《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第7章

第7章多址技術(shù)7.1概述7.2頻分多址7.3時(shí)分多址7.4碼分多址7.5空分多址7.6本章小結(jié)

7.1概述

多址技術(shù)是指在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶利用同一個(gè)傳播信道在同一時(shí)間進(jìn)行相互通信的傳輸方式。多址技術(shù)根據(jù)信號(hào)分割原理把頻譜資源按照頻帶、時(shí)間、碼型等參數(shù)分成相互正交或準(zhǔn)正交的信道,并把這些信道以適當(dāng)?shù)姆绞椒峙浣o需要進(jìn)行接入的用戶。其目標(biāo)是最大化衛(wèi)星的通信容量,有效使用帶寬,維持靈活性,在最小化用戶費(fèi)用的同時(shí)使運(yùn)營(yíng)商的收益達(dá)到最大。

FDMA將衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個(gè)等間隔的信道分配給每個(gè)用戶,用戶在這個(gè)分配給自己的特定頻率的信道上傳輸信號(hào),信號(hào)可以是模擬的,也可以是數(shù)字的。

TDMA把時(shí)間分割成周期性的幀,每一幀分割成若干時(shí)隙,然后給每個(gè)用戶分配唯一的時(shí)隙,以便信號(hào)按順序通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器。此傳輸方式勢(shì)必引起信號(hào)的延遲,因此只適用于數(shù)字信號(hào)的傳輸。

CDMA給每個(gè)用戶分配一個(gè)獨(dú)特的碼序列,衛(wèi)星接收到的信號(hào)是用戶信號(hào)與其獨(dú)特的碼序列進(jìn)行正交編碼后的擴(kuò)頻信號(hào),地面接收端在接收到信號(hào)后需要通過(guò)相關(guān)的方法將

用戶信號(hào)分離出來(lái)。CDMA也只適用于數(shù)字信號(hào)。

SDMA應(yīng)用智能天線技術(shù),由天線給每個(gè)用戶分配一個(gè)點(diǎn)波束,這樣根據(jù)用戶的空間位置就可以區(qū)分每個(gè)用戶的信號(hào)。實(shí)際中,SDMA不會(huì)獨(dú)立使用,而是與其他多址方式如

FDMA、TDMA或CDMA等結(jié)合使用,從而實(shí)現(xiàn)在有限的頻率資源范圍內(nèi)更高效地傳輸信號(hào)。

多址方式也可以按照衛(wèi)星信道資源的分配方式劃分成固定多址(FA,FixedmultipleAccess)、按需多址(DA,on-DemandmultipleAccess)和隨機(jī)多址(RA,Randommultiple

Access)。固定多址也稱為預(yù)分配多址,要求預(yù)先分配好每個(gè)用戶占用的信道份額,各用戶只能在自己特定的信道上完成與其他用戶的通信。此方式不需要附加控制和調(diào)度信道,但

是各信道的容量固定,不能增減,特別是當(dāng)某個(gè)用戶的信道空閑不用時(shí),其他用戶也不能使用,因此信道利用率較低。

按需多址是根據(jù)不斷變化的業(yè)務(wù)量情況,隨時(shí)把信道合理地分配給用戶使用,此類(lèi)系統(tǒng)通常設(shè)有一中心站集中控制信道分配,當(dāng)某用戶需要通信時(shí)先聯(lián)系中心站,中心站根據(jù)當(dāng)時(shí)情況給通信雙方安排信道。隨機(jī)多址沒(méi)有信道控制系統(tǒng),當(dāng)用戶需要通信時(shí)可按一定的規(guī)程隨機(jī)占用信道。這種方式適用于各用戶通信量較小的情況。

7.2頻分多址

FDMA是最早應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的多址方式,其突出的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠,便于實(shí)現(xiàn)。因此,在衛(wèi)星通信發(fā)展的初期,幾乎都采用這種多址方式,至今有的系統(tǒng)仍然在使用。頻分多址方式需要給每個(gè)地球站分配一個(gè)專(zhuān)用的載波,并且所有地球站的載波互不相同,為了載波互不干擾,它們之間有足夠的間隔作為保護(hù)帶。

