調(diào)制 7 擴(kuò)展頻譜技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸方式 其信號(hào)所占有的頻帶遠(yuǎn)大于所傳信息必須的最小帶寬 頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的 并與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān) 在收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳數(shù)據(jù) 按照信息論的理論 信號(hào)頻帶的增加 可在較低信噪比的情況下用相同的傳息率以任意小的差錯(cuò)概率來(lái)傳輸信息 8 同步系統(tǒng)同步問題是數(shù)字衛(wèi)星通信技術(shù)的關(guān)鍵問題之一 它包括比特同步 幀同步 載波同步 網(wǎng)同步等 在TDMA系統(tǒng)中 網(wǎng)絡(luò)同步不僅要由基準(zhǔn)站決定全網(wǎng)定時(shí) 同時(shí)由于各站的位置和距離不同 還需要以其確定各站至基準(zhǔn)站及相互之間收發(fā)信號(hào)的定時(shí)同步問題 11 2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成 衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng) 通信地球站 跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四大功能部分組成 如圖11 5所示 跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng) 對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量 控制其準(zhǔn)確進(jìn)入靜止軌道上的指定位置 并對(duì)在軌衛(wèi)星的軌道 位置及姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和校正 監(jiān)控管理分系統(tǒng) 對(duì)在軌衛(wèi)星的通信性能及參數(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)開通前的監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)開通后的例行監(jiān)測(cè) 控制 以便保證通信衛(wèi)星的正常運(yùn)行和工作 空間分系統(tǒng)是指通信衛(wèi)星 主要由天線分系統(tǒng) 通信分系統(tǒng) 轉(zhuǎn)發(fā)器 遙測(cè)與指令分系統(tǒng) 控制分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成 各部分的功能下邊再作介紹 地面跟蹤遙測(cè)及指令分系統(tǒng) 監(jiān)控管理分系統(tǒng)與空間相應(yīng)的遙測(cè)與指令分系統(tǒng) 控制分系統(tǒng)并不直接用于通信 而是用來(lái)保障通信的正常進(jìn)行 一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括許多通信地球站 由發(fā)端地球站 上行線傳播路徑 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 下行線傳播路徑和收端地球站組成衛(wèi)星通信線路 直接用于進(jìn)行通信 其構(gòu)成框圖如圖11 6所示 一 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通信衛(wèi)星是一個(gè)設(shè)在空中的微波中繼站 衛(wèi)星中的通信系統(tǒng)稱為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 其主要功能是 收到地面發(fā)來(lái)的信號(hào)后 稱為上行信號(hào) 進(jìn)行低噪聲放大 然后混頻 混頻后的信號(hào)再進(jìn)行功率放大 然后發(fā)射回地面 這時(shí)的信號(hào)稱作下行信號(hào) 衛(wèi)星通信中 上行信號(hào)和下行信號(hào)頻率是不同的 這是為了避免在衛(wèi)星通信天線中產(chǎn)生同頻率信號(hào)干擾 一個(gè)通信衛(wèi)星往往有多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器 每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器被分配在某一工作頻段中 并根據(jù)所使用的天線覆蓋區(qū)域 租用或分配給處在覆蓋區(qū)域的衛(wèi)星通信用戶 二 通信地球站通信地球站由天線饋線設(shè)備 發(fā)射設(shè)備 接收設(shè)備 信道終端設(shè)備等組成 1 天線饋線設(shè)備天線是一種定向輻射和接收電磁波的裝置 它把發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)輻射給衛(wèi)星 同時(shí)把衛(wèi)星發(fā)來(lái)的電磁波收集起來(lái)送到接收設(shè)備 收發(fā)支路主要是靠饋源設(shè)備中的雙工器來(lái)分離的 2 發(fā)射設(shè)備發(fā)射設(shè)備是將信道終端設(shè)備輸出的中頻信號(hào) 一般的中頻頻率是70MHz 18MHz 變換成射頻信號(hào) C頻段中是6GHz左右 并把這一信號(hào)的功率放大到一定值 功率放大器可以是單載波工作 也可以多載波工作 輸出功率可以從數(shù)瓦到數(shù)千瓦 業(yè)務(wù)量大的大型地球站常采用速調(diào)管功率放大器 輸出功率可達(dá)3000W 中型地球站常采用行波管功率放大器 功率等級(jí)在100 400W 隨著微波集成電路技術(shù)的發(fā)展 固態(tài)砷化稼場(chǎng)效應(yīng)管放大器 又稱固態(tài)功放 在小型地球站中被廣泛地采用 功率等級(jí)從0 25 125w不等 3 接收設(shè)備接收設(shè)備的任務(wù)是 把接收到的極其微弱的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)首先進(jìn)行低噪聲放大 對(duì)4GHz左右的信號(hào)進(jìn)行放大 而放大器本身引入的噪聲很小 然后變頻到中頻信號(hào) 一般的中頻為70MHZ 18MHZ 供信道終端設(shè)備進(jìn)行解調(diào)及其他處理 