《微波与卫星通信》课件第4章.ppt

1、第4章卫星通信中的多址技术 第4章卫星通信中的多址技术 4.1 多址方式的基本概念多址方式的基本概念 4.2 频分多址技术频分多址技术(FDMA)4.3 时分多址技术时分多址技术(TDMA)4.4 码分多址技术码分多址技术(CDMA)4.5 空分多址技术空分多址技术(SDMA)4.6 卫星分组通信中的多址技术卫星分组通信中的多址技术 第4章卫星通信中的多址技术 4.14.1多址方式的基本概念多址方式的基本概念 4.1.14.1.1多址方式的概念及分类多址方式的概念及分类多址方式是指在同一颗卫星覆盖范围内的多个地球站，可以通过该卫星实现两站或多站之间的通信。多路复用是通信中常用的提高信道利用率的

2、方法，而多址技术是卫星通信中特有的提高信道利用率的方法。两者之间的差异在于多路复用是多路信号在基带信道上进行的复用，多址技术是指将多个地球站发射的射频信号，在射频信道上进行的复用。两种技术在通信过程中都包含多个信号的复合、复合信号在信道上的传输以及复合信号在接收端的分离三个过程，如图41所示。其中最关键的是如何在接收端从复合信号中提取出所需的信号。多路复用信号在接收端的分离在其它相关课程中均有介绍，在此重点介绍多址技术中信号在接收端的分离。第4章卫星通信中的多址技术 图41信号的复合与分离 第4章卫星通信中的多址技术 在多址方式中，信号的分离是根据传输信号所需的频率、时间、波形以及空间位置等参

3、量来进行的。根据这些参量多址技术可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）。频分多址（FDMA）：在这种多址方式中，每个地球站发射的射频信号的频率不同，各地球站在自己所拥有的频段中发射信号，信号在卫星中按照频率的高低，顺序排列在卫星转发器的频带内。在接收端，各地球站利用带通滤波器从所接收的信号中取出与自身相关的信号。时分多址（TDMA）：在这种多址方式中，每个地球站在分配的时隙内发射射频信号，在任意时间点上，只有一个地球站与通信卫星进行沟通，各地球站可采用同一射频载波信号。在接收端，根据识别码取出与本站有关的信号。第4章卫星通信中的多址技术 码

4、分多址（CDMA）：在这种多址方式中，每个地球站分配一个特殊的地址编码，各地球站的地址编码的码型正交或准正交。每个地球站使用自己的地址编码对发射的信号进行调制，使得各地球站发射的信号可同时占用卫星转发器的全部带宽。在接收端，只有采用与发射信号相匹配的接收机才能接收到与发射地址码相符合的信号。空分多址（SDMA）：在这种多址方式中，通信卫星使用多副窄波天线指向不同的覆盖区域，卫星上的路径选择功能向各自的目的地发射信号。各窄波天线覆盖的区域内的地球站发出的信号在时间及空间上互不重叠，可同时使用相同的频率工作。但在实际使用中，要给每个地球站分配一个卫星天线波束很困难，因此SDMA通常与其它多址技术结

5、合使用，而不会单独使用。第4章卫星通信中的多址技术 4.1.24.1.2多址方式中的信道分配技术多址方式中的信道分配技术1 1预分配方式预分配方式在这种信道分配方式中，卫星信道是预先分配给各地球站的。在使用过程中不再变动的预分配称为固定预分配方式。对应于每日通信业务量的变化而在使用过程中不断改变的预分配称为动态预分配方式。第4章卫星通信中的多址技术 1）固定预分配方式在卫星通信系统设计时，按照通信业务量的多少分配信道数目，每个站分到的数量可以不相等，分配后在使用过程中信道的归属一直固定不变，即各地球站只能使用自己的信道，不论业务量大小，线路忙、闲，都不能占用其他站的信道或借出自己的信道。固定预

6、分配方式的优点是通信线路的建立和控制非常简便，缺点是信道的利用率低。因此这种分配方式只适用于通信业务量大的系统。第4章卫星通信中的多址技术 2）动态预分配方式动态预分配方式是指通过对系统内各地球站间的业务量随时间或其它因素在一天内的变动规律进行调查和统计，然后规定通道一天的固定调整方式。这种方式的信道利用率显然要比固定预分配方式要高，但从每个时刻来看，这种方式也属于固定预分配，因此它也适用于大容量线路，在国际通信网中较多采用。第4章卫星通信中的多址技术 2 2按需分配方式按需分配方式按需分配方式是指系统中所有的地球站共用所有的信道，信道的分配要根据当时的各站通信业务量而临时安排，信道的分配灵活

