第六章-卫星传输的基本理论.ppt

6 1卫星通信概述 6 1 1卫星通信的基本概念1 卫星通信 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 卫星接收站 之间进行的通信 2 通信卫星的作用 相当于离地面很高的微波中继站 卫星通信的示意图 A B C D E分别为地球站 并且他们都能同时看到卫星 那么 他们之间可经过卫星转发信号进行时实通信 3 立即转发式卫星通信 在只用一颗卫星工作的情况下 只有那些 如A B两地球站 能同时 看 到卫星的地球站方可利用卫星相互转发无线电信号进行实时通信 称为立即转发式卫星通信 4 延迟转发式卫星通信 当两个地球站 若不能能同时 看 到卫星 又要利用卫星进行通信时 只能采用延迟转发式 5 同步 静止 卫星全球通信系统 用三颗静止卫星的等间隔配置在地球赤道平面内 这样三颗卫星就可覆盖整个地球表面 只有南北极附近存在盲区 这三颗卫星运行周期为24小时 运行轨道在赤道所决定的平面内 定点高度约为35800Km 卫星与地球作切线 其夹角17 340的卫星组成 图7 2 静止卫星覆盖区 6 1 2卫星通信的特点 1 卫星通信的优点 1 通信距离远 覆盖区域大 2 可进行多址通信 3 通信频带宽 传输容量大 由于卫星通信使用的是微波频段 300MHz以上 因而可用频带宽 传输容量大 目前 卫星通信的传输带宽可达500MHz 可传送10万路以上的电话信号 4 机动灵活 5 通信线路稳定可靠 传输质量高 1 静止卫星的发射与控制技术比较复杂 受太阳能电池的寿命和控制用燃料重量等的限制 卫星的工作寿命仅约为7年 2 地球高纬度地区的通信效果不好 两极地区为通信盲区 3 存在日凌中断和星蚀现象 4 卫星通信传输距离太长 因而信号传输的时延较大 2 静止卫星通信的不足之处 6 1 3卫星通信的使用频段 卫星通信的使用频段虽然也属于微波频段 300MHz 300GHz 但由于卫星通信电波传播的中继距离远 要受到对流层中的氧 水和雨 雾的吸收和散射衰减影响 受到宇宙噪声的影响 卫星通信工作频段的选择是一个很重要的问题 它将影响到系统的传输容量 地球站与转发器的发射功率 天线口径尺寸的大小和设备的复杂程度以及成本的高低等 大气中各种吸收衰减 宇宙噪声与频率的关系 频率 GHz 在0 3 10GHz范围内大气吸收衰减最小 因此称此频段为 无线电窗口 在卫星传输中应用最多 在30GHz附近也有一个衰减的低谷 常称为 半透明无线电窗口 选择工作频段时 应选在这些 窗口 附近 天线接收的外界噪声要小 从降低接收系统噪声的角度来考虑 工作频段最好选在l 10GHz之间工作 综述两方面考虑 卫星通信的工作频段一般选在l 10GHz范围内较为适宜 而且最理想的频段是在4 6GHz附近 该频段带宽较宽 便于利用成熟的地面微波中继传输技术 天线尺寸相对来讲也比较小 由图看出 频率选择主要受大气层及外界噪声的影响 国际电联给卫星通信的频段分配为1 300GHZ 1 特高频 UHF 波段400 200GHz2 L波段1 6 1 5GHz 3 C波段6 4GHz 4 X波段8 7GHz 5 Ku波段14 11GHz 14 12GHz 6 Ka波段30 20GHz 上述工作频段也不是绝对的 随着通信业务的增长 人们正在探索应用更高的频段 直至光波频段 波段使用 1 早期使用C波段 4 6GHz 目前大部分民用通信卫星 尤其是商用卫星使用4 6GHz频段 上行为5 925 6 425GHz 下行为3 7 4 2GHz 转发器带宽为500MHz 许多国家的政府和军事卫星使用7 8GHz 上行为7 9 8 4GHz 下行为7 25 7 75GHz 2 近期扩展的Ku波段 11 14GHz 上行采用14 14 5GHz 下行采用11 7 12 2GHz 或10 95 11 2GHz 3 实验使用Ka波段 20 30GHz 上行为27 5 31GHz 下行为17 7 21 2GHz 6 2卫星传输线路 A B两个地球站通过卫星进行通信的卫星传输线路是由收发端地球站 上 下行无线传输线路 卫星转发器 若地球站A所属用户要和B地球站所属用户通话 A站用户卫星 上行频率f1卫星B站用户 下行频率f2B站的用户要与A站的用户通话时 