現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術(shù) (第三版) 課件 第3章 微波與衛(wèi)星通信

第3章

微波與衛(wèi)星通信3.1微波通信技術(shù)3.2微波通信系統(tǒng)3.3微波無(wú)線固定接入3.4衛(wèi)星通信技術(shù)3.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)3.6衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展小結(jié)

3.1微波通信技術(shù)

微波的主要特性如下：

(1)似光性。

(2)高頻性。

(3)穿透性。

(4)散射性。

(5)抗干擾性。

(6)熱效應(yīng)。

3.1.1微波中繼通信

微波傳輸是沿直線進(jìn)行的，但地球是一個(gè)球體，地面自然是曲面，這樣，微波在地面上的傳播距離只能局限在視距以內(nèi)，其視線傳播距離取決于發(fā)射天線和接收天線的高度。設(shè)發(fā)射天線和接收天線的高度(單位為m)分別為h1和h2，考慮到地球表面大氣層對(duì)微波折射的影響，則視距傳播距離(單位為km)為

視距傳播距離一般可達(dá)到50km左右。當(dāng)兩點(diǎn)距離超過(guò)50km時(shí)，則必須在它們之間設(shè)立相互距離小于視線距離的多個(gè)中繼站，這樣就構(gòu)成了微波中繼通信，如圖3-1所示。常用的微波中繼轉(zhuǎn)接方式有再生轉(zhuǎn)接、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接，如圖3-2所示。圖3-1微波中繼通信示意圖圖3-2微波中繼轉(zhuǎn)接方式

3.1.2數(shù)字微波通信的特點(diǎn)

微波通信分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信兩種制式。模擬微波通信用于傳輸頻分多路-調(diào)頻制(FDM-FM)基帶信號(hào)；數(shù)字微波通信用于傳輸數(shù)字基帶信號(hào)。遠(yuǎn)距離的微波中繼傳輸一般都采用數(shù)字通信的方式。

數(shù)字微波通信的優(yōu)點(diǎn)：

①

抗干擾能力強(qiáng)，整個(gè)線路噪聲不積累；

②

保密性強(qiáng)，便于加密；

③

器件便于固態(tài)化和集成化，設(shè)備體積小，耗電少；

④

便于組成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)。

數(shù)字微波通信的不足：

①

因?yàn)橐髠鬏斝诺缼捿^寬，因此會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落；

②

抗衰落技術(shù)復(fù)雜。

數(shù)字微波通信系統(tǒng)主要由發(fā)射端、微波信道和接收端三部分構(gòu)成，如圖3-3所示。不論信源提供的是數(shù)字信號(hào)，還是模擬信號(hào)，最終都將經(jīng)編碼器轉(zhuǎn)變成符合傳輸要求的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)微波信道傳輸，最后解碼器將接收到的信號(hào)還原為原始信號(hào)傳給信宿。圖3-3數(shù)字微波通信系統(tǒng)框圖

3.1.3微波信號(hào)的傳播

在微波信號(hào)的傳播過(guò)程中，由于大氣對(duì)微波不可避免地存在吸收或散射效應(yīng)，因此，傳輸損耗不能忽視。傳輸損耗(單位為dB)為

信道的傳輸衰減是微波通信的主要特征，這種傳輸衰減統(tǒng)稱為衰落現(xiàn)象。衰落分為兩種，即吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化使得信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減特性發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的；干涉型衰落主要是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。衰落又有慢衰落和快衰落之分。由大氣氣象的隨機(jī)性引起信號(hào)電平在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的起伏變化稱為慢衰落；由天線傳播或媒質(zhì)的不均勻傳播而引起信號(hào)幅度和相位在較短時(shí)間內(nèi)的變化稱為快衰落。快衰落和慢衰落是疊加在一起共同影響傳輸信號(hào)的，短時(shí)間內(nèi)快衰落表現(xiàn)明顯，而慢衰落不易被察覺。信號(hào)的衰落現(xiàn)象將嚴(yán)重地影響微波傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但采取有效措施是可以加以控制的。

3.1.4微波通信的頻率配置

微波通信的頻帶雖然很寬，幾乎是普通無(wú)線電波長(zhǎng)、中、短波各波段帶寬總和的1000倍。為避免各種應(yīng)用之間的相互干擾，同時(shí)也為了提高無(wú)線電頻率資源的利用效率，人們對(duì)頻率的使用進(jìn)行了劃分。

微波通信頻率配置的基本原則是使整個(gè)微波傳輸系統(tǒng)中的相互干擾最小、頻帶利用率最高。頻率配置應(yīng)包括微波通信線路中各個(gè)微波站上多波道收、發(fā)信頻率的確定，并根據(jù)選中的中頻頻率確定收、發(fā)本振頻率，因此應(yīng)考慮的因素如下：

(1)在一個(gè)中間站，單向波道的收信和發(fā)信必須使用不同的頻率，而且要在頻率間留有足夠的間隔，以避免收、發(fā)信號(hào)之間相互干擾；

(2)多波道同時(shí)工作時(shí)，相鄰波道頻率之間必須有足夠的間隔，以免發(fā)生鄰波道之間的干擾；

(3)整個(gè)頻譜安排必須緊湊合理，使給定的通信頻段能得到有效的利用，并有較高的傳輸速率；

(4)多波道系統(tǒng)一般使用公用天線(減少微波天線塔的建設(shè))，所以選用的頻率配置方案應(yīng)有利于天線公用，既能降低天線建設(shè)總投資，又能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求；

(5)不應(yīng)產(chǎn)生鏡像干擾，即不允許某一波道的發(fā)信頻率等于其他波道收信機(jī)的鏡像頻率。

我國(guó)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)根據(jù)國(guó)際電聯(lián)組織ITU-R關(guān)于波道頻率配置的建議，公布了我國(guó)使用的三種頻率配置方案。

1.集體排列配置方案

射頻波道可以分為收信波道和發(fā)信波道。通常的做法是將某一頻段的2n個(gè)波道分割成低端與高端兩段，每段有n個(gè)波道，分別為f1，f2，…，fn

和f?1，f?2，…，f?n。對(duì)某臺(tái)收發(fā)信機(jī)來(lái)說(shuō)，如果發(fā)信波道取低端的f1，那么收信波道一定取高端相應(yīng)的f?1，反之亦然，如圖3-4所示。

這樣fi?

和f?1就組成了一對(duì)波道，整個(gè)頻段共有n對(duì)波道。還規(guī)定f?1-?fi?為同一對(duì)波道的收、發(fā)中心頻率間隔，f0為中心頻率，n為工作波道對(duì)的數(shù)目，ΔfB為占用帶寬(單位為MHz)，并有

式中，XS為波道間隔；YS為中心頻率附近相鄰的收、發(fā)信波道間隔；ZS為相鄰頻段間的保護(hù)間隔。圖3-4集體排列配置方案

2.交替波道配置方案

為了使更多的波道能夠共用天線并減小系統(tǒng)內(nèi)的干擾，現(xiàn)在微波天線大多采用雙極化天線。對(duì)于雙極化天線和圓饋線，通常使用兩種互相垂直的極化波：水平極化波和垂直極化波。這兩種極化波互相垂直，它們之間的影響很小。交替波道配置方案的奇數(shù)和偶數(shù)波道會(huì)分別使用不同的極化方法，這種方案可以減小鄰道干擾。

3.同波道交叉極化配置方案

為了提高頻譜利用率，可以采用同波道交叉極化配置方案。為了更好地減小交叉極化干擾的影響，又提出了波道中心頻率交替的同波道交叉極化頻率復(fù)用方案。

部分射頻波道的配置參數(shù)見表3-1。

3.1.5信號(hào)的傳輸與復(fù)用

目前在長(zhǎng)距離微波通信干線中以傳輸數(shù)字信號(hào)為主，構(gòu)成了數(shù)字微波通信系統(tǒng)；常用脈沖形式的基帶序列對(duì)中頻頻率為70MHz或140MHz的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后再變換到微波頻率進(jìn)行傳輸。

目前，廣泛采用的多路復(fù)用方式有兩種：頻分多路復(fù)用(FDM)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。FDM是從頻域的角度進(jìn)行分析的，它使各路信號(hào)在頻率上彼此分開，而在時(shí)域上相互混疊；TDM是從時(shí)域的角度進(jìn)行分析的，它使各路信號(hào)在時(shí)間上彼此分開，而在頻域上相互混疊。

模擬信號(hào)一般采用頻分多路復(fù)用的方式，各路用戶信號(hào)采用單邊帶調(diào)制(SSB)將其頻譜分別搬移到互不重疊的頻率上，形成多路復(fù)用信號(hào)，然后在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸；接收端用濾波器將各路信號(hào)分離。由于使用頻率來(lái)區(qū)分信號(hào)，故稱之為頻分多路復(fù)用。

在頻分多路復(fù)用中，信道的可用頻帶被分成若個(gè)干彼此互不重疊的頻段，每路信號(hào)占據(jù)其中的一個(gè)頻段。為了使各路信號(hào)的頻譜互不重疊，在各路信號(hào)的發(fā)送端都使用了適當(dāng)?shù)臑V波器。若不考慮信道中所引入的噪聲和干擾的影響，在接收端進(jìn)行信息接收時(shí)，各路信號(hào)應(yīng)嚴(yán)格地限制在本信道通帶之內(nèi)。這樣，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器之后，就可提取出各自信道的已調(diào)波，然后通過(guò)解調(diào)器、低通濾波器獲得原信號(hào)。

對(duì)數(shù)字信號(hào)而言，通常采用時(shí)分多路復(fù)用方式。它將一條通信線路的工作時(shí)間周期性地分割成若干個(gè)互不重疊的時(shí)隙，分配給若干個(gè)用戶，每個(gè)用戶分別使用指定的時(shí)隙。這樣，多路信號(hào)可在時(shí)間軸上互不重疊地穿插排列在同一條公共信道上進(jìn)行傳輸。因此在接收端可以利用適當(dāng)?shù)倪x通門電路在各時(shí)隙中選出各路用戶的信號(hào)，然后再恢復(fù)成原來(lái)的

信號(hào)。

3.1.6信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

在數(shù)字調(diào)制中以正弦波作為載波信號(hào)，用數(shù)字基帶信號(hào)鍵控正弦信號(hào)的振幅、頻率和相位，便可得到振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK及DPSK)三種基本調(diào)制方式。其中相移鍵控在衛(wèi)星通信中使用較多。另外，正交振幅調(diào)制(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)、最小頻移鍵控(MSK)和高斯最小頻移鍵控(GMSK)也得到較多應(yīng)用。

3.1.7編解碼技術(shù)

1．信源編碼技術(shù)

