第十一章 SATCOM-ACARS.ppt

第十一章卫星通信系统与通信寻址报告系统 ACARS 11 1 1卫星通信的定义 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 在两个或多个地球站之间进行的通信 地球站是指设在地球表面 包括地面 海洋和大气中 的无线电通信站 包括地面地球站 GES 和飞机上的机载地球站 AES 用于实现通信目的的这种人造卫星叫作通信卫星 如图11 1所示 卫星通信实际上就是利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式 图11 1卫星通信示意图 同步卫星 静止卫星 目前 绝大多数通信卫星是地球同步卫星 静止卫星 这种卫星的运行轨道是赤道平面内的圆形轨道 距地面约36000km 它运行的方向与地球自转的方向相同 绕地球旋转一周的时间 即公转周期恰好是24h 和地球的自转周期相等 从地球上看去 如同静止一般 故叫静止卫星 静止卫星并不是说卫星真的静止不动 而是与地球同步运行 故又叫同步卫星 由静止卫星作中继站组成的通信系统称为静止卫星通信系统或称同步卫星通信系统 图11 2是静止卫星与地球相对位置的示意图 从卫星向地球引两条切线 切线夹角为17 34度 两切点间弧线距离为18101km 可见在这个卫星电波波束覆盖区的地球站均可通过该卫星来实现通信 这种波束称全球波束 若以120度的等间隔在静止 轨道上配置三颗卫星 则地球表面除了两极区未被卫星波束覆盖外 其他区域均在覆盖范围之内 由此可见 只要用三颗等间隔配置的静止卫星上的全球波束覆盖就可以实现全球通信 这一特点是任何其他通信方式所不具备的 静止卫星所处的位置分别在太平洋 印度洋和大西洋上空 半球波束 区域波束 国内波束 点波束 除了上述能覆盖1 3地球表面的全球波束 又叫覆球波束 之外 对于固定卫星业务和陆地卫星业务 事实上只要保证覆盖陆地即可 没有必要覆盖海洋 对于区域通信或国内通信 也只要求卫星能覆盖特定地区 因此 可以根据特定业务的需要来设计卫星天线 因而出现了半球波束 区域波束 国内波束 点波束以及形形色色的覆盖特定区域的成形波束 如图11 3所示 这样的波束较全球波束窄 可以提高卫星的有效辐射功率 因而增加系统容量 图11 3几种常见波束覆盖区域示意图 11 1 2卫星通信系统的分类 1 按卫星通信范围分为 全球卫星通信系统 国际卫星通信系统 区域卫星通信系统和国内卫星通信系统 2 按卫星处理能力可分为 星上处理通信系统和星上能量放大的转发通信系统 又称弯管型通信系统 3 按基带信号体制可分为 模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统 数字制又分为窄带和宽带卫星通信系统 4 按多址方式可分为 频分多址卫星通信系统 时分多址卫星通信系统 空分多址卫星通信系统 码分多址卫星通信系统和混合多址卫星通信系统 5 按所用的频段可分为 特高频 UHF 卫星通信系统 超高频 SHF 卫星通信系统 极高频 毫米波 EHF 卫星通信系统 或者分为C波段 Ku波段 Ka波段卫星通信系统 以及激光卫星通信系统 6 按通信业务种类可分为 固定业务卫星通信系统 移动业务卫星通信系统 广播电视卫星通信系统 科学实验卫星通信系统和军事等卫星通信系统 11 1 3卫星通信的特点 一 与其他通信手段相比的主要优点 1 通信距离远 且费用与通信距离无关 由图12 13可见 利用静止卫星 最大通信距离达18000Km左右 而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近及两站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化 这在远距离通信上 比地面微波中继 电缆 光缆 短波通信等有明显的优势 除了国际通信外 在国内或区域通信中 尤其对边远的城市 农村和交通 经济不发达的地区 卫星通信是极其有效的现代通信手段 2 覆盖面积大 可进行多址通信 许多其他类型的通信手段 通常只能实现点对点通信 例如地面微波中继线路只有干线或分支线路上的中继站方能参与通信 不在这条线上的点就无法利用它进行通信 而卫星通信由于是大面积覆盖 在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可设置地球站 这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信 即进行多址通信 由于卫星覆盖区域很大 而且在这个范围内的地球站基本上不受地理条件或通信对象的限制 有一颗在轨道上的卫星 就相当于在全国铺设了可以通过任何一点的无形的电路 因此使通信线路具有很大的灵活性 3 通信频带宽 传输容量大 适于多种业务传输 目前 卫星带宽可达GHz量级 一颗卫星的容量可达数千路以至上万路电话 并可传输高分辨力的照片和其他信息 4 通信线路稳定可靠 通信质量高 卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输 而宇宙空间是接近真空状态的 可看做是均匀介质 电波传播比较稳定 同时它不受地形 地物如丘陵 沙漠 丛林 沼泽地等自然条件影响 且不易受自然或人为干扰以及通信距离变化的影响 故通信稳定可靠 传输质量高 5 通信电路灵活 地面微波通信要考虑地势情况 