与上述过程相似 不过B站的上行频率要用f3 而且 下行频率用f4 而且 以避免工作中的相互干扰 此情况下 任意两个地球站进行双向通信必须占用4个频道 6 2 1卫星传输系统中存在的噪声和干扰 接收机系统内 外噪声的来源 卫星传输系统中存在的噪声和干扰 1 太阳系噪声2 宇宙噪声和大气噪声3 降雨噪声4 地面噪声5 干扰噪声 天线接收到噪声的大小可以用天线的等效噪声温度Ta表示 6 2 2接收机的载噪比C N与地球站性能因素G T值 1 接收机输入端的信号功率 接收点的信号功率为 自由空间传播损耗 GT GR为1时 也可进一步写为 2 接收机输入端的噪声功率N由电子线路分析可知 当接收机阻抗匹配时 外部噪声折算到接收机输入端的噪声功率为 接收端匹配时的热噪声功率为N kTB式中 k 1 38 10 23J K为波尔兹曼常数 T为接收系统的等效噪声温度 B为等效噪声带宽 3 接收机输入载噪比C N和地球站性能品质因数G T值 1 接收机输入端的信号载波功率 线路噪声之比为载噪比 C N PT GT GR Lp kTB C N EIRP GR LP kTB 式中 EIRP PT GT 10lg PT GT 称为有效全向辐射功率 2 上行线路 C N U C N u EIRP g GRS LPU kTsatBsat 式中 EIRP g为地球站有效全向辐射功率 GRS 为卫星接收天线增益 LPU 为上行传播衰减 Tsat为卫星接收系统的噪声温度 Bsat为卫星接收系统的带宽 3 下行线路 C N D C N D EIRP s GR LpD kTtB 式中 EIPR S为卫星转发器的有效全向辐射功率 LPD 为下行传播衰减 GR 为地球站天线接收增益 Tt为地球站接收系统的噪声温度 B为地球站接收系统带宽 由上式可以看出 当设计好卫星转发器的有效全向辐射功率 EIRP s之后 若地球站的工作频率 接收系统带宽以及下行线路传输衰减数值一定 则接收系统输入端载噪比将由决定 因而称为地球站性能因素 简写 值越大 值也越大 表现出地球站接收系统性能越好 地球站性能因素G T值 例如 国际卫星组织规定 A型标准地球站在4GHz 仰角5 时的 G T 40 7dB K 而对其他频率工作下的性能因素做出的规定为 G T 40 7 20lgf 4式中 工作频率f的单位是GHz 若考虑整个卫星线路时 C N 中噪声温度扩展为地球站输入端的噪声三部分之和T Tu Ti TD或以噪声功率方式可表示为 N kTB k Tu TD Ti B式中 Tu 上行线路噪声温度 Ti 卫星转发器的交调噪声温度 TD 下行线路噪声温度 4 整个卫星线路的C N 6 2 3卫星通信的 接收系统的品质因素 模拟通信系统强调信噪比S N 数字通信系统强调载噪比C N 它们的值是带宽函数 缺乏一般性 对不同带宽的系统不便比较 改用C T 与带宽无关 值表示 C T C N k BT是接收系统的等效噪声温度 包括TU TD Ti 1 热噪声对上下行线路C T的影响 1 上行线路 C T U值为了说明上行线路 C T U值与转发器输入信号功率的关系 引入转发器的灵敏度 当卫星转发器达到最大输出 饱和 时 其输入端所需要的最小单位信号功率 即单位面积上的有效全向辐射功率 以功率密度Ws表示 Ws EIRPg LpU 4 2 1 单载波情况 C T U C N U k Bsat C T U EIRPg LpU GRS Tsat 因 EIRP gM EIRP gs BO i式中 EIRP gs表示转发器在单波工作时的值 EIRP gM表示在多载波工作时的值 BO i输入补偿 与之对应的 C T U和 C T Um表示 1 多载波情况 2 下行线路的 C T D值 单载波情况 C T D EIRP s LpD GR TD 多载波情况 EIRP sM EIRP ss BO 0式中 EIRP s表示转发器在单波工作时的值 EIRP sM表示在多载波工作时的值 BO 0输出补偿 C T DM EIRP SS BO 0 LPD GR TD 6 2 3 2交调噪声对C T值的影响 在采用FDMA方式的卫星通信系统中 若转发器中输出波管工作在大信号的非线性区时 将会在放大多个不同频率的载波时产生交调噪声 C T i C N