圖7-1為頻分多址方式示意圖。圖中,f1、f2和f3為各地球站發(fā)射的載波頻率,在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中載波按頻率的高低排列并經(jīng)過(guò)頻率變換,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的下行頻率f4、f5和f6,下行鏈路會(huì)把全部載波發(fā)送到所有接收站,各接收站選擇出自己所期望的載波進(jìn)行解調(diào)或檢測(cè)。

圖7-1頻分多址方式示意圖

頻分多址的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種:單路單載波頻分多址(SCPCFDMA)和多路單載波頻分多址(MCPCFDMA)。單路單載波(SCPC,SingleChannelPerCarrier)是指一個(gè)載波只包含一路信號(hào),而多路單載波(MCPC,MultipleChannelPerCarrier)方式中一個(gè)載波可以包含多路不同的信號(hào)。

在SPADE系統(tǒng)中,通常將一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的部分頻率配置為公用信令信道(CSC,CommonSignalingChannel),而另一部分頻率配置為語(yǔ)音通道,每個(gè)地球站都有一個(gè)稱作按需分配信令和交換單元的設(shè)備,通過(guò)此設(shè)備來(lái)執(zhí)行CSC所需要的功能,所有地球站都通過(guò)CSC永久連接。為了詳細(xì)說(shuō)明,我們假設(shè)地球A站要向B站發(fā)起一個(gè)呼叫,A站首先從當(dāng)前可用的頻率中隨機(jī)選擇一對(duì)頻率,并通過(guò)CSC將信息發(fā)送給B站,B站又通過(guò)CSC回復(fù)A站可以競(jìng)爭(zhēng)該線路,一旦該線路建立起來(lái),系統(tǒng)中的CSC會(huì)通知其他所有地球站將該頻率從可用頻率列表中刪除。

如果在A站發(fā)起呼叫等待B站回復(fù)的時(shí)間段內(nèi),最初選擇的兩個(gè)頻率被分配給其他線路,這時(shí),A站會(huì)收到來(lái)自CSC的更新信息,并立即隨機(jī)選擇另一對(duì)頻率。呼叫完成后,該線路會(huì)斷開(kāi)連接,CSC又會(huì)通知所有地球站將這兩個(gè)頻率加到可用頻率列表中。

盡管FDMA是一種簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的多址方式,但在系統(tǒng)應(yīng)用和設(shè)計(jì)時(shí)一些關(guān)鍵問(wèn)題必須妥善解決。

首先是功率控制,這在功率受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中尤為突出。因?yàn)橄到y(tǒng)中某一地球站發(fā)射的功率大于額定值,就會(huì)侵占衛(wèi)星上發(fā)給其他地球站的功率;反之,發(fā)射功率過(guò)小,又會(huì)影響通信質(zhì)量。

其次是設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)頻帶。當(dāng)相鄰頻帶的頻譜成分落入本信道內(nèi)時(shí),就會(huì)引起鄰道干擾。為了避免因載波漂移致使各載波頻譜重疊,在各載波占用的頻帶之間要留有一定的

間隙作為保護(hù)頻帶。若保護(hù)頻帶過(guò)寬,則頻帶利用率降低;若保護(hù)頻帶過(guò)窄,則要對(duì)衛(wèi)星和地球站的頻率資源和濾波器等提出苛刻的要求。

最突出的問(wèn)題是轉(zhuǎn)發(fā)器工作在多載波狀態(tài)會(huì)引起互調(diào)干擾問(wèn)題,有效輸出功率降低以及強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的抑制。當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器在同時(shí)放大多個(gè)不同頻率的信號(hào)

