卫星大作业设计

卫星移动通信系统设计

一、主要技术指标

1）主要覆盖东南亚地区（92°E~140°E,10°S~23°26'N）,地面终端为

手持机。

2）地球同步轨道，卫星轨道的高度为36000km。

3）波束：卫星天线有140个点波束，EIRP：73dBW,G/T：

15.3dB/Ko

4）支持数据速率9.6kbps,至少能提供10,000路双向信道。

5）频段：L波段，上行1626—1660MHz,下行1525—1559MHz。

二、总体技术方案

1.系统组成

卫星通信系统主要由卫星星载转发器、地球站接收和发送设备组

成。系统组成如图（1）所示，从图中可以看出这些设备是如何构成

系统，以提供端到端的链路的（用户终端一信息编码一调制器一上变

频器一功率放大器一卫星接收、下变频一解调、路由一上变频、发射

一接收机与解调器一用户终端）。

发送端输入的信息经过处理和编码后，进入调制器对载波进行调

制；已调的中频信号经上变频器将频率搬移到所需的上行射频频率,

最后经过高功率放大器放大后，馈送到发送天线发往卫星。卫星转发

器除了对所接收的上行信号提供足够的增益外，还进行必要的处理

（频率变换、译码、编码等）。卫星发射天线将信号经下行链路送至

接收地球站。地球站首先将接收的微弱信号送人低噪声放大模块和下

变频器。低噪声放大模块的前端是具有低噪声温度的放大器，以保证

接收信号的质量。下变频器、解调和解码与发送端的编码、调制和上

变频对应。

图(1)星载和地球站设备

2.系统的传输技术体制

(1)信号调制方式(2-PSK)

二相相移键控(BPSK)是相移键控中最简单的一种形式，相移大小

为180°,又可称为2-PSK。简单来说，就是二进制信号的。和1,

分别用载波相位0和冗或71/2和-冗/2来表示。表达式为

二【Wakg(t-kT)]cos(cot)

SBPSK(。b0

k

式中ak为二进制数字,ak为+1的概率为P,ak为T的概率为(bP)

采用BPSK调制方式时、发送端以某个相位作为基准，因而在接

收端也必须有一个固定的基准相位作参考。如果参考相位发生变化，

则接收端恢复的信息就会出错，即存在“倒口”现象。因此在实际应

用中一般采用差分相移键控(DBPSK)oDBPSK是利用前后相邻码元的

相对载波相位来表示数字信息的一种表示方法。DBPSK只是比BPSK

多了一个差分编码器。

DBPSK和BPSK只是对信源数据的编码不同。在实现DBPSK调制

时一，只要将码序列变成差分编码，将原信息序列(绝对码)变换成相

对码，其他操作与BPSK完全相同。

由于在DBPSK中，数字信息是用前后码元以调信号的相位变化来

表示的，因此，用有相位模糊的载波进行相干解调时并不影响相对关

系。虽然解调得到的相对码完全是0、1倒置，但经差分译码不会发

生任何倒置现象，从而克服了载波相位的模糊问题。

手机的接收和发送均采用二项项移键(BPSK)调制，数字信号允

许的最大比特误码率为10一4,从而导致语音信道的S/N为34dB,当误

码率为10-4时语音信道的C/N的理论值等于8.4dBo实现裕量设定为

0.6dB,则最小的C/N设定为9dB。

(2)多址接入方式

上行链路:卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA(SDMA-SCPC-FDMA)

