通信系统_CH3卫星2009.ppt

1、,第3章 卫星通信系统,通 信 系 统,2,第三章 卫星通信系统,3.1 卫星通信概述 3.2 卫星通信网结构 3.3 链路传输工程 3.4 多址技术 3.5 星载和地球站设备 3.6 VAST 系统 3.7 卫星移动通信系统,3,3.1 卫星通信概述,3.1.1 卫星轨道 3.1.2 系统的组成 3.1.3 频率分配 3.1.4 卫星通信的特点 3.1.5 卫星通信的发展,4,3.1.1 卫星轨道,1 卫星通信 是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。,5,地球站: 是指设在地球上(包括陆地、水上和大气层中)的无线电通信站。 通信卫星: 指用于转发各地球

2、站信号的人造地球卫星 。 卫星通信是在微波接力通信技术和航天技术的基础上发展起来的一门新兴的通信技术。它是地面微波接力通信的继承和发展，是微波接力通信向太空的延伸。,6,卫星通常围绕地球作无动力飞行，其轨道近似于椭圆，运动规律服从开普勒(Kepler)定律。,2 卫星轨道,O：地心 S：卫星 V：卫星的轨道运行速度,7,卫星具有椭圆形轨道，地球是椭圆的一个焦点。 单位时间内地心O与卫星S的连线所扫过的面积相等。 显然卫星靠近地球时运动速度较快，而离地球较远时运动速度较慢。 卫星运行周期Ps Ps=1.65910-4(Re +h)3/2 (3-1) Ps: 卫星运行周期，单位min； h: 卫星

3、离地面的平均高度(椭圆形轨道),单位km； Re:地球半径，为6378km。,卫星轨道特性,8,卫星通信系统中最常用的是圆形轨道，分为： 低轨(LEO) ，卫星轨道高度约在5001500km； 中轨(MEO) ，轨道高度在1000020000km左右； 同步轨道(GEO)，轨道高度为35786km，卫星绕地球一周的时间为一个恒星日(23h56min4s)。 在2000-8000km的空间有一个由范伦(Van Allen)带形成的恶劣的电辐射环境，这一高度范围的空间不宜于卫星的运行。 NGEO: LEO，MEO,卫星轨道类型,9,GEO卫星,10,GEO轨道在赤道平面内时，卫星将与地球上的观察者

4、保持相对静止，称为静止卫星 。通常将GEO卫星理解为静止卫星。,GEO卫星,1颗GEO卫星以零仰角覆盖全球表面的42。 3颗经度差约120，能覆盖除南、北极地区以外的全球范围。 地面用户利用地球站与卫星连接的链路进行通信，用户到卫星的距离至少有36000km 用户间的单跳通信的信号传播延时可达1/4s。,11,卫星摄动 主要因素：地球形状不规则使引力起伏，大气阻力，太阳和月球引力 等。 LEO的近地卫星：第一、二种因素的影响是主要的； GEO卫星：影响摄动的主要因素来自太阳和月球的引力,而不存在大气阻力的影响。 卫星轨道控制 控制由于摄动等非理想因素的影响造成的卫星轨道不稳定。 如：为保持GE

5、O卫星的定点精度需定期进行轨道修正。,卫星轨道控制,12,对卫星的姿态进行控制，实现并保持卫星在空间的定向，以保证： 卫星天线或遥感器对准地面目标； 卫星进行轨道控制时，发动机应对准所要求的推力方向； 卫星再入大气层时，要求制动防热面对准迎面气流等。 商业静止卫星不允许大于0.1的轨道倾斜，以控制卫星在轨道法线方向上的飘移，因为天线指向尖锐的大、中型地球站的跟踪能力是有限的。,卫星姿态控制,13,保持已有姿态的控制。 卫星姿态稳定种类：自旋稳定和三轴稳定。 自旋稳定：依靠转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。 三轴稳定：利用主动或环境力矩，保持星体三条正交轴线在某一参考空间的方向。 目前采用三轴

6、稳定的居多。,姿态稳定,14,补充： 卫星 分类,15,3.1.2 系统的组成,由空间段和地面段两部分组成。,16,3.1.2 系统的组成,1.空间段 组成：空间段以卫星为主体，并包括地面卫星控制中心( SCC)和跟踪、遥测和指令站( TT 射频干扰RFI。,卫星和链路的可靠性,48,为防止卫星链路的失败，通信卫星的所有关键子系统都有100%的备份。 为防止发生主设备和备用设备的双重失效，需进行完善的定期检测工作。,49,3.2 卫星通信网结构,3.2.1 卫星通信网的一般特性 3.2.2 点-多点网络 3.2.3 点-点网络,50,3.2.2 点-多点网络,1. 视频广播 由若干个发送地球站

7、(上行站)和众多的单收站构成点-多点的广播网。 网络用于直接到户(DTH)的广播，也用于电视节目分配(由地面接收后再广播)。 频段：C波段，功率小 Ku波段可采用大功率的广播卫星，有利于实现DTH的节目传送。,51,卫星电视节目分配系统将节目传送到地面电缆系统的前端，节目可以是模拟，也可以是基于MPEG2 或数字视频广播DVB标准的数字节目。 Ku波段的DTH系统中，一个大功率转发器的27MHz带宽可以有32个信道，大约可传送150-250个压缩视频节目。,视频广播,52,卫星数据广播系统也是一种“点-多点”的系统。 上行站的数据来自中心站数据库服务器，然后将数据装配为分组。分组数据流由上行站

