現代通信系統新技術 (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3.2微波通信系統3.3微波無線固定接入3.4衛(wèi)星通信技術3.5衛(wèi)星通信系統3.6衛(wèi)星通信技術的發(fā)展小結

3.1微波通信技術

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。

3.1.1微波中繼通信

微波傳輸是沿直線進行的，但地球是一個球體，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，其視線傳播距離取決于發(fā)射天線和接收天線的高度。設發(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到50km左右。當兩點距離超過50km時，則必須在它們之間設立相互距離小于視線距離的多個中繼站，這樣就構成了微波中繼通信，如圖3-1所示。常用的微波中繼轉接方式有再生轉接、中頻轉接和微波轉接，如圖3-2所示。圖3-1微波中繼通信示意圖圖3-2微波中繼轉接方式

3.1.2數字微波通信的特點

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

數字微波通信的優(yōu)點：

①

抗干擾能力強，整個線路噪聲不積累；

②

保密性強，便于加密；

③

器件便于固態(tài)化和集成化，設備體積小，耗電少；

④

便于組成綜合業(yè)務數字網(ISDN)。

數字微波通信的不足：

①

因為要求傳輸信道帶寬較寬，因此會產生頻率選擇性衰落；

②

抗衰落技術復雜。

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

3.1.3微波信號的傳播

在微波信號的傳播過程中，由于大氣對微波不可避免地存在吸收或散射效應，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，這種傳輸衰減統稱為衰落現象。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電參數的變化使得信號在媒質中的衰減特性發(fā)生相應的變化而引起的；干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現象引起的。衰落又有慢衰落和快衰落之分。由大氣氣象的隨機性引起信號電平在較長時間內的起伏變化稱為慢衰落；由天線傳播或媒質的不均勻傳播而引起信號幅度和相位在較短時間內的變化稱為快衰落?？焖ヂ浜吐ヂ涫钳B加在一起共同影響傳輸信號的，短時間內快衰落表現明顯，而慢衰落不易被察覺。信號的衰落現象將嚴重地影響微波傳輸系統的穩(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，幾乎是普通無線電波長、中、短波各波段帶寬總和的1000倍。為避免各種應用之間的相互干擾，同時也為了提高無線電頻率資源的利用效率，人們對頻率的使用進行了劃分。

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

(1)在一個中間站，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)信號之間相互干擾；

(2)多波道同時工作時，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)多波道系統一般使用公用天線(減少微波天線塔的建設)，所以選用的頻率配置方案應有利于天線公用，既能降低天線建設總投資，又能滿足技術指標的要求；

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

我國國家無線電管理委員會根據國際電聯組織ITU-R關于波道頻率配置的建議，公布了我國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個波道分割成低端與高端兩段，每段有n個波道，分別為f1，f2，…，fn

和f?1，f?2，…，f?n。對某臺收發(fā)信機來說，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就組成了一對波道，整個頻段共有n對波道。還規(guī)定f?1-?fi?為同一對波道的收、發(fā)中心頻率間隔，f0為中心頻率，n為工作波道對的數目，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內的干擾，現在微波天線大多采用雙極化天線。對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和偶數波道會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用方案。

部分射頻波道的配置參數見表3-1。

3.1.5信號的傳輸與復用

目前在長距離微波通信干線中以傳輸數字信號為主，構成了數字微波通信系統；常用脈沖形式的基帶序列對中頻頻率為70MHz或140MHz的信號進行調制，然后再變換到微波頻率進行傳輸。

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

模擬信號一般采用頻分多路復用的方式，各路用戶信號采用單邊帶調制(SSB)將其頻譜分別搬移到互不重疊的頻率上，形成多路復用信號，然后在一個信道中同時傳輸；接收端用濾波器將各路信號分離。由于使用頻率來區(qū)分信號，故稱之為頻分多路復用。

在頻分多路復用中，信道的可用頻帶被分成若個干彼此互不重疊的頻段，每路信號占據其中的一個頻段。為了使各路信號的頻譜互不重疊，在各路信號的發(fā)送端都使用了適當的濾波器。若不考慮信道中所引入的噪聲和干擾的影響，在接收端進行信息接收時，各路信號應嚴格地限制在本信道通帶之內。這樣，當信號經過帶通濾波器之后，就可提取出各自信道的已調波，然后通過解調器、低通濾波器獲得原信號。

對數字信號而言，通常采用時分多路復用方式。它將一條通信線路的工作時間周期性地分割成若干個互不重疊的時隙，分配給若干個用戶，每個用戶分別使用指定的時隙。這樣，多路信號可在時間軸上互不重疊地穿插排列在同一條公共信道上進行傳輸。因此在接收端可以利用適當的選通門電路在各時隙中選出各路用戶的信號，然后再恢復成原來的

信號。

3.1.6信號的調制與解調

在數字調制中以正弦波作為載波信號，用數字基帶信號鍵控正弦信號的振幅、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)也得到較多應用。

3.1.7編解碼技術

1．信源編碼技術

信源編碼是指先將語音、圖像等模擬信號轉換成為數字信號，然后再根據傳輸信息的性質采用適當的方式進行編碼。為了降低系統的傳輸速率，提高通信系統效率，需對語音或圖像信號進行頻帶壓縮傳輸。

系統可以在有限的傳輸帶寬內保證系統的誤碼性能，實現高質量的信號傳輸。在數字系統中所采用的語音信號的基本編碼方式包括三大類：波形編碼、參數編碼和混合編碼。

(1)波形編碼是直接將時域信號變?yōu)閿底执a的一種編碼方式，如PCM、ΔM、ADPCM、SBC、VQ等。

(2)參數編碼是以發(fā)音機制模型為基礎直接提取語音信號的一些特征參量，并對其進行編碼的一種編碼方式。其基本原理是先由語音產生的條件建立語音信號產生的模型，然后提取語音信號中的主要參量，經編碼發(fā)送到接收端；接收端經解碼恢復出與發(fā)送端相應的參量，再根據語音產生的物理模型合成并輸出相應語音。也就是說，參數編碼采取的是語音分析與合成的方法，其特點是可以大大壓縮數碼率，因而獲得了廣泛的應用。當然，其語音質量與波形編碼方式下的相比要差一點。

(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編碼的優(yōu)點，使編碼數字語音中既包括語音特征參量，又包括部分波形編碼信號。

