第6章 数字微波与卫星通信系统.ppt

1 数字微波通信系统2 卫星通信系统 微波是指频率在300MHz至300GHz范围内的电磁波 数字微波通信是指利用微波携带数字信息 通过电波空间 同时传送若干相互无关信息 并进行再生中继的通信方式 6 1数字微波通信系统 微波通信系统的构成 中继传输方式 地面微波接力通信系统工作在4 6GHz 它通过地面多座中继站在两地之间建立通信链路 相邻中继站的距离为视距 约50Km 数字微波系统组成 数字微波通信的特点 1 频带宽干扰小2 中继传输组网灵活3 抗干扰性强4 保密性好5 便于组成数字通信网 数字微波系统实例 发信设备的组成 收信设备的组成 6 2卫星通信系统 1 概述2 卫星通信系统的组成3 卫星通信的多址连接方式4 通信卫星5 卫星地面站6 卫星通信的新技术7 典型商用卫星通信系统 1 卫星通信系统概述 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号 在多个地球站之间进行的通信 由于作为中继站的卫星离地面很高 所以经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信 用于实现通信目的的这种人造地球卫星被称为通信卫星 卫星通信是宇宙通信形式之一 采用的是微波频段 卫星通信示意图 卫星通信的基本概念 通信卫星 地面站A 地面站B 卫星通信系统的优点 通信距离远覆盖面积大 可以进行多址通信通信频带宽 容量大性能稳定可靠 卫星通信的频段选择 早期的同步通信卫星使用的工作频段主要是C波段 4 6GHz 因为当时同一波段的微波接力通信技术已比较成熟 开发费用低 并且该波段处于地球的无线电窗口范围内 大气层吸收很小 随着通信技术的发展和通信业务的增加 新的波段不断被开发 目前Ku波段 11 14GHz 已大量应用于民用卫星通信和卫星广播业务 20 30GHz频段也已投入使用 自由空间的传播损耗 由于卫星通信用的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间内传播 而宇宙空间是接近真空状态的 并且由于在目前所使用的频段范围内 与自由空间的传播衰耗相比 大气层的衰减损耗很小 所以基本上可以认为 电波是在均匀媒介的自由空间内传播 信道的特性较稳定 因此 从信道性质来说 一般都认为是恒参信道 卫星传输信号处理技术 能量扩散技术2 预加重3 加权 2 卫星通信系统的组成 卫星通信系统的组成 3 卫星通信的多址连接方式 所谓多址连接方式 就是许多个地面站通过共同的通信卫星来实现覆盖区域内的相互连接 而无需中间转接 这就要求各个地面站发向其它地面站的信号之间必须有区别 频分多址方式 频分多址 FDMA 是根据各地面站发射的信号频率不同 按照频率的高低 顺序排列在卫星的频带里 各地面站的信号频谱要排列得互相不重叠 也就是说 按照频率不同来区分是哪个站址 FDMA的分类 1 每载波多路MCPC FDMA方式2 每载波单路SCPC FDMA方式3 星上交换SS FDMA FDMA的分类 SCPC系统的频率配置 FDMA的分类 SS FDMA卫星转发器方框图 时分多址方式 时分多址 TDMA 是将通过卫星转发器的信号在时间上分成 帧 来进行多址划分的 在一帧内又划分成若干个时隙 将这些时隙分配给地面站 只允许各地面站在所规定的时隙内发射信号 时分多址方式 TDMA系统模型 时分多址方式 TDMA技术有如下优点 1 不存在FDMA中的互调问题 2 系统容量大 卫星功率利用率高 3 提高信号传输质量 有利于综合业务的接入 4 使用灵活 存在以下不足 1 必须保持各地球站之间的同步 才能让所有用户实现共享卫星资源的目的 2 要求采用突发解调器 系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号 3 模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输 4 初期的投资较大 系统实现复杂 时分多址方式 TDMA帧结构TDMA系统的帧结构主要包括同步分帧 也称为基准分帧 RB 和数据 业务 分帧 DB 时分多址方式 TDMA系统帧结构 时分多址方式 系统的定时与同步 就目前的卫星发射技术而言 如果使卫星的位置保持在精度 0 1 范围 高度变化在0 1 以内 那么卫星可在75km 75km 75km的立体空间内漂移 时分多址方式 TDMA系统定时 通常TDMA帧周期 Tf 是话音取样周期 125 s 的整数倍 它与频率为f0的高稳定度 10 11 的时钟周期一致 TDMA系统的同步 TDMA系统的同步内容包括载波同步 时钟同步和分帧同步 其中要求在极短的时间内从各接收分帧报头中完成基准载波和时钟信号的提取工作 时分多址方式 分帧同步包括两方面的内容 其一是指在地球站开始发射数据时 如何使其进入指定的时隙 而不会对其他分帧构成干扰 这就是分帧的初始捕获 其二是指如何使进入指定时隙的分帧信号处于稳定的工作状态 即使该分帧与其他分帧维持正确的时间关系 不致出现相互重叠的现象 这就是分帧同步技术 空分多址方式 