衛(wèi)星通信導(dǎo)論上課課件-第3章-多址技術(shù)

第3章多址技術(shù)2021/10/10星期日1提要一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接二、頻分多址（FDMA）三、時(shí)分多址（TDMA）四、碼分多址（CDMA）五、三種多址技術(shù)的RF利用方式六、ALOHA2021/10/10星期日2一、多路復(fù)用和多址聯(lián)接多路復(fù)用:將來自不同信息源的各路信息,按某種方式合并成一個(gè)多路信號(hào),然后通過同一個(gè)信道傳送給接收端。接收端再從該多路信號(hào)中按相應(yīng)方式分離出各路信號(hào),分送給不同的用戶或終端。簡(jiǎn)而言之,多路復(fù)用是利用一條信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)的一種技術(shù),可以解決在同一信道內(nèi)同時(shí)傳送多個(gè)信號(hào)的問題。多路復(fù)用方式可分為頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、波分復(fù)用等。2021/10/10星期日3多址聯(lián)接:指多個(gè)通信站的射頻信號(hào)在射頻信道上的復(fù)用,以實(shí)現(xiàn)各個(gè)通信站之間的通信。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng),多址聯(lián)接指的是多個(gè)地球站發(fā)射的信號(hào),通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻信道復(fù)用,實(shí)現(xiàn)各站間通信的一種方式。常見的多址方式有頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址和空分多址。多址聯(lián)接和多路復(fù)用的關(guān)系:多址聯(lián)接和多路復(fù)用的理論基礎(chǔ)都是信號(hào)的正交分割原理。但多址聯(lián)接是指多個(gè)電臺(tái)或通信站發(fā)射的信號(hào)在射頻信道上的復(fù)用,以達(dá)到各臺(tái)、站之間同一時(shí)間、同一方向的用戶間的多邊通信;多路復(fù)用是指一個(gè)電臺(tái)或通信站內(nèi)的多路低頻信號(hào)在群頻信道（即基帶信道）上的復(fù)用,以達(dá)到兩個(gè)臺(tái)、站之間雙邊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。2021/10/10星期日4單向和雙向通信:按信息信號(hào)傳送的方向,通信的工作方式可以分為單向通信和雙向通信。在單向通信方式中,信息只能向一個(gè)方向傳送。例如,廣播、電視、遙控、無線尋呼等;在雙向通信方式中,信息可以雙向傳送,通信雙方都能收發(fā)信息。例如,移動(dòng)用戶之間的通信,移動(dòng)用戶和固定用戶之間的通信等。雙向通信按信息信號(hào)傳送的時(shí)間又分為單工、雙工和半雙工通信方式。2021/10/10星期日5頻分多路復(fù)用（FDM）:按照頻率參量的正交分割原理,將各路信號(hào)的頻譜搬移至互不重疊的頻帶上同時(shí)在一個(gè)信道中傳輸。接收端通過不同中心頻率的帶通濾波器,可以將各路信號(hào)分離出來。頻分多路復(fù)用的各路信號(hào)在時(shí)域中混疊在一起,在頻域中可分辨。時(shí)分多路復(fù)用（TDM）:利用時(shí)間的正交性,即以時(shí)間作為信號(hào)分割的參量,使各路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊,它利用不同時(shí)隙來傳送各路不同信號(hào)。在TDM系統(tǒng)中,每個(gè)信號(hào)占據(jù)著不同的時(shí)間區(qū)間,但每個(gè)信號(hào)均占有相同的頻域,各路信號(hào)在頻域中混疊在一起,在時(shí)域中可分辨。（一）多路復(fù)用2021/10/10星期日6碼分多路復(fù)用（CDM）:根據(jù)碼型結(jié)構(gòu)的不同實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正交分割,各路信號(hào)在時(shí)間和頻率上是互相重疊的,接收端用相關(guān)器或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。波分復(fù)用（WDM）:為了增加光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量,可以在一條光纖中傳輸多個(gè)不同波長的光信號(hào),只要這些光源的波長有著適當(dāng)?shù)木嚯x,接收端的光頻器件就可將它們分開。（二）多址聯(lián)接頻分多址（FDMA）:各站、臺(tái)發(fā)出的射頻信號(hào)在指定的射頻頻帶內(nèi),但在頻譜上互不重疊地排列,共同分用該射頻頻帶,接收端用帶通濾波器分離各路射頻信號(hào)。時(shí)分多址（TDMA）:以不同的時(shí)隙來區(qū)分地址,每站有一指定時(shí)隙,各站只是在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射信號(hào)。碼分多址（CDMA）:每個(gè)用戶有一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的碼字作為地址,不同用戶的不同波形信號(hào)以同一頻率發(fā)射出去,各站的接收是根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)波形分離出自己需要的信號(hào)?？辗侄嘀罚⊿DMA）:利用天線的方向性和用戶的地區(qū)隔離性實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離。2021/10/10星期日72021/10/10星期日8（三）雙工方式:頻分雙工（FDD）、時(shí)分雙工（TDD）FDD:收發(fā)頻率分開,接收設(shè)備通過濾波器分離各路信號(hào)特點(diǎn):需要合理安排頻率TDD:收發(fā)共用一個(gè)頻率,收發(fā)信號(hào)通過開關(guān)來控制特點(diǎn):收發(fā)存在時(shí)間間隔2021/10/10星期日9不同系統(tǒng)的多址技術(shù)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)多址技術(shù)高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMPS）FDMA/FDD全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）TDMA/FDD美國數(shù)字蜂窩（USDC）TDMA/TDD日本數(shù)字蜂窩（JDC）TDMA/TDD英國CT-2（數(shù)字無繩電話）FDMA/TDD歐洲數(shù)字無繩電話（DECT）FDMA/TDD美國窄帶擴(kuò)頻（IS－95）CDMA/FDD2021/10/10星期日10二、頻分多址技術(shù)（FDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻分多址技術(shù):頻分多址是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中普遍采用的一種多址技術(shù)。當(dāng)多個(gè)地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí),如果根據(jù)配置的載波頻率的不同來區(qū)分地球站的地址,這種多址聯(lián)接方式就為頻分多址。它對(duì)各地球站配置不同的頻率,以實(shí)現(xiàn)不同地球站之間的聯(lián)接。這種頻率配置可以是預(yù)先固定指配的,也可以是按需分配的。2021/10/10星期日11FDMA的非線性效應(yīng)頻譜擴(kuò)展:相鄰信道干擾;交調(diào)（IM）諧波:鄰近業(yè)務(wù)信道的干擾。

