《卫星通信体制》PPT课件

卫 星 通 信 技 术 基 础 卫 星 通 信 体 制 的 基 本 内 容 卫 星 通 信 多 址 联 结 技 术 其 他 多 址 技 术 多 址 分 配 制 度 电 信 号 与 通 信 系 统 信 号 、 消 息 、 信 息 模 拟 信 号 、 数 字 信 号 编 码 技 术 调 制 与 解 调 在 卫 星 通 信 发 展 的 早 期 ， 卫 星 转 发 器 一 般 是 功 率受 限 ， 同 时 所 需 的 通 信 容 量 （ 一 般 指 电 话 、 电 视 的 路数 ） 不 是 很 大 ， 所 以 模 拟 信 号 的 传 输 都 是 采 用 调 频FM方 式 。 这 种 调 制 方 式 一 方 面 传 输 质 量 较 好 ， 能 得到 较 高 的 信 噪 比 ， 另 一 方 面 能 充 分 利 用 地 面 微 波 中 继的 成 熟 技 术 。 在 这 种 系 统 中 ， 一 般 采 用 预 加 重 技 术 、门 限 扩 展 技 术 和 语 音 压 缩 编 码 技 术 来 改 善 系 统 性 能 。主 要 体 制 有 两 种 ： FDM/FM/FDMACSSB（ 压 扩 单 边 带 ） /AM/FDMA概 述 在 模 拟 卫 星 通 信 系 统 中 ， 一 般 采 用 门 限 扩 展 技 术 来降 低 鉴 频 器 的 门 限 电 平 ， 例 如 ： 采 用 门 限 扩 展 解 调 器（ 锁 相 环 解 调 器 、 频 率 负 反 馈 解 调 器 等 ） 。 由 于 接 收 机鉴 频 器 的 输 出 信 噪 比 与 调 制 指 数 （ 频 偏 与 调 制 频 率 之 比值 ） 的 平 方 成 正 比 ， 因 此 排 列 在 基 带 低 频 处 的 话 路 与 排列 在 基 带 高 频 处 的 话 路 的 信 噪 比 不 同 ， 调 制 频 率 高 则 输出 信 噪 比 就 低 。 为 了 保 证 输 出 信 噪 比 均 匀 ， 还 采 用 了 预加 重 技 术 ： 在 调 频 时 先 将 多 路 话 音 信 号 通 过 预 加 重 网 络 ，使 排 列 在 低 频 处 的 话 路 调 制 指 数 降 低 ， 排 列 在 高 频 处 的话 路 调 制 指 数 上 升 ， 结 果 使 得 解 调 后 的 各 电 话 通 路 的 信噪 比 趋 向 一 致 。 解 调 后 的 基 带 信 号 再 通 过 去 加 重 网 络 ，使 各 路 信 号 电 平 一 致 。 目 前 ， 随 着 航 天 技 术 的 发 展 ， 已 能 发 射 具 有 较 大 输出 功 率 的 卫 星 ， 并 且 用 户 对 通 信 容 量 的 要 求 日 益 增 长 ，所 以 频 带 宽 度 的 问 题 已 成 为 主 要 矛 盾 ， 人 们 采 用 压 扩 单边 带 （ CSSB） 调 制 来 传 输 电 话 信 号 ， 这 种 方 式 占 频 带 较窄 ， 可 以 提 高 通 信 容 量 。 CSSB/AM/FDMA体 制 尽 管 要求 较 大 的 输 出 功 率 ， 但 当 它 和 固 态 功 率 放 大 器 SSPA或 线性 行 波 管 一 同 使 用 时 ， 能 使 一 个 常 规 带 宽 为 36MHz的 转发 器 容 纳 约 7000条 单 向 话 路 ， 比 FM方 式 有 显 著 增 加 。 所 以 ， FMD/FM/FDMA方 式 是 功 率 利 用 率 较 高（ 与 AM方 式 相 比 ） 且 频 带 利 用 率 尚 可 （ 与 PM方 式 相 比 ）的 调 制 方 式 ； CSSB/AM/FDMA方 式 是 频 带 较 高 但 功 率要 求 较 大 的 调 制 方 式 。 数 字 卫 星 通 信 中 对 所 采 用 的 调 制 解 调 技术 的 一 般 要 求 是 ： 具 有 较 高 的 功 率 利 用 率 和频 带 利 用 率 。 通 常 一 种 调 制 技 术 不 能 同 时 达到 最 高 的 功 率 利 用 率 和 频 带 利 用 率 ， 而 需 要根 据 实 际 要 求 进 行 折 衷 。 当 前 ， 卫 星 通 信 主 要 是 工 作 在 功 率 受 限的 情 况 下 ， 所 以 ， 数 字 调 制 技 术 的 选 择 主 要是 采 用 功 率 利 用 率 高 的 调 制 方 式 。 