1、第三章 衛(wèi)星通信系統(tǒng),2,3.1 衛(wèi)星通信基本概念 3.2 通信衛(wèi)星與地球站 3.3 衛(wèi)星通信體制 3.4 衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì) 3.5 軍事通信衛(wèi)星網(wǎng),本章內(nèi)容,所謂的通信體制，指的就是通信系統(tǒng)所采用的信號(hào)傳輸方式和信號(hào)交換方式，也就是根據(jù)信道條件及通信要求在系統(tǒng)中采用的是什么樣的信號(hào)形式（時(shí)間波形與頻譜結(jié)構(gòu)）以及怎樣進(jìn)行傳輸（包括各種處理和變換）、用什么方式進(jìn)行交換等。,3.3 衛(wèi)星通信體制,衛(wèi)星通信由于具有廣播和大面積覆蓋的特點(diǎn)，因此特別適用于多個(gè)站之間的同時(shí)通信，即多址通信。多址通信是指衛(wèi)星天線波束覆蓋區(qū)內(nèi)的任何地球站可以通過(guò)共同的衛(wèi)星進(jìn)行雙邊或多邊通信聯(lián)接常稱之為“多址連接”。此外，衛(wèi)

2、星通信是利用衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)中繼通信的，因此如何充分利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率和頻帶，是衛(wèi)星通信一個(gè)重要的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題還涉及到衛(wèi)星通道的分配方式。衛(wèi)星通信體制的內(nèi)容：,3.3 衛(wèi)星通信體制,基帶信號(hào)形式,基帶信號(hào)有哪些方式？是模擬制還是數(shù)字制？采用何種信源編碼？基帶信號(hào)是單路傳輸?shù)倪€是多路傳輸?shù)模坎捎煤畏N多路復(fù)用方式，是頻分多路復(fù)用的還是采用時(shí)分多路復(fù)用的？基帶信號(hào)需經(jīng)過(guò)何種重要的加工處理等等。,3.3 衛(wèi)星通信體制,采用的調(diào)制制度,采用何種調(diào)制制度，是調(diào)頻、移相鍵控、還是其它的調(diào)制制度。,3.3 衛(wèi)星通信體制,采用的多址聯(lián)接方式,各地球站采用怎樣的方式建立相互連接，是采用頻分多址、時(shí)分多址、空分多址、

3、碼分多址，還是其他多址聯(lián)接方式。,3.3 衛(wèi)星通信體制,采用的通道分配與交換制度,通道的占用是怎樣分配的，是預(yù)分配，還是按申請(qǐng)分配，或是隨機(jī)占用。根據(jù)申請(qǐng)而選定通道，這意味著具有一種交換功能，因而還要確定采用怎樣的申請(qǐng)方式。星上是否采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)器上有無(wú)交換裝置，采用怎樣的星上交換制度？,3.3 衛(wèi)星通信體制,例如，目前國(guó)際衛(wèi)星通信中傳輸多路電話用得最多的一種體制是：模擬制/頻分復(fù)用/調(diào)頻/頻分多址/預(yù)分配；發(fā)展最快的一種體制是：數(shù)字制/時(shí)分多路復(fù)用/數(shù)字調(diào)相/頻分多址/預(yù)分配。,3.3 衛(wèi)星通信體制,10,1.基帶信號(hào)和糾錯(cuò)方式 （1）基帶信號(hào)形式可以是模擬制也可以是數(shù)字制的。模擬信號(hào)

4、在數(shù)字制衛(wèi)星通信系統(tǒng)中傳輸，要先進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法有脈碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（DM）。,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,11,（2）基帶信號(hào)可以單路傳輸，也可以多路復(fù)用后傳輸，傳輸方式：FDM、TDM。多路復(fù)用方式是在終端設(shè)備上進(jìn)行信號(hào)分割的技術(shù)，達(dá)到一個(gè)站同時(shí)傳送多路信號(hào)的目的。 （3）基帶信號(hào)通常還要進(jìn)行某種加工和處理，例如預(yù)加重、加密、差錯(cuò)控制編碼、數(shù)字話音內(nèi)插、 擴(kuò)頻編碼等。,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,12,2. 調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制制度逐步應(yīng)用于衛(wèi)星通信。,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,衛(wèi)星通信的一個(gè)基本特點(diǎn)是，能進(jìn)行多址通信，系統(tǒng)中的各地

