[信息与通信]时隙及微波和卫星通信

[信息与通信]时隙及微波和卫星通信 时隙 Timeslot(时隙)专用于某一个单个通道的时隙信息的串行自复用的一个部分。在T1和E1服务中，一个时隙通常是指一个64kbps的通道。 E1线路知识点总结 1、一条E1是2M的链路，用PCM编码。 2、一个E1的帧长为256个bit,分为32个时隙，一个时隙为8个bit。 3、每秒有8k个E1的帧通过接口，即8K*256=2048kbps。 4、每个时隙在E1帧中占8bit，8*8k=64k，即一条E1中含有32个64K。 E1帧结构 E1有成帧,成复帧与不成帧三种方式,在成帧的E1中第0时隙用于传输帧同步数据,其余31个时隙可以用于传输有效数据;在成复帧的E1中,除了第0时隙外,第16时隙是用于传输信令的,只有第1到15,第17到第31共30个时隙可用于传输有效数据;而在不成帧的E1中,所有32个时隙都可用于传输有效数据. 一( E1基础知识 E1信道的帧结构简述 在E1信道中，8bit组成一个时隙(TS)，由32个时隙组成了一个帧(F),16个 帧组成一个复帧(MF)。在一个帧中，TS0主要用于传送帧定位信号(FAS)、CRC-4(循环冗余校验)和对端告警指示，TS16主要传送随路信令(CAS)、复帧定 位信号和复帧对端告警指示，TS1至TS15和TS17至TS31共30个时隙传送话音或数据 等信息。我们称TS1至TS15和TS17至TS31为“净荷”，TS0和TS16为“开销”。 如果采用带外公共信道信令(CCS)，TS16就失去了传送信令的用途，该时隙也可用来传送信息信号，这时帧结构的净荷为TS1至TS31，开销只有TS0了。 由PCM编码介绍E1: 由PCM编码中E1的时隙特征可知，E1共分32个时隙TS0-TS31。每个时隙为64K，其中TS0为被帧同步码，Si, Sa4, Sa5, Sa6,Sa7,A比特占用, 若系统运用了CRC校验，则Si比特位置改传CRC校验码。TS16为信令时隙, 当使用到信令(共路信令或随路信令)时,该 时隙用来传输信令, 用户不可用来传输数据。所以2M的PCM码型有 ? PCM30 : PCM30用户可用时隙为30个, TS1-TS15, TS17-TS31。TS16传送信令，无CRC校验。 ? PCM31: PCM30用户可用时隙为31个, TS1-TS15, TS16-TS31。TS16不传送信令，无CRC校验。 ? PCM30C: PCM30用户可用时隙为30个, TS1-TS15, TS17-TS31。TS16传送信令，有CRC校验。 ? PCM31C: PCM30用户可用时隙为31个, TS1-TS15, TS16-TS31。TS16不传送信令，有CRC校验。 CE1,就是把2M的传输分成了30个64K的时隙，一般写成N*64， 你可以利用其中的几个时隙，也就是只利用n个64K，必须接在ce1/pri上。 CE1----最多可有31个信道承载数据 timeslots 1----31 timeslots 0 传同步 第七章 微波通信和卫星通信 一、知识点 , 微波通信。 , 卫星通信。 二、重点难点内容 微波通信是在 20 世纪 40 年代至 50 年代开始使用的无线电通信技术，经过多年的发展己经获得广泛的应用。微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。模拟微波通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波通信所取代，数字微波通信已成为一种重要的传输手段，并与卫星通信，光纤通信一起作为当今三大传输手段。卫星通信可看作微波通信的一个具体应用，所以把微波通信和卫星通信放在同一章中。学习中注意比较卫星通信和地面微波通信的异同点。 (一)微波通信 本节主要讲述微波通信的概念和特点，微波通信系统的基本组成，微波站的设备组成及微波的传输特性和抗衰落技术。 1. 微波通信的概念和特点 (1)微波的频段划分 无线电波波段的划分如表 1 所示。 表(一) 无线电波波段的划分 整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。不同频率段落分别 ,命名为无线电波(3kHz,3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、x 射线、射线和宇宙射线。微波是超高频率的无线电波。由于这种电磁波的频率非常高，故微波又称为超高频电 ,磁波。电磁波的传播速度与其频率 f 、波长又有下列固定关系: 若微波是在真空中传播，则速度为 微波频段的波长范围为 lm,lmm ，频率范围为 300MHz,300GHz ，可细分为特高频 (UHF) 频段,分米波频段、超高频(SHF)频段,厘米波频段、极高频(EHF)频段, 毫米波频段和至高频频段,亚毫米波频段。实际工程中常用拉丁字母代表微波小段的名称，例如 S , C , X 分别代表10厘米波段、5 厘米波段和 3 厘米波段; Ka，U，F分别代表8毫米波段和3毫米波段等等，详见表2。 表(二) 微波频段的划分 (2)微波中继通信的概念 微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继(接力)方式在地面上进行的无线电通信。 A , B 两地间的远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图1 所示。 图一 远距离地面微波中继通信系统的中继示意图 对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个:首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此，若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。其次是因为微波传播有损耗， 随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信跟离。微波中继通信主要用来传送长途电话信号、宽频带信号(如电视信号)、数据信号、移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等，还可用于山区、湖泊、岛屿等特殊地形的通信。 (3)微波通信的特点 (a) 通信频段的频带宽，传输信息容量大 微波频段占用的频带约 300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足 30MHz。一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，或传输电视图像信号等宽频带信号。 (b) 通信稳定、可靠 当通信频率高于100MHz 时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小。由于微波频段频率高，这些干扰对微波通信的影响极小。数字微波通信中继站能对数字信号进行再生，使数字微波通信线路噪声不逐站积累，增加了抗于扰性。因此，微波通信较稳定和可靠。 (c) 接力 在进行地面上的远跟离通信时，针对微波视距传播特性和传输损耗随题离增加的特性，必须采用接力的方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。 (d) 通信灵活性较大 微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立及转移都较容易，这些方面比有线通信具有更大的灵活性。 (e) 天线增益高、方向性强 当天线面积给定时，天线增益与工作波长的平方成反比。由于微波通信的卜作波长短，天线尺寸可做得很小，通常做成增益高，方向性强的面式天线。这样可以降低微波发信机的输出功率，利用微波天线强的方向性使微波电磁波传播特方向对准下一接收站，减少通信中的相互于扰。 (f) 投资少、建设快 与其他有线通信相比，在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路公里计算，微波中继通信线路的建设费用低，建设周期短。 (g) 数字化 对于数字微波通信系统来说，是利用微波信道传输数字信号，因为基带信号为数字信号，所以称为数字微波通信系统。 2(数字微波通信系统的组成 数字微波通信系统的组成可以是一条主干线，中间有若干支线，其主干线可以长达几百公里甚至几千公里，除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。 (1) 微波通信系统的基本设备 广义地说，数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。甲地如图 2 所示。狭义地说，数字微波通信系统设备仅仅指微波站设备。用户终端是逻辑,最靠近用户的输入,输出设备，如电话机、传真机等。用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。交换机的作用是实现本地用户终端之间的业务互通，如实现本地话音，又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地(对端交换机所辖范围)用户终端 之间的业务互通。交换机配置在微波终端站或微波分路站。终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号适当变换，送到微波终端站或微波分路站的发信机;将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。在民用数字微波通信中数字微波通信系统的终端复用设备是脉冲编码调制(PCM)时分复用设备。 图二 数字微波通信系统设备组成示意图 终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号。微波站分为终端站、分路站、枢纽站和中继站。处于主干线两端或支线路终点的微波站称为终端站，在此站可上、下全部支路信号。处于微波线路中间，除了可以在本站上、下某收、发信波道的部分支路信号外，还可以沟通卜线上两个方向之问通信的微波站称为分路站。配有交叉连接设备，除了可以在本站上下某收、发信波道的部分支路信号外，可以沟通干线上数个方向之间通信的微波站称为枢纽站。处于微波线路中间，不需要上下话路的微波站称为中继站，此站无用户终端、交换机、终端复用设备，只对信号进行解调、判决、再生至下一方向发信机。 (2) 微波通信系统的简单工作过程 用图2 来说明微波通信系统传输长途电话的简单工作过程。甲地发端用户的电话信号，首先由用户所属的市话局送到该端的微波站(或长途电信局)。时分多路复用设备将多个用户电话信号组成基带信号，基带数字信号在调制一解调设备中对 70MHz 的中频信号进行调制。