4 信道終端設(shè)備對(duì)發(fā)送支路來(lái)講 信道終端的基本任務(wù)是將用戶設(shè)備 電話 電話交換機(jī) 計(jì)算機(jī) 傳真機(jī)等 通過(guò)傳輸線接回輸入的信號(hào)加以處理 使之變成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)男盘?hào)形式 對(duì)接收支路來(lái)講 則進(jìn)行與發(fā)送支路相反的處理 將接收設(shè)備送來(lái)的信號(hào)恢復(fù)成用戶的信號(hào) 11 3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻段 衛(wèi)星通信工作頻段的選擇是個(gè)十分重要的問題 它將影響到系統(tǒng)的傳輸容量 地球站及轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率 天線尺寸及設(shè)備的復(fù)雜程度等 選擇工作頻段時(shí) 主要考慮如下因素 1 天線系統(tǒng)接收的外界噪聲要小 2 電波傳輸損耗及其他損耗要小 3 設(shè)備重量要輕 耗電要省 4 可用頻帶要寬 以滿足通信容量的需要 5 與其他地面天線系統(tǒng) 如微波中繼通信系統(tǒng) 雷達(dá)系統(tǒng)等 之間的相互干擾要盡量小 6 能充分利用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備 并便于與現(xiàn)有通信設(shè)備配合使用等 綜合上述各方面考慮 應(yīng)將工作頻段選在電波能穿透電離層的特高頻或微波頻段 目前 大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作 1 UHF頻段400 200MHZ 2 L頻段1 6 1 5GHZ 3 C頻段6 0 4 0GHZ 4 X頻段8 0 7 0GHZ 5 KU頻段14 0 12 0GHZ 14 0 11 0GHZ 6 Ka頻段30 20GHz 當(dāng)電波在地球站與衛(wèi)星之間傳播時(shí) 必須穿過(guò)地球周圍的大氣層 因此要受到電離層中自由電子和離子的吸收 受到對(duì)流層中的氧分子 水蒸氣分子和雨 霧 云 雪 冰雹等的吸收和散射 從而形成損耗 這種損耗與電波的頻率 波束的仰角以及氣候條件有密切的關(guān)系 在晴朗天氣條件下 大氣吸收損耗與頻率的關(guān)系曲線 如圖11 7所示 從圖中可以看出 0 1GHz以下自由電子或離子吸收起主要作用 頻率越低越嚴(yán)重 頻率高于0 3GHz時(shí) 其影響可以忽略 當(dāng)?shù)厍蛘舅幬恢檬固炀€波束仰角越大 無(wú)線電波通過(guò)大氣層的路徑越短 則吸收作用越小 頻率低于10GHZ 仰角大于5度時(shí) 其影響基本上可以忽略 由圖11 7可見 在0 3 10GHZ頻段 大氣損耗最小 故稱此頻段為 無(wú)線電窗口 另外 在30GHZ附近也有一個(gè)損耗低谷 通常稱此頻段為 半透明無(wú)線電窗口 選擇工作頻段時(shí)應(yīng)該考慮選在這些 窗口 附近 另外 從外界噪聲影響來(lái)考慮 當(dāng)頻率降低到0 1GHz以下時(shí) 宇宙噪聲會(huì)迅速增加 如圖12 19所示 所以最低頻率不能低于0 1GHz 通常在1GHz以上 宇宙噪聲和人為噪聲對(duì)通信影響較小 而大氣噪聲 其中包括氧氣 水蒸氣 雨 云 霧噪聲等在10GHZ以上頻段對(duì)通信影響較大 因此 從降低接收系統(tǒng)噪聲角度來(lái)考慮 衛(wèi)星通信工作頻段最好選在1GHZ 10GHZ之間 通常用4 6GHZ的C波段 目前衛(wèi)星上的C波段轉(zhuǎn)發(fā)器漸趨飽和 所以又向Ku和Ka波段發(fā)展 11 4衛(wèi)星通信的調(diào)制技術(shù) 衛(wèi)星通信所用的正弦載波調(diào)制方式 通常分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制方式兩種 目前 在衛(wèi)星通信中使用的模擬調(diào)制方式主要是頻率調(diào)制 FM 采用頻率調(diào)制的目的是為了增加傳輸帶寬 得到大的調(diào)制制度增益 有利于地球站接收機(jī)獲得較高的載噪比 CNR 或給定CNR可以減少衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率 衛(wèi)星通信使用的數(shù)字調(diào)制方式 最基本的也是振幅鍵控 ASK 頻移鍵控 FSK 和相移鍵控 PSK 11 4 2模擬調(diào)制技術(shù) 一 頻率調(diào)制在模擬衛(wèi)星通信中 用調(diào)頻方式傳輸電話信號(hào) 常用的方法有兩種 一種是用一個(gè)載波傳輸多路電話信號(hào) 即頻分復(fù)用 調(diào)頻 FDM FM 方式 另一種是每載波傳輸一路電話信號(hào) 即每載波單路 調(diào)頻 SCPC FM 方式 為了求出FDM FM系統(tǒng)中的話路輸出信噪比 討論圖11 9所示的FM解調(diào)過(guò)程 圖11 9接收系統(tǒng)FM解調(diào)過(guò)程接收天線收到的FM信號(hào)與噪聲 經(jīng)低噪聲放大及下變頻后成為中頻 IF 的FM信號(hào)與噪聲 接收系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲 進(jìn)入中頻帶通濾波器 該濾波器帶寬 B 的選擇使調(diào)頻信號(hào)恰好順利通過(guò) 將帶外噪聲濾除 限幅器用來(lái)保持中頻載波包絡(luò)恒定 由微分器和包絡(luò)檢波器構(gòu)成的鑒頻器把恒包絡(luò)的中頻FM信號(hào)解調(diào)出基帶信號(hào) 低通濾波器的帶寬為全基帶信號(hào)的帶寬 以濾除高頻分量 使全基帶信號(hào)輸出 然后再經(jīng)多路分路設(shè)備將各話路信號(hào)送到各用戶 二 CSSB AM技術(shù)為了增加現(xiàn)有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的容量和改善信號(hào)傳輸質(zhì)量 其中一種重要技術(shù)是采用字節(jié)壓縮擴(kuò)展技術(shù) 這種技術(shù)既可用于FDM FM FDMA體制 也可用于壓擴(kuò)單邊帶調(diào)幅頻分多址 CSSB AM FDMA 壓擴(kuò)器 是由在衛(wèi)星通信發(fā)射端的 壓縮器 和接收端的 擴(kuò)展器 組成 話音信號(hào)從弱到強(qiáng) 包括的動(dòng)態(tài)范圍很寬 一個(gè)正規(guī)的電話系統(tǒng)應(yīng)盡可能地包括這一動(dòng)態(tài)范圍 在頻分復(fù)用調(diào)頻系統(tǒng)情況下 強(qiáng)話音信號(hào)將引起很大的頻譜偏移和擴(kuò)展 從而可能產(chǎn)生對(duì)相鄰話路的干擾 若要考慮到這種偶然情況 勢(shì)必將占用更多的帶寬 從而限制了轉(zhuǎn)發(fā)器的信道容量 對(duì)于弱話音信號(hào)來(lái)說(shuō) 傳輸噪聲可能和信號(hào)一般大 將影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量 壓縮器是一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?