5、球站均向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，衛(wèi)星將這些信號(hào)混合并作必要的處理與交換，然后向地球某一區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)。那么，用怎樣信號(hào)傳輸方式，才能使接收站從這些信號(hào)中識(shí)別出發(fā)給本站的信號(hào)并知道發(fā)自何站呢？又怎樣使混合的各站信號(hào)的干擾盡量小呢？,3.多址聯(lián)接方式,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,14,多址聯(lián)接是指在衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)，各地球站通過(guò)共同的衛(wèi)星，同時(shí)分別建立相互之間的通信線路而實(shí)現(xiàn)的多邊通信。 實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接的關(guān)鍵是各地球站所發(fā)信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器混合與轉(zhuǎn)發(fā)后應(yīng)能為相應(yīng)的對(duì)方站識(shí)別，同時(shí)，各站信號(hào)之間的干擾要盡量小。,3.多址聯(lián)接方式,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,15,在多址連接方式下衛(wèi)星通信能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多方向多個(gè)地面站之間

6、的相互聯(lián)系。對(duì)于多址連接方式來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的是每個(gè)地球站都能迅速準(zhǔn)確從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的總信號(hào)中分出發(fā)給自己的信號(hào)。,16,實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接的技術(shù)基礎(chǔ)是信號(hào)分割，只要信號(hào)之間在某一參量上有差別，就可以把這些信號(hào)分割開。 在衛(wèi)星通信中的信號(hào)分割和識(shí)別是以載波頻率出現(xiàn)的時(shí)間或空間位置為參量實(shí)現(xiàn)的。有：頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和碼分多址（CDMA）。,3.3.1 衛(wèi)星通信體制概述,3.多址聯(lián)接方式,17,4.信道分配與交換制度 對(duì)衛(wèi)星信道占用需要確定一定的制度，有： 預(yù)分配、按需分配、隨機(jī)占用。 主要討論衛(wèi)星通信比較獨(dú)特的多址聯(lián)接方式及信道分配制度。,3.3.1 衛(wèi)星通

7、信體制概述,隨機(jī)分配(RA),動(dòng)態(tài)分配(DYA),分群全可變方式(G-VT-VR),收端固定發(fā)端可變的方式(FR-VT),發(fā)端固定收端可變的方式(FT-VR),固定預(yù)分配方式 (FPA),按時(shí)預(yù)分配方式 (TPA),1、預(yù)分配制(PA),2、按申請(qǐng)分配制(DA),全可變方式(VT-VR),3、其他分配制度,分配制度分類：,預(yù)分配（PA）,（1）固定預(yù)分配方式（FPA）,這種分配方式是，按事先規(guī)定，半永久性地分配給每個(gè)地球站固定數(shù)目的載波，各地球站只能用分給它的這些特定頻率與有關(guān)地球站通信，而其他站不能占用這些頻率。,4.信道分配與交換制度,(i1),固定預(yù)分配方式（FPA）,(12),(13)

8、,(1k),(21),(2k),(ik),(k1),(kk-1),1#站,1#站,2#站,3#站,i#站,k#站,（2）按時(shí)預(yù)分配方式(TPA),事先知道各地球站間業(yè)務(wù)量隨“時(shí)差”及其它因素作周期性變動(dòng)時(shí)，可約定一天內(nèi)通道分配作幾次固定的調(diào)整。這種方式稱為按時(shí)預(yù)分配方式。顯然其通道利用率比固定時(shí)要高，但從每一時(shí)刻看，它仍然是固定分配的。這種方式只適用于大容量線路，而且多用于國(guó)際通信場(chǎng)合。,4.信道分配與交換制度,按申請(qǐng)分配（DA）,固定分配的主要矛盾是業(yè)務(wù)量隨機(jī)變化而通道的分配卻是固定的，兩者難以達(dá)到很好的匹配。對(duì)于業(yè)務(wù)量較小且地球站較多的衛(wèi)星通信網(wǎng)，最好采用分配可變的制度，即衛(wèi)星的通道不是或