调制器输出的 70MHz 中频已调波送到微波发信机，经发信混频得到微波射频己调 波，这时已将发端用户的数字电话信号载到微波频率上。经发端的天线馈线系统，可将微波射频己调波发射出去，若甲、乙两地相距较远，需经若干个中继站对发端信号进行多次转发。信号到达收端后，经收端的天线馈线系统馈送到收信机，经过收信混频后，将微波射频已调波变成 70MHz 中频己调波，再送到调制一—解调设备进行解调，即可解调出多个用户的数字电话信号(即基带信号)。再经收端的时分多路复用设备进行分路，将用户电话信号送到市话局，最后到收端的用户终端(电话机)，送给乙地用户。 3(微波站设备 数字微波站的主要设备包括微波发信设备、微波收信设备、微波天线设备、电源设备、监测控制设备等。这里介绍数字微波收发信设备的组成、主要性能指标和中继设备及中继站的转接方式。 (1) 发信设备 (a) 发信设备的组成 在中频调制方式发信设备中，数字微波发信机将中频调制器送来的中频(70MHz)数字调相信号经延时均衡和中频放大后送到发信混频器，与发信本振棍频，经过边带滤波器取出所需微波信号，经微波功率放大器放大到所需功率，再通过分路滤波器送至天线发射。为保证末级功率放大器不超出自线工作范围，以免产生过大的非线性失真，需采用自动电平控制电路把输出功率维持在合适的电平上。在发信设备中，信号的调制方式可分为中频调制和微波直接调制。目前的微波中继系统中大多数采用中频调制方式，勤务信号经常采用微波调制方式。发信设备的组成如图 3 所示。 (b) 发信设备的主要性能指标 ? 工作频段 图三 发信设备组成方框图 微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。对于较长距离的微波中继，其上要主作频段是 1.7GHz,12GHz , 12GHz 以上频段口前使用不多。我国选用 2GHz, 4GHz, 6GHz, 7GHz, 8GHz , l1GHz 作为微波通信的主要工作频段，其中 2GHz , 4GHz , 6GHz 频段主要用于干线微波中继，2GHz , 7GHz , 8GHz , 11GHz 主要用于支线或专用网。 ? 输出功率 输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。输出功率的确定与设备的用途、站距、衰落影响及抗衰落方式等因素有关。数字微波发信设备的输出功率一般为几十毫瓦到一瓦左右。 ? 频率稳定度 微波通信对频率稳定度的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 取决于所采用的通信制式以及对通信质量的要求。发信机的工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。数字微波通信系统多采用 PSK 调制方式，若发信机工作频率不稳，有漂移，将使解调的有效信号幅度下降，误码率增加。一般 -5-5-5，，，频率稳定度可以取 110,210左右。目前较好的介质稳频振荡器可达到110, -5-6-6，，，210左右。当对频率稳定度有严格要求时，例如，要求 110,510时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡源。 (2)收信设备 (a) 收信设备的组成 微波收信设备包括射频系统、中频系统和群频系统(数字解调器等)三部分。收信机将分路滤波器选出的射频信号进入具有自动益控制(AGC)的低噪声微波放大器放大后，送到收信混频器，混频器将射频信号变成中频信号，经前置中放、中频滤波、延时均衡和主中放得到中频调相信号，再送往解调器。延时均衡器将发信机、收信机、馈线和分路系统产生的群延时失真进行均衡。主中放有自动增益控制(AGC)电路，自动增益控制电路是微波中继收信机不可缺少的一部分，如果没有这部分电路，当发生传输衰落时，解调器就无法工作。以正常传输电平为基准，低于这个电平的传输状态称为下衰落，高于这个电平的传输状态称为上衰落。假定数字微波通信的上衰落为 5dB，下衰落为-40dB，其动态范围为45dB。当收信电平变化时，若仍要求收信机的额定输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设有自动益控制(AGC)电路，使之当收信电平下降时，中放增益随之增大;收信电平增大时，中放增益随之减小。收信设备的组成如图4 所示。 (b) 收信设备的主要性能指标 ? 作频段 收信机与发信机是配合工作的。对于一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是木收信机同一波道的收信频率。频段使用同发信机。各频段使用的频段宽度为 400MHz, 600MHz 左右，其中包括 6,8 个工作频段。 图四 收信设备组成方框图 ? 收信机的本振频率稳定度 -5-5，，收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，通常为110,210，高性能发 -6-6，，信机可达 110,510。收信本振和发信本振常采用同一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，用两个相互独立的振荡器，在有些中继设备里，收信本振功率是山发信木振功率取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率间隔约 300MHz 左右。这种方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。 ? 噪声系数 噪声系数是收信设备的重要指标。数字微波收信机的噪声系数一般为 3dB,7dB。噪声系数的基本定义为:在环境温度为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 室温(17?)，一个网络(或收信机)输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数 Np 等于输入端的信噪比与输出端信噪比的比值。收信机本身产生的热噪声功率越大，Np 值就越大，也就是说 Np 值是衡量收信机热噪声性能的一项指标。 ? 通频带 收信机要使接收的已调信号无失真地通过，就要具有足够的工作频带宽度，即通频带。为了有效地抑制噪声于扰;获得最佳信号传输，应该选择合适的通频带和通频带形状。接收机的通频带特性主要由中频滤波器决定。 ? 选择性 选择性是指接收机只接收本波道的信号，对通频带以外各种干扰具有抑制能力，尤其是要抑制邻近波道干扰、镜像干扰和本机收发之间的干扰等。 (3)中继设备 (a) 中继设备的类型目前我国投入使用的中、小容量数字微波中继设备以三次群设备(34Mbit/s，480 路)为主，大容量设备以四次群设备(140Mbit/s，1920 路)为主。 ? 34Mbit/s 数字微波中继设备 34Mbit/s数字微波中继设备可用于国内长途通信支线电路、省内干线电路及专用通信网。该类设备是三次群数字复用设备的无线传输设备，码速率为 34.368Mbit/s，简写为34Mbit/s 每个波道可传输 480 路数字电话信号，通过二次复用实现电报、数据、广播及会议电视等非电话通信业务，并具有远程监控、无人值守的功能。目前我国可生产 2GHz , 4GHz , 6GHz , 7GHz, 8GHz 等频段的数字微波中继设备。以6GHz , 7GHz 频段的设备为例，表 3 列出了其主要性能指标。 表(三) 数字微波中继设备主要性能指标 ? 140Mbit/s数字微波中继设备 表4,表6 介绍了我国引进的三种140Mbit/s挑大容量数字微波中继设备的有关性能指标。 表 (四) 日本 NEC-5005 系统的有关性能指标 表(五) 意大利 CTE –CTRI86系统的有关性能指标 表(六) 加拿大北方电信公司RD-6B 系统的有关性能指标 (b) 中继方式 微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信机转接信号时的接口频带划分的，分为三种方式:基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式。 ? 基带转接方式 中继站把来自某一通信方向的载频为f的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的1 天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。已调信号经过变频输出载频为f′的微波信号，该信号经微1 波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。基带转接方式如图 5 所示。 图五 基带转接方式 因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。对再生转接而言，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。 ? 中频转接方式 中间站把来自某一通信方向的载频为石的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f′的微波信号。该信号经微波功放、1 天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。中频转接方式如图6 所示。因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解 调引入的失真和噪声。中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。 图六 中频转接力式 ? 微波转接方式 微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频刀，相对于收信载频石;需要移频，即移频振荡器的频率等于f′与f之差。另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益11 控制措施。微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。微波转接方式如图 7 所示。 图七 微波转接方式 (c) 调制方案与调制方式 如果要使数字基带信号以某种形式在带通微波无线电信道中传输，必须在发送端用数字基带信号调制微波载波，在接收端进行信号解调，这需要相应的调制与解调方式。数字微波中继通信系统微波发信机有两种调制方案。 ? 射频调制 射频调制发信机的方框图如图 8 所示。微波振荡器输出的射频载波信号进行调制，已调信号经过微波功放和微波滤波后通过天馈系统发送出去。这种发信机结构简单，但其关键设备微波功率放大器的制作难度较大，通用性也较差。 ? 