在终端每路信号进行调制变频放大后以一条独立载波发送出去，卫星

接收信号进行处理交换，直接发送信息给被呼叫用户。

图2卫星交换FDMA系统模型

在SS-FDMA系统中，通常存在多个上行链路波束和多个下行链路

波束，没个波束内均采用FDMA方式，各波束使用相同的频带（空分

多址）。在卫星通信过程中，其上行链路载波必须处于某个特定的频

率上，以便转发器能根据其载波频率选路到相应的下行链路波束上,

即在SS-FDMA方式中，载波频率与需要去往的上下行链路波束之间有

特定的对应关系，转发器可以根据对应关系实现不同波束内FDMA载

波之间的转换。

上行链路滤波器交a换矩阵本振

>

TWTA—<

e本振

>

TWTA—<1

e本振

>

TWTA

TWTA:行波管放大器

图3SS-FDMA卫星转发器框图

上图给出了SS-FDMA卫星转发器框图，图中上行链路下行链路均

只有三个波束为例。对于SS-FDMA来说，每个上行链路载波在星上都

有一个滤波器与之对应。去往某个下行链路的上行链路载波都必须在

星上被选路到覆盖该接收地球站的下行链路波束。在任一波束中的每

条上行链路在任何时候都可以连接到任一波束中任何下行链路。

除了可以实现空分频率复用外，SS-FDMA通过在星上增加增益调

整，还可以对同一波束内所有的下行链路进行功率控制，从而避免大

波束抑制小波束现象。

下行链路：卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA

(SDMA-FDMA-MCPC-TDMA)

如果上行链路和下行链路同时使用FDMA的话，由于卫星非线性的增

益放大，系统之间会产生非常严重的交调干扰，极端情况下会使得系

统崩溃。所以在下行链路，我们采用多载波的TDMAo这样就可以极

大地减少载波之间的交调干扰。

图TDMA方式工作原理示意图

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。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。TDMA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。

不过TDMA要考虑到帧的同步问题。

3.信道编码

在信道中增加一些特殊的并且有序的比特流，可以大大的提高系

统的传输增益。在这里我们使用了分组编码和半速率卷积码。使得系

统的传输增益提高7dBo

4.信道的申请及信道分配

（1）信道的申请：用户接入时采用随机多址访问的方式。

在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条

共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。

图5卫星分组通信原理

在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因

此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞

现象。ALOHA的特点：①系统结构简单，用户入网方便，无需协调。

②当业务量较小时具有良好的通信性能。③存在碰撞现象，其吞吐

量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之

比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。④存在信道不稳定性。

即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率

也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之

减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有

信息传输的时间占总的可用时间之比)加大。极限情况下，信道内充

斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。可见信道吞吐量低和不稳

定性是ALOHA的主要缺点。

在双方通信开始之前，用户需要向卫星发送一段信令，要求卫星

呼叫被请求的用户。信令接入的方式采用随机多址接入的方式。当双

方接通后，卫星随机分配一段空闲的频率来支持双方的正常通信。

(2)信道分配：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，与电话蜂窝

系统一样，多个用户共享相同的可用频率，每个呼叫都要遵守一定的

建立顺序，向卫星发射呼叫信息，卫星把消息接收经过解调恢复信息

进行判断并且找到呼叫对象，把信令发送给呼叫用户，开始建立连接。

建立连接后，卫星为呼叫分配频率进行通信。通信结束后频率被释放,

成为新的可用频率。

二、关键技术解决途径

(1)互调干扰：多波束卫星之间产生互调干扰

解决方法：

二相相移键(BPSK)调制，的带宽与码元传输速率相等，为9.6kHzo

而卫星天线有140个波束，提供10000路双向信道，利用空分复用，

相当于每七个小区共享34M带宽，假设每个小区有80个用户，系统总

的带宽为680M,频分复用的话每个用户最多可以分到60Kb的带宽。

(2)非线性失真:

通信系统中，信道非线形失真会对信号造成损害，非线性失真

主要由功率放大器(特别是载功率放大器)产生，有幅度非线性失

真和相位非线性失真。幅度非线性失真即信号输入输出幅度变化特性

(AM-AM)是非线性的。相位非线性失真将输入信号的幅度变换转换为

输出信号相位的变化。

解决方法：

为减少信道的非线性失真，主要是减少放大器带来的非线性失真,

一般可采用非线性补偿技术或放大器功率回退技术。

非线性补偿的方法之一是根据已知的功率放大器非线性特性用

互补的特性进行语补偿。预补偿可以在中频以模拟电路实现，也可以

在基带以数字方式进行补偿，本系统采用后者。采用自适应非线性补

偿，这样可以在未知功放非线性特性的情况下进行预失真补偿，适应

性强，补偿效果好。输入输出补偿能有效地减少多载波信号的互调失

真，但是降低了功率放大器的功率效率，对于多载波传输的卫星通信

系统，由于功放的非线性将引起互调失真，产生互调干扰噪声，使系

统的C/N值下降。当星载TWTA的输入功率增加时一，会产生两个结果：

一方面，由于输出功率随之增加，卫星EIRP增大，下行链路的C/N

值将增加，但增加不是完全线性的，随着TWTA进入饱和，下行C/N

的增加更加缓慢。另一方面，随着TWTA输入功率的增加，放大器趋

于饱和，互调噪声增大，使C/IM(载波互调比，为互调干扰功率)

