现代通信技术第3版魏东兴卫星CH8章节

1、第8章 卫星通信系统信号传输技术,8.1 概述 8.2 信道复用技术 8.3 信道分配 8.4 差错控制技术 8.5 数字调制技术 8.6 卫星电视传输技术,本章主要内容,8.1 概述,信号传输方式 1.模拟方式还是数字方式 数字方式的优点 2.调制技术 3.信道复用技术或多址联接方式 4.信道分配技术,8.2 信道复用技术,8.2.1 频分多址方式（FDMA） 1. 基本原理,FDMA采用频域正交分隔，把卫星转发器的可用频带在频域上分割成若干互不重叠的部分，分配给各地球站使用。 各地球站发射的载波频率不同，接收地球站采用频率选择性的接收机。,2. 交扰调制干扰及抑制,（1）输入/输出特性非线性引起的交扰调制干扰 （2）调幅一调相(AMPM)转换引起的交扰调制干扰 （3）减小交扰调制干扰的方法 载波不等间隔排列。当载波等间隔配置时，交扰调制产物会落在某些载波上形成严重干扰。因此可以不等间隔地配置载波，使交扰调制产物落在有用信号频带之外。 对上行载波功率进行控制，合理选择行波管的工作点。为了避免出现强信号抑制弱信号的现象，必须严格控制地球站发射功率，将其限制在容许范围内。 为了使交扰调制

2、影响降到允许的程度，TWTA的工作点要从饱和点回退一定数值。 加线性器，利用幅度、相位的失真修正功率放大器的非线性特性。 加能量扩散信号。,3. 卫星FDMA的类型,(1) 频分复用/调频/频分多址(FDM/FM/FDMA)方式 (2) 每载波单路/频分多址(SCPC/FDMA)方式 话音激活(载波激活)技术 ；SCPC制式比较灵活 (3) 时分复用/相移键控/频分多址(TDM/PSK/FDMA),中速率数字业务（IDR） IDR制式是为了解决FDM/FM/FDMA制式的模拟接口与数字程控交换机进行接口不方便而提出的。IDR主要应用于国内大城市之间或者国家之间的干线通信。,每载波多路（MCPC） 使用MCPC可以克服SCPC的缺点，因为使用一个载波而不是多个载波，不必考虑转发器功率回退的问题，也无需预留保护频带，所以在功率利用率和频带利用率上都有显著提高。 CCTV的CCTV-3、CCTV-5、CCTV-6等7套电视信号复用成码速率为27.5Mbps。,4. FDMA的主要特点,优点 技术成熟、设备简单、不需网同步、工作可靠、可直接与地面FDM线路接口、工作于大容量线路时效率较高，特别

3、适用于站少而容量大的场合。 G A Cambell P(born on November 27, 1870 USA graduating from M.I.T. in 1891 , receiving a masters degree from Harvard in 1893. In 1897 he joined AT&T Electric Wave Filter patent,缺点 (1) 转发器要同时放大多个载波，容易形成交扰调制干扰； (2) 对功率放大电路要进行补偿和工作点回退，降低了工作效率，浪费了转发器的功率资源； (3) 频带资源也得不到充分使用；另外各地球站上行功率电平要保持基本相等，否则会出现大信号抑制小信号的现象。,8.2.2 时分多址方式（TDMA),TDMA方式的原理：把卫星转发器的工作时间分割成周期性互不重叠的若干个时隙（时隙也称为分帧），分配给各地球站的是一个特定时隙。 在系统定时的控制下，各地球站只能在指定时隙内向卫星发射信号，各站发射的信号在时间上互不重叠。,TDMA帧结构举例,TDMA的帧结构是一个按一定次序排列的时隙集合。所有地球站分帧合在一起就构成