中频调制 中频调制发信机的方框图如图 9 所示。来自数字复用设备的信码经过码型变换后，对对中频振荡器输出的中频载波信号进行调制，已调信号先经过功率中放、上变频，再经过微波功放和微波滤波，最后通过天馈系统发送出去。这种发信机的通用性较好。 图八 射频调制发信机方框图 可用于数字微波中继通信系统的调制方式很多，表6 中列出了一些数字调制方式，它们都是在幅移键控 ASK、频移键控 FSK 和相移键控 PSK 这三种基本调制方式上发展而来的。在选择数字微波中继通信系统的调制方式时，考虑的主要因素有:频谱利用率、抗干扰能力、对传输失真的适应能力、抗衰落能力、勤务信号的传输方式及设备的复杂程度等。 图九 中频调制发信机力框图 表(七) 数字调制方式的最佳解调性能比较表 ，表中，归一化信噪比 E / No = 1019g(Pr / ( No f))( dB );E:为一个比特周期内的bbb 信号能量;No:为高斯白噪声的单边功率谱密度;Pr:为接收到的最大稳态信号功率;f:b ,为多进制调制以前三进制序列的传输速率;频谱利用率:表示单位频带内的信息传输速率， ,定义为:= f,B;B:为传输带宽。 b 选择调制方式时，应根据数字微波中继通信系统的容量等级，并综合考虑各种因素来选择。对于小容量系统，以选择 4PSKj/4DPSK 为主，也可选择 2PSK / 2DPSK 或 2FSK;对于中容量系统，以选择 4PSK/4DPSK 为主，也可选择 8PSK 或 2PSK /2DPSK;对于大容量系统，以选择 16QAM 为主，也可选择 8PSK 。今后将逐步采用频谱利用率更高的调制方式，如 64QAM , 256QAM 等。 2PS/2DPSK 设备简单、抗干扰能力强，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但频谱利用率不高。2FSK 设备简单，对衰落信道和非线性信道的适应能力强，但其频谱利用率和抗干扰能力都比 2PSK / 2DPSK 弱。4PSK / 4DPSK 的频谱利用率是 2PSK / 2DPSK 的两倍，抗干扰能力与后者一样，设备复杂程度只有少许增加，对衰落信道的适应能力适中， 对信道的线性指标要求也不太高。8PSK 与 4PSK/DPSK 相比，具有更高的频谱利用率，但设备复杂程度有所增加，对信道的衰落和失真特性也比后者敏感，需要采取一定措施来改善性能。16QAM 的频谱利用率很高，设备也不太复杂，但对信道的幅相畸变、线性性能以及电波传播的频率选择性衰落都比较敏感，需要采取信道线性化措施和均衡措施，这将增加设备的复杂性和设备的成本。其他多信号状态调制方式(如 64QAM, 256QAM 等)都在具有很高频潜利用率的同时存在类似 16QAM 需要解决的问题，但这些问题随着技术进步，己经得到不同程度的解决。 (d ) 射频波道的频率配置 对两套对通的微波收发信机而言，它们的射频频带宽度是有限的，因而其传输容量也是有限的。为了增加微波中继通信系统的传输容量，各微波站在每个通信方向上可以使用多套微波收发信机同时工作，而同一方向的每套收发信机必须使用不同的微波收发频率，以避免相互干扰。这样，每两套对通的微波收发信机构成了一条独立的双向微波信道，称为射频波道。因此，在一条微波中继通信线路上，相邻两个微波站之间将有多条射频波道。所谓射频披道的频率配置，就是如何分配各相邻两条微波站之间各条射频波道收发信机的微波收发频率。 频率配置的基本原则是尽可能在给定的微波频段内多安排一些波道，以增加传输容量;尽可能减小波道之间的相互千扰，以保证系统总体指标和通信质量;尽可能有利于通信设备的标准化、系列化生产，以便于维修和降低成本。当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间只有一条波道上作时，其频率配置称为单波道频率配置。常采用二频制方案，即整个微波线路共使用两个不同的微波频率f，f，且这两个频率在两个信息传输方向上都是交替12 出现的，如图 10 所示。 图十 频制频率配置 单波道频率配置还可采用四频制方案，即整个微波线路共使用四个不同的微波频率f，1f，f和f，f，f与f，f各组成一条双向波道，这两条双向波道在两个信息传输方向上交2342413 替出现，如图11 所示。 图十一 四频制频率配置 采用二频制方案时，每个中间站的两个通信方向的收发频率均相同，但收发频率逐站更换一次。其优点是占用频带窄(频谱利用率高)，缺点是存在反向干扰和越站同频干扰问题。反相干扰是指一个通信方向的收信机会收到相反通信方向的同频干扰信号，这就要求天线必须具备较高的前后比。为防止越站同频干扰，在微波线路设计和站址选择时应妥善安排。采用四频制方案时，没有反向干扰问题，但仍然存在越站同频干扰问题，且其占用频带比二频制方案宽一倍。越站干扰示意图如图 12 所示。 图十二 越站干扰示意图 当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间有多条波道同时工作时，其频率配置称为多波道频率配置，此时应参考CCIR 的有关建议配置频率。例如，对于2GHz 和4GHz 频段的微波中继通信系统的多波道频率配置，CCIR 382 -3 号建议推荐了两种方案，即交错制(相间式)方案和分割制(分集式)方案，这两种方案都基于各相邻两个微波站之间共有 6 条波道同时工作，整个微波线路共使用 12 个不同微波频率f，f，f，f，f，f与f′， 1234561 f′， f′， f′，f′， f′。 23456 4. 微波的传播特性与补偿技术 (1)微波的传播特性 (a) 无线电波的多径传播特性 无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有自由空间波，对流层反射波，电离层波和地波。 表面波传播:就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，如图 13 中的1所示。电波在地球表面上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与带电波的频率，地面的性质等因素有关。 天波传播:就是自发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。如图 13 中的 2 所示。电离层对电磁波除了具有反射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。 散射传播:就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射电波，使电波到达视线以外的地方。如图 13 中的 4 所示。对流层在地球上力约 10 英里(=16.09 公里)处，是异类介质，反射指数随着高度的增加而减小。 外层空间传播:就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间中的传播方式。如图13 中的 5 所示。这种传播方式主要用于卫星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视跟传播。视线距离通常为 50km 左右，如图 13 中的 3 所示。 散射体电离层必 (b) 微波在自由空间的传播损耗 无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间。 ? 均匀无损耗的无限大空间; ? 各向同性; ? 电导率为 0 。 介电系数 图十三 无线电波的多径传播特性示意图 ,-7,,0，导磁系数== 410 H / m (亨,米)。 应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗 L，的表达式为: s L(dB)= 32.45 + 201g f(MHz)+ 20lg d ( km) (或=92.45 + 201 gf(GHz ) + 20lgd s ( km ) ) 其中 d 为收、发天线间距离， f 为工作频率。 从自由空间损耗公式可以看出传播即离 d 和使用频段 f 成反比。 设发射功率为 P，发射天线增益为 G ( dB ) ，发端馈线系统损耗为 L (dB);发t tf t端分路系统损耗为L ( dB)。接收功率为 P;接收天线增益为 G ( dB )，收端馈线系统bt r r损耗为 L( dB ) ，收端分路系统损耗为 L ( dB)。 fr br 在自由空间传播的条件下，接收机的输入电平为: P ( dBm ) = P(dBm)+ ( G + G) ,( L + L),( L + L ),L rt t rf tfrbtbrs (c) 影响微波传播损耗的因素 影响微波传播损耗的主要因素有以下几个方面: ? 大气吸收衰减 我们知道，任何物体都是由带电的粒子组成，这些粒子都有其固定的电磁谐振频率。当通过这此物质的电磁频率接近这些谐振频率时，这些物质对微波就会产生共振吸收。大气中 的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从微波中吸收能量，使微波产生衰 ,,减。一般说来，水蒸气的最大吸收峰在= 1.3cm 处，氧分子的最大吸收峰则在=0 . 5cm 处。对于频率较低的电磁波，站与站之问的跳离是 50km 以上时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。 ? 雨雾衰减 由于雨雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰减。一般来讲，10GHz 以下频段雨雾的散射衰耗并不太严重，通常50km 两站之间只有几分贝。但若在10GHz 以上，散射衰耗将变得严重，使得站与站之间的即离受到散射的限制，通常只有几公里。 ? 地面反射的影响 在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在以下几个方面: ? 树林、山丘、建筑物等建筑物能够阻挡一部分电磁波的射线，从而增加了损耗。 ? 平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗。 有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射波对直射波产生的影响，反射是电平产生衰落的主要因素。地面反射对电波传播的影响如图14 所示。 图十四 地而反射对电波传播的影响 根据惠更斯一费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球向波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化我们引入费涅耳区的概念。由图15 可见r+ r,d 就是反射波和直射波的行程12 ,,r,r差=n,2。