9、不完全是固定分配給各站專用的，而是根據(jù)地球站的申請(qǐng)臨時(shí)分配給其使用，通話完畢又收歸公用，通常稱之為按申請(qǐng)分配或按需分配。,4.信道分配與交換制度,23,它是指網(wǎng)中各站隨機(jī)地占用衛(wèi)星信道，若發(fā)生“碰撞”則重發(fā)的一種多址分配制度。 特點(diǎn)： 隨機(jī)地、間斷地使用信道； 用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)可以分組傳輸，可以大大提高信道的利用率。,隨機(jī)分配（RA）,4.信道分配與交換制度,它是對(duì)固定預(yù)分配的一種重大改進(jìn)，比較靈活，各站之間可以互相調(diào)劑通道，因而可用較少的通道為較多的站服務(wù)，這就基本上可以避免忙閑不均的不合理現(xiàn)象。在站多而業(yè)務(wù)量都較小的情況下，這種制度的通道效率是很高的。但是為了實(shí)現(xiàn)按需分配，要使用比較復(fù)雜

10、的控制設(shè)備，并且一般要在轉(zhuǎn)發(fā)器上單獨(dú)開辟一專用頻段作為公用傳信通道（CSC），供各站申請(qǐng)、分配通道時(shí)使用。,4.信道分配與交換制度,CSC是廣播式的公用傳信通道。系統(tǒng)中各站都監(jiān)視、接收這個(gè)頻率的信號(hào)。各站對(duì)CSC的占用可以采取TDMA方式，即各站在規(guī)定的時(shí)隙用CSC的載頻發(fā)出申請(qǐng)碼組；也可以使用隨機(jī)占用方式，即各站在任意時(shí)刻發(fā)射申請(qǐng)碼組，當(dāng)然有可能幾個(gè)站同時(shí)申請(qǐng)而發(fā)生碰撞，這就需要重新申請(qǐng)。,4.信道分配與交換制度,根據(jù)通道分配可變程度的不同， 申請(qǐng)分配制有以下幾種類型：,發(fā)端固定收端可變方式(FT-VR),收端固定發(fā)端可變方式(FR-VT),全可變方式(VT-VR),分群可變方式(G-VT-

11、VR),4.信道分配與交換制度,27,在多個(gè)地球站共用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的通信系統(tǒng)中，按分配給各站的射頻載波頻率不同區(qū)分站址的方式。 基本特征是把衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的可用射頻帶寬分割成若干互不重疊的部分，分配給各地球站作為所要發(fā)送信號(hào)的載波使用。 FDMA中是以頻率來(lái)進(jìn)行分割的，其在時(shí)間和空間上無(wú)法分開，故此不同的信道占用不同的頻段，互不重疊。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,28,FDMA的分類： 與幾個(gè)站通信就發(fā)幾個(gè)載波,衛(wèi)星就照發(fā)照收。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,29,多址載波 每個(gè)地球站只發(fā)一個(gè)載波，利用基帶中的頻分多路復(fù)用或時(shí)分多路復(fù)用將發(fā)往不同站的信號(hào)安排在不同的群路上，以便各對(duì)

12、方站識(shí)別并取出到該站的信號(hào)。 在FDM/FM/FDMA方式中，首先基帶模擬信號(hào)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(gè)載波頻率上，最后再以頻分多址方式發(fā)射和接收。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,30,31,頻分多址FDMA的多址載波方式系統(tǒng)示例： 該系統(tǒng)中共有四個(gè)地球站使用同一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，A、B、C、D四個(gè)站的載波頻率不同，并且頻譜無(wú)重疊，如D站要與其它的三個(gè)站同時(shí)通信，D站發(fā)出的信號(hào)包括A、B和C站的信號(hào)，A、B、C三個(gè)站接收機(jī)濾出各自站頻譜（用不同顏色代表）內(nèi)信號(hào)。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,32,單路單載波（SCPC）方式 在預(yù)分配SCPC方式中，任意兩地