4、一个时帧。 在分帧之间要留有保护时间，以保证各子帧互不重叠。基准分帧R是TDMA时帧基准，TDMA时帧要与基准分帧的重复周期相一致。,TDMA的主要特点, 采用全数字方式。TDMA主要用于数字通信系统，基带信号低速连续输入并存贮在缓冲器里，而在分配时隙到来时以高速突发脉冲串调制载波发向卫星。 所有地球站发射载波可以相同，即各地球站均可占用转发器的整个带宽。这样转发器始终处于单载波工作状态，这样就克服了FDMA系统中多载波工作带来的问题。 信道资源的分配和管理容易实现。在TDMA系统中，各地球站所占用的信道资源即各自的时隙，可通过调整各站所占用时隙的长度实现信道资源的分配。 TDMA系统要有精确的同步。由于TDMA方式发射信号是突发的，所以接收端必须在接收每一个突发时隙时完成同步，同步包括载波同步和位同步，发送端必须在每个时隙帧中加上额外的同步开销。 各站的突发信号之间要留有保护时间间隔，以保证各突发时隙到达转发器的时间不发生重叠，避免造成邻道干扰。,8.2.3 扩频多址方式（SSMA）,各站发射的信号频率、时间、空间上都可以重叠， 站址区分地址码型结构，准正交特性的PN码作地址码。,S

5、SMA方式的优点是： 由于通常采用扩频方式，具有较强的抗窄带噪声干扰能力和抗多径能力； 每一个站发射的频谱密度很低，有一定的保密能力；改变地址比较灵活。,类型：FH-SS、TH-SS、DS-SS（CDMA）,8.2.4 空分多址方式（SDMA）,高级通信技术卫星 ACTS,SDMA方式的特点,优点： 卫星配备的天线增益高，天线波束窄（点波束），卫星的EIRP大，提高了功率利用率； 不同区域地球站发射信号在空间互不重叠，故可以重复使用频率资源，提高频带利用率； 转换开关使卫星具有交换能力，各地球站之间可方便地实现多址通信；卫星对其它地面通信系统的干扰有所减少，对地球站的技术要求也相应降低。 缺点： SDMA方式对卫星的位置稳定性及姿态控制提出很高的要求； 卫星天线及馈线装置也比较庞大和复杂； 转换开关不仅使设备复杂，而且一旦出现故障难以修复，增加了通信失效的风险。,8.2.5. 随机多址(ALOHA)方式,纯ALOHA（P-ALOHA） 时隙ALOHA(S-ALOHA) 具有捕获效应的ALOHA(C-ALOHA) 选择拒绝ALOHA(SREJ-ALOHA) 预约ALOHA(R-ALOHA

6、) 自适应TDMA(AA-TDMA),8.3 信道分配,8.3.1 信道分配的含义 FDMA：是指各地球站所占用的卫星转发器的频带； TDMA：是指各地球站所占用的卫星转发器的特定时隙；CDMA：是指各地球站所使用的伪随机码（地址码）的码型； SDMA：是指卫星天线的窄波束。,信道分配的两种方式 预先固定分配方式 按需分配方式,8.3.2 预分配（PA）方式,按事先规定，永久或半永久地分配给每个地球站固定的信道资源，即使某个地球站在某段时间的业务量为零，其它地球站也不能占用其空闲的信道资源。 这种方式会造成卫星信道资源的浪费。,2. 按时预分配方式,地区时差由于地区时差或地球站的业务性质不同，使各地球站业务量在一天时间内呈有规律的变化，如果各个地球站业务量的高峰恰好彼此错开，则可以将一天分割为几个固定的时隙，分配给各个地球站使用。 这种方式与固定预分配方式相比，可提高卫星信道资源利用率。,1. 固定预分配方式,优点与应用 在长时间传输要求有序不变的情况下，固定分配方式是有效的；每个用户业务量大小和时间固定，其QoS能够得到最大保障；接续控制简便。 适用于信道数目多、业务量大的干线通信；

7、 缺点 不能随业务量的变化对信道进行调整以保持动态平衡，故信道利用率相对较低。,预分配方式的特点,8.3.4 按需分配（按申请分配）方式,按各站业务量的大小动态分配信道资源； 在按需分配方式中，各地面站根据实际需要向系统请求动态地分配上行链路信道。,优点： 是信道利用率高，特别是在地球站数目较多，而各站业务量又较小（稀路由）的情况下更是如此。 原则上，这种方式可以满足各地球站的时变带宽要求，并且不会浪费信道资源。 缺点 在实现的技术难度上比预分配方式大得多。,8.4 差错控制技术,8.4.1 差错类型随机差错,随机差错 随机差错的错码随机出现，且错码之间统计独立。 随机差错通常是由信道加性高斯起伏噪声产生的。,突发差错 突发差错的错码是成串集中出现的，在某个较短的时间段内连续出现大量错码，而在另外某些时间段内又没有错码。 突发性差错主要是由脉冲干扰（如闪电、开关暂态响应）及信道衰落引起的。,混合差错 混合差错是指随机差错、突发差错合在一起的差错类型。卫星信道基本上是高斯信道，差错是随机出现的，但也会出现少量突发性差错。 因此，卫星通信系统采用差错控制技术首要考虑的是如何对付随机性差错，