要避开高空遮挡 在高空中 海洋上都不能实现通信 而卫星通信解决了这个问题 具有较大的灵活性 6 机动性好 卫星通信不仅能作为大型地球站之间的远距离通信干线 而且可以为车载 船载 地面小型机动终端以及个人终端提供移动通信 能够根据需要迅速建立同各个方向的通信联络 能在短时间内将通信网延伸至新的区域 或者使设施遭到破坏的地域迅速恢复通信 7 可以自发自收进行监测 当收发端地球站处于同一覆盖区域内时 本站同样收到自己发出的信号 从而可以监视本站所发消息是否正确传输 以及传输质量的优劣 卫星通信具有上述这些突出的优点 从而获得了迅速的发展 成为强有力的现代化通信手段之一 应用范围极其广泛 不仅用于传输话音 电报 数据等 而且由于卫星所具有的广播特性 它也特别适用于广播电视节目的传送 二 静止卫星通信存在的某些不足 1 两极地区为通信盲区 高纬度地区通信效果不好 2 卫星发射和控制技术比较复杂 接收天线的尺寸较大 设施昂贵 通信费用高 3 存在日凌中断和星蚀现象 即每年春分和秋分前后数日 太阳 卫星和地球共处在一条直线上 当卫星处在太阳和地球之间时 地球站天线对准卫星的同时 也会对准太阳 这时因太阳干扰太强 每天有几分钟的通信中断 这种现象通常称为日凌中断 而当卫星进入地球阴影区时 造成了卫星的日蚀 称作星蚀 在星蚀期间 卫星靠蓄电池供电 由于卫星重量限制 星载电池除维持星体正常运转需要外 难以为各转发器提供充足的电源 4 有较大的信号传播延迟和回波干扰 在静止卫星通信系统中 从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时 单程传播时间约为0 27s 进行双向通信时 一问一答往返传播延迟约为0 54s 通话时给人一种不自然的感觉 此外 如果不采取特殊措施 由于混合线圈不平衡等因素还会产生 回波干扰 即发话者0 54s以后会听到反射回来自己的讲话回声 成为一种干扰 这是卫星通信的明显缺点 为了消除或抑制回波干扰 地球站要增设回波抵消或抑制设备 三 数字卫星通信的优点和主要技术 一 数字卫星通信的优点与模拟卫星通信相比 数字卫星通信具有如下主要优点 1 多址联接能增大传输容量 卫星转发器的传输容量取决于发射机高功率放大器 HPA 的输出功率 在模拟调频方式中 采用频分多址 FDMA 方式 转发器同时放大多个载波 为了减小互调干扰 就必须降低放大器的输入和输出功率 因而传输容量必然小 在数字卫星通信方式中 一般采用时分多址 TDMA 方式 单载波工作不会产生互调干扰 HPA可工作在饱和区 所以传输容量就能加大 可更有效地利用空间段资源 卫星转发器功率效率高 空间段费用经济 2 时分多址 TDMA 或中数据速率 IDR 载波系统可以与低速率编码 LRE 及数字话音内插 DSI 结合使用获得高增益电路倍增 从而大大提高了信道利用率和系统容量 3 抗干扰能力强 当载波干扰比在20 30dB范围内时 数字系统即能提供优良的性能 而模拟FDM FM系统往往要求高得多的载波干扰比 4 和等效的模拟系统相比可改善端到端的质量和性能 便于进行纠错控制和加密 同时可改善设备可靠性且易于维护 5 便于同综合业务数字网 ISDN 配合工作 由于数据 电话 传真 会议电视等各种业务迅速发展 地面通信网正向数字化发展 数字化后 各种信源信息都转换为统一的数字比特流 它与源信息是彩色电视或模拟话音还是数字数据无关 数字卫星通信可以容纳各种业务 而且可以和地面网连接 6 便于提供新业务 随着数字技术 计算机和各种新器件的出现 产生了一些用模拟方法不能实现的新业务 如计算机通信 各种服务预定系统和银行数据转移等 7 具有高度的灵活性 可适应话音业务和信息速率范围很广 如从64kb S 44 736Mb 泛的数据业务的需要 能够把传输速率不同的信号进行复接和多址连接 8 利用数字通信技术后 空中交换台 具有很强信号处理能力的再生式卫星成为可行 另外 多波束星上交换工作也成为可能 9 可以采用数字处理压缩频带 提高传输效率 还可以采用数字处理的回波抵消技术消除因静止卫星通信长时延造成的回波干扰 10 传输质量几乎与距离及网络布局无关 在多跨距线路中 多段接续 信号再生和信号处理都不会降低数字信号的质量 而在模拟系统中 噪声是要积累的 在非再生式卫星系统中 上行线路噪声和下行线路噪声是相加的 二 数字卫星通信的主要技术包括数字卫星通信在内的各种数字通信系统虽然千差万别 但归纳起来 可用图11 4所示的典型数字通信系统模型来概括 图中不带阴影部分是基本的 即数字信号形成 调制与解调 同步系统 收发信机和信道 阴影部分则属于信号的处理和变换部分 其中包括 信源编码与解码 加密与解密 信道编码与解码 多路分解与合成 扩频与解扩 多址技术等 图中各部分的排列顺序是一种典型情况 但具体实现起来并非一定都按这一顺序安排 而且并非必须包括其中所有环节 图中虚线框内部分叫做调制解调器 MODEM 现把各部分的技术简述如下 1 数字信号形成数字信号形成主要用来把源信息 如文字或模拟信息变换成适应数字系统处理和传输的数字信号技术上包含字母编码 抽样 量化 脉冲编码调制 对于模拟信息 如话音 则先按照抽样定理抽样 抽样频率至少为信号上限频率的两倍 量化则是把模拟信号无限多可能的连续值用有限离散值来代替 这些有限的离散值通过脉冲编码调制变换成各种类型的PCM波形 2 信源编码与解码信源编解码的目的在于把所形成的数字信号在一定比特率下增加其信噪比 