第三章衛(wèi)星通信系統(tǒng)33

1、第三章第三章 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)23.1 衛(wèi)星通信基本概念衛(wèi)星通信基本概念3.2 通信衛(wèi)星與地球站通信衛(wèi)星與地球站3.3 衛(wèi)星通信體制衛(wèi)星通信體制3.4 衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)3.5 軍事通信衛(wèi)星網(wǎng)軍事通信衛(wèi)星網(wǎng)本章內(nèi)容 所謂的通信體制，指的就是通信系統(tǒng)所采用的信號傳輸方式和信號交換方式，也就是根據(jù)信道條件及通信要求在系統(tǒng)中采用的是什么樣的信號形式（時間波形與頻譜結(jié)構(gòu)）以及怎樣進(jìn)行傳輸（包括各種處理和變換）、用什么方式進(jìn)行交換等。3.3 衛(wèi)星通信體制 衛(wèi)星通信由于具有廣播和大面積覆蓋的特點(diǎn)，因此特別適用于多個站之間的同時通信，即多址通信。多址通信是指衛(wèi)星天線波束覆蓋區(qū)內(nèi)的任

2、何地球站可以通過共同的衛(wèi)星進(jìn)行雙邊或多邊通信聯(lián)接常稱之為“多址連接”。此外，衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)中繼通信的，因此如何充分利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率和頻帶，是衛(wèi)星通信一個重要的問題，這個問題還涉及到衛(wèi)星通道的分配方式。衛(wèi)星通信體制的內(nèi)容：3.3 衛(wèi)星通信體制基帶信號形式基帶信號形式 基帶信號有哪些方式？是模擬制還是數(shù)字制？采用何種信源編碼？基帶信號是單路傳輸?shù)倪€是多路傳輸?shù)模坎捎煤畏N多路復(fù)用方式，是頻分多路復(fù)用的還是采用時分多路復(fù)用的？基帶信號需經(jīng)過何種重要的加工處理等等。3.3 衛(wèi)星通信體制采用的調(diào)制制度采用的調(diào)制制度 采用何種調(diào)制制度，是調(diào)頻、移相鍵控、還是其它的調(diào)制制度。3.3 衛(wèi)星通信體制

3、采用的多址聯(lián)接方式采用的多址聯(lián)接方式 各地球站采用怎樣的方式建立相互連接，是采用頻分多址、時分多址、空分多址、碼分多址，還是其他多址聯(lián)接方式。3.3 衛(wèi)星通信體制采用的通道分配與交換制度采用的通道分配與交換制度 通道的占用是怎樣分配的，是預(yù)分配，還是按申請分配，或是隨機(jī)占用。根據(jù)申請而選定通道，這意味著具有一種交換功能，因而還要確定采用怎樣的申請方式。星上是否采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)器上有無交換裝置，采用怎樣的星上交換制度？3.3 衛(wèi)星通信體制 例如，目前國際衛(wèi)星通信中傳輸多路電話用得最多的一種體制是：模擬制/頻分復(fù)用/調(diào)頻/頻分多址/預(yù)分配；發(fā)展最快的一種體制是：數(shù)字制/時分多路復(fù)用/數(shù)字調(diào)相/

4、頻分多址/預(yù)分配。3.3 衛(wèi)星通信體制101.基帶信號和糾錯方式基帶信號和糾錯方式 （1）基帶信號形式可以是模擬制也可以是數(shù)字制的。模擬信號在數(shù)字制衛(wèi)星通信系統(tǒng)中傳輸，要先進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法有脈碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（DM）。 3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述11 （2）基帶信號可以單路傳輸，也可以多路復(fù)用后傳輸，傳輸方式：FDM、TDM。多路復(fù)用方式是在終端設(shè)備上進(jìn)行信號分割的技術(shù)，達(dá)到一個站同時傳送多路信號的目的。 （3）基帶信號通常還要進(jìn)行某種加工和處理，例如預(yù)加重、加密、差錯控制編碼、數(shù)字話音內(nèi)插、 擴(kuò)頻編碼等。3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述122