信源編碼是指先將語(yǔ)音、圖像等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，然后再根據(jù)傳輸信息的性質(zhì)采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行編碼。為了降低系統(tǒng)的傳輸速率，提高通信系統(tǒng)效率，需對(duì)語(yǔ)音或圖像信號(hào)進(jìn)行頻帶壓縮傳輸。

系統(tǒng)可以在有限的傳輸帶寬內(nèi)保證系統(tǒng)的誤碼性能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。在數(shù)字系統(tǒng)中所采用的語(yǔ)音信號(hào)的基本編碼方式包括三大類：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。

(1)波形編碼是直接將時(shí)域信號(hào)變?yōu)閿?shù)字代碼的一種編碼方式，如PCM、ΔM、ADPCM、SBC、VQ等。

(2)參數(shù)編碼是以發(fā)音機(jī)制模型為基礎(chǔ)直接提取語(yǔ)音信號(hào)的一些特征參量，并對(duì)其進(jìn)行編碼的一種編碼方式。其基本原理是先由語(yǔ)音產(chǎn)生的條件建立語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生的模型，然后提取語(yǔ)音信號(hào)中的主要參量，經(jīng)編碼發(fā)送到接收端；接收端經(jīng)解碼恢復(fù)出與發(fā)送端相應(yīng)的參量，再根據(jù)語(yǔ)音產(chǎn)生的物理模型合成并輸出相應(yīng)語(yǔ)音。也就是說(shuō)，參數(shù)編碼采取的是語(yǔ)音分析與合成的方法，其特點(diǎn)是可以大大壓縮數(shù)碼率，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，其語(yǔ)音質(zhì)量與波形編碼方式下的相比要差一點(diǎn)。

(3)混合編碼是一種綜合編碼方式，它吸取了波形編碼和參數(shù)編碼的優(yōu)點(diǎn)，使編碼數(shù)字語(yǔ)音中既包括語(yǔ)音特征參量，又包括部分波形編碼信號(hào)。

通常把編碼速率低于64kb/s的語(yǔ)音編碼方法稱為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)。其方法很多，如自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)、自適應(yīng)增量調(diào)制(ADM)、子帶編碼(SBC)、矢量量化編碼(VQ)、變換域編碼(ATC)、參量編碼(聲碼器)等。

2．信道編碼技術(shù)

信道編碼是指在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，在信息碼之外附加一定比特?cái)?shù)的監(jiān)督碼元使監(jiān)督碼元與信息碼元構(gòu)成某種特定的關(guān)系，接收端根據(jù)這種特定的關(guān)系來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。

信道編碼不同于信源編碼，信源編碼的目的是提高數(shù)字信號(hào)的有效性，具體地講就是盡可能壓縮信源的冗余度，其去掉的冗余度是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的；而信道編碼的目的在于提高數(shù)字通信的可靠性，它通過(guò)加入冗余碼來(lái)減少誤碼，其代價(jià)是降低了信息的傳輸速率，即以減小有效性來(lái)增加可靠性，其增加的冗余度是特定的、有規(guī)律的，故可利用其在接收端進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)以保證傳輸質(zhì)量。因此，信道編碼技術(shù)也稱為差錯(cuò)控制編碼技術(shù)。

差錯(cuò)控制編碼的基本思想是：通過(guò)對(duì)信息序列作某種變換使原來(lái)彼此獨(dú)立、相關(guān)性極小的信息碼元產(chǎn)生某種相關(guān)性，這樣在接收端就可利用這種特性來(lái)檢出并糾正信息碼元在信道傳輸中所造成的差錯(cuò)。

差錯(cuò)的類型可分為隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)兩類。差錯(cuò)控制方式可以分為前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ)兩類，結(jié)合這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)便產(chǎn)生了混合糾錯(cuò)(HEC)方式。在HEC方式中，發(fā)送端發(fā)送的碼不僅能夠檢測(cè)錯(cuò)誤，而且還具有一定的糾錯(cuò)能力。所接收的信號(hào)如果在碼的糾錯(cuò)能力以內(nèi)，接收端會(huì)自動(dòng)進(jìn)行糾錯(cuò)；如果錯(cuò)誤很多，超出了碼的糾錯(cuò)能力，那么只能檢錯(cuò)而不能糾錯(cuò)，這時(shí)接收端需通過(guò)反饋信道向發(fā)送端發(fā)送要求重發(fā)的指令，然后發(fā)送端再次重傳正確的信碼。

與分組碼不同，卷積碼在任意給定的時(shí)間單元內(nèi)，編碼器的n個(gè)輸出不僅與本時(shí)間單元的k個(gè)輸出碼元有關(guān)，而且與前m－1個(gè)時(shí)間單元的輸入碼元有關(guān)。這里m是約束度，這種約束關(guān)系使已編碼序列的相鄰碼字之間存在著相關(guān)性，正是這一記憶特性使該序列可以看成是輸入序列經(jīng)某種卷積運(yùn)算的結(jié)果。由卷機(jī)碼的相關(guān)性導(dǎo)出的維特比(Viterbi)譯碼算法是一種最佳的譯碼方法。由于維特比算法具有一定的克服突發(fā)錯(cuò)誤的能力，因此在譯碼、信號(hào)解調(diào)和SDH微波傳輸方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2微波通信系統(tǒng)3.2.1數(shù)字微波通信系統(tǒng)

1．?dāng)?shù)字微波的發(fā)信系統(tǒng)從目前使用的數(shù)字微波通信設(shè)備來(lái)看，數(shù)字微波發(fā)信機(jī)可分為直接調(diào)制式發(fā)信機(jī)(使用微波調(diào)相器)和變頻式發(fā)信機(jī)。中容量的數(shù)字微波(480路以下)設(shè)備采用前一種方案，而大容量的數(shù)字微波設(shè)備多采用后一種方案，這是因?yàn)樽冾l式發(fā)信機(jī)的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制在中頻上實(shí)現(xiàn)，可得到較好的調(diào)制特性和設(shè)備兼容性。下面以一種典型的變頻式發(fā)信機(jī)為例加以說(shuō)明，如圖3-5所示。圖3-5變頻式發(fā)信機(jī)框圖

2．?dāng)?shù)字微波的收信系統(tǒng)

數(shù)字微波的收信設(shè)備和解調(diào)設(shè)備組成了收信系統(tǒng)。這里所講的收信設(shè)備只包括射頻和中頻兩部分。目前收信設(shè)備都采用外差式收信方案，如圖3-6所示。圖3-5變頻式發(fā)信機(jī)框圖

圖3-6是一個(gè)空間分集接收的收信設(shè)備組成框圖，分別來(lái)自上天線、下天線的直射波和經(jīng)過(guò)各種途徑(多徑傳播)到達(dá)接收點(diǎn)的電波經(jīng)過(guò)兩個(gè)相同的信道(帶通濾波器、低噪聲放大器、抑鏡濾波器、收信混頻器、前置中放)進(jìn)行合成，再經(jīng)主中頻放大器后輸出中頻已調(diào)信號(hào)。圖3-6中畫出的是最小振幅偏差合成分集接收方式。下天線的本機(jī)振蕩源是由中頻檢出電路的控制電壓對(duì)移相器進(jìn)行相位控制的，以便抵消上、下天線收到多徑傳播的干涉波(反射波和折射波)，改善帶內(nèi)失真，獲得最好的抗多徑衰落效果。

3.2.2數(shù)字微波通信系統(tǒng)的性能

1．?dāng)?shù)字微波發(fā)信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1)工作頻段

從無(wú)線電頻譜的劃分來(lái)看，把頻率為0.3～300?GHz的射頻稱為微波頻率，目前的使用范圍只有1～40?GHz；工作頻率越高，越能獲得較寬的通頻帶和較大的通信容量，也可以得到更尖銳的天線方向性和天線增益。但是，當(dāng)頻率較高時(shí)，雨、霧及水蒸氣對(duì)電波的散射或吸收衰耗增加，會(huì)造成電波衰落和收信電平下降。這些影響對(duì)12GHz以上的頻段尤為明顯，甚至隨頻率的增加而急劇增加。

2)輸出功率

輸出功率是指發(fā)信機(jī)輸出端口處功率的大小。輸出功率的確定與設(shè)備的用途、站距、衰落影響及抗衰落方式等因素有關(guān)。由于數(shù)字微波的輸出比模擬微波的輸出有較好的抗干擾性能，故在要求同樣的通信質(zhì)量時(shí)，數(shù)字微波的輸出功率可以小些。當(dāng)用場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率放大器做末級(jí)輸出時(shí)，輸出功率一般為幾十毫瓦到1瓦。

3)頻率穩(wěn)定度

發(fā)信機(jī)的每個(gè)波道都有一個(gè)標(biāo)稱的射頻中心工作頻率，用f0表示，工作頻率的穩(wěn)定度取決于發(fā)信本振源的頻率穩(wěn)定度。設(shè)實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱工作頻率的最大偏差值為?f，則頻率穩(wěn)定度的定義為

式中，K為頻率穩(wěn)定度。

4)交調(diào)失真

發(fā)信設(shè)備處在大信號(hào)工作狀態(tài)時(shí)往往工作在非線性區(qū)域，如功率放大器、上變頻器等。如果存在兩個(gè)正弦信號(hào)，其角頻率分別為ω1和ω2，那么由于電路的非線性作用，將產(chǎn)生許多交叉調(diào)制分量(mω1

±

nω2,m，n=0,1,2,…)。在各階交調(diào)分量中，2ω1?-ω2和2ω2?-?ω1處在1和2附近，大多數(shù)情況下都處在通頻帶之內(nèi)，從而成為干擾信號(hào)。在數(shù)字微波通信中，更高階的交調(diào)分量和高次諧波分量已處在頻帶之外，而且功率也不大，所以不構(gòu)成危害。電路非線性度越高，交調(diào)分量越大。．

用來(lái)表示交調(diào)分量大小的指標(biāo)為交調(diào)系數(shù)Mm+n，它是各交調(diào)分量功率Pm+n與基頻功率P1或P2之比。例如，三階交調(diào)系數(shù)是M3=10?lg(P3/P1)?=?10?lg(P3/P2)，P3是2ω1?-?ω2或2ω2?-?ω1的功率。

5)電源效率

由于系統(tǒng)整機(jī)電源功率主要消耗在發(fā)信信道，因此設(shè)計(jì)發(fā)信各部件時(shí)，要著重考慮電源效率。尤其是射頻功率放大器的電源效率，其中射頻功放的平均電源效率一般為35%，甲類功放電源效率一般低于15%。但是，對(duì)于中、大容量數(shù)字微波系統(tǒng)，為了保證信道傳輸?shù)姆蔷€性指標(biāo)，電源效率的高低應(yīng)以線性條件是否滿足為原則。