或者在一定信噪比下减少比特率 换句话说 即尽量减少信源的多余度 用最少的比特来传送信息 从而提高了传输的有效性 信源编码的基本方法有三类 一类是匹配编码 它是根据信源中各元素的出现概率不同 分别给予不同长短的代码 使代码长度与概率分布相匹配 代码的平均长度比较短 数码也就少了 另一类是变换编码 它是把信源从一种信号空间变换成另一种信号空间 然后对变换后的信号进行编码 例如预测变换 即把预测将发生的信号值与真实信号的误差信号进行编码 如果预测比较准确 预测误差越小 编成的码就越少 达到了压缩数码的目的 第三类为识别编码 它是对信源先进行识别 视其是什么文字或什么声音 然后把每种文字和声音编成不同的代码 发端向收端只发送代码 收端则根据代码恢复成标准的文字或声音 显然 这种方法可极大地压缩数码率 但因已失去了原来的文字或声音的特征 不同人写的字或不同人发的声音都恢复成同一个样了 3 加密与解密为了保证数字信号与所传信息的安全 防止无权用户干扰和窃密 一般应采取加密措施 数字信号比起模拟信号来易于加密 且效果也好 这是数字通信突出的优点之一 4 信道编码与解码数字信号在信道传输时 由于噪声 衰落以及人为干扰等 将会引起差错 信道编码的目的就是提高传输的抗干扰性 信道编码的一类基本方法是波形编码 或称为信号设计 它把原来的波形变换成新的较好的波形 以改善其检测性能 编码过程主要是使被编码信号具有更好的距离特性 即信号之间的差别性更大 5 多路复用及多址联接技术多路复用和多址联接都是信道复用问题 目的是充分利用通信资源 不过 多路复用是指一个地球站把送来的多个信号在基带信道上进行复用 而多址联接则是指多个地球站发射的信号 在卫星转发器上进行射频信道的复用 二者都是对多用户合理有效地分配信道资源 基本的方法有频分 时分 码分 空分和极化波分 所有这些方式的共同点在于各用户信号间互不干扰 在接收端易于区分 它们都是利用信号间互不重叠 在频域 时域 空域中的正交性或准正交性 6 调制与解调数字式的调制技术可分为相移键控 PSK 频移键控 FSK 幅度键控 ASK 连续相位调制 CPM 以及它们的各种组合 在卫星通信中考虑减小互调干扰问题 主要选择恒包络调制 主要采用PSK调制 7 扩展频谱技术扩频技术是一种信息传输方式 其信号所占有的频带远大于所传信息必须的最小带宽 频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的 并与所传信息数据无关 在收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传数据 按照信息论的理论 信号频带的增加 可在较低信噪比的情况下用相同的传息率以任意小的差错概率来传输信息 8 同步系统同步问题是数字卫星通信技术的关键问题之一 它包括比特同步 帧同步 载波同步 网同步等 在TDMA系统中 网络同步不仅要由基准站决定全网定时 同时由于各站的位置和距离不同 还需要以其确定各站至基准站及相互之间收发信号的定时同步问题 11 2卫星通信系统的组成 卫星通信系统由空间分系统 通信地球站 跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四大功能部分组成 如图11 5所示 跟踪遥测及指令分系统 对卫星进行跟踪测量 控制其准确进入静止轨道上的指定位置 并对在轨卫星的轨道 位置及姿态进行监视和校正 监控管理分系统 对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测 控制 以便保证通信卫星的正常运行和工作 空间分系统是指通信卫星 主要由天线分系统 通信分系统 转发器 遥测与指令分系统 控制分系统和电源分系统等组成 各部分的功能下边再作介绍 地面跟踪遥测及指令分系统 监控管理分系统与空间相应的遥测与指令分系统 控制分系统并不直接用于通信 而是用来保障通信的正常进行 一个卫星通信系统包括许多通信地球站 由发端地球站 上行线传播路径 卫星转发器 下行线传播路径和收端地球站组成卫星通信线路 直接用于进行通信 其构成框图如图11 6所示 一 卫星转发器通信卫星是一个设在空中的微波中继站 卫星中的通信系统称为卫星转发器 其主要功能是 收到地面发来的信号后 称为上行信号 进行低噪声放大 然后混频 混频后的信号再进行功率放大 然后发射回地面 这时的信号称作下行信号 卫星通信中 上行信号和下行信号频率是不同的 这是为了避免在卫星通信天线中产生同频率信号干扰 一个通信卫星往往有多个转发器 每个转发器被分配在某一工作频段中 并根据所使用的天线覆盖区域 租用或分配给处在覆盖区域的卫星通信用户 二 通信地球站通信地球站由天线馈线设备 发射设备 接收设备 信道终端设备等组成 1 天线馈线设备天线是一种定向辐射和接收电磁波的装置 它把发射机输出的信号辐射给卫星 同时把卫星发来的电磁波收集起来送到接收设备 收发支路主要是靠馈源设备中的双工器来分离的 2 发射设备发射设备是将信道终端设备输出的中频信号 一般的中频频率是70MHz 18MHz 变换成射频信号 C频段中是6GHz左右 并把这一信号的功率放大到一定值 功率放大器可以是单载波工作 也可以多载波工作 输出功率可以从数瓦到数千瓦 业务量大的大型地球站常采用速调管功率放大器 输出功率可达3000W 中型地球站常采用行波管功率放大器 功率等级在100 400W 