7、。这种信道分配方式的优点是信道的利用率大大提高，但缺点是通信线路的控制变得复杂了。通常要在卫星转发器上单独规定一个信道作为专用的公用通信信道，以便各地球站申请、分配信道时使用。第4章卫星通信中的多址技术 常用的按需分配方式有以下两种。1）全可变方式在这种方式中，发射与接收可随时随地申请和分配信道。可选取卫星转发器的全部可用的信道，使用结束后立即归还，以供其它各地球站申请使用。第4章卫星通信中的多址技术 2）分群全可变方式在这种方式中，将系统内业务联系比较密切的地球站分成若干群，卫星转发器的信道也相应分成若干群，各群内的信道采用全可变方式，但群与群之间不能转让信道。群与群之间的连接有几种方法，其

8、中之一是各群中设有一个主站，群内设有群的小区控制器CSC供群内各站与主站连接。另外还设有群间的CSC，供各群主站相互连接使用，通过主站的连接把信道分给两个不同群的地球站，以建立这两个站之间的通信连接。第4章卫星通信中的多址技术 3 3随机分配方式随机分配方式随机分配方式是指网中各站随机地占用卫星转发器的信道，这种方式通常在卫星通信的数据交换业务中使用。以上所讨论的信道分配方式都是在每个地球站各具有一台交换机的条件下进行的，而卫星转发器没有交换和分配信道的能力。随着通信业务的增长和卫星转发器技术的发展，某些信道分配的功能已移到卫星上。这样的卫星就不再是“透明”的，而具有了交换处理和信号加工的功能

9、。第4章卫星通信中的多址技术 4.2频分多址技术（频分多址技术（FDMA）4.2.14.2.1FDMAFDMA的原理及分类的原理及分类频分多址（FDMA）方式是卫星通信系统中最简单、普遍采用的多址方式。在用这种方式组成的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波具有一定的频带，各载波频带间设置保护频带以防止相邻载波间的干扰。具体的原理框图如图42所示。第4章卫星通信中的多址技术 图42频分多址方式原理框图 第4章卫星通信中的多址技术 图中f1、f2、f3是各地球站发射的载波频率，在卫星转发器中按频率高低排列，经频率变换转换为相应的下行频率发往各地球站，各地球站根据载波频率

10、的不同识别来自不同地球站的信号。在FDMA中，根据各地球站之间载波连接方式的不同，有两种不同的连接方式：单址载波和多址载波。第4章卫星通信中的多址技术 单址载波是指每个地球站向其它各地球站分别发射一个不同的载波，如果有n个地球站，则每个地球站向卫星发射的载波数目为n-1个，n个地球站同时向卫星发射的载波数目将为n(n-1)个。这样，当地球站数目较多的时候，会使得卫星系统的交调干扰非常严重，因此，该方式只适用于地球站数目较少的情况下。多址载波是指将一个地球站发送给其它各站的信号采用多路复用的方式形成基带上的多路信号，再调制到一个射频载波上发射出去。其它地球站接收时经解调后用带通滤波器取出与本站相

11、关的信号。这样每个地球站只发射一个载波。第4章卫星通信中的多址技术 地球站传送多路信号有两种不同的方式：单路单载波（SCPC）和多路单载波（MCPC）。单路单载波（SCPC）是指在FDMA中每个载波只传送一路话音或数据，可根据通信要求为每个通信方向分配若干个信道。这种技术与话音激活技术结合使用可有效地提高卫星转发器的效率。多路单载波（MCPC）是指在FDMA中为多个话路分配一个载波。其工作原理与多址载波方式相同。频分多址方式根据多路复用以及调制方式的不同，可分为以下几种方式。第4章卫星通信中的多址技术 1)FDM/FM/FDMA方式这种方式先把要传送的电话信号进行频分多路复用处理，即FDM；再

12、对载波进行调频，即FM；然后按照载波频率的不同来区分地球站站址，即FDMA。2)SCPC/FDMA方式SCPC方式的含义是每一个话路使用一个载波。这种多址方式中的调制方法可以是PCM/PSK的，或增量调制M/PSK的，也可以是比较简单的FM的。SCPC多址方式是预分配的，当采用按需分配方式时，就叫做SPADE方式。第4章卫星通信中的多址技术 3)PCM/TDM/PSK/FDMA方式这种多址方式先把话音信号进行脉码调制(PCM)；经过时分多路复用(TDM)，然后再对载波进行相移键控(PSK)；最后采用频分多址(FDMA)方式，并根据载波频率的不同来区分站址。除了上面所提到的几种调制方式外，还可以

13、采用其它调制方式。具体采用哪种调制方式，要根据卫星通信系统的用途和要求来决定。第4章卫星通信中的多址技术 4.2.24.2.2FDM/FM/FDMAFDM/FM/FDMA方式方式在这种方式中，地球站采用频分复用的方法将多路信号在基带信道上进行复用，然后将复用后的信号通过调频的方法调制到指定的射频频率上，系统中的各个地球站采用频分多址技术进行连接。为了减小FDMA系统中的交调干扰，通常在该系统中采用多址载波方式。第4章卫星通信中的多址技术 图43为FDM/FM/FDMA方式的示意图。假定A站向E站发送信息进行频分多址通信，则A站用基带复用器将要发送的信号从接收站复用到基带信号的相应频带中，如图所