i 10lg 1 38 10 23 B C T i C N i 228 6 B 当输出补偿减小时 卫星的 EIRP sM要增大 这可使 C T D得到改善 但将会因行波管的非线性使 C T I降低 这是因内部噪声增大 使行波管的等效噪声温度增大 而使C T降低 因此 为了使卫星线路得到最佳的传输特性 必须选择适当大小的补偿值 C T DM EIRP SS BO 0 LPD GR TD 应适当选择补偿值大小 例如 3 卫星线路的C T值 Nt NU Ni ND K TU Ti TD B KTtB三部分噪声总和的C T值 当输入补偿 BO i改变时 会使 C T UM C T IM C T DM和 C T IM都变化 可以通过改变 BO i值 使系统 C T tM达到一个最佳值 在IS IV卫星系统中 当 BO i 11dB时 可使系统的 C T tM达到最佳值时 4 门限余量 M th在实际工作时的 C T 值应超过门限 C T th 为使卫星线路参数满足通信质量要求 必须留有一定的 门限余量 M th C T 实际 C T th 例 已知条件如下图所示 设卫星转发器工作在单载波状态 分别求出卫星线路的上行和下行的值 解 1 卫星上行线路的 由题设条件知 43 63 106dBW 200 6dB 17 5dB 10lg50 17dBK 106 200 6 17 5 17 94 1 dB K 2 卫星下行线路的 由题设条件知 22dBW 32 44 20lg20000 20lg4000 32 44 86 72 190 4 dB 59 4dB 10lg40 16dBK 22 116 44 45 4 49 04 dB K 6 3卫星通信的多址连接 多址联接 指多个地球站发射的信号 在共用卫星转发器的射频信道上 按预先设计的复用方式 频分复用 FDM 时分复用 TDM 码分复用 CDM 等实施复用 再将复用后的信号发射回各地球站 地球站再从中选出本地球站应接收的信号 多址联接是指不同地点用户的多点间的通信 对于 卫星通信 而言 就是 一点对多点 通信 多址连接主要解决各地球站能从接收到的卫星信号中判别哪些信号是来自哪个地球站的 其中哪些信号是属于本站的 多址方式的基本概念 1 频分多址 FDMA 指各地球站所占用的卫星转发器的频段不同 2 时分多址 TDMA 指各地球站所占用的卫星转发器的时隙不同 3 码分多址 CDMA 指各地球站所使用的卫星转发器的码型不同 4 空分多址 SDMA 指各地球站所指向的空间方位不同 6 3 1频分多址 FDMA 方式 1 频分多址的原理卫星转发器按预先确定的不同载波频率的原则 把来自各地球站的上行信号配置在转发器频带内的某一位置上 各站接收时 根据载波的不同就能区分各地球站 判断接收到的信号来自哪个地球站 频分多址方式的原理框图 FDM FM FDMA方式原理图 fA fA A站 F站通信过程 当A站用户与F站的用户通话时 就把各个话路复用到给F站的基群内 然后用基带信号对A站的发射载波fA进行调频 并向卫星发射 F站收到经卫星转发的载频为fA 的信号后 通过接收机的解调器和滤波器选出发给本站的基群 再经长途电话局将各路电话信号送到被呼叫的用户 其它各站之间的工作情况基本相同 只是载波频率不同 可以看出 任一地球站为了接收其它地球站的信号 必须具有除本站以外的所有下行线频率的接收电路 2 FDMA方式分类 1 多路单载波传输频分复用 调频 频分多址 FDM FM FDMA 在发端地球站先对多路电话单边信号进行频分复用 FDM 再采用调频方式FM调制到卫星射频载波上 最后将已调波发射到卫星转发器 在卫星转发器中进行频分多址联接 此方法适用于大容量线路 2 单路单载波传输 SCPC FDMA 每路话路对一个射频载波进行调制 并将其发射到卫星转发器上 再进行频分多址联接 此方法适用于站多而容量小线路 特点 技术成熟 设备简单 但频率利用低 存在互调干扰 6 3 2时分多址 TDMA 方式 整个系统或各个地球站都使用同一上行 下行载波 即处于单载波工作 时分多址方式是各个地球站只能在指定的时间内向卫星发射 卫星转发器将这些不同时刻进来的信号依次互不重叠地排列起来的方式 卫星转发器将它们放大后 重新发回地面 地球站从中提取出各站所需的业务信号 