交調(diào)干擾主要是由行波管放大器的非線性特性引起的。FDMA的一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器,可以同時(shí)放大多個(gè)載波信號(hào)(幾個(gè)、十幾個(gè)甚至幾百個(gè)載波)。目前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級(jí)大都采用行波管放大器(TWTA),其單載波飽和輸出功率為5~40瓦,功率增益為30~40dB左右。多載波是為了充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器資源,但是多載波工作卻妨礙了衛(wèi)星功率的有效利用。在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中,作為功放級(jí)的TWTA,是一個(gè)非線性放大器,它的幅度特性是非線性的,它的相位特性具有調(diào)幅－調(diào)相變換作用(簡(jiǎn)寫為AM—PM變換)。2021/10/10星期日12行波管調(diào)幅－調(diào)相變換作用分析

典型的行波管幅度非線性特性為:當(dāng)輸入功率增加到某一數(shù)值時(shí),輸出功率達(dá)到最大;繼續(xù)增加輸入功率,輸出功率反而下降。行波管放大器有一個(gè)最大輸出功率,稱為飽和輸出功率。若行波管在飽和點(diǎn)處工作,一般效率最高,但非線性失真也最嚴(yán)重。多載波工作時(shí),減小輸入可以減少非線性影響,但同時(shí)輸出功率也降低了,管子就得不到充分的利用。

多載波波輸入時(shí),輸出要受到“壓縮”．這種壓縮是指,在輸入總功率相等的情況下,多載波工作時(shí)總輸出功率比單載波工作時(shí)的輸出功率要小。

2021/10/10星期日13例一采用FDMA的轉(zhuǎn)發(fā)器交調(diào)（互調(diào)）頻率IM＝mf1+nf2,m,n為任意整數(shù),如:f1=1930MHz,f2=1932MHz,求落在工作頻率為1920～1940MHz的交調(diào)頻率。n=0n=1n=2n=31930192619221918*1928192419201916*1932193619401944*193419381942*1946*解:可能的交調(diào)頻率有:（2n+1）f1－2nf2,