8、发往卫星，然后由卫星向覆盖范围内的众多数据单收站 进行广播。 系统允许用户终端通过公用电话网将较短的数据信息传送给中心站(多点-点)，这些短信息可以向系统反馈信息或提出请求。 具有这种拨号能力的数据广播网，可实现多点-点的交互式业务。 卫星网对于没有高速数据用户线的用户接入，具有重要意义。,2.卫星数据广播,53,数据广播可作为视频广播的附加信息进行传输。 在广播系统中，一些重大的体育比赛和重要新闻需要实况转播时，可利用卫星点-点链路提供节目从现场到演播室的传输。 卫星新闻采集系统采用可搬移的小站(通常采用小巧、轻便的ku波段设备),将采访的节目传回演播室。当现场离演播室的距离超过50km时，

9、这种传输方式最具吸引力。,54,3.2 卫星通信网结构,3.2.1 卫星通信网的一般特性 3.2.2 点-多点网络 3.2.3 点-点网络,55,3.2.2 点-点网络,最简单的点-点连接是两个地球站之间的射频信号传输，链路是全双工的。 卫星网状网能提供若干条链路，连接不同位置的多个地球站。N个地球站之间的最大可能的链路数为N(N-1)/2。 电话网 是典型的网状网，在点-点之间的链路可以是专用线路或预分配线路，以保持连续的连接。,56,计算机网间链路 卫星非常适合为不同地域的大计算机系统或计算机局域网 LAN 之间提供互联链路，其传输速率为N64kb/s。 连接多个LAN而构成的广域网 WA

10、N中，路由器将用户数据分组从一个LAN传送到另一个LAN的用户。,57,第三章 卫星通信系统,3.1 卫星通信概述 3.2 卫星通信网结构 3.3 链路传输工程 3.4 多址技术 3.5 星载和地球站设备 3.6 VAST 系统 3.7 卫星移动通信系统,58,3.3 链路传输工程,卫星通信系统中，信号的传送路径主要在星-地之间和星际之间。 星-地之间的传播特性由自由空间传播特性和近地大气的各种影响确定，而星际链路传送可认为是自由空间传播。,59,3.3.1 星-地链路传输特性 3.3.2 卫星移动链路特性 3.3.3 噪声与干扰 3.3.4 卫星通信全链路质量 3.3.5 上、下行链路的RF

11、干扰,3.3 链路传输工程,60,1.自由空间传播损耗,直射波传播： 实际情况下，只要: 地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质 相对介电常数和相对导磁率都等于1 传播路径上没有障碍物阻挡 到达接收天线的地面反射信号场强可以忽略不计 电波可视作在自由空间传播。,自由空间传播： 指天线周围为无限大真空时的电波传播，是理想传播条件。 电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也 不会产生反射或散射。,3.3.1 星地链路传播特性,61,磁场强度有效值H0为,单位面积上的电波功率密度S为,由电磁场理论可知， 若各向同性天线的辐射功率为PT瓦时，则距辐射源d米处的电场强度有效值E0为,直射波传播

12、能量分析,62,接收天线获取的电波功率:,用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为:,式中，AR为接收天线的有效面积。,63,AR 与接收天线增益GR满足下列关系：,式中，2/4为各向同性天线的有效面积。,64,当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为,接收天线获取的电波功率,自由空间传播损耗Lfs定义为,65,或,式中，d的单位为km，频率f单位为MHz。,自由空间中电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。 当f和d增大一倍时，Lfs将分别增加6dB.,GEO与LEO卫星系统链路的传播损耗相差约30dB 例：GEO=36000km L

13、EO=1000km 20lg36=31dB,66,对于GEO系统，若仰角为30，则d38607km,C、Ku频段 下行链路(4GHz和12GHz)损耗的分别为196.20dB和205.76dB 上行链路(6GHz和14GHz)的损耗分别为199.75dB和207.10dB。,1000km,67,地球站到静止卫星的通信距离(链路长度)d和仰角a计算公式为,其中: 为地球站的纬度，为地球站与卫星定点(星下点的)的经度之差，d的单位为km, 为地心角,68,2.链路附加损耗,星-地链路损耗: 主要损耗：自由空间损耗。 附加损耗： 大气吸收损耗、雨衰，以及由于折射、散射、绕射、电离层闪烁与多径等引起的

14、附加损耗。,69,(1) 大气吸收损耗,水蒸气吸收损耗：随频率增大而加大，22GHz处有一小峰(高仰角条件下不超过1dB)。 氧分子吸收：60GHz处有一大损耗峰(超过100dB)。,70,雨衰是由于雨滴对微波能量的吸收和散射产生的，并随着频率的增高而加大。通常在Ku及其以上的频段，雨衰的影响不容忽视。 雨衰不能精确地预告，但在进行链路设计时可根据该地区历年雨衰的统计数据，对它作出估计。 雨衰的大小与雨量和电波传播穿过雨区的有效距离(该距离与仰角相关)有关。 对于特定的雨区，电波在雨区内传播路径上不同地点受到的衰减是不同的，为便于计算，工程上用特定仰角时总的雨衰值来表示。,(2)雨衰,71,大