显然当是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R点的作用是相同的目(是最强的，此时的场强得到加强;而加为半波长的偶数倍长时，反射波在R点的作用是相互抵消的，此时 R 点的场强最弱。我们就把这些 n 相同的点组成的面称为费涅耳区。费涅尔区的概念对于信号的接收，检测，判断有重要的意义。 图十五 费涅耳区 ? 对流层对电波的影响 无线电波在传输过程中，一般认为自由空间是均匀的介质。然而实际上，电磁波传输的实际介质是大气层，而大气是在不断变化的，这种变化对微波的传输是会产生影响的，特别是距地面约10km 以下的被称为对流层的低层大气层对微波的传输影响最大。因为对流层集中了大气层质量的3 / 4，当地面受太阳照射温度上升时，地面放出的热量使低层大气受热膨胀，因而造成了大气的密度不均匀，于是产生了对流运动。在对流层中，大气的成分、压强、温度、湿度会随着高度的变化而变化，会使得微波产生吸收、反射、折射和散射等影响。 8 ,，我们知道，电磁波在自由空间中的传播速度是= c = 3l0m/s。在真实的大气中，电波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度之比被称为折射率。折射率受大气压力，温度，湿度的不同而会变化。由于大气的折射作用，实际的电波不再是按直线传播，而是按曲线传播，根据折射效果的不同可以分成正折射，负折射和无折射。正折射又可以分成标准折射，临界折射和超折射。无折射就是大气的折射率不随大气的垂直高度变化而变化。负折射顾名思义就是由于折射率随高度增加而增加，使得电波的传播方向与地球的弯曲的方向相反。正折射的意思当然是恰恰相反。折射的分类如图16 所示。 图十六 折射的分类 (d) 电波衰落现象 微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，这种现象称为衰落。衰落的大小与气候条件，站距的长短有关。衰落的时间长短不一，程度不一。有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落;有的衰落持续时间很长几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。而接收电平高于自由空间的传播的电平时，则称为上衰落。显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。 从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型: ? 吸收衰落:就是大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量，这就导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。 ? 雨雾引起的散射衰落:这是由于雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。 ? K 型衰落:这是由于多径传输产生的干涉型衰落，是当直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差，使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落。由于这种衰落与行程,,差r 有关，而r是随大气的折射参数 K 值的变化而变化的，故称为 K 型衰落。这种衰落在水面，湖泊，平滑的地面时显得特别严重。除了地面的反射以外，大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射，也可以造成电波的多径传输，在接收点产生干涉型衰落。 ? 波导型衰落:由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的结构，当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象，称为大气波导传播。若微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层外，如图17 所示。则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外，还有“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断。 大气波导 图十七 大气波导传播 ? 闪烁衰落:对流层中的大气常发生的体积大小不等，无规则的漩涡运动，这些称为 ,大气湍流。大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以 接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不会造成通信的中断。 (2)微波通信常用的补偿技术 (a) 均衡 在 SDH 微波接收设备中一般先使用频域均衡器，后接中频时域均衡器或基带时域均衡器。频域均衡器主要用于减少频率选择性衰落的影响。有选择性衰落时，收信号的幅度下降较大，时域均衡很难正常工作。所谓频域均衡是利用中频通道插入的补偿网络的频率特性 ,去补偿实际信道频率特性的畸变。若传输函数为 H()，则要求频域均衡器的传输函数 ,,E()= l / H()。但是频域均衡器只能均衡最小相位衰落。非最小相位衰落，则必须引入时域均衡器。时域均衡是利用波形补偿法将失真的波形加以校正。时域均衡器习惯上也称为横向滤波器。 (b) 分集接收 在微波中继通信系统中，由于存在多径衰落，使通信可靠性受到严重威胁。采用分集接收技术是抗多径衰落的有效措施之一。所谓分集接收，用两套(或多套)收信设备接收同一个信号由发射设备发射的经两条(或多条)不同路径传播的信号，不会同时发生衰落的两路(或多路)信号，并经过某些处理后，在接收端以一定方式将其合并。这样，当其中一个信号发生衰落时，另外一个(或多个)信号不一定也衰落，只要采用适当的信号合成方法就可保证一定的接收电平，克服或改善衰落的影响。目前，常用的分集接收技术有频率分集、空间分集和混合分集等三种。这三种技术都假设两个(或多个)射频信号在传播过程没有同时发生衰落。频率分集是在发信端将一个信号利用两个间隔较大的发信频率同时发射，在收信端同时接收这两个射频信号后合成，由于工作频率不同，电磁波之间的相关性极小，各电磁 波的衰落概率也不同。频率分集抗频率选择性衰落特别有效，但付出的代价是成倍地增加了收发信机，且需成倍地多占用频带，降低了频谱利用率。频率分集示意图如图 18 所示。 图十八 频率分集示意图 空间分集是在收端利用空间位置相距足够远的两副天线，同时接收同一个发射天线发出 ,的信号。因为电磁波到达高度差为h 的两副天线的行程差不同，所以:某一副天线收到 ,10,,的信号发生衰落时，另一副天线收到的信号不一定也衰落，当h 足够大时(h >>，,为入射波波长)，则两路收信号差别较大，对几乎所有深衰落都不相关。两路收信号经时延、相位或幅度调整后，将按一定的规则进行合成，以减少电波衰落的影响，同时可以提高收信电平。空间分集需要增加收信机，其频谱利用率比频率分集高。空间分集示意图如图 19 所示。 图十九 空间分集示意图 混合分集是将频率分集与空间分集结合，以保持两种分集的优点。无论采用哪种分集接收技术，都要解决信号合成的问题，常用的信号合成方法有以下三种: ? 优选开关法 由电子开关切换。开关切换既可在中频进行，也可在解调后的基带上进行。该方法电路简单 ? 线性合成法 该方法将两路信号经校相后线性相加。这一过程通常在中频上进行，电路比较复杂。当两路信号衰落都不太严重时，该方法对改善信噪比很有利;当某路信号发生深衰落时，其合成效果不如优选开关法。 ? 非线性合成法 该方法是前面两种方法的综合，即当两路信号衰落都不太严重时，采用线性合成法;当某路信号发生深衰落时，则采用优选开关法。 5(数字微波通信技术的发展及应用 (1)数字微波通信技术的发展 微波通信技术问世已有半个多世纪，是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段。例如，我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。20世纪70年代起研制出了中小容量(如 8Mbit/s, 34Mbit/s)的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果。20世纪 80 年代后期，随着同步数字系 ，列(SDH)在传输系统中的推厂应用，出现了 N155Mbit/s 的 SDH 大容量数字微波通信系统。现在，数字微波通信和光纤、卫星一起被称为现代通信传输的三大支柱。随着技术的不断发展，除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们 的重视。工作在 28GHz 频段的 LMDS(本地多点分配业务)已在发达国家大量应用，预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。 目前数字微波通信技术的发展主要有以下几方面: (a) 提高 QAM 调制级数及严格限带 为了提高频谱利用率，一般多采用多电平 QAM 调制技术，目前己达到 256QAM 和 512QAM，很快就可实现 1024QAM / 2048QAM。与此同时，对信道滤波器的设计提出了极为严格的要求:在某些情况下，其余弦滚降系数应低至 0.1。现已可做到 0.2 左右。 (b) 网格编码调制及维特比检测技术 为降低系统误码率，必须采用复杂的纠错编码技术，但由此会导致频带利用率的下降。为了解决这个问题，可采用网格编码调制(TCM)技术。采用TCM技术需利用维特比算法解码。在高速数字信号传输中，应用这种解码算法难度较大。 (c) 自适应时域均衡技术 使用高性能、全数字化二维时域均衡技术减少码间干扰、正交干扰及多径衰落的影响。 (d) 多载波并联传输 多载波并联传输会显著降低发信码元的速率，减少传播色散的影响。运用双载波并联传输可使瞬断率降低到原来的1 / 10 。 (e) 其他技术 如多重空间分集接收、发信功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除电路等。 (2 ) 数字微波通信系统的应用 由于微波具有频率高，频带宽，信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信，微波中继通信，移动通信和卫星通信。数字微波通信系统的主要应用场合如下。 ( a) 干线光纤传输的备份及补充 如点对点的SDH 微波、PDH 微波等。主要用于干线光纤传输系统在遇到自灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。 (b) 边远地区和专用通信网中 如农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合，这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。 (c) 城市内的短距离直线连接如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等。既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。 (d) 无线微波接入系统可将微波技术用于未来的宽带业务接入(如 LMDS)，详细内容见本书 8.5 无线接入技术。 (3) 微波扩频通信技术及应用 扩展频谱(Spread Spectrum)技术是一种常用的无线通信技术，简称展频技术。展频技术的无线局域网络产品是依据美国联邦通讯委员会(Federal Communications Committee , FCC)规定的工业、医疗、科学(Industrial Scientific and Medical , ISM)频率范围开放在 902MHz,928MHz 及2.4GHz,2.484GHz 两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。 扩频微波与常规微波相比有着三个显著的优点:抗干扰性强，频点问题容易处理，价格比较便宜。 (a) 扩频通信按调制方式划分的四种基本类型: ? 直接序列扩频( Direct Sequence Spread Spectrum , DSSS);? 跳频扩频(Frequency Hopping spread spectrum , FHSS );? 跳时扩频(Time Hopping spread spectrum , THSS );? 宽带线性调频扩频(ChirpSpread Spectrum , CSS)。 以上四种基本扩频系统各有优缺点。如果采用以上扩频技术的混合方式，技术折衷而使其优势互补，则可以满足高要求的抗于扰指标。采用混合扩频技术系统所获得的扩频增益等于其中所有单独扩频系统的扩频增益的总和。微波扩频通信技术特点是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，然后，在某个载频进行调制以便传输。属于中程宽带通信方式。微波扩频通信技术来源于军事领域，主要开发目的是对抗电子战干扰。 (b) 微波扩频通信的特点: ? 建设无线微波扩频通信系统目前无需申请、带宽较高、建设周期短; ? 一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理，设备可再次利用相连单位距离不能太远，并且两点直线范围内不能有阻挡物; ? 抗噪声和干扰能力强，具极强的抗窄带瞄准式干扰能力，适应军事电子对抗; ? 能与传统的调制方式共用频段; ? 信息传输可靠性高: ? 保密性强，伪随机噪声使得不易发现信号的存在而有利于防止窃听; ? 多址复用，可以采用码分复用实现多址通信:? 设备使用寿命较长。 (c) 微波扩频系统的接入方式微波扩频系统按接入方式分为点对点、点对多点两种。 ? 点对点方式是指连接的双方用一对微波扩频传输设备相连。采用点对点方式的微波系统主要使用802.3 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，传输效率高于 802.11 协议。一般通信速率为 64kbit/s,2Mbit/s, 另外，可将若干点对点微波设备的通信信道进行复合，使得通信速率达到 10Mbit/s。其应用场合为:为连接两个地点提供专用可靠的通信信道，且要求通信速率较高。相应设备的价格随通信速率的提高而增加，一般报价为 5 万元,20 万元(指一对设备)。 ? 点对多点方式是指扩频系统含一个中心点和若干分布接入点，若干分布接入点以竞争方式或固定分配方式分享中心点提供的总信道带宽。主要使用 802. 11 协议。系统各分布接入点所分享的带宽一般为 64kbit/s,128kbit/s (总带宽一般为1Mbit /s,2Mbit/s )。竞争方式可根据接入用户实时需要分配总带宽，但缺点是竞争时将浪费带宽、造成拥挤;而以 固定方式分享带宽可以保证传输带宽，但缺乏带宽实时分配的灵活性。其应用场合为:需组建一微波通信网络，包括一个信息中心站和若干个分支接入站，分支接入站通过一条速率要求不高的通信信道(?512kbit/s)访问中心站，并通过中心站访问到其他分支接入站。 802.11 协议是专门为微波无线网使用的，其目的是 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 无线网产品、增加各种无线网产品的兼容性。虽然各种无线网产品号称都使用 802.11 协议，但实际上因软件、载波和扩频方式不同而很难兼容。802.11 协议由于分时机制，点对点传输效率低于 802.3 协议。在点对多点传输情况下，分配给各接入点用户的速率呈指数下降趋势。实际使用中接入点的数目一般不超过 10。 (d) 微波扩频系统的应用 微波扩频系统主要应用在以下几个方面: ? 语音接入(点对点) 现有的微波扩频系统，速率为 64kbit/s,8Mbit/s，可传 l,120 路(PCM)语音。特 ，，别是 El、2EI 和 4EI 可取代常规的 30 路、60 路和 120 路中小容量微波，抗干扰性 -10极强，误码率可低到 10量级，准光纤水平。时分双工(TDD)El ，距离近些;频分双工(FDD)El，距离还可远些，在视距通信范围扩频微波可取代超短波(VHF / UHF)、常规小微波，以及电缆和光纤。它可以单独或与各种复用设备结合，用于卫星通信“最后一公里”、局间中继、GSM 系统基站到交换机间通信等场合。 ? 数据接入 采用扩频 Modem 和复用器，可以实现点对点的数据通信，再逐级汇集，也可组成很大的专用数据网，例如，银行的同城结算，可应用于 ISDN 和 DDN , FR 网。 ? 视频接入 ，采用 N 64kbit/s 或 2Mbit/s 的扩频 Modem 加上会议电视终端可传会议电视信息。若将多个点对点扩频信道和 MCU 相连，可以组成良好的多点扩频会议电视系统。采用每秒可输出 22 帧,25 帧的图像编解码器(Codec)，利用扩频 El，就可传送实时动态电视图像。 ? 多媒体接入 采用复用器，可在扩频信道上同时传送语音、数据和视频图像等多媒体信息。现在已有的扩频 Modem 与当前的多媒体通信发展水平相适应，设备轻巧，易安装，是较好的无线多媒体接入手段。 ? Internet 接入 采用小型扩频发射器和全向天线，用户终端只需配备一个很小的 Modem 即可实现无线上网，甚至是在一定范围内的可移动上网。 (二)卫星通信 本节主要讲述卫星通信的概念和特点，卫星通信系统组成和设备组成，卫星通信的多址方式，以及卫星通信新技术, VS F 卫星通信系统。 1(卫星通信的概念和特点 (1) 卫星通信的概念 卫星通信实际上是微波中继传输技术与空间技术的结合。它把微波中继站设在卫星上(称为转发器)，线路两端的终点站设在地球上(称为地球站)。因此，卫星通信系统由卫 星和地球站两部分组成。地球站实际上是卫星系统与地面通信网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统，形成通信线路。因此，卫星通信是地球上多个地球站(包括陆地、水面和大气层)利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的微波通信。 (2) 卫星通信的特点 (a) 通信覆盖面积大，便于多址连接一颗同步卫星可覆盖地球表面积的42,左右，在这个覆盖范围内的地球站，不论是地面、海上或空间，都可同时共用这一颗通信卫星来转发信号，即实现双边和多边通信。这种同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信的特性称为多址连接。 (b) 通信距离远，而通信的成本与通信距离无关利用静止卫星单跳最大通信距离达1800km。建站费用和运行费用不随通信站之间的距离不同而改变，这在远距离通信上比光缆、电缆、微波中继通信等有明显优势。特别是对于边远城市、农村和交通、经济不发达地区利用卫星通信是极为经济有效的。 (c) 传输容量大由于卫星使用微波频段，因而可使用频带宽，通信容量大，适于传送电话、电报、数据、宽带电视等多种业务。一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电话，其通信容量仅次于光纤通信。 (d) 通信线路稳定可靠，通信质量高卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输，而宇宙空间差不多处于理想的真空状态。因此，电波传输比较稳定，受天气、季节或人为干扰的影响小，所以卫星通信稳定可靠，通信质量高，卫星线路的畅通率都在99.8,以上。 (e) 通信灵活卫星通信不受地形、地貌等自然条件的影响，如丘陵、沙漠、丛林、高空及海洋上都能实现卫星通信。 (f) 传输延迟大在同步卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为0.27s。进行双向通信时，往返传播延迟约为 0.54s。所以通过卫星打电话时，讲完话后要等半秒钟才能听到对方的回话，使人感到很不习惯。 (g) 卫星使用寿命短，可靠性要求高由于受太阳能电池寿命以及控制用燃料数量等因素的限制，通信卫星使用寿命一般仅为几年。而卫星发射以后难以进行现场检修，所以要求在卫星的短短几年的使用寿命期间通信卫星必须是高可靠性的。 2. 卫星通信系统 (1) 卫星通信系统的组成 卫星通信系统是由通信卫星、地球站和遥测指令分系统和监控管理分系统。通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制分系统、遥测指令分系统、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。地球站由天线、发射、接受、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接受用户信号。跟踪遥测指令分系统是用来接收卫星发来的信标和各种数据，然后经过分析处理，再向卫星发出指令去控制卫星的位置、姿态及各部分工作状态。监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道前的监测和业务开通后的例行监测与控制，以便保证通信卫星的正常运行和工作。 (2) 卫星通信系统的线路 在一个卫星通信系统中，各地球站经过通信卫星转发器可以组成多条单跳单工或双跳单 工卫星通信线路。单工是指通信的双方分别被固定为发信站和收信站。