14、示，将A站送往E站的信号复用到发往E站的频带中，然后将整个基带信号进行上变频，调制到A站射频频率fA上，再经功率放大器、天线、上行链路发送给卫星转发器的接收机。在通信卫星的转发器中，信号经过卫星上的合路、放大和变频处理后成为频率为fA的下行射频信号。当E站接收到频率为fA的下行射频信号后，经过下变频、中频滤波和解调后，就得到了A站发送给所有地球站的基带复用信号，再使用带通滤波器选出送往本站的基带信号，最后使用基带信号分离器对多路信号进行分路，送往地面通信网。第4章卫星通信中的多址技术 图43FDM/FM/FDMA方式的示意图 第4章卫星通信中的多址技术 4.2.3SCPC方式方式 1 1预分配

15、方式的预分配方式的SCPCSCPC在预分配方式的SCPC系统中，信道固定分配给各个地球站。通信双方地球站通一路话时，各占用一条卫星信道。SCPC系统的频率配置如图44所示。由于一路数字话音信号是64kb/s，因此可将一个卫星转发器上36MHz带宽等间隔地划分为800个载波信道,以导频为界，高低频段各设置400条信道，信道间隔为45kHz，第400和401信道留空。于是，导频与相邻左右两信道之间的间隔为67.5kHz，以保护导频不受干扰。基准导频用作各站自动频率控制AFC的基准，确保各地球站对导频的接收和提取。但是，对于发射站的频率变动，不能使用AFC进行补偿，只能严格限制在250Hz以内，使其

16、影响可以忽略不计。由卫星运动所引起的多普勒频移的量级最大是210-8，由此产生的特性恶化可以忽略不计。第4章卫星通信中的多址技术 图44预分配方式SCPC的频率配置 第4章卫星通信中的多址技术 各地球站设置的SCPC终端设备的组成图如图45所示。图中的地面接口单元完成SCPC系统与地面通信系统的连接。信道单元是为每个话音信号或数据信号而准备的。不过用于话音信号和用于数据信号的分单元部分是不同的，话音信号单元是用来完成话音信号的编码、调制的设备。公用单元由发射分单元和接收分单元组成。发射分单元将来自信道单元的信号上变频为上行频率，而接收分单元则把卫星转发来的下行频率的信号变成70MHz中频，并将

17、它们分别送往相应的信道单元，同时进行自动频率控制(AFC)和自动增益控制(AGC)。第4章卫星通信中的多址技术 第4章卫星通信中的多址技术 如图45所示，在SCPC系统中，话音信号的传输根据奈奎斯特定律按8kHz进行取样，量化时采用A律13折线压扩特性，7bitPCM编码。这样构成的PCM信源编码速率为56kb/s，然后每224bit前插入一个32bit的消息头（SOM），从而构成传输速率为64kb/s的PCM编码。在SCPC系统中利用话音传送时的不连续或间歇特性，在信道单元内设置“话音检测器”，它有一个话音电平的低端阈值，当输入话音超过这个阈值时(如PCM编码信号的4个连续样值超过阈值(-2

18、4dBm0或-28dBm0)就发射载波，称为话音激活，从而使卫星转发器中同时存在的有效载波数减少，并相应地减少了交调干扰，进而提高了卫星功率的利用。第4章卫星通信中的多址技术 由于话音激活和不断形成载波的通/断(即脉冲性)发射，为了在接收端能对这种不连续波进行相干检波，因而应在各分帧的前端字头内设计载波和位定时恢复码。当采用绝对QPSK调制方式时，为了克服相干检波存在的载波相位模糊，必须在接收端确定相干检波所需要的基准相干载波相位。信息头SOM既可以确定帧同步，同时根据接收到的SOM的模式也能消除相干载波的相位模糊。第4章卫星通信中的多址技术 数据信号的传输是以连续发送方式进行的，因此不需要为

19、恢复载波和位定时而附加字头，但是为正确恢复载波和位定时，消除所传输信号中出现的长连“1”或长连“0”模式，可以对传输码进行扰码。扰码后的数据再进行纠错编码。对48kb/s或50kb/s的输入数据信号几乎均采用3/4的卷积编码，按这种编码可以纠正80个连续比特中的2个误码。对于速率为56kb/s的数字信号，均采用7/8的卷积编码，它可以纠正384个连续码位中的2个错误。在数据传输中，由于未插入消息头SOM，因此消除帧同步和基准载波相位模糊，得参考纠错译码时所得到的伴随式，即以伴随式计数器检测的比特错误率不能超过某个规定值为原则来修正同步状态和相位。第4章卫星通信中的多址技术 2 2按需分配的按需