5、. 調(diào)制方式調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制制度逐步應(yīng)用于衛(wèi)星通信。 3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述 衛(wèi)星通信的一個基本特點(diǎn)是，能進(jìn)行多址通信，系統(tǒng)中的各地球站均向衛(wèi)星發(fā)送信號，衛(wèi)星將這些信號混合并作必要的處理與交換，然后向地球某一區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)。那么，用怎樣信號傳輸方式，才能使接收站從這些信號中識別出發(fā)給本站的信號并知道發(fā)自何站呢？又怎樣使混合的各站信號的干擾盡量小呢？3.多址聯(lián)接方式多址聯(lián)接方式3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述14 多址聯(lián)接是指在衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)，各地球站通過共同的衛(wèi)星，同時分別建立相互之間的通信線路而實(shí)現(xiàn)的多邊通信。 實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接的關(guān)鍵是各地球站所發(fā)信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器混合與轉(zhuǎn)發(fā)后應(yīng)能為相應(yīng)的對方站識別

6、，同時，各站信號之間的干擾要盡量小。3.多址聯(lián)接方式多址聯(lián)接方式3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述15 在多址連接在多址連接方式下衛(wèi)星通信方式下衛(wèi)星通信能同時實(shí)現(xiàn)多方能同時實(shí)現(xiàn)多方向多個地面站之向多個地面站之間的相互聯(lián)系。間的相互聯(lián)系。對于多址連接方對于多址連接方式來說，最關(guān)鍵式來說，最關(guān)鍵的是每個地球站的是每個地球站都能迅速準(zhǔn)確從都能迅速準(zhǔn)確從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的總信號中分出發(fā)總信號中分出發(fā)給自己的信號。給自己的信號。 16 實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接的技術(shù)基礎(chǔ)是信號分割，只要信號之間在某一參量上有差別，就可以把這些信號分割開。 在衛(wèi)星通信中的信號分割和識別是以載波頻率出現(xiàn)的時間或空間位置為參量實(shí)現(xiàn)的。

7、有：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）。3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述3.多址聯(lián)接方式多址聯(lián)接方式174.信道分配與交換制度信道分配與交換制度 對衛(wèi)星信道占用需要確定一定的制度，有： 預(yù)分配、按需分配、隨機(jī)占用。 主要討論衛(wèi)星通信比較獨(dú)特的多址聯(lián)接方式及信道分配制度。3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述隨機(jī)分配(RA)動態(tài)分配(DYA)分群全可變方式(G-VT-VR)收端固定發(fā)端可變的方式(FR-VT)發(fā)端固定收端可變的方式(FT-VR)固定預(yù)分配方式 (FPA)按時預(yù)分配方式 (TPA)1、預(yù)分配制(PA)2、按申請分配制(DA)全可變方式(VT-V

8、R)3、其他分配制度分配制度分類：分配制度分類：預(yù)分配（預(yù)分配（PAPA）（1 1）固定預(yù)分配方式（）固定預(yù)分配方式（FPAFPA） 這種分配方式是，按事先規(guī)定，半永久性地分配給每個地球站固定數(shù)目的載波，各地球站只能用分給它的這些特定頻率與有關(guān)地球站通信，而其他站不能占用這些頻率。4.信道分配與交換制度信道分配與交換制度(i1)固定預(yù)分配方式（固定預(yù)分配方式（FPA）(12) (13)(1k)(21)(2k)(ik)(k1)(kk-1)1#站2#站3#站i#站k#站1#站2#站3#站i#站k#站（2 2）按時預(yù)分配方式）按時預(yù)分配方式(TPA)(TPA) 事先知道各地球站間業(yè)務(wù)量隨“時差”及其

9、它因素作周期性變動時，可約定一天內(nèi)通道分配作幾次固定的調(diào)整。這種方式稱為按時預(yù)分配方式。顯然其通道利用率比固定時要高，但從每一時刻看，它仍然是固定分配的。這種方式只適用于大容量線路，而且多用于國際通信場合。4.信道分配與交換制度信道分配與交換制度按申請分配（按申請分配（DADA） 固定分配的主要矛盾是業(yè)務(wù)量隨機(jī)變化而通道的分配卻是固定的，兩者難以達(dá)到很好的匹配。對于業(yè)務(wù)量較小且地球站較多的衛(wèi)星通信網(wǎng)，最好采用分配可變的制度，即衛(wèi)星的通道不是或不完全是固定分配給各站專用的，而是根據(jù)地球站的申請臨時分配給其使用，通話完畢又收歸公用，通常稱之為按申請分配或按需分配。4.信道分配與交換制度信道分配與交