它壓縮話音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 并使電路對(duì)弱話音信號(hào)的增益高于強(qiáng)話音信號(hào)的增益 因此 在含有噪聲的信道中 提高了原來(lái)低電平話音信號(hào)的功率 從而使整個(gè)話路的信噪比得到改善 在接收端其工作過(guò)程相反 擴(kuò)展器對(duì)被壓縮器提高的信號(hào)功率進(jìn)行衰減 使它恢復(fù)到原來(lái)的信號(hào)電平 在話音間隙 擴(kuò)展器將減小話路中的噪聲 使話路信噪比得到進(jìn)一步改善 圖11 10壓擴(kuò)器的功能和壓擴(kuò)范圍如果一個(gè)36MHz帶寬的轉(zhuǎn)發(fā)器能容納一個(gè)攜帶1100條話路的FDM FM FDMA載波 則在采用壓擴(kuò)器后 可使36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器容納2100條話路 另外 如果在轉(zhuǎn)發(fā)器中可利用過(guò)頻偏傳輸 則該轉(zhuǎn)發(fā)器的容量還可進(jìn)一步增至2900條話路 以前比較多的地面站都使用頻率調(diào)制 它是用增加帶寬來(lái)?yè)Q取衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率的減小 而與此相反是使用振幅調(diào)制 AM 它則要求較大的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率 或較大的地面站 如果采用簡(jiǎn)單的單邊帶 SSB 調(diào)制 將載波抑制掉并濾除一個(gè)邊帶 把頻帶寬度限制在話路的最高調(diào)制頻率 一般4kHz 若相鄰話路間允許有1 1kHz的保護(hù)頻帶 則一個(gè)36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)能容納大約7000條話路 在國(guó)際業(yè)務(wù)方面 許多銅線海底電纜的話路頻帶限制在3kHz 如果衛(wèi)星通信也應(yīng)用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 則每36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器的容量便能達(dá)到大約8800條單向話路 11 4 3數(shù)字調(diào)制技術(shù) 一 對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求在數(shù)字衛(wèi)星通信中對(duì)所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)的一般要求是要有較高的功率利用率和頻帶利用率 通常一種調(diào)制技術(shù)不能同時(shí)達(dá)到最高的功率利用率和頻帶利用率 而需要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行折衷 在一般情況下 通信系統(tǒng)在功率受限或帶寬受限的情況下工作 在功率受限情況下應(yīng)采用功率利用率高的調(diào)制 而在頻帶受限情況下應(yīng)采用頻帶利用率高的調(diào)制 當(dāng)前 衛(wèi)星通信主要是工作在功率受限情況 所以數(shù)字調(diào)制技術(shù)的選擇主要是采用功率利用率高的調(diào)制 此外 由于衛(wèi)星通信信道的非線性而要求所采用的調(diào)制應(yīng)該是恒包絡(luò)調(diào)制 因此衛(wèi)星通信中主要采用的是功率利用率高的PSK調(diào)制的各種形式 二 幾種常用的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制 一 經(jīng)典恒包絡(luò)調(diào)制二進(jìn)制相移鍵控 BPSK 正交相移鍵控 QPSK 和交錯(cuò)正交相移鍵控 OQPSK 是經(jīng)典恒包絡(luò)調(diào)制方式也是當(dāng)前衛(wèi)星通信中常用的調(diào)制方式 1 調(diào)制器原理圖11 12為一般化正交調(diào)制器原理框圖 它適用于上述三種調(diào)制 其差別在于基帶產(chǎn)生器 對(duì)于BPSK 無(wú)需基帶產(chǎn)生器且只用調(diào)制器的上半部分 對(duì)于QPSK 基帶產(chǎn)生器為串 并轉(zhuǎn)換器 對(duì)于OQPSK 基帶產(chǎn)生器除串 并轉(zhuǎn)換外 隨后的Q信道還有T 2 T為傳輸符號(hào)周期 的延遲 2 解調(diào)器原理圖11 13為一般化正交解調(diào)器 相干解調(diào) 的原理框圖 它適用于上述三種調(diào)制 其差別就在于檢測(cè)器和組合器 對(duì)于BPSK 無(wú)需下面的一半和組合器 QPSK和OQPSK的檢測(cè)器為積分清除電路 但對(duì)OQPSK I信道的檢測(cè)器后是否需要T 2的延遲 就在于檢測(cè)器和組合器 對(duì)于BPSK 無(wú)需下面的一半和組合器 QPSK和OQPSK的檢測(cè)器為積分清除電路 但對(duì)OQPSK I信道的檢測(cè)器后需要T 2的延遲 4 差分調(diào)制在相干解調(diào)中需將輸入信號(hào)通過(guò)非線性電路來(lái)恢復(fù)載頻 這就使恢復(fù)后載頻出現(xiàn)相位模糊 從而使解調(diào)器出現(xiàn)誤碼 解決此問題的方法之一就是采用差分調(diào)制 差分調(diào)制的基本方法是 在發(fā)射機(jī)插入差分編碼器 使相鄰傳輸符號(hào)的相位差代表調(diào)制器的輸入信息 這樣解調(diào)這種相位差就不受載波相位模糊的影響 在實(shí)際應(yīng)用中 有兩種差分調(diào)制信號(hào)的解調(diào)方法 一種是具有載波恢復(fù)的解調(diào)器 