15、雨(10mm/h) 有效性为99.5,72,大气层中，空气密度随高度的增加而降低，对电波的折射率随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现弯曲. 由于大气层的不稳定因素，如温度的变化、云层和雾等导致了大气密度分布的不连续变化和起伏，使传播路径产生了随机的、时变的弯曲，从而引起接收信号的起伏。 在低仰角情况下，由于星地传播路径与地面视距微波的路径近于平行，折射可能形成相互干扰。,(3)大气折射的影响,73,74,(4)电离层闪烁的影响,电离层内存在电子密度的随机不均匀性而引起闪烁，可使信号产生折射。 折射可引起信号能量的散失，同时沿着折射路径的信号也可到达卫星接收机，这些折射分量与直射分量一起形

16、成了多径传输。 闪烁引起的衰落在1GHz以上频率可忽略，但对400MHz以下频率必须予以考虑。如对于200MHz的频率，闪烁衰落为6.2dB的概率达10。,75,对流层降雨和闪烁特性主要对较高频段(10GHz以上)的电波传播造成较大的影响。 对流层的闪烁强度与物理参数(温度、湿度、风速等)、纬度位置和时节(包括日变化、季变化)有关 闪烁将导致信号衰落，特别是在低仰角时，衰落可达10dB。,(5)对流层影响,76,3.3.1 星-地链路传输特性 3.3.2 卫星移动链路特性 3.3.3 噪声与干扰 3.3.4 卫星通信全链路质量 3.3.5 上、下行链路的RF干扰,3.3 链路传输工程,77,4

17、.3.2 卫星移动通信链路特性,1衰落特性 数学分析表明，包含直射分量的多径信号的包络服从莱斯(Rice)分布，相位在0,2中服从均匀分布。 为表征信道直射分量与多径分量的相对大小，引入参数莱斯因子K，定义为 K=直射分量功率/多径分量功率和 对实际卫星移动通信链路特性的测试结果表明： 莱斯信道的莱斯因子K和对数正态莱斯信道的均值和方差2，一方面与地面环境有关，同时也与用户对卫星的仰角有关。,78,在农村树木遮蔽条件下，K，和2可用下面的经验公式进行计算：,79,在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相对运动，因此接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移： 其中：V为卫星与用户的相对运

18、动速度，fc为射频频率，c为光速，为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹角。,2多普勒频移,80,多普勒频移产生原因： 系统采用静止轨道卫星时，由于用户终端的运动和卫星的飘移而产生； 系统若采用非静止轨道卫星，主要由卫星的飞行速度决定多普勒频移，用户的运动可忽略。 典型值： C波段的中轨道(高度10000km)卫星系统，最大多普勒频移的典型值为100kHz C波段的低轨道(高度l000km)卫星系统，最大多普勒频移的典型值为200kHz。,多普勒频移,81,3.3.1 星-地链路传输特性 3.3.2 卫星移动链路特性 3.3.3 噪声与干扰 3.3.4 卫星通信全链路质量 3.3.5 上、下行

19、链路的RF干扰,3.3 链路传输工程,82,4.3.3 噪声与干扰,1系统热噪声 (1)等效噪声温度 热噪声的大小用功率谱密度n0来量度 ： n0=kT (3-5) 其中，k=1.3810-23 Ws/K,为玻耳兹曼常数； T为噪声源的噪声温度，单位为K。 只要温度不是绝对零度，传导媒质的噪声就存在； 噪声的功率谱密度与频率无关，为白噪声。,83,网络输出端的噪声功率组成： 由网络输入端的匹配电阻热噪声所产生的输出噪声Nio。 Nio=kT0BA B为网络带宽， A为网络增益，T0 为输入匹配电阻的噪声温度。 网络内部噪声对输出噪声的贡献N。 NkTeBA Te为网络的等效噪声温度。 N表示将

20、一个噪声温度为Te的噪声源接至理想的无噪声网 络的输入端时所产生的输出噪声功率。 网络输出噪声功率No： NoNio十NkT0BA+kTeBA (3-6),84,(2)级联网络的等效噪声温度 假定系统接收机由n个网络级联构成，n个网络的增益和等效噪声温度分别为Al-An和Te1-Ten。n个网络的等效噪声带宽B都相同， T0为输入端噪声温度。 第l 级网络输出噪声功率 kB(T0+Te1)A1 第2级 kB(T0+Te1)A1A2+kBTe2A2 . 第n级 kB(T0+Te1)A1A2.An+kBTe2A2A3.An+.+kBAnTen,第一级网络贡献最大，最后一级贡献最小,85,n级网络输

21、出噪声功率： kB(T0+Ten)A1A2.An 其中，Ten为n个网络级联后总的等效噪声温度。,86,(3)等效噪声温度和噪声系数 卫星通信系统中，通常采用较精确的等效噪声温度来估算系统噪声性能。 噪声系数NF： 于是， Te(NF1)T0,87,(4)有耗无源网络的等效噪声温度 设有耗无源网络损耗为LF，经分析比较， 无源有耗网络的噪声系数NF为 NF=LF,88,来自于外层空间星体的热气体在星际空间的辐射，最主要的噪声干扰源来自太阳。 只要接收机的天线不对准太阳，静寂期的太阳噪声对系统的影响不大。 当太阳接近地球站指向卫星的延伸方向时，地球站将会受到干扰，甚至造成中断。 一年中春分和秋分

22、前后的20来天，将出现这种情况。 如地球站：天线直径11m, 4GHz频段,半功率波束宽度 0.44。太阳一年内将对地球站产生两次干扰，每次5天，每天大约持续7min(太阳穿过天线波束的时间)。 干扰发生的具体时间与地球站位置有关。,2宇宙噪声,89,补充：“日凌”现象,每年的春分和秋分附近，同步地球卫星的信号传输会发生“日凌”现象。 地球自转的轨道与太阳成23.5度的倾斜角，每年太阳会在3月21日（春分）及9月23日（秋分）时经过地球赤道上空。地球同步卫星的运行轨道与地球赤道在同一平面上，与地球保持同步转动。 因此每年春分和秋分前后，在卫星地球站所在地的每天中午时分，卫星将处在太阳与地球之间

