第三章 卫星通信的多址方式

第三章卫星通信的多址方式

主要讲述的内容：①信道分配技术和多址技术的概念；②频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）。

多址技术与信道分配技术的概念3.1频分多址技术（FDMA）

3.2时分多址技术（TDMA）

3.33.1多址技术与信道分配技术的概念 所谓多址技术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技术。

在卫星移动通信系统中，处于同一颗通信卫星波束覆盖下的各地球站和卫星移动终端均向处于大气层外的通信卫星发射信号，因而要求卫星能够接收这些信号，并及时地完成如放大、变频等处理任务和不同波束之间的交换任务，以便随后向地球的某个地区或某些地区进行转发。

此间关键的问题是以何种信号方式才能便于卫星识别与区分各地球站（或卫星通信终端）的信号，同时各地球站（或卫星移动通信终端）又能从卫星转发的信号中识别出应接收的信号,以免出现多个地球站由于同时以相同的方式访问卫星，造成卫星上这些信号的相互碰撞，而不能正确接收的现象。

实际上多址技术是建立在信号分割基础之上的，即在发射端利用信号之间参量的差别来进行信号设计，使接收端能够按发端所设计的信号差别，从所接收信号中分离出各路信号，因而不同的控制策略构成不同的多址访问方式。通常多址技术包括多址方式和多址分配方式。

3.1.1信道分配方式信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多址方式不同，其信道的内含不同。

在FDMA方式中指的是各地球站所占用的转发器的频段；在TDMA方式中指的是各地球站所占用的时隙；在CDMA方式中指的是各地球站所使用的码型。1．预分配（PA）方式预分配方式又分为固定预分配（FPA）和按时预分配（TPA）方式。(1)固定预分配（FPA）方式所谓固定预分配是指按事先规定半永久性地分配给每个地球站固定数量的信道，这样各地球站只能各自在特定的信道上完成与其它地球站的通信，其它地球站不得占用。如图3-1（a）所示。此分配制度仅适于业务量大的线路。(2)按时预分配（TPA）方式根据统计，事先知道了各地球站间业务量随时间的变化规律，因而在一天内可按约定对信道做几次固定的调整，这种方式就是按时预分配（TPA）方式。也仅适用于大容量的通信线路中。

下面以卫星移动通信系统为例来说明目前所使用的信道分配方式：

2．按需分配（DA）方式按需分配方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。

这种分配方式比较灵活，各站之间可以通过协商进行通道调剂，因而可以用较少的通道为较多的地球站服务，同时还可避免出现忙闲不均的现象，提高通道利用率。

但为了实现按需分配方式，则必须在卫星转发器上单独划出一频段，专门作为公用信道，各地球站可通过此公用信道进行申请和完成通道分配工作。根据信道分配可变的程度不同，按申请分配制度又可分为以下几种类型：

(1)收端可变、发端固定的DA方式如图3-1（b）所示。举例：地球站1只发送信道f1，却可接收系统的全部信道f2、f3。

所谓发端固定是相对系统而言的，各地球站所能使用哪些发射频率是固定的。而对一个地球站来说，用其中哪一个频率则是由它自己来决定。显然此方式要比预分配方式的信道利用率高。

(2)收端固定、发端可变的DA方式所谓收端固定、发端可变就是指各地球站所能使用的接收频率是固定分配的，而发射载频则在转发全部可用频带内变动。

如图3-1（c）所示。地球站1只接收f1信道信号，而可以使用信道f2或f3作为发射信道。

因为各站的发射频率要在很宽的频率范围内变化，使得每个发射载频都不易做得很准确。而SCPC/FDMA（单载波单路信道的FDMA）的每个通道的频率都是相当窄的，这容易产生频谱失真及干扰邻近通道。

(3)收、发可变DA方式所谓收发可变方式是指发送载频与接收载频都是临时申请临时分配的，选择范围包括转发器的整个频带。

当通话结束之后，将释放全部载频，以供其他终端使用。显然当系统工作于此方式时信道利用率最高，接近于1，设备也最复杂。

3．动态分配动态分配是系统根据终端申请要求，将系统的频带资源（传输速率）实时地分配给地球站或卫星移动通信终端，从而能高效率地利用转发器的频带。这种分配制度主要是与结合TDMA方式结合起来使用，可用于数字语音及数据传输。

4．随机分配它是指通信中各种终端随机地占用卫星信道的一种多址分配制度。这种多址分配方法适用于卫星移动通信中的分组通信方式。

3.1.2多址技术在多址方式中，为了使多个地球站共用一颗通信卫星同时进行多边通信，则要求各地球站发射的信号互不干扰。

为此，就需要合理地划分传输信息所必需的频率、时间、波形或空间，并合理地分配给各地球站。按划分的对象不同，卫星通信中应用的基本多址方式有：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）。下面就分别进行介绍。

1．频分多址访问方式（FDMA）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。这样同一个卫星覆盖下的各地球站发送的上行链路载波可由该卫星转发给不同下行链路的地球站。