時(shí),由于它的輸入輸出特性具有非線性,會(huì)使輸出信號(hào)中出現(xiàn)各種組合頻率成分。這種現(xiàn)象不但影響通信質(zhì)量,而且浪費(fèi)衛(wèi)星的功率。為了避開(kāi)這些干擾頻率,有些頻帶便不得不禁止使用,因而又造成了衛(wèi)星頻帶的浪費(fèi)。另外,如果被放大的各個(gè)載波信號(hào)的強(qiáng)度不同,則會(huì)發(fā)生強(qiáng)信號(hào)抑制弱信號(hào)的現(xiàn)象,使弱信號(hào)大大削弱,以致無(wú)法為對(duì)方地面站所接收。由此可見(jiàn),為了有利于發(fā)射功率不同的大小站兼容,需要確定出系統(tǒng)的最佳或準(zhǔn)最佳信道分配方案。

減小互調(diào)干擾的措施主要有:采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,使用能量擴(kuò)散信號(hào),載波非等間隔排列,利用幅度和相位預(yù)失真線性器修正功放特性等。

7.3時(shí)分多址TDMA技術(shù)是通過(guò)對(duì)各地面站所發(fā)信號(hào)的時(shí)間參量進(jìn)行分割來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如圖7-2所示。時(shí)間被分割成周期性的幀,每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙,每個(gè)站都只在分配給自己的時(shí)隙內(nèi)用同一載波頻率向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào),在滿足定時(shí)和同步的條件下,衛(wèi)星可以分別在各時(shí)隙中接收到所有地面站的信號(hào)而不混擾。同時(shí),衛(wèi)星發(fā)向每個(gè)站的信號(hào)都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸,各站只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收,就能在多路的信號(hào)中把自己期望的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)。為了使各站之間互不干擾,各時(shí)隙之間有一定的保護(hù)時(shí)隙。

圖7-2時(shí)分多址方式示意圖

7.3.1幀結(jié)構(gòu)

一個(gè)TDMA幀包含了TDMA網(wǎng)絡(luò)中所有地面站傳送的信號(hào)。幀具有固定的長(zhǎng)度,并且是由各地面站的突發(fā)脈沖傳輸構(gòu)成的。突發(fā)是TDMA地面站的一次信號(hào)發(fā)送,各地面站在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)以突發(fā)的形式發(fā)射信號(hào)。各突發(fā)傳輸之間都有保護(hù)時(shí)間,因?yàn)橄到y(tǒng)定時(shí)不夠精確以及地面站與衛(wèi)星之間的距離發(fā)生變化,導(dǎo)致衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在接收各站信號(hào)時(shí)出現(xiàn)時(shí)間上的漂移,這種情況下設(shè)置保護(hù)時(shí)間便可以避免各突發(fā)傳輸之間發(fā)生重疊現(xiàn)象。

TDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)主要包括基準(zhǔn)分幀和數(shù)據(jù)分幀兩部分,如圖7-3所示。圖7-3TDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

基準(zhǔn)分幀是為系統(tǒng)中其他分幀定時(shí)與同步提供時(shí)間基準(zhǔn)的分幀,由系統(tǒng)指定的基準(zhǔn)站或衛(wèi)星發(fā)出。數(shù)據(jù)分幀用來(lái)傳送用戶的通信信息,它由系統(tǒng)中進(jìn)行通信的地面站產(chǎn)生,數(shù)據(jù)分幀包含了若干個(gè)業(yè)務(wù)分幀,并且每個(gè)業(yè)務(wù)分幀由分報(bào)頭和多個(gè)PCM數(shù)據(jù)信道構(gòu)成。

基準(zhǔn)分幀標(biāo)記著一幀的開(kāi)始,一般情況下,TDMA系統(tǒng)都會(huì)有一個(gè)基準(zhǔn)站來(lái)發(fā)送基準(zhǔn)突發(fā),并以此作為其他地面站發(fā)送突發(fā)信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)突發(fā)包括載波和比特定時(shí)恢

