《现代通信系统导论》课件第六章 卫星通信系统.ppt
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- 现代通信系统导论 现代通信系统导论课件第六章 卫星通信系统 现代 通信 系统 导论 课件 第六 卫星通信
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1、第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统6.1 概述概述6.2 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成6.3 卫星通信的多址连接方式卫星通信的多址连接方式6.4 通信卫星的组成通信卫星的组成 6.5 卫星地面站卫星地面站 6.6 卫星通信的新技术卫星通信的新技术 习习 题题 第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.1 概述概述6.1.1 卫星通信的基本概念通信卫星工作的基本原理如图6-1所示。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-1 卫星通信示意图通信卫星地面站A地面站B第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.1.2 卫星通信的电波传播特点1
2、.卫星通信的频段选择 通常在选择卫星通信用的工作频段时,主要从以下一些方面来考虑:(1)工作频段内的噪声与干扰小;(2)电波传播过程中的损耗小;(3)尽可能有较宽的频带,以满足通信业务的要求;(4)充分利用现有的通信技术与现有的通信设备;(5)与其他通信或雷达等微波设备之间的干扰尽可能小。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 2.自由空间的传播损耗由于卫星通信用的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间内传播,而宇宙空间是接近真空状态的,并且由于在目前所使用的频段范围内,与自由空间的传播衰耗相比,大气层的衰减损耗很小,因此基本上可以认为,电波是在均匀媒质的自由空间内传播的,信道的特性较稳定。所以
3、,从信道性质来说,一般都认为是恒参信道。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.1.3 卫星通信系统的特点1.卫星通信的优点(1)通信距离远,建站成本与通信距离无关。(2)组网灵活,便于多址连接。(3)通信容量大。(4)通信线路质量稳定可靠。(5)机动性能好。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 2.卫星通信的缺点(1)两极地区为通信盲区,高纬度通信效果不好。(2)卫星的发射、测控技术比较复杂。(3)存在日凌中断和星蚀现象。(4)抗干扰性能差。(5)保密性能差。(6)通信时延长。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.1.4 卫星通信传输线路性能参数 1.等效各向同性辐射功率(EIR
4、P)EIRP(Equivalent Isotropic Raditated Power)也称为等效全向辐射功率,它的定义是地球站或卫星的天线发送出的功率(P)和该天线增益(G)的乘积,即EIRP=P G如果用dB计算,则为EIRP(dB/W)=P(dB/W)+G(dB/W)式中,EIRP表示了发送功率和天线增益的联合效果。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 2.噪声温度(Te)噪声温度(Te)和噪声系数(Nf)的关系如下:Nf=10lg(1+Te/290)dB (在室温17)3.品质因数(G/Te)G/Te是天线增益与噪声温度之比。在卫星通信系统中,Te的高低严重影响接收信号的实际效果,因
5、此必须在G中减去Te的影响才能正确反映接收系统的实际质量,G/Te值的计算公式如下:G/Te=G(dB)-10lgTe(dB/K)第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.2 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成卫星通信系统是由空间的一颗(或多颗)通信卫星和多个地面站组成,如图6-2所示。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-2 卫星通信系统的基本组成测控系统地面站监控管理系统第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 为了保证通信卫星的正常工作,通信卫星必须有测控系统和监测系统1.测控系统2.监控管理系统3.通信卫星通信卫星主要起无线电中继作用,它是靠星上转发器和天线系统来完成的。图6
6、-3是卫星通信系统的通信部分方框图。4.地面站卫星通信地面站是卫星通信系统中重要的组成部分,它是连接卫星线路和用户的中枢。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-3 卫星通信系统的组成方框图发射机天线馈电设备卫星转发器地面站A调制器多路复用解调器发射机多路复用接收机双工器地面站B调制器多路复用解调器发射机多路复用接收机双工器双工器频率变换接收机第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.3 卫星通信的多址连接方式卫星通信的多址连接方式 6.3.1 多址方式的信道分配技术 在卫星通信系统中,如何将信道分配给系统内需要通信的两个站,这是信道分配技术需要解决的问题。这里的“信道”在FDMA中是
7、指频带,在TDMA中是指时隙,而在CDMA中是指地址码。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.3.2 多址连接方式1.频分多址方式(FDMA)频分多址是根据各地面站发射的信号频率不同,按照频率的高低,顺序排列在卫星的频带里,各地面站的信号频谱需要排列的互相不重叠。也就是说,按照频率不同来区分是哪个站址。图6-4为频分多址方式的示意图。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-4 频分多址方式示意图f1fB频分多路复用频分多路复用调频调频发射机发射机卫星发射器频分多路复用频分多路复用调频调频发射机发射机f2fk1fk第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 频分多址方式可以根据多路复用和
8、调制方式的不同,分成如下几种方式:(1)FDMFMFDMA方式。这种方式是把要传送的电话信号进行频分多路复用处理,即FDM,再对载波进行调频,即FM,最后按照载波频率的不同,区分四个地面站址,即FDMA。(2)SCPCFDMA方式。SCPC(Single Channel Per Carrier,单路单载波)方式的含义是每个话路使用一个载波。(3)PCMTDMPSKFDMA方式。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 2.时分多址方式(TDMA)时分多址方式是将通过卫星转发器的信号在时间上分成“帧”来进行多址划分的,在一帧内又划分成若干个时隙(分帧),再将这些时隙分配给地面站,并且只允许各地面站