23、的直线上。,90,此时对准同步卫星的接收天线同时也对准了太阳，使太阳产生的强大的电磁波直接投射在地球站天线上。 一方面每年的春分秋分前后是太阳离地球距离最近、辐射最强的时候； 另一方面太阳产生的电磁波频谱很宽，对地球站来说，该电磁波是一个巨大的噪声源。 因此，在这个强大噪声源的干扰下，卫星信号的传输会受到严重影响，使接收线路严重恶化甚至导致通信中断，这种现象称为卫星通信的“日凌”现象。,91,对于采用星际链路的星座通信系统，当星座运行到太阳处于某星际链路的延长线的状态时，太阳处于卫星接收天线的前向视角内，干扰有可能阻塞该链路。 空间网络的某些(星际)链路被阻塞，将影响空间网的路由策略。,宇宙噪

24、声,92,主要来自于大气噪声、降雨噪声、地面噪声。 大气噪声： 产生：在电波穿过电离层、对流层时，大气中的水蒸气和氧分子产生电磁辐射而形成噪声。 影响: 与用户对卫星的仰角有关，仰角越高，噪声干扰越小；同时，干扰与频率有关。 范围：在0.4-10GHz的频率范围是一个干扰较小的窗口，这是卫星通信系统首先开发C波段(4/6GHz)的原因之一。 同时，在30GHz附近噪声曲线也呈谷点，这正是目前开始应用的Ka波段。,3外部环境干扰,93,曲线A表示天线指向银河系中心(即所谓指向“热空”)干扰达最大时的情况. 曲线B表示天线指向天空其他方位(所谓指向“冷空”)时的情况。,0.4-10GHz 窗口 C

25、波段(46GHz) 30GHz 谷点 Ka波段,94,降雨噪声 雨、雾等吸收电波能量引起雨衰的同时所产生的电波辐射噪声，暴雨时特别严重。 降雨噪声与雨衰一样，在较高的频段(如10GHz以上)影响较大。 工程上，降雨噪声与雨衰一并考虑，用留有足够的系统余量的方法来解决。,外部环境干扰,95,主要包括系统间干扰、共道干扰、互调于扰、交叉极化干扰等。 系统间干扰 由于卫星与地面微波系统共用C频段，为了避免系统间的干扰，国际电联对卫星发射功率、天线方向性、工作条件等作出了相应的规定。 不同卫星系统地球站之间的干扰及相邻卫星之间的干扰也可能出现。 为此，在天线旁瓣的抑制、指向精度的控制、地球站的选址和站

26、间距离、卫星位置精度保持等方面也有相应的限制。,4 其他干扰,96,共道干扰 为充分利用频率资源，提高系统的频率再用率，相同频道可能分配给指向不同地区的两个波束覆盖区，或利用相互正交的极化方式来隔离同频信道。 但波束间的(距离)隔离和极化的正交隔离效果往往并不十 分理想，共道干扰是工程设计时必须特别注意的问题。 互调干扰 当转发器用于转发多载波信号时，由于功率放大器的非线性所引起的互调干扰需要考虑。 因此应在保证互调干扰满足要求的条件下提高功放的效 率。,其他干扰,97,补充,98,3.3.1 星-地链路传输特性 3.3.2 卫星移动链路特性 3.3.3 噪声与干扰 3.3.4 卫星通信全链路

27、质量 3.3.5 上、下行链路的RF干扰,3.3 链路传输工程,99,3.3.4 卫星通信全链路质量,Pt,Lfs,Lt,Pr,Gr,Lr,Gt,Pt-Lt+Gt-Lfs+Gr-Lr=Pr (dB表示）,100,3.3.4 卫星通信全链路质量,电波经自由空间传播后的接收信号功率Pr： （3-12) 其中L包含了自由空间损耗和各种附加损耗。 接收机的输入噪声功率Ni： NikTB (3-13) 式中：T为接收系统的等效噪声温度，包括了从天线进入接收机的噪声的等效噪声温度T0和接收机内部噪声折算至其输入端的等效噪声温度Te)。,101,定义：发射机的等效全向辐射功率EIRP为 EIRP=PtGt

28、(3-14) 等效全向辐射功率EIRP表示发射机定向发射功率的大小。 当考虑馈线损耗时， EIRP=PtGt /Lt 接收信号的载噪比(载波功率与噪声功率之比)C/N为 (3-15) 其中：C接收信号的载波功率， GR接收天线增益， N接收机输入端的噪声功率 , L传播路径上的所有损耗，并包括接收机的馈线损耗,102,载波功率与等效噪声温度之比C/T为 (3-16) C/T称为接收机(系统)的品质因数，它是评价接收机性能好坏的重要参数：C/T值越大，接收性能越好。,103,卫星通信系统全链路的传输质量主要决定于上行和下行链路的载波功率与噪声温度之比(C/T)u和(C/T)d 。 互调噪声 在星