发信站发送的信号只经一次卫星转发后就被接收站接收的卫星通信线路叫做单跳单工卫星通信线路。固定为发信站发送的信号经过两次卫星转发后被固定为接收站接收的卫星通信线路叫做双跳单工卫星 通信线路。卫星通信系统的线路组成如图20 所示。整个通信系统的全部通信传输工作就是通过这些卫星通信线路完成。在卫星通信线路中，把从发信地球站到卫星这一段线路称为上行线路，从卫星到收信地球站这一段线路称为下行线路，上、下行线路和起来就构成一条最简单的单工卫星通信线路。当两个地球站都有收发设备和上、下行线路，而且这两条线路共用一个通信卫星转发传播相反的信号进行通信，就构成了双工卫星通信线路。 (3)卫星通信系统的工作过程 卫星通信系统工作的基本原理如图 21 所示。从地球站1发出无线电信号f，这个微弱1的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后，再山卫星的通信天线把放大后的无线电波f重新发向地球站2，从而实现两个地球站或多个地2 球站的远距离通信，图21中f，f是另一条卫星通信线路所用的频率。需要注意的是， f341?f且f? f。举一个简单的例子:如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打电324 话，先要通过长途电话局，把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地球站连通，北京地球站把电话信号发射到卫星，卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地球站，收端地球站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。电视节目的转播与电话传输相似。但是由于各国的电视制式标准不一样，在接收设备中还要有相应的制式转换设备，将电视信号转换为本国标准。电报、传真、广播、数据传输等业务也与电话传输过程相似，不同的是需要在地面站中采用相应的终端设备。 图二十 卫星通信线路组成示意图 图二十一 星通信过程示意图 (4)卫星通信系统的分类 卫星通信按卫星的种类及卫星的运动方式可分为同步卫星通信系统与非同步卫星通信系统。两类系统均可实现固定通信业务及移动通信业务。 (a) 同步卫星通信系统 同步卫星通信系统(Geosynchronous Earth Orbit , GEo 或 Geostationary Orbit, GSO)是终端在移动，卫星是静止的(由于卫星绕地球的运行周期与地球自转同步，而对地球应相对静止)，所以又可称为静止轨道卫星系统。GEO 的卫星距地约36000km，通常约三颗卫 星可以覆盖全球。移动站与卫星间的移动卫星链路用 L 频段，地球站与卫星间的天线馈线链路采用 C 频段。目前较普遍采用的甚小口径卫星终端站(Very Small APerture Terminal , VSAT ) 也属于这类系统。VSAT由主站、小站和卫星组成，主站使用大型天线，用于 Ku 波段的天线直径为 3.5m,8m，用于 C 波段的天线直径为 7m,13m;小站天线的直径为 0.3m ,2.4m 。 (b) 非同步卫星通信系统 非同步卫星通信系统主要有中轨道卫星系统、椭圆轨道卫星系统及低轨道卫星系统等。该系统适用于以个人手持机为主的移动通信。中、低轨道卫星以每秒几公里的速度快速移动，相对于步行速度(每小时 20km,40km )和车辆速度(每小时 80km,200km )的移动终端，可以认为移动终端相对静止，而卫星在移动，也就是系统的卫星群在绕地球转动。移动终端与卫星间的移动链路用 L 频段。固定关口站与卫星站间的无线馈线链路用 Ka 频段或 C 频段。 ? 中轨道卫星通信系统 中轨道卫星(Intermediate Circular Orbit , ICO 或 Medium Earth Orbit , MEO)离地球高度约10000km 左右。中轨道卫星星座中卫星数量较少，约为十至十几颗，卫星重量为吨级。中轨道卫星采用网状星座，卫星为倾斜轨道。美国 1991 年发射的中轨道 Odysscy 系统，有12颗卫星，分布在三个轨道平面、每一轨道平面有 4 颗卫星，卫星轨道高度为 10371km 。 ? 高倾斜椭圆轨道卫星系统 高倾斜椭圆轨道卫星(High Ellipse Othit , HEO)，其离地最远点为 39500km,50 600km , 最近点为 1000km,21000km。例如， 1956 年前苏联发射成 1 ) J 的 Molniya (闪电)卫星就属于椭圆轨道卫星系统。 ? 低轨道卫星通信系统 低轨道卫星通信系统(Low Earth Orbit , LEO)，同样也适用于个人手持机，可提供话音及数据业务。LEO工作在L频段，卫星与地面距离约 700km,1500km。低轨道卫星星座中的卫星数量较多，约为几十颗，卫星重量小，小 LEO 重量仅几十公斤，大 LEO 约几百公斤。低轨道卫星多采用极轨星状星座，也有网状星座的。星状星座 100 ,覆盖全球，网状星座覆盖全球的绝大部分。移动链路用L 频段，网关站链中用 K , Ka 频段。 LEO 己推出的有“铱”系统，有66 颗卫星，高度785km 。全球星(Globalstar)系统有 48 颗卫星，高度1400km。 (5)卫星通信系统频段的划分 卫星通信系统频段的划分如表 8 所示。 表(八) 卫星通信系统频段的划分 目前卫星通信常用的工作频段有: UHF 频段:400MHz,200MHz;L 频段:l.6GHz,l . 5GHz;C 频段:6GHz,4GHz;X 频段:8GHz,7GHz;Ku 频段:14GHz,llGHz;Ka 频段:30GHz,20GHz。卫星通信常用工作频段中，前边的是卫星地球站向卫星传输的上行频率，后边的是卫星向地球站传输的下行频率。例如， C 频段 6GHz ,4GHz ，表示上行频率为 6GHz，下行频率为 4GHz。同时，实际工作频段与划分的频率范围略有出入。整个卫星通信工作频段中，1 GHz, 10GHz 频段，被称为卫星通信频率的“窗口”。窗口中最理想的频段是 C 频段，其典型应用实例是国际通信卫星组织发射的第六代国际通信卫星。 3(通信卫星 (1)同步通信卫星的设置和可通信区 (a) 同步卫星的设置通常人们说到通信卫星一般是指同步卫星，同步卫星的轨道是圆形且在赤道平面上，同步卫星离地面 35786.6km，飞行方向与地球自转方向相同时，从地面上任意一点看，卫星都是静止不动，这种对地静止的卫星称为通信卫星。利用三或四颗同步卫星，就能够使信号基本覆盖地球的表面。同步卫星设置示意图如图 22 所示。 图二十二 同步通信卫星设置示意图 (b) 同步卫星的可通信区 从图23 可以看到，同步卫星的覆盖区就是卫星引向地球的切线所包围的区域，也就是 ,,地球站天线仰角= 0?时刚好能看到卫星的边缘线所包围的地面区域。但是= 0?时，不 ,,能进行有效天线。在5时，才能有效地减少大气吸收和雨、雾产生的衰耗以及地面噪声 ,的影响，进行正常通信。所以，把天线仰角=5?时刚好能看到卫星的边缘线所包围的地面区域叫做同步卫星的可通信区。 (2) 通信卫星的组成 通信卫星主要由天线分系统、通信分系统(转发器)、遥测指令分系统、位置与姿态控， 制分系统、电源分系统、温控分系统和入轨与推进分系统七大部分组成。如图 23 所示。通信卫星是一个设在空中的微波中继站，其主要功能是;收到地面一个地球站发来的信号后(称为上行信号)，进行低噪声放大、混频，混频后的信号再进行功率放大后发射回地面的另一地球站(这时的信号称作下行信号)。上行信号和下行信号载波频率是不同的，这是为了避免在卫星通信天线中产生同频率信号于扰。 图二十三 通信卫星各系统组成方框图 (a) 天线分系统 天线分系统的主要任务是定向发射和接收无线电信号。通信卫星的天线有两类:一类是遥测、指令和信标天线，它们一般是高频(3MHz,30MHz)或甚高频(30MHz,300MHz)的全向天线，以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向地面发射遥测数据及信标，常用的全向天线有绕杆天线、螺旋天线等;另一类是通信天线，它与地面微波通信天线类似，都采用定向天线，通常按其波束覆盖区的大小分为覆球波束天线、点波束天线等。定向天线在卫星采用自旋稳定法实现姿态控制时，定向天线必须与卫星作相反方向的旋转，且旋转速度与卫星自旋速度相等而方向相反，以保证天线波束始终指向地球。 (b) 通信分系统 通信分系统就是通常所说的转发器，在通信卫星中直接起中继站作用，完成接收、处理、发射信号作用。对转发器的基本要求是:以最小的附加噪声和失真，以足够的工作频带和输出功率为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。转发器通常分为透明转发器和处理转发器两类。透明转发器对地面发来的信号进行低噪声放大、变频、功率放大后，不作任何加 工处理，只是进行单纯地转发任务:对工作频带内的任何信号形成“透明”通路，所以叫透明转发器;而处理转发器除了进行信号转发外，还具有信号处理功能。主要包括对数字信号进行再生，使噪声不会积累;进行无线波束直接的信号交换或更高级的信号变换和处理。卫星上转发器的数量各不相同，通常把卫星的整个工作频带划分为多个信道，每个信道占用不同的频带，并且有各自的功放。信道数目就是该卫星的转发器数目。例如，1S-IV 卫星把整个通信频带(500MHz)划分为 12 个信道，因此该卫星共有 12 个转发器。 (c) 遥测指令分系统 此系统主要包括遥测与遥控指令两大部分。遥测设备是用各种传感器和敏感元件等器件不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的跟踪、遥测指令系统。地面的跟踪、遥测指令系统接收并检测出卫星发来的遥测信号，转送给卫星监控中心进行分析和处理，然后，再由地面的跟踪、遥测指令系统向卫星发出有关姿态和位置校正、星体内温度调节、主备用部件切换、转发器增益换档等控制指令信号。遥控指令设备专门用来接收地面的跟踪、遥测指令系统发给卫星的指令，进行解调与译码后储存起来，并经遥测设备发回地面进行校对。在核实无误后发出“指令执行”信号，指令设备收到后，再将储存的各种指令发送到控制分系统，再由各执行机构正确地完成控制动作。 (d) 位置与姿态控制分系统 位置与姿态控制分系统是用来对卫星进行各种控制，包括对卫星的位置控制、姿态控制、温度控制、各种设备的工作状态控制及主备用设备切换等。静止通信卫星上的位置与姿态控制分系统是由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置，各种转换开关等。是在跟踪、遥测指令系统的指令控制完成对卫星的各种控制。 (e) 电源分系统 电源分系统是用来给卫星上的各种电子设备提供电能的。通信卫星的电源除了要求体积小，重量轻。效率高外，还要求能在卫星寿命期间内保持输出足够的电能。