10、換制度23 它是指網(wǎng)中各站隨機(jī)地占用衛(wèi)星信道，若發(fā)生“碰撞”則重發(fā)的一種多址分配制度。特點(diǎn)：o 隨機(jī)地、間斷地使用信道；o 用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時可以分組傳輸，可以大大提高信道的利用率。隨機(jī)分配（隨機(jī)分配（RA）4.信道分配與交換制度信道分配與交換制度 它是對固定預(yù)分配的一種重大改進(jìn)，比較靈活，各站之間可以互相調(diào)劑通道，因而可用較少的通道為較多的站服務(wù)，這就基本上可以避免忙閑不均的不合理現(xiàn)象。在站多而業(yè)務(wù)量都較小的情況下，這種制度的通道效率是很高的。但是為了實(shí)現(xiàn)按需分配，要使用比較復(fù)雜的控制設(shè)備，并且一般要在轉(zhuǎn)發(fā)器上單獨(dú)開辟一專用頻段作為公用傳信通道（CSC），供各站申請、分配通道時使用。4.信道

11、分配與交換制度信道分配與交換制度 CSC是廣播式的公用傳信通道。系統(tǒng)中各站都監(jiān)視、接收這個頻率的信號。各站對CSC的占用可以采取TDMA方式，即各站在規(guī)定的時隙用CSC的載頻發(fā)出申請碼組；也可以使用隨機(jī)占用方式，即各站在任意時刻發(fā)射申請碼組，當(dāng)然有可能幾個站同時申請而發(fā)生碰撞，這就需要重新申請。4.信道分配與交換制度信道分配與交換制度 根據(jù)通道分配可變程度的不同，申請分配制有以下幾種類型：發(fā)端固定收端可變方式(FT-VR)收端固定發(fā)端可變方式(FR-VT)全可變方式(VT-VR)分群可變方式(G-VT-VR)4.信道分配與交換制度信道分配與交換制度27 在多個地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的通信系統(tǒng)中，

12、按分配給各站的射頻載波頻率不同區(qū)分站址的方式。 基本特征是把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用射頻帶寬分割成若干互不重疊的部分，分配給各地球站作為所要發(fā)送信號的載波使用。 FDMA中是以頻率來進(jìn)行分割的，其在時間和空間上無法分開，故此不同的信道占用不同的頻段，互不重疊。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式28FDMA的分類：的分類： 與幾個站通信就發(fā)幾個載波衛(wèi)星衛(wèi)星就照就照發(fā)照發(fā)照收。收。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式29 多址載波 每個地球站只發(fā)一個載波，利用基帶中的頻分多路復(fù)用或時分多路復(fù)用將發(fā)往不同站的信號安排在不同的群路上，以便各對方站識別并取出到該站的信號。 在FDM/FM/FDMA方式中，首先

13、基帶模擬信號以頻分復(fù)用方式復(fù)用在一起，然后以調(diào)頻方式調(diào)制到一個載波頻率上，最后再以頻分多址方式發(fā)射和接收。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式3031頻分多址FDMA的多址載波方式系統(tǒng)示例： 該系統(tǒng)中共有四個地球站使用同一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，A、B、C、D四個站的載波頻率不同，并且頻譜無重疊，如D站要與其它的三個站同時通信，D站發(fā)出的信號包括A、B和C站的信號，A、B、C三個站接收機(jī)濾出各自站頻譜（用不同顏色代表）內(nèi)信號。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式32 單路單載波（SCPC）方式 在預(yù)分配SCPC方式中，任意兩地球站之間進(jìn)行通信時，其下行鏈路的載波只攜帶一路信號，并且占用一條衛(wèi)星通道。 如

14、：在采用SCPC/PA方式工作的IS-IV衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，將其中一個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的36MHz帶寬等間隔地分為800個通道。 以導(dǎo)頻為界，高低頻段中各設(shè)置400條通道，通道間隔45KHz。 3.3.2 頻分多址（FDMA）方式33 導(dǎo)頻是指在已調(diào)信號譜中額外地插入一個低功率的載波頻率或其有關(guān)的頻率信號譜線，其對應(yīng)的正弦波就稱為導(dǎo)頻信號。 導(dǎo)頻的主要作用是由于相鄰各載頻間隔很小，衛(wèi)星與每個地球站的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度等各不相同，為了保證載頻的嚴(yán)格排列，通常由參考站發(fā)一個導(dǎo)頻信號作為基準(zhǔn)，各地球站收到此導(dǎo)頻信號后對自己的工作頻率進(jìn)行嚴(yán)格的校正。 3.3.2 頻分多址（FDMA）方式34SCPC/PA系統(tǒng)