29、载转发器传送多载波的情况下，互调噪声也需计入，其影响用载波功率与噪声温度比(C/T)i来表示。 互调噪声的大小与载波数目、各载波间的相对电平、频率配置方案和行波管工作点有关。 上、下行链路噪声和互调噪声相互独立，故总等效噪声温度T应为各部分的噪声温度之和。,1全链路传输质量,104,C/T表示全链路传输质量的载波功率与噪声温度比，则有 (C/T)-l(C/T)u-1+(C/T)d-1+(C/T)i-1 （不是dB表示） (3-17) 在实际工程应用中还应留有足够的余量。 余量包括： 尚未计入的附加噪声和设备不理想(调制解调器、同步恢复、正交极化波的鉴别率下降)等因素引起的性能恶化。,105,2

30、链路预算实例,例3-1 Ku波段DTH系统下行链路预算 已知卫星转发器： 发射功率250W，发射馈线损耗1.0dB，天线增益30dBi，传输带宽27MHz。 地面小型单收(RO)站： 天线直径为45cm， Ku波段天线增益32.7dB， 接收端馈线损耗0.5 dB，接收站等效噪声温度140K。 试对地面接收机输入信噪比进行预算,106,补充,dB 一个表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位。 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时 ，计算公式：10log（甲功率/乙功率） 如果采用两者的电压比计算，要用20log（甲电压/乙电压） 例 甲功率比乙功率大一倍 10

31、lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。 即甲的功率比乙的功率大3 dB。 反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，则甲的功率比乙的功率小3 dB。,107,dBi 和 dBd dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对值，但参考基准不一样。 dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，故两者略有不同。 一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。 例 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。例 0dBd=2.15dBi。,108,发射功率: PT=10lg(PT)

32、=10lg250=24.0dBW 发射馈线损耗: LT= 1.0dB 发射天线增益: GT= 30.0dB 等效全向辐射功率: EIRP =24-1+30=53.0dBW 自由空间损耗: f=12GHz d=38607(km) (30仰角） Lfs= 92.44+20lgd(km)+20lgf(GHz)=205.6dB 接收机天线增益：GR= 32.7dB (45cm直径，Ku波段,查表) 接收端馈线损耗：LR=0.5 dB 接收信号功率： PR=EIRP-Lfs+GR-LR=53-205.6+32.7-0.5=-120.4dBW 接收噪声功率： N=kTB=1.3810-2314027106

33、 =5.21610-14W N=-132.8dBW 载噪比： C/N=PR-N=-120.4-(-132.8)=12.4dB,109,不同口径天线增益及其门限接收时所需场强对照表,110,备注： 计入损耗：自由空间损耗和收,发波导损耗(0.5dB+1dB) 若所要求的C/N值为8dB，则有4.4dB的余量 当出现暴雨或严重的多径衰落时，链路余量由所要求的有效性来确定。 有效性：定义为C/N高于门限的时间百分数。 在卫星链路中要求的典型值为99-99.95。 有效性主要由卫星与地球站之间直射分量的可靠性来决定。,111,例3-2：C波段载波系统上下行链路预算,已知：地球站EIRP=85dBW 上

34、行链路频率为6GHz，传送距离为38607km(仰角30)。 卫星接收机G/T=-11.6 dB/K，卫星转发器EIRP=20dBW 下行链路频率为4GHz，传送距离仍为38607km， 地球站G/T41dB/K， 卫星多载波转发器的互调噪声(C/T)i=-131.7dBW/K 上、下链路其它干扰的(C/T)P=-130.5dBW/K。 试求全链路的C/T。,112,解：上行链路传输损耗： Lfu=92.44+20lgd+20lgf=92.44+91.73+15.56=199.73(dB) 上行链路的C/T值： (C/T)uEIRP-Lfu+G/T=85-l99.73-11.6-126.33(

35、dBW/K) 下行链路传输损耗: Lfd92.44+91.73+12.04196.21(dB) 下行链路C/T值: (C/T)d41-196.2l+20-135.21(dBW/K) 全链路的C/T值: (C/T)-1=(C/T)u-1+(C/T)d-1+(C/T)i-1+(C/T)P-1 =4.31012+3.3191013+1.4791013+1.1221013 =6.351013 C/T=-138.03dBW/K,例3-2：C波段载波系统上下行链路预算,113,3信道对传输信号的损害,信道的线性失真 种类：包括幅度频率失真和相位频率失真. 幅度频率失真: 在信号带宽内，信道不能提供平坦的增

36、益特性； 相位频率失真: 由于相位频率特性的非线性产生的，即在带内不能提供平坦的群延时特性。 产生原因： 主要是由信道中的各种滤波器产生的。,114,后果： 信道的线性失真将使信号的波形产生失真，引起符号间的串扰。 克服方法： 采用均衡措施，特别是相位频率特性的均衡对减少数字序列的符号间干扰至关重要。 数字通信系统 自适应均衡,信道的线性失真,115,种类：分为幅度非线性失真和相位非线性失真。 幅度非线性失真: 表示在功放饱和点附近信号振幅增量的压缩，称为AMAM； 相位非线性失真: 将输入信号幅度的变化转换为输出信号相位的变化，称为AMPM。 产生原因： 主要由功率放大器 产生。 卫星通信信

37、道的非线性失真主要产生在发射机的功率放大器部分，特别是星载转发器的TWTA (行波管放大器),信道的非线性失真,116,后果： AMAM(幅度)非线性失真将引起RF的互调失真，并使发射频谱出现旁瓣。 AMPM(相位)失真使数字通信的接收信号星座图的汇聚点发散(符号间干扰增加)并引起星座图的旋转。 如不采取校正措施，对传输信号(特别是多进制信号)的正确接收不利，误码率将显著增加。 克服方法： 在考虑上行噪声、下行噪声和互调噪声的情况下，为了使全链路载噪比最高，星载转发器存在一个最佳的工作点(或最佳的输入功率值)。,信道的非线性失真,117,118,3.3.1 星-地链路传输特性 3.3.2 卫星