6)諧波抑制度

總體設(shè)計(jì)在規(guī)定此項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，除了考慮數(shù)字微波通信系統(tǒng)本身的各種干擾以外，還應(yīng)考慮其對(duì)模擬通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾。因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)嘏渲霉ぷ黝l率和采取必要的防護(hù)措施。

7)通頻帶寬度

除了濾波器以外，發(fā)信信道的各組成部件都應(yīng)具有寬頻帶特性。通常，上變頻器和微波小信號(hào)功率放大器易于實(shí)現(xiàn)寬帶設(shè)計(jì)，而要求大功率微波放大器有很寬的工作頻帶是不合適的，一般只要求其能覆蓋兩個(gè)工作波段。這樣，總體設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮它們對(duì)發(fā)信信道通頻帶的影響。

8)非線性指標(biāo)

不是所有的系統(tǒng)都要求有較高的功率非線性指標(biāo)，如2PSK系統(tǒng)中信道的功率非線性指標(biāo)意義不大。這時(shí)為了保證較高的電源效率，往往首先考慮采用丙類射頻功率放大器。對(duì)于含有調(diào)幅信息的調(diào)制方式，如16?QAM系統(tǒng)，信道的功率非線性指標(biāo)就顯得至關(guān)重要。這時(shí)，為了保證非線性指標(biāo)，往往不得不犧牲其他性能，如電源效率、經(jīng)濟(jì)成本、設(shè)備的復(fù)雜程度等。實(shí)際上，不同的調(diào)制信號(hào)對(duì)信道的非線性指標(biāo)要求也不同。

2．?dāng)?shù)字微波收信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1)工作頻率

收信機(jī)是與發(fā)信機(jī)相配合的，對(duì)于一個(gè)中繼段而言，前一個(gè)微波站的發(fā)信頻率就是本收信機(jī)同一波道的收信頻率。頻段的使用可參見前面有關(guān)發(fā)信設(shè)備主要性能指標(biāo)中的內(nèi)容。

接收的微波射頻的頻率穩(wěn)定度是由發(fā)信機(jī)決定的，但是收信機(jī)輸出的中頻是收信本振與收信微波射頻混頻的結(jié)果，所以若收信本振偏離標(biāo)稱值較大，就會(huì)使混頻輸出的中頻偏離標(biāo)稱值。這樣，就會(huì)使中頻已調(diào)信號(hào)頻譜的一部分不能通過(guò)中頻放大器，造成頻譜能量的損失，導(dǎo)致中頻輸出信噪比下降，引起信號(hào)失真，使誤碼增加。對(duì)收信本振頻率穩(wěn)定度的要求與收信設(shè)備的基本一致，通常為1?×?10-5～2?×?10-5，要求較高者為2?×?10-6～5?×?10-6。

2)噪聲系數(shù)

數(shù)字微波收信機(jī)的噪聲系數(shù)一般為3.5～7?dB，比模擬微波收信機(jī)的噪聲系數(shù)小5dB左右。噪聲系數(shù)是衡量收信機(jī)熱噪聲性能的一項(xiàng)指標(biāo)，它的基本定義為：在環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)室溫(17℃)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(或收信機(jī))的輸入端與輸出端匹配的條件下，噪聲系數(shù)NF等于輸入端的信噪比與輸出端的信噪比的比值，即

設(shè)網(wǎng)絡(luò)的增益系數(shù)為G?=?Pso/Psi，由于輸出端的噪聲功率是由輸入端的噪聲功率(被放大G倍)和網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的噪聲功率兩部分組成的，因此可寫為

則式(3-5)可改寫為

在工程上微波無(wú)源損耗網(wǎng)絡(luò)(如饋線和分路系統(tǒng)的波導(dǎo)組件)的噪聲系數(shù)在數(shù)值上近似于其正向傳輸損耗。對(duì)圖3-6所示的收信機(jī)(是由多級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成的)，在FET放大器增益較高時(shí)，其整機(jī)的噪聲系數(shù)可近似為

式中，L0(dB)為輸入帶通濾波器的傳輸損耗；NF場(chǎng)(dB)為FET放大器的噪聲系數(shù)。

3)通頻帶

收信機(jī)接收的已調(diào)波是一個(gè)頻帶信號(hào)，即已調(diào)波頻譜的主要成分要占有一定的帶寬。收信機(jī)要使這個(gè)頻帶信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)，就要具有足夠的工作帶寬，這就是通頻帶。通頻帶過(guò)寬，信號(hào)的主要頻譜成分當(dāng)然都會(huì)無(wú)失真地通過(guò)，但也會(huì)使收信機(jī)收到較多的噪聲；反之，噪聲自然會(huì)減小，但卻造成了有用信號(hào)頻譜成分的損失，所以要合理地選擇收信機(jī)的通頻帶和通帶的幅頻衰減特性等。

4)選擇性

對(duì)某個(gè)波道的收信機(jī)而言，要求它只接收本波道的信號(hào)，且對(duì)鄰近波道的干擾、鏡像頻率干擾及本波道的收、發(fā)干擾等要有足夠大的抑制能力，這就是收信機(jī)的選擇性。

收信機(jī)的選擇性是用增益?-?頻率(G?-?f)特性表示的。要求在通頻帶內(nèi)其增益足夠大，而且G?-?f特性平坦；通頻帶外的衰減越大越好；通帶與阻帶之間的過(guò)渡區(qū)越窄越好。

收信機(jī)的選擇性是靠混頻之前的微波濾波器和混頻后中頻放大器的集中濾波器來(lái)保證的。

5)收信機(jī)的最大增益

天線收到的微波信號(hào)經(jīng)饋線和分路系統(tǒng)到達(dá)收信機(jī)。由于受衰落的影響，收信機(jī)的輸入電平會(huì)隨時(shí)變動(dòng)。要維持解調(diào)機(jī)正常工作，收信機(jī)的中放輸出應(yīng)達(dá)到所要求的電平，例如，要求中放在75?Ω?負(fù)載時(shí)輸出為250mV(相當(dāng)于?-0.8dBm)。但是收信機(jī)的輸入端信號(hào)是很微弱的，假設(shè)其門限電平為80dBm，則此時(shí)收信機(jī)輸出與輸入的電平差就是收信機(jī)的最大增益，對(duì)于上面給出的數(shù)據(jù)，其最大增益為79.2dB

6)自動(dòng)增益控制范圍

以自由空間傳播條件的收信電平為基準(zhǔn)，當(dāng)收信電平高于基準(zhǔn)電平時(shí)，稱為上衰落；低于基準(zhǔn)電平時(shí)，稱為下衰落。假定數(shù)字微波通信系統(tǒng)的上衰落為?+5?dB，下衰落為?-40?dB，則其動(dòng)態(tài)范圍(即收信機(jī)輸入電平變化范圍)為45dB。當(dāng)收信電平變化時(shí)，若仍要求收信機(jī)的額定輸出電平不變，就應(yīng)在收信機(jī)的中頻放大器內(nèi)設(shè)置自動(dòng)增益控制(AGC)電路，這樣，當(dāng)收信電平下降時(shí)，中放增益隨之增大；收信電平增大時(shí)，中放增益隨之減小。

3.3微波無(wú)線固定接入

3.3.1LMDS無(wú)線接入

LMDS(LocalMultipointDistributeService，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù))是近年逐漸發(fā)展起來(lái)的一種工作于10GHz以上頻段、寬帶無(wú)線點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的接入技術(shù)，在某些國(guó)家也稱之為本地多點(diǎn)通信系統(tǒng)(LocalMultipointCommunicationSystem，LMCS)。

所謂本地，是指單個(gè)基站所能夠覆蓋的范圍，LMDS因受工作頻率電波傳播特性的限制，單個(gè)基站在城市環(huán)境中所覆蓋的半徑通常小于5?km；“多點(diǎn)”是指信號(hào)由基站到用戶端是以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播方式傳送的，信號(hào)由用戶端到基站則以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳送；“分配”是指基站將發(fā)出的信號(hào)(可能同時(shí)包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)及Internet、視頻業(yè)務(wù))分別分配至各個(gè)用戶；“業(yè)務(wù)”是指系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者與用戶之間的業(yè)務(wù)提供與使用關(guān)系，即用戶從LMDS網(wǎng)絡(luò)所能得到的業(yè)務(wù)完全取決于運(yùn)營(yíng)者對(duì)業(yè)務(wù)的選擇。

LMDS工作在24～38?GHz頻段，所以一般在毫米波的波段附近，可用頻譜往往達(dá)到1?GHz以上。由于該技術(shù)利用高容量點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通過(guò)毫米波進(jìn)行傳輸，因此它幾乎可以提供任何種類的業(yè)務(wù)，支持雙向語(yǔ)音、數(shù)據(jù)及視頻圖像業(yè)務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)從64kb/s到2Mb/s，甚至高達(dá)155Mb/s的用戶接入速率，具有很高的可靠性，被稱為“無(wú)線光纖”技術(shù)。

1．LMDS系統(tǒng)的組成

一個(gè)完善的LMDS網(wǎng)絡(luò)是由4部分組成的：

(1)基礎(chǔ)骨干網(wǎng)絡(luò)，又稱為核心網(wǎng)絡(luò)。

(2)基站?；局苯舆M(jìn)入電信骨干網(wǎng)絡(luò)或核心網(wǎng)絡(luò)。

(3)用戶端設(shè)備。用戶端設(shè)備的配置差異較大，不同的設(shè)備供應(yīng)商有不同的選擇。

(4)網(wǎng)管系統(tǒng)。網(wǎng)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成告警與故障診斷、系統(tǒng)配置、計(jì)費(fèi)、系統(tǒng)性能分析、安全管理等功能。

2．LMDS系統(tǒng)的服務(wù)范圍

LMDS可以采用蜂窩式的小區(qū)結(jié)構(gòu)覆蓋整個(gè)城域范圍。典型的LMDS系統(tǒng)利用地理上分散的類似蜂窩的配置，由多個(gè)樞紐發(fā)射機(jī)(或稱為基地站)在一定小區(qū)范圍的服務(wù)區(qū)管理用戶群，每個(gè)發(fā)射機(jī)經(jīng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線鏈路與服務(wù)區(qū)內(nèi)的固定用戶通信。每個(gè)蜂窩站的覆蓋區(qū)為5～7?km，若采用具有更高發(fā)射功率、更強(qiáng)接收靈敏度的基地站，則可增加基站的覆蓋范圍，使覆蓋范圍達(dá)到10km以上。

3．LMDS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的有線接入或者低頻段無(wú)線接入方式相比，LMDS具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)工作頻帶寬，可提供寬帶接入。

