衛(wèi)星通信簡介.ppt

1、,衛(wèi)星通信基礎(chǔ) 發(fā)展及新技術(shù),北京星空年代通信技術(shù)有限公司 范曉晴,第一部分：衛(wèi)星通信概述 第二部分：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成及各部分作用 第三部分：衛(wèi)星通信基礎(chǔ)理論 第四部分：多址聯(lián)接方式 第五部分：衛(wèi)星通信新技術(shù)、新業(yè)務(wù),第一部分,衛(wèi)星通信概述,定義： 地球上（包括地面、水面和低層大氣中）的無線電通信站之間利用人造衛(wèi)星做中繼站而進行的通信。,1、 衛(wèi)星通信的概念,通信衛(wèi)星的類型,按軌道分類：GEO(同步)，MEO(中軌道)，LEO(低軌道) 按波束分類：半球波束，點波束 按業(yè)務(wù)分類：綜合業(yè)務(wù)，軍用，海事 （航空，陸地移動），電 視直播，音頻廣播,多媒體 按頻段分類: VHF，UHF，L， S，C

2、，X，Ku K，Ka，Q，V,衛(wèi)星通信的優(yōu)點,除了地球南、北極地區(qū)，三顆衛(wèi)星即可覆蓋地球 通信費用與通信距離無關(guān) 組網(wǎng)靈活，建設(shè)周期短（經(jīng)濟活躍時，優(yōu)勢明顯） 非對稱信道 網(wǎng)狀指揮、控制（司令部與單兵） 面向用戶（更好地交互）,衛(wèi)星通信的缺點,同步軌道衛(wèi)星： 通信時延大 通信端站體積大 設(shè)備價格高 操作復(fù)雜 中、低軌道衛(wèi)星： 系統(tǒng)復(fù)雜，使用費用高 政策、通信安全方面 易受惡意干擾和攻擊,衛(wèi)星通信的發(fā)展概況,1945年,英國空軍雷達軍官阿瑟.克拉克在雜志發(fā)表,最先對靜止衛(wèi)星通信提出科學(xué)設(shè)想. 20年后變?yōu)楝F(xiàn)實,發(fā)展過程（一）,實驗階段 無源衛(wèi)星通信實驗(1954-1964): 利用月球、無源氣球

3、衛(wèi)星等作為中繼站。信號質(zhì)量差，實用價值不大。,有源衛(wèi)星通信實驗 低軌道衛(wèi)星：美國60年 “信使”通信衛(wèi)星 中、高軌道：62年，“電星”、“中繼”衛(wèi)星 同步軌道：63、64年，先后發(fā)射三顆“辛康姆”衛(wèi)星，最后一顆進入同步軌道，轉(zhuǎn)播東京奧運會。,發(fā)展過程（二）,實用與提高階段（1965-） 65年，國際衛(wèi)星通信組織：INTELSAT1正式承擔(dān)國際通信業(yè)務(wù)。 蘇聯(lián)：第一顆非同步通信衛(wèi)星“閃電”1,發(fā)展過程（三）,民用： 國際衛(wèi)星通信組織 海事衛(wèi)星通信組織 中、低軌道衛(wèi)星系統(tǒng) VSAT系統(tǒng) 軍用：,發(fā)展過程（四）,中國衛(wèi)星通信發(fā)展： 民用： 衛(wèi)星：中衛(wèi)、亞星、鑫諾 應(yīng)用：大容量干線 VSAT系統(tǒng) 軍用

4、 331 工程 東方紅系列衛(wèi)星 烽火、神通衛(wèi)星,第二部分,衛(wèi)星通信系統(tǒng) 組成及各部分的作用,衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成,空間分系統(tǒng),地球站 分系統(tǒng),監(jiān)測管理 分系統(tǒng),跟蹤遙測 指令分系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,組成：通信衛(wèi)星(通信裝置(轉(zhuǎn)發(fā)器)、遙測指令裝置、控制裝置、太陽能蓄電池) 作用：通信衛(wèi)星主要是起無線電中繼站的作用，是靠星上通信裝置中的轉(zhuǎn)發(fā)器（微波收發(fā)信機）和天線來完成的,1、 空間分系統(tǒng),組成：天線饋線設(shè)備，發(fā)射設(shè)備，接收設(shè)備，信道終端設(shè)備，天線跟蹤、伺服設(shè)備，電源設(shè)備。 作用：是無線電收發(fā)信臺，用戶通過地球站接入衛(wèi)星線路進行通信,2、 地球站,衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,3、跟蹤遙測及