20、分配的SCPCSCPC（SPADESPADE）采用SCPC方式的卫星系统中通信地球站的通信容量一般较小，站址数较多，总通信业务量又不太繁忙，因此，采用预分配方式的SCPC系统不能充分体现其优越性，而采用按需分配方式更适用于SCPC系统。SPADE方式就是一种按需分配SCPC方式，即SCPC/PCM/DA/FDMA方式。第4章卫星通信中的多址技术 该系统与预分配方式SCPC在话音编译码方式、调制方式、话音激活技术，为恢复载波和位定时而附加的字头和消息头等方面均相同，其特点在于采用了卫星线路的按需分配技术，即当电话线路上有通信呼叫请求时，才沟通星-地线路，构成一个通信信道。由于采用按需分配方式，所

21、以按需分配的SCPC在频率配置、地面终端设备以及工作过程与预分配方式等方面与SCPC有所不同。为了实现按需分配，在SPADE系统中，通常将一个转发器的部分频率配置为公用信令信道(CSC)，其它频段配置为通信信道。具体的频率配置如图46所示。第4章卫星通信中的多址技术 图46SPADE系统的频率配置 第4章卫星通信中的多址技术 对于卫星转发器36MHz带宽的频率分配，SPADE系统的频率分配方案和预分配方式SCPC系统的频率分配方案基本上一样，只是在频率低端留有160kHz带宽提供给CSC。这样信道1和2将不能使用，因此可提供给用户使用的双向信道数目为397条。第4章卫星通信中的多址技术 CSC

22、按TDMA方式工作，采用128kb/s的二相差分PSK(即2DPSK)载波调制，由基准站所指定的站发出。CSC信道采用50ms为一帧，分为50个等间隔的分帧，第一个分帧为基准分帧(RB)，供帧同步用；第二个分帧供测试用，其余48个分帧供多址连接用，如图47所示。各站在分配给本站的时隙内以分帧形式送出这个载波，由所有地球站接收。这样SPADE系统可以为48个地球站提供397条双向通路，每个地址每隔50ms可以向信道申请一次。为了减少这种仍属于频分多址的SPADE系统的交调干扰，系统中也采用了话音控制载波技术，从而使卫星转发器中同时存在的有效载波数减少,根据话音功率检测器检测的结果，可获得4dB平

23、均功率。因为在忙时任一瞬间，话音信道只有40的话音机会，相当于在该系统的800个载波中同时在卫星转发器内进行放大的载波约为320个，于是，能使最坏的交调干扰减少3dB。第4章卫星通信中的多址技术 图47公共信令信道的信号格式 第4章卫星通信中的多址技术 在SPADE方式中不设监控站，各地球站利用公用信令信道(CSC)来交换各站之间关于信道分配的情况，自行分配线路。因此，它不是集中控制，而是分散控制的全可变按需分配方式。SPADE系统的接续分配操作是指当某个用户从地面通信网进入各SPADE终端，向它所属的(最大为60个话路)任何一个话路发出呼叫通信请求时，就把该话路与397个卫星线路中任何一个空

24、闲信道接通，并通过对方用户的地球站与对方通信网接通。具体工作过程如下：用户发出呼叫请求时，呼叫请求首先被地面接口单元所接收，然后传给按需分配工作的信号和转接单元，由信号转接处理器(SSP)记下来自地面通信网的用户请求。第4章卫星通信中的多址技术 卫星线路的使用情况全部记录在SSP存贮器中，因此，根据线路使用状况和现在的申请，SSP就会编出包括空闲信道号码和通信对方SPADE终端号码在内的一系列分配码，并通过CSC发出。该起呼站的信息会被所有SPADE站接收，各站同时更新SSP的频率忙闲表。申请被认可后，就控制与起呼地面线路相连接的信道单元的频率合成器，使其与被分配的卫星线路频率一致。因为卫星线

25、路信号的单程传播需要250ms，为了避免双重捕捉，这个时刻起呼站也应和其它站一样要确认尚未捕捉到的卫星线路。第4章卫星通信中的多址技术 另一方面，在被呼叫站，同样在确认没有双重捕捉以后，选出尚未使用的一个信道单元，使其频率与CSC所通知的卫星线路频率一致，进而控制地面接口单元(TIU)，通过地面线路把传呼信息送给收端地面通信网，同时通过卫星线路送出导通测试子帧信号。这个测试信号一旦从起呼站重新发回，被呼站便立即通过CSC送出接通(OK)信号。接通一旦被确认，起呼站和被呼站就都把各自的信道单元与地面线路接通，处于正常通信状态，从而在起呼和被呼长话局之间建立起通信线路。通信一旦结束，就通过CSC信

