第三章卫星通信系统3-3

1、第三章第三章 卫星通信系统卫星通信系统 2 3.1 卫星通信基本概念卫星通信基本概念 3.2 通信卫星与地球站通信卫星与地球站 3.3 卫星通信体制卫星通信体制 3.4 卫星通信线路的设计卫星通信线路的设计 3.5 军事通信卫星网军事通信卫星网 本章内容 所谓的通信体制，指的就是通信系统所 采用的信号传输方式和信号交换方式，也就 是根据信道条件及通信要求在系统中采用的 是什么样的信号形式（时间波形与频谱结构） 以及怎样进行传输（包括各种处理和变换）、 用什么方式进行交换等。 3.3 卫星通信体制 卫星通信由于具有广播和大面积覆盖的特点，因 此特别适用于多个站之间的同时通信，即多址通信。 多址通

2、信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地球站可 以通过共同的卫星进行双边或多边通信联接常称之 为“多址连接”。此外，卫星通信是利用卫星来实现 中继通信的，因此如何充分利用卫星转发器的功率和 频带，是卫星通信一个重要的问题，这个问题还涉及 到卫星通道的分配方式。卫星通信体制的内容： 3.3 卫星通信体制 基带信号形式基带信号形式 基带信号有哪些方式？是模拟制还是数字制？采 用何种信源编码？基带信号是单路传输的还是多路传 输的？采用何种多路复用方式，是频分多路复用的还 是采用时分多路复用的？基带信号需经过何种重要的 加工处理等等。 3.3 卫星通信体制 采用的调制制度采用的调制制度 采用何种调制制度，是

3、调频、移相键控、 还是其它的调制制度。 3.3 卫星通信体制 采用的多址联接方式采用的多址联接方式 各地球站采用怎样的方式建立相互连接， 是采用频分多址、时分多址、空分多址、码 分多址，还是其他多址联接方式。 3.3 卫星通信体制 采用的通道分配与交换制度采用的通道分配与交换制度 通道的占用是怎样分配的，是预分配，还是按申 请分配，或是随机占用。根据申请而选定通道，这意 味着具有一种交换功能，因而还要确定采用怎样的申 请方式。星上是否采用处理转发器，转发器上有无交 换装置，采用怎样的星上交换制度？ 3.3 卫星通信体制 例如，目前国际卫星通信中传输多路电话 用得最多的一种体制是：模拟制/频分复

4、用/调 频/频分多址/预分配；发展最快的一种体制是： 数字制/时分多路复用/数字调相/频分多址/预 分配。 3.3 卫星通信体制 10 1.基带信号和纠错方式基带信号和纠错方式 （1）基带信号形式可以是模拟制也可以是数字制的。 模拟信号在数字制卫星通信系统中传输，要先进行模 /数转换。转换方法有脉码调制（PCM）、自适应差 分脉码调制（ADPCM）、增量调制（DM）。 3.3.1 卫星通信体制概述 11 （2）基带信号可以单路传输，也可以多路复用后传输， 传输方式：FDM、TDM。多路复用方式是在终端设备 上进行信号分割的技术，达到一个站同时传送多路信号 的目的。 （3）基带信号通常还要进行某

5、种加工和处理，例如预 加重、加密、差错控制编码、数字话音内插、 扩频编 码等。 3.3.1 卫星通信体制概述 12 2. 调制方式调制方式 数字调制制度逐步应用于卫星通信。 3.3.1 卫星通信体制概述 卫星通信的一个基本特点是，能进行多址通信，系 统中的各地球站均向卫星发送信号，卫星将这些信号混 合并作必要的处理与交换，然后向地球某一区域转发。 那么，用怎样信号传输方式，才能使接收站从这些信号 中识别出发给本站的信号并知道发自何站呢？又怎样使 混合的各站信号的干扰尽量小呢？ 3.多址联接方式多址联接方式 3.3.1 卫星通信体制概述 14 多址联接是指在卫星的覆盖区内，各地球站通过共 同的卫