(2)運(yùn)營(yíng)商啟動(dòng)資金較少，后期擴(kuò)容能力強(qiáng)，投資回收快。

(3)業(yè)務(wù)提供速度快。

(4)在用戶發(fā)展方面極具靈活性。

(5)可提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的多種業(yè)務(wù)。

(6)頻率復(fù)用度高，系統(tǒng)容量大。

4．LMDS系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)

(1)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

(3)視頻綜合業(yè)務(wù)。

5．LMDS在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

在CATV寬帶城域網(wǎng)的接入網(wǎng)中，固定無(wú)線接入技術(shù)雖不是主要的接入方式，但它是光纖接入方式必要且有益的補(bǔ)充，在適當(dāng)情況下甚至可以完全替代光纖接入方式。在固定無(wú)線接入方式中，新興的LMDS接入技術(shù)與MMDS(多路多點(diǎn)分配業(yè)務(wù))和DBS(直播衛(wèi)星系統(tǒng))接入技術(shù)相比，可提供更高的帶寬和更多的寬帶交互式業(yè)務(wù)。

CATV構(gòu)架的LMDS系統(tǒng)開始向用戶提供業(yè)務(wù)時(shí)，要考慮上/下行鏈路采用何種設(shè)計(jì)方式。通常設(shè)計(jì)無(wú)線系統(tǒng)有三個(gè)主要的接入方式：時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)。大多數(shù)廠商在提供LMDS下行鏈路的通信方式上都采用TDMA技術(shù)，而上行鏈路的通信方式可選擇TDMA技術(shù)和FDMA技術(shù)。

總的來(lái)看，寬帶無(wú)線接入技術(shù)代表了寬帶接入技術(shù)中一種新的不可忽視的發(fā)展趨勢(shì)，不僅敷設(shè)開通快、維護(hù)簡(jiǎn)單、用戶較密時(shí)成本低，而且改變了本地電信業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)觀念，最適合于新的電信競(jìng)爭(zhēng)者與傳統(tǒng)電信公司和有線電視網(wǎng)絡(luò)公司展開有效的競(jìng)爭(zhēng)，也可以作為電信公司和有線電視網(wǎng)絡(luò)公司有線接入的重要補(bǔ)充。LMDS系統(tǒng)對(duì)于寬帶業(yè)務(wù)的經(jīng)營(yíng)者和用戶雙方都是一種多用途且具有良好成本效益的選擇方案。由于它能迅速和廉價(jià)地建立起來(lái)，因此對(duì)經(jīng)營(yíng)者和用戶來(lái)說(shuō)，特別有吸引力。

3.3.2MMDS無(wú)線接入

1．MMDS的概念

MMDS(MultichannelMicrowaveDistributionSystem，多路微波分配系統(tǒng))是一種無(wú)線通信技術(shù)，它是最近才發(fā)展起來(lái)的、通過(guò)無(wú)線微波傳送有線電視信號(hào)的一種新型傳送技術(shù)。這種技術(shù)不但安裝調(diào)試方便，而且由這種技術(shù)組成的系統(tǒng)重量輕、體積小、占地面積少，很適合中小城市或郊區(qū)有線電視覆蓋不到的地方。這種技術(shù)是一種以視距傳輸為基礎(chǔ)的圖像分配傳輸技術(shù)，其正常工作頻段一般為2.5～3.5?GHz。

這種技術(shù)是一種以視距傳輸為基礎(chǔ)的圖像分配傳輸技術(shù)，其正常工作頻段一般為2.5～3.5?GHz。這種技術(shù)不需要安裝太多的屋頂設(shè)備就能覆蓋一大片區(qū)域，因此利用這種技術(shù)可以在反射天線周圍50km范圍內(nèi)將100多路數(shù)字電視信號(hào)直接傳送至用戶。一個(gè)發(fā)射塔的服務(wù)區(qū)就可以覆蓋一座中型城市，同時(shí)控制上行和下行的數(shù)據(jù)流。

2．MMDS提供的業(yè)務(wù)

(1)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)面向連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是在兩個(gè)用戶或者多個(gè)用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)要求有建立連接、數(shù)據(jù)傳送以及連接釋放等工作程序。

(2)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)可以根據(jù)某個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求者的要求把單一信息傳送給多個(gè)用戶，該業(yè)務(wù)又可以分為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多信道廣播業(yè)務(wù)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)群呼業(yè)務(wù)等。

(3)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)連接型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中的各個(gè)數(shù)據(jù)分組彼此獨(dú)立，用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程序，分組的傳送沒(méi)有邏輯連接，分組的交付沒(méi)有確認(rèn)保護(hù)。

3．MMDS的發(fā)射與接收

MMDS的傳輸發(fā)射方式分為單頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)和寬帶發(fā)射機(jī)兩種。

1)單頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)特點(diǎn)

(1)可靠性比較高。如果某一路發(fā)射機(jī)發(fā)生故障而中斷了發(fā)射，不會(huì)影響其他路信號(hào)的傳輸。

(2)傳輸距離較大。該發(fā)射機(jī)的覆蓋范圍最大可達(dá)50km以上，通常傳輸12路電視信號(hào)的農(nóng)村有線電視網(wǎng)要覆蓋30km以上距離都使用此類發(fā)射機(jī)。

(3)由于它采用獨(dú)立發(fā)射機(jī)，成本造價(jià)較高。

(4)發(fā)射機(jī)置于室內(nèi)，維護(hù)方便。

2)寬帶發(fā)射機(jī)特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。

(2)覆蓋范圍較小，一般在30km半徑以內(nèi)。

(3)成本低，很受經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)用戶的歡迎。

(4)可置于室外天線后部，省去了建機(jī)房及購(gòu)買饋管和波導(dǎo)的費(fèi)用。

4．MMDS的特點(diǎn)

(1)?MMDS技術(shù)使用了最新傳送數(shù)字信號(hào)的信源編碼與信道編碼技術(shù)，同時(shí)在MMDS系統(tǒng)中還引入了最新的調(diào)制技術(shù)，這使得數(shù)字信號(hào)的頻譜得以壓縮，從而大大提高了頻道利用率，最終有助于通信功率與頻譜的綜合利用。

(2)與傳統(tǒng)的AML、FM微波傳輸方式的工作頻段相比，MMDS的工作頻段要稍微低一點(diǎn)；與地面電視廣播VHF、UHF頻段相比，MMDS的繞射能力要弱一點(diǎn)，各種樓層建筑物對(duì)其吸收大，反射波弱，不會(huì)產(chǎn)生重影。此外，組建MMDS系統(tǒng)需要的設(shè)備價(jià)格費(fèi)用很低，特別是變頻器小型化、集成化、大批量生產(chǎn)更顯示出其性能/價(jià)格比優(yōu)的獨(dú)特魅力，所以MMDS技術(shù)適用于大、中城市個(gè)人用戶或單位用戶，不須敷設(shè)光纜、耗費(fèi)大量的財(cái)力物力，而且操作簡(jiǎn)單方便。

(3)?MMDS無(wú)線傳輸網(wǎng)與有線電視光纖網(wǎng)一樣可采用加/解擾技術(shù)和實(shí)現(xiàn)可尋址收費(fèi)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)用戶管理系統(tǒng)。MMDS無(wú)線傳輸網(wǎng)與光纖網(wǎng)一樣，可實(shí)現(xiàn)雙向傳送話務(wù)和數(shù)據(jù)信息、視頻點(diǎn)播、電視會(huì)議等。數(shù)字壓縮技術(shù)最終解決了MMDS頻道容量少的缺陷，可將4～10路電視節(jié)目壓縮在一個(gè)模擬的8MHz通道中傳輸。

(4)?MMDS通信技術(shù)采用數(shù)字濾波與數(shù)字存儲(chǔ)方式，因此人們用很簡(jiǎn)單的方法就能消除伴隨圖像傳輸?shù)脑肼?，高效改善圖像傳輸?shù)男旁氡?；此外，MMDS技術(shù)采用的數(shù)字濾波與數(shù)字存儲(chǔ)方式也很容易實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的二維、三維亮度分離，徹底消除亮度干擾；有了這些提高圖像質(zhì)量的措施，通過(guò)MMDS系統(tǒng)傳輸數(shù)字電視信號(hào)的圖像質(zhì)量要比通過(guò)普通方式傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量高得多。

(5)?MMDS通信系統(tǒng)采用數(shù)字壓縮發(fā)射機(jī)，大大減少了模擬發(fā)射機(jī)的數(shù)量，而且從建設(shè)的成本來(lái)考慮，采用數(shù)字傳輸系統(tǒng)要比采用相應(yīng)的模擬發(fā)射機(jī)的成本低很多，這種方式甚至比通信光纜的敷設(shè)更能節(jié)省投資。而且它的圖像質(zhì)量等同于光纜傳輸質(zhì)量，大大優(yōu)于模擬傳輸質(zhì)量，其可靠性也大大高于光纜傳輸。如果省、市級(jí)已采用了MPEG-2數(shù)字壓縮傳輸，那么縣、鄉(xiāng)級(jí)不必自行解決壓縮設(shè)備。

3.3.3LMDS/MMDS混合型無(wú)線接入

LMDS由于具有超大容量和高QoS的ATM傳輸機(jī)制，完全可以在城域網(wǎng)建網(wǎng)初期起到城域接入的作用；同時(shí)配合ATM交換機(jī)與骨干網(wǎng)資源相連，起到匯聚、接入的功能。LMDS/MMDS混合型無(wú)線寬帶接入網(wǎng)具有以下主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面。在大中城市重點(diǎn)發(fā)展LMDS/MMDS混合型無(wú)線寬帶接入網(wǎng)，適合于擁有骨干網(wǎng)傳輸資源而本地接入資源相對(duì)匱乏的運(yùn)營(yíng)商快速開展業(yè)務(wù)，參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，提高骨干網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)業(yè)務(wù)能力方面。充分利用LMDS傳輸容量大的特點(diǎn)，集中解決大集團(tuán)、大客戶的多業(yè)務(wù)接入；利用MMDS設(shè)備成本低，特別是終端價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)發(fā)展中小企業(yè)、小商業(yè)用戶的接入業(yè)務(wù)。

(3)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方面。由于大的商業(yè)用戶多集中在各商業(yè)中心，所以在市中心、各商業(yè)中心、產(chǎn)業(yè)區(qū)以LMDS網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)覆蓋，而由MMDS解決城市、城郊的普遍覆蓋問(wèn)題。LMDS/MMDS混合型無(wú)線寬帶接入網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量分配上，符合城市商業(yè)用戶在地域上分布的實(shí)際情況。根據(jù)用戶情況，可以靈活進(jìn)行資源配置，最大程度節(jié)約投資。