2．时分多址访问方式（TDMA）在TDMA中是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。这样卫星转发器可根据时间段来接收其覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。但要求使用此方式工作的系统中能够提供定时与同步功能。

3．空分多址访问方式（SDMA）在SDMA中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。但值得说明的是SDMA多址访问技术通常是与其他多址访问技术配合在一起使用，而不会单独使用。

4．码分多址访问方式（CDMA）在CDMA中是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间、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。这样卫星可根据码型上的差别来区别其覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。3.2频分多址技术（FDMA）

3.2.1频分多址技术原理与应用特点

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。如图3-2所示。

3.2.2FDMA的分类根据每个地球站在其发送载波中是否采用复用技术，又可将FDMA分为两大类：每载波多路信道的FDMA（MCPC-FDMA）和每载波单路信道的FDMA（SCPC-FDMA）。另外，在多波束环境中，通常采用卫星交换FDMA（SS-FDMA）以实现不同波束区内地球站之间的互通。

1．每载波多路MCPC-FDMA方式在图3-3中给出了采用每载波多路MCPC-FDMA方式的系统工作原理示意图,它是利用A、B地球站实现A、B、C、D地球站通信的事例。

从图中可以看出，在发送地球站A，首先基带复用器按接收站归类将发往B，C和D地球站的几路数据信号复用成基带复用信号，其频谱如图所示，然后将其送往调制器和发射机进行信号调制、上变频，使之位于分配给A站的射频频带BA之中，并沿上行链路发送给卫星接收器。

在卫星上通常所接收的信号中含许多频谱互不重叠的载波。

当经过卫星合路、变频和放大处理之后，转发到下行链路之中，发往目的地。

为避免多条载波间的相互干扰，因此必须在相邻载波之间设置一定的保护带，这样接收地球站B很容易取出射频频谱BA，并经过下变频、中频滤波和解调后，可获得一个由A站发送B，C，D三站的基带复用信号。

最后再利用一个基带解复用器对多路信号进行分路，之后将各路信号送往地面通信网。这样地球站B，C，D可以接到A站发来的信号。

由以上分析可以看出，在以MCPC-FDMA方式工作的系统中，要求接收地球站中的基带滤波器（位于基带解调器中）能够滤出特定地球站发来的信号，当该信号速率发生变化时，则要求对此滤波器迅速进行重新调谐。

实际上这是很难做到的，因此MCPC使用起来不够灵活，但适用于业务量比较大、通信对象相对固定的点-点或点-多点的干线通信。

如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。

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。

2．每载波单路SCPC-FDMA方式所谓每载波单路FDMA方式是指在SCPC系统中，每个载波中仅传送一路信号，这样在SCPC工作过程中，将无需进行基带复用、基带滤波和基带去复用处理。

发射地球站A只进行单路信号的调制、变频、放大处理，并以一个载波发射出去。

通常卫星能够接收到许多这样的载波信号，当经过卫星合路、变频、放大之后，则沿下行链路发送给接收地球站B。这样在接收站B经下变频之后，送往中频滤波器。

接收地球站B将中频滤波器的中心频率调制到发送地球站A的发射频率，当通过该中频滤波器之后，只有A站发射的信号被送往解调器，从而可获得A站所发送的信号。

SCPC系统的信道分配不再采用固定方式，而采用按申请分配的方式，即用户欲进行通信时，需预先发出一个使用信道申请，当使用完毕之后，便将其释放，此后其他用户可以申请使用该通道。

由以上分析可知，在SCPC系统中允许任意两个地球站直接通过卫星进行通信，可见易于扩展网络，但它要求每路信道使用一个调制解调器（modem），同时相邻载波之间还应提供保护带。

这样当某地球站有多条非同时工作的信道时，使得设备的利用率较低，相应的卫星转发器的频带利用率也较低，致使设备成本相对较高。

3．星上交换SS-FDMA

在图3-4中给出SS-FDMA卫星转发器方框图，从图中可以看出，上行链路和下行链路各包含3个波束（空分频率复用）。

其星上交换功能是由一组滤波器和一个由微波二极管门电路组成的交换矩阵完成的。

如图3-5所示，卫星上的每个滤波器都与每个上行链路中的载波相对应，这样能够将指定上行链路中的对应载波的带通信号提取出来，并在星上进行选路操作，然后将其送往覆盖接收地球站的下行链路波束中。

从图3-5中可以看出，每个波束均使用同一组频率。

由于星上是按预先的规定进行选路操作的，因而发往某特定地球站的信号都要求地球站的上行链路为其分配一个专门的频带（一条上行链路），如地球站A发送给地球站D的信息，就要求地球站A在上行链路中为其提供载波频率为f3的一个频段。