通常把編碼速率低于64kb/s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術。其方法很多，如自適應差分脈碼調制(ADPCM)、自適應增量調制(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

信道編碼是指在數據發(fā)送之前，在信息碼之外附加一定比特數的監(jiān)督碼元使監(jiān)督碼元與信息碼元構成某種特定的關系，接收端根據這種特定的關系來進行檢驗。

信道編碼不同于信源編碼，信源編碼的目的是提高數字信號的有效性，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的、無規(guī)律的；而信道編碼的目的在于提高數字通信的可靠性，它通過加入冗余碼來減少誤碼，其代價是降低了信息的傳輸速率，即以減小有效性來增加可靠性，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行檢錯和糾錯以保證傳輸質量。因此，信道編碼技術也稱為差錯控制編碼技術。

差錯控制編碼的基本思想是：通過對信息序列作某種變換使原來彼此獨立、相關性極小的信息碼元產生某種相關性，這樣在接收端就可利用這種特性來檢出并糾正信息碼元在信道傳輸中所造成的差錯。

差錯的類型可分為隨機差錯和突發(fā)差錯兩類。差錯控制方式可以分為前向糾錯(FEC)和自動請求重傳(ARQ)兩類，結合這兩種方式的優(yōu)點便產生了混合糾錯(HEC)方式。在HEC方式中，發(fā)送端發(fā)送的碼不僅能夠檢測錯誤，而且還具有一定的糾錯能力。所接收的信號如果在碼的糾錯能力以內，接收端會自動進行糾錯；如果錯誤很多，超出了碼的糾錯能力，那么只能檢錯而不能糾錯，這時接收端需通過反饋信道向發(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間單元內，編碼器的n個輸出不僅與本時間單元的k個輸出碼元有關，而且與前m－1個時間單元的輸入碼元有關。這里m是約束度，這種約束關系使已編碼序列的相鄰碼字之間存在著相關性，正是這一記憶特性使該序列可以看成是輸入序列經某種卷積運算的結果。由卷機碼的相關性導出的維特比(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)錯誤的能力，因此在譯碼、信號解調和SDH微波傳輸方面得到了廣泛的應用。

3.2微波通信系統3.2.1數字微波通信系統

1．數字微波的發(fā)信系統從目前使用的數字微波通信設備來看，數字微波發(fā)信機可分為直接調制式發(fā)信機(使用微波調相器)和變頻式發(fā)信機。中容量的數字微波(480路以下)設備采用前一種方案，而大容量的數字微波設備多采用后一種方案，這是因為變頻式發(fā)信機的數字基帶信號調制在中頻上實現，可得到較好的調制特性和設備兼容性。下面以一種典型的變頻式發(fā)信機為例加以說明，如圖3-5所示。圖3-5變頻式發(fā)信機框圖

2．數字微波的收信系統

數字微波的收信設備和解調設備組成了收信系統。這里所講的收信設備只包括射頻和中頻兩部分。目前收信設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)信機框圖

圖3-6是一個空間分集接收的收信設備組成框圖，分別來自上天線、下天線的直射波和經過各種途徑(多徑傳播)到達接收點的電波經過兩個相同的信道(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)進行合成，再經主中頻放大器后輸出中頻已調信號。圖3-6中畫出的是最小振幅偏差合成分集接收方式。下天線的本機振蕩源是由中頻檢出電路的控制電壓對移相器進行相位控制的，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)，改善帶內失真，獲得最好的抗多徑衰落效果。

3.2.2數字微波通信系統的性能

1．數字微波發(fā)信系統的性能指標

1)工作頻段

從無線電頻譜的劃分來看，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，當頻率較高時，雨、霧及水蒸氣對電波的散射或吸收衰耗增加，會造成電波衰落和收信電平下降。這些影響對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)信機輸出端口處功率的大小。輸出功率的確定與設備的用途、站距、衰落影響及抗衰落方式等因素有關。由于數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量時，數字微波的輸出功率可以小些。當用場效應晶體管功率放大器做末級輸出時，輸出功率一般為幾十毫瓦到1瓦。

3)頻率穩(wěn)定度

發(fā)信機的每個波道都有一個標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。設實際工作頻率與標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)交調失真

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

±

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

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

5)電源效率

由于系統整機電源功率主要消耗在發(fā)信信道，因此設計發(fā)信各部件時，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，對于中、大容量數字微波系統，為了保證信道傳輸的非線性指標，電源效率的高低應以線性條件是否滿足為原則。

6)諧波抑制度

總體設計在規(guī)定此項指標時，除了考慮數字微波通信系統本身的各種干擾以外，還應考慮其對模擬通信系統和衛(wèi)星通信系統的干擾。因此，應適當地配置工作頻率和采取必要的防護措施。

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具有寬頻帶特性。通常，上變頻器和微波小信號功率放大器易于實現寬帶設計，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工作波段。這樣，總體設計時，可不考慮它們對發(fā)信信道通頻帶的影響。

8)非線性指標

不是所有的系統都要求有較高的功率非線性指標，如2PSK系統中信道的功率非線性指標意義不大。這時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。對于含有調幅信息的調制方式，如16?QAM系統，信道的功率非線性指標就顯得至關重要。這時，為了保證非線性指標，往往不得不犧牲其他性能，如電源效率、經濟成本、設備的復雜程度等。實際上，不同的調制信號對信道的非線性指標要求也不同。

2．數字微波收信系統的性能指標

1)工作頻率

收信機是與發(fā)信機相配合的，對于一個中繼段而言，前一個微波站的發(fā)信頻率就是本收信機同一波道的收信頻率。頻段的使用可參見前面有關發(fā)信設備主要性能指標中的內容。

接收的微波射頻的頻率穩(wěn)定度是由發(fā)信機決定的，但是收信機輸出的中頻是收信本振與收信微波射頻混頻的結果，所以若收信本振偏離標稱值較大，就會使混頻輸出的中頻偏離標稱值。這樣，就會使中頻已調信號頻譜的一部分不能通過中頻放大器，造成頻譜能量的損失，導致中頻輸出信噪比下降，引起信號失真，使誤碼增加。對收信本振頻率穩(wěn)定度的要求與收信設備的基本一致，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