5、指令分系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,對衛(wèi)星進行跟蹤測量，控制其準確進入禁止軌道上的指定位置；待衛(wèi)星正運行后，定期對衛(wèi)星進行軌道修整和位置保持,4、監(jiān)測管理分系統(tǒng) 對定點后的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開通前、后進行通信性能的監(jiān)測和控制，例如對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益以及各地球站發(fā)射的功率、射頻頻率和帶寬等基本通信參數(shù)進行監(jiān)控，以確保正常通信。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)各部分的作用,衛(wèi)星通信的特點,1、通信距離遠。 建站成本與通信距離無關(guān)， dmax=18000km.(靜止衛(wèi)星）,18100Km,衛(wèi)星通信的特點,2、覆蓋范圍大。 一顆靜止衛(wèi)星可覆蓋地球表面 42.4%,三顆衛(wèi)星即可覆蓋整個地球,衛(wèi)星通信的特點,3、以廣

6、播的形式工作,便于多址連接。 就象個廣播發(fā)射臺一樣，只要在覆蓋的區(qū)域都能接收。這樣能同時實現(xiàn)多地點多方向的通信，因此，組網(wǎng)靈活。,衛(wèi)星通信的特點,4、通信容量大。 能傳送的業(yè)務(wù)類型多。,衛(wèi)星通信的特點,5、可以自發(fā)自收， 進行信號監(jiān)測。,通信衛(wèi)星組成,天線分系統(tǒng)：定向發(fā)射與接收無線電信號 通信分系統(tǒng)：接收、處理并重發(fā)信號。（轉(zhuǎn)發(fā)器） 電源分系統(tǒng)：為衛(wèi)星提供電能，包括太陽能電池、蓄電池和配電設(shè)備。,跟蹤遙測指令分系統(tǒng)： 跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標 遙測部分用來在星上測定并給地面的TTC站發(fā)送的有關(guān)衛(wèi)星姿態(tài)、星上各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù) 指令部分用于接收來自地面的控制指令，處理后送給控制分系

7、統(tǒng)執(zhí)行。 控制分系統(tǒng)：用來對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、各分系統(tǒng)工作狀態(tài)進行必要的調(diào)節(jié)與控制。,天線分系統(tǒng),遙測、指令和信標天線 全向天線，以便于可靠接收指令與向地面發(fā)射遙測數(shù)據(jù)和信標。 通信天線 全球波束天線 點波束天線 賦形波束天線,轉(zhuǎn)發(fā)器,是通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用的部分。 要求：以最小的附加噪聲和失真，足夠的工作頻帶和輸出功率業(yè)為各地球站有效可靠地轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號。 透明轉(zhuǎn)發(fā)器 對收到的信號只進行低噪聲放大、變頻、功率放大，對頻帶內(nèi)的任何信號是透明的通道。 處理轉(zhuǎn)發(fā)器 除進行轉(zhuǎn)發(fā)信號外，還具有信號處理功能。,轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖,放大器,中頻放大,本振1,主振源,本振2,混頻,合路,混頻,功放,解調(diào)

8、、信號處理、調(diào)制,處理轉(zhuǎn)發(fā)器,透明轉(zhuǎn)發(fā)器,衛(wèi)星通信地球站,組成： 天線分系統(tǒng) 發(fā)射分系統(tǒng) 接收分系統(tǒng) 信道終端設(shè)備分系統(tǒng) 伺服務(wù)跟蹤設(shè)備分系統(tǒng) 用戶接口分系統(tǒng) 電源分系統(tǒng),天線分系統(tǒng),任務(wù)：發(fā)射和接收信號 組成：天線 雙工器 極化變換器 伺服務(wù)跟蹤設(shè)備 要求：天線增益高 噪聲溫度低 天線波束窄、旁瓣電平低 饋線損耗小、頻帶寬、收發(fā)隔離度大、耐功率高,發(fā)射分系統(tǒng),放大器：輸出功率大 寬頻帶 增益穩(wěn)定性高 放大器線性好 上變頻器：一次變頻 二次變頻,接收分系統(tǒng),低噪聲放大器 噪聲低，靈敏度高 下變頻器,第三部分,衛(wèi)星通信基礎(chǔ)理論,信號與噪聲,電平、調(diào)制、帶寬、噪聲及測量 電磁波的參數(shù) 頻率/波長、

