卫星通信导论上课课件-第3章-多址技术

第3章多址技术2021/10/10星期日1提要一、多路复用和多址联接二、频分多址（FDMA）三、时分多址（TDMA）四、码分多址（CDMA）五、三种多址技术的RF利用方式六、ALOHA2021/10/10星期日2一、多路复用和多址联接多路复用:将来自不同信息源的各路信息,按某种方式合并成一个多路信号,然后通过同一个信道传送给接收端。接收端再从该多路信号中按相应方式分离出各路信号,分送给不同的用户或终端。简而言之,多路复用是利用一条信道同时传输多路信号的一种技术,可以解决在同一信道内同时传送多个信号的问题。多路复用方式可分为频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等。2021/10/10星期日3多址联接:指多个通信站的射频信号在射频信道上的复用,以实现各个通信站之间的通信。对于卫星通信系统,多址联接指的是多个地球站发射的信号,通过卫星转发器的射频信道复用,实现各站间通信的一种方式。常见的多址方式有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址。多址联接和多路复用的关系:多址联接和多路复用的理论基础都是信号的正交分割原理。但多址联接是指多个电台或通信站发射的信号在射频信道上的复用,以达到各台、站之间同一时间、同一方向的用户间的多边通信;多路复用是指一个电台或通信站内的多路低频信号在群频信道（即基带信道）上的复用,以达到两个台、站之间双边点对点的通信。2021/10/10星期日4单向和双向通信:按信息信号传送的方向,通信的工作方式可以分为单向通信和双向通信。在单向通信方式中,信息只能向一个方向传送。例如,广播、电视、遥控、无线寻呼等;在双向通信方式中,信息可以双向传送,通信双方都能收发信息。例如,移动用户之间的通信,移动用户和固定用户之间的通信等。双向通信按信息信号传送的时间又分为单工、双工和半双工通信方式。2021/10/10星期日5频分多路复用（FDM）:按照频率参量的正交分割原理,将各路信号的频谱搬移至互不重叠的频带上同时在一个信道中传输。接收端通过不同中心频率的带通滤波器,可以将各路信号分离出来。频分多路复用的各路信号在时域中混叠在一起,在频域中可分辨。时分多路复用（TDM）:利用时间的正交性,即以时间作为信号分割的参量,使各路信号在时间轴上互不重叠,它利用不同时隙来传送各路不同信号。在TDM系统中,每个信号占据着不同的时间区间,但每个信号均占有相同的频域,各路信号在频域中混叠在一起,在时域中可分辨。（一）多路复用2021/10/10星期日6码分多路复用（CDM）:根据码型结构的不同实现信号的正交分割,各路信号在时间和频率上是互相重叠的,接收端用相关器或匹配滤波器实现信号分离。波分复用（WDM）:为了增加光纤通信系统的传输容量,可以在一条光纤中传输多个不同波长的光信号,只要这些光源的波长有着适当的距离,接收端的光频器件就可将它们分开。（二）多址联接频分多址（FDMA）:各站、台发出的射频信号在指定的射频频带内,但在频谱上互不重叠地排列,共同分用该射频频带,接收端用带通滤波器分离各路射频信号。时分多址（TDMA）:以不同的时隙来区分地址,每站有一指定时隙,各站只是在自己的时隙内发射信号。码分多址（CDMA）:每个用户有一个特定结构的码字作为地址,不同用户的不同波形信号以同一频率发射出去,各站的接收是根据相应的信号波形分离出自己需要的信号。空分多址（SDMA）:利用天线的方向性和用户的地区隔离性实现信号的分离。2021/10/10星期日72021/10/10星期日8（三）双工方式:频分双工（FDD）、时分双工（TDD）FDD:收发频率分开,接收设备通过滤波器分离各路信号特点:需要合理安排频率TDD:收发共用一个频率,收发信号通过开关来控制特点:收发存在时间间隔2021/10/10星期日9不同系统的多址技术蜂窝移动通信系统多址技术高级移动电话系统（AMPS）FDMA/FDD全球移动通信系统（GSM）TDMA/FDD美国数字蜂窝（USDC）TDMA/TDD日本数字蜂窝（JDC）TDMA/TDD英国CT-2（数字无绳电话）FDMA/TDD欧洲数字无绳电话（DECT）FDMA/TDD美国窄带扩频（IS－95）CDMA/FDD2021/10/10星期日10二、频分多址技术（FDMA）