由图可见，不同地球站的上行链路中为发送到同一地球站信号所提供的频带不同。

例如，地球站B发往地球站D的信息占据上行链路中载波频率为f1的一个频段，而地球站C发往地球站D的信息以载波频率为f2的一个频段作为上行链路。

星上滤波器则根据此设计的，滤出每个独立的频段，然后由二极管交换矩阵将每个滤出的频段连接到相应的覆盖接收地球站的相应下行链路波束之中。

此时不同上行链路波束中，相同频段的信号被送往不同的下行链路波束。

这样，对于要求发往某地球站的信息，其地球站将为其提供相应载波频段的上行链路，可见任何一个波束中的每条上行链路都可以在任何时候被连接到任一波束中的下行链路之中。

不同上行链路波束中，相同频段的信号被送往不同的下行链路波束。可见，在此方案中路由选择方式是预先确定的，因而其频率分配方案也是事先设计的。

3.2.3SCPC系统

SCPC是英文SingleChannelPerCarrier的缩写，它是每载波单路的FDMA方式，它既可以采用固定预分配线路方式，也可以采用按需分配线路方式。

在此方式下工作的话音线路中可以采用话音激活技术，从而更有效地利用卫星转发器。这种方式适用于共用一个卫星转发器的包含大量小业务量的地球站之中。

根据基带体制和对载波调制方式的不同，SCPC可分为模拟制（FM-SCPC）及数字制（预分配SCPC和按需分配的SCPC（即SPADE））两种，下面我们仅着重介绍数字制的SCPC系统。

1．预分配的SCPC

数字制的预分配SCPC又包括PCM-PSK-SCPC（脉冲编码调制）和DM-PSK-SCPC（增量调制）方式。

在预分配SCPC方式中，任意两地球站之间进行通信时，链路上的载波只携带一路信号，占用一条卫星通道。可见是以指定通道完成相应两个地球站之间通信的，因此通道的划分便尤为重要。

(1)PCM-PSK-SCPC①SCPC的频率配置国际通信卫星组织分配各大洋区域的全球波束转发器至少有一个用于SCPC方式。

在采用SCPC方式工作的IS-IV卫星通信系统中，由于一路数字电话或数据信号是用64kb/s传输速率的PSK载波传输的，因此在一个带宽为36MHz的卫星转发器内可以设置频率间隔为45KHz的SCPC载波800个（即有800个通道），其频率分配如图3-6所示。

其中，以导频（115.9875MHz）为界，高、低频段中各排列400条通道。导频用作为各站自动频率控制（AFC）的基准，为使导频不受相邻通道的干扰，便于各地球站进行导频的接收和提取，因而不使用与之相邻的第400和第401号通道。

②SCPC终端设备结构图3-7给出了在SCPC方式下工作的各地球站的终端设备结构图，可以看出，SCPC终端设备包括地面接口单元、信道单元和公用单元三大部分。

⊙地面接口单元：负责话音业务和数据业务的输入与输出功能。

⊙信道单元：包含话音接口、数据接口、话音编码/译码器、数据编码/译码器、话音检测器、信道同步器、频率合成器和相位调制/解调器等用来完成语音信号和数据信号的编码、调制功能的设备。

⊙公用单元：主要包括中频单元和定时与频率单元等。

中频单元是SCPC终端设备与地球站的上、下变频器的接口。通过该单元可将来自信道单元的信号上变频到6GHz的上行频率，也可以将经卫星转发器传来的4GHz下行频率的信号转换到70MHz的中频，并将它们分别送到相应的信道单元。

除此之外其中还完成了包括自动功率控制和自动频率控制功能。定时与频率单元可为SCPC系统提供标准频率和定时信号。

③话音信号的传输过程

a．话音信号的传输格式在采用脉冲编码调制（PCM）的系统中，为在接收端能够正确恢复出原话音信号，话音信号的抽样必须按照奈奎斯特准则进行，即以8KHz进行抽样。

量化时采用A律13折线压扩特性，编码时采用7bits构成一个码字。以此进行抽样、量化和编码构成的PCM信源编码速率为56kb/s（7×8000＝56kb/s），如图3-8所示，然后在每32个码字（7×32=224bits）的前面插入一个32bit的消息开始代码（SOM），从而构成一帧。

可见一帧的长度为256bits。又因为一般的讲话中间有停顿，因而此时需在PCM数据码前加上一个120bits（包含40bits载波恢复和80bits的位定时恢复码）的字头，通常计算比特率时报头的比特数可忽略不计。

PCM的传输速率达到64kb/s（256bits×250个=64kb/s）。

⊙载波恢复和位定时恢复码：为了提高卫星功率的利用率，利用话音传送时的不连续或间歇的这一性质，在信道单元内设置“话音检测器”，在话音检测器中设置了一个话音电平的低端阈值。

这样当输入话音的大小超过此阈值时（例如PCM编码信号中连续4个样值超过此阈值（-24dBm或-28dBm）就发送载波信号，称为话音激活。

从而使卫星转发器中同时存在的有效载波数减少，并相应地减少了交调干扰，提高了卫星功率的利用。

由于话音激活和不断形成的载波通/断（即脉冲性）发射，为了在接收端能够对这种不连续波进行相干解调，在各分帧的前面加字头，字头中含有载波和位定时恢复码从而正确恢复出原话音信号。

