第二章 衛(wèi)星通信體制.ppt

第二章衛(wèi)星通信體制 衛(wèi)星通信技術(shù)基礎(chǔ)衛(wèi)星通信體制的基本內(nèi)容衛(wèi)星通信多址聯(lián)結(jié)技術(shù)其他多址技術(shù)多址分配制度 衛(wèi)星通信技術(shù)基礎(chǔ) 電信號與通信系統(tǒng) 信號 消息 信息 模擬信號 數(shù)字信號編碼技術(shù)調(diào)制與解調(diào) 編碼技術(shù) 在衛(wèi)星通信發(fā)展的早期 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器一般是功率受限 同時所需的通信容量 一般指電話 電視的路數(shù) 不是很大 所以模擬信號的傳輸都是采用調(diào)頻FM方式 這種調(diào)制方式一方面?zhèn)鬏斮|(zhì)量較好 能得到較高的信噪比 另一方面能充分利用地面微波中繼的成熟技術(shù) 在這種系統(tǒng)中 一般采用預(yù)加重技術(shù) 門限擴展技術(shù)和語音壓縮編碼技術(shù)來改善系統(tǒng)性能 主要體制有兩種 FDM FM FDMACSSB 壓擴單邊帶 AM FDMA 概述 在模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 一般采用門限擴展技術(shù)來降低鑒頻器的門限電平 例如 采用門限擴展解調(diào)器 鎖相環(huán)解調(diào)器 頻率負(fù)反饋解調(diào)器等 由于接收機鑒頻器的輸出信噪比與調(diào)制指數(shù) 頻偏與調(diào)制頻率之比值 的平方成正比 因此排列在基帶低頻處的話路與排列在基帶高頻處的話路的信噪比不同 調(diào)制頻率高則輸出信噪比就低 為了保證輸出信噪比均勻 還采用了預(yù)加重技術(shù) 在調(diào)頻時先將多路話音信號通過預(yù)加重網(wǎng)絡(luò) 使排列在低頻處的話路調(diào)制指數(shù)降低 排列在高頻處的話路調(diào)制指數(shù)上升 結(jié)果使得解調(diào)后的各電話通路的信噪比趨向一致 解調(diào)后的基帶信號再通過去加重網(wǎng)絡(luò) 使各路信號電平一致 目前 隨著航天技術(shù)的發(fā)展 已能發(fā)射具有較大輸出功率的衛(wèi)星 并且用戶對通信容量的要求日益增長 所以頻帶寬度的問題已成為主要矛盾 人們采用壓擴單邊帶 CSSB 調(diào)制來傳輸電話信號 這種方式占頻帶較窄 可以提高通信容量 CSSB AM FDMA體制盡管要求較大的輸出功率 但當(dāng)它和固態(tài)功率放大器SSPA或線性行波管一同使用時 能使一個常規(guī)帶寬為36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器容納約7000條單向話路 比FM方式有顯著增加 所以 FMD FM FDMA方式是功率利用率較高 與AM方式相比 且頻帶利用率尚可 與PM方式相比 的調(diào)制方式 CSSB AM FDMA方式是頻帶較高但功率要求較大的調(diào)制方式 數(shù)字衛(wèi)星通信中對所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)的一般要求是 具有較高的功率利用率和頻帶利用率 通常一種調(diào)制技術(shù)不能同時達到最高的功率利用率和頻帶利用率 而需要根據(jù)實際要求進行折衷 當(dāng)前 衛(wèi)星通信主要是工作在功率受限的情況下 所以 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的選擇主要是采用功率利用率高的調(diào)制方式 衛(wèi)星通信使用的數(shù)字調(diào)制方式 最基本的也是ASK FSK和PSK方式 選擇數(shù)字調(diào)制方式要考慮以下因素 1 設(shè)計目的 1 主要從功率利用率高的角度出發(fā) 功率有效 如二 四進制調(diào)制 2DPSK QDPSK等 2 主要從頻帶利用率高的角度出發(fā) 頻譜有效 如多進制調(diào)制方式 8PSK MQAM等 2 通信體制 1 非恒包絡(luò)調(diào)制 在采用FDMA體制的數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 由于轉(zhuǎn)發(fā)器是多載波工作 要求系統(tǒng)的非線性影響小 行波管的輸入輸出特性工作在準(zhǔn)線性部分 允許非恒包絡(luò)調(diào)制 但實際上由于還是有交調(diào)干擾的存在 因而限制了非恒包絡(luò)調(diào)制方式 大多采用FSK PSK等恒包絡(luò)調(diào)制方式 2 恒包絡(luò)調(diào)制 在采用TDMA體制的數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 因為轉(zhuǎn)發(fā)器是單載波工作 不會受到交制裁干擾的影響 所以為了有效的利用衛(wèi)星的功率而使行波管輸入輸出特性在飽和點附近 