随着微波集成电路技术的发展 固态砷化稼场效应管放大器 又称固态功放 在小型地球站中被广泛地采用 功率等级从0 25 125w不等 3 接收设备接收设备的任务是 把接收到的极其微弱的卫星转发信号首先进行低噪声放大 对4GHz左右的信号进行放大 而放大器本身引入的噪声很小 然后变频到中频信号 一般的中频为70MHZ 18MHZ 供信道终端设备进行解调及其他处理 4 信道终端设备对发送支路来讲 信道终端的基本任务是将用户设备 电话 电话交换机 计算机 传真机等 通过传输线接回输入的信号加以处理 使之变成适合卫星信道传输的信号形式 对接收支路来讲 则进行与发送支路相反的处理 将接收设备送来的信号恢复成用户的信号 11 3卫星通信系统的工作频段 卫星通信工作频段的选择是个十分重要的问题 它将影响到系统的传输容量 地球站及转发器的发射功率 天线尺寸及设备的复杂程度等 选择工作频段时 主要考虑如下因素 1 天线系统接收的外界噪声要小 2 电波传输损耗及其他损耗要小 3 设备重量要轻 耗电要省 4 可用频带要宽 以满足通信容量的需要 5 与其他地面天线系统 如微波中继通信系统 雷达系统等 之间的相互干扰要尽量小 6 能充分利用现有技术设备 并便于与现有通信设备配合使用等 综合上述各方面考虑 应将工作频段选在电波能穿透电离层的特高频或微波频段 目前 大多数卫星通信系统选择在下列频段工作 1 UHF频段400 200MHZ 2 L频段1 6 1 5GHZ 3 C频段6 0 4 0GHZ 4 X频段8 0 7 0GHZ 5 KU频段14 0 12 0GHZ 14 0 11 0GHZ 6 Ka频段30 20GHz 当电波在地球站与卫星之间传播时 必须穿过地球周围的大气层 因此要受到电离层中自由电子和离子的吸收 受到对流层中的氧分子 水蒸气分子和雨 雾 云 雪 冰雹等的吸收和散射 从而形成损耗 这种损耗与电波的频率 波束的仰角以及气候条件有密切的关系 在晴朗天气条件下 大气吸收损耗与频率的关系曲线 如图11 7所示 从图中可以看出 0 1GHz以下自由电子或离子吸收起主要作用 频率越低越严重 频率高于0 3GHz时 其影响可以忽略 当地球站所处位置使天线波束仰角越大 无线电波通过大气层的路径越短 则吸收作用越小 频率低于10GHZ 仰角大于5度时 其影响基本上可以忽略 由图11 7可见 在0 3 10GHZ频段 大气损耗最小 故称此频段为 无线电窗口 另外 在30GHZ附近也有一个损耗低谷 通常称此频段为 半透明无线电窗口 选择工作频段时应该考虑选在这些 窗口 附近 另外 从外界噪声影响来考虑 当频率降低到0 1GHz以下时 宇宙噪声会迅速增加 如图12 19所示 所以最低频率不能低于0 1GHz 通常在1GHz以上 宇宙噪声和人为噪声对通信影响较小 而大气噪声 其中包括氧气 水蒸气 雨 云 雾噪声等在10GHZ以上频段对通信影响较大 因此 从降低接收系统噪声角度来考虑 卫星通信工作频段最好选在1GHZ 10GHZ之间 通常用4 6GHZ的C波段 目前卫星上的C波段转发器渐趋饱和 所以又向Ku和Ka波段发展 11 4卫星通信的调制技术 卫星通信所用的正弦载波调制方式 通常分为模拟调制方式和数字调制方式两种 目前 在卫星通信中使用的模拟调制方式主要是频率调制 FM 采用频率调制的目的是为了增加传输带宽 得到大的调制制度增益 有利于地球站接收机获得较高的载噪比 CNR 或给定CNR可以减少卫星转发器的功率 卫星通信使用的数字调制方式 最基本的也是振幅键控 ASK 频移键控 FSK 和相移键控 PSK 11 4 2模拟调制技术 一 频率调制在模拟卫星通信中 用调频方式传输电话信号 常用的方法有两种 一种是用一个载波传输多路电话信号 即频分复用 调频 FDM FM 方式 另一种是每载波传输一路电话信号 即每载波单路 调频 SCPC FM 方式 为了求出FDM FM系统中的话路输出信噪比 讨论图11 9所示的FM解调过程 图11 9接收系统FM解调过程接收天线收到的FM信号与噪声 经低噪声放大及下变频后成为中频 IF 的FM信号与噪声 接收系统内部产生的噪声 进入中频带通滤波器 该滤波器带宽 B 的选择使调频信号恰好顺利通过 将带外噪声滤除 限幅器用来保持中频载波包络恒定 由微分器和包络检波器构成的鉴频器把恒包络的中频FM信号解调出基带信号 低通滤波器的带宽为全基带信号的带宽 以滤除高频分量 使全基带信号输出 然后再经多路分路设备将各话路信号送到各用户 二 CSSB AM技术为了增加现有卫星转发器的容量和改善信号传输质量 其中一种重要技术是采用字节压缩扩展技术 这种技术既可用于FDM FM FDMA体制 也可用于压扩单边带调幅频分多址 CSSB AM FDMA 压扩器 是由在卫星通信发射端的 压缩器 和接收端的 扩展器 组成 话音信号从弱到强 包括的动态范围很宽 一个正规的电话系统应尽可能地包括这一动态范围 在频分复用调频系统情况下 强话音信号将引起很大的频谱偏移和扩展 从而可能产生对相邻话路的干扰 若要考虑到这种偶然情况 势必将占用更多的带宽 从而限制了转发器的信道容量 对于弱话音信号来说 传输噪声可能和信号一般大 将影响信号的传输质量 压缩器是一个可变增益放大器 它压缩话音信号的动态范围 并使电路对弱话音信号的增益高于强话音信号的增益 因此 在含有噪声的信道中 提高了原来低电平话音信号的功率 从而使整个话路的信噪比得到改善 在接收端其工作过程相反 