卫 星 通 信 使 用 的 数 字 调 制 方 式 ， 最 基 本 的 也是 ASK、 FSK和 PSK方 式 。 选 择 数 字 调 制 方 式 要 考 虑 以 下 因 素 ：1、 设 计 目 的 ：（ 1） 、 主 要 从 功 率 利 用 率 高 的 角 度 出 发 （ 功 率有 效 ） ： 如 二 、 四 进 制 调 制 （ 2DPSK、 QDPSK等 ）（ 2） .主 要 从 频 带 利 用 率 高 的 角 度 出 发 （ 频 谱 有效 ） ：如 多 进 制 调 制 方 式 （ 8PSK、 MQAM等 ） 2、 通 信 体 制 ：（ 1） 、 非 恒 包 络 调 制 ： 在 采 用 FDMA体 制 的 数 字 卫 星 通 信 系 统 中 ，由 于 转 发 器 是 多 载 波 工 作 （ 要 求 系 统 的 非 线 性影 响 小 ） ， 行 波 管 的 输 入 输 出 特 性 工 作 在 准 线性 部 分 ， 允 许 非 恒 包 络 调 制 ， 但 实 际 上 由 于 还是 有 交 调 干 扰 的 存 在 ， 因 而 限 制 了 非 恒 包 络 调制 方 式 ， 大 多 采 用 FSK、 PSK等 恒 包 络 调 制 方 式 。 （ 2） 、 恒 包 络 调 制 ： 在 采 用 TDMA体 制 的 数 字 卫 星 通 信 系 统 中 ， 因 为 转发 器 是 单 载 波 工 作 （ 不 会 受 到 交 制 裁 干 扰 的 影 响 ） ， 所 以为 了 有 效 的 利 用 卫 星 的 功 率 而 使 行 波 管 输 入 输 出 特 性 在 饱和 点 附 近 ， 因 此 应 采 用 恒 定 包 络 的 调 制 方 式 。 如 FSK、PSK、 QPSK、 MSK、 CPFSK、 MPSK等 恒 包 络 的 调 制 。（ 3） 信 道 特 性 ： 由 于 电 波 主 要 是 在 自 由 空 间 传 播 （ 只 有 部 分 穿 过 大气 层 ） 信 道 参 数 比 较 稳 定 ， 信 道 的 主 要 干 扰 就 是 加 性 高 斯白 噪 声 ， 所 以 是 恒 参 信 道 。 在 恒 参 信 道 中 ， 采 用 PSK方 式可 获 得 最 佳 接 收 性 能 ， 且 能 有 效 的 利 用 卫 星 频 带 。 模 拟 制 的 频 率 调 制 与 解 调 调 频 FM调 制 器 FM解 调 器 数 字 制 中 的 相 位 调 制 与 解 调 BPSK的 基 本 概 念 BPSK调 制 器 与 解 调 器 卫 星 通 信 的 通 信 体 制 即 卫 星 通 信 系 统的 工 作 方 式 。 也 就 是 卫 星 通 信 系 统 所 采 用的 信 号 传 输 方 式 和 信 号 交 换 方 式 。 具 体 来 讲 ， 就 是 根 据 信 道 条 件 及 通 信 要 求 ，在 系 统 中 采 用 的 是 什 么 信 号 形 式 （ 时 间 波形 与 频 谱 结 构 ） ， 以 及 怎 样 进 行 传 输 （ 包括 各 种 变 换 和 处 理 ） 、 用 什 么 方 式 进 行 交换 等 。 采 用 的 基 带 信 号 形 式 采 用 的 中 频 或 射 频 调 制 制 度 采 用 的 多 址 联 接 方 式 信 道 分 配 与 交 换 制 度 一 个 卫 星 通 信 的 体 制 ， 主 要 包 括 多 路 复 用方 式 、 调 制 解 调 方 式 、 编 码 方 式 、 多 址 联接 方 式 以 及 信 道 分 配 与 交 换 制 度 等 。 多 路 复 用 单 路 制 -SCPC 群 路 制 MCPC（ 模 拟 ： FDM； 数 字 ： TDM） 调 制 解 调 BPSK、 QPSK、 OQPSK等 编 码 方 式 主 要 采 用 波 形 编 码 ， 常 用 的 是64kb/s的 PCM和 32kb/s的 ADPCM 多 址 方 式 的 分 类 多 址 方 式 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 方 式 。 