【衛(wèi)星通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)探析綜述3400字】

衛(wèi)星通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u31656衛(wèi)星通信系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析綜述 1208861.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述 1191991、衛(wèi)星端 176392、地面端 156383、用戶端 144821.2地球同步衛(wèi)星通信 241961.1.1地球同步衛(wèi)星的特點 2100921.1.2亞洲5號衛(wèi)星介紹 2123471.3衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù) 3208091.3.1調(diào)制技術(shù) 331071.3.2編碼技術(shù) 3205371.3.3多址接入技術(shù) 4312261.3.4差錯控制技術(shù) 51.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述衛(wèi)星通信是指地面站與衛(wèi)星之間、地面站之間利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)的無線通信[5]，本設(shè)計采用地面衛(wèi)星便捷站經(jīng)由地球同步通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)視頻通話。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星端、地面端、用戶端三部分組成。衛(wèi)星端衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星端由衛(wèi)星母體與星載設(shè)備兩大子系統(tǒng)組成。衛(wèi)星母體為星載設(shè)備提供能源并使整個衛(wèi)星安全運行在其軌道上；星載設(shè)備則相當于中繼器，將地面站發(fā)出的電磁波處理放大后發(fā)送給另一地面站。地面端地面端是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面公眾網(wǎng)絡(luò)的接口，用戶可以通過地面站便捷地鏈接相應(yīng)的衛(wèi)星，形成通信鏈路完成通信；地面站還包括地面衛(wèi)星控制中心、跟蹤、遙測及指令站。地面工程師可通過監(jiān)控管理系統(tǒng)檢查、調(diào)試衛(wèi)星狀態(tài)，確保衛(wèi)星安全健康地運行；并通過指令系統(tǒng)調(diào)整衛(wèi)星參數(shù)、天線增益等以滿足不同用戶地需求。用戶端用戶端即用戶用以鏈接衛(wèi)星實現(xiàn)通信目的的各種終端。1.2地球同步衛(wèi)星通信人們將軌道高度在100~120km的衛(wèi)星稱為低軌衛(wèi)星，軌道高度600~900km稱為中軌衛(wèi)星，軌道高度2800~3700km稱為高軌衛(wèi)星，而將距地面大約36000km的衛(wèi)星稱為地球同步軌道衛(wèi)星。1.1.1地球同步衛(wèi)星的特點 由于地球同步衛(wèi)星位于地球同步軌道，所以其運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，相對于地面靜止不動。因此將其應(yīng)用與通信領(lǐng)域?qū)⒂幸韵聝?yōu)點：覆蓋范圍廣，由于靜止軌道較高，故單顆衛(wèi)星便可覆蓋約1/3的地球表面，只需3顆同步衛(wèi)星便可完成全球組網(wǎng)。對星便捷，由于同步衛(wèi)星相對于地面靜止，使用者只需將天線對準衛(wèi)星便可進行通信，后續(xù)無需追蹤衛(wèi)星軌跡。通信容量大，由于地球同步衛(wèi)星頻帶較寬，故其可使用的波段范圍很大，因此便可覆蓋各種各樣的通信業(yè)務(wù)。通信質(zhì)量高，經(jīng)過衛(wèi)星衛(wèi)星“一跳”便可將信息傳送給對方，而不像微波接力通信那樣不斷中繼從而引入大量噪聲。不受環(huán)境影響，由于通信中轉(zhuǎn)站位于太空，因此不用擔(dān)心地形地貌、自然災(zāi)害（洪澇災(zāi)害、地震、大風(fēng)）對通信路徑造成的影響。1.1.2亞洲5號衛(wèi)星介紹 “亞洲5號”通訊衛(wèi)星是由美國勞拉空間系統(tǒng)公司建造，為香港亞洲衛(wèi)星有限公司所有的新一代通信衛(wèi)星[6][7]。