扩展器对被压缩器提高的信号功率进行衰减 使它恢复到原来的信号电平 在话音间隙 扩展器将减小话路中的噪声 使话路信噪比得到进一步改善 图11 10压扩器的功能和压扩范围如果一个36MHz带宽的转发器能容纳一个携带1100条话路的FDM FM FDMA载波 则在采用压扩器后 可使36MHz的转发器容纳2100条话路 另外 如果在转发器中可利用过频偏传输 则该转发器的容量还可进一步增至2900条话路 以前比较多的地面站都使用频率调制 它是用增加带宽来换取卫星转发器的功率的减小 而与此相反是使用振幅调制 AM 它则要求较大的卫星转发器功率 或较大的地面站 如果采用简单的单边带 SSB 调制 将载波抑制掉并滤除一个边带 把频带宽度限制在话路的最高调制频率 一般4kHz 若相邻话路间允许有1 1kHz的保护频带 则一个36MHz的转发器内能容纳大约7000条话路 在国际业务方面 许多铜线海底电缆的话路频带限制在3kHz 如果卫星通信也应用这个标准 则每36MHz转发器的容量便能达到大约8800条单向话路 11 4 3数字调制技术 一 对数字调制技术的要求在数字卫星通信中对所采用的调制解调技术的一般要求是要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 在一般情况下 通信系统在功率受限或带宽受限的情况下工作 在功率受限情况下应采用功率利用率高的调制 而在频带受限情况下应采用频带利用率高的调制 当前 卫星通信主要是工作在功率受限情况 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 此外 由于卫星通信信道的非线性而要求所采用的调制应该是恒包络调制 因此卫星通信中主要采用的是功率利用率高的PSK调制的各种形式 二 几种常用的恒包络数字调制 一 经典恒包络调制二进制相移键控 BPSK 正交相移键控 QPSK 和交错正交相移键控 OQPSK 是经典恒包络调制方式也是当前卫星通信中常用的调制方式 1 调制器原理图11 12为一般化正交调制器原理框图 它适用于上述三种调制 其差别在于基带产生器 对于BPSK 无需基带产生器且只用调制器的上半部分 对于QPSK 基带产生器为串 并转换器 对于OQPSK 基带产生器除串 并转换外 随后的Q信道还有T 2 T为传输符号周期 的延迟 2 解调器原理图11 13为一般化正交解调器 相干解调 的原理框图 它适用于上述三种调制 其差别就在于检测器和组合器 对于BPSK 无需下面的一半和组合器 QPSK和OQPSK的检测器为积分清除电路 但对OQPSK I信道的检测器后是否需要T 2的延迟 就在于检测器和组合器 对于BPSK 无需下面的一半和组合器 QPSK和OQPSK的检测器为积分清除电路 但对OQPSK I信道的检测器后需要T 2的延迟 4 差分调制在相干解调中需将输入信号通过非线性电路来恢复载频 这就使恢复后载频出现相位模糊 从而使解调器出现误码 解决此问题的方法之一就是采用差分调制 差分调制的基本方法是 在发射机插入差分编码器 使相邻传输符号的相位差代表调制器的输入信息 这样解调这种相位差就不受载波相位模糊的影响 在实际应用中 有两种差分调制信号的解调方法 一种是具有载波恢复的解调器 相干检测差分译码 另一种是无载波恢复的解调器 差分相位检测 前者是相干检测后的数字序列再通过差分译码器变换成原始数字序列 而后者是用接收的前一个符号周期的已调信号作参考 直接对相邻符号间的相位差进行检测恢复原始数字序列 对于第一种解调方式 由于对解调后的数字序列又进行差分译码 所以使误码率加倍 而对第二种解调方式 为达到与相干解调相同的误码率需要较高的输入信噪比 但解调器的硬件实现比较简单 二 多进制相移健控 MPSK 多进制相移键控 MPSK 是频带利用率高的调制 其频带利用率理论上可达 其中 M为进制 但功率利用率低于QPSK 当M 8时 比QPSK约劣低5dB 对于大的M值 大约M每增加一倍 为保持相同的符号错误率 输入信噪比大约需要增加6dB MP SK信号可用正交调制器产生 不过要将图12 23中的基带产生器变成串 并转换器后接二进电平到多电平的转换 解调器也可用正交解调器 其中检测器为积分清除电路 或低通滤波 后面为多电平判决以及多电平到二进电平的转换 三 最小频移键控 MSK 最小频移健控 MSK 可看成移频宽度为或调制指数为h 0 5的连续相位频移健控 CPFSK MSK可用正交方式产生 四 几种调制系统性能的比较通过分析可知 BPSK QPSK OQPSK和MSK有相同的功率利用率 PBSK频带利用率和抗非线性能力最差 MSK有较好的抗非线性能力和适中的带宽利用率 QPSK和OQPSK有最好的带宽利用率和适中的抗非线性能力 从实现的复杂度看 BPSK最简单 QPSK复杂度适中 OQPSK实现较复杂 而MSK实现最复杂 在当前卫星通信功率和带宽受限情况下 QPSK是主要调制方式之一 11 5卫星通信的多址联接及信道分配技术 11 5 2多址联接的基本概念多址联接是指多个地球站通过共同的卫星 同时建立各自的信道 从而实现各地球站相互之间通信的一种方式 多址方式的出现大大提高了卫星通信线路的利用率和通信联接的灵活性 实现多址联接技术的基础是信号分割 也即在发端要进行恰当的信号设计 使系统中各地球站所发射的信号各有差别 而各地球站接收端则具有信号识别能力 能从复合的信号中取出本站所需要的信号 如图11 