常用的卫星电源分系统由太阳能电池、化学电池及电源控制电路组成。太阳能电池是把太阳辐射的光能直接转换为电能的装置。大多用N -P 型单晶硅薄片贴在星体表面的绝缘膜上或专用的帆板上，将各片的电极适当分组串、并联起来，构成输出功率较大的太阳能电池阵。但它的输出的电压很不稳定，须经电压调节器后才能使用。化学电池大多采用镍隔蓄电池，与太阳能电池并接。非星蚀期间，由太阳能电池给负载供电，并通过充电控制器给蓄电池充电;星蚀时，由于卫星进入地球阴影区，太阳辐射的光不能直接照射到贴在星体表面的绝缘膜上的单晶硅薄片或专用的帆板上，此时太阳能电池阵不能输出功率较大的电能。此时由蓄电池供电，保证卫星正常五作。 (f) 温控分系统 卫星受太阳辐射时和环绕地球转到背向太阳一面时的温度差别很大，而且变化频繁，无线内行波管功率放大器及电源分系统等运行时产生热而升温。而卫星内的电子设备如本振等，必须温度稳定，否则影响通信质量。因此，卫星内必须装有温度控制装置。 (g) 入轨与推进分系统 同步卫星的轨道控制系统主要是由轴向和横向两个喷射推进系统构成的。轴向喷嘴是用来控制卫星在纬度方向的漂移，横向喷嘴是用来控制卫星因环绕速度发生变化造成卫星的在 图二十四 自旋控制示意图 经度方向的漂移。喷嘴是由小的气体(一种气体燃料)火箭组成的，它的点火时刻和燃气的持续时间是由地面测控站发给卫星的控制信号加以控制的。推进系统的另一职能是采用自旋稳定、重力梯度稳定和磁力稳定等方法对卫星进行姿态控制。图 24 中所示的姿态控制方法就是自旋控制。这种卫星被送上天时，在与火箭分离之前由火箭中的一个旋转装置使它以每分钟 10 转,100 转的速度旋转。旋转的卫星好像陀螺一样，旋转轴始终指向一个方向，就不会随意翻滚了。但是装在卫星轴上的天线，却不能随着星体转，所以要装上一个消旋装置，使天线稳稳地瞄准地球。 4. 地球站 典型的地球站由天线分系统、发射分系统、接收分系统、终端分系统及辅助系统等组成。如图 25 所示。 二十五 地球站组成方框图 (1)天线分系统 天线分系统是地球站的重要设备之一。它的性能优劣直接影响到卫星通信质量的优劣和系统通信容量的大小。另外，天线系统设备的价格约占地球站通信设备的总价格的三分之一。可以看出天线系统在地球站中的地位和作用是卜分重要的。地球站天线分系统完成发送信号、接收信号和跟踪卫星的任务，即将发射系统送来的大功率微波信号对准卫星发射出去;同时接收卫星转发来的微波信号送到接收系统。由于卫星转发来的微波信号很微弱，所以天线尺寸做得大一些，天线直径一般 20m,30m ，使接收弱信号的本领强一些。通常天线分系统包括天线、馈线设备和跟踪设备等三个部分。由于卫星通信大都工作于微波波段，所以地球站天线通常是地面天线，目前，主要用性能较好的卡塞格伦天线。对天线馈线系统的主要技术要求有工作频率范围合乎规定，具有足够的带宽;天线具有较高的增益与合乎要求的辐射波瓣;尽可能低的等效噪声温度和良好的旋转性能以及足够的机械精密度等。地球站天线分系统示意图如图 26 所示。 图二十六 地球站天线分系统示意图 为了把发射机输出的微波信号送到天线而将天线接收到的微波信号送到接收机，在天线和发射机、接收机之间均接有馈线设备。馈线设备主要由双工器、极化交换器、转动关节等波导元件以及一些波导传输线组成。双工器是用来解决地球站收、发共用一到天线的问题，尽量保证接收和发射信号很够好地分离而不造成相互间干扰。极化变换器用来把天线接收的圆极化波变换成线极化波，通过波导传输线送往接收设备，同时把发射机输出的沿波导传输线传输的线极化波转换成圆极化波。天线跟踪卫星时要进行方位和俯仰两方面的转动。利用转动关节来解决天线转动时的馈线设备不影响电磁波的传送。静止通信卫星实际上并非完全静止。虽然星上有位置控制设备，但它还是有一定的漂移，而一般地球站天线的波束很窄，因此，巨星的漂移可能导致地球站天线瞄准的方向不是最佳指向。从而大大减弱卫星收到的信号能量。为使地球站天线始终对准卫星，需要跟踪设备。 地球站天线跟踪卫星的方法有三种: ? 手动跟踪是根据预知的卫星轨道位置数据随时间变化的规律，通过人工按时调整天线的指向。 ? 程序跟踪是根据预测的卫星轨道位置数据和天线指向的角度数据编成设计程序，输入电子计一算机，由计算机根据程序来控制天线的指向。 ? 自动跟踪方式需要卫星不断地向地球站发射一个低电平的微波信标信号。地球站利用跟踪接收机的信标误差信号来跟踪。当天线轴对准卫星时，跟踪接收机无误差信号输出。如果天线轴偏离了指向卫星的方向，在天线控制系统中就会产生一个与偏向角度大小成正比的误差信号，去控制驱动装置，从而控制天线的指向，使天线轴对准卫星。自动跟踪能使天线连续跟踪卫星目(精度较高在大型标准地球站中，通常以自动跟踪为主，手动跟踪和程序跟踪为辅。 (2)发射分系统 发射分系统是将终端分系统送来的基带信号调制为中频信号(一般为 70MHz )，然后， 对该中频己调载波进行上变频变换成射频信号(如 C 波段地球站上变频到是 6GHz 频段)并把这一信号的功率放大到一定值后，输送给天线系统向卫星发射。对地球站发射系统的主要要求有:发射功率大、频带宽度 500MHz 以上、增益稳定以及功率放大器的线性度高。发射系统中起主导作用的是功率放大器，业务量大的大型地球站常采用速调管功率放大器、输出功率可达3000W 。中型地球站常采用行波管功率放大器，功率等级为 100W,400W。功率放大器可以是单载波工作，也可以是多载波工作。地球站发射分系统方框图如图 27 所示。 (3)接收分系统 图二十七 地球站发射分系统方框图 地球站接收分系统是将天线分系统送来的射频信号进行低噪声放大、分离、下变频为中频信号(载波一般为 70MHz )、再解调成基带信号，然后，输送给终端分系统。地球站接收分系统方框图如图28 所示。 图二十八 地球站接收分系统力框图 接收分系统是从噪声中接收来自卫星的信号。由于卫星转发器的发射功率一般只有儿瓦到几十瓦，而且卫星天线的增益也小，同时，由卫星转发下来的信号，经下行线路约 40000km 的远距离传输后，要衰减 200dB 左右。因此，当信号到达地球站时就变得极其微弱。一般 -17-18只有 10 W,10 W 的数量级。所以地球站接收系统的灵敏度必须很高，噪声必须很低，刁能正常接收。为了满足上述主要要求，地面站除了采用高增益天线似外，接收机的前级一般都要采用低噪声放大器。 (4)终端分系统 终端分系统的作用是把一切经由地球站上行或下行的信号(电报、电话、传真、电视、数据等)进行加工、处理。例如，对上行信号进行加入报头、扰码、信道纠错编码等，对卜行的信号进行信道解码、去扰码、去报头，对接收国际电视节目的卫星信号可能还要进行制式转换等。 (5)辅助系统 辅助系统包括地面传输设备、监控分系统和电源分系统。 地球站相当复杂和庞大，为了保证各部分正常工作，必须进行监视、控制和管理，监控分系统就是用来监视地球站的总体工作状态、通信业务、各种设备的工,作情况以及现用与备用设备的情况、对地球站的通信设备进行遥测、遥控以及现用、备用设备的自动转换等。地球站电源分系统要供应站内全部设备所需的电能，因此，电源分系统性能优劣会影响卫星通信的质量及设备的可靠性。为了满足地球站的供电要求，通常应设有两种电源设备，即应急电源设备和交流不间断电源设备。应急电源设备是当市电发生重大故障或由于地球站增添设备现用电源电力不足时的应急电源。它由两台并联的全自动控制柴油发电机、高压配电盘、自动并联控制盘、启动用蓄电池及其他补充设备构成。交流不间断电源设备是向地球站，尤其是大功率发射机提供不间断的高稳定性电源设备。正常情况下由市电供电。市电一般采用 专线，最好是两路，而且分别从不同变电站引接，以提高市电的可靠度。市电经配电柜分别给动力、通信、照明、空调等各种设备供电，其中，至通信设备的电源必须具有 UPS 设备。一旦市电中断，立即启动应急电源设备，因为应急电源设备从起动到正常供电需要一定时间，这段过渡时间需由 UPS 向各用电设备供电电源设备。另外，为了确保电源设备的安全以及减少噪声、交流声的来源，所有电源设备都应良好地接地。 5.卫星通信的多址方式 卫星通信的多址方式是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过一颗卫星的中继，建立双址和多址之间的通信。多路复用和多址方式都是利用一条信道同时传输多个信号，不同的是，多路复用是群频即基带信道的复用，而多址方式是射频信道的复用。卫星天线中己应用的多址方式主要有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、空分多址(SDMA)和码分多址(CDMA)等方式。 (1) 频分多址(FDMA) 卫星通信系统使用的频分多址是将通信卫星使用的频带分割成若干互不重叠的部分，再将它们分别分配给各地球站。各地球站按所分配的不同射频载波频率发送信号，接收端的地球站根据不同射频载波频率识别发信站，并从接收到的信号中提取发给本站的信号。由于频分多址方式可以直接利用地面微波中继通信的成熟技术和设备，也便于与地面微波系统直接连接，所以，频分多址方式是国际卫星通信和一些国家的国内卫星通信较多采用的一种多址力式。它的主要缺点是存在互调干扰。克服互调干扰的最根本方法是不采用频分多址方式，而采用时分多址方式。频分多址方式可分成多址载波方式和单址载波方式。卫星通信系统频分多址的多址载波方式是指每个地球站只分配给一个载波，载波频率不同，并且频谱无重叠， 因而各站的发射和接收频谱是已知且是确定的，每个地球站利用基带中的频分多路复用或时分多路复用将发往不同站的信号安排在不同的群路上，以便各对方站识别并取出发到该站的信号。复用后的信号调制到分配给该站的载波上经高功放由天线发往卫星。卫星转发后被各站接收，经解调后在各站各自的载波机中由滤波器分别取出只属于本站应收的基群，这样便完成了两站的信号传送。图29 所示为频分多址的多址载波方式系统示意图 c 该系统中共有四个地球站使用同一个卫星转发器，1 , 2 , 3 , 4 四个站的载波频率不同，并且频潜无重叠，如 1 站要与其他三个站同时通信，1 站发出的信号包括 2 , 3 和 4 站的信号，2 , 3 , 4 三个站接收机滤出各自站频谱内信号。卫星通信系统频分多址可分为单址载波方式和多址载波方式。单址载波方式是指一个载波仅包含发给一个地球站的信号。一个地球站同多个地球站通信时则发多个载波，这样接收地球站可直接滤波出给它的信号;多址载波方式是指一个地球站只发一个载波，利用基带中的频分多路复用或时分多路复用区分将发往不同地球站的信号。单址载波改变线路容量比较容易，在地球站数量较多的频分多址卫星通信系统中，多址载波可以减少转发器上载波的个数，从而降低互调对系统的影响。 图二十九 频分多址示意图 (2)时分多址(TDMA) 卫星通信系统的时分多址是把卫星转发器的工作时间分割成周期性的互不重叠的时间间隔(即时隙)分配给各地球站使用。地球站可以使用相同的载波频率在所分配的时隙内发送信号。接收端地球站根据接收信号的时隙位置提取发给本站的信号。