38、移动链路特性 3.3.3 噪声与干扰 3.3.4 卫星通信全链路质量 3.3.5 上、下行链路的RF干扰,3.3 链路传输工程,119,3.3.5 上、下行链路的RF干扰,讨论采用相同频段的卫星通信系统之间的干扰 上行干扰：地球站在向自己的“目标卫星”发送信号的同时，也向相邻卫星辐射而形成干扰。 对策：要求上行地球站的天线应当有窄的波束，只瞄准自己的“目标卫星”。 下行干扰：地球站接收“目标卫星”信号，同时接收到到相邻卫星发出的信号干扰。 对策：地球站接收天线也应当是只瞄准所要求卫星的窄波束天线,120,121,为了有效地区分“目标卫星”和不要求的“相邻卫星”： 一方面：要求地球站天线波束足够

39、窄。 一方面：要求与相邻卫星相隔足够远。,122,实际应用中： 相邻卫星不同时用作DTH广播卫星。 相邻卫星常用正交极化方式进行隔离，以减小相邻卫星之间的间隔，有利于轨道资源的有效利用。,卫星间隔3，C/I=10dB，则接收天线直径约0.7m； 卫星间隔6，C/I=10dB，则接收天线直径约0.4m；,DTH TV系统中的下行干扰,123,第三章 卫星通信系统,3.1 卫星通信概述 3.2 卫星通信网结构 3.3 链路传输工程 3.4 多址技术 3.5 星载和地球站设备 3.6 VAST 系统 3.7 卫星移动通信系统,124,3.4 多址技术,多址技术：在通信信号复用的基础上，处理由不同地球

40、站信号发往共用卫星时通信容量的分配和建立各用户之间通信链路的技术。 种类：频分多址(FDMA) 时分多址(TDMA) 码分多址(CDMA) 空分多址(SDMA),125,3.4.1 频分多址技术 3.4.2 时分多址技术 3.4.3 码分多址技术 3.4.4 ALOHA方式,3.4 多址技术,126,3.4.1 频分多址技术,频分多址 卫星通信系统中普遍采用的一种多址技术。 对各地球站配置不同的频率，以实现不同地球站之间的连接。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。 频分多址的地球站 通常有若干个调制解调器，工作在不同的副载波上。 调制器的输入：2Mb/s的E1数据流，8Mb/

41、s的E2数据流，64Kb/s的单路信号数据流。,127,MCPC：每载波多路方式,例1中型地球站,每载波多路方式 MCPC,128,地球站收、发载波的信号带宽支持8Mb/s的E2数据流(或6Mb/s的T2)信号的传输。 在E2(T2)信号带宽内又以FDM方式复用4路E1(或T1)，即将4个Modem分别调谐在各自的副载波上，第5个Modem作为公用备份，组成4个载波的每载波多路系统。 复接/分接器：将来自地面网的单路信号(或E1信号)复接为4个E1 的群信号(E1数据流)，同时将接收解调后的E2数据流分接为单路信号，并通过接口送往地面网。 合路/分路器：将来自调制器的4个副载波合为一路送至上变

42、频器，同时对接收的4个副载波进行分路，以便送至各自的解调器。为提高设备的可靠性，系统中配置了备用的HPA、LNA、上变频器、下变频器和Modem。,例1中型地球站,每载波多路方式 MCPC,129,SCPC：每载波单路方式,例2 Intelsat小型地球站,每载波单路方式 SCPC,130,图为Intelsat在一个36MHZ转发器带宽内SCPC信道安排方案，整个带宽被分为800条45kHz的信道，每信道以QPSK调制分式传送一个话路(含信道间的保护间隔)。 为进行频率控制，转发器上还发送有一个导频信号。为避免对导频信号的干扰，导频两侧的信道是空闲的。 该方案可提供798条单向或399条双向话

43、路。,例2 Intelsat小型地球站,每载波单路方式 SCPC,131,频分多址的地球站 多个副载波的合路信号变换至分配的射频频道上。 在频分多路的卫星通信系统中，各地球站之间射频频率不同，而且每站发出的合路信号中包含了发往不同目的地球站的信号，它们之间往往也是频分(使用不同的副载波)。 FDMA方式的缺点 星载转发器在多载波的情况下工作。 为了减少之间的互调干扰，必须使发射功率输出电平比饱和点电平足够低（称为电平回退补偿），以保证高功率放大器的线性。这势必降低转发器的效率。 必须对每一地球站的发射功率进行精确的控制。,频分多址,132,电平回退补偿越多，载波/互调干扰功率比越高; 在相同的

44、电平回退时，载波数越多，载波/互调干扰功率比越低。 载波/互调干扰功率比 与有效辐射功率是一对矛盾,133,3.4.1 频分多址技术 3.4.2 时分多址技术 3.4.3 码分多址技术 3.4.4 ALOHA方式,3.4 多址技术,134,3.4.2 时分多址技术,1. TDMA技术 将一个TDMA帧内的不同子帧分配给不同的地球站，各地球站将在所分配的子帧内接收和发送突发脉冲数据串。所有的地球站都采用相同的载波。 为保证每一地球站的突发子帧能在所指定的子帧时隙位置到达卫星，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时隙，安排为由基准站发出的“基准”子帧，以作为系统同步和网控