數字微波收信機的噪聲系數一般為3.5～7?dB，比模擬微波收信機的噪聲系數小5dB左右。噪聲系數是衡量收信機熱噪聲性能的一項指標，它的基本定義為：在環(huán)境溫度為標準室溫(17℃)、一個網絡(或收信機)的輸入端與輸出端匹配的條件下，噪聲系數NF等于輸入端的信噪比與輸出端的信噪比的比值，即

設網絡的增益系數為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)和網絡本身產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

在工程上微波無源損耗網絡(如饋線和分路系統的波導組件)的噪聲系數在數值上近似于其正向傳輸損耗。對圖3-6所示的收信機(是由多級網絡組成的)，在FET放大器增益較高時，其整機的噪聲系數可近似為

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

3)通頻帶

收信機接收的已調波是一個頻帶信號，即已調波頻譜的主要成分要占有一定的帶寬。收信機要使這個頻帶信號無失真地通過，就要具有足夠的工作帶寬，這就是通頻帶。通頻帶過寬，信號的主要頻譜成分當然都會無失真地通過，但也會使收信機收到較多的噪聲；反之，噪聲自然會減小，但卻造成了有用信號頻譜成分的損失，所以要合理地選擇收信機的通頻帶和通帶的幅頻衰減特性等。

4)選擇性

對某個波道的收信機而言，要求它只接收本波道的信號，且對鄰近波道的干擾、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，這就是收信機的選擇性。

收信機的選擇性是用增益?-?頻率(G?-?f)特性表示的。要求在通頻帶內其增益足夠大，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渡區(qū)越窄越好。

收信機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保證的。

5)收信機的最大增益

天線收到的微波信號經饋線和分路系統到達收信機。由于受衰落的影響，收信機的輸入電平會隨時變動。要維持解調機正常工作，收信機的中放輸出應達到所要求的電平，例如，要求中放在75?Ω?負載時輸出為250mV(相當于?-0.8dBm)。但是收信機的輸入端信號是很微弱的，假設其門限電平為80dBm，則此時收信機輸出與輸入的電平差就是收信機的最大增益，對于上面給出的數據，其最大增益為79.2dB

6)自動增益控制范圍

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

3.3微波無線固定接入

3.3.1LMDS無線接入

LMDS(LocalMultipointDistributeService，本地多點分配業(yè)務)是近年逐漸發(fā)展起來的一種工作于10GHz以上頻段、寬帶無線點對多點的接入技術，在某些國家也稱之為本地多點通信系統(LocalMultipointCommunicationSystem，LMCS)。

所謂本地，是指單個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，單個基站在城市環(huán)境中所覆蓋的半徑通常小于5?km；“多點”是指信號由基站到用戶端是以點對多點的廣播方式傳送的，信號由用戶端到基站則以點對點的方式傳送；“分配”是指基站將發(fā)出的信號(可能同時包括語音、數據及Internet、視頻業(yè)務)分別分配至各個用戶；“業(yè)務”是指系統運營者與用戶之間的業(yè)務提供與使用關系，即用戶從LMDS網絡所能得到的業(yè)務完全取決于運營者對業(yè)務的選擇。

LMDS工作在24～38?GHz頻段，所以一般在毫米波的波段附近，可用頻譜往往達到1?GHz以上。由于該技術利用高容量點對多點微波通過毫米波進行傳輸，因此它幾乎可以提供任何種類的業(yè)務，支持雙向語音、數據及視頻圖像業(yè)務，能夠實現從64kb/s到2Mb/s，甚至高達155Mb/s的用戶接入速率，具有很高的可靠性，被稱為“無線光纖”技術。

1．LMDS系統的組成

一個完善的LMDS網絡是由4部分組成的：

(1)基礎骨干網絡，又稱為核心網絡。

(2)基站。基站直接進入電信骨干網絡或核心網絡。

(3)用戶端設備。用戶端設備的配置差異較大，不同的設備供應商有不同的選擇。

(4)網管系統。網管系統負責完成告警與故障診斷、系統配置、計費、系統性能分析、安全管理等功能。

2．LMDS系統的服務范圍

LMDS可以采用蜂窩式的小區(qū)結構覆蓋整個城域范圍。典型的LMDS系統利用地理上分散的類似蜂窩的配置，由多個樞紐發(fā)射機(或稱為基地站)在一定小區(qū)范圍的服務區(qū)管理用戶群，每個發(fā)射機經點對多點無線鏈路與服務區(qū)內的固定用戶通信。每個蜂窩站的覆蓋區(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，使覆蓋范圍達到10km以上。

3．LMDS系統的優(yōu)勢

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

(1)工作頻帶寬，可提供寬帶接入。

(2)運營商啟動資金較少，后期擴容能力強，投資回收快。

(3)業(yè)務提供速度快。

(4)在用戶發(fā)展方面極具靈活性。

(5)可提供質優(yōu)價廉的多種業(yè)務。

(6)頻率復用度高，系統容量大。

4．LMDS系統提供的業(yè)務

(1)語音業(yè)務。

(2)數據業(yè)務

(3)視頻綜合業(yè)務。

5．LMDS在有線電視網絡中的應用

在CATV寬帶城域網的接入網中，固定無線接入技術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充，在適當情況下甚至可以完全替代光纖接入方式。在固定無線接入方式中，新興的LMDS接入技術與MMDS(多路多點分配業(yè)務)和DBS(直播衛(wèi)星系統)接入技術相比，可提供更高的帶寬和更多的寬帶交互式業(yè)務。

CATV構架的LMDS系統開始向用戶提供業(yè)務時，要考慮上/下行鏈路采用何種設計方式。通常設計無線系統有三個主要的接入方式：時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)。大多數廠商在提供LMDS下行鏈路的通信方式上都采用TDMA技術，而上行鏈路的通信方式可選擇TDMA技術和FDMA技術。

總的來看，寬帶無線接入技術代表了寬帶接入技術中一種新的不可忽視的發(fā)展趨勢，不僅敷設開通快、維護簡單、用戶較密時成本低，而且改變了本地電信業(yè)務的傳統觀念，最適合于新的電信競爭者與傳統電信公司和有線電視網絡公司展開有效的競爭，也可以作為電信公司和有線電視網絡公司有線接入的重要補充。LMDS系統對于寬帶業(yè)務的經營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地建立起來，因此對經營者和用戶來說，特別有吸引力。