信 号 的 复 合 与 分 离图 信 号 的 复 合 与 分 离 模 型 基 本 多 址 方 式 有 : (1) 频 分 多 址 (FDMA) (2) 时 分 多 址 (TDMA) (3) 码 分 多 址 (CDMA) (4) 空 分 多 址 (SDMA) 多 址 技 术 在 卫 星 通 信 中 的 信 号 分 割 和 识 别 是以 载 波 的 频 率 、 出 现 的 时 间 或 空 间 位 置为 参 量 实 现 的 ， 归 纳 起 来 可 分 为 频 分 多址 （ FDMA） 、 时 分 多 址 （ TDMA） 、 码 分多 址 （ CDMA） 和 空 分 多 址 （ SDMA） 以 及它 们 的 组 合 方 式 。 频 分 多 址 访 问 （ FDMA） 方 式 是 卫 星 通信 多 址 技 术 中 的 一 种 比 较 简 单 的 多 址 访 问方 式 。 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 。 时 分 多 址 访 问 （ TDMA） 方 式 是 以 时 间为 参 量 来 进 行 分 割 的 ， 其 频 率 和 空 间 是 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 。 空 分 多 址 访 问 （ SDMA） 方 式 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 。 码 分 多 址 访 问 （ CDMA） 方 式 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 和 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 。 除 以 上 四 种 多 址 方 式 外 ， 还 有 一 种 卫 星 分组 数 据 传 输 用 的 多 址 方 式 ： 按 照 通 信 协 议 对 多址 通 信 分 类 。 对 于 不 同 的 通 信 协 议 ， 卫 星 分 组 通 信 网 的连 接 方 式 分 为 ： 固 定 分 配 、 随 机 分 配 、 预 约 分配 等 连 接 方 式 。 基 本 概 念 和 系 统 组 成 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 。 图 频 分 多 址 方 式 的 原 理 框 图 2 FDMA的 应 用 特 点 频 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 特点 是 简 单 、 可 靠 和 易 于 实 现 。 其 特 点 可 进 一 步 归 纳 如 下 ： （ 1） 要 求 解 决 好 卫 星 的 功 率 和 带 宽 之 间的 关 系 。 （ 2） 必 须 严 格 控 制 功 率 。 （ 3） 设 置 适 当 的 保 护 频 带 。 （ 4） 尽 量 减 少 互 调 的 影 响 。 单 路 单 载 波 SCPC（ Single Channel Per Carrier） 用 于 站 数 多 而 每 站 业 务 量 较 小 的 系统 。 常 用 的 有 ：PCM/SCPC/QPSK/FDMA/PA PCM/SCPC/QPSK/FDMA/DA其 中 按 需 分 配 的 SCPC又 称 为 SPADE （ Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment） 单 路 单 载 波 SCPC（ Single Channel Per Carrier） 用 于 站 数 多 而 每 站 业 务 量 较 小 的 系统 。 常 用 的 有 ：PCM/SCPC/QPSK/FDMA/PA PCM/SCPC/QPSK/FDMA/DA其 中 按 需 分 配 的 SCPC又 称 为 SPADE （ Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment） FDM/FM/FDMA： 频 分 复 用 调 频 频 分 多 址 ， 特 点 ： 各 站载 波 频 率 不 同SCPC/FDMA： 每 载 波 单 路 频 分 多 址 ， 调 制 方 式 可 用 ：PCM/PSK、 FM、 M/PSKPCM/TDM/PSK/FDMA： 脉 码 调 制 （ ） 时 分 复 用 移 相 键 控 频 分 多 址 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 。 1. 