15、的頻率配置3.3.2 頻分多址（FDMA）方式35 載頻是預(yù)先分配給各地球站使用的，任一站不能占用分配給其他站使用的載頻。 單路單載波（SCPC）方式的任一地球站要發(fā)幾路話，就得發(fā)射幾個載波。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式這種方案的缺點(diǎn)如下：這種方案的缺點(diǎn)如下：多個載波信號同時通過轉(zhuǎn)發(fā)器時，會發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)器有效輸出功率降低，產(chǎn)生交調(diào)噪聲和可懂串話、強(qiáng)信號對弱信號的抑制現(xiàn)象，并且大小站難以兼容，各站發(fā)射功率必須保持穩(wěn)定。不靈活，要重新分配頻率比較困難。3.3.2 頻分多址（FDMA）方式37 按分配給各站的不同工作時隙區(qū)分各站的信號。 在按時分多址方式工作的系統(tǒng)中，由于分配給各地球站的是特定的

16、時隙，而不是特定的頻帶，因而每個地球站必須在分配給自己的時隙中用相同的載波頻率向衛(wèi)星發(fā)射信號，并經(jīng)放大后沿下行鏈路重新發(fā)回地面。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可處于單載波狀態(tài)。3.3.3 時分多址（TDMA）方式3839 由于分配給每個地球站的不再是一個特定的載波，而是一個指定的時隙，如T1、T2、T3Tk是各地球站在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中所占時隙，這樣能有效地利用衛(wèi)星頻帶而又不使各站信號相互干擾。 3.3.3 時分多址（TDMA）方式40 TDMA系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型3.3.3 時分多址（TDMA）方式41時分多址時分多址TDMA系統(tǒng)的系統(tǒng)的同步同步內(nèi)容包括：內(nèi)容包括：o 載波同步載波同步o 時鐘同步時鐘同步o 分幀同步分幀

17、同步 要求在極短的時要求在極短的時間內(nèi)從各接收分間內(nèi)從各接收分幀報(bào)頭中幀報(bào)頭中完成基完成基準(zhǔn)載波和時鐘信準(zhǔn)載波和時鐘信號的提取號的提取工作。工作。3.3.3 時分多址（TDMA）方式42分幀同步包括兩方面的內(nèi)容： 其一是指在地球站開始發(fā)射數(shù)據(jù)時，如何使其進(jìn)入指定的時隙，而不會對其他分幀構(gòu)成干擾，這就是分幀的初始捕獲。 其二是指如何使進(jìn)入指定時隙的分幀信號處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，就是使該分幀與其他分幀維持正確的時間關(guān)系，不致出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，這就是分幀同步技術(shù)。3.3.3 時分多址（TDMA）方式43一種典型的一種典型的TDMA幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)PCM/TDM/PSK/TDMA基準(zhǔn)分幀基準(zhǔn)站CBA地球站

18、(a)幀通信衛(wèi)星A站分幀B站分幀C站分幀Z站分幀Tr幀周期Tf前置碼到站A到站C到站Z分幀周期TbPCM數(shù)據(jù)保護(hù)時間載波恢復(fù)比特定時 獨(dú)特碼監(jiān) 控勤 務(wù)TpTg(b)基準(zhǔn)站分幀數(shù)據(jù)分幀分幀報(bào)頭44（1）基準(zhǔn)站分幀 基準(zhǔn)站分幀中包括載波、位定時恢復(fù)（CR和BTR）、獨(dú)特碼（UW）、站址識別碼（SIC）和指令信號（CW）。（2）數(shù)據(jù)分幀 一個數(shù)據(jù)分幀包含了若干個業(yè)務(wù)分幀，并且每個業(yè)務(wù)分幀由分幀報(bào)頭和多個PCM數(shù)據(jù)信道構(gòu)成。3.3.3 時分多址（TDMA）方式45分幀報(bào)頭中的保護(hù)時間用來防止與前一站突發(fā)分幀信號重疊；載波恢復(fù)與比特定時信號為接收端提供同步信號；獨(dú)特碼表明站名及突發(fā)的起始時間（要求各站