復(fù)(CBR,CarrierandBit-timingRecovery)、獨(dú)特碼(UW,UniqueWord)、地球站識(shí)別碼

(SIC,StationIdentificationCode)。

CBR傳送的是供接收端進(jìn)行同步檢測(cè)所需的載波同步和比特定時(shí)同步信號(hào),報(bào)頭中的CBR具有同樣的作用。在TDMA系統(tǒng)中,按順序接收到的不同地面站的射頻突發(fā)信號(hào)不一定具有相同的載波頻率、相位和比特速率,這種差別雖然不大,但已經(jīng)足夠使接收機(jī)重新鎖定每個(gè)新的載波,并對(duì)比特時(shí)鐘進(jìn)行再同步。

UW是一個(gè)二進(jìn)制碼字,其備份存儲(chǔ)在每一個(gè)地面站中。在基準(zhǔn)分幀中,UW用來(lái)提供幀定時(shí)功能,這樣各業(yè)務(wù)地面站根據(jù)此定時(shí)來(lái)確定其業(yè)務(wù)分幀在數(shù)據(jù)分幀中的具體位置。業(yè)務(wù)分幀中的UW用來(lái)指示一個(gè)業(yè)務(wù)分幀的開(kāi)始時(shí)間,通過(guò)比較突發(fā)中到達(dá)比特和UW中存儲(chǔ)的比特,接收機(jī)就能檢測(cè)到何時(shí)一組接收比特與UW匹配,由此為接收端提供接收定時(shí),地面站可以據(jù)此從業(yè)務(wù)分幀中提取它所需要的子脈沖序列。

SIC用來(lái)識(shí)別發(fā)射信號(hào)的地面站,共有8個(gè)比特。其中,6個(gè)比特是地址碼,不同的地面站采用不同的編碼,這樣該系統(tǒng)中便可容納64個(gè)地面站;另外2個(gè)比特用來(lái)表示該地面站的性質(zhì),即是基準(zhǔn)站還是各分站,或是普通站。在有些系統(tǒng)中,沒(méi)有單獨(dú)使用地球站識(shí)別碼,而是用UW兼此功能,這就要求各地面站發(fā)送彼此不相同的獨(dú)特碼。

報(bào)頭是業(yè)務(wù)分幀的初始部分,它所攜帶的信息與基準(zhǔn)分幀中的信息類(lèi)似,兩者唯一的區(qū)別是報(bào)頭有用來(lái)傳送衛(wèi)星通信線路分配的指令信號(hào)(OW,OrderWire)。TDMA系統(tǒng)中,一切同步功能和動(dòng)作指令都在報(bào)頭中作了規(guī)定,因此,地面站在接收到信號(hào)后首先要破譯報(bào)頭,根據(jù)報(bào)頭指令才能正確解調(diào)信號(hào),并正確地選出與本站有關(guān)的信號(hào)。

TDMA突發(fā)的最后部分?jǐn)y帶了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是各幀的收益產(chǎn)生部分,而報(bào)頭和基準(zhǔn)突發(fā)信號(hào)則代表了開(kāi)銷(xiāo)。開(kāi)銷(xiāo)越小,則TDMA系統(tǒng)的效率就越高,但同時(shí)獲得并保持網(wǎng)絡(luò)同步的難度就越大。

7.3.2TDMA網(wǎng)絡(luò)同步

TDMA系統(tǒng)中的地面站必須在精確控制的時(shí)間上發(fā)射它們的射頻突發(fā),使得從每個(gè)地面站來(lái)的突發(fā)信號(hào)都能以正確的順序到達(dá)衛(wèi)星,這就要求具有嚴(yán)格同步的定時(shí)和良好的同步精確度。由于TDMA系統(tǒng)是用時(shí)間來(lái)分割信號(hào)的,因此系統(tǒng)中各個(gè)地面站要有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。絕對(duì)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際中很難做到,而相對(duì)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)易于實(shí)現(xiàn)。相對(duì)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是指規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘,基準(zhǔn)時(shí)鐘通常由一個(gè)基準(zhǔn)站來(lái)發(fā)送,系統(tǒng)中的所有地面站都以這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行工作。