因此應(yīng)采用恒定包絡(luò)的調(diào)制方式 如FSK PSK QPSK MSK CPFSK MPSK等恒包絡(luò)的調(diào)制 3 信道特性 由于電波主要是在自由空間傳播 只有部分穿過大氣層 信道參數(shù)比較穩(wěn)定 信道的主要干擾就是加性高斯白噪聲 所以是恒參信道 在恒參信道中 采用PSK方式可獲得最佳接收性能 且能有效的利用衛(wèi)星頻帶 調(diào)制與解調(diào) 模擬制的頻率調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻 FM調(diào)制器 FM解調(diào)器數(shù)字制中的相位調(diào)制與解調(diào) BPSK的基本概念 BPSK調(diào)制器與解調(diào)器 衛(wèi)星通信體制的基本內(nèi)容 衛(wèi)星通信的通信體制 即衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作方式 也就是衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的信號傳輸方式和信號交換方式 具體來講 就是根據(jù)信道條件及通信要求 在系統(tǒng)中采用的是什么信號形式 時間波形與頻譜結(jié)構(gòu) 以及怎樣進行傳輸 包括各種變換和處理 用什么方式進行交換等 采用的基帶信號形式采用的中頻或射頻調(diào)制制度采用的多址聯(lián)接方式信道分配與交換制度 一個衛(wèi)星通信的體制 主要包括多路復(fù)用方式 調(diào)制解調(diào)方式 編碼方式 多址聯(lián)接方式以及信道分配與交換制度等 多路復(fù)用 單路制 SCPC 群路制 MCPC 模擬 FDM 數(shù)字 TDM 調(diào)制解調(diào) BPSK QPSK OQPSK等編碼方式 主要采用波形編碼 常用的是64kb s的PCM和32kb s的ADPCM 多址方式與信道分配 多址方式的分類多址方式是指在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的多個地球站 通過同一顆衛(wèi)星的中繼建立兩址和多址之間的通信方式 信號的復(fù)合與分離 圖信號的復(fù)合與分離模型 基本多址方式有 1 頻分多址 FDMA 2 時分多址 TDMA 3 碼分多址 CDMA 4 空分多址 SDMA 多址技術(shù)在衛(wèi)星通信中的信號分割和識別是以載波的頻率 出現(xiàn)的時間或空間位置為參量實現(xiàn)的 歸納起來可分為頻分多址 FDMA 時分多址 TDMA 碼分多址 CDMA 和空分多址 SDMA 以及它們的組合方式 頻分多址訪問 FDMA 方式是衛(wèi)星通信多址技術(shù)中的一種比較簡單的多址訪問方式 在FDMA中是以頻率來進行分割的 其在時間和空間上無法分開 故此不同的信道占用不同的頻段 互不重疊 時分多址訪問 TDMA 方式是以時間為參量來進行分割的 其頻率和空間是無法分開的 那么不同的信號占據(jù)不同時間段 彼此互不重疊 空分多址訪問 SDMA 方式是以空間作為參量來進行分割的 其頻率和時間無法分開 因而不同的信道占據(jù)不同的空間 這樣衛(wèi)星可根據(jù)空間位置接收相應(yīng)覆蓋區(qū)域中的各地球站發(fā)送的上行鏈路信號 碼分多址訪問 CDMA 方式是以信號的波形 碼型為參量來實現(xiàn)多址訪問的 其頻率 時間和空間上均無法分開 因而不同的地球站使用不同的碼型作為地址碼 并且這些碼型相互正交或準(zhǔn)正交 除以上四種多址方式外 還有一種衛(wèi)星分組數(shù)據(jù)傳輸用的多址方式 按照通信協(xié)議對多址通信分類 對于不同的通信協(xié)議 衛(wèi)星分組通信網(wǎng)的連接方式分為 固定分配 隨機分配 預(yù)約分配等連接方式 頻分多址方式 頻分多址是衛(wèi)星通信多址技術(shù)中的一種最簡單 應(yīng)用最廣泛的多址技術(shù) 在這種衛(wèi)星通信網(wǎng)中 每個地球站向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射一個或多個載波 每個載波具有一定的頻帶 為了避免相鄰載波之間的互相重疊 各載波頻帶間要設(shè)一段很窄的保護頻帶 基本概念和系統(tǒng)組成1 工作原理 在以此種方式工作的衛(wèi)星通信網(wǎng)中 每個地球站向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射一個或多個載波 每個載波都具有一定的頻帶 它們互不重疊地占用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬 圖頻分多址方式的原理框圖 2 FDMA的應(yīng)用特點 頻分多址方式是最基本的多址方式 也是最古老的多址方式 其最突出的特點是簡單 可靠和易于實現(xiàn) 其特點可進一步歸納如下 1 要求解決好衛(wèi)星的功率和帶寬之間的關(guān)系 2 必須嚴(yán)格控制功率 3 設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo頻帶 