45、之用。,135,TDMA帧长一般都取125s的整数倍,136,TDMA系统发送数据格式,转发器发往A,B,C的3个地球站数据，分别通过3个接口进入TDMA缓冲器，以形成串行的突发子帧。 子帧组成：报头和信息两部分。,137,为保证各子帧之间不相互重叠，在它们之间留有一定的保护时间(通常为30-300Ps)。,138,TDMA系统发送数据格式,报头： 载波与比特位定时恢复序列，为接收端提供载波基准和位定时时钟。 独特码，用以指示TDMA帧内子帧的起始位置，以及子帧内各信息的位置。通常独特码还包含有站址识别码。 勤务比特，用以传送各地球站之间的勤务电话或数据。 控制比特，用以传送网络管理信息和控制

46、信息。 在每个子帧的信息部分，又被分为若干个信息子帧，而每一信息子帧将发往不同的目的地球站。,139,接收地球站(D站)在对信号进行解调后，由分路设备分别从来自A，B，C站的信息子帧中输出传送给本站的数据流。,TDMA系统接收数据格式,140,TDMA多址方式特点： TDMA系统的所有地球站使用同一载波，因此转发器不在多载波的条件下工作，功率放大器几乎可在饱和点附近工作，这样卫星功率得到了有效的利用。,141,TDMA系统是以时分复用为基础的，如何保证全网的帧同步是系统能否正常工作的关键问题。 子帧捕获 从各地球站到卫星的信号传播延时各不相同，如何保证各站发送的突发子帧在指定的时隙位置到达卫星

47、接收机的输入端口。 子帧同步 由于存在卫星位置飘移和地球站时钟相对于“基难”时钟的偏差，各地球站必须维持其子帧与全网“基准”子帧之间的同步。 子帧捕获的常用方法 轨道预测法、相对测距法、被动同步法,2 子帧的捕获和同步,142,根据卫星运动轨迹数据(由监控站提供)和本站地理位置数据，计算出卫星与地球站的距离和传播延时，再根据所接收的系统“基准”子帧和分配给本站突发子帧的时隙位置信息，确定本站子帧的发射时间。 在地球站开始试发送时，可在子帧时隙的中心位置发送捕获子帧(只含子帧报头的短子帧)。 通过报头中独特码所形成的示位脉冲与“基准”子帧示位脉冲的比较，逐渐将报头调整至预定位置，完成捕获。 目前

48、，TT&C系统实现对卫星测距的精度为30km，最初发射的捕获子帧误差可控制在 100s以内。,轨道预测法,143,相对测距法,在不影响其他地球站通信的条件下，用测距信号(通信频带以外信号或带内低电平信号)完成对卫星与地球站之间传播延时的测试，从而完成捕获的任务。 目前，低电平带内测距法的应用较多，它利用低于通信信号电平20一30dB的测距信号，如低速率宽脉冲测距信号或扩频序列测距信号。,144,基准站(中心控制站)与监控站协调，在发送“基准子帧的同时，广播卫星的精确位置信息数据。 根据这些信息和本站的位置，通过计算可较精确地确定传播延时，进而决定本站确切的发射时间。 实验证明，此法的测距(延时

49、)精度可达1ns。,被动同步法,145,方法一：将接收的本站发送子帧与“基准”子帧的相对时间、位置进行比较，以调整发射时间，保持该站所发送的子帧与“基准”子帧之间的同步。 静止卫星系统“地-星-地”传输延时较长，假定为0.27s，因此子帧同步过程需0.27s才能校正一次。 方法二：利用锁相方法，使本站的“帧定时”对“基准站的“帧定时”进行跟踪，再用为本站所指定的子帧位置信息来控制子帧的发射时间。 此法涉及地球摊和卫星转发器在内的延时锁相环路，设备较为复杂。,子帧同步方法,146,3.4.1 频分多址技术 3.4.2 时分多址技术 3.4.3 码分多址技术 3.4.4 ALOHA方式,3.4 多

50、址技术,147,3.4.3 码分多址技术,在卫星CDMA系统中，各地球站同时使用转发器的同一频带，但传输的每一信号都分配有一特征码(地址码)。 在接收端，地球站首先从各站发送的所有信号中识别其特征码，提取发送给本站的信号(即解扩)，再通过解调、解码获得所传输的信息。 一般须采用相关技术。 卫星CDMA通信系统多采用直扩方式。,148,1. m序列,在直扩系统中，最常见的扩频编码是m序列（最大长度的线性反馈移位寄存器序列）。 m序列主要特点：周期长、容易产生、随机性好等。,图中：小方块为移位寄存器，共n级, C1，C2， ,Cn为相乘系数，为0或 l。0-不反馈,1-反馈,149,150,Q1

51、Q2 Q3 Q4 D0 Q1 Q2 Q3 Q4 D0 Q1 Q2 Q3 Q4 D0 初态：1 0 0 0 1 5 1 0 1 1 0 10 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 6 0 1 0 1 1 11 1 0 0 1 0 2 1 1 1 0 1 7 1 0 1 0 1 12 0 1 0 0 0 3 1 1 1 1 0 8 1 1 0 1 0 13 0 0 1 0 0 4 0 1 1 1 1 9 0 1 1 0 0 14 0 0 0 1 1 15 1 0 0 0 1 16 1 1 0 0 1,Q1:111101011001000 Q2:011110101100100 Q3:00111