在这种方式中由于分 ,,,T, T，T，„ ， 配给每个地球站的不再是一个特定的载波，而是一个指定的时隙，如123,T是各地球站在卫星转发器中所占时隙，这样能有效地利用卫星频带而又不使各站信号k ,,,,相互干扰。图30 中设有四个时隙T, T，T，T。通常人们把所有地球站时隙在1234 卫星内占有的整个时段的和叫做卫星的一个帧周期简称为帧，用 Ts 表示，而把各地球站的 ,时隙T叫做分帧。各地球站的分帧长度可以一样长，也可不一样长，根据业务量而确定k 分帧长度。由于各地球站只在自己的分帧内向卫星发射信号，所以各载波不是同时进入卫星的，也就是说在任一时刻卫星转发器放大的只有一个载波，这就允许各地球站采用相同的载波频率，从而在根本上克服了频分多址方式的缺点，即解决了互调干扰的问题。为了实现各地球站的信号按指定的时隙通过卫星转发器转发，就要同步各地球站的发送时间，也就是必须要有一个时间基准，同步是时分多址方式的一个关键问题。 图三十 时分多址示意图 (3)空分多址(SDMA) 空分多址方式是指在卫星上安装多个天线，覆盖区分别指向地球表面上的不同区域。不同区域的地球站所发射的电波在空间不会互相重叠，利用天线的波束在空间指向的差异来区分不同地球站。空分多址示意图如图31 所示。卫星上装有转换开关设备，某区域中某一站的上行信号，经上行波束送到转发器由卫星上转换开关设备将其转换到另一通信区域的下行波束，从而把转发信号传送到此区域的某地球站。如果有几个地球站都在天线同一波束覆盖区，则它们之间的站址识别还要借助频分多址方式或码分多址方式。这种方式要求天线波束的指向应非常准确。 图三十一 空多分址示意图 空分多址方式的主要特点是:卫星天线增益高;卫星功率可得到合理有效的利用;不同区域地球站所发信号在空间互不重叠，即使在同一时间用相同频率，也不会相互干扰，因而可实现频率重复使用，系统容量得到扩大;卫星对其他地面通信系统的干扰减小。但空分多址方式对卫星的稳定及姿态控制要求很高，且天线及控制装置都较庞大和复杂，转换开关发生故障后不能修复，使通信失效的风险增加。 (4)码分多址(CDMA) 码分多址卫星通信系统中，各个地球站所发射的载波信号的频率相同，并且各个地球站可同时发射信号。但是不同的地球站有不同的地址码，该系统靠不同的地址码来区分不同的地球站。各个站的载波信号由该站基带信号和地址码调制;接收站只有使用发射站的地址码 刁能解调出发射站的信号，其他接收站解调时由于采用的地址码不同，因而不能解调出该发射站的信号。码分多址有多种方式，日前应用较多的是直接序列扩频码分多址(DS / CDMA)和跳频码分多址(FH / CDMA)两种。由于码分多址卫星通信系统中在原发送信号中叠加了类似噪声为随机码(PN)，使信号频谱大大展宽(扩频)，因此，码分多址方式抗干扰性能强，此外有一定的保密能力，改变地址比较灵活。缺点是:要占用很宽的频带，频带利用率一般较低;接收时，对地址码的捕获与同步需有一定时间。它特别适用于军事卫星通信系统及小容量的系统及要求保密性强的卫星通信系统。对于上述各种多址方式，在实际应用中可以取长补短，配合使用。为了更有效地利用有限的通信资源，根据具体情况考虑使用不同的信道分配方式，以便为更多的用户提供服务。 6. VSAT卫星通信系统 (1 ) VSAT 卫星通信系统的概念和特点 甚小口径卫星终端站(Very Small ApertureTe Terminal , VSAT )，意译应是“甚小天线地球站”。由于源于传统卫星通信系统，所以也称为卫星小数据站(小站)或个人地球站(Personal Earth Station , PES )，这里的“小”字指的是 VSAT 卫星通信系统中小站设备的天线口径小，通常为 0.3m ,2.4m。VSAT 卫星通信系统具有灵活性强、可靠性高、使用力便及小站可直接装在用户端等特点，利用 VSAT 用户数据终端可直接和计算机联网，完成数据传递、文件交换、图像传输等通信任务，从而摆脱了远距离通信地面中断站的问题。使用 VSAT 作为专用远距离通信系统是一种很好的选择。目前，广泛应用于银行、饭店、新闻、保险、运输、旅游等部门。由众多甚小天线地球站组成的卫星通信网，叫做“VSAT 网”。 VSAT 网根据业务性质可分为三类: ? 以数据通信为主的网，这种网除数据通信外，还能提供传真及少量的话音业务; ? 以话音通信为主的网，这种网主要是供公用网和专用网话音信号的传输和交换，同时也能提供交互型的数据业务: ? 以电视接收为主的网，接收的图像和伴音信号司作为有线电视的信号源，通过电缆分配网传送到用户家中。 VSAT 网的网络结构有星型、网状或者星型,网状混合三种。VSAT 网的网络结构图如图32所示。星型网由一个主站和若于个 VSAT 小站组成。通过卫星主站可与任一小站直接通信，各个 VAST 站之间必须通过主站转接才能互相通信，此种网主要用于数据传输;网状网中各站无主次之分，通过卫星任意两个 VSAT 站都能直接互相通信，此种网主要用于话音传输。一个网内可有数十、数百甚至数千个 VAST 站。 图三十二 VSAT 网的网络结构示意图 VSAT 网的主要特点有: ? 组网比较灵活，可以根据需要组合成各种拓扑结构的业务网络，以满足不同需求; ? 能满足话音、数据、图像、传真等多种业务的传输; ? 具有多种卫星信道分配方式，如 DAMA , PAMA 和动态分配方式; ? 设备趋于模块化，易于扩容、组合; ? 为用户提供多种通信规程和接口，可满足用户现有设备以及扩容网络新增设备的联网; ? 网络管理和控制功能软件化，功能不断增强; ? 投资少、见效快。 (2)ALOHA 技术及其在 VSAT 网络中的应用 (a) ALOHA 技术的上作原理 ALOHA 原是美国夏威夷大学为计算机之间的数据信息传输与交换设计的一种在地面通信网中进行的数据分组广播通信方式，于 1973 年第一次将该技术用于卫星通信系统。经过反复实验，证明这种技术应用于卫星通信完全可行。 ALOHA 的基本工作原理是:VSAT 数据传输包括许多个远端小站，每个小站有一个发射控制单元。首先，将数据分成若干段，给每一个数据段的前边加上一个报头，其中含有发、收方的地址及某些控制比特在每个数据段后面再加上检错码，就构成了一个信息包(packet)。传输控制单元以线路的最大速率发射信息包，但储存器中还保留信息包的“副本”。发射是随机的，工作在这个频率上的所有 VSAT小站都可接收到这个信息包，只有与报头中地址码相符的那个站才能检测出发给自己的信号。经验证，这个信息包没有错误时，就可以发一个应答信号给发端，证实已正确接收;否则不予回答。如果发射站在规定时间内没有收到应答信号，需重新发射该信息包，直到发送成功，也就是收到应答信号为止。因为各信息包的发射是随机的，偶而会引起相互问的“碰撞”(信息包重叠)，或是随机噪声增大引起信息包数据严重误码，这样都会使发射失败而需要重发。若第二次发射失败，再发第三次。但每一次重发时，两个“碰撞”的地球站的等待时间不相同，以降低再次碰撞的概率。所以每个控制单元必须装置随机延迟电路，以获得不同的随机等待时间。如果第二次、第三次碰撞所引起的时间延迟比要求对方响应的时间短得多，对数据传输的影响就很小。 ( b) ALOHA 技术的分类及其在 VSAT 系统中的应用 ALOHA 所用的多址联接技术，实质上是一种无规则的时分多址力式，也称随机联接方式。它是面向用户需要而选取信道的，卫星数据传输网中的每个用户可以随机选取信道。当数据量很大时，卫星信道的传输效率就会急剧下降。因此，它只适合于容量小、地球站却很多的情形。ALOHA 技术可以分为以下几种。 ? 纯 ALOHA ( P -ALOHA ) P-ALOHA 是一种完全随机的多址方式，全网不需要定时和同步，各站发射时间是完全随机的。当 VSAT 小站数目不多时，系统能够很好地工作，其信道利用率比 TDMA 按需分配方式还要高，并具有一定的抗干扰能力。而当 VSAT小站数目很多，传输业务繁忙时，发生碰撞的概率增大，信道的传输效率就降低，最高只能达到 18.4 %，且存在潜在不稳定性。 ? 时隙 ALOHA ( S -ALOHA ) S-ALOHA 是为了改善纯 ALOHA 而采用的。S -ALOHA 规定，信道按时隙划分，每个时隙正好传送一个分组，数据分组到达后，必须等到下一时隙才开始传送，数据分组的首尾应与占用的发送时隙单元首尾时刻同步，因此，分组间一旦发生碰撞将是百分之百的重叠，发生碰撞后仍经随机延时后按时隙重传数据分组。S-ALOHA 的信道利用率比P- ALOHA 有很大改善，最大利用率可达 36.8 % ，但全网需要定时和同步，设备比较复杂，且也存在潜在不稳定性。 ? 预约 ALOHA ( R-ALOHA ) 因为在 VSAT 数据网中，各小站所传输的业务类型和业务量极不相同，为了解决长、短报文的兼容，以防像 P-ALOHA 或 S-ALOHA 方式把长报文分成许多个信息包，然后一一发送出去，使传输时延过长的弊病而采用了 R-ALOHA 。当 VSAT 小站有数据发送时，需发送一个申请给中心站的按需分配处理器，并表明需要发送的通信量。按需分配处理器通过入站载波把定量的 TDMA 时隙分配给发出申请的 VSAT 站。当有多个 VSAT 站同时向中心站发出申请时，则需排除等候。这种方式可用于数据量变化较大的用户，最大信道利用率可达 83. 3 % , 但设备更趋复杂，且平均传输时延较长。 ? 捕获效应 ALOHA ( C-ALOHA ) C-ALOHA 是纯 ALOHA 的改变型。每个用户以不同的功率发射信号，即使发生碰撞，其中最大的信号能够被对方正确地接收。发射控制单元根据其业务的等级能够改变发射功率。如果不能改，可以对各用户按照它们的优先等级决定其发射功率电平。在设计合理的情况下，C-ALOHA 信道的容量可为 P-AL0HA 的三倍，但如果大量的信息包同时进入卫星转发器信道，由于星上行波管放大器的调幅,调相(AM / PM)转换作用，会将输入电平的幅度起伏变换为调相分量，经数字解调器后，比特差错率将会增大。 ? 选择拒绝 ALOHA ( SREJ-ALOHA ) SREJ-ALOHA 规定对信息分组仍以 AL0HA 方式发射，对每个分组再进一步分成若千个小分组，每个小分组又有各自的报头和前置码，这样在接收端对每个小分组可以独立地进行检测。如果发生信息包碰撞，其中未遭碰撞的小分组被对方站正确接收，只需要重新发射遭到碰撞的小分组。由于 SREJ-ALOHA 具有不需要定时同步和适合于信息包长度可变的重要特点，又克服了由于碰撞使信道利用率低的缺点，在非同步系统中容量最高，是一种较好的非时隙随机多址方式，具有广阔的应用前景。综上所述，对于一个具体的 VSAT 网络，应根据其所传输的业务种类、容量大小、延时要求、VSAT 终端数目、网络结构及卫星转发器的性能参数来综合考虑，合理选择由主站到小站力‘向出站链路的多址协议和由小站到主站方向入站链路的多址协议，以及它们之间的有效组合，使系统性能价格比处于最佳状态