6、星，同时分别建立相互之间的通信线路而实现的 多边通信。 实现多址联接的关键是各地球站所发信号经卫星转 发器混合与转发后应能为相应的对方站识别，同时，各 站信号之间的干扰要尽量小。 3.多址联接方式多址联接方式 3.3.1 卫星通信体制概述 15 在多址连接在多址连接 方式下卫星通信方式下卫星通信 能同时实现多方能同时实现多方 向多个地面站之向多个地面站之 间的相互联系。间的相互联系。 对于多址连接方对于多址连接方 式来说，最关键式来说，最关键 的是每个地球站的是每个地球站 都能迅速准确从都能迅速准确从 卫星转发下来的卫星转发下来的 总信号中分出发总信号中分出发 给自己的信号。给自己的信号。 1

7、6 实现多址联接的技术基础是信号分割，只要信号之 间在某一参量上有差别，就可以把这些信号分割开。 在卫星通信中的信号分割和识别是以载波频率出现 的时间或空间位置为参量实现的。有：频分多址 （FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA） 和码分多址（CDMA）。 3.3.1 卫星通信体制概述 3.多址联接方式多址联接方式 17 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 对卫星信道占用需要确定一定的制度，有： 预分配、按需分配、随机占用。 主要讨论卫星通信比较独特的多址联接方式及信道 分配制度。 3.3.1 卫星通信体制概述 随机分配(RA) 动态分配(DYA) 分群全可变方式(G-VT

8、-VR) 收端固定发端可变的方式(FR-VT) 发端固定收端可变的方式(FT-VR) 固定预分配方式 (FPA) 按时预分配方式 (TPA) 1、预分配制(PA) 2、按申请分配制(DA) 全可变方式(VT-VR) 3、其他分配制度 分配制度分类：分配制度分类： 预分配（预分配（PAPA） （1 1）固定预分配方式（）固定预分配方式（FPAFPA） 这种分配方式是，按事先规定，半永久性地分 配给每个地球站固定数目的载波，各地球站只能用 分给它的这些特定频率与有关地球站通信，而其他 站不能占用这些频率。 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 (i1) 固定预分配方式（固定预分配方式（FPA）

9、 (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）按时预分配方式）按时预分配方式(TPA)(TPA) 事先知道各地球站间业务量随“时差”及其它 因素作周期性变动时，可约定一天内通道分配作几 次固定的调整。这种方式称为按时预分配方式。显 然其通道利用率比固定时要高，但从每一时刻看， 它仍然是固定分配的。这种方式只适用于大容量线 路，而且多用于国际通信场合。 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 按申请分配（按申请分配（DADA） 固定分配的主要矛盾是业务量随机变化而通道 的分配却是固定

10、的，两者难以达到很好的匹配。对 于业务量较小且地球站较多的卫星通信网，最好采 用分配可变的制度，即卫星的通道不是或不完全是 固定分配给各站专用的，而是根据地球站的申请临 时分配给其使用，通话完毕又收归公用，通常称之 为按申请分配或按需分配。 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 23 它是指网中各站随机地占用卫星信道，若发生“碰 撞”则重发的一种多址分配制度。 特点： o 随机地、间断地使用信道； o 用于进行数据通信时可以分组传输，可以大大提高信 道的利用率。 随机分配（随机分配（RA） 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 它是对固定预分配的一种重大改进，比较灵活， 各站之间可以互

11、相调剂通道，因而可用较少的通道 为较多的站服务，这就基本上可以避免忙闲不均的 不合理现象。在站多而业务量都较小的情况下，这 种制度的通道效率是很高的。但是为了实现按需分 配，要使用比较复杂的控制设备，并且一般要在转 发器上单独开辟一专用频段作为公用传信通道 （CSC），供各站申请、分配通道时使用。 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 CSC是广播式的公用传信通道。系统中各站都 监视、接收这个频率的信号。各站对CSC的占用可 以采取TDMA方式，即各站在规定的时隙用CSC的载 频发出申请码组；也可以使用随机占用方式，即各 站在任意时刻发射申请码组，当然有可能几个站同 时申请而发生碰撞，这就

12、需要重新申请。 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 根据通道分配可变程度的不同， 申请分配制有以下几种类型： 发端固定收端可变方式(FT-VR) 收端固定发端可变方式(FR-VT) 全可变方式(VT-VR) 分群可变方式(G-VT-VR) 4.信道分配与交换制度信道分配与交换制度 27 在多个地球站共用卫星转发器的通信系统中，按分配 给各站的射频载波频率不同区分站址的方式。 基本特征是把卫星转发器的可用射频带宽分割成若干 互不重叠的部分，分配给各地球站作为所要发送信号的载 波使用。 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。 3.