相干檢測(cè)差分譯碼 另一種是無(wú)載波恢復(fù)的解調(diào)器 差分相位檢測(cè) 前者是相干檢測(cè)后的數(shù)字序列再通過(guò)差分譯碼器變換成原始數(shù)字序列 而后者是用接收的前一個(gè)符號(hào)周期的已調(diào)信號(hào)作參考 直接對(duì)相鄰符號(hào)間的相位差進(jìn)行檢測(cè)恢復(fù)原始數(shù)字序列 對(duì)于第一種解調(diào)方式 由于對(duì)解調(diào)后的數(shù)字序列又進(jìn)行差分譯碼 所以使誤碼率加倍 而對(duì)第二種解調(diào)方式 為達(dá)到與相干解調(diào)相同的誤碼率需要較高的輸入信噪比 但解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 二 多進(jìn)制相移健控 MPSK 多進(jìn)制相移鍵控 MPSK 是頻帶利用率高的調(diào)制 其頻帶利用率理論上可達(dá) 其中 M為進(jìn)制 但功率利用率低于QPSK 當(dāng)M 8時(shí) 比QPSK約劣低5dB 對(duì)于大的M值 大約M每增加一倍 為保持相同的符號(hào)錯(cuò)誤率 輸入信噪比大約需要增加6dB MP SK信號(hào)可用正交調(diào)制器產(chǎn)生 不過(guò)要將圖12 23中的基帶產(chǎn)生器變成串 并轉(zhuǎn)換器后接二進(jìn)電平到多電平的轉(zhuǎn)換 解調(diào)器也可用正交解調(diào)器 其中檢測(cè)器為積分清除電路 或低通濾波 后面為多電平判決以及多電平到二進(jìn)電平的轉(zhuǎn)換 三 最小頻移鍵控 MSK 最小頻移健控 MSK 可看成移頻寬度為或調(diào)制指數(shù)為h 0 5的連續(xù)相位頻移健控 CPFSK MSK可用正交方式產(chǎn)生 四 幾種調(diào)制系統(tǒng)性能的比較通過(guò)分析可知 BPSK QPSK OQPSK和MSK有相同的功率利用率 PBSK頻帶利用率和抗非線性能力最差 MSK有較好的抗非線性能力和適中的帶寬利用率 QPSK和OQPSK有最好的帶寬利用率和適中的抗非線性能力 從實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度看 BPSK最簡(jiǎn)單 QPSK復(fù)雜度適中 OQPSK實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜 而MSK實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜 在當(dāng)前衛(wèi)星通信功率和帶寬受限情況下 QPSK是主要調(diào)制方式之一 11 5衛(wèi)星通信的多址聯(lián)接及信道分配技術(shù) 11 5 2多址聯(lián)接的基本概念多址聯(lián)接是指多個(gè)地球站通過(guò)共同的衛(wèi)星 同時(shí)建立各自的信道 從而實(shí)現(xiàn)各地球站相互之間通信的一種方式 多址方式的出現(xiàn)大大提高了衛(wèi)星通信線路的利用率和通信聯(lián)接的靈活性 實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接技術(shù)的基礎(chǔ)是信號(hào)分割 也即在發(fā)端要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男盘?hào)設(shè)計(jì) 使系統(tǒng)中各地球站所發(fā)射的信號(hào)各有差別 而各地球站接收端則具有信號(hào)識(shí)別能力 能從復(fù)合的信號(hào)中取出本站所需要的信號(hào) 如圖11 20所示 多址聯(lián)接方式和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)是多種多樣的 目前常用的多址方式有FDMA TDMA CDMA和SDMA以及它們的組合形式 1 頻分多址 FDMA 這是把衛(wèi)星占用的頻帶按頻率高低劃分給各地面站的一種多址聯(lián)接方式 各地球站就在被分配的頻帶內(nèi)發(fā)射各自的信號(hào) 而在接收端 則利用帶通濾波器從接收信號(hào)中只取出與本站有關(guān)的信號(hào) 2 時(shí)分多址 TDMA 這是一種按規(guī)定時(shí)隙分配給各地球站的多址通信方式 在這種多址方式中 共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的各地球站使用同一頻率載波 在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)斷續(xù)地發(fā)射本站信號(hào) 在接收端 根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)間位置或包含在信號(hào)中的站址識(shí)別信號(hào)識(shí)別發(fā)射地球站 并取出與本站有關(guān)的時(shí)隙內(nèi)的信號(hào) 3 碼分多址 CDMA 在這種多址方式中 分別給各地球站分配一個(gè)特殊的地址編碼 以擴(kuò)展頻譜帶寬 使網(wǎng)內(nèi)的各地球站可以同時(shí)占用轉(zhuǎn)發(fā)器的全部頻帶發(fā)送信號(hào) 而沒有發(fā)射時(shí)間和頻率的限制 可以互相重疊 在接收端 只能用與發(fā)射信號(hào)相匹配的接收機(jī)才能檢出與發(fā)射地址碼相符合的信號(hào) 4 空分多址 SDMA 空分多址是在衛(wèi)星上裝有多副窄波束天線 把這些指向不同區(qū)域的天線波束分配給各對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的地球站 通信衛(wèi)星上的路徑選擇功能向各自的目的地發(fā)射信號(hào) 由各波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的地球站所發(fā)出的信號(hào)在空間上互不重疊 即使各地球站在同一時(shí)間使用相同的頻率工作 也不會(huì)相互干擾 因而起到了頻率再用的目的 11 5 3多址方式的信道分配技術(shù)衛(wèi)星通信中 和多址聯(lián)接方式密切相關(guān)的還有一個(gè)信道分配問題 多址分配制度是衛(wèi)星通信體制的一個(gè)重要組成部分 它與基帶復(fù)用方式 調(diào)制方式 多址聯(lián)接方式互相結(jié)合 共同決定轉(zhuǎn)發(fā)器和各地球站的信道配置 信道工作效率 線路組成及整個(gè)系統(tǒng)的通信容量 以及對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備復(fù)雜程度等 