13、球站之間進(jìn)行通信時(shí)，其下行鏈路的載波只攜帶一路信號(hào)，并且占用一條衛(wèi)星通道。 如：在采用SCPC/PA方式工作的IS-IV衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，將其中一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的36MHz帶寬等間隔地分為800個(gè)通道。 以導(dǎo)頻為界，高低頻段中各設(shè)置400條通道，通道間隔45KHz。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,33,導(dǎo)頻是指在已調(diào)信號(hào)譜中額外地插入一個(gè)低功率的載波頻率或其有關(guān)的頻率信號(hào)譜線，其對(duì)應(yīng)的正弦波就稱為導(dǎo)頻信號(hào)。 導(dǎo)頻的主要作用是由于相鄰各載頻間隔很小，衛(wèi)星與每個(gè)地球站的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度等各不相同，為了保證載頻的嚴(yán)格排列，通常由參考站發(fā)一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)作為基準(zhǔn)，各地球站收到此導(dǎo)頻信號(hào)后對(duì)自己的工作

14、頻率進(jìn)行嚴(yán)格的校正。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,34,SCPC/PA系統(tǒng)的頻率配置,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,35,載頻是預(yù)先分配給各地球站使用的，任一站不能占用分配給其他站使用的載頻。 單路單載波（SCPC）方式的任一地球站要發(fā)幾路話，就得發(fā)射幾個(gè)載波。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,這種方案的缺點(diǎn)如下：,多個(gè)載波信號(hào)同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)發(fā)器有效輸出功率降低，產(chǎn)生交調(diào)噪聲和可懂串話、強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的抑制現(xiàn)象，并且大小站難以兼容，各站發(fā)射功率必須保持穩(wěn)定。,不靈活，要重新分配頻率比較困難。,3.3.2 頻分多址（FDMA）方式,37,按分配給各站的不同工作

15、時(shí)隙區(qū)分各站的信號(hào)。 在按時(shí)分多址方式工作的系統(tǒng)中，由于分配給各地球站的是特定的時(shí)隙，而不是特定的頻帶，因而每個(gè)地球站必須在分配給自己的時(shí)隙中用相同的載波頻率向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，并經(jīng)放大后沿下行鏈路重新發(fā)回地面。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可處于單載波狀態(tài)。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,38,39,由于分配給每個(gè)地球站的不再是一個(gè)特定的載波，而是一個(gè)指定的時(shí)隙，如T1、T2、T3Tk是各地球站在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中所占時(shí)隙，這樣能有效地利用衛(wèi)星頻帶而又不使各站信號(hào)相互干擾。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,40,TDMA系統(tǒng)模型,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,41,時(shí)分多址TDMA系統(tǒng)的同步內(nèi)容包括

16、： 載波同步 時(shí)鐘同步 分幀同步,要求在極短的時(shí)間內(nèi)從各接收分幀報(bào)頭中完成基準(zhǔn)載波和時(shí)鐘信號(hào)的提取工作。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,42,分幀同步包括兩方面的內(nèi)容： 其一是指在地球站開始發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，如何使其進(jìn)入指定的時(shí)隙，而不會(huì)對(duì)其他分幀構(gòu)成干擾，這就是分幀的初始捕獲。 其二是指如何使進(jìn)入指定時(shí)隙的分幀信號(hào)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，就是使該分幀與其他分幀維持正確的時(shí)間關(guān)系，不致出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，這就是分幀同步技術(shù)。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,43,一種典型的TDMA幀結(jié)構(gòu) PCM/TDM/PSK/TDMA,44,（1）基準(zhǔn)站分幀 基準(zhǔn)站分幀中包括載波、位定時(shí)恢復(fù)（CR和BT