19、不同）；控制信號用來傳送通道等指令；勤務(wù)聯(lián)絡(luò)用來為各站傳送勤務(wù)聯(lián)絡(luò)信息。3.3.3 時分多址（TDMA）方式46由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)各地球站接收各地球站接收Rs在規(guī)定的一個突發(fā)分幀在規(guī)定的一個突發(fā)分幀時間內(nèi)發(fā)往衛(wèi)星時間內(nèi)發(fā)往衛(wèi)星 47 多載波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一個TDMA系統(tǒng)中采用多載波，而在每條載波上以TDMA方式工作，可以傳送相對較低（幾十kbit/s到20Mbit/s）的信號速率。 當(dāng)MC-TDMA系統(tǒng)中僅使用一條載波時，就是傳統(tǒng)的單載波的TDMA方式；當(dāng)使用多條載波，并且每條載波只有一路信號時，就是SCPC方式；當(dāng)采用多條載波，而且每條載波傳送同一個地球站

20、發(fā)送的多路信號時，則工作于MCPC方式。3.3.3 時分多址（TDMA）方式48TDMA、SCPC和和MC-TDMA使用轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶對比使用轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶對比49 又稱為“擴(kuò)展頻譜多址聯(lián)接方式”。 對各地球站分別用各不相同的、互不相關(guān)的偽隨機(jī)碼（地址碼）將發(fā)送的信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。 即使各站發(fā)射的信號在頻率、時間、空間上相互重疊，也不會出現(xiàn)相互干擾。 3.3.4 碼分多址（CDMA）方式50 按分配給各站的地址碼的不同來區(qū)分地址的方式稱為碼分多址。 碼分多址有多種方式，日前應(yīng)用較多的兩種是： 直接序列擴(kuò)頻碼分多址（ CDMA / DS ） 跳頻碼分多址（CDMA / FH ） 3.3.3 碼分多址（C

21、DMA）方式51 利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性非常弱的周期性碼序列作為地址信息，對被用戶信息調(diào)制過的已調(diào)波進(jìn)行再次調(diào)制，使其頻譜大為展寬（稱為擴(kuò)頻）；經(jīng)衛(wèi)星信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知的地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對收到的所有信號進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號還原為窄帶而選出，其它與本地地址碼無關(guān)的信號則仍保持或擴(kuò)展為寬帶信號而濾去。3.3.3 碼分多址（CDMA）方式52 例如，i站發(fā)送端與k站接收端地址碼相同，則可把i站的信號傳給k站；若i站要接收k站發(fā)來的信號，則i站接收端與k站發(fā)送端必須用相同的地址碼。 任一站都可接收到由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的所有信號，即各個站發(fā)送

22、的地址碼序列之和。由于分配給各站的地址碼互不相干，因而各線路互不干擾。3.3.3 碼分多址（CDMA）方式5354擴(kuò)頻通信的基本原理PN碼產(chǎn)生器LNAD/C擴(kuò)頻解調(diào)信息解調(diào)同步PN碼產(chǎn)生器信息調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制U/CPAak(t)bk(t)Sk(t)ck(t)S(t)bm(t)am(t)cm(t)PA:功率放大LNA：低噪聲放大bk(t)0 RsRs Rc0RcSk(t)S(t) Rcf0Rc干擾 Rc Rsf0RsRcbm(t)數(shù)字信號無用信號干擾數(shù)字信號任何不匹配的輸入信號則被本任何不匹配的輸入信號則被本地碼擴(kuò)展為寬帶信號，其功率地碼擴(kuò)展為寬帶信號，其功率譜密度大為減小。譜密度大為減小。在發(fā)送端，原始信息在發(fā)送端，原始信息被一個帶寬較其帶寬被一個帶寬較其帶寬寬得多的偽隨機(jī)碼寬得多的偽隨機(jī)碼(PN碼碼)進(jìn)行擴(kuò)展調(diào)制。進(jìn)行擴(kuò)展調(diào)制。在接收端，接收到的在接收端，接收到的擴(kuò)展頻譜信號與一個擴(kuò)展頻譜信號與一個和發(fā)送端和發(fā)送端PN碼完全碼完全相同的本地