卫星通信系统的频分多址技术:频分多址是卫星通信系统中普遍采用的一种多址技术。当多个地球站共用卫星转发器时,如果根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址,这种多址联接方式就为频分多址。它对各地球站配置不同的频率,以实现不同地球站之间的联接。这种频率配置可以是预先固定指配的,也可以是按需分配的。2021/10/10星期日11FDMA的非线性效应频谱扩展:相邻信道干扰;交调（IM）谐波:邻近业务信道的干扰。

交调干扰主要是由行波管放大器的非线性特性引起的。FDMA的一个卫星转发器的功率放大器,可以同时放大多个载波信号(几个、十几个甚至几百个载波)。目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器(TWTA),其单载波饱和输出功率为5~40瓦,功率增益为30~40dB左右。多载波是为了充分利用转发器资源,但是多载波工作却妨碍了卫星功率的有效利用。在卫星转发器中,作为功放级的TWTA,是一个非线性放大器,它的幅度特性是非线性的,它的相位特性具有调幅－调相变换作用(简写为AM—PM变换)。2021/10/10星期日12行波管调幅－调相变换作用分析

典型的行波管幅度非线性特性为:当输入功率增加到某一数值时,输出功率达到最大;继续增加输入功率,输出功率反而下降。行波管放大器有一个最大输出功率,称为饱和输出功率。若行波管在饱和点处工作,一般效率最高,但非线性失真也最严重。多载波工作时,减小输入可以减少非线性影响,但同时输出功率也降低了,管子就得不到充分的利用。

多载波波输入时,输出要受到“压缩”．这种压缩是指,在输入总功率相等的情况下,多载波工作时总输出功率比单载波工作时的输出功率要小。

2021/10/10星期日13例一采用FDMA的转发器交调（互调）频率IM＝mf1+nf2,m,n为任意整数,如:f1=1930MHz,f2=1932MHz,求落在工作频率为1920～1940MHz的交调频率。n=0n=1n=2n=31930192619221918*1928192419201916*1932193619401944*193419381942*1946*解:可能的交调频率有:（2n+1）f1－2nf2,

（2n+2）f1－（2n+1）f2或者（2n+1）f2－2nf1,（2n+2）f2－（2n+1）f1,n=0,1,2….2021/10/10星期日14保护频带2021/10/10星期日15图3-1FDMA的地球站框图2021/10/10星期日16频谱实际占用度令表示转发器带宽的实际占用比例,那么设转发器带宽的dB表示为[BTR],单载波带宽的dB表示为[Bc],K为FDMA载波数。有K=BTR/Bc[Bc]＝[

]+[BTR]-[K]2021/10/10星期日17FDMA典型应用美国AMPS系统:FDMA/FDD,模拟窄带调频（NBFM）,按需分配频率;同时支持的信道数:

N＝（Bt+B保护）/(Bc+B保护）Bt

系统带宽,Bc信道带宽,B保护为分配频率时的保护带宽。解:N＝（Bt+B保护）/(Bc+B保护）＝（12.5+0.01）/（0.03+0.01）＝312例:如Bt为12.5MHz,

B保护为10KHz,Bc为30KHz,求FDMA系统的有效信道数。2021/10/10星期日18例二卫星转发器带宽36MHz,饱和EIRP值为27dBW。地面站接收机G/T值为30dB/K,全部的链路损失为196dB。转发器有多个FDMA载波,每个载波3MHz带宽。转发器有6dB功率“压缩”（back-off）。计算单载波情况下的下行链路C/N值,并比较有没有功率“压缩”下该FDMA系统中可以容纳的载波数。假设可以忽略上行链路噪声和交调噪声,只考虑单载波时的C/N值。解:转发器带宽的dB表示为[BTR],单载波带宽的dB表示为[Bc],假设K为载波数。[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[L]+[K]-[BTR]=27+30-196+228.6-75.56=14.04dBdB=-[back-off],[K]=dB+[BTR]-[Bc],K=3;如果没有back-off,那么K=BTR/Bc=122021/10/10星期日19三、时分多址技术（TDMA）