4 盡量減少互調(diào)的影響 1 單址載波 特點 A 本站向其他n 1個站通信需n 1個載波B n個站同時通信需n n 1 個載波C 載波太多易引起嚴(yán)重的交調(diào)D 用于站點不多的情況 2 多址載波 各站信號先復(fù)用在指定頻段 再調(diào)制到一個射頻載波上發(fā)送 收端 用帶通濾出相應(yīng)的信號 特點 A 本站向其他n 1個站通信只需1個載波 上行和下行載波不同 1個載波只是指上行 B 信號復(fù)用和多個站點復(fù)用是不同的 每個站點的信號包含了多路電話C 無論有無電話 發(fā)射載波和個站復(fù)用的載波都在工作 單路單載波SCPC SingleChannelPerCarrier 用于站數(shù)多而每站業(yè)務(wù)量較小的系統(tǒng) 常用的有 PCM SCPC QPSK FDMA PAPCM SCPC QPSK FDMA DA其中按需分配的SCPC又稱為SPADE SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment 頻分多址方式可以根據(jù)多路復(fù)用和調(diào)制方式的不同 分為如下幾種體制 單路單載波SCPC SingleChannelPerCarrier 用于站數(shù)多而每站業(yè)務(wù)量較小的系統(tǒng) 常用的有 PCM SCPC QPSK FDMA PAPCM SCPC QPSK FDMA DA其中按需分配的SCPC又稱為SPADE SingleChannelPerCarrierPCMMultipleAccessDemandAssignmentEquipment 頻分多址方式可以根據(jù)多路復(fù)用和調(diào)制方式的不同 分為如下幾種體制 多路單載波 每載波多路 例如 路 路電話多采用FDM FM FDMA FDM FM FDMA 頻分復(fù)用 調(diào)頻 頻分多址 特點 各站載波頻率不同SCPC FDMA 每載波單路 頻分多址 調(diào)制方式可用 PCM PSK FM M PSKPCM TDM PSK FDMA 脈碼調(diào)制 時分復(fù)用 移相鍵控 頻分多址 在FDM FM FDMA方式中 首先基帶模擬信號以頻分復(fù)用方式復(fù)用在一起 然后以調(diào)頻方式調(diào)制到一個載波頻率上 最后再以FDMA方式發(fā)射和接收 在TDM PSK FDMA方式中 首先將多路數(shù)字基帶信號用時分復(fù)用方式復(fù)用在一起 然后以PSK方式調(diào)制到一個載波上 最后再以FDMA方式發(fā)射和接收 1 頻分復(fù)用 多路信號搬移到基帶不同位置 常用單邊帶頻分復(fù)用 2 調(diào)頻 調(diào)制到射頻 技術(shù)成熟 為濾除各諧波一般在較低的中頻上調(diào)頻 分散中頻和射頻 FDM FM FDMA 圖FDM FM FDMA方式原理圖 每個站都有一個對應(yīng)的載波A站發(fā)5個基群 分別由B C D E F站接收一個站要能接收其他各站的信息 必須有對應(yīng)其他各站的下行接收設(shè)備 發(fā)送單元包括基帶處理單元 相位調(diào)制器 上變頻器 接收單元包括下變頻器 帶通濾波 中頻放大 基帶處理單元 圖FDMA設(shè)備的基本組成圖 轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站發(fā)射機的高功率行波管放大器 TWTA 是非線性的 由振幅變化引起非線性輸出的振幅變化為AM AM變換 引起相位變化為AM PM變換1 產(chǎn)生交調(diào)干擾 產(chǎn)生組合頻率 干擾有用信號解決方案 A 控制中心頻率的間隔 例 載波 把頻帶分為七份 取 為載波B 加能量擴散信號 使工作頻帶內(nèi)頻譜均勻 降低干擾電平 信號為 的對稱三角波C 選擇合理的行波管工作點 2 頻譜擴展 出現(xiàn)多余頻譜 干擾相鄰的衛(wèi)星信道3 信號抑制 大站信號抑制小站信號 解決方案 控制大站功率4 調(diào)制變換 AM AM AM PM變換 引起串話噪聲 非線性放大器的影響高功率行波管放大器 TWTA 是非線性器件 例如 圖3 6所示的是國際通信衛(wèi)星IV用的TWTA特性 非線性放大器對系統(tǒng)性能的影響當(dāng)TWTA同時放大多個不同頻率的載波時 會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生以下不良影響 1 交調(diào)失真 由于非線性造成各種組合頻率成份 落入通帶后造成對有用信號的干擾 輸出功率退回量 輸出補償 行波管放大單個載波時的飽和輸出電平與放大多個載波工作點時的總輸出電平之差 輸入功率退回量 輸入補償 行波管放大單個載波達到飽和輸出時的飽和輸入電平與放大多個載波工作點的總輸出電平之差 例 下圖中輸入退回量 4dB輸出退回量 1 9dB 載波數(shù)增加時 各載波的輸出電壓幅度將有所減小同時放大兩個載波時 飽和輸出電平約下降1 2dB多載波放大時 飽和電平下降1 5dB 減少交調(diào)干擾的方法 1 控制各載波中心頻率的間隔 合理分配不同幅