3.3.2MMDS無線接入

1．MMDS的概念

MMDS(MultichannelMicrowaveDistributionSystem，多路微波分配系統)是一種無線通信技術，它是最近才發(fā)展起來的、通過無線微波傳送有線電視信號的一種新型傳送技術。這種技術不但安裝調試方便，而且由這種技術組成的系統重量輕、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。這種技術是一種以視距傳輸為基礎的圖像分配傳輸技術，其正常工作頻段一般為2.5～3.5?GHz。

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

2．MMDS提供的業(yè)務

(1)點對點面向連接的數據業(yè)務是在兩個用戶或者多個用戶之間發(fā)送多分組的業(yè)務，該業(yè)務要求有建立連接、數據傳送以及連接釋放等工作程序。

(2)點對多點業(yè)務可以根據某個業(yè)務請求者的要求把單一信息傳送給多個用戶，該業(yè)務又可以分為點對多點多信道廣播業(yè)務、點對多點群呼業(yè)務等。

(3)點對點無連接型網絡業(yè)務中的各個數據分組彼此獨立，用戶之間的信息傳輸不需要端到端的呼叫建立程序，分組的傳送沒有邏輯連接，分組的交付沒有確認保護。

3．MMDS的發(fā)射與接收

MMDS的傳輸發(fā)射方式分為單頻點發(fā)射機和寬帶發(fā)射機兩種。

1)單頻點發(fā)射機特點

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

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

(3)由于它采用獨立發(fā)射機，成本造價較高。

(4)發(fā)射機置于室內，維護方便。

2)寬帶發(fā)射機特點

(1)結構簡單，使用方便。

(2)覆蓋范圍較小，一般在30km半徑以內。

(3)成本低，很受經濟不發(fā)達地區(qū)用戶的歡迎。

(4)可置于室外天線后部，省去了建機房及購買饋管和波導的費用。

4．MMDS的特點

(1)?MMDS技術使用了最新傳送數字信號的信源編碼與信道編碼技術，同時在MMDS系統中還引入了最新的調制技術，這使得數字信號的頻譜得以壓縮，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；與地面電視廣播VHF、UHF頻段相比，MMDS的繞射能力要弱一點，各種樓層建筑物對其吸收大，反射波弱，不會產生重影。此外，組建MMDS系統需要的設備價格費用很低，特別是變頻器小型化、集成化、大批量生產更顯示出其性能/價格比優(yōu)的獨特魅力，所以MMDS技術適用于大、中城市個人用戶或單位用戶，不須敷設光纜、耗費大量的財力物力，而且操作簡單方便。

(3)?MMDS無線傳輸網與有線電視光纖網一樣可采用加/解擾技術和實現可尋址收費系統、計算機用戶管理系統。MMDS無線傳輸網與光纖網一樣，可實現雙向傳送話務和數據信息、視頻點播、電視會議等。數字壓縮技術最終解決了MMDS頻道容量少的缺陷，可將4～10路電視節(jié)目壓縮在一個模擬的8MHz通道中傳輸。

(4)?MMDS通信技術采用數字濾波與數字存儲方式，因此人們用很簡單的方法就能消除伴隨圖像傳輸的噪聲，高效改善圖像傳輸的信噪比；此外，MMDS技術采用的數字濾波與數字存儲方式也很容易實現自適應的二維、三維亮度分離，徹底消除亮度干擾；有了這些提高圖像質量的措施，通過MMDS系統傳輸數字電視信號的圖像質量要比通過普通方式傳輸的信號質量高得多。

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

3.3.3LMDS/MMDS混合型無線接入

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

(1)網絡建設方面。在大中城市重點發(fā)展LMDS/MMDS混合型無線寬帶接入網，適合于擁有骨干網傳輸資源而本地接入資源相對匱乏的運營商快速開展業(yè)務，參與市場競爭，提高骨干網的經濟效益。

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

(3)市場運營方面。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、產業(yè)區(qū)以LMDS網絡熱點覆蓋，而由MMDS解決城市、城郊的普遍覆蓋問題。LMDS/MMDS混合型無線寬帶接入網在網絡覆蓋和系統容量分配上，符合城市商業(yè)用戶在地域上分布的實際情況。根據用戶情況，可以靈活進行資源配置，最大程度節(jié)約投資。

(4)網絡傳輸方面。利用LMDSATM傳輸機制作為無線寬帶接入的骨干網絡，可提高QoS的保證；同時解決無線寬帶接入網中第二層MMDS網絡的接入和傳輸問題。

(5)頻率資源和覆蓋方面。LMDS具有較豐富的頻率資源，便于運營商特別是大運營商在全國范圍內進行網絡的統一規(guī)劃和統一建設；同時可利用MMDS良好的傳播特性，在網絡的覆蓋上對無線寬帶網絡的覆蓋能力進行有力的補充。

3.4衛(wèi)星通信技術3.4.1衛(wèi)星通信的特點衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)或反射無線電信號，在兩個或多個地球站之間進行的通信。這里，地球站是指設在地球表面(包括地面、海洋和大氣)的無線電通信站，這種用于實現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，相應的波長為0.1m～1mm。衛(wèi)星通信實際上就是利用通信衛(wèi)星作為中繼站而進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)點如下：

(1)通信距離遠，費用與距離無關。

(2)覆蓋面積大，可以進行多址通信。

(3)通信頻帶寬，傳輸容量大，適于多種業(yè)務傳輸。

(4)通信質量高，通信線路穩(wěn)定可靠。

(5)通信電路靈活、機動性好。

(6)可以自發(fā)自收地進行監(jiān)測。

衛(wèi)星通信的缺點如下：

(1)發(fā)射與控制技術比較復雜。

(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象。

(4)有較大的信號傳輸延遲和回波干擾。

(5)具有廣播特性，保密措施要加強。

3.4.2衛(wèi)星信號的傳輸

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)星信號傳播的特點

衛(wèi)星通信是在空間技術和地面微波中繼通信的基礎上發(fā)展起來的，靠大氣外衛(wèi)星的中繼實現遠程通信。其載荷信息的無線電波先要穿越大氣層，然后經過很長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。傳播問題會影響信號質量和系統性能，這也是造成系統運轉中斷的一個原因。因此，電波傳播特性是衛(wèi)星通信以及其他無線通信在進行系統設計和線路設計時必須考慮的基本特性。