（2n+2）f1－（2n+1）f2或者（2n+1）f2－2nf1,（2n+2）f2－（2n+1）f1,n=0,1,2….2021/10/10星期日14保護(hù)頻帶2021/10/10星期日15圖3-1FDMA的地球站框圖2021/10/10星期日16頻譜實(shí)際占用度令表示轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的實(shí)際占用比例,那么設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR],單載波帶寬的dB表示為[Bc],K為FDMA載波數(shù)。有K=BTR/Bc[Bc]＝[

]+[BTR]-[K]2021/10/10星期日17FDMA典型應(yīng)用美國AMPS系統(tǒng):FDMA/FDD,模擬窄帶調(diào)頻（NBFM）,按需分配頻率;同時(shí)支持的信道數(shù):

N＝（Bt+B保護(hù)）/(Bc+B保護(hù)）Bt

系統(tǒng)帶寬,Bc信道帶寬,B保護(hù)為分配頻率時(shí)的保護(hù)帶寬。解:N＝（Bt+B保護(hù)）/(Bc+B保護(hù)）＝（12.5+0.01）/（0.03+0.01）＝312例:如Bt為12.5MHz,

B保護(hù)為10KHz,Bc為30KHz,求FDMA系統(tǒng)的有效信道數(shù)。2021/10/10星期日18例二衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬36MHz,飽和EIRP值為27dBW。地面站接收機(jī)G/T值為30dB/K,全部的鏈路損失為196dB。轉(zhuǎn)發(fā)器有多個(gè)FDMA載波,每個(gè)載波3MHz帶寬。轉(zhuǎn)發(fā)器有6dB功率“壓縮”（back-off）。計(jì)算單載波情況下的下行鏈路C/N值,并比較有沒有功率“壓縮”下該FDMA系統(tǒng)中可以容納的載波數(shù)。假設(shè)可以忽略上行鏈路噪聲和交調(diào)噪聲,只考慮單載波時(shí)的C/N值。解:轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的dB表示為[BTR],單載波帶寬的dB表示為[Bc],假設(shè)K為載波數(shù)。[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[L]+[K]-[BTR]=27+30-196+228.6-75.56=14.04dBdB=-[back-off],[K]=dB+[BTR]-[Bc],K=3;如果沒有back-off,那么K=BTR/Bc=122021/10/10星期日19三、時(shí)分多址技術(shù)（TDMA）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)分多址技術(shù):用不同時(shí)隙來區(qū)分地球站的地址,只允許各地球站在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射信號(hào),這些射頻信號(hào)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí),在時(shí)間上是嚴(yán)格依次排列、互不重疊的。衛(wèi)星將在一個(gè)TDMA幀內(nèi)的不同子幀時(shí)隙接收并轉(zhuǎn)發(fā)來自各地球站（它們都采用相同的載波）的突發(fā)脈沖串。也就是說,每一地球站只在TDMA幀的一個(gè)子幀內(nèi)接收和發(fā)送突發(fā)脈沖。為了保證每一地面終端的突發(fā)（子幀）能在所指定的子幀時(shí)隙到達(dá)衛(wèi)星,對(duì)系統(tǒng)定時(shí)和信號(hào)格式將有嚴(yán)格的要求。為此,每幀內(nèi)的第一個(gè)子幀將由基準(zhǔn)站發(fā)出“基準(zhǔn)”子幀以作為同步和網(wǎng)控之用。2021/10/10星期日20圖3-4TDMA網(wǎng)絡(luò)定時(shí)的示意圖2021/10/10星期日21圖3-5TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)格式和框圖2021/10/10星期日22圖3-6TDMA系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)格式和框圖2021/10/10星期日23TDMA幀結(jié)構(gòu)TDMA幀頭比特信息尾比特時(shí)隙1時(shí)隙2時(shí)隙3時(shí)隙n……尾比特同步比特信息數(shù)據(jù)保護(hù)比特2021/10/10星期日24TDMA幀的基本組成基準(zhǔn)站相繼兩次發(fā)射基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)間間隔叫做一幀,在一幀內(nèi)有一個(gè)基準(zhǔn)分幀和若干信息分幀,每個(gè)分幀占據(jù)一個(gè)時(shí)隙,基準(zhǔn)分幀由基準(zhǔn)站的突發(fā)信號(hào)構(gòu)成;信息分幀由地球站的突發(fā)信號(hào)構(gòu)成。一個(gè)信息分幀對(duì)應(yīng)一個(gè)地球站的突發(fā)信號(hào)。信息分幀中的信道定向采用逐字復(fù)用的時(shí)分多路復(fù)用方式(TDM)。這樣,一個(gè)地球站發(fā)射的信號(hào)可由該站的消息分幀在一幀中的位置來確定。2021/10/10星期日25TDMA的效率系統(tǒng)效率:在發(fā)射數(shù)據(jù)中信息所占的百分比,不包括系統(tǒng)開銷;幀效率:發(fā)送數(shù)據(jù)比特在一幀中所占的百分比;2021/10/10星期日26TDMA系統(tǒng)的信道數(shù)總的信道數(shù):總的TDMA時(shí)隙數(shù)。即每一信道的TDMA時(shí)隙數(shù)乘以有效信道數(shù)。