在信道分配技術(shù)中 信道 一詞的含義 在FDMA中 是指各地球站占用的轉(zhuǎn)發(fā)器頻段 在TDMA中 是指各站占用的時(shí)隙 在CDMA中 是指各站使用的正交碼組 目前 最常用的分配制度有預(yù)分配方式和按需分配方式兩種 一 預(yù)分配方式1 固定預(yù)分配方式 PAMA或PA 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 把信道按頻率 按時(shí)隙或按其他無(wú)線電信號(hào)參量分配給各地球站 每個(gè)站分到的數(shù)量可以不相等 而以該站與其他站的通信業(yè)務(wù)量多少來(lái)決定 分配后使用中信道的歸屬一直固定不變 即各地球站只能使用自己的信道 不論業(yè)務(wù)量大小 線路忙 閑 都不能占用其他站的信道或借出自己的信道 這種信道分配方式就是固定預(yù)分配方式 這種預(yù)分配方式的優(yōu)點(diǎn)是通信線路的建立和控制非常簡(jiǎn)便 缺點(diǎn)是信道的利用率低 所以這種分配方式只適用于通信業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng) 2 按時(shí)預(yù)分配 TPA 方式按時(shí)預(yù)分配方式是先要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各地球站間的業(yè)務(wù)量隨 時(shí)差 或隨其他因素在一天內(nèi)的變動(dòng)規(guī)律進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì) 然后根據(jù)網(wǎng)中各站業(yè)務(wù)量的重大變化規(guī)律 可預(yù)先約定作幾次站間信道重分 這種方式的信道利用率顯然要比固定預(yù)分配方式要高 但從每個(gè)時(shí)刻來(lái)看 這種方式也是屬于固定預(yù)分配的 所以它也適用于大容量線路 并且在國(guó)際通信網(wǎng)中較多采用 二 按需分配 DAMA 方式為了克服預(yù)分配方式的缺點(diǎn) 而提出了按需分配方式 也叫做按申請(qǐng)分配方式 按需分配方式的特點(diǎn)是所有的信道為系統(tǒng)中所有的地球站公用 信道的分配要根據(jù)當(dāng)時(shí)的各站通信業(yè)務(wù)量而臨時(shí)安排 信道的分配靈活 顯然 這種信道分配方式的優(yōu)點(diǎn)是信道的利用率大大提高 但缺點(diǎn)是通信線路的控制變得復(fù)雜了 通常都要在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上單獨(dú)規(guī)定一個(gè)信道作為專用的公用通信信道 以便各地球站進(jìn)行申請(qǐng) 分配信道時(shí)使用 常用的按需分配方式有以下幾種類型 1 全可變方式發(fā)射信道與接收信道都可以隨時(shí)地進(jìn)行申請(qǐng)和分配 可選取衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的全部可用的信道 信道使用結(jié)束后 立即歸還 以供其他各地球站申請(qǐng)使用 2 分群全可變方式這種方式是把系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)聯(lián)系比較密切的地球站分成若干群 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信道也相應(yīng)分成若干群 各群內(nèi)的信道可采用全可變方式 但不能轉(zhuǎn)讓給別的群 3 隨機(jī)分配方式隨機(jī)分配方式是指網(wǎng)中各站隨機(jī)地占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信道的一種多址方式 11 6航空移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù) AMSS 航空移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù) AMSS 為航空移動(dòng)用戶的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù) 目前可利用的衛(wèi)星資源有限 已經(jīng)開展業(yè)務(wù)的只有國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織 即原國(guó)際海事衛(wèi)星組織INMARSAT 的洋區(qū)靜地衛(wèi)星 飛機(jī)與衛(wèi)星之間通信采用L頻段 航空地面地球站和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站與衛(wèi)星之間通信可采用C INMARSAT 或Ku MTSAT 頻段 跟蹤遙控站與衛(wèi)星之間通信可采用C Ku或Ka頻段 功用 航空移動(dòng)通信業(yè)務(wù)提供全球范圍內(nèi)的 包括雙向話音通信 傳真 FAS 和數(shù)據(jù)通信服務(wù) 目前 AMSS通信業(yè)務(wù)主要用于向機(jī)組人員 旅客提供衛(wèi)星電話 傳真 向航空公司提供用于航空運(yùn)營(yíng)管理 AOC 的數(shù)據(jù)鏈通信 工作頻率 飛機(jī)與衛(wèi)星通信使用L頻段 下行1545 1555MHz 上行1646 5 1656 5MHz頻段 在AMSS的信息傳輸過(guò)程中是按優(yōu)先級(jí)的高低秩序傳播的 詳見表11 1 11 6 2AMSS設(shè)備簡(jiǎn)介 一 系統(tǒng)組成概述AMSS系統(tǒng)的主要組成部分是 空間段 主要是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 機(jī)載地球站 AES 地面地球站 GES 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站 NCS AMSS現(xiàn)在是利用靜止衛(wèi)星進(jìn)行通信 原則上只要用赤道上空均勻配置的三至四顆靜止衛(wèi)星即可覆蓋全球 南北極附近除外 衛(wèi)星上與通信有關(guān)的部分主要是天線和轉(zhuǎn)發(fā)器 后者接收地球站發(fā)來(lái)的信號(hào) 加以放大 變頻后轉(zhuǎn)發(fā)回地球 目前航空移動(dòng)衛(wèi)星通信均采用靜止衛(wèi)星 每顆衛(wèi)星可覆蓋經(jīng)度140 左右 緯度南 北各85 左右 只有南 北極區(qū)85 