第二章 卫星通信体制

第二章卫星通信体制•卫星通信技术基础•卫星通信体制的基本内容•卫星通信多址联结技术•其他多址技术•多址分配制度卫星通信技术基础•电信号与通信系统★信号、消息、信息★模拟信号、数字信号•编码技术•调制与解调编码技术在卫星通信发展的早期，卫星转发器一般是功率受限，同时所需的通信容量（一般指电话、电视的路数）不是很大，所以模拟信号的传输都是采用调频FM方式。这种调制方式一方面传输质量较好，能得到较高的信噪比，另一方面能充分利用地面微波中继的成熟技术。在这种系统中，一般采用预加重技术、门限扩展技术和语音压缩编码技术来改善系统性能。主要体制有两种：FDM/FM/FDMACSSB（压扩单边带）/AM/FDMA概述在模拟卫星通信系统中，一般采用门限扩展技术来降低鉴频器的门限电平，例如：采用门限扩展解调器（锁相环解调器、频率负反馈解调器等）。由于接收机鉴频器的输出信噪比与调制指数（频偏与调制频率之比值）的平方成正比，因此排列在基带低频处的话路与排列在基带高频处的话路的信噪比不同，调制频率高则输出信噪比就低。为了保证输出信噪比均匀，还采用了预加重技术：在调频时先将多路话音信号通过预加重网络，使排列在低频处的话路调制指数降低，排列在高频处的话路调制指数上升，结果使得解调后的各电话通路的信噪比趋向一致。解调后的基带信号再通过去加重网络，使各路信号电平一致。目前，随着航天技术的发展，已能发射具有较大输出功率的卫星，并且用户对通信容量的要求日益增长，所以频带宽度的问题已成为主要矛盾，人们采用压扩单边带（CSSB）调制来传输电话信号，这种方式占频带较窄，可以提高通信容量。CSSB/AM/FDMA体制尽管要求较大的输出功率，但当它和固态功率放大器SSPA或线性行波管一同使用时，能使一个常规带宽为36MHz的转发器容纳约7000条单向话路，比FM方式有显著增加。所以，FMD/FM/FDMA方式是功率利用率较高（与AM方式相比）且频带利用率尚可（与PM方式相比）的调制方式；CSSB/AM/FDMA方式是频带较高但功率要求较大的调制方式。数字卫星通信中对所采用的调制解调技术的一般要求是：具有较高的功率利用率和频带利用率。通常一种调制技术不能同时达到最高的功率利用率和频带利用率，而需要根据实际要求进行折衷。当前，卫星通信主要是工作在功率受限的情况下，所以，数字调制技术的选择主要是采用功率利用率高的调制方式。卫星通信使用的数字调制方式，最基本的也是ASK、FSK和PSK方式。选择数字调制方式要考虑以下因素：1、设计目的：（1）、主要从功率利用率高的角度出发（功率有效）：如二、四进制调制（2DPSK、QDPSK等）（2）.主要从频带利用率高的角度出发（频谱有效）：如多进制调制方式（8PSK、MQAM等）2、通信体制：（1）、非恒包络调制：在采用FDMA体制的数字卫星通信系统中，由于转发器是多载波工作（要求系统的非线性影响小），行波管的输入输出特性工作在准线性部分，允许非恒包络调制，但实际上由于还是有交调干扰的存在，因而限制了非恒包络调制方式，大多采用FSK、PSK等恒包络调制方式。（2）、恒包络调制：在采用TDMA体制的数字卫星通信系统中，因为转发器是单载波工作（不会受到交制裁干扰的影响），所以为了有效的利用卫星的功率而使行波管输入输出特性在饱和点附近，因此应采用恒定包络的调制方式。如FSK、PSK、QPSK、MSK、CPFSK、MPSK等恒包络的调制。（3）信道特性：由于电波主要是在自由空间传播（只有部分穿过大气层）信道参数比较稳定，信道的主要干扰就是加性高斯白噪声，所以是恒参信道。在恒参信道中，采用PSK方式可获得最佳接收性能，且能有效的利用卫星频带。调制与解调•模拟制的频率调制与解调★调频★FM调制器★FM解调器•数字制中的相位调制与解调★BPSK的基本概念★BPSK调制器与解调器卫星通信体制的基本内容•卫星通信的通信体制——即卫星通信系统的工作方式。也就是卫星通信系统所采用的信号传输方式和信号交换方式。•具体来讲，就是根据信道条件及通信要求，在系统中采用的是什么信号形式（时间波形与频谱结构），以及怎样进行传输（包括各种变换和处理）、用什么方式进行交换等。