20所示 多址联接方式和实现的技术是多种多样的 目前常用的多址方式有FDMA TDMA CDMA和SDMA以及它们的组合形式 1 频分多址 FDMA 这是把卫星占用的频带按频率高低划分给各地面站的一种多址联接方式 各地球站就在被分配的频带内发射各自的信号 而在接收端 则利用带通滤波器从接收信号中只取出与本站有关的信号 2 时分多址 TDMA 这是一种按规定时隙分配给各地球站的多址通信方式 在这种多址方式中 共用卫星转发器的各地球站使用同一频率载波 在规定的时隙内断续地发射本站信号 在接收端 根据接收信号的时间位置或包含在信号中的站址识别信号识别发射地球站 并取出与本站有关的时隙内的信号 3 码分多址 CDMA 在这种多址方式中 分别给各地球站分配一个特殊的地址编码 以扩展频谱带宽 使网内的各地球站可以同时占用转发器的全部频带发送信号 而没有发射时间和频率的限制 可以互相重叠 在接收端 只能用与发射信号相匹配的接收机才能检出与发射地址码相符合的信号 4 空分多址 SDMA 空分多址是在卫星上装有多副窄波束天线 把这些指向不同区域的天线波束分配给各对应区域内的地球站 通信卫星上的路径选择功能向各自的目的地发射信号 由各波束覆盖区域内的地球站所发出的信号在空间上互不重叠 即使各地球站在同一时间使用相同的频率工作 也不会相互干扰 因而起到了频率再用的目的 11 5 3多址方式的信道分配技术卫星通信中 和多址联接方式密切相关的还有一个信道分配问题 多址分配制度是卫星通信体制的一个重要组成部分 它与基带复用方式 调制方式 多址联接方式互相结合 共同决定转发器和各地球站的信道配置 信道工作效率 线路组成及整个系统的通信容量 以及对用户的服务质量和设备复杂程度等 在信道分配技术中 信道 一词的含义 在FDMA中 是指各地球站占用的转发器频段 在TDMA中 是指各站占用的时隙 在CDMA中 是指各站使用的正交码组 目前 最常用的分配制度有预分配方式和按需分配方式两种 一 预分配方式1 固定预分配方式 PAMA或PA 在卫星通信系统设计时 把信道按频率 按时隙或按其他无线电信号参量分配给各地球站 每个站分到的数量可以不相等 而以该站与其他站的通信业务量多少来决定 分配后使用中信道的归属一直固定不变 即各地球站只能使用自己的信道 不论业务量大小 线路忙 闲 都不能占用其他站的信道或借出自己的信道 这种信道分配方式就是固定预分配方式 这种预分配方式的优点是通信线路的建立和控制非常简便 缺点是信道的利用率低 所以这种分配方式只适用于通信业务量大的系统 2 按时预分配 TPA 方式按时预分配方式是先要对系统内各地球站间的业务量随 时差 或随其他因素在一天内的变动规律进行调查和统计 然后根据网中各站业务量的重大变化规律 可预先约定作几次站间信道重分 这种方式的信道利用率显然要比固定预分配方式要高 但从每个时刻来看 这种方式也是属于固定预分配的 所以它也适用于大容量线路 并且在国际通信网中较多采用 二 按需分配 DAMA 方式为了克服预分配方式的缺点 而提出了按需分配方式 也叫做按申请分配方式 按需分配方式的特点是所有的信道为系统中所有的地球站公用 信道的分配要根据当时的各站通信业务量而临时安排 信道的分配灵活 显然 这种信道分配方式的优点是信道的利用率大大提高 但缺点是通信线路的控制变得复杂了 通常都要在卫星转发器上单独规定一个信道作为专用的公用通信信道 以便各地球站进行申请 分配信道时使用 常用的按需分配方式有以下几种类型 1 全可变方式发射信道与接收信道都可以随时地进行申请和分配 可选取卫星转发器的全部可用的信道 信道使用结束后 立即归还 以供其他各地球站申请使用 2 分群全可变方式这种方式是把系统内业务联系比较密切的地球站分成若干群 卫星转发器的信道也相应分成若干群 各群内的信道可采用全可变方式 但不能转让给别的群 3 随机分配方式随机分配方式是指网中各站随机地占用卫星转发器的信道的一种多址方式 11 6航空移动卫星业务 AMSS 航空移动卫星业务 AMSS 为航空移动用户的卫星通信业务 目前可利用的卫星资源有限 已经开展业务的只有国际移动卫星组织 即原国际海事卫星组织INMARSAT 的洋区静地卫星 飞机与卫星之间通信采用L频段 航空地面地球站和网络协调站与卫星之间通信可采用C INMARSAT 或Ku MTSAT 频段 跟踪遥控站与卫星之间通信可采用C Ku或Ka频段 功用 航空移动通信业务提供全球范围内的 包括双向话音通信 传真 FAS 和数据通信服务 目前 AMSS通信业务主要用于向机组人员 旅客提供卫星电话 传真 向航空公司提供用于航空运营管理 AOC 的数据链通信 工作频率 飞机与卫星通信使用L频段 下行1545 1555MHz 上行1646 5 1656 5MHz频段 在AMSS的信息传输过程中是按优先级的高低秩序传播的 详见表11 1 11 6 2AMSS设备简介 一 系统组成概述AMSS系统的主要组成部分是 空间段 主要是卫星转发器 机载地球站 AES 地面地球站 GES 和网络协调站 NCS AMSS现在是利用静止卫星进行通信 原则上只要用赤道上空均匀配置的三至四颗静止卫星即可覆盖全球 南北极附近除外 卫星上与通信有关的部分主要是天线和转发器 后者接收地球站发来的信号 加以放大 变频后转发回地球 目前航空移动卫星通信均采用静止卫星 每颗卫星可覆盖经度140 左右 纬度南 北各85 左右 只有南 北极区85 以上的地方达不到覆盖 