TDMA方式工作原理示意图 时分多址通信过程 每个地球站 只能在指定的时间内向卫星发送脉冲序列一分帧 N个分帧组成一个时帧 占125 s 因此 卫星转发器在不同时刻收到各地球站发来上行信号而互不重叠 每个地球站可以同时接收卫星转发器发射下行信号 但只取出送给本站的某个时隙信号 整个系统的所有地球站时隙在卫星内占有的整个时段 称为卫星的一个 TDMA 时隙 每个地球站所占用的时隙叫做分帧 为了使各分帧互不重叠 各地球站应有准确的发射时间 要确定各站准确的发射时间 必须建立系统共同的时间基准 称为系统定时 TDMA方式有以下特点 1 TDMA方式属于 间歇 通信形式 不同于一般的连续通信 因此 为了保证用户信息传输的连续性 对输入的数据率需要按以下关系作 变速 处理 即 式中 RB是数据突发速率 Ri是输入的数据率 是时帧长度 是分帧长度 2 TDMA方式是一种无交调多址连接方式 不会出现强信号对弱信号的抑制现象 3 TDMA具有数字通信的许多优点 由于各地球站相互关联 需要精确的同步 考虑到卫星上设备应尽量简单 以提高可靠性和避免卫星发射的复杂性 所以系统捕捉与同步一般均须在地球站中进行 因而引入了长时延锁相 快速锁定等一系列问题 技术设备比较复杂 TDMA方式的缺点 6 3 3码分多址 CDMA 方式 码分多址 CDMA 各地球站信号先分别进行某种编码变换 使形成某种正交信号组 然后进行正交传输的多址连接方式 2 CDMA系统示意图 3 码分多址特点 1 每个地球站所发射的上行信号 均可占用卫星转发器的整个频带 而且 地球站上行时间也是随机的 2 不同地球站用不同结构的地址码 对各自时分复用的话路进行编码变换 然后 分别进行调制及频率变换送至卫星转发器 4 分类 1 直接序列码分多址 CDMA DS 系统 2 跳频码分多址 CDMA FH 系统 实现CDMA方式的基本技术是扩频技术 直接序列 DS 扩谱方式的基本原理 在CDMA方式中 发送信号是经过两次调制后形成的 首先把速率为的二进制基带信号用数字方式调制 叫一次调制 到射频载波上 然后 用这个一次调制的数字已调波再去调制一个速率为 通常 的伪随机码扩频信号 也叫地址码 使频谱扩展 叫二次调制 最后发射给卫星 相反 接收端首先用接收机产生的本地伪随机码对所接收的信号进行相关处理 只要接收机内产生的本地码序列及其相位与哪一路接收机信号的地址码相一致 经过相关处理后 就能解调出所需的一次调制信号 而其他信道的频谱扩展信号将成为背景噪声 传输系统的热噪声经相关处理后仍是背景热噪声 其功率谱密度并没有变化 当叠加有干扰信号时 经扩频解调后使干扰信号的频谱被扩展 变为背景噪声 6 3 4空分多址 SDMA 方式 空分多址是利用空间波束指向进行划分的多址联接方式的简称 即SDMA方式 定义 在卫星上安装多副窄波束天线 分别指向不同地域的地球站的地址 用该方式可实现的多址联接 实际应用中 一般很少使用单独SDMA方式 而是与其它多址联接方式结合使用 典型方式是TDMA SS SDMA 时分多址 卫星转接 空分多址 方式 有时简称SS TDMA方式 图示的是三个波束区的地球站进行多址通信 该系统中三个天线波束A B C分别覆盖三个通信区域 每个区域均包括若干个地球站 图7 21TDMA SS SDMA方式原理图 A波束区域与B C波束区域通信过程 设A波束区域内某一地球站的一个用户与B C波束区域内某地球站的用户通信 那么A区某地球站先把要于B C通话的多路信号进行TDM 如AB AC和AA组成一个时帧 同理B C区也这样做 将复用后信号调制成上行信号发射至卫星 不同波束区域的时分信号卫星通过时分开关矩阵网络对其重新编排 成为下行TDMA时帧如发往A区的CA BA和AA组成一个TDMA时帧 发往B C区也同理 6 4 1卫星传输系统的组成卫星传输系统是由地球站 通信卫星 跟踪遥测及指令系统和监控管理分系统四大部分组成 6 4卫星传输系统的应用 6 4 1 1地球站的组成 地球站是卫星传输系统的主要组成部分 所有的用户终端将通过它接入卫星通信线 作为典型的标准地球站一般包括天线分系统 收 发射机分系统 信道终端设备分系统 信道控制分系统 终端接口设备和电源分系统六个分系统组成 卫星通信地球站的总体方框图 6 4 