⊙SOM的作用：由于在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是绝对QPSK调制方式。

为克服相干解调中，存在的载波相位模糊现象，接收端首先应确定相干检波所需要的基准相干载波相位，因此在224bit的PCM信号中插入32bit的消息开始代码SOM，利用此代码来确定帧同步，同时按所接收的SOM模式消除相干载波的相位模糊。

b．话音信号的传输过程如图3-7所示，话音信号首先通过话音接口被送入PCM编码/译码器进行编码，其输出信号为64kb/s的PCM数据码流，该数据流一方面被送入语音检测器，另一方面被送入信道同步器中。

这样在PSK调制器的输出端将根据话音电平的高低来决定是否有信号输出。

再由多个信道单元的输出信号在中频合路器上进行合路，然后经过公用单元将所合路的信号调制到70MHz的中频上，并送往地球站的发送设备，最后将信号上变频到6GHz的频率，通过天线向卫星发射。

接收过程是发送过程的反过程。首先由地球站的接收设备接收来自卫星转发器的4GHz的下行信号，并将其送往公用单元，在公用单元中经过下变频处理，从而获得70MHz中频。

同时进行自动频率控制（AFC）和自动增益控制（AGC），然后经过中频分路器进行分路，各分路信号被送入相应的信道单元，在信道单元中首先进行相干解调，其输出送往PCM解码器，经过解码便可恢复出原话音信号，最后通过话音接口、地面接口单元送往电信局。

定时与频率单元可为SCPC系统提供标准频率和定时信号。

④数据信号的传输过程在SCPC系统中，也可以传输数据信息，但由于数据信号是以连续发送的形式进行的，因而在接收端不存在相位模糊问题，因此无需为恢复载波和相位定时而增加附加字头。

但当所传输的数据信号中出现长连“0”或长连“1”时，接收端便无法从所接收的数据信号中恢复出定时信号，这样会造成误码，严重影响系统性能。

因此对所要传输的数据信号必须进行扰码，然后再进行纠错编码。

通常对48kb/s或50kb/s的输入数据采用R=3/4卷积编码，它可以纠正80个连续比特中的2个误码，对于56kb/s的PCM信源编码，采用R=7/8卷积编码，它能纠正384个连续码位中的2个错误。

由于数据传输是按连续发送方式进行的，而且在数据流中并未插入SOM，因此要达到帧同步和消除基准载波相位模糊问题，必须依靠纠错译码时伴随式计算器检测出的误码率，并根据误码率低于某规定值的情况来修正同步状态和相位。

⑤导频和导频校正技术（AFC）所谓导频是指在已调信号谱中额外地接入一个低功率的载波频率或与其有关的频率信号谱线，其对应的正弦波就称为导频信号。

⊙在SCPC系统中为什么需要引入导频？由图3-6可知，在SCPC系统中，相邻通道之间的间隔仅有45kHz，同时各地球站与卫星之间的相对位置不同，因而卫星与各地球站之间相对运动速率也不同，所产生的多普勒频移的大小也不同。

再加之各地球站的频率源的稳定度和准确度不同，因此一旦本地振荡器发生频率变动，会使其载波偏离其接收通带，严重影响传输质量。为避免此类事件，因而在发射信号中插入导频。

⊙导频的插入与校正导频插入的实现方法很简单，如图3-9（a）所示。

可见由发射机送来的已调信号S（t）与频率为fC的载波信号相乘，从而将已调信号调制到中心频率为fC的频段，然后经过一个带通滤波器，再与fC的载波信号相加，这样就在中心频率为fC的频段的中央插入了一个fC的导频。

在图3-9（b）中表示了SCPC系统中的导频校正过程的原理图。是由地球站接收设备送来的中频信号，频率范围为52～88MHz，其中包括70MHz的导频。是中心频率为45.985MHz的输出信号。

，经过混频后，其输出信号经过带通滤波器进入中频分路器，由于信号为，的合频信号，其频率应在97.985(52+45.985)～133.985(88+45.985)之间（包含导频）。

由于卫星转发器的频漂和多普勒频移的影响，使各地球站的中心频率偏离其发送中心频率，当然导频也同样偏离其发送导频频率。

但无论中心频率如何偏离，各地球站的中心频率之间以及它们与导频之间的相对关系不会发生变化，因此如果我们将导频校正到发送导频频率的话，那么各地球站的中心频率也将校正到其发送中心频率。下面我们就分析一下导频校正的原理。

如图3-9（b）所示，中频分路器中有一个带宽很窄的通带滤波器，可以取出97.985MHz单频信号，当与本地导频振荡器鉴相后，经过低通滤波器，则形成误差信号，用去控制压控振荡器VCO，调整信号频率，从而达到平移信号谱的目的。