在空间段方面 国际移动卫星组织 INMARSAT 能提供全球范围的海 陆 空移动通信服务 其第2代卫星和第3代卫星能实现4洋区 大西洋西区 大西洋东区 太平洋区和印度洋区 覆盖 目前其主用卫星是第3代卫星 不但有全球波束 还有点波束 卫星转发器 AMSS卫星需要两个独立的转发器 一个正向转发器 接收GES发来的 C或Ku 频段信号 变为L频段信号 转发至AES 另一个是反向转发器 接收AES发来的L频段信号 变为C 或Ku 频段信号 转发至GES 如图11 22所示 C或KU波段全球波束接收天线 L波段全球波束发射天线 L波段全球波束发射天线 C或KU波段全球波束接收天线 图11 22表明 正向转发器接收机中的下变频器将C 或Ku 频段信号变为L频段信号 带通滤波器决定了转发器的带宽 信号通过高功放 例如用L频段行波管放大 其饱和输出功率约80瓦 最后用较大的L频段发送天线将信号发送到飞机 反向转发器与正向转发器类似 收到的L频段信号在接收机中经上变频器变为C 或Ku 频段信号 高功放饱和输出功率只需约20瓦就够了 因为GES可以用较大的天线接收 二 GESGES提供空间段与地面固定话音和数据网络 例如CIDIN 公用电话交换网 专用网 之间的接口 每一卫星波束覆盖区内至少有一个GES 也可能有几个 在多个GES中 可能指定一个GES协调全网工作 称为网络协调站 NCS GES由天线 C 或Ku 频段收 发信机 L频段收 发信机及网络管理设备组成 对于NCS 则还要附加网络协调管理设备 图3为GES原理框图 1 天线对于C频段 GES天线直径一般在9 13米 从GES发往卫星用6GHz 从卫星发至GES用4GHz 对于Ku频段 12 14GHz 天线直径可以小些 但降雨衰耗较严重 要留较多的降雨储备量 在同一GES内 每一颗卫星 至少有一副天线 波束宽度约为0 5 以保证每副天线只照射一颗卫星 天线尺寸和所用频段将影响GES场地选择 对于工作在C频段的GES 通常建在远离干扰严重的市区的远郊区 但又要保证电源 水源供应及交通方便 且地面通信网能方便地连接 对于Ku频段 干扰问题不大 GES可建在近郊区甚至城内 当然 要保证能无遮挡地 看见 所用卫星 为保证工作可靠 每颗卫星应有不只一个GES 彼此可代用 最好有一个备份GES经常指向备用卫星 若工作卫星发生故障 可以立即转至备用GES和备用卫星 否则 若GES的大型天线要重新指向备用卫星一般要3 5分钟 2 C 或Ku 频段收 发信机GES接收从卫星发来的4 或12 GHz信号 总共可能有几十个信道 先由低噪声放大器 LNA 放大 放大后的信号通过下变频器变为约70MHz的中频信号 GES的发射机则将70MHz中频信号放大后经上变频器变为6 或14 GHz射频信号 再经HPA放大后送至天线 射频设备通常安装在离天线很近的机房内 再用同轴电缆将中频信号接至放置网络管理处理设备 NCP 的主楼内 3 L频段收发信机L频段天线直径只要约3米就够了 有时与大得多的C频段天线共用 只消利用后者的一部分反射面 但要对馈源进行改造 4 网络管理处理 NCP 设备NCP设备由各信道的Modem和一个 存取控制器 组成 对于每个同时发射和接收的频率 各有一个信道单元 信道单元的接收部分将信号解调和译码 发送部分则完成相反的功能 5 网络协调站 NCS 每一个卫星覆盖区内可以设一个NCS NCS与各GES接口 目的是管理卫星资源的分配 亦即卫星功率和通信信道在各GES间的分配 三 机载航空地球站 AES AES是装在飞机上的机载航空地球站 主要由天线 卫星数据单元 SDU 射频单元 RFU 高功率放大器 HPA 等组成 ACU 天线控制单元 BSU 波束控制单元 LNA DIP 低噪声放大器 双工器 HGA 高增益天线 HPA 高功率放大器 RFU 射频单元 SDU 卫星数据单元 卫星数据单元 SDU 决定空中信号的参数 射频单元 RFU 由低功率放大器 滤波器 变频器等有关部分组成 它可分为发送部分和接收部分 发送部分将SDU送来的基带或中频信号变换成L频段的射频 接收部分则将天线收到并经过低噪声放大器放大的L频段信号变为基带或中频信号送给SDU处理 高功率放大器 HPA 将RFU输出信号放大到足够电平送至天线 可以用A类也可以用C类放大 A类放大器比较大 重 效率低于C类放大器 其优点是能同时发送不只一个载波 AES的天线类型有几种 有顶装小型可控型 装在天线罩内 有顶装相控阵天线 还有装在两侧与机身共形的相控阵天线等 天线增益有三种 一种是0dBi 称低增益天线 一种是6dBi 称中增益天线 另一种是12dBi 称高增益天线 11 6 4机载移动式卫星通信系统目前在民航飞机上使用的移动式卫星通信系统主要是MCS 3000和MCS 6000两种 它们分别安装波音757和767飞机上 MCS 3000为双体式结构 由卫星数据组件和高功率放大器组成 具有两个话音通道和一个数据通信信道 MCS 6000为三体式结构 由卫星数据组件 射频组件和高功率放大器组成 它有五个话音通道和一个数据通信信道 MCS 6000比MCS 3000有了更多的通信信道 因此 通信的信息容量更大 一 移动式卫星通信系统的组成移动式卫星通信系统主要是由四部分组成 它们分别是机载地球站 地面地球站 卫星空间网络 地面话音 数据网络 地面地球站可在地面上任何地区安装 它可以为用户提供国内国际话音数据通信所需的各种信道 