N＝m*[(Bt+B保護(hù))/(Bc+B保護(hù)）]m為每個(gè)信道所支持的TDMA用戶數(shù),Bt為信道帶寬,B保護(hù)保護(hù)帶寬,Bc用戶帶寬。2021/10/10星期日27例三GSM系統(tǒng),總帶寬25MHz,一個(gè)信道200KHz,具有8個(gè)TDMA用戶,未設(shè)保護(hù)帶寬,求總用戶數(shù)。解:N＝m*[(Bt+B保護(hù))/(Bc+B保護(hù)）]

＝8*[(25+0)/(0.2+0）]=10002021/10/10星期日28例四GSM系統(tǒng)每幀包括8個(gè)時(shí)隙,每時(shí)隙包括156.25比特,數(shù)據(jù)發(fā)送速率為270.833kbps,求:（1）比特周期Tb;（2）時(shí)隙周期Tslot;（3）幀長Tf;（4）收發(fā)時(shí)間間隔。解:Tb＝1/270.833kbps＝3.692sTslot＝Tb×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms

收發(fā)間隔為幀長。2021/10/10星期日29TDMA話音信道容量的簡(jiǎn)單計(jì)算設(shè)突發(fā)數(shù)據(jù)率為RT,幀效率為ηF,每話音信道比特率為Rb。則話音信道數(shù)N為N=ηFRT/Rb2021/10/10星期日30例五:INTELSAT衛(wèi)星的每幀符號(hào)數(shù)為120,832。幀周期為2ms,幀效率0.949,話音信道比特率64kb/s,采用QPSK調(diào)制。求話音信道容量。解:符號(hào)率＝120,832/2ms=60.416Msymbol/s.QPSK調(diào)制用2比特表示一個(gè)符號(hào),所以

RT=60.416*2=120.832Mb/s

所以N=(0.949*120.832*1000)/64=17922021/10/10星期日31獨(dú)特碼（UW或BCW）的相關(guān)計(jì)算

獨(dú)特碼用以指示TDMA幀內(nèi)子幀的起始位置、子幀內(nèi)各信息的位置以及站址識(shí)別。漏檢與誤檢

發(fā)生漏檢,意味丟失示位脈沖;發(fā)生誤檢,意味著產(chǎn)生了虛假的示位脈沖,這些都將導(dǎo)致系統(tǒng)同步不正常。因此我們需要考慮兩個(gè)概率值:漏檢率和誤檢率。

UW:UniqueWord,BCW:BurstCodeWord2021/10/10星期日32漏檢率

設(shè)UW長度為N比特,E為允許該UW檢驗(yàn)正確的最大差錯(cuò)數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時(shí)的實(shí)際差錯(cuò)數(shù)量。那么當(dāng)I≤E,UW可以正確檢驗(yàn);當(dāng)I>E,認(rèn)為被檢測(cè)的序列N不是UW,則發(fā)生漏檢。令p表示傳輸平均差錯(cuò)率（BER）,那么長度為N的序列中包含有任何一種特定排列的I個(gè)錯(cuò)誤的概率為pI=pI(1-p)N-I。而N中取I的組合方式有CNI=N!/(I!(N-I)!)。所以接收到長為N的序列中含有I個(gè)的錯(cuò)誤的概率為PI=CNIpI。所以漏檢概率Pmiss=∑NI=E+1PI2021/10/10星期日33例六設(shè)UW長度為N比特,E為允許該UW檢驗(yàn)正確的最大差錯(cuò)數(shù)量。令I(lǐng)為在接收UW時(shí)的實(shí)際差錯(cuò)數(shù)量。令p表示傳輸平均差錯(cuò)率（BER）,求當(dāng)N=40,E=5,p=10-3時(shí)的漏檢率。解:

2021/10/10星期日34誤檢概率有一個(gè)長度為N比特的序列（它實(shí)際上并不是一個(gè)UW,但即使在E個(gè)比特位置上不同于UW,它仍被誤認(rèn)為是UW）,令I(lǐng)表示隨機(jī)序列不同于UW的比特位置數(shù),這樣E代表了從UW角度考慮可以接受的“比特差錯(cuò)”個(gè)數(shù),而I代表了從UW角度考慮實(shí)際的“比特差錯(cuò)”個(gè)數(shù)。從N中取I的組合個(gè)數(shù)為CNI

,因此能夠接受作為UW的碼字?jǐn)?shù)為∑EI=0CNI。一個(gè)長為N比特的隨機(jī)序列可組成的碼字?jǐn)?shù)為2N,假定所有碼字是等概的,則接收到任何一個(gè)特定碼字的概率為2-N。所以誤檢率為2021/10/10星期日35例七、計(jì)算當(dāng)N=40,E=5時(shí)的誤檢率

比較例六和例七的結(jié)果,可以看出誤檢概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于漏檢概率。在實(shí)際系統(tǒng)中,一旦幀同步建立起來,可以在預(yù)期的UW到達(dá)時(shí)間上設(shè)置一時(shí)間窗,相關(guān)器只在這個(gè)時(shí)間窗內(nèi)工作,這樣可以大大降低誤檢概率。2021/10/10星期日36TDMA數(shù)字傳輸?shù)南滦墟溌贩治鲈赥DMA方式下,TWTA沒有功率壓縮的要求,所以轉(zhuǎn)發(fā)器可以飽和工作。上行地面站使轉(zhuǎn)發(fā)器飽和工作時(shí),即使該地面站的業(yè)務(wù)量很低,也需要較大的功率?？紤]到中頻帶寬對(duì)數(shù)據(jù)率的限制,傳輸比特率可以按下式簡(jiǎn)單計(jì)算:Rb/BIF=m/(1+ρ),其中ρ為滾降系數(shù)。如對(duì)于BPSK,m=1;QPSK,m=2。

ρ=0.2,則Rb=mBIF/1.22021/10/10星期日37FDMA和TDMA的特點(diǎn)比較對(duì)于TDMA方式,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上任何時(shí)刻都只有一個(gè)載波工作,不會(huì)產(chǎn)生交調(diào)干擾,行波管可以工作在飽和狀態(tài),能充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的功率;TDMA方式是對(duì)各地球站和轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行時(shí)間分隔,無需FDMA方式的多次變頻,簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu);TDMA方式對(duì)地球站等效全向輻射功率變化的限制,沒有FDMA方式那樣嚴(yán)格;2021/10/10星期日38TDMA方式可根據(jù)各站業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)整各站時(shí)隙的大小,大小站可以兼容,易于實(shí)現(xiàn)按需分配;TDMA方式與地面數(shù)字系統(tǒng)的接口方便,同時(shí)也便于做星上處理;TDMA方式可以與數(shù)字話音內(nèi)插（DSI）和自適應(yīng)差分編碼（ADPCM)技術(shù)配合,形成數(shù)字電路倍增設(shè)備,使轉(zhuǎn)發(fā)器容量大大提高（達(dá)5倍）;TDMA系統(tǒng)的網(wǎng)同步復(fù)雜。2021/10/10星期日39FDMA和TDMA的容量比較

出于簡(jiǎn)化的目的,只比較上行鏈路的容量。公式[R]=[C/N0]-[Eb/N0]對(duì)于FDMA和TDMA的上行鏈路都適用。對(duì)前者R就是Rb,對(duì)后者R就是是RT（突發(fā)數(shù)據(jù)率）。假設(shè)[Eb/N0]對(duì)兩者相同,上行鏈路損耗和衛(wèi)星[G/T]也相同。那么TDMA的地面站需要增加的EIRP值為[EIRP]TDMA-[EIRP]FDMA=[RT]-[Rb]

如果天線增益也相同,那么TDMA的地面站需要增加的發(fā)射功率為[P]TDMA-[P]FDMA=[RT]-[Rb]2021/10/10星期日40四、CDMACDMA:利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性比較弱的偽隨機(jī)碼作