26、道送出话音终止信号。在系统内全部SPADE站收到这个终止信号后，就更新SSP存贮器的内容，撤消通话时建立的线路，使这条卫星线路空出，留作再分配用。第4章卫星通信中的多址技术 图48建立通信的信令交换全过程 第4章卫星通信中的多址技术 图49是SPADE方式的地面终端设备组成框图，它只需对SCPC方式的终端设备稍加修改并加入按需分配的信号和转换装置即可。图中的地面接口单元(TIU)和信道单元与图45相同。这里只需对按需分配的信号和转换设备作一简单介绍。该装置对系统各地球站线路之间的控制信号进行处理和监视，对本站终端设备的工作情况也进行监视,即接收连通接口单元与信道单元所需的信号，向信道单元传送“

27、开始工作”及分配“收、发频率”的指令信号，掌握卫星通信线路和本机的使用情况，并可记录打印等。它具体包括信号和转换处理器(SSP)、电传打字机(包括磁带存贮器、时间显示器和转换盘等)、公用信令信道的同步单元和调制解调器等。其中同步单元的作用是受信号和转换处理器的控制，通过卫星的公用信令信道来发射申请线路信号和接收其它地球站的应答信号及线路使用的终止信号等。第4章卫星通信中的多址技术 由于这些发、收的信号是按时分方式工作的，所以要有同步脉冲协调。其调制部分依靠公用信令信道同步器输出的脉冲序列，将定时和频率合成器输出的载波调制成2PSK信号，并把它送入中频分系统。它的解调部分对由中频分系统输出的公用

28、信令信道载波进行解调，并把数据和信息定时信号送入公用信令信道同步器。第4章卫星通信中的多址技术 第4章卫星通信中的多址技术 4.3时分多址技术（时分多址技术（TDMA）4.3.14.3.1TDMATDMA的基本原理及工作过程的基本原理及工作过程时分多址(TDMA)方式分配给各地球站的不是特定的频带，而是一个指定的时隙。其组成框图如图410所示。第4章卫星通信中的多址技术 图410时分多址系统组成框图 第4章卫星通信中的多址技术 每个地球站都只在分配给自己的时隙内用同一载波频率向卫星发射信号，而不同时隙进入卫星转发器的信号按时间顺序排列起来，整个系统的所有地球站时隙在卫星内占有的整个时段称为卫星

29、的一个(TDMA)时帧。为使时隙的排列既紧凑又不重叠，TDMA系统应建立精准的时钟同步系统。卫星转发器将时帧放大后，重新发回地面。覆盖在卫星波束中的每个地球站都能接收到由转发器转发来的全部射频脉冲(或突发)信号，并从中提取出各站所需的业务脉冲列。下面以话音信号的传输来简要说明TDMA系统的工作过程，如图411所示。第4章卫星通信中的多址技术 图411TDMA系统工作过程示意图 第4章卫星通信中的多址技术 在发送端，由地面通信系统传送来的多路话音信号送入地面终端设备与用户的接口部分的相应入口。对于多路话音信号则各路话音分别进行A/D变换，变换成脉冲编码调制信号(PCM)后再进行时分多路复用(TD

30、M)。由于各地球站发射信号是在指定的时隙发射，因此多路复用后的信号要储存到时分多址控制装置里变换成高速数据，并与站址识别码(也叫做独特码(UW)或报头)合在一起送往调制器。站址识别码用来表明合在一起的多路复用电话信号是哪个地球站发出的。送到调制器的信号对70MHz中频载波进行四相相移键控调制成中频差分四相PSK信号。在发射机的上变频器把中频已调相信号变换成射频载波的微波信号，最后经过微波功率放大器放大到足够电平，由天线发射到卫星。发射时要以基准脉冲为基准，并使所发射的信号在指定的分帧进入卫星转发器。第4章卫星通信中的多址技术 在接收端，电波到了收端地球站，首先进入低噪声接收机，把接收到的微波信

31、号用下变频器变换成中频70MHz的相移信号，接着在QPSK解调器中进行解调和差分译码。从解调器的输出端不但要取出通信用的信号，还要利用站址识别码检测器检出站址识别码(即独特码)。独特码在这里有两个作用：一是判断信号是哪个地球站发出的；二是用来控制分帧和其它同步。从解调器输出的信号先要送到扩展缓冲存储器，把压缩了的高速数据脉冲扩展成连续的低速数据脉冲，然后通过接收时序控制器选出给本站的多路PCM信号，最后在PCM译码器中变换成模拟话音信号。第4章卫星通信中的多址技术 4.3.24.3.2TDMATDMA系统的特点系统的特点根据上述TDMA系统的工作原理，可以得出TDMA系统具有以下特点：（1）与

32、FDMA系统相比由于不存在互调影响，卫星转发器几乎可在饱和点附近工作，因此有效地利用了卫星功率，同时增加了系统容量。（2）在TDMA中，采用数字话音内插（DSI）技术后，传输容量可增加一倍。例如，一个80MHz的INTELSATV卫星转发器在不采用DSI技术的情况下，可提供约16000个速率为64kb/s的话路，而采用DSI技术以后，可提供约32000个同样速率的话路。（3）TDMA系统是一种数字通信系统，可以方便地开展各种数字业务，便于实现综合业务的接入。（4）使用灵活方便，有利于在系统中应用各种信道分配技术，使系统更具灵活性。第4章卫星通信中的多址技术 以上是TDMA系统的优点，但它同时也