最终使信号谱与图3-6所示的频率配置图一致，从而完成自动频率控制功能（AFC）。

(2)DM-PSK-SCPC①用DM编码/译码器代替PCM编码/译码器

DM（deltamodulation）是增量调制的英文缩写形式，也称为差值脉冲编码调制方式。

从抽样理论中可知，话音信号相邻的抽样值之间存在着很强的相关性，即信号的一个抽样值与相邻的一个抽样值不会发生迅速的变化。

这说明信源本身含有大量的冗余成份，也就是含有大量的无效或次要的成份。如果我们设法减少或消除这些冗余的成份，则可大大提高通信的有效性。

基于这样的思路便提出了增量调制的概念。

DM与PCM的区别在于DM是对相邻样值的差值进行量化、编码，而PCM是对样值进行量化、编码。

由于样值差值的取值范围要比样值本身的取值范围小得多，因而在DM中能够在保证话音通信质量的前提下，降低数据传输速率，从而提高信道的利用率。

而且相对PCM方式而言，信号的自相关性越强，当采用DM方式时所获得的数据压缩率就越大。

在DM-PSK-SCPC系统中由于我们采用了增量调制方式，因而可以用较低的速率信号就能够传送优质的话音信号。

从节省卫星功率的角度来分析，增量调制门限误码率（10-3）比PCM的门限误码率（10-4）大，因而DM方式使得每路话音传输所需的信号功率比PCM的低。另外采用DM增量调制的设备结构简单，易于实现，因此受到了广泛的关注。

②采用BPSK调制/解调在PCM-PSK-SCPC系统中使用的是QPSK调制解调技术，而在DM-PSK-SCPC系统中，一般使用的是BPSK（2PSK）调制解调器。

这是因为系统中采用的是增量调制语音编码技术，因而在保证相同语言传输质量的前提下，可大大降低信息传输速率，一般的BPSK调制、解调器就足以支持这样速率的信号传输，同时又可进一步提高系统的可靠性（与使用QPSK的情况下的可靠性相比）。

2．按需分配的SCPC系统（SPADE）

SPADE是SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment的英文缩写。

SPADE设备是采用按需分配的脉冲调制、多址联接方式的SCPC设备。

（即SCPC/PCM/DA/FDMA方式）正是由于在卫星线路的占用上采用的是按需分配方式，从而大大地提高了有限信道的利用率。

(1)SPADE的频率配置如图3-10所示，在采用SPADE方式工作的卫星通信系统中，通常将一个卫星转发器的一部分频率配置为公用传输信道（CSC），而另一部分频率配置为话音通道（CH）。

其中话音通道的频率配置与PCM-PSK-SCPC系统中的频率配置相同，其相邻两通道间的间隔为45kHz，并以导频为界划分为高频组和低频组，每组中各排列了400条通道。

同样为使导频不受相邻通道的干扰，因而与之相邻的第400号和第401号通道始终保持空闲。公用传输信道配置在转发器通带的最低端，共占用160KHz的带宽，其中占用了第1通道。

另外为了减少CSC和话音通道（CH）之间的干扰，因而将第二通道（CH2）留空，或留为它用，所以这种SPADE系统可以为48个地球站提供397条双向通路。

这样SPADE系统转发器通道组中的各载波，可以不固定的分配给各地球站。当需要使用时，必须经过申请，才能获得载频的使用权，而当通信完毕之后，必须将其释放，此时其他地球站才可以申请使用该载频。

(2)终端设备结构

3.3时分多址技术（TDMA）在上一节中我们介绍了FDMA的基本概念及其应用系统。

在FDMA系统中由于是多站公用一个卫星转发器，这样FDMA的一个卫星转发器中的功率放大器要同时放大多个地址的载波（几个、几十个甚至几百个载波），即处于多载波工作状态。

而卫星转发器中的功率放大器又是一个非线性器件，易产生互调干扰，从而防碍卫星功率的有效利用，所以人们提出了用时隙区分地址的设想，这就是时分多址。

3.3.1时分多址的概念及其应用特点

1．TDMA的基本概念在图3-14给出了TDMA系统模型，从中可以清楚地看出，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，而不同时隙进入卫星转发器的信号，按时间顺序排列起来，时隙的排列既紧凑又不重叠。

经卫星转发器放大后沿下行链路重新发回地面。覆盖在卫星波束中的每个地球站都能接收到由转发器转发来的全部射频脉冲（或突发）信号，并从中提取出各站所需的业务脉冲列。

由此可见卫星转发器按时间顺序接收到的来自不同地球站的信号，排列必须紧凑，并且彼此互不重叠，这样才能保证某个时刻卫星转发器中只有一条TDMA载波。

而且决不会出现互调和大载波抑制小载波的现象，从而可使卫星的功放工作在饱和区，能够获得到最大的卫星输出功率。

由于TDMA系统中所有地球站所发送的上行信号的载波频率都相同，因而要求所有地球站在时间上必须保持同步，这就是网络同步的问题。

2．TDMA技术的应用特点优点：⑴不存在FDMA中的互调问题。⑵系统容量大，卫星功率利用率高。

⑶提高信号传输质量，有利于综合业务的接入。⑷使用灵活。

缺点：⑴必须保持各地球站之间的同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。

⑵要求采用突发解调器（系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号）。⑶模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输。⑷初期的投资较大，系统实现复杂。