卫星通信系统时分多址技术:用不同时隙来区分地球站的地址,只允许各地球站在规定的时隙内发射信号,这些射频信号通过卫星转发器时,在时间上是严格依次排列、互不重叠的。卫星将在一个TDMA帧内的不同子帧时隙接收并转发来自各地球站（它们都采用相同的载波）的突发脉冲串。也就是说,每一地球站只在TDMA帧的一个子帧内接收和发送突发脉冲。为了保证每一地面终端的突发（子帧）能在所指定的子帧时隙到达卫星,对系统定时和信号格式将有严格的要求。为此,每帧内的第一个子帧将由基准站发出“基准”子帧以作为同步和网控之用。2021/10/10星期日20图3-4TDMA网络定时的示意图2021/10/10星期日21图3-5TDMA系统发送数据格式和框图2021/10/10星期日22图3-6TDMA系统接收数据格式和框图2021/10/10星期日23TDMA帧结构TDMA帧头比特信息尾比特时隙1时隙2时隙3时隙n……尾比特同步比特信息数据保护比特2021/10/10星期日24TDMA帧的基本组成基准站相继两次发射基准信号的时间间隔叫做一帧,在一帧内有一个基准分帧和若干信息分帧,每个分帧占据一个时隙,基准分帧由基准站的突发信号构成;信息分帧由地球站的突发信号构成。一个信息分帧对应一个地球站的突发信号。信息分帧中的信道定向采用逐字复用的时分多路复用方式(TDM)。这样,一个地球站发射的信号可由该站的消息分帧在一帧中的位置来确定。2021/10/10星期日25TDMA的效率系统效率:在发射数据中信息所占的百分比,不包括系统开销;帧效率:发送数据比特在一帧中所占的百分比;2021/10/10星期日26TDMA系统的信道数总的信道数:总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时隙数乘以有效信道数。

N＝m*[(Bt+B保护)/(Bc+B保护）]m为每个信道所支持的TDMA用户数,Bt为信道带宽,B保护保护带宽,Bc用户带宽。2021/10/10星期日27例三GSM系统,总带宽25MHz,一个信道200KHz,具有8个TDMA用户,未设保护带宽,求总用户数。解:N＝m*[(Bt+B保护)/(Bc+B保护）]

＝8*[(25+0)/(0.2+0）]=10002021/10/10星期日28例四GSM系统每帧包括8个时隙,每时隙包括156.25比特,数据发送速率为270.833kbps,求:（1）比特周期Tb;（2）时隙周期Tslot;（3）帧长Tf;（4）收发时间间隔。解:Tb＝1/270.833kbps＝3.692sTslot＝Tb×156.25＝0.577msTf＝Tslot×8＝4.615ms

收发间隔为帧长。2021/10/10星期日29TDMA话音信道容量的简单计算设突发数据率为RT,帧效率为ηF,每话音信道比特率为Rb。则话音信道数N为N=ηFRT/Rb2021/10/10星期日30例五:INTELSAT卫星的每帧符号数为120,832。帧周期为2ms,帧效率0.949,话音信道比特率64kb/s,采用QPSK调制。求话音信道容量。解:符号率＝120,832/2ms=60.416Msymbol/s.QPSK调制用2比特表示一个符号,所以