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸方面。利用LMDSATM傳輸機(jī)制作為無(wú)線寬帶接入的骨干網(wǎng)絡(luò)，可提高QoS的保證；同時(shí)解決無(wú)線寬帶接入網(wǎng)中第二層MMDS網(wǎng)絡(luò)的接入和傳輸問(wèn)題。

(5)頻率資源和覆蓋方面。LMDS具有較豐富的頻率資源，便于運(yùn)營(yíng)商特別是大運(yùn)營(yíng)商在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一建設(shè)；同時(shí)可利用MMDS良好的傳播特性，在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋上對(duì)無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力進(jìn)行有力的補(bǔ)充。

3.4衛(wèi)星通信技術(shù)3.4.1衛(wèi)星通信的特點(diǎn)衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。這里，地球站是指設(shè)在地球表面(包括地面、海洋和大氣)的無(wú)線電通信站，這種用于實(shí)現(xiàn)通信目的的人造地球衛(wèi)星叫作通信衛(wèi)星。衛(wèi)星通信工作在微波頻段300MHz～300GHz，相應(yīng)的波長(zhǎng)為0.1m～1mm。衛(wèi)星通信實(shí)際上就是利用通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的一種特殊的微波中繼通信，這里主要指靜止衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信示意圖如圖3-7所示。圖3-7衛(wèi)星通信示意圖

衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)通信距離遠(yuǎn)，費(fèi)用與距離無(wú)關(guān)。

(2)覆蓋面積大，可以進(jìn)行多址通信。

(3)通信頻帶寬，傳輸容量大，適于多種業(yè)務(wù)傳輸。

(4)通信質(zhì)量高，通信線路穩(wěn)定可靠。

(5)通信電路靈活、機(jī)動(dòng)性好。

(6)可以自發(fā)自收地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)如下：

(1)發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜。

(2)地球兩極為通信盲區(qū)，而且在地球的高緯度地區(qū)通信效果不好。

(3)存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象。

(4)有較大的信號(hào)傳輸延遲和回波干擾。

(5)具有廣播特性，保密措施要加強(qiáng)。

3.4.2衛(wèi)星信號(hào)的傳輸

衛(wèi)星通信線路由發(fā)端地球站、收端地球站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及上行、下行線傳輸路徑組成。其組成框圖如圖3-8所示。圖3-8衛(wèi)星通信線路的組成框圖

1．衛(wèi)星信號(hào)傳播的特點(diǎn)

衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面微波中繼通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，靠大氣外衛(wèi)星的中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。其載荷信息的無(wú)線電波先要穿越大氣層，然后經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的距離在地面站和衛(wèi)星之間傳播，因此它受到多種因素的影響。傳播問(wèn)題會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能，這也是造成系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中斷的一個(gè)原因。因此，電波傳播特性是衛(wèi)星通信以及其他無(wú)線通信在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的基本特性。

衛(wèi)星通信的電波在傳播中會(huì)有損耗，其中最主要的是自由空間傳播損耗，它占總損耗的大部分。其他損耗還有大氣、雨、云、雪、霧等造成的吸收、散射損耗等。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槭艿侥撤N陰影遮蔽而增加額外的損耗，固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)則可通過(guò)適當(dāng)選址來(lái)避免這一額外的損耗。

衛(wèi)星通信接收機(jī)輸入端存在著噪聲功率，這是由內(nèi)部和外部噪聲源引起的。

內(nèi)部噪聲來(lái)源于接收機(jī)。接收機(jī)中含有大量的電子元件，由于溫度的影響，這些元件中的自由電子會(huì)作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)影響了電路的工作，這就是熱噪聲。在理論上，如果溫度降低到絕對(duì)溫度，這種內(nèi)部噪聲會(huì)變?yōu)榱?，但?shí)際上達(dá)不到絕對(duì)溫度，所以內(nèi)部噪聲不能根除，只能抑制。

外部噪聲由天線引起，分為太空噪聲和地面噪聲。太空噪聲來(lái)源于宇宙、太陽(yáng)系等；地面噪聲來(lái)源于大氣、降雨、地面、工業(yè)活動(dòng)、人為噪聲等。

太陽(yáng)系噪聲指的是太陽(yáng)系中太陽(yáng)、各行星以及月亮輻射的電磁干擾被天線接收而形成的噪聲，其中太陽(yáng)是最大的熱輻射源。只要天線不對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，在靜寂期太陽(yáng)噪聲對(duì)天線影響不大；而對(duì)于行星和月亮，沒(méi)有高增益天線直接指向時(shí)，對(duì)天線影響也不大。實(shí)際上當(dāng)太陽(yáng)和衛(wèi)星匯合在一起，即太陽(yáng)接近地球站指向衛(wèi)星的延長(zhǎng)線時(shí)，地球站才會(huì)受到干擾，甚至中斷。宇宙噪聲指的是外空間星體的熱氣體及分布于星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲，在銀河系中心的指向上達(dá)到最大值，而在天空其他部分的指向上很低。宇宙噪聲是頻率的函數(shù)，在頻率低于1GHz以下時(shí)，它是天線噪聲的主要成分。

大氣噪聲指的是電離層、對(duì)流層吸收電波的能量后產(chǎn)生電磁輻射而形成的噪聲，其中主要是氧氣和蒸汽構(gòu)成的大氣噪聲。大氣噪聲是信號(hào)頻率和天線仰角的函數(shù)，大氣噪聲在頻率10GHz以上顯著增加；仰角越小，則由于電波穿越大氣層的路徑長(zhǎng)度增加，因而大氣噪聲作用加大；降雨、云、霧在產(chǎn)生電波吸收衰減的同時(shí)，也產(chǎn)生噪聲，稱為降雨噪聲。影響天線噪聲溫度的因素有雨量、信號(hào)頻率、天線仰角；即使在4GHz的頻率下，仰角小的時(shí)候，大雨對(duì)天線噪聲溫度的影響也能達(dá)到50～100?K，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候要充分考慮這些因素。

2．衛(wèi)星通信的頻率配置

衛(wèi)星通信工作頻段的選擇將影響到系統(tǒng)的傳輸容量、地球站發(fā)信機(jī)及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率、天線口徑尺寸及設(shè)備的復(fù)雜程度等。雖然這個(gè)頻段也屬于微波頻段(300MHz～300GHz)，但由于衛(wèi)星通信電波傳播的中繼距離遠(yuǎn)，所以從地球站到衛(wèi)星的長(zhǎng)距離傳輸中，電波既要受到對(duì)流層大氣噪聲的影響，又要受到宇宙噪聲的影響，因此，在選擇工作頻段時(shí)，主要考慮以下因素：

(1)天線系統(tǒng)接收的外界干擾噪聲??；

(2)電波傳播損耗及其他損耗小；

(3)設(shè)備重量輕，體積小，耗電??；

(4)可用頻帶寬，以滿足傳輸容量的要求；

(5)與其他地面無(wú)線系統(tǒng)(微波中繼通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等)之間的相互干擾盡量小；

(6)能充分利用現(xiàn)有的通信技術(shù)和設(shè)備。

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作：

·超高頻(UHF)頻段—400/200MHz；

·微波L頻段—1.6/1.5GHz；

·微波C頻段—6.0/4.0GHz；

·微波X頻段—8.0/7.0GHz；

·微波Ku頻段—14.0/12.0GHz和14.0/11.0GHz；

·微波Ka頻段—30/20GHz。

3.信號(hào)的傳輸與復(fù)用

衛(wèi)星系統(tǒng)采用了頻帶傳輸方式。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)有單路制和群路制兩種方式。所謂單路制，是指一個(gè)用戶的一路信號(hào)調(diào)制一個(gè)載波，即單路單載波(SingleChannelPerCarrier，SCPC)方式；所謂群路制，是指多個(gè)要傳輸?shù)男盘?hào)按照某種多路復(fù)用方式組合在一起構(gòu)成基帶信號(hào)，再調(diào)制載波，即多路單載波(MultiChannelPerCarrier，MCPC)方式。

4.信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用頻率調(diào)制(FM)，這是因?yàn)轭l率調(diào)制技術(shù)成熟、傳輸質(zhì)量好，且能得到較高的信噪比。

在數(shù)字調(diào)制中以正弦波為載波信號(hào)，用數(shù)字基帶信號(hào)鍵控正弦信號(hào)的振幅、頻率和相位，便可得到振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK及DPSK)三種基本調(diào)制方式，其中相移鍵控在衛(wèi)星通信中使用較多。另外，正交振幅調(diào)制(QAM)、最小頻移鍵控(MSK)和高斯最小頻移鍵控(GMSK)也得到較多應(yīng)用。

3.4.3信號(hào)處理技術(shù)

1．?dāng)?shù)字語(yǔ)音內(nèi)插技術(shù)

數(shù)字語(yǔ)音內(nèi)插技術(shù)是目前在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中廣泛采用的一種技術(shù)，能夠提高通信容量。由于在兩個(gè)人通過(guò)線路進(jìn)行雙工通話時(shí)，總是一方講話而另一方在聽，因而只有一個(gè)方向的話路中有語(yǔ)音信號(hào)，而另一方的線路則處于收聽狀態(tài)，這樣就某一方的話路而言，只有一部分的時(shí)間處于講話狀態(tài)，其他時(shí)間處于收聽狀態(tài)。

通常所使用的數(shù)字語(yǔ)音內(nèi)插技術(shù)包括時(shí)分語(yǔ)音內(nèi)插(TASI)技術(shù)和語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼(SPEC)技術(shù)兩種。時(shí)分語(yǔ)音內(nèi)插技術(shù)利用呼叫之間的間隙、聽話而未說(shuō)話以及說(shuō)話停頓的空閑時(shí)間，把空閑的通路暫時(shí)分配給其他用戶以提高系統(tǒng)的通信容量。語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼技術(shù)則是當(dāng)某一個(gè)時(shí)刻樣值與前一個(gè)時(shí)刻樣值的PCM編碼有不可預(yù)測(cè)的明顯差異時(shí)，才發(fā)送此時(shí)刻的碼組，否則不發(fā)送，這樣便減少了需要傳輸?shù)拇a組數(shù)量，以便有更多的容量供其他用戶使用。

(1)圖3-9所示是數(shù)字式語(yǔ)音內(nèi)插系統(tǒng)的基本組成。圖3-9數(shù)字式語(yǔ)音內(nèi)插系統(tǒng)的基本組成

從圖3-9中可以看出，當(dāng)以N路PCM信號(hào)經(jīng)TDM復(fù)用后的信號(hào)作為輸入信號(hào)時(shí)，在幀內(nèi)N個(gè)話路經(jīng)語(yǔ)音存儲(chǔ)器與TDM格式的N個(gè)輸出話路連接，其各部分功能如下：