下降。在考虑上下行链路C/N和互调C/IM的情况下，星载TWT功放

输入功率显然存在一个最佳值，此时全链路具有最大的C/N值。

三、链路工程预算

1.卫星通信链路设计的步骤

(1)确定系统的工作频段。

(2)确定卫星通信的参数。

(3)确定发射地面站和接受地面站的参数。

(4)从发射地面站开始，建立上行链路预算和转发器噪声功率预算，

从而确定转发器内的(C/N)叩。

(5)根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率。

(6)建立接收地面站的下行链路功率和噪声预算。计算位于覆盖区

边缘的地面站的(C/N)热和(C/N)。。

(7)计算基带信道的S/N。确定链路裕量。

(8)估计计算结果，并于规定性能进行比较。根据需要调整系统参

数直到获得合理的(C/N)。。该过程可能要反复进行多次。

(9)确定链路工作所要求的传输条件。分别计算上行链路和下行链

路的中断时间。

(10)若链路裕量不够，可以通过调整某些参数，对系统重新设计。

最后检验所有的参数是否符合要求，以及设计是否可以按照预算正常

工作。

2.卫星通信系统的参数

卫星参数

EIRP73dBW

转发器带宽34*20MHz

移动终端上行链路频率1650MHz

移动终端下行链路频率1550MHz

接收天线G/T15.3dB/K

移动终端参数

发射机输出功率0.5W

天线增益-23dB

规定最大的比特误码率10-3

(1)上行链路的计算

上行链路输出端接收功率:

Pr=EIRP+Gr—Lp-LmdBW

其中EIRP是发射机输出功率和发射天线增益的乘积，

Gr表示卫星天线增益Lp；表示链路路径损耗；入馆表示其它损耗。

卫星接收系统输入的噪声功率

^=Pn~^'s^n=^+^'s'^^n°

路径损耗

r12

Lp=[4nR/X]=187.9dB

假定1550MHz链路上的其它损耗(极化未对准、大气层中的大气吸收

等)为0.5dB,位于卫星天线图-3dB等高线上地面站的增益要减小3dB,

所以总的损耗为3.5dB。

首先,类比地面移动通信系统的的区群,我们可以把卫星的40个

点波束所覆盖的140个小区划分成以7个小区为一个区群的20个区

群。这样就利用空分多址的原理把34MHz的带宽复用了20次。若把

每个区群的带宽平均分配到每个小区，则每个小区可以分配到

34/7=4.857MHz带宽。

信号的调制方式是BPSK,所以数据的传输带宽为9.6KHz,因为系

统的滤波器并不是理想的矩形滤波器,考虑到信号成形,所以每个信

道之间我们分配4KHz的带宽作为保护带宽.所以每个用户正常所需

要的带宽为96KHz+4KHz=13.6KHzo

考虑到在信息的传输过程中为了提高信号传输的增益，我们需要

对信道进行编码，经过我们查询资料可知，对信号增加冗余可以很大

程度的提高信号的增益。在这里我们每个用户分配54.4KHz的带宽。

信道经过分组编码和半卷积码，使得系统的增益提高7dB。即现在用

户发送带宽为54.4KHz,实际信号传输的速率为9.6*4=38.6KHz。则信

号的噪声功率为lOlog(38600)=45.84dB。

我们给每个小区分配80个用户，即每个小区传输信号所需要的

总的带宽为80*54.5=4.352MHz0

信道的申请与分配的过程中需要占据一定的信道。我们信道的分

配我们采用按需分配的方式进行。剩余于带宽为0.505MHz,全部用

来进行信道的申请与分配。在这里我们为每个用户的号码设置3.4KHz

的带宽，带宽的间隔为2.5KHz,则80个用户所需要的带宽为0.48MHzo

基本上能够满足信道分配所需要的带宽。

由以上分析可知，我们为每个小区分配80个用户，一共有140

个小区，所以可以满足的总的用户数为，80*140=11200。可以满足题

目的要求。

上行功率链路预算参数

手机单元的EIRB-3dB

发射天线增益OdB

接收天线增益15.3dB

信道编码增益7dB

1650MHz路径损耗-187.9dB

其它损耗-3.5dB

卫星端接收功率-172.IdB

转发器噪声功率预算参数

玻尔兹曼常数-228.6dBW/K/Hz

噪声带宽45.84dB

噪声功率-182.76dB

上行链路的C/N为

(C/N).=./N=10.66dB

注：BPSK调制信号的传输速率为9.6KHz,经过信道编码，为信号增

加冗余后的传输速率为9.6*4=38.4KHz。所以噪声功率为101og(38400)

=45.84dBo

在BPSK调制时当误码率为10-3时，查询通原课本知，信号需要满足

的祟=6.8dB。转化为载噪比为烂豹og(M)=6.8dB。这里M=2(BPSK

调制)。所以，由链路预算知：上行链路满足用户的需求。并且有3.86dB

的裕量。可以满足通信。

(2)下行链路的计算

1234...N

分配f

的频谱0

中心频率f3

f2

fl

<--------------帧——T

FDMA/TDMA信道分配图

如上图，在一个特定的频带中，一个“信道”对应于一个或多

个时隙。在图中有M个频带每个具有不同的载波频率，每帧包含N

个时隙，分配到一个指定的载波上。图中表示了分配到一个频带上的

特定时隙所对应的用户信道的例子，因此，这个系统中共有NM个信

道。

在这里跟上行链路相似，我们首先采用空分多址SDMA,将140个小

区分成以七个小区为一个区群,总共有20个区群的分区结构.这样我们

每个小区可以分配到的带宽为34x20+140=4.857MHzo

与上行链路相同，信道的申请与分配的过程中需要占据一定的信

道。我们信道的分配我们采用按需分配的方式进行。我们为每个用户

的号码设置3.4KHz的带宽，带宽的间隔为2.5KHz,则80个用户所需

要的带宽为0.48MHzo我们为用户分配0.5MHz的呼叫带宽。

我们用0.357MHz的带宽用来做保护间隔，以及一些其他的损耗

所需要的带宽。

每个4MHz的频带依次分割成400KHZ带宽的子频带，其中一个

子频带用作保护频带，因此一个方向中实际上有124个可用频率。每

个200KHZ频带传送8分片的TDMA帧结构，帧以4.615ms的间隔重

复。如上所述，每个用户分配到每帧一个分片，所以整个系统有

9X8=72个可用信道。这个数量与上图中的数量NM相对应。

比特数一

如上图，每个时隙长度是576.92|is,包含296比特。时隙被长度

为30.46^5的保护时间分隔开,相当于16.5比特。每个时隙的296比

特中，有228比特是数据比特，分成两个各有104比特的分组。6个

比特定义了时隙的开始和结束。一个52比特的训练序列提供了必需

的时间同步信息,还有两个2比特的标志位，这就是整个时隙的结构。

系统的传输数据率是308.5比特/576.92|is=541.666kbps°这个合成的

比特传输对应于利用在400KHZ宽度频道上的1.35比特/Hz的信道。

400KHZ的信道带宽是频带中点与之以下大约13dB点之间的带宽。

每个用户传输每帧228比特，然而数据信道占有每26帧的24个

时隙。剩下的两个时隙用来传输控制信息。有效的用户比特率是

228/4.615msx24/26=45.6Kbps.这些比特是以541.666Kbps的速率传输

的。所以信号的传输噪声功率为：

lOlog(541666)=57.3dBo

因为每个时隙传输的速率为45.6Kbps,所以考虑到在信息的传输

过程中为了提高信号传输的增益，我们需要对信道进行编码，经过我

们查询资料可知