以上的地方達(dá)不到覆蓋 在空間段方面 國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織 INMARSAT 能提供全球范圍的海 陸 空移動(dòng)通信服務(wù) 其第2代衛(wèi)星和第3代衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)4洋區(qū) 大西洋西區(qū) 大西洋東區(qū) 太平洋區(qū)和印度洋區(qū) 覆蓋 目前其主用衛(wèi)星是第3代衛(wèi)星 不但有全球波束 還有點(diǎn)波束 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 AMSS衛(wèi)星需要兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)器 一個(gè)正向轉(zhuǎn)發(fā)器 接收GES發(fā)來(lái)的 C或Ku 頻段信號(hào) 變?yōu)長(zhǎng)頻段信號(hào) 轉(zhuǎn)發(fā)至AES 另一個(gè)是反向轉(zhuǎn)發(fā)器 接收AES發(fā)來(lái)的L頻段信號(hào) 變?yōu)镃 或Ku 頻段信號(hào) 轉(zhuǎn)發(fā)至GES 如圖11 22所示 C或KU波段全球波束接收天線 L波段全球波束發(fā)射天線 L波段全球波束發(fā)射天線 C或KU波段全球波束接收天線 圖11 22表明 正向轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)中的下變頻器將C 或Ku 頻段信號(hào)變?yōu)長(zhǎng)頻段信號(hào) 帶通濾波器決定了轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬 信號(hào)通過(guò)高功放 例如用L頻段行波管放大 其飽和輸出功率約80瓦 最后用較大的L頻段發(fā)送天線將信號(hào)發(fā)送到飛機(jī) 反向轉(zhuǎn)發(fā)器與正向轉(zhuǎn)發(fā)器類似 收到的L頻段信號(hào)在接收機(jī)中經(jīng)上變頻器變?yōu)镃 或Ku 頻段信號(hào) 高功放飽和輸出功率只需約20瓦就夠了 因?yàn)镚ES可以用較大的天線接收 二 GESGES提供空間段與地面固定話音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 例如CIDIN 公用電話交換網(wǎng) 專用網(wǎng) 之間的接口 每一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)內(nèi)至少有一個(gè)GES 也可能有幾個(gè) 在多個(gè)GES中 可能指定一個(gè)GES協(xié)調(diào)全網(wǎng)工作 稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站 NCS GES由天線 C 或Ku 頻段收 發(fā)信機(jī) L頻段收 發(fā)信機(jī)及網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備組成 對(duì)于NCS 則還要附加網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)管理設(shè)備 圖3為GES原理框圖 1 天線對(duì)于C頻段 GES天線直徑一般在9 13米 從GES發(fā)往衛(wèi)星用6GHz 從衛(wèi)星發(fā)至GES用4GHz 對(duì)于Ku頻段 12 14GHz 天線直徑可以小些 但降雨衰耗較嚴(yán)重 要留較多的降雨儲(chǔ)備量 在同一GES內(nèi) 每一顆衛(wèi)星 至少有一副天線 波束寬度約為0 5 以保證每副天線只照射一顆衛(wèi)星 天線尺寸和所用頻段將影響GES場(chǎng)地選擇 對(duì)于工作在C頻段的GES 通常建在遠(yuǎn)離干擾嚴(yán)重的市區(qū)的遠(yuǎn)郊區(qū) 但又要保證電源 水源供應(yīng)及交通方便 且地面通信網(wǎng)能方便地連接 對(duì)于Ku頻段 干擾問題不大 GES可建在近郊區(qū)甚至城內(nèi) 當(dāng)然 要保證能無(wú)遮擋地 看見 所用衛(wèi)星 為保證工作可靠 每顆衛(wèi)星應(yīng)有不只一個(gè)GES 彼此可代用 最好有一個(gè)備份GES經(jīng)常指向備用衛(wèi)星 若工作衛(wèi)星發(fā)生故障 可以立即轉(zhuǎn)至備用GES和備用衛(wèi)星 否則 若GES的大型天線要重新指向備用衛(wèi)星一般要3 5分鐘 2 C 或Ku 頻段收 發(fā)信機(jī)GES接收從衛(wèi)星發(fā)來(lái)的4 或12 GHz信號(hào) 總共可能有幾十個(gè)信道 先由低噪聲放大器 LNA 放大 放大后的信號(hào)通過(guò)下變頻器變?yōu)榧s70MHz的中頻信號(hào) GES的發(fā)射機(jī)則將70MHz中頻信號(hào)放大后經(jīng)上變頻器變?yōu)? 或14 GHz射頻信號(hào) 再經(jīng)HPA放大后送至天線 射頻設(shè)備通常安裝在離天線很近的機(jī)房?jī)?nèi) 再用同軸電纜將中頻信號(hào)接至放置網(wǎng)絡(luò)管理處理設(shè)備 NCP 的主樓內(nèi) 3 L頻段收發(fā)信機(jī)L頻段天線直徑只要約3米就夠了 有時(shí)與大得多的C頻段天線共用 只消利用后者的一部分反射面 但要對(duì)饋源進(jìn)行改造 4 網(wǎng)絡(luò)管理處理 NCP 設(shè)備NCP設(shè)備由各信道的Modem和一個(gè) 存取控制器 組成 對(duì)于每個(gè)同時(shí)發(fā)射和接收的頻率 各有一個(gè)信道單元 信道單元的接收部分將信號(hào)解調(diào)和譯碼 發(fā)送部分則完成相反的功能 5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站 NCS 每一個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)可以設(shè)一個(gè)NCS NCS與各GES接口 目的是管理衛(wèi)星資源的分配 亦即衛(wèi)星功率和通信信道在各GES間的分配 三 機(jī)載航空地球站 AES AES是裝在飛機(jī)上的機(jī)載航空地球站 主要由天線 衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元 SDU 射頻單元 RFU 高功率放大器 HPA 等組成 ACU 天線控制單元 BSU 