目前在全球范围内安装并使用的卫星网络是由国际海事卫星组织于1982年建立的 该网络由四颗在地球同步轨道上运行的卫星组成 其中三颗实现全球覆盖 第四颗则作为备用卫星 机载地球站可以接收来自各信号源的数字话音信号 在适当的射频载波频率上编码调制 并通过空城中的卫星将载波送到地面地球站 它可以以卫星做中继 接收地面地球站送来的射频信号 并对其解调解码 输出数据话音信号供正副驾驶员和乘客使用 空域卫星相当于一个通信转发器 它和机载地球站之间采用L波段通信 与地面地球站之间采用C波段通信 在这两个波段上的射频信号不仅具有穿透电离层的能力 而且在其传输过程中 大气衰耗很小 二 移动式卫星通信的多址技术卫星通信有别于其它通信方式 其最突出的特点既它具有多址链接能力 既多个不同地区的地球站共同使用一个卫星转发器的射频信道 进行双边或多边通信 在卫星通信中采用了时分复用和时分多址的数据通信方式 时分复用方式在地面地球站通过卫星向机载地球站发送信号时使用 时分多址方式分配给每个地球站的是一特定的时隙 根据信息长度的不同 每个地球站的时隙长度也不一样 对于不同时隙进入卫星转发器的信号则按时间顺序缩紧但不重叠的排列 覆盖在卫星区域中的每个地面地球站都可以接收到由卫星转发来的全部射频信号 然后在地面网络中心的监控下 选出某一时隙上自己所需的信号 网络中心控制着在某一时隙上分配通信信道给某个地面地球站使用 或在某个时隙上收回通信信道 分配给另一个地面地球站使用 采用TDM TDMA通信方式后 解决了各站的射频信号如何共用同一卫星的射频信道 且互不干扰 同时又能被相应地球站所接收的问题 此外 在卫星通信中还采用单载波单信道方式进行话音通信 既每个载波仅传送一路话音信号 并利用话音信号控制信道载波的输出 由于载波的出现是随机的 所以卫星转发器中同时存在的有效载波数减小 相应的交调干扰也减小 卫星的利用率提高 三 数据处理组件工作原理移动式卫星通信机载设备由三个LRU 航路可更换 组件构成 分别是 卫星数据组件 射频组件和高功率放大器 卫星数据组件是卫星通信机载设备的核心 它有三个可同时全双工操作的信道 还有一定的射频电路 在不设置射频组件时仍可运行机载地球站 这些信道可进行客舱的数据和话音通信以及驾驶舱的话音通信 在卫星数据组件内部有两个可进行话音数据服务所需的话音编码解码器 三个调制解码器 可将已调制的基带信号转换为L波段信号的射频发送 接收的电路 所有卫星信号 包括话音电路在内都使用数字式编码和调制 主处理器组件 MPU 是卫星数据组件的核心系统控制器 除管理所有的控制功能外 还管理由输入输出组件到主处理器的ARINC429总线和离散接口 在MPU中 有可以进行软件存储和更新的一组存储器 特别设有128K的EEPROM做为维护存储元件 可以记录内部测试期间和飞机飞行中系统出现的所有故障 输入输出组件在MPU和其它机载外设之间提供数据转换接口 由ARINC429总线送来的信息是由惯导系统提供的ARINC429数据 这些数据用来确定天线方位 稳定度及进行多普勒频率校正 话音编码解码器的核心是数字信号处理器 它利用信道滤波器送来的2 048MHZ做基准频率 它既可以接收来自客舱电话和驾驶舱耳机的模拟音频信号 也可以接收来自射频组件的PCM数字音频信号 驾驶舱音频和客舱音频的输入输出方式不同 前者经过一个有高性能滤波功能的缓冲放大器 输出则送到音频开关网络 后者则是将两个模拟音频送到有放大和抑制噪声功能的差动放大器里 音频开关网络决定了选择客舱音频信号还是驾驶舱音频信号 卫星数据组件的三个信道上各设有一个调制解调器 它们的功能相同 由于调制解调器并不对某一指定的话音调制解调 所以即使某一个调制解调器失效 信号处理仍可在其它有效的调制解调器里实现 在这里所采用的调制方式为QPSK方式 它是四相移相键控方式 与二相键控方式比较 信息速率提高了一倍 但它具有设备复杂误码率高的缺点 调制器送出9 765NHZ数字方式中频信号在滤波器上转换成模拟中频送给射频电路 射频电路将接收来的5 355MHZ模拟中频送入信道滤波器 经D A转换成数字式中频信号后送入调制器 在射频电路中 由中频信号到RF信号的转换要经过两次变频 先是中频信号上变频到VHF频率 这在VHF上变频器中完成 其次 VHF频率再上频率到L波段 这在L波段上变频器中完成 变频后得到的L波段信号由天线发送 对于接收过程则与发送过程相反 高功率放大器接收射频组件送来的L波段射频信号 对它作线性功率放大 已达到向卫星发送的标准 在三体式构造中设置的射频组件为系统提供三个附加信道 但射频组件的信道不能传送模拟话音信号 它只能通过客舱电信组件通话 四 天线系统卫星通信系统可以在全球范围内工作很大程度上依赖于天线的系统 为了保证高质量高速率的话音数据 天线子系统必须在 25的俯仰和滚转条件下始终与半球区域上的某颗卫星保持连系 飞机的天线是固定的 飞行过程中 利用波束调节组件控制天线波束 使主瓣始终朝向卫星方向 波束调节组件是将卫星数据组件中的跟踪指点坐标转换到需选择的天线阵元素的信号中 此调控方式为开环控制 因此卫星数据组件对输入的航向信息精确度要求高 天线子系统中设有低噪声放大器 可提供一定的功率增益 所以由天线接收来的RF信号无需经过高功率放大器即可直接送入射频组件或射频电路中 11 7ARINC通信寻址报告系统 ACARS 概述 11 7 1ACARS通信系统的功能ACARS系统是一个可寻址的空 地数字式