亞洲5號衛(wèi)星的C頻段信號覆蓋北至俄羅斯，南至新西蘭；東起日本，西至中東及部分非洲國家，遍及亞太地區(qū)內(nèi)50多個國家和地區(qū)。亞洲5號還裝有18個Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器（含備用轉(zhuǎn)發(fā)器4個）。其部分技術(shù)參數(shù)如表1.1所示：表1.1亞洲5號技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)帶寬54MHz上/下行極化方式線性雙極化（水平、垂直）行波管放大器功率150W轉(zhuǎn)發(fā)器特性帶自動電平控制或線性化器最大有效全向輻射功率(EIRP)53dBW最大品質(zhì)因數(shù)(G/T)8dB/K最大飽和通量密度(SFD)-94dBW/m@G/T=odB/K，odB衰減1.3衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)1.3.1調(diào)制技術(shù)傳統(tǒng)數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控（ASK）：用調(diào)制信號去控制載波的通斷；移頻鍵控（FSK）：用調(diào)制信號的正負去控制載波的頻率；移相鍵控（PSK）：用調(diào)制信號的正負去控制載波的相位。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域常常采用移相鍵控的調(diào)制方式，這是因為在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中含有高功率放大器等非線性器件，使得衛(wèi)星通信的傳輸信道具有帶限及非線性特性，因此需要有包絡(luò)恒定和最小功率譜占有率特性的調(diào)制方式。目前常采用QPSK、OPSK、π/4DQPSK等，近幾年，隨著高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的發(fā)展以及轉(zhuǎn)發(fā)器和天線技術(shù)的突破，使得8PSK、16APSK、16QAM等高階調(diào)制方式逐步應(yīng)用起來。比如在APSK調(diào)制中，相位與幅度信息是可以分離的，因此該調(diào)制方式能夠使用簡單的預(yù)失真法來實現(xiàn)相關(guān)的幅度非線性矯正，并且不會干擾相位特征，使得其在透明轉(zhuǎn)發(fā)的過程中功率效率不會明顯下滑[8]。目前在廣播電視衛(wèi)星通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著APSK調(diào)制技術(shù)，并且業(yè)務(wù)范圍還拓展到了移動通信領(lǐng)域。1.3.2編碼技術(shù)占自從香農(nóng)的論文發(fā)表后，就出現(xiàn)了諸如BCH碼、RS碼、Turbo碼、LDPC碼、前向糾錯碼等各種各樣的糾錯編碼方法。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，并行級聯(lián)形式的Turbo碼和低密度奇偶校驗碼（LDPC）作為兩種先進的信道編碼算法被廣泛使用。并行級聯(lián)形式的Turbo碼并行級聯(lián)形式的Turbo碼是由法國人C.Berrou于1993年提出的。傳統(tǒng)編碼技術(shù)與香農(nóng)極限存在2-3dB的差距，而對于Turbo碼，該差距僅為0.7dB，這無疑使其成為了一種優(yōu)秀的編碼技術(shù)。Turbo碼之所以能如此接近香農(nóng)極限，其奧秘是因為Turbo碼采用了獨特的編碼結(jié)構(gòu)和全新的譯碼思想：在子編碼器中采用了反饋型的系統(tǒng)卷積碼，并且還在子編碼器之間引入了交織器，使子編碼器之間信息的相關(guān)性大大減少；同時在譯碼方面引入了迭代譯碼的思想，在譯碼中采用了軟輸入、軟輸出的譯碼算法和信息反饋的譯碼器形式。種種新技術(shù)、新思想的應(yīng)用使得Turbo碼有著優(yōu)秀的性能，并且在高碼率中能實現(xiàn)較高的編碼增益。Turbo碼在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場景，但其缺點也很明顯，在碼長過長時，由于交織器的存在，具有較大的時延，且譯碼復(fù)雜度較大。低密度奇偶校驗碼（LDPC）LDPC碼是在Turbo碼的啟發(fā)下發(fā)展起來的，相較于Turbo碼而言，LDPC碼編碼更加簡單，且碼長較短。LDPC碼由于校驗矩陣稀疏，所以其可在線性時間內(nèi)完成譯碼，而且LDPC碼的譯碼算法是一種并行算法，通過硬件的方式有效地降低了譯碼時延。