波束控制單元 LNA DIP 低噪聲放大器 雙工器 HGA 高增益天線 HPA 高功率放大器 RFU 射頻單元 SDU 衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元 衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元 SDU 決定空中信號(hào)的參數(shù) 射頻單元 RFU 由低功率放大器 濾波器 變頻器等有關(guān)部分組成 它可分為發(fā)送部分和接收部分 發(fā)送部分將SDU送來(lái)的基帶或中頻信號(hào)變換成L頻段的射頻 接收部分則將天線收到并經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大的L頻段信號(hào)變?yōu)榛鶐Щ蛑蓄l信號(hào)送給SDU處理 高功率放大器 HPA 將RFU輸出信號(hào)放大到足夠電平送至天線 可以用A類也可以用C類放大 A類放大器比較大 重 效率低于C類放大器 其優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)發(fā)送不只一個(gè)載波 AES的天線類型有幾種 有頂裝小型可控型 裝在天線罩內(nèi) 有頂裝相控陣天線 還有裝在兩側(cè)與機(jī)身共形的相控陣天線等 天線增益有三種 一種是0dBi 稱低增益天線 一種是6dBi 稱中增益天線 另一種是12dBi 稱高增益天線 11 6 4機(jī)載移動(dòng)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前在民航飛機(jī)上使用的移動(dòng)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是MCS 3000和MCS 6000兩種 它們分別安裝波音757和767飛機(jī)上 MCS 3000為雙體式結(jié)構(gòu) 由衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件和高功率放大器組成 具有兩個(gè)話音通道和一個(gè)數(shù)據(jù)通信信道 MCS 6000為三體式結(jié)構(gòu) 由衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件 射頻組件和高功率放大器組成 它有五個(gè)話音通道和一個(gè)數(shù)據(jù)通信信道 MCS 6000比MCS 3000有了更多的通信信道 因此 通信的信息容量更大 一 移動(dòng)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成移動(dòng)式衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要是由四部分組成 它們分別是機(jī)載地球站 地面地球站 衛(wèi)星空間網(wǎng)絡(luò) 地面話音 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 地面地球站可在地面上任何地區(qū)安裝 它可以為用戶提供國(guó)內(nèi)國(guó)際話音數(shù)據(jù)通信所需的各種信道 目前在全球范圍內(nèi)安裝并使用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由國(guó)際海事衛(wèi)星組織于1982年建立的 該網(wǎng)絡(luò)由四顆在地球同步軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星組成 其中三顆實(shí)現(xiàn)全球覆蓋 第四顆則作為備用衛(wèi)星 機(jī)載地球站可以接收來(lái)自各信號(hào)源的數(shù)字話音信號(hào) 在適當(dāng)?shù)纳漕l載波頻率上編碼調(diào)制 并通過(guò)空城中的衛(wèi)星將載波送到地面地球站 它可以以衛(wèi)星做中繼 接收地面地球站送來(lái)的射頻信號(hào) 并對(duì)其解調(diào)解碼 輸出數(shù)據(jù)話音信號(hào)供正副駕駛員和乘客使用 空域衛(wèi)星相當(dāng)于一個(gè)通信轉(zhuǎn)發(fā)器 它和機(jī)載地球站之間采用L波段通信 與地面地球站之間采用C波段通信 在這兩個(gè)波段上的射頻信號(hào)不僅具有穿透電離層的能力 而且在其傳輸過(guò)程中 大氣衰耗很小 二 移動(dòng)式衛(wèi)星通信的多址技術(shù)衛(wèi)星通信有別于其它通信方式 其最突出的特點(diǎn)既它具有多址鏈接能力 既多個(gè)不同地區(qū)的地球站共同使用一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻信道 進(jìn)行雙邊或多邊通信 在衛(wèi)星通信中采用了時(shí)分復(fù)用和時(shí)分多址的數(shù)據(jù)通信方式 時(shí)分復(fù)用方式在地面地球站通過(guò)衛(wèi)星向機(jī)載地球站發(fā)送信號(hào)時(shí)使用 時(shí)分多址方式分配給每個(gè)地球站的是一特定的時(shí)隙 根據(jù)信息長(zhǎng)度的不同 每個(gè)地球站的時(shí)隙長(zhǎng)度也不一樣 對(duì)于不同時(shí)隙進(jìn)入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)則按時(shí)間順序縮緊但不重疊的排列 覆蓋在衛(wèi)星區(qū)域中的每個(gè)地面地球站都可以接收到由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的全部射頻信號(hào) 然后在地面網(wǎng)絡(luò)中心的監(jiān)控下 選出某一時(shí)隙上自己所需的信號(hào) 網(wǎng)絡(luò)中心控制著在某一時(shí)隙上分配通信信道給某個(gè)地面地球站使用 或在某個(gè)時(shí)隙上收回通信信道 分配給另一個(gè)地面地球站使用 采用TDM TDMA通信方式后 解決了各站的射頻信號(hào)如何共用同一衛(wèi)星的射頻信道 且互不干擾 同時(shí)又能被相應(yīng)地球站所接收的問題 此外 在衛(wèi)星通信中還采用單載波單信道方式進(jìn)行話音通信 既每個(gè)載波僅傳送一路話音信號(hào) 并利用話音信號(hào)控制信道載波的輸出 由于載波的出現(xiàn)是隨機(jī)的 所以衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中同時(shí)存在的有效載波數(shù)減小 相應(yīng)的交調(diào)干擾也減小 