初始捕獲可以通過(guò)很多方法來(lái)完成。在固定網(wǎng)絡(luò)中,可以計(jì)算出一個(gè)地面站應(yīng)該發(fā)射突發(fā)的準(zhǔn)確時(shí)間。假設(shè)計(jì)算是精確的,則地面站可以選擇在其時(shí)隙中心的時(shí)間上先發(fā)射報(bào)

頭部分。當(dāng)包含此報(bào)頭的幀返回該地面站時(shí),就可以檢測(cè)出此突發(fā)的實(shí)際位置,并且必要時(shí)還應(yīng)對(duì)定時(shí)做些修正。然后該地面站就能以正確的定時(shí)來(lái)發(fā)射業(yè)務(wù)分幀。

圖7-4是TDMA系統(tǒng)中一個(gè)地面站B站完成初始捕獲過(guò)程的示意圖。B站先只發(fā)射報(bào)頭,發(fā)射時(shí)間安排在預(yù)先計(jì)算好的B站分幀時(shí)隙的中間位置,以免影響相鄰的A站分幀與C站分幀。將B站所發(fā)射報(bào)頭中的UW與基準(zhǔn)分幀中的UW進(jìn)行比較,調(diào)整B站發(fā)射報(bào)頭的時(shí)間,逐漸把B站的報(bào)頭移到規(guī)定的位置,隨后便進(jìn)入鎖定狀態(tài),初始捕獲完成。接著B(niǎo)站就可以發(fā)射完整的分幀信號(hào),進(jìn)入通信階段。

圖7-4初始捕獲過(guò)程

開(kāi)環(huán)式同步基于精確知道衛(wèi)星位置與地面站的實(shí)時(shí)位置來(lái)決定分幀的發(fā)射時(shí)間,此方式達(dá)不到高精度的同步要求,并且需要較長(zhǎng)的保護(hù)時(shí)間,導(dǎo)致幀的利用率不高,因此在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

閉環(huán)式同步通過(guò)將所接收的來(lái)自衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的基準(zhǔn)分幀和由本站發(fā)出并經(jīng)衛(wèi)星返回本站的分幀進(jìn)行比較,檢測(cè)出接收時(shí)差來(lái)控制發(fā)射分針定時(shí),使分幀穩(wěn)定地在規(guī)定時(shí)隙內(nèi)工作。

7.3.3數(shù)字語(yǔ)音插空

數(shù)字語(yǔ)音插空(DSI,DigitalSpeechInterpolation)是一種提高語(yǔ)音電路利用率的技術(shù)。由于語(yǔ)音的斷續(xù)性質(zhì),語(yǔ)音通信信道在相當(dāng)比例的時(shí)間中處于空閑狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在語(yǔ)音通信系統(tǒng)中,每條通信線路上實(shí)際傳送的語(yǔ)音信號(hào)只占總線路時(shí)間的40%左右。

TASI利用呼叫之間的間隙,聽(tīng)話而未說(shuō)話以及說(shuō)話停頓的空閑時(shí)間,把空閑的通路暫時(shí)分配給其他用戶來(lái)提高系統(tǒng)的通信容量。它實(shí)現(xiàn)的功能是:N路語(yǔ)音經(jīng)編碼后構(gòu)成的TDM時(shí)分復(fù)用信號(hào)作為輸入信號(hào),在一幀內(nèi)N個(gè)話路經(jīng)語(yǔ)音存儲(chǔ)器與TDM格式的M個(gè)輸出話路連接。圖7-5所示是TASI信號(hào)流程。圖中第一個(gè)衛(wèi)星信道是一個(gè)預(yù)分配信道,