13、3.2 频分多址（FDMA）方式 28 FDMA的分类：的分类： 与几个站通信就发几个载波 卫星卫星 就照就照 发照发照 收。收。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 29 多址载波 每个地球站只发一个载波，利用基带中的频分多路 复用或时分多路复用将发往不同站的信号安排在不同的 群路上，以便各对方站识别并取出到该站的信号。 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，最后再以频分多址方式发射和接收。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 30 31 频分多址FDMA的多址载波方式系统示例： 该系统中共有四个地球站使用同一个

14、卫星转发器， A、B、C、D四个站的载波频率不同，并且频谱无重 叠，如D站要与其它的三个站同时通信，D站发出的 信号包括A、B和C站的信号，A、B、C三个站接收机 滤出各自站频谱（用不同颜色代表）内信号。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 32 单路单载波（SCPC）方式 在预分配SCPC方式中，任意两地球站之间进行通 信时，其下行链路的载波只携带一路信号，并且占用一 条卫星通道。 如：在采用SCPC/PA方式工作的IS-IV卫星通信系统中， 将其中一个卫星转发器的36MHz带宽等间隔地分为800 个通道。 以导频为界，高低频段中各设置400条通道，通道 间隔45KHz。 3.3.2 频分

15、多址（FDMA）方式 33 导频是指在已调信号谱中额外地插入一个低功率的载 波频率或其有关的频率信号谱线，其对应的正弦波就称为 导频信号。 导频的主要作用是由于相邻各载频间隔很小，卫星与 每个地球站的频率稳定度和准确度等各不相同，为了保证 载频的严格排列，通常由参考站发一个导频信号作为基准， 各地球站收到此导频信号后对自己的工作频率进行严格的 校正。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 34 SCPC/PA系统的频率配置 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 35 载频是预先分配给各地球站使用的，任一站不能 占用分配给其他站使用的载频。 单路单载波（SCPC）方式的任一地球站要发几 路话，就

16、得发射几个载波。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 这种方案的缺点如下：这种方案的缺点如下： 多个载波信号同时通过转发器时，会发生 转发器有效输出功率降低，产生交调噪声 和可懂串话、强信号对弱信号的抑制现象， 并且大小站难以兼容，各站发射功率必须 保持稳定。 不灵活，要重新分配频率比较困难。 3.3.2 频分多址（FDMA）方式 37 按分配给各站的不同工作时隙区分各站的信号。 在按时分多址方式工作的系统中，由于分配给各地 球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地 球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫 星发射信号，并经放大后沿下行链路重新发回地面。卫 星转发器可处于单载

17、波状态。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 38 39 由于分配给每个地球站的不再是一个 特定的载波，而是一个指定的时隙，如 T1、T2、T3Tk是各地球站在卫 星转发器中所占时隙，这样能有效地利用 卫星频带而又不使各站信号相互干扰。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 40 TDMA系统模型系统模型 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 41 时分多址时分多址TDMA系统的系统的同步同步内容包括：内容包括： o 载波同步载波同步 o 时钟同步时钟同步 o 分帧同步分帧同步 要求在极短的时要求在极短的时 间内从各接收分间内从各接收分 帧报头中帧报头中完成基完成基 准载波和时钟信准载波和时

18、钟信 号的提取号的提取工作。工作。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 42 分帧同步包括两方面的内容： 其一是指在地球站开始发射数据时，如何使其进入指 定的时隙，而不会对其他分帧构成干扰，这就是分帧 的初始捕获。 其二是指如何使进入指定时隙的分帧信号处于稳定的 工作状态，就是使该分帧与其他分帧维持正确的时间 关系，不致出现相互重叠的现象，这就是分帧同步技 术。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 43 一种典型的一种典型的TDMA帧结构帧结构 PCM/TDM/PSK/TDMA 基准分帧 基准站 C B A地球站 (a) 帧 通信卫星 A站分帧B站分帧C站分帧Z站分帧 T r 帧周期T f