RT=60.416*2=120.832Mb/s

所以N=(0.949*120.832*1000)/64=17922021/10/10星期日31独特码（UW或BCW）的相关计算

独特码用以指示TDMA帧内子帧的起始位置、子帧内各信息的位置以及站址识别。漏检与误检

发生漏检,意味丢失示位脉冲;发生误检,意味着产生了虚假的示位脉冲,这些都将导致系统同步不正常。因此我们需要考虑两个概率值:漏检率和误检率。

UW:UniqueWord,BCW:BurstCodeWord2021/10/10星期日32漏检率

设UW长度为N比特,E为允许该UW检验正确的最大差错数量。令I为在接收UW时的实际差错数量。那么当I≤E,UW可以正确检验;当I>E,认为被检测的序列N不是UW,则发生漏检。令p表示传输平均差错率（BER）,那么长度为N的序列中包含有任何一种特定排列的I个错误的概率为pI=pI(1-p)N-I。而N中取I的组合方式有CNI=N!/(I!(N-I)!)。所以接收到长为N的序列中含有I个的错误的概率为PI=CNIpI。所以漏检概率Pmiss=∑NI=E+1PI2021/10/10星期日33例六设UW长度为N比特,E为允许该UW检验正确的最大差错数量。令I为在接收UW时的实际差错数量。令p表示传输平均差错率（BER）,求当N=40,E=5,p=10-3时的漏检率。解:

2021/10/10星期日34误检概率有一个长度为N比特的序列（它实际上并不是一个UW,但即使在E个比特位置上不同于UW,它仍被误认为是UW）,令I表示随机序列不同于UW的比特位置数,这样E代表了从UW角度考虑可以接受的“比特差错”个数,而I代表了从UW角度考虑实际的“比特差错”个数。从N中取I的组合个数为CNI

,因此能够接受作为UW的码字数为∑EI=0CNI。一个长为N比特的随机序列可组成的码字数为2N,假定所有码字是等概的,则接收到任何一个特定码字的概率为2-N。所以误检率为2021/10/10星期日35例七、计算当N=40,E=5时的误检率

比较例六和例七的结果,可以看出误检概率要远远高于漏检概率。在实际系统中,一旦帧同步建立起来,可以在预期的UW到达时间上设置一时间窗,相关器只在这个时间窗内工作,这样可以大大降低误检概率。2021/10/10星期日36TDMA数字传输的下行链路分析在TDMA方式下,TWTA没有功率压缩的要求,所以转发器可以饱和工作。上行地面站使转发器饱和工作时,即使该地面站的业务量很低,也需要较大的功率。考虑到中频带宽对数据率的限制,传输比特率可以按下式简单计算:Rb/BIF=m/(1+ρ),其中ρ为滚降系数。如对于BPSK,m=1;QPSK,m=2。

ρ=0.2,则Rb=mBIF/1.22021/10/10星期日37FDMA和TDMA的特点比较对于TDMA方式,卫星转发器上任何时刻都只有一个载波工作,不会产生交调干扰,行波管可以工作在饱和状态,能充分利用转发器的功率;TDMA方式是对各地球站和转发器进行时间分隔,无需FDMA方式的多次变频,简化了电路结构;TDMA方式对地球站等效全向辐射功率变化的限制,没有FDMA方式那样严格;2021/10/10星期日38TDMA方式可根据各站业务量的大小来调整各站时隙的大小,大小站可以兼容,易于实现按需分配;TDMA方式与地面数字系统的接口方便,同时也便于做星上处理;TDMA方式可以与数字话音内插（DSI）和自适应差分编码（ADPCM)技术配合,形成数字电路倍增设备,使转发器容量大大提高（达5倍）;TDMA系统的网同步复杂。2021/10/10星期日39FDMA和TDMA的容量比较

出于简化的目的,只比较上行链路的容量。公式[R]=[C/N0]-[Eb/N0]对于FDMA和TDMA的上行链路都适用。对前者R就是Rb,对后者R就是是RT（突发数据率）。假设[Eb/N0]对两者相同,上行链路损耗和卫星[G/T]也相同。那么TDMA的地面站需要增加的EIRP值为[EIRP]TDMA-[EIRP]FDMA=[RT]-[Rb]

如果天线增益也相同,那么TDMA的地面站需要增加的发射功率为[P]TDMA-[P]FDMA=[RT]-[Rb]2021/10/10星期日40四、CDMACDMA:利用自相关性非常强而互相关性比较弱的伪随机码作