衛(wèi)星通信的電波在傳播中會有損耗，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)星移動通信系統還會因為受到某種陰影遮蔽而增加額外的損耗，固定業(yè)務衛(wèi)星通信系統則可通過適當選址來避免這一額外的損耗。

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

內部噪聲來源于接收機。接收機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作無規(guī)則運動，這些運動影響了電路的工作，這就是熱噪聲。在理論上，如果溫度降低到絕對溫度，這種內部噪聲會變?yōu)榱悖珜嶋H上達不到絕對溫度，所以內部噪聲不能根除，只能抑制。

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

太陽系噪聲指的是太陽系中太陽、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，其中太陽是最大的熱輻射源。只要天線不對準太陽，在靜寂期太陽噪聲對天線影響不大；而對于行星和月亮，沒有高增益天線直接指向時，對天線影響也不大。實際上當太陽和衛(wèi)星匯合在一起，即太陽接近地球站指向衛(wèi)星的延長線時，地球站才會受到干擾，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所形成的噪聲，在銀河系中心的指向上達到最大值，而在天空其他部分的指向上很低。宇宙噪聲是頻率的函數，在頻率低于1GHz以下時，它是天線噪聲的主要成分。

大氣噪聲指的是電離層、對流層吸收電波的能量后產生電磁輻射而形成的噪聲，其中主要是氧氣和蒸汽構成的大氣噪聲。大氣噪聲是信號頻率和天線仰角的函數，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度增加，因而大氣噪聲作用加大；降雨、云、霧在產生電波吸收衰減的同時，也產生噪聲，稱為降雨噪聲。影響天線噪聲溫度的因素有雨量、信號頻率、天線仰角；即使在4GHz的頻率下，仰角小的時候，大雨對天線噪聲溫度的影響也能達到50～100?K，因此在設計系統的時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的傳輸容量、地球站發(fā)信機及衛(wèi)星轉發(fā)器的發(fā)射功率、天線口徑尺寸及設備的復雜程度等。雖然這個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，所以從地球站到衛(wèi)星的長距離傳輸中，電波既要受到對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，主要考慮以下因素：

(1)天線系統接收的外界干擾噪聲??；

(2)電波傳播損耗及其他損耗小；

(3)設備重量輕，體積小，耗電??；

(4)可用頻帶寬，以滿足傳輸容量的要求；

(5)與其他地面無線系統(微波中繼通信系統、雷達系統等)之間的相互干擾盡量??；

(6)能充分利用現有的通信技術和設備。

目前大多數衛(wèi)星通信系統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.信號的傳輸與復用

衛(wèi)星系統采用了頻帶傳輸方式。

衛(wèi)星通信系統有單路制和群路制兩種方式。所謂單路制，是指一個用戶的一路信號調制一個載波，即單路單載波(SingleChannelPerCarrier，SCPC)方式；所謂群路制，是指多個要傳輸的信號按照某種多路復用方式組合在一起構成基帶信號，再調制載波，即多路單載波(MultiChannelPerCarrier，MCPC)方式。

4.信號的調制與解調

在衛(wèi)星通信系統中，模擬衛(wèi)星通信系統主要采用頻率調制(FM)，這是因為頻率調制技術成熟、傳輸質量好，且能得到較高的信噪比。

在數字調制中以正弦波為載波信號，用數字基帶信號鍵控正弦信號的振幅、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)也得到較多應用。

3.4.3信號處理技術

1．數字語音內插技術

數字語音內插技術是目前在衛(wèi)星通信系統中廣泛采用的一種技術，能夠提高通信容量。由于在兩個人通過線路進行雙工通話時，總是一方講話而另一方在聽，因而只有一個方向的話路中有語音信號，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，只有一部分的時間處于講話狀態(tài)，其他時間處于收聽狀態(tài)。

通常所使用的數字語音內插技術包括時分語音內插(TASI)技術和語音預測編碼(SPEC)技術兩種。時分語音內插技術利用呼叫之間的間隙、聽話而未說話以及說話停頓的空閑時間，把空閑的通路暫時分配給其他用戶以提高系統的通信容量。語音預測編碼技術則是當某一個時刻樣值與前一個時刻樣值的PCM編碼有不可預測的明顯差異時，才發(fā)送此時刻的碼組，否則不發(fā)送，這樣便減少了需要傳輸的碼組數量，以便有更多的容量供其他用戶使用。

(1)圖3-9所示是數字式語音內插系統的基本組成。圖3-9數字式語音內插系統的基本組成

從圖3-9中可以看出，當以N路PCM信號經TDM復用后的信號作為輸入信號時，在幀內N個話路經語音存儲器與TDM格式的N個輸出話路連接，其各部分功能如下：

發(fā)送端的語音檢測器依次對各話路的工作狀態(tài)進行檢測，以判斷是否有語音信號。當某話路的電平高于門限電平時，則認為該話路中有語音；否則認為無語音。如果語音檢測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地快速調節(jié)，那么就可以大大減少因線路噪聲而引起的檢測錯誤。

分配狀態(tài)寄存器主要負責記錄任何一個時刻、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)。

分配信號產生器必須每隔一幀的時間在分配話路時隙內發(fā)送一個用來傳遞話路間連接狀態(tài)信息的分配信號，這樣接收端便可根據此信號從接收信息中恢復出原輸入的數字語音信號。

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)星系統中經常使用第二種方式，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特性。

當系統是用發(fā)送全部連接狀態(tài)信息來完成分配信息的傳遞任務時，無論系統的分配信息如何變化，它只負責在一個分配信息周期中實時地傳送全部連接狀態(tài)信息，因此其設備比較簡單。但在分配話路時，如發(fā)生誤碼，則很容易出現錯接的現象。相比起來，系統中只發(fā)送最新連接狀態(tài)時的誤碼影響要小一些。

(2)語音預測編碼發(fā)端的原理圖如圖3-10所示，其工作過程如下：

①

語音檢測器依次對輸入的、采用TDM復用格式的N個通道編碼碼組進行檢測，當有語音編碼輸入時，打開傳送門，將此編碼碼組送至中間幀存儲器；否則傳送門仍保持關閉狀態(tài)。