發(fā)送端的語(yǔ)音檢測(cè)器依次對(duì)各話路的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以判斷是否有語(yǔ)音信號(hào)。當(dāng)某話路的電平高于門限電平時(shí)，則認(rèn)為該話路中有語(yǔ)音；否則認(rèn)為無(wú)語(yǔ)音。如果語(yǔ)音檢測(cè)器中的門限電平能隨線路上所引入的噪聲電平的變化而自動(dòng)地快速調(diào)節(jié)，那么就可以大大減少因線路噪聲而引起的檢測(cè)錯(cuò)誤。

分配狀態(tài)寄存器主要負(fù)責(zé)記錄任何一個(gè)時(shí)刻、任意輸入話路的工作狀態(tài)以及它與其輸出話路之間的連接狀態(tài)。

分配信號(hào)產(chǎn)生器必須每隔一幀的時(shí)間在分配話路時(shí)隙內(nèi)發(fā)送一個(gè)用來(lái)傳遞話路間連接狀態(tài)信息的分配信號(hào)，這樣接收端便可根據(jù)此信號(hào)從接收信息中恢復(fù)出原輸入的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)。

分配信息的傳送方式有兩種：

一種是只發(fā)送最新的狀態(tài)連接信息；

另一種是發(fā)送全部連接狀態(tài)信息。由于在目前使用的衛(wèi)星系統(tǒng)中經(jīng)常使用第二種方式，因而著重討論采用發(fā)送全部連接狀態(tài)信息方式工作的系統(tǒng)特性。

當(dāng)系統(tǒng)是用發(fā)送全部連接狀態(tài)信息來(lái)完成分配信息的傳遞任務(wù)時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)的分配信息如何變化，它只負(fù)責(zé)在一個(gè)分配信息周期中實(shí)時(shí)地傳送全部連接狀態(tài)信息，因此其設(shè)備比較簡(jiǎn)單。但在分配話路時(shí)，如發(fā)生誤碼，則很容易出現(xiàn)錯(cuò)接的現(xiàn)象。相比起來(lái)，系統(tǒng)中只發(fā)送最新連接狀態(tài)時(shí)的誤碼影響要小一些。

(2)語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼發(fā)端的原理圖如圖3-10所示，其工作過(guò)程如下：

①

語(yǔ)音檢測(cè)器依次對(duì)輸入的、采用TDM復(fù)用格式的N個(gè)通道編碼碼組進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)有語(yǔ)音編碼輸入時(shí)，打開傳送門，將此編碼碼組送至中間幀存儲(chǔ)器；否則傳送門仍保持關(guān)閉狀態(tài)。

②

延遲電路提供約5ms的時(shí)延，正好與語(yǔ)音檢測(cè)所允許的時(shí)間相同。

③

零級(jí)預(yù)測(cè)器將預(yù)測(cè)器幀存儲(chǔ)器中所儲(chǔ)存的、上一次取樣時(shí)刻通過(guò)該通道的那一組編碼與剛收到的碼組進(jìn)行比較，并計(jì)算出它們的差值。圖3-10語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼發(fā)端原理圖

④

與此同時(shí)，又將此碼組“寫入”發(fā)送幀存儲(chǔ)器，并在規(guī)定時(shí)間進(jìn)行“讀操作”。其中的發(fā)送幀存儲(chǔ)器是雙緩沖存儲(chǔ)器，一半讀出時(shí)另一半寫入，這樣，便可以不斷地將信碼送至輸出合路器。

⑤

在零級(jí)預(yù)測(cè)器中，各次比較的情況被編成分配碼(SAW)，如可預(yù)測(cè)用“0”表示，

而不可預(yù)測(cè)用“1”表示。這樣，每一個(gè)通道便用1bit標(biāo)示出來(lái)，總共N個(gè)通道。當(dāng)N個(gè)比特送到合路器時(shí)，便構(gòu)成“分配通道”和“M個(gè)輸出通道”的結(jié)構(gòu)，并送入衛(wèi)星鏈路。

⑥

在接收端，根據(jù)所接收到的“分配通道”和“M個(gè)輸出通道”的結(jié)構(gòu)，就可恢復(fù)出原發(fā)端輸入的N個(gè)通道的TDM幀結(jié)構(gòu)。

在語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼方式中，同樣也存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，因此有可能出現(xiàn)應(yīng)發(fā)而未發(fā)的現(xiàn)象，而接收端卻按前一碼組的內(nèi)容進(jìn)行讀操作，致使信噪比下降。只有當(dāng)衛(wèi)星話路數(shù)M較小時(shí)，采用語(yǔ)音預(yù)測(cè)編碼方式時(shí)的DSI增益才稍大于時(shí)分語(yǔ)音內(nèi)插方式時(shí)的DSI增益。

2．回波控制技術(shù)

圖3-11所示的是衛(wèi)星通信線路產(chǎn)生回波干擾的原理圖。圖3-11衛(wèi)星通信線路產(chǎn)生回波干擾的原理圖

為了抑制回波干擾的影響，通常在語(yǔ)音線路中接入一定的電路，這樣在不影響語(yǔ)音信號(hào)正常傳輸?shù)臈l件下，可將回波削弱或者抵消。圖3-12所示的是一個(gè)回波抵消器的原理圖。它用一個(gè)橫向?yàn)V波器來(lái)模擬混合線圈，使其輸出與接收到的語(yǔ)音信號(hào)的泄露相抵消，以此防止回波的產(chǎn)生，而且對(duì)發(fā)送與接收通道并沒(méi)有引入任何附加的損耗。圖3-12回波抵消器原理圖

圖3-13所示的是一種數(shù)字式自適應(yīng)回波抵消器原理圖。圖3-13數(shù)字式自適應(yīng)回波抵消器原理圖

數(shù)字式自適應(yīng)回波抵消器的工作過(guò)程如下：

首先把對(duì)方送來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)x(t)經(jīng)過(guò)A/D變換變成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于信號(hào)存儲(chǔ)器中，然后將存儲(chǔ)于信號(hào)存儲(chǔ)器中的信號(hào)x(t)與存儲(chǔ)于傳輸特性存儲(chǔ)器中的回波支路脈沖響應(yīng)h(t)進(jìn)行乘法運(yùn)算，構(gòu)成作為抵消用的回波分量，隨后再經(jīng)加法運(yùn)算從語(yǔ)音信號(hào)中扣除，于是便抵消掉了語(yǔ)音信號(hào)中經(jīng)混合線圈帶來(lái)的回波分量z(t)。

其中，自適應(yīng)控制電路可根據(jù)剩余回波分量和由信號(hào)存儲(chǔ)器送來(lái)的信號(hào)自動(dòng)地確定h(t)。通常這種回波抵消器可抵消回波約30dB，自適應(yīng)收斂時(shí)間為250ms。

3.4.4衛(wèi)星通信中的多址技術(shù)

1．實(shí)現(xiàn)多址連接的依據(jù)

實(shí)現(xiàn)多址連接的技術(shù)基礎(chǔ)是信號(hào)分割，就是在發(fā)端進(jìn)行恰當(dāng)?shù)男盘?hào)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)中各地球站發(fā)射的信號(hào)間有差別；各地球站接收端則具有信號(hào)識(shí)別的能力，能從混合的信號(hào)中選擇出所需的信號(hào)。圖3-14是多址連接的實(shí)現(xiàn)模型。圖3-14多址連接的實(shí)現(xiàn)模型

一個(gè)無(wú)線電信號(hào)可以用若干個(gè)參量(指廣義的參量，下同)來(lái)表征，最基本的參量是信號(hào)的射頻頻率、信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間以及信號(hào)所處的空間。信號(hào)之間的差別可集中反映在上述信號(hào)參量之間的差別上。在衛(wèi)星通信中，信號(hào)的分割和識(shí)別可以利用信號(hào)的任一種參量來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際存在的噪聲和其他因素的影響，最有效的分割和識(shí)別方法是設(shè)法利用某些信號(hào)所具有的正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)多址連接。圖3-15畫出了由頻率F、時(shí)間T和空間S組成的三維坐標(biāo)所表征的多址立方體的分割。圖3-15多址立方體的分割

1)頻分多址(FDMA)

圖3-15(a)所示是垂直于頻率軸對(duì)多址立方體進(jìn)行切割(時(shí)間上、空間上不分割)的方法，通過(guò)該方法，切割后形成了許多互不重疊的頻帶，這是頻分多址對(duì)各站所發(fā)信號(hào)的頻率參量所作的分割。各信號(hào)在衛(wèi)星總頻帶W內(nèi)各占不同的頻帶?fi，而它們?cè)跁r(shí)間上可重疊，并且可最大限度地利用空間(使用覆球波束)；收方則利用頻率正交性(式(3-7))，通過(guò)頻率選擇(用濾波法)，從混合信號(hào)中選出所需的信號(hào)。

式中，Xi、Xj分別代表第i站和第j站發(fā)送的信號(hào)。

圖3-15(b)所示是垂直于時(shí)間軸對(duì)多址立方體進(jìn)行切割(頻率、空間則不分割)的方法，通過(guò)該方法，切割后形成了許多互不重疊的時(shí)隙。這是時(shí)分多址對(duì)各站所發(fā)信號(hào)的時(shí)間參量所作的分割，使各信號(hào)在一幀時(shí)間內(nèi)以各不相同的時(shí)隙?Ti(也稱分幀)通過(guò)衛(wèi)星。由于頻率不分割，故可最大限度地利用衛(wèi)星頻帶并可最大限度地利用空間(覆球波束)；收方則利用時(shí)間正交性(式(3-8))，通過(guò)時(shí)間選擇(用時(shí)間閘門)，從混合信號(hào)中選出所需信號(hào)。

2)空分多址(SDMA)

圖3-15(c)所示是垂直于空間軸對(duì)多址立方體進(jìn)行切割(頻率、時(shí)間不分割)的方法，通過(guò)該方法，切割后形成了許多互不重疊的空間間隔。這是空分多址的小空間對(duì)各站所發(fā)信號(hào)的空間參量所作的分割，使各信號(hào)在衛(wèi)星天線陣的空間內(nèi)各占據(jù)不同的小空間(窄波束)?Si。這種分割方式可最大限度地利用衛(wèi)星的頻帶，也可不受時(shí)間限制地連續(xù)使用；收方則利用空間正交性(式(3-9))，通過(guò)空間選擇(用窄波束天線)，從混合信號(hào)中選出所需信號(hào)。

3)碼分多址(CDMA)

除頻率、時(shí)間、空間分割外，還可利用波形、碼型等復(fù)雜參量的分割來(lái)實(shí)現(xiàn)多址連接。其中的碼分多址，是指各站用各不相同的、相互準(zhǔn)正交的地址碼分別調(diào)制各自要發(fā)送的信號(hào)，而發(fā)射的信號(hào)在頻率、時(shí)間、空間上不作分割，也就是使用相同的頻帶、空間(時(shí)間上也可重疊)；收方則利用碼型的正交性(式(3-10))，通過(guò)地址識(shí)別(用相關(guān)檢測(cè)法)，從混合信號(hào)中選出所需信號(hào)。