33、存在着以下一些不足：（1）由于是数字通信系统，因此整个系统需要准确的时钟同步，而数字卫星通信系统的同步较其他数字通信系统的同步更复杂。（2）由于这种通信方式属于“间歇”通信形式，因而为了保证用户信息传递的连续性，需对输入的数据速率进行变速处理。（3）初期的投资较大。（4）系统实现复杂，技术设备复杂。第4章卫星通信中的多址技术 4.3.34.3.3TDMATDMA系统的帧结构及帧效率系统的帧结构及帧效率在TDMA系统中，所有地球站时隙在卫星转发器内占有的整个时段称为卫星的一个(TDMA)时帧。时帧周期的选择将对TDMA系统的帧效率产生影响。因此,在进行时帧周期选择时应从以下几个方面考虑：(1)为

34、了保证每帧中的码位为整数，帧周期应为抽样中频率为8kHz(即125s)的整数倍。(2)报头时间不变时，帧周期越长则帧效率就越高。(3)帧周期加长时会使帧与帧之间载波的相干性降低。当采用相干法恢复载波时，会在解调后引入附加的相位噪声。(4)帧周期加长时，帧效率提高，但存储器的容量要增加很多，终端设备变得复杂，所以帧周期不能增大太多。第4章卫星通信中的多址技术 1 1TDMATDMA系统的帧结构系统的帧结构一个TDMA时帧包含两种分帧：基准分帧和数据分帧。基准分帧是为系统中其他分帧定时与同步提供时间基准的分帧，由系统指定的基准站或卫星发出。数据分帧用来传送用户的通信信息，由系统中进行通信的地球站产

35、生。如图412所示，各地球站发射的脉冲式射频信号在卫星转发器中按时序排列的一个周期构成一个TDMA时帧。图412（a）中的1,2,N表示数据分帧;图412（b）表示同步分帧的结构;图412（c）表示数据分帧的结构，分为报头（也称前置码）时间和信息时间两部分；图412（d）为数据分帧报头的结构，包括保护时间、载波恢复和位定时恢复时间、独特码时间、站址识别码时间以及控制和勤务指令时间5部分。它们的作用如下所述。第4章卫星通信中的多址技术 图412TDMA系统的帧结构 第4章卫星通信中的多址技术 1 1）保护时间）保护时间(t tg g)保护时间是为保证各相邻分帧不互相重叠而设置的。为提高帧效率，保

36、护时间应尽量短些。对全网定时的高比特速率系统来说，保护时间取30300ns。2）载波恢复和位定时恢复时间(tw)该部分时间是用于恢复出用于相干解调的相干载波和位定时信号所需的时间。其长度取决于输入信号的载噪比以及载波频率的不稳定所要求的捕捉范围。在数据脉冲速率为60Mb/s的系统里，载波恢复和位定时恢复序列的长度为60bit。对载波恢复和位定时恢复序列的要求是恢复速度快、可靠性好。第4章卫星通信中的多址技术 3）独特码时间(tu)独特码在基准分帧和数据分帧中的作用不尽相同。在基准分帧中，独特码的作用是提供帧定时，使各业务地球站能够确定自己的业务分帧在一帧中的位置。在业务分帧中，独特码标识业务分

37、帧出现的时间，并提供接收分帧定时信息，使接收地球站在检测出独特码提供的示位脉冲之后，就可以判断该发射地球站分帧的起始时间基准。独特码在同步字时间后面约占20bit，对独特码的要求主要是漏检和误检的概率要小。第4章卫星通信中的多址技术 4）站址识别码时间(ti)站址识别码用来表示是哪个地球站的标志。不同的地球站采用不同的编码。站址识别码紧接在独特码之后，为6bit，因此系统中可容纳的地球站的数目为26个。有的系统直接用独特码作各地球站的标志，这时各地球站的独特码应采用不同的码型。5）控制和勤务指令时间(tas)这个时间用来传送卫星通信线路的分配指令和各地球站之间的勤务联络指令等。第4章卫星通信中

38、的多址技术 2 2帧效率帧效率帧效率就是TDMA的帧时间被有效利用的时间百分数。根据这个定义，帧效率可以表示为 f1pgrffNiit（41）式中：r为同步分帧时间；tpgi为第i分帧的报头时间tp和保护时间tg的和。第4章卫星通信中的多址技术 由上式可知，有效利用帧时间的关键是缩短报头时间。如果tpg不能做得很小，帧效率就会降低。对于均匀性帧结构，式(41)可简化为 frffgtN（42）在不减小r、tp和tg的前提下，增加帧长度f可以提高帧效率。第4章卫星通信中的多址技术【例41】设TDMA的帧长为15ms，网中有两个基准站和10个业务站，共发射20个业务分帧，基准分帧占用的报头时间r=1

