《衛(wèi)星通信體制》PPT課件.ppt

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1、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(hào)與通信系統(tǒng) 信號(hào)、消息、信息 模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào) 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(shí)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(hào)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(kuò)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/FDMA CSSB

2、（壓擴(kuò)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(kuò)展技術(shù)來降低鑒頻器的門限電平，例如：采用門限擴(kuò)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(jī)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(shí)先將多路話音信號(hào)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(hào)再通過去加重網(wǎng)絡(luò)，使各路信號(hào)電平一致。,目前，隨著航天技

3、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(duì)通信容量的要求日益增長(zhǎng)，所以頻帶寬度的問題已成為主要矛盾，人們采用壓擴(kuò)單邊帶（CSSB）調(diào)制來傳輸電話信號(hào)，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(shí)，能使一個(gè)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，F(xiàn)MD/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(duì)所采用的調(diào)制

4、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(shí)達(dá)到最高的功率利用率和頻帶利用率，而需要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)制調(diào)制方式（8PSK、MQAM等）,2、通信體制： （1）、非恒包絡(luò)調(diào)

5、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(shí)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?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)器是單載波工作（不會(huì)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(diǎn)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（

6、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(hào)傳輸方式和信號(hào)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(hào)形式（時(shí)間波形與頻譜結(jié)構(gòu)），以及怎樣進(jìn)行傳輸（包括各種變換和處理）、用什么方式進(jìn)行交換等。,采用

7、的基帶信號(hào)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(gè)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(gè)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(hào)的復(fù)合與分離,圖 信號(hào)的復(fù)合與分離模型,基本多址方式有: (1) 頻分多址(

8、FDMA) (2) 時(shí)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(hào)分割和識(shí)別是以載波的頻率、出現(xiàn)的時(shí)間或空間位置為參量實(shí)現(xiàn)的，歸納起來可分為頻分多址（FDMA）、時(shí)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(jiǎn)單的多址訪問方式。在FDMA中是以頻率來進(jìn)行分割的，其在時(shí)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(shí)分多址訪問（TDMA）方式是以時(shí)間為參量來進(jìn)行分割的，其頻率和空間是無法分開的，那么不同的信號(hào)占據(jù)不同時(shí)

9、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(jìn)行分割的，其頻率和時(shí)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(hào)。 碼分多址訪問（CDMA）方式是以信號(hào)的波形、碼型為參量來實(shí)現(xiàn)多址訪問的，其頻率、時(shí)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(duì)多址通信分類。 對(duì)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(jī)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

10、址技術(shù)中的一種最簡(jiǎn)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(gè)地球站向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射一個(gè)或多個(gè)載波，每個(gè)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(hù)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(gè)地球站向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射一個(gè)或多個(gè)載波，每個(gè)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(diǎn) 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(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠和易于實(shí)現(xiàn)。 其特點(diǎn)可進(jìn)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。

11、 （2）必須嚴(yán)格控制功率。 （3）設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)頻帶。 （4）盡量減少互調(diào)的影響。,(1)單址載波： 特點(diǎn)： A)本站向其他n-1個(gè)站通信需n-1個(gè)載波 B)n個(gè)站同時(shí)通信需n(n-1)個(gè)載波 C)載波太多易引起嚴(yán)重的交調(diào) D)用于站點(diǎn)不多的情況,（2）多址載波：各站信號(hào)先復(fù)用在指定頻段，再調(diào)制到一個(gè)射頻載波上發(fā)送；收端：用帶通濾出相應(yīng)的信號(hào)。 特點(diǎn)： A)本站向其他n-1個(gè)站通信只需1個(gè)載波（上行和下行載波不同，1個(gè)載波只是指上行） B)信號(hào)復(fù)用和多個(gè)站點(diǎn)復(fù)用是不同的，每個(gè)站點(diǎn)的信號(hào)包含了多路電話 C)無論有無電話，發(fā)射載波和個(gè)站復(fù)用的載波都在工作,單路單載波SCPC（Single Chan

12、nel Per Carrier）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/PA PCM/SCPC/QPSK/FDMA/DA 其中按需分配的SCPC又稱為SPADE （Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment）,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（Single Channel Per Carrier）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/PA PCM/

13、SCPC/QPSK/FDMA/DA 其中按需分配的SCPC又稱為SPADE （Single Channel Per Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment）,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(diǎn)：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/PSK PCM/TDM/PSK/FDMA： 脈碼調(diào)制（）時(shí)分復(fù)用移相鍵控頻

14、分多址,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(hào)用時(shí)分復(fù)用方式復(fù)用在一起，然后以PSK方式調(diào)制到一個(gè)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(hào)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(gè)站都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的載波 A站發(fā)5個(gè)基群，分別由B、C、D、E、F站接收 一個(gè)站要

15、能接收其他各站的信息，必須有對(duì)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(jī)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(hào) 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(kuò)散信號(hào)：使工作頻帶內(nèi)頻譜均勻、降低干擾電平。信號(hào)為的對(duì)稱三角波 C)選擇合理的行波管工作點(diǎn),2)頻譜擴(kuò)展： 出現(xiàn)

16、多余頻譜，干擾相鄰的衛(wèi)星信道 3)信號(hào)抑制： 大站信號(hào)抑制小站信號(hào)，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(guó)際通信衛(wèi)星IV用的TWTA特性。,非線性放大器對(duì)系統(tǒng)性能的影響 當(dāng)TWTA同時(shí)放大多個(gè)不同頻率的載波時(shí)，會(huì)對(duì)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(duì)有用信號(hào)的干擾。,輸出功率退回量（輸出補(bǔ)償） 行波管放大單個(gè)載波時(shí)的飽和輸出電平與放大 多個(gè)載波工作點(diǎn)時(shí)的總輸出電平之差。 輸入功率退回量（輸入

17、補(bǔ)償） 行波管放大單個(gè)載波達(dá)到飽和輸出時(shí)的飽和輸 入電平與放大多個(gè)載波工作點(diǎn)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(shí)，各載波的輸出電壓幅度將有所減小 同時(shí)放大兩個(gè)載波時(shí)，飽和輸出電平約下降1.2dB 多載波放大時(shí)，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 分配不同幅度、不同容量的載波位置 不等間隔地配置載波中心頻率。一般，位于轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶中央的載波間隔大，而在兩邊的小。可減少交調(diào)成分量高峰的影響。如表3-1。,(2) 加能量擴(kuò)散信號(hào) 負(fù)荷輕時(shí)，調(diào)頻信號(hào)頻譜就會(huì)出現(xiàn)能量集中分布的高峰，這樣，將會(huì)在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)出現(xiàn)高電平三次或五次交調(diào)產(chǎn)物。此時(shí)，用一個(gè)適當(dāng)信號(hào)（能量擴(kuò)散信號(hào)，如20150Hz對(duì)稱三角波）對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，就可使調(diào)頻信號(hào)頻譜在工作頻帶內(nèi)均勻分布，從而降低干擾電平。,(3) 對(duì)上行線路的載波功率進(jìn)行控制，合理選擇行波管的工作點(diǎn) 嚴(yán)格控制信號(hào)功率，避免強(qiáng)信號(hào)抑制弱信號(hào)。,