1 2通信卫星的组成 1 通信卫星运行轨道卫星的运动路线称为卫星运动轨道 它所在的平面称为轨道平面 1 卫星运行轨道分类 1 赤道轨道 位于赤道上空的轨道 2 极轨道 经过南北极上空的轨道 3 倾斜轨道 不经过南北极上空 且不经过赤道上空的轨道 如下图所示 倾角不同的卫星轨道图 卫星轨道高度的划分 2 轨道高度分类 1 低轨道卫星 LEO 卫星高度h 5000km 运行周期约为2 4h 2 中高度卫星 MEO 5000 h 20000km 运行周期约为4 12h 3 高轨道卫星 GEO h 20000km 运行周期 12h 静止卫星属于高轨道 1 同步卫星 其运行周期恰好为23小时56分4 09秒 2 非同步卫星作为通信用卫星 不一定都要使用同步卫星 根据使用目的和发射条件的不同 可以有不同高度和不同运动轨道 3 按卫星的运转周期及卫星同地球相对运动关系分类 2 卫星的摄动 1 摄动 对静止卫星来说 由于地球结构的不均匀和太阳 月亮引力的影响等 将使卫星的轨道参数随时发生变化 造成卫星偏离理想轨道的现象称为摄动 2 引起摄动的原因 1 太阳和月亮对卫星的影响 2 地球引力场不均均的影响 3 地球大气阻力的影响 4 太阳辐射压力的影响 3 通信卫星 中继器 的组成 通信卫星主要作用 中继器即为各地球站转发无线电信号 以实现它们之间的通信 通信卫星组成 主要由天线分系统 通信分系统 转发器 遥测指令分系统 控制分系统和电源分系统五部分组成 其简化方框图如图所示 图7 6通信卫星组成方框图 微波天线 全球波束天线 喇叭形 区域波束天线和点波束天线 甚高频全方向天线 全方向天线有鞭状 螺旋形 绕杆式天线等 2 通信分系统静止卫星通信系统也叫转发器或中继器 它实质上是一部宽频带收 发信机 通常一个卫星上有若干个转发器 每个转发器覆盖一定频段即上 下频率值都不同 1 天线分系统 3 遥测与指令系统 遥测部分 遥控指令 4 控制分系统 5 电源分系统通信卫星的电源有太阳能电池和化学电池 太阳能电池 太阳能电池是通信卫星的基本电源 由光电器件组成 化学电池 在通信卫星上装有可以充 放电的化学电池与太阳能电池并用 在没有日蚀期间和卫星未进入地球阴影区内时 使用太阳能电池供电 并向化学电池充电 在卫星进入地球阴影区或日蚀期间 则采用化学电池供电 6 温控系统 6 4 2卫星通信的应用举例 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 应用非常广泛 几乎可应用于所有公用和专用通信中远距离的中继传输中 一 卫星通信在中继传输中的应用卫星通信在局域 城域网互联中作为中继传输方面的应用 二 卫星通信在海事通信中的应用 国际海事通信卫星组织 INMARSAT 成立于1979年 我国也是成员国之一 INMARSAT的国际海事卫星系统 INMARST 正为海上 空中和陆地提供移动通信业务 INMARST是目前全球移动卫星通信业务的主要提供者 INMARST系统由船站 岸站 通信卫星和网络协调站组成 整个系统组成如图所示 整个INMARST系统有一个网络操作控制中心 OOC 若干个网络协调中心 NCS 所有的NCS有OCC控制 每个NCS控制若干个岸站 CES 系统中有4颗 或8颗 通信卫星 三 卫星通信在移动通信系统中的应用 目前典型的商用卫星移动通信系统有 静止轨道卫星移动通信系统INMARST系统中轨卫星移动通信系统ICO系统 国际海事卫星通信组织 低轨卫星移动通信系统Iridium系统 美国Motorola公司 GlobalStar系统 美国Loral和Qualcomm公司 Iridium系统结构 Globalstar系统结构 小结 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 卫星通信具有通信距离远 且电路费用与通信距离无关 覆盖面积大 可进行多址通信 机动灵活等系列优点 但是也有通信时延长 长寿命的卫星难维护等不足 卫星通信工作频段选在特高频或微波频段 故卫星通信可以看作是微波通信中将中继站放到空中去的一种通信方式 通信卫星比较适合的工作频段宜选在1 10GHz 而最理想的频段又是4 6GHz 信道对信号传输的一个重要限制因素是噪声和干扰 在卫星传输系