39、6.51s，分帧间保护时间tg=0.71s，系统的突发速率为60Mb/s，每个业务分帧的报头占934bit(相当于tp=s)，故求得%29.981500071.02237.102051.16215000f（43）实际效率可能低于这个数值，这是因为各业务站要传输的数据信息很难正好填满整个时帧的有用时隙的缘故。第4章卫星通信中的多址技术 最后还应指出，用增加帧长f来提高帧效率，不应使话音业务的传输引入明显的时延，必须使f远远小于最大往返传输时延（大约0.25s（5仰角）。业务站为了存储每帧内连续输入的数据比特，所需的压缩与扩展缓冲存储量不应增加很多，否则将增加终端设备的复杂性。对输入数据比特率为R

40、di，而帧长为f的N路输入比特流来说，要求的总容量为 f1diNiRM这说明存储容量与f成正比。当f太长时，虽然帧效率提高了，但存储器容量则要增加很多，因而会增加终端设备的复杂性和费用，同时同步也不容易保证。这是对f增大的又一限制。第4章卫星通信中的多址技术 4.3.44.3.4TDMATDMA地面终端设备的功能及组成地面终端设备的功能及组成1 1TDMATDMA地面终端设备的功能地面终端设备的功能(1）以分帧的形式收、发信息数据，能把地面通信系统中各种数字信号进行多路复用、变速，能对基带信号进行信道编码、调制，并能把地址信息和各种同步信息同时发送出去。(2）实现系统同步。这一功能包括三个方面

41、，首先，TDMA系统要求进入通信网的地球站必须保证所发射的射频脉冲序列分帧能正确地进入卫星转发器指定的时隙，这就完成了初始捕捉。其次，如果发生短时间信息传输中断，使分帧偏离了指定的时隙，地面终端应该能进行快速重新捕捉，使分帧又回到指定的时隙。捕捉进入锁定状态后，应能使分帧之间维持正确的时间关系，实现系统同步。第4章卫星通信中的多址技术(3）接收和处理分帧信号，并传送给各地面接口。接收到信号的地球站，应能迅速判断所收的分帧信号是哪个站发出的，并能很快地分离出分帧信号中发给本站的信号,能迅速地进行站址识别、载波恢复、位同步提取、解调、译码和多路分离等功能。(4）完成卫星线路的分配与控制。如果是预分

42、配方式，地面终端就不需要有分配线路的功能。按需分配的TDMA方式的地面终端应具有对卫星线路的分配功能。(5）线路质量的监视与备用设备的转换功能。第4章卫星通信中的多址技术 2 2TDMATDMA地面终端设备的组成地面终端设备的组成TDMA地面终端设备包括地面接口设备、TDMA终端设备和信道终端设备等，如图413所示。图413TDMA地面终端设备组成示意图 第4章卫星通信中的多址技术 1）地面接口设备地面接口设备是地面通信网与TDMA终端之间的接口，根据地面通信网采用的信号不同，地面接口设备分为两种：模拟地面接口和数字地面接口。模拟地面接口是一种信号转换装置，用于地面通信网中频分复用信号到TDM

43、A系统时分复用信号的转换。在这种接口中可采用TDMA系统中的时钟对频分复用信号进行抽样、量化和编码，这样产生的数字信号在卫星线路中传输不存在时钟不同步的问题。此外，随着技术的发展，地面通信网中越来越多地采用数字信号，因此这种接口的使用范围越来越少，在此我们就不做过多的介绍。第4章卫星通信中的多址技术 数字地面接口是地面数字通信网与TDMA终端的接口。接口两端的时钟虽然具有相同的标称频率和精度，但由于振荡器的频率误差和卫星运动造成的多普勒频移，TDMA系统与地面数字通信网通常采用准同步的方式进行连接。为了消除这种时钟频差，在数字地面接口中设置缓冲器和帧定位器，当缓冲器中的存储量低于某个门限值或高

44、于某个门限值时，帧定位器以整帧滑动。具体的方法在第6章有详细的介绍。第4章卫星通信中的多址技术 2）TDMA终端设备TDMA终端设备由四部分构成，如图414所示，包括发射部分、接收部分、控制部分以及监视与维护装置。第4章卫星通信中的多址技术 图414TDMA终端组成框图 第4章卫星通信中的多址技术 发射与接收部分完成信号以分帧形式的发送与接收。在发射部分将地面通信网送来的经过多路复用后的速率较低的连续比特流经压缩缓冲存储器（容量为一帧）的压缩变成发往卫星的高速数据流，再经过纠错编码及扰码处理，在TDMA定时单元的控制下，在规定时间段由合路器将报头加入，构成一个完整的TDMA帧。随后对中频（70