17、R）、獨(dú)特碼（UW）、站址識(shí)別碼（SIC）和指令信號(hào)（CW）。 （2）數(shù)據(jù)分幀 一個(gè)數(shù)據(jù)分幀包含了若干個(gè)業(yè)務(wù)分幀，并且每個(gè)業(yè)務(wù)分幀由分幀報(bào)頭和多個(gè)PCM數(shù)據(jù)信道構(gòu)成。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,45,分幀報(bào)頭中的 保護(hù)時(shí)間用來(lái)防止與前一站突發(fā)分幀信號(hào)重疊； 載波恢復(fù)與比特定時(shí)信號(hào)為接收端提供同步信號(hào)； 獨(dú)特碼表明站名及突發(fā)的起始時(shí)間（要求各站不同）； 控制信號(hào)用來(lái)傳送通道等指令； 勤務(wù)聯(lián)絡(luò)用來(lái)為各站傳送勤務(wù)聯(lián)絡(luò)信息。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,46,由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)各地球站接收,Rs,在規(guī)定的一個(gè)突發(fā)分幀時(shí)間內(nèi)發(fā)往衛(wèi)星,47,多載波TDMA（MC-TDMA）方式是指在一

18、個(gè)TDMA系統(tǒng)中采用多載波，而在每條載波上以TDMA方式工作，可以傳送相對(duì)較低（幾十kbit/s到20Mbit/s）的信號(hào)速率。 當(dāng)MC-TDMA系統(tǒng)中僅使用一條載波時(shí)，就是傳統(tǒng)的單載波的TDMA方式；當(dāng)使用多條載波，并且每條載波只有一路信號(hào)時(shí)，就是SCPC方式；當(dāng)采用多條載波，而且每條載波傳送同一個(gè)地球站發(fā)送的多路信號(hào)時(shí)，則工作于MCPC方式。,3.3.3 時(shí)分多址（TDMA）方式,48,TDMA、SCPC和MC-TDMA使用轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶對(duì)比,49,又稱為“擴(kuò)展頻譜多址聯(lián)接方式”。 對(duì)各地球站分別用各不相同的、互不相關(guān)的偽隨機(jī)碼（地址碼）將發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。 即使各站發(fā)射的信號(hào)在頻率、時(shí)

19、間、空間上相互重疊，也不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。,3.3.4 碼分多址（CDMA）方式,50,按分配給各站的地址碼的不同來(lái)區(qū)分地址的方式稱為碼分多址。 碼分多址有多種方式，日前應(yīng)用較多的兩種是： 直接序列擴(kuò)頻碼分多址（ CDMA / DS ） 跳頻碼分多址（CDMA / FH ）,3.3.3 碼分多址（CDMA）方式,51,利用自相關(guān)性非常強(qiáng)而互相關(guān)性非常弱的周期性碼序列作為地址信息，對(duì)被用戶信息調(diào)制過(guò)的已調(diào)波進(jìn)行再次調(diào)制，使其頻譜大為展寬（稱為擴(kuò)頻）；經(jīng)衛(wèi)星信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知的地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對(duì)收到的所有信號(hào)進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼完全一致的寬帶信號(hào)還原為窄

20、帶而選出，其它與本地地址碼無(wú)關(guān)的信號(hào)則仍保持或擴(kuò)展為寬帶信號(hào)而濾去。,3.3.3 碼分多址（CDMA）方式,52,例如，i站發(fā)送端與k站接收端地址碼相同，則可把i站的信號(hào)傳給k站；若i站要接收k站發(fā)來(lái)的信號(hào)，則i站接收端與k站發(fā)送端必須用相同的地址碼。 任一站都可接收到由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的所有信號(hào)，即各個(gè)站發(fā)送的地址碼序列之和。由于分配給各站的地址碼互不相干，因而各線路互不干擾。,3.3.3 碼分多址（CDMA）方式,53,54,擴(kuò)頻通信的基本原理,任何不匹配的輸入信號(hào)則被本地碼擴(kuò)展為寬帶信號(hào)，其功率譜密度大為減小。,在發(fā)送端，原始信息被一個(gè)帶寬較其帶寬寬得多的偽隨機(jī)碼(PN碼)進(jìn)行擴(kuò)展調(diào)制。,在接收端，接收到的擴(kuò)展頻譜信號(hào)與一個(gè)和發(fā)送端PN碼完全相同的本地碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理。,當(dāng)收到的信號(hào)