•采用的基带信号形式•采用的中频或射频调制制度•采用的多址联接方式•信道分配与交换制度•一个卫星通信的体制，主要包括多路复用方式、调制解调方式、编码方式、多址联接方式以及信道分配与交换制度等。•多路复用★单路制--SCPC★群路制—MCPC（模拟：FDM；数字：TDM）•调制解调——BPSK、QPSK、OQPSK等•编码方式——主要采用波形编码，常用的是64kb/s的PCM和32kb/s的ADPCM多址方式与信道分配•多址方式的分类•多址方式是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信方式。•信号的复合与分离图信号的复合与分离模型•基本多址方式有:•(1)频分多址(FDMA)•(2)时分多址(TDMA)•(3)码分多址(CDMA)•(4)空分多址(SDMA)•多址技术•在卫星通信中的信号分割和识别是以载波的频率、出现的时间或空间位置为参量实现的，归纳起来可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）以及它们的组合方式。•频分多址访问（FDMA）方式是卫星通信多址技术中的一种比较简单的多址访问方式。在FDMA中是以频率来进行分割的，其在时间和空间上无法分开，故此不同的信道占用不同的频段，互不重叠。•时分多址访问（TDMA）方式是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间是无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。•空分多址访问（SDMA）方式是以空间作为参量来进行分割的，其频率和时间无法分开，因而不同的信道占据不同的空间，这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。•码分多址访问（CDMA）方式是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间和空间上均无法分开，因而不同的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或准正交。除以上四种多址方式外，还有一种卫星分组数据传输用的多址方式：按照通信协议对多址通信分类。对于不同的通信协议，卫星分组通信网的连接方式分为：固定分配、随机分配、预约分配等连接方式。频分多址方式频分多址是卫星通信多址技术中的一种最简单、应用最广泛的多址技术。在这种卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波具有一定的频带，为了避免相邻载波之间的互相重叠，各载波频带间要设一段很窄的保护频带。•基本概念和系统组成•1.工作原理•在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。图频分多址方式的原理框图•2．FDMA的应用特点•频分多址方式是最基本的多址方式，也是最古老的多址方式，其最突出的特点是简单、可靠和易于实现。••（1）要求解决好卫星的功率和带宽之间•（2•（3•（4）尽量减少互调的影响。(1)单址载波：特点：A)本站向其他n-1个站通信需n-1个载波B)n个站同时通信需n(n-1)个载波C)载波太多易引起严重的交调D)用于站点不多的情况（2）多址载波：各站信号先复用在指定频段，再调制到一个射频载波上发送；收端：用带通滤出相应的信号。特点：A)本站向其他n-1个站通信只需1个载波（上行和下行载波不同，1个载波只是指上行）B)信号复用和多个站点复用是不同的，每个站点的信号包含了多路电话C)无论有无电话，发射载波和个站复用的载波都在工作⑴单路单载波SCPC（SingleChannelPerCarrier）用于站数多而每站业务量较小的系统。