該信道不攜帶任何業(yè)務(wù),只用作存儲(chǔ)發(fā)射信道的被分配信息。

圖7-5TASI信號(hào)流程

在發(fā)送端,語(yǔ)音檢測(cè)器依次對(duì)各輸入話路的工作狀態(tài)加以識(shí)別,判斷它們是否有語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)。當(dāng)確認(rèn)某個(gè)話路中有語(yǔ)音時(shí),即刻通知分配處理機(jī),分配處理機(jī)立即發(fā)出指令,把該話路建立的連接狀態(tài)信息送入分配信道緩存器與分配信息產(chǎn)生器以便通知接收端。

分配信息的傳送方式有兩種:一種是只發(fā)送最新的狀態(tài)連接信息;另一種發(fā)送全部連接狀態(tài)信息。接收端根據(jù)分配信息可以將在其采樣時(shí)隙內(nèi)的正確緩存信息讀到相應(yīng)的地面

信道上。在語(yǔ)音暫停時(shí)間內(nèi),如果信道被重新分配,則接收端就會(huì)引入一個(gè)低電平噪音來(lái)模擬一個(gè)連續(xù)信號(hào)。

SPEC方式下,當(dāng)某一時(shí)刻的PCM碼樣值與前面的PCM碼樣值有明顯差別(即不能預(yù)測(cè))時(shí),才發(fā)此碼組,否則不發(fā)。這種方式大大減少了需要傳輸?shù)拇a符數(shù),使得系統(tǒng)容量得以提高。圖7-6是典型的SPEC原理圖。

圖7-6SPEC原理圖

與TASI不同的是,SPEC完全避免了剪音現(xiàn)象。但是當(dāng)激活的話路數(shù)超過(guò)衛(wèi)星信道數(shù)時(shí),只有那些預(yù)測(cè)誤差相當(dāng)大的PCM樣值可以優(yōu)先傳輸,而那些較小誤差的樣值不能

被傳輸。這些不能傳輸?shù)臉又抵荒苡盟那耙粋€(gè)樣值來(lái)代替,使得系統(tǒng)采用粗量化,增加了量化噪聲。

7.4碼分多址

CDMA多址方式有如下特點(diǎn):信號(hào)在編碼變換后其頻帶展寬了,抗干擾能力得以加強(qiáng);恢復(fù)信號(hào)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單,通信的接續(xù)相當(dāng)機(jī)動(dòng)靈活,只要同時(shí)通信的用戶不超過(guò)由互干擾決定的界限,任一通信站的加入或退出都十分方便;當(dāng)同時(shí)通信的站數(shù)減少時(shí),通信質(zhì)量會(huì)自動(dòng)提高;比較適合于容量小、分布廣、有一定保密要求的系統(tǒng)使用,因此在軍事通信中應(yīng)用較多。

盡管CDMA有很多優(yōu)點(diǎn),但它的缺點(diǎn)也不容忽視。CDMA的主要缺點(diǎn)是:數(shù)據(jù)的傳輸速率較低,不能充分利用頻帶;還需要對(duì)上行功率進(jìn)行控制,否則某些地面站會(huì)過(guò)多地使用衛(wèi)星輸出功率;要選擇足夠多的可用地址碼比較困難,對(duì)地址碼的捕獲和同步需要一定的時(shí)間。

主要的擴(kuò)頻技術(shù)有兩種:直接序列擴(kuò)頻(DSSS,DirectSequenceSpreadSpectrum)和跳頻擴(kuò)頻(FHSS,FrequencyHoppingSpreadSpectrum)。FHSS方式需要先用地址碼控制頻率合成器產(chǎn)生出能在大范圍內(nèi)頻率跳變的本振信號(hào),再與調(diào)制載波進(jìn)行混頻,其地址碼的結(jié)構(gòu)決定載頻跳變的規(guī)律。

DSSS方式是直接用偽隨機(jī)(PN,PseudoNoise)碼序列對(duì)信源輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。信源信號(hào)與PN碼進(jìn)行模2和生成速率與PN碼速率相同的擴(kuò)頻序列,再用擴(kuò)頻序列去調(diào)