②

延遲電路提供約5ms的時延，正好與語音檢測所允許的時間相同。

③

零級預測器將預測器幀存儲器中所儲存的、上一次取樣時刻通過該通道的那一組編碼與剛收到的碼組進行比較，并計算出它們的差值。圖3-10語音預測編碼發(fā)端原理圖

④

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

⑤

在零級預測器中，各次比較的情況被編成分配碼(SAW)，如可預測用“0”表示，

而不可預測用“1”表示。這樣，每一個通道便用1bit標示出來，總共N個通道。當N個比特送到合路器時，便構成“分配通道”和“M個輸出通道”的結構，并送入衛(wèi)星鏈路。

⑥

在接收端，根據所接收到的“分配通道”和“M個輸出通道”的結構，就可恢復出原發(fā)端輸入的N個通道的TDM幀結構。

在語音預測編碼方式中，同樣也存在競爭問題，因此有可能出現應發(fā)而未發(fā)的現象，而接收端卻按前一碼組的內容進行讀操作，致使信噪比下降。只有當衛(wèi)星話路數M較小時，采用語音預測編碼方式時的DSI增益才稍大于時分語音內插方式時的DSI增益。

2．回波控制技術

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

為了抑制回波干擾的影響，通常在語音線路中接入一定的電路，這樣在不影響語音信號正常傳輸的條件下，可將回波削弱或者抵消。圖3-12所示的是一個回波抵消器的原理圖。它用一個橫向濾波器來模擬混合線圈，使其輸出與接收到的語音信號的泄露相抵消，以此防止回波的產生，而且對發(fā)送與接收通道并沒有引入任何附加的損耗。圖3-12回波抵消器原理圖

圖3-13所示的是一種數字式自適應回波抵消器原理圖。圖3-13數字式自適應回波抵消器原理圖

數字式自適應回波抵消器的工作過程如下：

首先把對方送來的語音信號x(t)經過A/D變換變成數字信號，存儲于信號存儲器中，然后將存儲于信號存儲器中的信號x(t)與存儲于傳輸特性存儲器中的回波支路脈沖響應h(t)進行乘法運算，構成作為抵消用的回波分量，隨后再經加法運算從語音信號中扣除，于是便抵消掉了語音信號中經混合線圈帶來的回波分量z(t)。

其中，自適應控制電路可根據剩余回波分量和由信號存儲器送來的信號自動地確定h(t)。通常這種回波抵消器可抵消回波約30dB，自適應收斂時間為250ms。

3.4.4衛(wèi)星通信中的多址技術

1．實現多址連接的依據

實現多址連接的技術基礎是信號分割，就是在發(fā)端進行恰當的信號設計，使系統中各地球站發(fā)射的信號間有差別；各地球站接收端則具有信號識別的能力，能從混合的信號中選擇出所需的信號。圖3-14是多址連接的實現模型。圖3-14多址連接的實現模型

一個無線電信號可以用若干個參量(指廣義的參量，下同)來表征，最基本的參量是信號的射頻頻率、信號出現的時間以及信號所處的空間。信號之間的差別可集中反映在上述信號參量之間的差別上。在衛(wèi)星通信中，信號的分割和識別可以利用信號的任一種參量來實現?？紤]到實際存在的噪聲和其他因素的影響，最有效的分割和識別方法是設法利用某些信號所具有的正交性來實現多址連接。圖3-15畫出了由頻率F、時間T和空間S組成的三維坐標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多址立方體進行切割(時間上、空間上不分割)的方法，通過該方法，切割后形成了許多互不重疊的頻帶，這是頻分多址對各站所發(fā)信號的頻率參量所作的分割。各信號在衛(wèi)星總頻帶W內各占不同的頻帶?fi，而它們在時間上可重疊，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))，通過頻率選擇(用濾波法)，從混合信號中選出所需的信號。

式中，Xi、Xj分別代表第i站和第j站發(fā)送的信號。

圖3-15(b)所示是垂直于時間軸對多址立方體進行切割(頻率、空間則不分割)的方法，通過該方法，切割后形成了許多互不重疊的時隙。這是時分多址對各站所發(fā)信號的時間參量所作的分割，使各信號在一幀時間內以各不相同的時隙?Ti(也稱分幀)通過衛(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)；收方則利用時間正交性(式(3-8))，通過時間選擇(用時間閘門)，從混合信號中選出所需信號。

2)空分多址(SDMA)

圖3-15(c)所示是垂直于空間軸對多址立方體進行切割(頻率、時間不分割)的方法，通過該方法，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各站所發(fā)信號的空間參量所作的分割，使各信號在衛(wèi)星天線陣的空間內各占據不同的小空間(窄波束)?Si。這種分割方式可最大限度地利用衛(wèi)星的頻帶，也可不受時間限制地連續(xù)使用；收方則利用空間正交性(式(3-9))，通過空間選擇(用窄波束天線)，從混合信號中選出所需信號。

3)碼分多址(CDMA)

除頻率、時間、空間分割外，還可利用波形、碼型等復雜參量的分割來實現多址連接。其中的碼分多址，是指各站用各不相同的、相互準正交的地址碼分別調制各自要發(fā)送的信號，而發(fā)射的信號在頻率、時間、空間上不作分割，也就是使用相同的頻帶、空間(時間上也可重疊)；收方則利用碼型的正交性(式(3-10))，通過地址識別(用相關檢測法)，從混合信號中選出所需信號。

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)務量日益增長的需要，在衛(wèi)星具有多個轉發(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個轉發(fā)器(頻帶分別為W1、W2、W3、W4)，只有一個覆球波束。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應的。多址立方體體積元的分配是指一個站用什么頻帶、以什么時隙將信號發(fā)送給另一站，這是中心根據站間業(yè)務量、星體及地球站設備情況所制定的規(guī)則進行的分配?？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個較大的時隙。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個點波束和4個轉發(fā)器。衛(wèi)星上的點波束ΔS1、ΔS2、ΔS3、ΔS4分別覆蓋A、B、C、D站，每個點波束各連接一個轉發(fā)器。4個轉發(fā)器占用的頻帶相同，也就是頻帶重復使用4次，用交換矩陣進行轉接。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接收點波束在?T2時隙收到A站發(fā)送給B站的信號，經交換矩陣轉接后，由?S2發(fā)射點波束在?T2將此信號發(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。設有m個點波束、n段頻帶，每個點波束占用全部頻帶，則衛(wèi)星上應有m?×?n個轉發(fā)器，而每個轉發(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，實現多址連接的依據是信號參量的分割；多址問題是衛(wèi)星通信特有的問題，也是體現其優(yōu)越性的關鍵性問題。由于計算機與通信技術的結合，多址技術仍在發(fā)展中。