3．TDMA方式的帧结构

TDMA方式工作的简单原理图，如下图3-9所示：

如图3-16所示，TDMA系统的帧结构主要包括同步分帧（也称为基准分帧）（RB）和数据（业务）分帧（DB）。

⑴同步分帧RB（基准分帧）同步分帧中包括载波、位定时恢复（CR和BTR）、独特码（UW）和站址识别码（SIC）。

◎载波CR、位定时恢复信号BTR：传送的是供接收端进行同步检测所需的载波同步和位定时同步信号。通常占用60bits。它是指恢复出相干载波和位定时信号所需占用的时间。

◎独特码UW：在基准分帧中，是用来提供帧定时功能，这样各业务地球站才能根据此定时来确定其业务分帧在一个数据分帧中的具体位置。

◎站址识别码SIC：共有8bits，其中6bits是地址码，不同的地球站，采用不同的编码，这样该系统中可容纳26=64个地球站，另外2bits用来表示该站的性质，即是基准站，还是各分站，还是普通站。

某些系统的报头结构中未单独使用地址识别码，而是用独特码兼此功能，这就要求各地球站所发送的独特码彼此不同。

◎指令信号CW：共2bit，用来传送通道分配指令。

⑵数据分帧一个数据分帧包含了若干个业务分帧，并且每个业务分帧是由分帧报头和多个PCM数据信道构成，其中所包括的业务分帧的数目与系统中所容纳的站数或地址数有关。

◎保护时间Tg：每个分帧之间均留有一定的保护时间，因为系统定时不够精确以及地球站与卫星之间的距离发生变化，造成了卫星转发器在接收各站信号时会出现时间上的漂移，从而呈现时间上重叠的现象。

为避免此现象的发生，因此在各业务分帧之间留有一定的保护时间，一般30~300ns。

◎联络信号（SC）：共50bits，用来传送各站之间的勤务联络信息。

◎独特码UW：业务分帧中的独特码用来指示一个业务分帧的开始时间，由此为接收端提供接收定时，这样各地球站可据此来提取它所需要的包含在业务分帧中的子脉冲序列。

业务子脉冲序列的长度与业务类型有关。例如一路PCM数字话路的传输速率为64kb/s，如果帧长为Tf=2ms，那么该PCM数字话路的子脉冲序列长度为128bits。一般在TDMA网中，各站每帧都能发射许多含有若干个不同子脉冲序列的业务脉冲序列。

◎载波和位定时码、站址识别码、指令信号（OW）：在业务分帧报头中同样包含了载波和位定时码、站址识别码和指令信号，各码的功能与同步分帧中的功能大体相同。

⑶帧效率若帧长为Tf

，从图3-16中可以看出每一帧包含一个同步分帧和m个业务分帧，这说明该系统可以与m个地球站实现互通。

其中同步分帧占用了Br个比特，而每个业务分帧中的报头占用Bp个比特，各业务分帧之间的保护时间均为Tg。

由于各业务分帧中所包含的通道数可能不等，因而各分帧的长度也各不相同，如果第i分帧长度为Tbi，通道数为ni

，并且每个通道所占的比特数均为L，那么

①系统传输速率Rb

（3-1）

其中（m个业务分帧的通道数之和）。当各分帧的信道数相同时，即，那么m个分帧中包含的总信道数为。

如果其中的频带传输系统采用QPSK调制方式，那么以二比特代表一个码元，这样系统的调制速率应为

（3-2）

②帧长由于从地面线路送入的模拟信号需经过PCM编码器进行模数转换。

如果其取样周期为Ts，并且PCM编码器对每一个取样值进行S比特编码，那么缓冲存储器的容量为KS比特（K为正整数）时，为使每隔Tf时间能够在规定的时间内从缓冲器读出L比特的数字信息，而不致使存储器溢出

这就要求在KTs时间内能够存入的KS比特与Tf时间内读出的比特数L相等，即L=KS，故或（3-3）

从上式中可知，帧周期为取样周期的整数倍，例如，某PCM编码器的抽样速率为每秒8000次，则Ts=。

若其K=1，那么Tf=Ts=125μs；若K=6，那么Tf=750μs。这意味着缓冲存储器每存入六次取样比特数，才输出一次。可见Tf越长，则要求缓冲存储器的容量越大，因此必须根据实现设计要求，选取适当的Tf