19、 前置码到站A到站C到站Z 分帧周期T b PCM数据 保护时间载波恢复比特定时 独特码监 控勤 务 T p T g (b) 基准站分帧 数据分帧 分帧报头 44 （1）基准站分帧 基准站分帧中包括载波、位定时恢复（CR和 BTR）、独特码（UW）、站址识别码（SIC）和指 令信号（CW）。 （2）数据分帧 一个数据分帧包含了若干个业务分帧，并且每个 业务分帧由分帧报头和多个PCM数据信道构成。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 45 分帧报头中的 保护时间用来防止与前一站突发分帧信号重叠； 载波恢复与比特定时信号为接收端提供同步信号； 独特码表明站名及突发的起始时间（要求各站不同）； 控

20、制信号用来传送通道等指令； 勤务联络用来为各站传送勤务联络信息。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 46 由卫星转发器转发由卫星转发器转发 各地球站接收各地球站接收 Rs 在规定的一个突发分帧在规定的一个突发分帧 时间内发往卫星时间内发往卫星 47 多载波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一个 TDMA系统中采用多载波，而在每条载波上以TDMA方 式工作，可以传送相对较低（几十kbit/s到20Mbit/s） 的信号速率。 当MC-TDMA系统中仅使用一条载波时，就是传统 的单载波的TDMA方式；当使用多条载波，并且每条载 波只有一路信号时，就是SCPC方式；当采用多条载波， 而且每条载

21、波传送同一个地球站发送的多路信号时，则 工作于MCPC方式。 3.3.3 时分多址（TDMA）方式 48 TDMA、 、SCPC和和MC-TDMA 使用转发器频带对比使用转发器频带对比 49 又称为“扩展频谱多址联接方式”。 对各地球站分别用各不相同的、互不相 关的伪随机码（地址码）将发送的信号进行 扩频调制。 即使各站发射的信号在频率、时间、空 间上相互重叠，也不会出现相互干扰。 3.3.4 码分多址（CDMA）方式 50 按分配给各站的地址码的不同来区分地址 的方式称为码分多址。 码分多址有多种方式，日前应用较多的两 种是： 直接序列扩频码分多址（ CDMA / DS ） 跳频码分多址（C

22、DMA / FH ） 3.3.3 码分多址（CDMA）方式 51 利用自相关性非常强而互相关性非常弱的周期性码 序列作为地址信息，对被用户信息调制过的已调波进行 再次调制，使其频谱大为展宽（称为扩频）；经卫星信 道传输后，在接收端以本地产生的已知的地址码为参考 ，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中 将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带 而选出，其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展 为宽带信号而滤去。 3.3.3 码分多址（CDMA）方式 52 例如，i站发送端与k站接收端地址码相同，则可把i 站的信号传给k站；若i站要接收k站发来的信号，则i站 接收端与k站发送端必

23、须用相同的地址码。 任一站都可接收到由卫星转发的所有信号，即各个 站发送的地址码序列之和。由于分配给各站的地址码互 不相干，因而各线路互不干扰。 3.3.3 码分多址（CDMA）方式 53 54 扩频通信的基本原理 PN码 产生器 LNAD/C 扩频 解调 信息 解调 同步 PN码 产生器 信息 调制 扩频 调制 U/CPA ak(t)bk(t)Sk(t) ck(t) S(t)bm(t)am(t) cm(t) PA:功率放大 LNA：低噪声放大 bk(t) 0 RsRs Rc0Rc Sk(t)S(t) Rcf0Rc 干扰 Rc Rsf0RsRc bm(t) 数字信号 无用信号 干扰 数字信号 任何不匹配的输入信号则被本任何不匹配的输入信号则被本 地码扩展为宽带信号，其功率地码扩展为宽带信号，其功率 谱密度大为减小。谱密度大为减小。 在发送端，原始信息在发送端，原始信息 被一个带宽较其带宽被一个带宽较其带宽 宽得多的伪随机码宽得多的伪随机码 (PN码码)进行扩展调制。进行扩展调制。 在接收端，接收到的在接收端，接收到的 扩展频谱信号与一个扩展频谱信号与一个 和发送端和发送端PN码完全码完全 相同的本地码进行