制載波,就可以得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。接收機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后,首先通過(guò)PN碼同步捕獲電路來(lái)捕獲發(fā)送來(lái)的偽碼精確相位,并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端的PN碼相位完全一致

的PN碼相位,作為本地解擴(kuò)信號(hào),以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息,完成整個(gè)直擴(kuò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號(hào)接收。圖7-7為DSSS多址系統(tǒng)組成框圖。

圖7-7-DSSS多址系統(tǒng)組成框圖

7.4.1擴(kuò)頻與解擴(kuò)

DS－SS系統(tǒng)所使用的擴(kuò)頻碼要具有很好的自相關(guān)性和很低的互相關(guān)性。據(jù)此目的,人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種各樣的擴(kuò)頻碼,如m序列、gold碼、PN碼和Weil碼。在DS－SS

的研究中,都用PN碼作為擴(kuò)頻碼。PN碼近似白噪聲,頻譜分布均勻,碼的實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)簡(jiǎn)單,并且有足夠多的數(shù)量,使系統(tǒng)的通信容量不受地址碼數(shù)量的限制。

圖7-8所示是信源在擴(kuò)頻調(diào)制過(guò)程中各信號(hào)的波形。

圖7-8信號(hào)擴(kuò)頻過(guò)程

圖7-9是信號(hào)解擴(kuò)過(guò)程的各信號(hào)波形。圖7-9信號(hào)解擴(kuò)過(guò)程

7.4.2碼序列同步

碼序列同步是擴(kuò)頻系統(tǒng)特有的,也是擴(kuò)頻技術(shù)中的難點(diǎn)。CDMA系統(tǒng)要求接收機(jī)的本地PN碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致,否則就不能正常接收所發(fā)送的信息,接收到的只是一片噪聲。而PN碼序列若實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步,但不能保持同步,也無(wú)法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此,PN碼序列的同步是CDMA擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。

PN碼同步過(guò)程分為PN碼捕獲和PN碼跟蹤兩部分。PN碼捕獲是精調(diào)本地PN碼的頻率和相位,使本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的PN碼間定時(shí)誤差小于1個(gè)碼片間隔Tc。PN

碼跟蹤則是自動(dòng)調(diào)整本地碼相位,進(jìn)一步縮小定時(shí)誤差,使之小于碼片間隔的幾分之一,達(dá)到本地碼與接收PN碼的頻率和相位精確同步。

滑動(dòng)相關(guān)法是一種最常見(jiàn)的捕獲方法。圖7-10是滑動(dòng)相關(guān)法的結(jié)構(gòu)圖。圖7-10

滑動(dòng)相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)是十分簡(jiǎn)單,但是當(dāng)接收碼同本地碼之間的失配量很大時(shí),搜索過(guò)程可能很長(zhǎng)。序貫檢測(cè)法和匹配濾波法都是縮短捕獲時(shí)間的有效方法。目前利用一些新的

搜索算法進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能成為研究的熱點(diǎn)。此外,以前主要研究的是高斯信道下的捕獲性能,現(xiàn)在則考慮非高斯信道下的捕獲性能,以及在有頻偏等影響條件下的捕獲性能。

7.5空分多址SDMA方式下,多個(gè)地面站利用天線的方向性來(lái)分割信號(hào)。各站發(fā)出的射頻信號(hào)在時(shí)間、頻帶上都可以相同,但它們?cè)谛l(wèi)星上不會(huì)混淆。因?yàn)椴煌孛嬲镜男盘?hào)將瞄準(zhǔn)不同的衛(wèi)星點(diǎn)波束天線,利用多個(gè)點(diǎn)波束天線對(duì)信號(hào)的空間參量作分割,即信號(hào)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線陣空間內(nèi)位于不同的方位。在衛(wèi)星上,通常要設(shè)置交叉矩陣或再生式數(shù)據(jù)包交換矩陣,根據(jù)各站信號(hào)要發(fā)送的方向,通過(guò)交換矩陣即時(shí)地把這些信號(hào)分別轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的衛(wèi)星發(fā)射天線,地面站通過(guò)方位選擇窄波束天線就可只接收對(duì)方站的信號(hào)。各波束中的地面站除了與本波束地面站通信外,還可以通過(guò)星上交換矩陣與其他波束中的地面站進(jìn)行通信。