频 分 复 用 ： 多 路 信 号 搬 移 到 基 带 不 同 位 置 ， 常 用 单 边 带 频分 复 用 . . 下 边 带 FDM 图 FDM/FM/FDMA方 式 原 理 图 每 个 站 都 有 一 个 对 应 的 载 波 A站 发 5个 基 群 ， 分 别 由 B、 C、 D、 E、 F站接 收 一 个 站 要 能 接 收 其 他 各 站 的 信 息 ， 必 须 有对 应 其 他 各 站 的 下 行 接 收 设 备 发 送 单 元 包 括 基 带 处 理 单 元 、 相 位 调 制 器 、 上 变频 器 。 接 收 单 元 包 括 下 变 频 器 、 带 通 滤 波 、 中 频 放 大 、基 带 处 理 单 元 。 图 FDMA设 备 的 基 本 组 成 图 转 发 器 和 地 球 站 发 射 机 的 高 功 率 行 波 管 放 大 器 (TWTA)是 非 线 性 的 。 由 振 幅 变 化 引 起 非 线 性 输 出 的 振 幅 变 化 为 AM/AM变 换 ，引 起 相 位 变 化 为 AM/PM变 换 1)产 生 交 调 干 扰 ： 产 生 组 合 频 率 ， 干 扰 有 用 信 号 解 决 方 案 ： A)控 制 中 心 频 率 的 间 隔 ， 例 ： 载 波 ， 把 频 带 分 为七 份 ， 取 、 、 、 为 载 波 B)加 能 量 扩 散 信 号 ： 使 工 作 频 带 内 频 谱 均 匀 、 降 低干 扰 电 平 。 信 号 为 的 对 称 三 角 波 C)选 择 合 理 的 行 波 管 工 作 点 非 线 性 放 大 器 的 影 响 高 功 率 行 波 管 放 大 器 （ TWTA） 是非 线 性 器 件 。 例 如 ： 图 3-6所 示 的 是 国 际 通 信 卫 星 IV用 的 TWTA特 性 。 非 线 性 放 大 器 对 系 统 性 能 的 影 响 当 TWTA同 时 放 大 多 个 不 同 频 率 的 载 波时 ， 会 对 系 统 的 性 能 产 生 以 下 不 良 影 响 ： 1、 交 调 失 真 ： 由 于 非 线 性 造 成 各 种 组 合 频 率 成 份 ， 落入 通 带 后 造 成 对 有 用 信 号 的 干 扰 。 输 出 功 率 退 回 量 （ 输 出 补 偿 ） 行 波 管 放 大 单 个 载 波 时 的 饱 和 输 出 电 平 与 放 大 多 个 载 波 工 作 点 时 的 总 输 出 电 平 之 差 。输 入 功 率 退 回 量 （ 输 入 补 偿 ） 行 波 管 放 大 单 个 载 波 达 到 饱 和 输 出 时 的 饱 和 输 入 电 平 与 放 大 多 个 载 波 工 作 点 的 总 输 出 电 平 之 差 。 例 ： 下 图 中 输 入 退 回 量 ： 4dB 输 出 退 回 量 ： 1.9dB 载 波 数 增 加 时 ， 各 载 波 的 输 出 电 压 幅 度将 有 所 减 小 同 时 放 大 两 个 载 波 时 ， 饱 和 输 出 电 平 约下 降 1.2dB 多 载 波 放 大 时 ， 饱 和 电 平 下 降 1.5dB 减 少 交 调 干 扰 的 方 法 : (1) 控 制 各 载 波 中 心 频 率 的 间 隔 ， 合 理 分 配 不 同 幅 度 、 不 同 容 量 的 载 波 位 置 不 等 间 隔 地 配 置 载 波 中 心 频 率 。 一 般 ，位 于 转 发 器 频 带 中 央 的 载 波 间 隔 大 ， 而 在 两边 的 小 。 可 减 少 交 调 成 分 量 高 峰 的 影 响 。 如表 3-1。 (2) 加 能 量 扩 散 信 号 负 荷 轻 时 ， 调 频 信 号 频 谱 就 会 出 现 能 量 集 中 分布 的 高 峰 ， 这 样 ， 将 会 在 卫 星 转 发 器 内 出 现 高 电 平三 次 或 五 次 交 调 产 物 。 此 时 ， 用 一 个 适 当 信 号 （ 能量 扩 散 信 号 ， 如 20150Hz对 称 三 角 波 ） 对 载 波 进行 调 制 ， 就 可 使 调 频 信 号 频 谱 在 工 作 频 带 内 均 匀 分布 ， 从 而 降 低 干 扰 电 平 。 (3) 对 上 行 线 路 的 载 波 功 率 进 行 控 制 ， 合 理 选择 行 波 管 的 工 作 点 严 格 控 制 信 号 功 率 ， 避 免 强 信 号 抑 制 弱信 号 。