。

③分帧长度由图3-16所示，设第i分帧的通道数为，那么第i分帧的长度Tbi为

（3-4）

如果各分帧的通道数相同时，即，可见各分帧的长度。

④帧效率所谓帧效率是指一帧内有效数据信息所占的时间与帧长之比。

从式（3-5）中可以看出，①在Tr，TP，Tg，m一定的情况下，Tf越长，帧效率越高，但一般帧长Tf取125μs的整数倍。②当所采用的缓冲存储器的存储量K增大，而其它参数不变时，ηf随之增高，当K→∞时，则ηf→1，但成本也增大。

【例3-1】已知一个TDMA系统，采用QPSK调制方式，设帧长为Tf

=250μs，系统中所包含的站数m=5，各站所包含的通道数相同n=4，保护时间Tg=0.1μs，基准分帧的比特数Br与各报头的比特数Bp均为90比特。

每个通道传输24路（PCM编码，每取样值编8比特码，一群加一位同步比特），求PCM编码器输出速率Rs，系统传输的比特率Rb、分帧长度Tb、帧效率ηf及传输线路要求带宽B。

4．系统的定时与同步

(1)TDMA系统定时要确定各站准确的发射时间，必须建立系统共同的时间基准，称为“系统定时”。

从图3-18中可以看出，将其中一个地球站作为基准站，因而另一个地球站（当TDMA网中存在多个地球站时，除基准站外的其他地球站）发送业务分帧的时刻是以所接收到的基准分帧中的独特码为时间基准进行的。

只要地球站保证在接收到基准分帧后，并在延时τ-2td时刻发送业务分帧，则能够确保卫星转发器以相同周期接收分帧信号。

又由于卫星与地球站之间的距离随时发生着变化，使得它们之间的信号传播时延也随之发生变化。因而要求基准站不断地调整其基准分帧的发射时刻，即改变其时钟频率。

(2)TDMA系统的同步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，即分帧的初始捕获。

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，即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，即分帧同步技术。

●分帧的初始捕获各地球站为了准确地进入指定的时隙，而不会对其它分帧造成干扰，称为“初始捕获”。

捕获的具体步骤，如图3-19所示。在TDMA系统中的一个地球站（B）欲发射业务分帧，先要准备发出本站报头，开始时它根据卫星轨道信息和捕捉站的位置信息，利用计算机预测卫星的位置－时间的关系。

并根据本站与基准站的帧内关系，调整报头的发射时间，将发射时间选择（瞄准点）在指定分帧时隙的中间（如图所示），随后发射报头信息（由于报头长度有限，因此不足以构成对相邻通道的干扰）。

然后B站将基准分帧中独特码所构成的示位脉冲与B站所发射的报头中的独特码所构成的示位脉冲（如图3-20所示）进行比较，可见存在误差。

因此B站开始调整其发射时间，逐步地将报头调整到预定位置，随后便进入锁定状态，当B站将数据信号完整地发送完毕时，则构成了一个完整的业务分帧B，表明此时已完成初始捕获，进入通信阶段。

●分帧同步：所谓分帧同步是指在完成初始捕获之后，为使所发射的业务分帧稳定在指定的时隙之内，而对分帧进行的定时控制。实现定时控制方案有多种，下面仅介绍最常用的闭环式分帧同步法。

这种方案是将所接收的来自卫星转发器的基准分帧和本站所发射的同样经过卫星转发回本站的分帧中的独特码进行比较，如存在误差，则通过调节本站分帧的发射时间，逐步减少误差，最终使本站所发射的分帧与基准分帧保持同步。

(3)独特码（UW）的检测由前面的分析可知，独特码的检测是非常重要的一个环节，它直接决定整个系统是否能够正常工作，因此UW通常选择具有良好相关特性的PN码或其改进型（不会因比特流中出现的随机性比特差错，而造成错误检测）。

从帧效率角度分析，则希望采用较短一些的码组，但从可靠性方面考虑，则希望采用较长一些的码组。在某些地球站，独特码除用于定时外，还兼做站址识别码，可见不同的地球站所使用的UW码型可能不同。除此之外，独特码检测还能够消除QPSK中的相位模糊问题。

3.3.2TDMA地球站设备图3-15中表示了一个（用于通信业务的）TDMA地球站设备组成示意图，从中可以清楚地看出，它是由地面接口、TDMA终端和信道终端构成。

1．地面接口地面接口是与用户进行信息交互的输入、输出接口。

由于卫星系统中传输的是数字信号，因而当由地面线路输入的信号是模拟信号时，可以直接使用卫星送来的时钟对所接收的信号进行抽样、量化和编码处理，因此信号通过卫星线路不存在时钟不同步的问题。

然而当地面接口所接收的来自地面线路的信号是数字信号时，因地面线路的时钟和卫星线路的时钟一般不是同步的，地面时钟和卫星时钟的频差是由于振荡器的频率误差和卫星运动所产生的多普勒频移造成的，因此必须经过相应的数字接口设备，使之彼此同步。