上述這種具有多波束天線的衛(wèi)星也稱作多波束衛(wèi)星,通常使用在兩種環(huán)境之下:其一,將原來(lái)的一個(gè)單一業(yè)務(wù)區(qū)分成若干小區(qū),用高增益天線所發(fā)射的點(diǎn)波束分別覆蓋這些小區(qū),這樣可以減小地面站天線的尺寸;其二,用多個(gè)不同的波束分別覆蓋彼此分開(kāi)的幾個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)域,這樣在衛(wèi)星功率充裕的情況下,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的重復(fù)利用,從而使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的容量成倍地增加。但是,SDMA方式對(duì)衛(wèi)星的穩(wěn)定及姿態(tài)控制提出了很高要求,衛(wèi)星天線及饋線裝置也比較龐大和復(fù)雜。此外,由于同一波束內(nèi)的用戶數(shù)量眾多,因此在實(shí)際應(yīng)用中,一般不單獨(dú)使用SDMA方式,而是與FDMA、TDMA等其他多址方式結(jié)合使用。

7.5.1衛(wèi)星交換－頻分多址

衛(wèi)星交換－頻分多址是SDMA與FDMA技術(shù)的結(jié)合,簡(jiǎn)稱SSFDMA(SatelliteSwitchedFDMA)。衛(wèi)星采用多個(gè)點(diǎn)波束天線代替單個(gè)波束天線來(lái)保持與其整個(gè)覆蓋區(qū)域

內(nèi)的連續(xù)通信,地面站至衛(wèi)星的上行鏈路信號(hào)采用FDMA方式,任何一個(gè)用戶的信號(hào)可以占用1個(gè)或者相鄰的幾個(gè)子頻帶,屬于不同用戶的子頻帶之間具有保護(hù)間隔。圖7-11是

SS－FDMA方式示意圖。衛(wèi)星上的每個(gè)濾波器都與每個(gè)上行鏈路中的載波相對(duì)應(yīng),以便能夠?qū)⒅付ㄉ闲墟溌分械膶?duì)應(yīng)載波的帶通信號(hào)提取出來(lái),并在衛(wèi)星上進(jìn)行選路操作,然后將

其送往覆蓋接收地面站的下行鏈路波束中。

圖7-11SSFDMA方式示意圖

SS－FDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器方框圖如圖7-12所示。圖7-12SSFDMA衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器方框圖

7.5.2衛(wèi)星交換時(shí)分多址

衛(wèi)星交換時(shí)分多址系統(tǒng)簡(jiǎn)稱SS－TDMA。衛(wèi)星上設(shè)置若干點(diǎn)波束天線和一個(gè)交換矩陣,將來(lái)自多個(gè)地面站的上行線路的TDMA幀在衛(wèi)星上按時(shí)間轉(zhuǎn)換,重新編成發(fā)向各地

面站的下行線路的幀,這樣就實(shí)現(xiàn)了多址通信。SS－TDMA要求地面站準(zhǔn)確知道衛(wèi)星上交換矩陣的切換時(shí)間,從而控制本站的發(fā)射時(shí)間,以保證在準(zhǔn)確的時(shí)間里通過(guò)交換,建立嚴(yán)格的同步。此方式適合站數(shù)多、業(yè)務(wù)量大、衛(wèi)星頻帶嚴(yán)重不足的場(chǎng)合。

SS－TDMA系統(tǒng)的基本原理圖如圖7-13所示。

圖7-13SSTDMA系統(tǒng)基本原理圖

在SSTDMA系統(tǒng)中必