常用的有：PCM/SCPC/QPSK/FDMA/PAPCM/SCPC/QPSK/FDMA/DA其中按需分配的SCPC又称为SPADE（SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment）频分多址方式可以根据多路复用和调制方式的不同，分为如下几种体制：⑴单路单载波SCPC（SingleChannelPerCarrier）用于站数多而每站业务量较小的系统。常用的有：PCM/SCPC/QPSK/FDMA/PAPCM/SCPC/QPSK/FDMA/DA其中按需分配的SCPC又称为SPADE（SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment）频分多址方式可以根据多路复用和调制方式的不同，分为如下几种体制：⑵多路单载波（ＭＣＰＣ每载波多路）例如：１２路、２４路电话多采用FDM/FM/FDMAFDM/FM/FDMA：•频分复用／调频／频分多址，特点：各站载波频率不同SCPC/FDMA：•每载波单路／频分多址，调制方式可用：PCM/PSK、FM、△M/PSKPCM/TDM/PSK/FDMA：•脉码调制（ＡＤ）／时分复用／移相键控／频分多址•在FDM-FM-FDMA方式中，首先基带模拟信号以频分复用方式复用在一起，然后以调频方式调制到一个载波频率上，最后再以FDMA方式发射和接收。•在TDM-PSK-FDMA方式中，首先将多路数字基带信号用时分复用方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。•1.频分复用：–多路信号搬移到基带不同位置，常用单边带频分复用......下边带FDM2.调频：–调制到射频，技术成熟、为滤除各谐波一般在较低的中频上调频（分散中频和射频）FDM/FM/FDMA图FDM/FM/FDMA方式原理图•每个站都有一个对应的载波•A站发5个基群，分别由B、C、D、E、F站接收•一个站要能接收其他各站的信息，必须有对应其他各站的下行接收设备•发送单元包括基带处理单元、相位调制器、上变频器。•接收单元包括下变频器、带通滤波、中频放大、基带处理单元。图FDMA设备的基本组成图•转发器和地球站发射机的高功率行波管放大器(TWTA)是非线性的。•由振幅变化引起非线性输出的振幅变化为AM/AM变换，引起相位变化为AM/PM变换•1)产生交调干扰：–产生组合频率，干扰有用信号•解决方案：–A)控制中心频率的间隔，例：４载波，把频带分为七份，取０、１、４、６为载波–B)加能量扩散信号：使工作频带内频谱均匀、降低干扰电平。信号为２０－１５０Ｈｚ的对称三角波–C)选择合理的行波管工作点2)频谱扩展：出现多余频谱，干扰相邻的卫星信道3)信号抑制：大站信号抑制小站信号，解决方案：控制大站功率4)调制变换：AM/AM、AM/PM变换，引起串话噪声非线性放大器的影响•高功率行波管放大器（TWTA）是非线性器件。例如：图3-6所示的是国际通信卫星IV用的TWTA特性。•非线性放大器对系统性能的影响当TWTA同时放大多个不同频率的载波时，会对系统的性能产生以下不良影响：•1、交调失真：由于非线性造成各种组合频率成份，落入通带后造成对有用信号的干扰。输出功率退回量（输出补偿）行波管放大单个载波时的饱和输出电平与放大多个载波工作点时的总输出电平之差。输入功率退回量（输入补偿）行波管放大单个载波达到饱和输出时的饱和输入电平与放大多个载波工作点的总输出电平之差。例：下图中输入退回量：4dB输出退回量：1.9dB•载波数增加时，各载波的输出电压幅度将有所减小•同时放大两个载波时，饱和输出电平约下降1.2dB•多载波放大时，饱和电平下降1.5dB•减少交调干扰的方法:(1)控制各载波中心频率的间隔，合理分配不同幅度、不同容量的载波位置不等间隔地配置载波中心频率。一般，位于转发器频带中央的载波间隔大，而在两边的小。可减少交调成分量高峰的影响。如表3-1。(2)加能量扩散信号负荷轻时，调频信号频谱就会出现能量集中分布的高峰，这样，将会在卫星转发器内出现高电平三次或五次交调产物。此时，用一个适当信号（能量扩散信号，如20~150Hz对称三角波）对载波进行调制，就可使调频信