克服这种时钟频差的方法有跳帧法和码速调整法（也称脉冲插入法）。

2．TDMA终端

TDMA终端用于进行TDMA通信。从图3-17中可以清楚地看出，TDMA终端包括三大部分，即发射部分、接收部分和控制部分。下面我们首先从它们所完成的功能开始进行介绍。

(1)TDMA终端功能①完成帧发送与接收。对地面接口送来的信号，首先进行分帧操作，以分帧形式经卫星转发出去；接收由卫星转发器转发的所属分帧信号，并进行分路，将其送往各地面接口。

②实现网络同步，即完成系统的初始捕获和分帧同步。③实现对卫星线路的分配与控制。

(2)TDMA帧的发送与接收一般说，送至地面接口的都是不同用户经多路复用的速率较低的连续比特流。而发往卫星的则是高速数据速率（或称突发速率）的射频分帧。

因此，为了实现变速，需要有存储一帧的压缩缓冲存储器。反之，在接收端则需备有一个扩展缓冲存储器。在TDMA定时单元的控制下，在每帧规定的时间段，由合路器将报头插入，就成为完整的TDMA分帧。

随后对中频（例如70MHz）载波振荡进行QPSK调制，由终端输出送给上变频器，变频并放大以后发射向卫星。由于有“报头”的引导，所以被发射的分帧信号能准确地进入卫星内所指定的时隙。

当TDMA终端接收到来自卫星转发器的TDMA射频分帧信号时，经过下变频器将信号变换为中频（70MHz）的相应信号，再利用QPSK解调器进行解调，恢复出基带数据信号，并将其送至报头检测器和多路分路装置。

在报头检测器中利用独特码检测器检测出所接收分帧“报头”中的独特码，以此判断出该分帧信号是由哪一个地球站发送给本站的，并控制分帧同步器和其它定时同步。

在定时单元和收时序控制装置的控制下，取出相应的分帧数字信号，经解扰码和纠错译码后，送至扩展缓冲存储器，把压缩的高速数据脉冲，扩展为与某个时隙相对应的一帧连续的低速数据脉冲。

最后在收时序控制器的控制下，只选出送给本站的信号，并送往地面接口单元。

在TDMA终端的同步定时控制系统中，通过控制基准分帧的uw码得到TDMA帧的定时，进而根据基准分帧uw码的接收定时和本站分帧uw的接收定时之间存在的时间差，或由基准分帧提供的同步控制信息来决定分帧的发射定时。

3.3.3SDMA-SS-TDMA方式

SDMA-SS-TDMA系统称为空分多址卫星交换TDMA系统，简称SS-TDMA。

空分多址SDMA方式是按空间划分联接方式的简称。它是利用具有多波束天线的卫星（简称多波束卫星）来实现。

1．多波束卫星多波束卫星是指具有多波束天线的卫星。这种卫星通常使用在两种环境之下：其一，将原一个单一业务区分成若干小区，用高增益天线所发射的点波束分别覆盖这些小区。

这样可以减小地球站天线的尺寸。其二，用多个不同的波束分别覆盖彼此分开的几个业务区域，这样在卫星功率充裕的情况下，可以实现对频率的重复利用，从而使卫星转发器的容量成倍地增加。如图3-22所示。

2．工作原理在图3-23中给出了SDMA-SS-TDMA系统的基本原理图。由图可以看出该系统共包含控制电路部分和信号接收与发送电路部分。

(1)控制电路部分●动态开关矩阵DSM：通过它可将各地球站送往卫星的TDMA分帧信号按其去向进行切换，并送到其目的波束区域，供目的站进行接收。

（DSM有用微波开关的，有用中频开关的，还可用基带开关电路实现。）

●切换控制电路DCU：完成DSM切换控制功能的电路，并给DSM提供和TDMA时帧具有相同周期的控制信号。控制信息是预先由地球站发送来的，存储在DCU存储器中。

●遥测遥控指令站TT&C：完成DCU的存储信息的收、发以及DSM的切换等操作。

(2)信号接收和发送电路部分在图3-23中仅以三个波束的SS-TDMA系统为例来说明其工作原理，由图可见卫星上共有三副窄波束天线，分别用于接收相应区域内地球站所发射的信号和向相应区域内的地球站转发信号。

这样便形成了三个分离波束，各自覆盖其相应的通信区域。每个波束区域内可以有一个地球站，也可以有多个地球站，它们是按TDMA方式工作的。

时帧：所有波束覆盖的通信区的时隙在卫星内占据的时段即为卫星的一个时帧τf。图3-24（a）所示。分帧：每个通信区的时隙叫做分帧τfi。

子时隙：每个分帧又根据通信区域内地球站的多少分为若干子时隙τi。

若A区域内的某一地球站要与A、B和C区域内的地球站进行通信，因此发往各区域地球站的信号，分别组成上行TDMA时帧中AA、AB和AC三个分帧。

同理，如果此时由B区和C区内某一地球站发出的上行TDMA时帧中所包含的三个分帧分别是BB，BC，BA和CC，CA，CB。

由上面的