式中，Ci(t)、Cj(t)分別是第i、j站的地址碼。

2．各種組合形式的多址連接

為了滿足衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)量日益增長(zhǎng)的需要，在衛(wèi)星具有多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的前提下，人們研究了各種組合形式的多址連接方式。從理論上講，可以有各種組合方式，下面簡(jiǎn)要介紹其中的三種。

圖3-16是TDMA與FDMA組合(TDMA/FDMA)的示意圖。圖示方案中，衛(wèi)星共有4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器(頻帶分別為W1、W2、W3、W4)，只有一個(gè)覆球波束。衛(wèi)星上不用交換裝置，故上行鏈體積元與下行鏈體積元是一一對(duì)應(yīng)的。多址立方體體積元的分配是指一個(gè)站用什么頻帶、以什么時(shí)隙將信號(hào)發(fā)送給另一站，這是中心根據(jù)站間業(yè)務(wù)量、星體及地球站設(shè)備情況所制定的規(guī)則進(jìn)行的分配?？梢杂卸喾N不同的排列方式，圖中所畫只是其中一種，譬如C站發(fā)向A站，用的是W2頻帶的第2個(gè)較大的時(shí)隙。圖3-16TDMA/FDMA示意圖

圖3-17是TDMA與SDMA組合(TDMA/SDMA)的示意圖。該方案中，有4個(gè)點(diǎn)波束和4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星上的點(diǎn)波束ΔS1、ΔS2、ΔS3、ΔS4分別覆蓋A、B、C、D站，每個(gè)點(diǎn)波束各連接一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器占用的頻帶相同，也就是頻帶重復(fù)使用4次，用交換矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)接。圖3-17(a)和(b)分別是上行鏈和下行鏈多址立方體的分割示意圖。譬如，衛(wèi)星的?S1接收點(diǎn)波束在?T2時(shí)隙收到A站發(fā)送給B站的信號(hào)，經(jīng)交換矩陣轉(zhuǎn)接后，由?S2發(fā)射點(diǎn)波束在?T2將此信號(hào)發(fā)送給B站。圖3-17TDMA/SDMA示意圖

圖3-18是TDMA、FDMA和SDMA組合(TDMA/FDMA/SDMA)的示意圖。設(shè)有m個(gè)點(diǎn)波束、n段頻帶，每個(gè)點(diǎn)波束占用全部頻帶，則衛(wèi)星上應(yīng)有m?×?n個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，而每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器又按TDMA方式工作，衛(wèi)星上也有交換裝置。顯然，這種方式比前述方式的通信容量更大。圖3-18TDMA/FDMA/SDMA示意圖

任何一種組合的多址連接方式都可派生出幾種可行的方案。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)多址連接的依據(jù)是信號(hào)參量的分割；多址問(wèn)題是衛(wèi)星通信特有的問(wèn)題，也是體現(xiàn)其優(yōu)越性的關(guān)鍵性問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的結(jié)合，多址技術(shù)仍在發(fā)展中。

計(jì)一個(gè)良好的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一件復(fù)雜的工作，究竟選用哪種多址連接方式，通常需要對(duì)一系列因素進(jìn)行折中考慮。這些因素主要有如下幾種：

①

通信容量；

②

衛(wèi)星頻帶、功率的有效利用；

③

相互連接能力；

④

便于處理不同業(yè)務(wù)，并對(duì)業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)的不斷增長(zhǎng)有靈活的自適應(yīng)能力；

⑤

成本和經(jīng)濟(jì)效益；

⑥

技術(shù)的先進(jìn)性和可實(shí)現(xiàn)性；

⑦

能適應(yīng)技術(shù)和政治情況的變化；

⑧

其他的某些特殊要求，如軍事上保密、抗干擾等。

3.5衛(wèi)星通信系統(tǒng)

3.5.1靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由5個(gè)分系統(tǒng)組成，如圖3-19所示。圖3-19靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

天線分系統(tǒng)定向發(fā)射與接收無(wú)線電信號(hào)；通信分系統(tǒng)接收、處理并重發(fā)信號(hào)，這部分就是通常所說(shuō)的轉(zhuǎn)發(fā)器；電源分系統(tǒng)為衛(wèi)星提供電能，通常包括太陽(yáng)能電池、蓄電池和配電設(shè)備；跟蹤、遙測(cè)、指令分系統(tǒng)中的跟蹤部分用來(lái)為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標(biāo)，遙測(cè)部分用來(lái)在衛(wèi)星上測(cè)定并給地面的TT&C發(fā)送有關(guān)衛(wèi)星的姿態(tài)以及衛(wèi)星各部件工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，指令部分用于接收來(lái)自地面的控制指令，處理后送給控制分系統(tǒng)執(zhí)行；控制分系統(tǒng)用來(lái)對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、各分系統(tǒng)工作狀態(tài)等進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)與控制。

1．天線分系統(tǒng)

衛(wèi)星天線有兩類，一類是遙測(cè)、指令和信標(biāo)天線，它們一般是全向天線，可以可靠地接收指令并向地面發(fā)射遙測(cè)數(shù)據(jù)和信標(biāo)；另一類是通信天線，按其波束覆蓋區(qū)域的大小，可分為全球波束天線、點(diǎn)波束天線和賦形波束天線，如圖3-20所示。

(1)全球波束天線。對(duì)于靜止衛(wèi)星而言，其波束的半功率寬度為θ1/2?=?17.4°，恰好能覆蓋衛(wèi)星對(duì)地球的整個(gè)視區(qū)。這類天線一般由圓錐喇叭加上45°的反射板所構(gòu)成，如圖3-21所示。圖3-20全球波束、點(diǎn)波束與區(qū)域波束天線示意圖圖3-21全球波束天線

(2)點(diǎn)波束天線。其覆蓋區(qū)域面積小，一般為圓形，波束半功率寬度只有幾度或更小些。天線結(jié)構(gòu)通常用前饋拋物面天線，饋源為喇叭，可根據(jù)需要采取直照或偏照。

(3)賦形波束天線。其覆蓋區(qū)域輪廓不規(guī)則，視服務(wù)區(qū)的邊界而定。為了形成波束，有的通過(guò)修改反射器形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)，更多的是利用多個(gè)饋源從不同方向經(jīng)反射器產(chǎn)生多波束的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)(見圖3-22)。波束截面的形狀除與饋源喇叭的位置排列有關(guān)外，還取決于饋源各喇叭的功率與相位，通常用一個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制。圖3-22賦形波束形成過(guò)程

星上的通信天線，除了波束覆蓋區(qū)的形狀和面積應(yīng)滿足整個(gè)系統(tǒng)的需要外，還應(yīng)滿足以下因素：

(1)一定的指向精度。通常要求指向誤差小于波束寬度的10%，以保證波束能夠覆蓋住服務(wù)區(qū)域。

(2)足夠的頻帶寬度，以滿足大容量通信的要求。由于衛(wèi)星通信上、下行頻率往往相差較大，故衛(wèi)星天線往往是收、發(fā)分用的；即使只用一部天線主結(jié)構(gòu)，饋源也是收、發(fā)分用的。

(3)星上轉(zhuǎn)接功能。在大容量通信衛(wèi)星中往往用多副天線產(chǎn)生多個(gè)波束，因此在衛(wèi)星上應(yīng)能完成不同波束的信號(hào)轉(zhuǎn)接，才能溝通不同覆蓋區(qū)的地球站間的信道。

2．通信分系統(tǒng)(轉(zhuǎn)發(fā)器)

(1)透明轉(zhuǎn)發(fā)器。它收到地面發(fā)來(lái)的信號(hào)后，除進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加工處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)。因此，對(duì)工作頻帶內(nèi)的任何信號(hào)來(lái)說(shuō)，它都是“透明”的通路。

透明轉(zhuǎn)發(fā)器的組成，按其變頻次數(shù)可分為一次變頻和二次變頻兩種方案(見圖3-23(a)和(b))。為使頻率變換穩(wěn)定，后者的兩級(jí)變頻器的本振共用一個(gè)主振。圖3-23透明轉(zhuǎn)發(fā)器的組成

(2)處理轉(zhuǎn)發(fā)器。它除了轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)外，還具有信號(hào)處理的功能，其組成如圖3-24所示。與上述的二次變頻透明轉(zhuǎn)發(fā)器相似，處理轉(zhuǎn)發(fā)器只是在兩級(jí)變頻器之間增加了信號(hào)的調(diào)解器、處理單元和調(diào)制器。它先將信號(hào)解調(diào)，便于進(jìn)行信號(hào)處理，然后經(jīng)調(diào)制、變頻、放大后發(fā)回地面。圖3-24處理轉(zhuǎn)發(fā)器的組成

3．電源分系統(tǒng)

通信衛(wèi)星的電源除了要求體積小、重量輕、效率高之外，還要能在衛(wèi)星壽命內(nèi)保證輸出足夠的電能。常用的衛(wèi)星電源有如下兩種：

(1)太陽(yáng)能電池。

(2)化學(xué)電池。

4．跟蹤、遙測(cè)、指令分系統(tǒng)

在圖3-19中，跟蹤、遙測(cè)、指令分系統(tǒng)主要包括遙測(cè)與指令兩大部分。

(1)遙測(cè)設(shè)備使用傳感器、敏感元件等器件不斷測(cè)得有關(guān)衛(wèi)星姿態(tài)及衛(wèi)星內(nèi)各部分的工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)放大、多路復(fù)用、編碼、調(diào)制等處理后，再通過(guò)專用的發(fā)射機(jī)和天線發(fā)給地面的TT&C站。TT&C站接收并檢測(cè)出衛(wèi)星發(fā)來(lái)的遙測(cè)信號(hào)后，先轉(zhuǎn)送給衛(wèi)星檢控中心進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)TT&C站向衛(wèi)星發(fā)出有關(guān)姿態(tài)和位置校正、星體內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、主備用部件切換、轉(zhuǎn)發(fā)器增益換擋等控制指令信號(hào)。

(2)指令設(shè)備專門接收TT&C站發(fā)給衛(wèi)星的指令，進(jìn)行解調(diào)與譯碼后，一方面將其暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，另一方面又經(jīng)遙測(cè)設(shè)備發(fā)回地面進(jìn)行校對(duì)。TT&C站在核對(duì)無(wú)誤后發(fā)出“指令執(zhí)行”信號(hào)，指令設(shè)備收到信號(hào)后，才將儲(chǔ)存的各種指令送到控制分系統(tǒng)，使有關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)正確地完成控制動(dòng)作。