8、其次再考虑采取措施处理突发差错。,8.4.2 差错控制方法,牺牲了传输效率 冗余位 编码纠错技术是用牺牲传输效率（传输信息的有效性）来换取提高可靠性。,为什么要进行差错控制？ 提高抗噪能力，抗干扰能力。 比提高发射功率节约成本,1.前向纠错 FEC方式,FEC适用场合： 对信道的差错类型、误码机理、统计特性有透彻了解，并能选出适当的编码方法。 系统传输功率可能受限，但带宽宽余。 系统的实时性强，或系统没有反馈通道，是单向通信系统或广播式通信系统。,FEC方式是一种不需反馈通道的差错控制方式。 编码必须选用纠错码，在接收端译码器不仅能检错，还能自动纠错。,2. 检错重发法ARQ,原理：接收端译码发现有误码，由反向信道请求发送方重新发送。,特点： (1) 只需要检错，不需要纠错，编译码器简单 (2) 反馈通道，双向信道 (3) 通信延时长,适用场合： 对信道的误码机理、统计特性不甚了解或信道特性变化范围宽。 不要求系统具有较强的实时性。 点对点通信，非广播式通信系统。,3. 混合自动请求重传HARQ,在接收端，FEC子系统用来纠正信道中经常出现的错误（如随机差错），这样可以减少重传的次数，

9、提高系统的传输效率。 ARQ部分是用来纠正那些不经常出现的错误，或差错图样超过了FEC子系统的纠错能力，此时，ARQ技术可以显著系统的通信可靠性。显然，这种方法更灵活更可靠，可达到最佳的容错效果，当然实现起来也更复杂。,HARQ是将FEC和ARQ两种差错控制方式相结合，即在ARQ系统中包含一个FEC子系统。,8.4.3 信道编码技术,选择编码方法，取决于三方面因素： 对误码率改善程度（纠错能力）的要求。 对编码冗余度（编码效率）的要求。 对编译码器复杂程度（设备成本）的要求。,信道编码的理论基础是: 仙农有噪信道编码定理,1.分组码,BCH码 格雷（Golay）码 RS码,分组码是先将二进制信息码序列进行分段，每一段由k个信息码元 后面加上N-k个监督码元，构成长度为N的码组,2.卷积码,非分组码， 它与分组码的区别在于：在分组码中，任何一段规定的时间内编码器产生的N位码元的码组，仅取决于这段时间中的k位信息码元，码组中的监督位只监督本码组的k个信息位；而卷积码不同，编码器在任何一段时间内产生的N个码元，不仅取决于这段时间中的k个信息位，还取决于前(N一1)段规定时间内的信息位，此时，监督码元监督着这N段时间内的信息位。 卷积码既可以检错也可以纠错，通常它更适合用于前向纠错。 实践证明，卷积码的性能优于分组码，而且编码器设备只需用简单的移位寄存器和模2加法器等部件组成即可。,3. Turbo码,Turbo码是一种特殊的级联码，它是由两个并联或串联的分量码编码器之间增加一个交织器，使其具有很长的码组长度，能够在较低的信噪比条件下得到接近理想的性能。,编码器: 采用递归系统卷积码（RSC）作为分量码。信息序列bi首先经过RSC编码器1得到c1i，同时，信息序列经过交织器交织后，由RSC编码器2进行编码得到c2i，然后信息序列bi与c1i及c2i一起经过截短和复用（并/串转换），合成Turbo码信道码组。,3. Turbo码,译码器: 采用迭代译码的软输入软输出（SISO）算法，分量译码器用来对选定的Turbo码中的RSC子码进行译码， 其中分量译码器1将分量译码器2获得的信息比特的外信息作为信息比特xk的先验信息对RSC1进行译码，获得有关信息比特改进的外信息，经过交织后得到

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