52、1010110010 Q4:000111101011001,例 n=4 m序列发生器,151,其中 ：B1为基带信号带宽 B2（B2B1）为功率谱密度极低的扩频信号,2 相关技术,152,153,154,扩频增益 GP 频谱扩展后的信号带宽与谱扩展前的信号带宽之比。 GP =RC/Rb Rc扩频码带宽，Rb信息带宽 GP是反映扩展频谱通信特性和CDMA多用户能力的重要参数。,155,无须对各地球站进行协调，接续灵活方便。 抗干扰、抗截获能力强。 具有克服信道多径传播所带来不利影响的能力。 频谱利用率低，仅适于低速率的数据传输。 由于信号频谱被扩展，在一定转发器带宽和扩频处理增益的条件下，允许的

53、用户信息速率不高。这也是CDMA方式不能用于国际、国内大容量干线通信的原因。 目前，CDMA方式除用于军用卫星通信系统外，主要用于卫星移动通信系统和少数小容量VSAT系统(它可以在电磁干扰环境恶劣的市区利用小的天线进行通信)。,3 CDMA系统特点,156,接收机的输入噪声干扰功率包括两部分：信道高斯噪声功率和系统自身的多址干扰功率。其功率谱密度I0表示： I0n0+Im n0高斯噪声功率谱密度，Im 多址干扰功率谱密度 接收机输入(解扩前)信号功率对总的噪声干扰功率之比(C/I)为 C/I=RbEb/(I0B) Eb比特能量，Rb比特速率，B扩频带宽。,4 CDMA系统性能参数,157,假如

54、：卫星CDMA系统反向链路为异步工作方式，并允许有M个信道同时工作，即允许有M个地球站以不同的地址码发射同一载波。 假定系统有理想的功率控制机制，到达某一接收机的M路信号功率C都相等，若其中的某路为有用信号，其他(M一1)路为多址干扰，则多址干扰功率谱密度Im为 Im(M-1)C/B 反向链路容量M为 M1+ImB/C1+GPD(I0-n0)/Eb 其中， GPDB/Rb， EbC/Rb 已知(Eb/I0)和(Eb/n0) ，容量M为 M1+(Eb/I0)-1-(Eb/n0)-1,158,3.4.1 频分多址技术 3.4.2 时分多址技术 3.4.3 码分多址技术 3.4.4 ALOHA方式,

55、3.4 多址技术,159,3.4.4 ALOHA方式,ALOHA是一种用于数据通信的随机(时分)多址方式。 用户终端以竞争的方式向公用信道发送数据分组。 由640b信息加上32b报头和32b校验码组成。,160,工作过程,161,信道利用率 =信道有效传送数据分组时间/总时间 经典ALOHA系统的信道利用率仅为18。 SALOHA 称为时隙AlOHA，以信号到达转发器输入口为时间参考点，将时间轴等分为许多时隙(slot)的ALOHA，发送数据分组必须按系统的统一时隙进行，并要求每个站的数据分组必须落入某一时隙。 SALOHA减少了碰撞机会，S-AIOHA的信道利用率可达36%。,162,RAL

56、OHA 称为预约ALOHA，它是在SALOHA的基础上考虑到系统内各站业务量不均匀而提出的改进型。对于发送数据量较大的站，在它提出预约申请后，将在预约的时隙发送较长的分组。 RALOHA的信道利用率高达83。,163,是一种以R-ALOHA方式工作的系统。 系统内短分组长度224b，长分组长度l350b，其中信息数据不少于1000b。如果传输速率54Kb/s，一个长分组持续时间为1350/5425(ms)。 若某站请求发送3个长分组时，通过S-ALOHA信道提出预约申请(通报)，在经过卫星链路的270ms延时之后，该站和系统内所有各站都听到了这一通报。 若在这一过程中没有其他站同时发出类似通报

57、(预约)，将根据当前排队情况，将这3个25ms的长时隙安排在恰当的时隙位置上，从而完成预约。 系统内的其他各站应避开已预约的时隙发送数据，而该站按预约的时隙发送(分组)，不会发生碰撞。当系统内没有站提出申请预约时，系统将按S-ALOHA方式工作。,例：美国AIRPA(高级研究计划局)系统,164,第三章 卫星通信系统,3.1 卫星通信概述 3.2 卫星通信网结构 3.3 链路传输工程 3.4 多址技术 3.5 星载和地球站设备 3.6 VAST 系统 3.7 卫星移动通信系统,165,3.5 星载和地球站设备,166,3.5.1 高功率放大器和低噪声放大器 3.5.2 星载转发器 3.5.3

58、通信地球站设备 3.5.4 其他类型的地球站,3.5 星载和地球站设备,167,3.5.1 高功率放大器和低噪声放大器,1高功率放大器(HPA) 速调管放大器 KPA: KPA的输出功率最大，C频段3000W，Ku频段2500W和Ka频段1500W。 KPA的带宽较窄，约50-l00MHz。 这类放大器广泛用于电视广播系统的上行站和一些带宽较窄的FDMA地球站。,168,行波管放大器 TWTA: 有较宽的带宽，在C波段能提供500MHz的带宽，而Ku和Ka波段的带宽可达1000MHz。 TWTA的功率一般在50-800W之间。而水冷的TWTA可达10kW，被用于TNTELSAT的地球站。 目前用于卫星的TWTA输出功率一般在250W以下，精心设计的TWTA具有长寿命、重量轻和高效率DC-