5．控制分系統(tǒng)

控制分系統(tǒng)是由一系列機(jī)械的或電子的可控調(diào)整裝置組成的，如各種噴氣推進(jìn)器、驅(qū)動(dòng)裝置、加熱及散熱裝置、各種轉(zhuǎn)換開關(guān)等。它在TT&C站的指令控制下完成對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、工作狀態(tài)主備用切換等各項(xiàng)調(diào)整。

3.5.2移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1．移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

如圖3-25所示，移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常包括空間段和地面段兩部分。空間段是指衛(wèi)星星座，而地面段是指包括衛(wèi)星測(cè)控中心、網(wǎng)絡(luò)操作中心、衛(wèi)星移動(dòng)終端與關(guān)口站在內(nèi)的地面設(shè)備。圖3-25移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成

各部分的工作過(guò)程如下：

(1)按規(guī)定分布的衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，但不同的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)組成衛(wèi)星星座的衛(wèi)星數(shù)量、運(yùn)行軌道等性能有不同的要求。雖然結(jié)構(gòu)各異，但衛(wèi)星星座的作用都是提供地面段各設(shè)備間信號(hào)收/發(fā)的轉(zhuǎn)接或交換處理。

(2)衛(wèi)星測(cè)控中心完成對(duì)衛(wèi)星星座的管理，如修正衛(wèi)星軌道、診斷衛(wèi)星工作故障等，以保障衛(wèi)星在預(yù)定的軌道上無(wú)故障運(yùn)行。

(3)網(wǎng)絡(luò)操作中心具有管理移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的功能，如路由選擇表的更新、計(jì)費(fèi)以及各鏈路和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的監(jiān)視等。

(4)衛(wèi)星移動(dòng)終端是終端設(shè)備，通過(guò)該終端設(shè)備，移動(dòng)用戶可在移動(dòng)環(huán)境中，如空中、

海上及陸地上實(shí)現(xiàn)各種通信業(yè)務(wù)。

(5)關(guān)口站一方面負(fù)責(zé)為移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面固定網(wǎng)、地面移動(dòng)通信網(wǎng)提供接口以實(shí)現(xiàn)彼此間的互通，另一方面還負(fù)責(zé)衛(wèi)星移動(dòng)終端的接入控制工作，從而保證通信的正常運(yùn)行。衛(wèi)星的關(guān)口站分為歸屬關(guān)口站和本地服務(wù)關(guān)口站。

歸屬關(guān)口站負(fù)責(zé)衛(wèi)星移動(dòng)終端的注冊(cè)登記。任何一個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)終端一定歸屬于某一個(gè)歸屬關(guān)口站，由此關(guān)口站來(lái)決定該通信終端是否有權(quán)建立呼叫或使用某項(xiàng)業(yè)務(wù)。由于衛(wèi)星移動(dòng)終端具有移動(dòng)性，因而時(shí)常會(huì)遠(yuǎn)離自己的歸屬關(guān)口站。此關(guān)口站被稱為本地服務(wù)關(guān)口站，具有為此衛(wèi)星移動(dòng)終端提供呼叫服務(wù)的功能。

2．移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類

移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性質(zhì)、用途不同，所采用的技術(shù)手段也不同，因此存在多種分類方法，它們分別反映了移動(dòng)衛(wèi)星通信的不同方面，具體分類如下：

(1)若按移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，則有海事衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)(MMSS)、航空衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)(AMSS)和陸地衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)(LMSS)。

(2)若按移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道進(jìn)行劃分，則有以下三種：

①

靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)衛(wèi)星位于地球赤道上空約35?786?km附近的地球同步軌道上，因此衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)的周期和方向相同；

②

中軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)衛(wèi)星距地面5000～15000?km；

③

低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)衛(wèi)星距地面500～1500km。

(3)若按移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信覆蓋區(qū)域進(jìn)行劃分，則有國(guó)際衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)三種。

3．移動(dòng)衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

其特點(diǎn)如下：

(1)通信距離遠(yuǎn)，具有全球覆蓋能力，能滿足陸地、海洋、空中、立體化、全方位的多址通信的需求，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球通信和個(gè)人通信，這是移動(dòng)衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)所在；

(2)系統(tǒng)容量大，可提供多種通信業(yè)務(wù)，從而使通信業(yè)務(wù)向多樣化和綜合化方向發(fā)展，以滿足用戶多方面的需求；

(3)在使用靜止軌道的同時(shí)，也可使用中/低軌道衛(wèi)星，使業(yè)務(wù)性能更優(yōu)良，但在星座設(shè)計(jì)和技術(shù)上更為復(fù)雜。

3.5.3VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1．VSAT的特點(diǎn)

VSAT要同時(shí)具備以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)為小(微)型化的地球站，可以很方便地架設(shè)在辦公地點(diǎn)(如辦公樓的樓頂或辦公室的窗外等)。因此主要使用Ku波段進(jìn)行傳輸，天線口徑為1.2～1.8m。

(2)有智能的地球站。整個(gè)VSAT網(wǎng)絡(luò)，包括大量的VSAT在內(nèi)，采用了一系列的高新技術(shù)加以優(yōu)化、綜合，并將通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)有效地結(jié)合在一起，使得在信號(hào)處理、各種業(yè)務(wù)的自適應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)容量靈活性的改變，以及網(wǎng)絡(luò)控制中心對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行工作參數(shù)的檢測(cè)和控制等監(jiān)控管理功能方面都有不同程度的智能化。

(3)具有處理雙向綜合電信和信息業(yè)務(wù)的能力。VSAT的業(yè)務(wù)不單是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而是各種非語(yǔ)音業(yè)務(wù)(如數(shù)據(jù)、圖像、視頻信號(hào)等)的綜合業(yè)務(wù)，能傳送各種各樣的信息。

2．VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的組成

典型的VSAT網(wǎng)由主站(亦稱中心站)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和許多遠(yuǎn)端VSAT小站組成。

(1)主站。主站是VSAT網(wǎng)的核心，與普通地球站一樣，它使用大型天線，Ku波段為3.5～8m，C波段為7～13?m。主站由高功率放大器、低噪聲放大器、上/下變頻器、調(diào)制/解調(diào)器以及數(shù)據(jù)接口設(shè)備等組成。主站通常與計(jì)算機(jī)配置在一起，也可通過(guò)地面線路與計(jì)算機(jī)連接。

(2)小站。小站由小口徑天線、室外單元和室內(nèi)單元三部分組成，室內(nèi)單元和室外單元通過(guò)同軸電纜連接。VSAT小站可以采用常用的正饋天線，也可以采用增益高、旁瓣小的偏饋天線；室外單元包括GaAs固態(tài)功率放大器、低噪聲FET放大器、上/下變頻器及其監(jiān)測(cè)電路等，它們被組裝在一起作為一個(gè)部件配置在天線饋源附近；室內(nèi)單元包括調(diào)制/解調(diào)器、編/譯碼器和數(shù)據(jù)接口等。

(3)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器也稱空間段，目前主要使用C波段或Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器，其組成及工作原理與一般衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器一樣，只是具體參數(shù)不同而已。

3．VSAT網(wǎng)的工作原理

現(xiàn)以星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例介紹VSAT網(wǎng)的工作原理。由于主站接收系統(tǒng)的G/T值大，所以網(wǎng)內(nèi)所有的小站都可直接與主站通信；對(duì)于小站，由于它們的天線口徑和G/T值小、EIRP低，因此需要在小站間進(jìn)行通信時(shí)，必須經(jīng)主站轉(zhuǎn)發(fā)，以“雙跳”方式進(jìn)行。

在VSAT網(wǎng)內(nèi)，由主站通過(guò)衛(wèi)星向遠(yuǎn)端小站發(fā)送數(shù)據(jù)通常稱為外向傳輸；由各小站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)稱為內(nèi)向傳輸。

(1)外向傳輸。由主站向各遠(yuǎn)端小站的外向傳輸，通常采用時(shí)分復(fù)用或統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用方式。首先由計(jì)算機(jī)將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并構(gòu)成TDM幀，然后以廣播方式向網(wǎng)內(nèi)所有小站發(fā)送；而網(wǎng)內(nèi)某小站收到TDM幀以后，可根據(jù)地址碼從中選出發(fā)給本小站的數(shù)據(jù)。

根據(jù)一定的尋址方案，一個(gè)報(bào)文可以只發(fā)給一個(gè)指定的小站，也可以發(fā)給一群指定的小站或所有的小站。為了使各小站可靠地同步，數(shù)據(jù)分組中的同步碼特性必須能保證VSAT小站在未加糾錯(cuò)碼和誤比特率達(dá)到10-3時(shí)仍能可靠地同步；而且主站還須向網(wǎng)內(nèi)所有地面終端提供TDM幀的起始信息。TDM幀結(jié)構(gòu)如圖3-26所示。主站不發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，只發(fā)送同步分組。圖3-26VSAT網(wǎng)外向傳輸?shù)腡DM幀結(jié)構(gòu)

(2)內(nèi)向傳輸。在RA/TDMA方式的VSAT網(wǎng)中，各小站用戶終端一般采用隨機(jī)突發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)遠(yuǎn)端小站通過(guò)具有一定延時(shí)的衛(wèi)星信道向主站傳送數(shù)據(jù)分組時(shí)，由于VSAT小站受EIRP和G/T值的限制，一般收不到自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)，因而小站不能采用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。如果是爭(zhēng)用信道，那么必須采用肯定應(yīng)答(ACK)方式。也就是說(shuō)，當(dāng)主站成功地收到了小站數(shù)據(jù)分組后，需要通過(guò)TDM信道回傳一個(gè)ACK信號(hào)，表示已成功地收到了小站所發(fā)的數(shù)據(jù)分組；相反地，如果分組發(fā)生碰撞或信道產(chǎn)生誤碼，致使小站收不到ACK信號(hào)，那么小站需要重新發(fā)送這一數(shù)據(jù)分組。

(3)?VSAT網(wǎng)中的交換。在VSAT網(wǎng)中，各站通信終端的連接是唯一的，沒(méi)有備份路由，所以全部交換功能只能通過(guò)主站內(nèi)的交換設(shè)備完成。為了提高信道利用率和可靠性，對(duì)于突發(fā)性數(shù)據(jù)，最好采用分組交換方式。特別是對(duì)于外向鏈路，采用分組傳輸便于對(duì)每次經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)控制和流量控制，成批數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也采用數(shù)據(jù)分組格式。顯然，來(lái)自各VSAT小站的數(shù)據(jù)分組傳到主站后，也應(yīng)采用分組格式和分組交換。也就是說(shuō)，通過(guò)主站交換設(shè)備匯集