9、幅度、相位 分貝 公式、單位,增益概念 天線的增益 等效全向輻射功率EIRP Bit速率、帶寬與發(fā)射功率,噪聲,噪聲功率與帶寬 噪聲功率與溫度相關(guān)，取決于測量的帶寬 載噪比 與載噪比相關(guān)的術(shù)語 No C/No Eb/No,凈空角 最小的仰角 路徑損耗 降雨衰落，雨區(qū)劃分 雨衰與仰角 日凌,天線,天線類型 天線方向圖 天線的旁瓣 波束寬度與天線口徑 波束寬度與頻率 波束寬度與干擾 天線的指向誤差與干擾 天線發(fā)射旁瓣與接收旁瓣的影響 天線的正確安裝,調(diào)制與解調(diào),模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制 BPSK、QPSK、8PSK、16QAM 符號與比特 前向糾錯FEC 維特比（Viterbi）、格狀編碼（TCM） 瑞

10、德-所羅門（RS）、 Turbo 誤碼率,極化,電磁波的傳輸 極化的設(shè)置 信號的交叉極化 交叉極化隔離度 頻率復(fù)用 線極化、圓極化,多址聯(lián)接方式,第四部分,多址聯(lián)接方式的概述,實現(xiàn)多址聯(lián)接的依據(jù),1#站,2#站,3#站,一個無線電信號可以用若干個參量（指廣義的參量，下同）來表征，最基本的是：信號的射頻頻率，信號出現(xiàn)的時間以及信號所處的空間,目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要多址,（1） 頻分多址方式（FDMA） FDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用射頻頻帶分割 成若干互不重疊的部分，分配給各地球站所要發(fā)送的各載波使用。因此，F(xiàn)DMA方式中，各載波的射頻頻率不同。發(fā)送的時間雖然可以重合，但各載波占用的頻帶

11、是彼此嚴格分開的。,頻分多址FDMA,站1,頻分多址方式（FDMA）,頻分多址方式（FDMA）,頻分多址方式是微波中繼通信系統(tǒng)所用方式的引伸。 優(yōu)點是:技術(shù)成熟，設(shè)備較簡單，在大容量線路工作時效率較高。 缺點是： 、多個載波信號同時通過轉(zhuǎn)發(fā)器時，會發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)器有效輸出功率降低、和生互調(diào)噪專用和可懂串話、強信號對弱信號的抑制等現(xiàn)象，因而有效容量將隨載波增多而急劇降低，并且大、小站難以兼容，各站發(fā)射功率必須保持穩(wěn)定（起伏值一般要求小于正負0.5DB）； 、不靈活，要重新分配頻率比較困難（詳細分析將在第五章中進行）。,時分多址TDMA,（2）時分多址方式（TDMA） TDMA的基本特征是，把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

12、的工作時間分割成周期性的互不重疊的時隙（每個時隙也稱為分幀，一個周期則稱為一幀），分配給各站使用。典型的制式是TDM-PSK-TDMA，每個站的群路被時分復(fù)用成多路信號，然后對其信號進行相移鍵控，轉(zhuǎn)發(fā)器按時分實現(xiàn)多址聯(lián)接，各分幀含保護時隙。,TDMA方式優(yōu)點是:充分利用衛(wèi)星功率且無互調(diào)；充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶；不會產(chǎn)生弱信號受抑制問題，上行功率不需要精確控制；各站所發(fā)分幀的碼速率可以不同，便于大、小站兼空。TDMA方式在中、小容量的線路工作時，也可以得到相當(dāng)高的效率。它的容量隨站數(shù)增加而下降的速度比FDMA的緩慢得多。 TDMA方式的主要問題是要有精確的同步，以保證各突發(fā)到達轉(zhuǎn)發(fā)器的時間不發(fā)生重

13、疊，并且保證接收站能正確識別站址和迅速建立載波、位定時的同步，而這是比較復(fù)雜、困難的技術(shù)。,碼分多址CDMA,幾種常用的多址聯(lián)接方式,（3）碼分多址方式（CDMA） CDMA的基本特征是各站所發(fā)的信號在結(jié)構(gòu)上各不相同并且相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間、空間上都可能重疊。采用這種方式時，各站所發(fā)射的載波大都受到兩種調(diào)制，一種是基帶信號（一般是數(shù)字的）的調(diào)制，一種是地址碼的調(diào)制；接收時，對于某一地十碼，只有與之相應(yīng)的接收機才能檢測出信號，而其它接收機檢測出的卻呈現(xiàn)為類似高斯過程的寬帶噪聲。,CDMA系統(tǒng)特性,CDMA以擴頻技術(shù)為基礎(chǔ)，具有擴頻通信所固有的抗干擾能力強、抗多徑衰落、安全