計一個良好的衛(wèi)星通信系統是一件復雜的工作，究竟選用哪種多址連接方式，通常需要對一系列因素進行折中考慮。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，并對業(yè)務量和網絡的不斷增長有靈活的自適應能力；

⑤

成本和經濟效益；

⑥

技術的先進性和可實現性；

⑦

能適應技術和政治情況的變化；

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

3.5.1靜止衛(wèi)星通信系統一般來說，一個靜止衛(wèi)星通信系統主要由5個分系統組成，如圖3-19所示。圖3-19靜止衛(wèi)星通信系統的組成

天線分系統定向發(fā)射與接收無線電信號；通信分系統接收、處理并重發(fā)信號，這部分就是通常所說的轉發(fā)器；電源分系統為衛(wèi)星提供電能，通常包括太陽能電池、蓄電池和配電設備；跟蹤、遙測、指令分系統中的跟蹤部分用來為地球站跟蹤衛(wèi)星發(fā)送信標，遙測部分用來在衛(wèi)星上測定并給地面的TT&C發(fā)送有關衛(wèi)星的姿態(tài)以及衛(wèi)星各部件工作狀態(tài)的數據，指令部分用于接收來自地面的控制指令，處理后送給控制分系統執(zhí)行；控制分系統用來對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、各分系統工作狀態(tài)等進行必要的調節(jié)與控制。

1．天線分系統

衛(wèi)星天線有兩類，一類是遙測、指令和信標天線，它們一般是全向天線，可以可靠地接收指令并向地面發(fā)射遙測數據和信標；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)星對地球的整個視區(qū)。這類天線一般由圓錐喇叭加上45°的反射板所構成，如圖3-21所示。圖3-20全球波束、點波束與區(qū)域波束天線示意圖圖3-21全球波束天線

(2)點波束天線。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。天線結構通常用前饋拋物面天線，饋源為喇叭，可根據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，視服務區(qū)的邊界而定。為了形成波束，有的通過修改反射器形狀來實現，更多的是利用多個饋源從不同方向經反射器產生多波束的組合來實現(見圖3-22)。波束截面的形狀除與饋源喇叭的位置排列有關外，還取決于饋源各喇叭的功率與相位，通常用一個波束形成網絡來控制。圖3-22賦形波束形成過程

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

(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構，饋源也是收、發(fā)分用的。

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

2．通信分系統(轉發(fā)器)

(1)透明轉發(fā)器。它收到地面發(fā)來的信號后，除進行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加工處理，只是單純地完成轉發(fā)的任務。因此，對工作頻帶內的任何信號來說，它都是“透明”的通路。

透明轉發(fā)器的組成，按其變頻次數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，后者的兩級變頻器的本振共用一個主振。圖3-23透明轉發(fā)器的組成

(2)處理轉發(fā)器。它除了轉發(fā)信號外，還具有信號處理的功能，其組成如圖3-24所示。與上述的二次變頻透明轉發(fā)器相似，處理轉發(fā)器只是在兩級變頻器之間增加了信號的調解器、處理單元和調制器。它先將信號解調，便于進行信號處理，然后經調制、變頻、放大后發(fā)回地面。圖3-24處理轉發(fā)器的組成

3．電源分系統

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)太陽能電池。

(2)化學電池。

4．跟蹤、遙測、指令分系統

在圖3-19中，跟蹤、遙測、指令分系統主要包括遙測與指令兩大部分。

(1)遙測設備使用傳感器、敏感元件等器件不斷測得有關衛(wèi)星姿態(tài)及衛(wèi)星內各部分的工作狀態(tài)等數據，經放大、多路復用、編碼、調制等處理后，再通過專用的發(fā)射機和天線發(fā)給地面的TT&C站。TT&C站接收并檢測出衛(wèi)星發(fā)來的遙測信號后，先轉送給衛(wèi)星檢控中心進行分析和處理，然后通過TT&C站向衛(wèi)星發(fā)出有關姿態(tài)和位置校正、星體內溫度調節(jié)、主備用部件切換、轉發(fā)器增益換擋等控制指令信號。

(2)指令設備專門接收TT&C站發(fā)給衛(wèi)星的指令，進行解調與譯碼后，一方面將其暫時儲存起來，另一方面又經遙測設備發(fā)回地面進行校對。TT&C站在核對無誤后發(fā)出“指令執(zhí)行”信號，指令設備收到信號后，才將儲存的各種指令送到控制分系統，使有關的執(zhí)行機構正確地完成控制動作。

5．控制分系統

控制分系統是由一系列機械的或電子的可控調整裝置組成的，如各種噴氣推進器、驅動裝置、加熱及散熱裝置、各種轉換開關等。它在TT&C站的指令控制下完成對衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道位置、工作狀態(tài)主備用切換等各項調整。

3.5.2移動衛(wèi)星通信系統

1．移動衛(wèi)星通信系統的組成

如圖3-25所示，移動衛(wèi)星通信系統通常包括空間段和地面段兩部分?？臻g段是指衛(wèi)星星座，而地面段是指包括衛(wèi)星測控中心、網絡操作中心、衛(wèi)星移動終端與關口站在內的地面設備。圖3-25移動衛(wèi)星通信系統的基本組成

各部分的工作過程如下：

(1)按規(guī)定分布的衛(wèi)星構成一個移動衛(wèi)星通信系統的衛(wèi)星星座，但不同的衛(wèi)星移動通信系統對組成衛(wèi)星星座的衛(wèi)星數量、運行軌道等性能有不同的要求。雖然結構各異，但衛(wèi)星星座的作用都是提供地面段各設備間信號收/發(fā)的轉接或交換處理。

(2)衛(wèi)星測控中心完成對衛(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)星在預定的軌道上無故障運行。