9、在所规定的时隙(分帧)内发射信号。图6-5示出了时分多址的帧结构图。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-5 时分多址的帧结构T0Tn1分帧帧T1T2Tn第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 典型的PCM-TDM-PSK-TDMA系统的原理方框图如图6-6所示。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-6 PCM-TDM-PSK-TDMA方式线路终端装置PCM编码器PCM译码器时分多址控制装置PSK调制器PSK解调器发射机接收机第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 从以上简单说明可以看出,TDMA方式有以下3个特点:(1)各地面站发射的信号是射频突发信号,或者说它是周期性的间隙
10、信号。(2)由于各站信号在卫星转发器内是串行传输的,因此需要提高传输效率。但是各站输入的是低速数据信号,为了提高传输速率,使输入的低速率数据信号提高到发往卫星的高速率(突发速率)数据信号,需要进行变速。速率变化的大小根据帧长度与分帧长度之比来确定。(3)为使各站信号准确地按一定时序进行排列,以便接收端正确地接收,需要精确的系统同步、帧同步和位同步。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 3.空分多址方式(SDMA)空分多址方式是以卫星天线指向地面的波束来区分站址的,即利用波束的方向性来分割不区域地面站电波,使各地面站发射电波在空间不相互重叠,即使在同一时间,不同区域站使用同一频率工作,它们之间
11、也不会形成干扰。在空分多址系统工作中,特别要注意以下几个同步问题:(1)由于空分多址方式是在时分多址方式的基础上进行工作的,因此各地面站的上行TDMA帧信号进入卫星转发器时,必须保证帧内各分帧的同步,这与时分多址的帧同步相同。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 (2)在卫星转发器中,接通收、发信道和窄波束天线的转换开关的动作,分别与上行TDMA帧和下行TDMA帧保持同步,即每经过一帧,天线的波束就要相应转换一下。这是空分多址方式特有的一个同步关系。(3)每个地面站的相移键控调制和解调必须与各个分帧同步,这与数字微波中继通信系统的载波同步相同。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 (1)由
12、于空分多址方式是在时分多址方式的基础上进行工作的,因此各地面站的上行TDMA帧信号进入卫星转发器时,必须保证帧内各分帧的同步,这与时分多址的帧同步相同。(2)在卫星转发器中,接通收、发信道和窄波束天线的转换开关的动作,分别与上行TDMA帧和下行TDMA帧保持同步,即每经过一帧,天线的波束就要相应转换一下。这是空分多址方式特有的一个同步关系。(3)每个地面站的相移键控调制和解调必须与各个分帧同步,这与数字微波中继通信系统的载波同步相同。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 从以上讨论中可以看到,空分多址方式有以下3个特点:(1)由于空分多址方式必须采用窄波束的天线,因此卫星天线的辐射功率集中,
13、有利于卫星转发器和地面站采用固体功率器件而变得小型化。(2)由于利用了多波束之间的空分关系,因此提高了抗同波道干扰的能力。(3)空分多址方式要求卫星的位置和姿态高度稳定,以保证天线窄波束的指向准确。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 4.码分多址方式(CDMA)所谓码分多址,就是用码型来区别地面站址。码分多址方式属于拓宽频带、低信噪比的工作方式。6.3.3 四种多址连接方式的比较表6-1列出了各种多址方式的特点,识别方法,主要优、缺点以及适用场合。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 表6-1 各种多址方式的比较 第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.4 通信卫星的组成通信卫星的组
14、成 6.4.1 控制系统1.位置控制2.姿态控制第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.4.2 入轨和推进系统 图6-7是通信卫星的组成方框图。静止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在经度方向的漂移。6.4.3 天线系统通信卫星的天线系统包括通信天线和遥测指令天线,它是用来完成通信卫星上所有信号的接收和发射任务的。由于它们装在卫星上,因此要求两种天线体积小、重量轻、又便于在卫星上组装,且可靠性高,寿命长、增益高、波束永远指向地球,为此,在自旋稳定卫星中,一般采用消旋天线。遥测指令天线通常使用全方向性天线
15、。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图 6-7 通信卫星的组成方框图电源部分温控系统位置控制天线控制姿态控制入轨和推进系统电源控制电路蓄电池太阳能电池自旋传感器遥测编码器本机振荡器变频器指令译码器指令接收器遥测发射机双工器双工器接收机发射机控制部分遥测指令部分遥信部分第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 6.4.4 遥测指令系统遥测指令系统分为两部分:遥测部分和遥控指令部分。1.遥测部分2.遥控指令部分6.4.5 卫星转发器(通信系统)1.单变频转发器这种转发器是先将输入信号进行直接放大,然后变频为下行频率,经功率放大后,通过天线转发给地球站。图6-8所示为单变频转发器的组成方框图。第
16、六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图6-8 单变频转发器前放变频器高放倍频器本振第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 2.双变频转发器这种转发器是先把接收信号变频为中频,经限幅后,再变换为下行发射频率,最后经功放由天线发向地面站。图6-9是双变频转发器的组成方框图。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 图 6-9 双变频转发器前放变频器中放限幅器变频器高放倍频器本振倍频器第六章第六章 卫星通信系统卫星通信系统 3.处理转发器这种转发器除了进行转发信号外,还具有信号处理的功能。在数字卫星通信系统中,常采用处理式转发器。图6-10是处理转发器的组成方框图。第六章第六章 卫星通信系统卫星通信
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