14、保密性好等優(yōu)點，而且CDMA通信還具有隱蔽性好、多址訪問靈活、對非正交系統(tǒng)不需要系統(tǒng)的同步、與同頻通信系統(tǒng)之間的相互干擾小、對多普勒頻移不敏感等優(yōu)點。與TDMA、FDMA相比，CDMA系統(tǒng)的優(yōu)點在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中體現(xiàn)得更加明顯。,fc,fc-Rd,fc+Rd,fc-Rc,fc+Rc,頻率,信息調(diào)制波頻譜,擴頻調(diào)制后頻譜,fc為中心頻率 Rc為碼速率 Rd為數(shù)據(jù)速率,擴頻原理示意圖,碼分多址方式（CDMA）,CDMA方式的優(yōu)點是：具有較強的抗干擾能力；有一定的保密能力；改變地十比較靈活。 缺點是：要占用很寬的頻帶，頻帶利用率一般較低；要選擇數(shù)量足夠的可用地址碼組較為困難；接收時，對地址碼的捕獲與同

15、步需有一定時間。CDMA方式特別適用于軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)及小容量的系統(tǒng)。,幾種常用的多址聯(lián)接方式,（4）空分多址方式（SDMA） SDMA的基特征是衛(wèi)星天線有多個窄波束（又稱點波束），它們分別指向不同的區(qū)域地球站，衛(wèi)星上裝有轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備將其轉(zhuǎn)換到另一通信區(qū)域的下行波束，從而傳送到此一區(qū)域的某站。一個通信區(qū)域內(nèi)如果有幾個地球站，則它們之間的站址識別還要借助FDMA或TDMA方式。,空分多址方式（SDMA）,SDMA方式有許多新穎特點：衛(wèi)星天線增益高；衛(wèi)星功率可得到合理有效的利用；不同區(qū)域地球站所發(fā)信號在空間互不重疊，即使在同一時間用相同頻率，也不會相到干擾，因而可實現(xiàn)頻率重復(fù)使用，這就成倍地擴大了

16、系統(tǒng)的通信容量；轉(zhuǎn)換開關(guān)使衛(wèi)星成為一臺空中交換機，各地球站之間可像自動電話系統(tǒng)那樣方便地進行多址通信。此外，衛(wèi)星對其它地面通信系統(tǒng)的干擾減少了，對地球站的技術(shù)要求也降低。 不足：但是，SDMA方式對衛(wèi)星的穩(wěn)定及姿態(tài)控制提出很高的要求；衛(wèi)星天線及饋線裝置也比較龐大和復(fù)雜；轉(zhuǎn)換開關(guān)不僅使設(shè)備復(fù)雜，而且由于空間故障難以修復(fù)，增加了通信失效的風(fēng)險。,上述幾種分割的局限性,僅有有限的頻帶可利用，并且一般是分配在衛(wèi)星的幾個轉(zhuǎn)發(fā)器中的； 時間的分割與占用頻帶有關(guān)。時隙分割得越小，為傳送足夠的信息必然要提高碼速率，這就意味要增加所需頻帶的寬度，而可利用的頻帶寬度卻是有限的； 能占有的最大空間是衛(wèi)星覆球波束所占

17、據(jù)的范圍，雖然分割成很多窄波束小空間，但不可能無限分割； 能有效使用的地址碼不是無限多的。,各種組合形式的多址聯(lián)接,TDMA/FDMA TDMA/SDMA TDMA/FDMA/SDMA,選擇多址聯(lián)接方式，需要考慮的因,（1）、通信容量的要求； （2）、衛(wèi)星頻帶、功率的有效利用； （3）、相互聯(lián)接能力的要求； （4）、便于處理各種不同業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)的不斷增長有靈活的 自適應(yīng)能力； （5）、成本和經(jīng)濟效益； （6）、技術(shù)的先進性和可實現(xiàn)性； （7）、能適應(yīng)技術(shù)和政治情況的變化； （8）、其它的某些特殊要求，如軍事上的保密、抗干擾等。,第五部分,衛(wèi)星通信新技術(shù)新業(yè)務(wù),先進的衛(wèi)星天線,很大口徑的可展開式