另外值得注意的是，相較于Turbo碼而言，LDPC碼沒有交織器，這使得其時延很小，可在線性時間復(fù)雜度內(nèi)完成編碼過程。雖然LDPC碼相較于Turbo碼犧牲了一些性能，但卻換了譯碼復(fù)雜度的明顯降低，從整體來看這是值得的。目前LDPC編碼逐漸成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域的首選編碼方式。1.3.3多址接入技術(shù)多址接入在衛(wèi)星通信領(lǐng)域是指多個地面站通過公用的衛(wèi)星信道，建立各自的信道，從而實現(xiàn)各地面站之間通信的一種技術(shù)。常用的多址方法有：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。頻分多址（FDMA）頻分多址技術(shù)的原理是：將工作頻帶劃分成若干段互不重疊的子頻帶，然后地面站根據(jù)其業(yè)務(wù)選擇不同的子頻帶進行使用。該多址接入技術(shù)由于設(shè)備簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點因此很早便應(yīng)用于衛(wèi)星通信領(lǐng)域，特別適合地面站較少而容量需要較大的場景。其缺點也很明顯，由于劃分了若干子頻帶，需要轉(zhuǎn)發(fā)器同時放大多個載波，因此容易形成互調(diào)干擾，使系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)吞吐率顯著降低[9]。時分多址（TDMA）時分多址技術(shù)的原理是：在一條通信載波上，將載波劃分為了一個個時隙，然后若干時隙組成一幀，地面站由總控協(xié)調(diào)使用一幀內(nèi)的不同時隙傳輸數(shù)據(jù)，互相不重疊。TDMA的優(yōu)點是充分利用了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率資源、無需上行鏈路功率控制、使用靈活、擴容方便。但是由于多地面站共用同一載波資源，因此載波的最高速率會被通信能力最小的地面站限制，導(dǎo)致衛(wèi)星頻率資源浪費。碼分多址（CDMA）碼分多址技術(shù)的原理是根據(jù)地址碼的正交性實現(xiàn)信號分割，每個地面站都被分配了一個獨特的“碼序列”，各個用戶之間不會互相干擾。這種多址接入技術(shù)抗干擾能力強、寬帶傳輸、允許多星同頻。其缺點則是碼同步較長，且增加用戶會影響性能，因此適用于移動衛(wèi)星通信。MF-TDMAMF-TDMA是將頻分多址（FDMA）和時分多址（CMDA）結(jié)合形成的二維多址方式，兼有FDMA和TDMA的優(yōu)點，用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)容量擴展方便，組網(wǎng)靈活，資源動態(tài)分配，利用率高，更多的載波數(shù)量意味著更大的通信容量，而且可以對每個載波都進行不同的設(shè)置以滿足不同的用戶需求，處理相應(yīng)的組網(wǎng)問題。MF-TDMA技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)在中等規(guī)模軍事通信和政府部門內(nèi)部通信中廣泛應(yīng)用[10]。1.3.4差錯控制技術(shù)在同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于白噪聲和多普勒頻移的影響，會產(chǎn)生隨機誤碼，影響傳輸質(zhì)量，因此差錯控制是很有必要的。1、自動要求重發(fā)技術(shù)（ARQ）最早的ARQ系統(tǒng)稱作停止等待ARQ系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按分組發(fā)送，每發(fā)送一組數(shù)據(jù)后發(fā)送端等待接收端的確認（ACK）復(fù)答，然后再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。拉后ARQ系統(tǒng)作為一種改進型ARQ系統(tǒng)，其在發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)組，接收端對于每個接收到的數(shù)據(jù)組都發(fā)回確認（ACK）或否認（NAK）答復(fù)。選擇重發(fā)ARQ系統(tǒng)則更加智能，它指揮重發(fā)出錯的數(shù)據(jù)組，因此可以進一步提高傳輸效率。2、前向糾錯技術(shù)（FEC）前向糾錯技術(shù)的接收端利用發(fā)送端在發(fā)送碼元序列中加入的差錯控制碼元，不但能夠發(fā)現(xiàn)錯碼，還能將錯碼恢復(fù)其正確取值。