空分多址 SDMA 是指在卫星上安装多个天线 这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域 不同区域的地面站所发射的电波在空间不会互相重叠 即使在同一时间 不同区域的地面站使用相同的频率来工作 它们之间也不会形成干扰 空分多址方式 SDMA SS TDMA方式SDMA SS TDMA系统称为卫星交换TDMA系统 简称SS TDMA 由于在卫星交换TDMA系统中 多采用多波束来实现空分多址 SDMA 这可以改善系统性能 但使处于某波束中的地球站无法与其他波束管辖下的地球站进行直接通信 空分多址方式 SDMA SS TDMA系统原理图 码分多址方式 码分多址方式 CDMA 的原理是 利用自相关性非常强而互相关性非常弱的周期性码序列作为地址信息 对被用户信息调制过的已调波进行再次调制 使其频谱大为展宽 称为扩频 经卫星信道传输后 在接收端以本地产生的已知的地址码为参考 根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别 从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出 其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去 4 通信卫星 通信卫星是卫星通信系统的重要组成部分 静止卫星的配置 卫星通信示意图 通信卫星的组成 在卫星通信系统中 所有地面站发出的信号都是经过卫星中继转发到地面接收站的 为了完成这一转发的任务 卫星上必须配备转发无线电信号的通信系统与天线系统 除此之外 为了保证通信卫星的正常工作 还必须配备控制系统 遥测系统和电源系统 控制系统 控制系统的任务是根据地面指令信号来控制卫星姿态和位置等 通信卫星的控制系统包括卫星的位置控制系统和卫星的姿态控制系统 天线系统 通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种 它们的特点是 体积小 重量轻 馈电容易 有便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等 天线系统 卫星天线系统示意图 遥测系统 为了保持卫星的正常运转和通信 需要及时了解卫星内部的各种情况和设备的工作是否正常 在必要时 应该通过遥测信号 即指令信号 去控制卫星上某些设备的动作 另外 当一些部件发生故障时 还需自动将备份件转换上去等 所有这些工作都是通过卫星上的遥测系统来完成 通信系统 在通信卫星的各组成系统中 真正起到卫星通信中继站作用的是通信系统 也叫转发器 电源系统 通信卫星的电源一般同时采用太阳能电池和化学电池 或原子能电池 通常太阳能电池作为常用电源使用 当卫星进入地球阴影区 或者说卫星日蚀 时 使用化学电池供电 5 卫星地面站 地面站的组成 地面站发射系统的组成 地面站接收系统的组成 馈线 地球站天线馈线系统的组成 天线系统与机房的连接 地面站电源系统 一般情况下使用交流市电供电偶然断电时使用蓄电池供电长期或定期断电时使用柴油发电机 电源机柜与蓄电池 问题讨论 卫星通信是数据通信网络的重要形式 传统上是作为 通信子网 即只支持网络层以下的功能 是数据包传输的透明通道 为更有效地提供数据传输业务 减少与其他网络协议的接口转换 TCP IP在卫星通信网中的应用已受到关注 谈谈你在这方面的看法 课后作业 收集铱星系统资料 思考铱星计划失败的原因及带给我们的启示 6 卫星通信的新技术 近年来卫星通信技术发展很快 为适应各种业务的需求 许多新技术 新系统不断产生 其中已开始应用的有VSAT系统 低轨道卫星通信系统等 VSAT系统 VSAT系统的发展 目前 VSAT系统主要正在以下几个方面进行改进 降低成本和安装费用 扩大业务范围 完成多种连接 开发新的网络系统 LEO系统 低轨道卫星通信系统 简称LEO 由距地面高度500 1500Km左右的众多卫星组成 运行在多个轨道上 与地球自转不能保持同步 所以也叫非同步卫星通信系统 LEO系统的特点 衰耗小时延短通信质量好容量大发射成本低移动终端小型化 LEO系统的原理 LEO系统与地面蜂窝移动通信系统的基本原理相似 都采用划分小区和重复使用频率的方法进行通信 不同的是LEO系统相当于把基站安装在天空上 一个卫星就相当于一个基站 由于天线和中继器等都安装在卫星上 所以随着卫星的移动 基站 天线等都是不停地移动着的 7 典型商用卫星通信系统 铱系统全球星系统海事卫星通信系统 铱系统 这是由美国摩托罗拉公司在1988年提出的覆盖全球的LEO系统 1998年投入使用 原计划采用77颗卫星 与铱原子的电子数相等 故名 后来铱系统实际采用66颗卫星 环绕6条均匀分布的近极圆轨道运行 相邻轨道平面上的卫星按相反方向运行 轨道高度约为780km 每个轨道平面分布11颗卫星及1颗备用卫星 全球星系统 全球星系统是由美国劳拉公司和高通公司发起的 它有48颗卫星 另加8颗备用卫星 分布在8个倾角为520的圆轨道上 轨道高度为1414Km 每个轨道分布6颗卫星和1颗备用卫星 系统覆盖