衛(wèi)星的利用率提高 三 數(shù)據(jù)處理組件工作原理移動(dòng)式衛(wèi)星通信機(jī)載設(shè)備由三個(gè)LRU 航路可更換 組件構(gòu)成 分別是 衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件 射頻組件和高功率放大器 衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件是衛(wèi)星通信機(jī)載設(shè)備的核心 它有三個(gè)可同時(shí)全雙工操作的信道 還有一定的射頻電路 在不設(shè)置射頻組件時(shí)仍可運(yùn)行機(jī)載地球站 這些信道可進(jìn)行客艙的數(shù)據(jù)和話音通信以及駕駛艙的話音通信 在衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件內(nèi)部有兩個(gè)可進(jìn)行話音數(shù)據(jù)服務(wù)所需的話音編碼解碼器 三個(gè)調(diào)制解碼器 可將已調(diào)制的基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)波段信號(hào)的射頻發(fā)送 接收的電路 所有衛(wèi)星信號(hào) 包括話音電路在內(nèi)都使用數(shù)字式編碼和調(diào)制 主處理器組件 MPU 是衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件的核心系統(tǒng)控制器 除管理所有的控制功能外 還管理由輸入輸出組件到主處理器的ARINC429總線和離散接口 在MPU中 有可以進(jìn)行軟件存儲(chǔ)和更新的一組存儲(chǔ)器 特別設(shè)有128K的EEPROM做為維護(hù)存儲(chǔ)元件 可以記錄內(nèi)部測(cè)試期間和飛機(jī)飛行中系統(tǒng)出現(xiàn)的所有故障 輸入輸出組件在MPU和其它機(jī)載外設(shè)之間提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口 由ARINC429總線送來(lái)的信息是由慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的ARINC429數(shù)據(jù) 這些數(shù)據(jù)用來(lái)確定天線方位 穩(wěn)定度及進(jìn)行多普勒頻率校正 話音編碼解碼器的核心是數(shù)字信號(hào)處理器 它利用信道濾波器送來(lái)的2 048MHZ做基準(zhǔn)頻率 它既可以接收來(lái)自客艙電話和駕駛艙耳機(jī)的模擬音頻信號(hào) 也可以接收來(lái)自射頻組件的PCM數(shù)字音頻信號(hào) 駕駛艙音頻和客艙音頻的輸入輸出方式不同 前者經(jīng)過(guò)一個(gè)有高性能濾波功能的緩沖放大器 輸出則送到音頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò) 后者則是將兩個(gè)模擬音頻送到有放大和抑制噪聲功能的差動(dòng)放大器里 音頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)決定了選擇客艙音頻信號(hào)還是駕駛艙音頻信號(hào) 衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件的三個(gè)信道上各設(shè)有一個(gè)調(diào)制解調(diào)器 它們的功能相同 由于調(diào)制解調(diào)器并不對(duì)某一指定的話音調(diào)制解調(diào) 所以即使某一個(gè)調(diào)制解調(diào)器失效 信號(hào)處理仍可在其它有效的調(diào)制解調(diào)器里實(shí)現(xiàn) 在這里所采用的調(diào)制方式為QPSK方式 它是四相移相鍵控方式 與二相鍵控方式比較 信息速率提高了一倍 但它具有設(shè)備復(fù)雜誤碼率高的缺點(diǎn) 調(diào)制器送出9 765NHZ數(shù)字方式中頻信號(hào)在濾波器上轉(zhuǎn)換成模擬中頻送給射頻電路 射頻電路將接收來(lái)的5 355MHZ模擬中頻送入信道濾波器 經(jīng)D A轉(zhuǎn)換成數(shù)字式中頻信號(hào)后送入調(diào)制器 在射頻電路中 由中頻信號(hào)到RF信號(hào)的轉(zhuǎn)換要經(jīng)過(guò)兩次變頻 先是中頻信號(hào)上變頻到VHF頻率 這在VHF上變頻器中完成 其次 VHF頻率再上頻率到L波段 這在L波段上變頻器中完成 變頻后得到的L波段信號(hào)由天線發(fā)送 對(duì)于接收過(guò)程則與發(fā)送過(guò)程相反 高功率放大器接收射頻組件送來(lái)的L波段射頻信號(hào) 對(duì)它作線性功率放大 已達(dá)到向衛(wèi)星發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn) 在三體式構(gòu)造中設(shè)置的射頻組件為系統(tǒng)提供三個(gè)附加信道 但射頻組件的信道不能傳送模擬話音信號(hào) 它只能通過(guò)客艙電信組件通話 四 天線系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以在全球范圍內(nèi)工作很大程度上依賴于天線的系統(tǒng) 為了保證高質(zhì)量高速率的話音數(shù)據(jù) 天線子系統(tǒng)必須在 25的俯仰和滾轉(zhuǎn)條件下始終與半球區(qū)域上的某顆衛(wèi)星保持連系 飛機(jī)的天線是固定的 飛行過(guò)程中 利用波束調(diào)節(jié)組件控制天線波束 使主瓣始終朝向衛(wèi)星方向 波束調(diào)節(jié)組件是將衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件中的跟蹤指點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到需選擇的天線陣元素的信號(hào)中 此調(diào)控方式為開環(huán)控制 因此衛(wèi)星數(shù)據(jù)組件對(duì)輸入的航向信息精確度要求高 天線子系統(tǒng)中設(shè)有低噪聲放大器 可提供一定的功率增益 所以由天線接收來(lái)的RF信號(hào)無(wú)需經(jīng)過(guò)高功率放大器即可直接送入射頻組件或射頻電路中 11 7ARINC通信尋址報(bào)告系統(tǒng) ACARS 概述 11 7 1ACARS通信系統(tǒng)的功能ACARS系統(tǒng)是一個(gè)可尋址的空 地?cái)?shù)字式