18、拋物面天線(UHF到Ku),預(yù)測到近幾年可做到口徑12至20米 可產(chǎn)生100個波束以上的相控陣天線 使用新型材料的大尺寸、重量輕的天線（如壓電材料），具有頻率選擇性的多層天線反射面,先進的能源系統(tǒng),光電轉(zhuǎn)換效率高開40%的高效太陽能電池 轉(zhuǎn)換效率達50%的熱電以能源轉(zhuǎn)換器 比現(xiàn)有元件消耗功率低4倍的納功率元件 高容量的貯存電能系統(tǒng),先進的MODEM和編碼技術(shù),BPSK 1bit/Hz(頻譜利用率，理想情況下） QPSK 2bit/Hz 8PSK 3bit/Hz 16QAM 4bit/Hz 頻譜利用率達到4bit/Hz的速率為每秒千兆比的衛(wèi)星MODEM 頻譜利用率達到10bit/Hz的速率為每秒

19、千兆比的衛(wèi)星MODEM 克服雨衰的先進的編碼技術(shù),新調(diào)制編碼技術(shù),新的調(diào)制技術(shù) 8PSK比QPSK節(jié)省頻帶40%至50% 16QAM比QPSK節(jié)省頻帶50%至70% 代價：增加射頻功率（需要更高的Eb/No),編碼技術(shù),TCM/RS：比Viterbi節(jié)省功率10%至30% Turbo：比Viterbi節(jié)省功率30%至50%,信道技術(shù)-PCMA,PCMA:Pair Carrier Multiple 一對PCMA載波共享一個頻點 采用自適應(yīng)抵消技術(shù) 可用于對稱和非對稱電路 節(jié)省頻帶50%，僅提高功率電平0.3dB,新型智能化微型終端,寬帶微型終端，功率小于1W，可支持速率達2Mb/s的多媒體應(yīng)用

20、移動的可隨身攜帶的衛(wèi)星用戶終端，支持各種應(yīng)用 通用衛(wèi)星接入終端，可按需接入多個商用衛(wèi)星系統(tǒng) 基于相控陣的智能指向移動衛(wèi)星電話/多媒體計算機單元。,兩個基本趨勢,大型/超大型化：容量更大，功能理強、壽命更長 小型化/微型化：構(gòu)成眾多衛(wèi)星組成的星座或戍區(qū)衛(wèi)星群系統(tǒng)，實現(xiàn)對全球的無縫隙覆蓋。 大型平臺 大型衛(wèi)星需要大型平臺的技術(shù)： 多頻段、多天線的安裝 多部大功率轉(zhuǎn)發(fā)器 強的星上處理功能 長壽命,有效載荷,項目 目前 未來 轉(zhuǎn)發(fā)器類型 彎管 再生 功放 TWTA SSPA 天線類型 反射面 有源相控陣 饋電 單或多喇叭 DBF/光 星上處理 無 高速OBP/ATM MODEM 無 軟件MODEM,地

21、球站技術(shù),小型化：移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)手機化，固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，各類終端向小或微型化發(fā)展 關(guān)鍵是小型化的天線系統(tǒng) 綜合化：可多頻段工作，提供綜合業(yè)務(wù) 智能化：能適應(yīng)多種多址接入方式、編碼和調(diào)制方式，可變速率和帶寬,新業(yè)務(wù),衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù) INTERNET應(yīng)用 IPTV應(yīng)用 3G及WLAN中的應(yīng)用 .,INTERNET 應(yīng)用,骨干網(wǎng)應(yīng)用：因特網(wǎng)發(fā)源于美國，目前大部分的內(nèi)容都存放儲在美國的服務(wù)器上。ISP采用衛(wèi)星鏈路與美國INTERNET骨干網(wǎng)建立直接的連接 接入網(wǎng)應(yīng)用：可以實現(xiàn)用戶在任何時間、地點高速從互聯(lián)網(wǎng)獲得信息 衛(wèi)星寬帶多播網(wǎng)應(yīng)用：以衛(wèi)星廣播信道為基礎(chǔ)，通過信息廣播或多播方式，廉價實現(xiàn)因特網(wǎng)信息從一點到多點的分發(fā)，減輕地面骨干網(wǎng)的壓力。,IPTV應(yīng)用,IPTV是以家用電視機為主要終端顯示，通過寬