45、MHz）载波进行QPSK调制，再由上变频器进行变频、放大，向卫星发射。第4章卫星通信中的多址技术 在接收端，来自卫星转发器的TDMA射频分帧信号由于线路衰减等原因信号已经相当微弱，因此首先需要经过低噪声功率放大器的放大，然后经过下变频器将信号变换为中频(70MHz)的相应信号，再利用QPSK解调器进行解调，恢复出完整的TDMA帧信号，在取出基带信号中的数据分帧信号的同时将报头送至报头检测器，在报头检测器中分析分帧报头中的独特码，以此判断出该分帧信号是由哪个地球站发送给本站的。在定时单元和时序控制装置的控制下，取出相应的分帧数字信号,经多路分路装置后送入扩展缓冲存储器，在收时序控制器的控制下将压

46、缩的高速数据流扩展成与某时隙相对应的一帧连续的低速数据,送往地面接口单元。第4章卫星通信中的多址技术 控制部分完成系统的同步与信道分配功能。系统同步包括帧和分帧同步以及载波和位定时恢复等。信道分配的方式一般采用变帧方式，根据各用户的业务量来分配或调整分帧。信道分配的控制方式可采用主站控制方式，也可采用分散控制方式。相关内容已在前面做过介绍。控制部分以及监视与维护装置完成线路质量的监视和备用设备的转换。第4章卫星通信中的多址技术 3）信道终端设备该部分设备主要完成射频信号的传送和发射，详细内容在前面的章节中已介绍，在此就不再做进一步的阐述。第4章卫星通信中的多址技术 4.3.5TDMA系统的定时

47、与同步系统的定时与同步1系统定时及同步的目的系统定时及同步的目的系统的定时是指使系统的时间有一个统一的标准。为了说明系统内的地球站与卫星的定时关系，假设地球站的时钟与卫星的时钟是同步的，而地球站与卫星之间的距离即站星距d是固定的。如果以卫星的时间为标准，考虑了路径的时延，地球站的时钟脉冲序列i(t)只要比卫星时钟脉冲序列(t)提前=(t)-i(t)=d/c秒向卫星发送信号就可以了，式中c为光速。第4章卫星通信中的多址技术 但站星距d会受摄动等因素的影响，是随时间而变化的，因此地球站发射的信号到达卫星的时间不是固定值，是时间的函数。这样一来,如果TDMA系统的每个时帧包含m个整数码元，当地球站发

48、送到卫星的时帧周期固定不变时，用户输入数据的平均速率应为定值。现在，由于实际的地球站发送到卫星的时帧周期因收、发传播路径时延变化而变化，于是实际发送到卫星的平均比特速率也就随时间而有变化。在通信过程中，必须调整两速率之间的差别，否则会造成信息丢失而影响通信质量。另外，由于地球站的发射时钟是与卫星的时钟同步的，地球站的接收时钟也要和卫星所产生的时钟脉冲同步，而传播路径又是随时间变化的，于是收、发时钟会在频率、相位上不一致。这也是系统定时中必须解决的问题。第4章卫星通信中的多址技术 2 2系统的定时方法系统的定时方法常用的系统定时方法有全网定时法和分别同步法两种。全网定时法又分为副站(远端)测量法

49、和主站(基准站)测量法。下面以业务站测量法为例来加以说明。业务站测量法定时系统方框图如图415所示。这种测量法使全网各站的时钟都相对于基准站即主站的时钟来建立全网时钟同步，也叫做网定时或网同步。第4章卫星通信中的多址技术 图415业务站测量法定时系统方框图 第4章卫星通信中的多址技术 基准站的时钟是独立的，并作为全网的基准时钟。基准站以基准分帧的形式发出定时脉冲，基准站的接收时钟要从卫星转发回来的基准分帧中提取，经锁相环PLLM锁频后由压控振荡器输出提供。业务站要从基准站发射并经卫星转发来的基准时分帧中提取基准钟频率，也经锁相环PLLM锁频后建立业务站的接收时钟，也就是使业务站的接收时钟被强迫

50、与卫星转发的基准时钟信号同步。而业务站的发射时钟需由业务站先发射一个与基准站时钟脉冲周期相同但相位可调的业务站定时脉冲,业务站用锁相环PLLM提取基准站时钟频率，用锁相环PLLR提取从卫星转发回来的定时脉冲时钟频率，两者经定时误差检测器比较后输出误差信号去控制压控振荡器VCO，从而使业务站的发射时钟与基准时钟同步。第4章卫星通信中的多址技术 全网定时的业务站测量法的特点是：定时误差在业务站进行检测，如果定时误差在基准站检测，则成为全网定时的基准站测量法；因全网有共同的时间标准，各站分帧间的保护时间可以缩短，从而使帧效率提高；因为是在业务站进行定时误差检测，从而使业务站设备较复杂。第4章卫星通信