(3)網絡操作中心具有管理移動衛(wèi)星通信業(yè)務的功能，如路由選擇表的更新、計費以及各鏈路和節(jié)點工作狀態(tài)的監(jiān)視等。

(4)衛(wèi)星移動終端是終端設備，通過該終端設備，移動用戶可在移動環(huán)境中，如空中、

海上及陸地上實現各種通信業(yè)務。

(5)關口站一方面負責為移動衛(wèi)星通信系統與地面固定網、地面移動通信網提供接口以實現彼此間的互通，另一方面還負責衛(wèi)星移動終端的接入控制工作，從而保證通信的正常運行。衛(wèi)星的關口站分為歸屬關口站和本地服務關口站。

歸屬關口站負責衛(wèi)星移動終端的注冊登記。任何一個衛(wèi)星移動終端一定歸屬于某一個歸屬關口站，由此關口站來決定該通信終端是否有權建立呼叫或使用某項業(yè)務。由于衛(wèi)星移動終端具有移動性，因而時常會遠離自己的歸屬關口站。此關口站被稱為本地服務關口站，具有為此衛(wèi)星移動終端提供呼叫服務的功能。

2．移動衛(wèi)星通信系統的分類

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

(1)若按移動衛(wèi)星通信系統的業(yè)務進行劃分，則有海事衛(wèi)星移動通信系統(MMSS)、航空衛(wèi)星移動通信系統(AMSS)和陸地衛(wèi)星移動通信系統(LMSS)。

(2)若按移動衛(wèi)星通信系統的衛(wèi)星軌道進行劃分，則有以下三種：

①

靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統，其系統衛(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)星繞地球公轉與地球自轉的周期和方向相同；

②

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

③

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

(3)若按移動衛(wèi)星通信系統的通信覆蓋區(qū)域進行劃分，則有國際衛(wèi)星移動通信系統、區(qū)域衛(wèi)星移動通信系統和國內衛(wèi)星移動通信系統三種。

3．移動衛(wèi)星通信的特點

其特點如下：

(1)通信距離遠，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，從而實現真正意義上的全球通信和個人通信，這是移動衛(wèi)星通信的優(yōu)勢所在；

(2)系統容量大，可提供多種通信業(yè)務，從而使通信業(yè)務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，也可使用中/低軌道衛(wèi)星，使業(yè)務性能更優(yōu)良，但在星座設計和技術上更為復雜。

3.5.3VSAT衛(wèi)星通信系統

1．VSAT的特點

VSAT要同時具備以下三個特點：

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

(2)有智能的地球站。整個VSAT網絡，包括大量的VSAT在內，采用了一系列的高新技術加以優(yōu)化、綜合，并將通信與計算機技術有效地結合在一起，使得在信號處理、各種業(yè)務的自適應、網絡結構及網絡容量靈活性的改變，以及網絡控制中心對關鍵電路進行工作參數的檢測和控制等監(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)務的能力。VSAT的業(yè)務不單是語音業(yè)務，而是各種非語音業(yè)務(如數據、圖像、視頻信號等)的綜合業(yè)務，能傳送各種各樣的信息。

2．VSAT衛(wèi)星通信網的組成

典型的VSAT網由主站(亦稱中心站)、衛(wèi)星轉發(fā)器和許多遠端VSAT小站組成。

(1)主站。主站是VSAT網的核心，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、調制/解調器以及數據接口設備等組成。主站通常與計算機配置在一起，也可通過地面線路與計算機連接。

(2)小站。小站由小口徑天線、室外單元和室內單元三部分組成，室內單元和室外單元通過同軸電纜連接。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)測電路等，它們被組裝在一起作為一個部件配置在天線饋源附近；室內單元包括調制/解調器、編/譯碼器和數據接口等。

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

3．VSAT網的工作原理

現以星形網絡結構為例介紹VSAT網的工作原理。由于主站接收系統的G/T值大，所以網內所有的小站都可直接與主站通信；對于小站，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行通信時，必須經主站轉發(fā)，以“雙跳”方式進行。

在VSAT網內，由主站通過衛(wèi)星向遠端小站發(fā)送數據通常稱為外向傳輸；由各小站向主站發(fā)送數據稱為內向傳輸。

(1)外向傳輸。由主站向各遠端小站的外向傳輸，通常采用時分復用或統計時分復用方式。首先由計算機將發(fā)送的數據進行分組并構成TDM幀，然后以廣播方式向網內所有小站發(fā)送；而網內某小站收到TDM幀以后，可根據地址碼從中選出發(fā)給本小站的數據。

根據一定的尋址方案，一個報文可以只發(fā)給一個指定的小站，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，數據分組中的同步碼特性必須能保證VSAT小站在未加糾錯碼和誤比特率達到10-3時仍能可靠地同步；而且主站還須向網內所有地面終端提供TDM幀的起始信息。TDM幀結構如圖3-26所示。主站不發(fā)送數據分組時，只發(fā)送同步分組。圖3-26VSAT網外向傳輸的TDM幀結構

(2)內向傳輸。在RA/TDMA方式的VSAT網中，各小站用戶終端一般采用隨機突發(fā)方式發(fā)送數據。當遠端小站通過具有一定延時的衛(wèi)星信道向主站傳送數據分組時，由于VSAT小站受EIRP和G/T值的限制，一般收不到自己所發(fā)送的數據信號，因而小站不能采用自發(fā)自收的方法監(jiān)視本站數據傳輸的情況。如果是爭用信道，那么必須采用肯定應答(ACK)方式。也就是說，當主站成功地收到了小站數據分組后，需要通過TDM信道回傳一個ACK信號，表示已成功地收到了小站所發(fā)的數據分組；相反地，如果分組發(fā)生碰撞或信道產生誤碼，致使小站收不到ACK信號，那么小站需要重新發(fā)送這一數據分組。

(3)?VSAT網中的交換。在VSAT網中，各站通信終端的連接是唯一的，沒有備份路由，所以全部交換功能只能通過主站內的交換設備完成。為了提高信道利用率和可靠性，對于突發(fā)性數據，最好采用分組交換方式。特別是對于外向鏈路，采用分組傳輸便于對每次經衛(wèi)星轉發(fā)的數據進行差錯控制和流量控制，成批數據業(yè)務也采用數據分組格式。顯然，來自各VSAT小站的數據分組傳到主站后，也應采用分組格式和分組交換。也就是說，通過主站交換設備匯集