卫星通信导论上课课件-第3章-多址技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 多址技术,1,提要,一、多路复用和多址联接,二、频分多址（,FDMA,）,三、时分多址（,TDMA,）,四、码分多址（,CDMA,）,五、三种多址技术的,RF,利用方式,六、,ALOHA,2,一、多路复用和多址联接,多路复用：将来自不同信息源的各路信息，按某,种方式合并成一个多路信号，然后通过同一个信道,传送给接收端。接收端再从该多路信号中按相应方,式分离出各路信号，分送给不同的用户或终端。,简而言之，,多路复用是利用一条信道同时传输,多路信号的一种技术,，可以解决在同一信道内同时,传送多个信号的问题。,多路复用方式可分为频分复用、时分复用、码,分复用、波分复用等。,3,多址联接：指,多个通信站的射频信号在射频信道上的复用，以实现各个通信站之间的通信,。对于卫星通信系统，多址联接指的是多个地球站发射的信号，通过卫星转发器的射频信道复用，实现各站间通信的一种方式。常见的多址方式有频分多址、时分多址、码分多址和空分多址。,多址联接和多路复用的关系：多址联接和多路复用的理论基础都是,信号的正交分割原理,。但多址联接是指多个电台或通信站发射的信号在,射频信道上的复用,，以达到各台、站之间同一时间、同一方向的用户间的,多边通信,；多路复用是指一个电台或通信站内的,多路低频信号在群频信道（即基带信道）上的复用,，以达到两个台、站之间,双边点对点的通信,。,4,单向和双向通信：按信息信号传送的方向，通信的工作方式可以分为单向通信和双向通信。在单向通信方式中，信息只能向一个方向传送。例如，广播、电视、遥控、无线寻呼等；在双向通信方式中，信息可以双向传送，通信双方都能收发信息。例如，移动用户之间的通信，移动用户和固定用户之间的通信等。,双向通信按信息信号传送的时间又分为单工、双工和半双工通信方式。,5,频分多路复用（,FDM,）：,按照频率参量的正交分割原理，将各路信号的频谱搬移至互不重叠的频带上同时在一个信道中传输。接收端通过不同中心频率的带通滤波器，可以将各路信号分离出来。频分多路复用的各路信号在时域中混叠在一起，在频域中可分辨。,时分多路复用（,TDM,）,：利用时间的正交性，即以时间作为信号分割的参量，使各路信号在时间轴上互不重叠，它利用不同时隙来传送各路不同信号。在,TDM,系统中，每个信号占据着不同的时间区间，但每个信号均占有相同的频域，各路信号在频域中混叠在一起，在时域中可分辨。,（,一）多路复用,6,码分多路复用（,CDM,）：,根据码型结构的不同实现信号的正交分割，各路信号在时间和频率上是互相重叠的，接收端用相关器或匹配滤波器实现信号分离。,波分复用（,WDM,）：,为了增加光纤通信系统的传输容量，可以在一条光纤中传输多个不同波长的光信号，只要这些光源的波长有着适当的距离，接收端的光频器件就可将它们分开。,（二）多址联接,频分多址（,FDMA,）：,各站、台发出的射频信号在指定的射频频带内，但在频谱上互不重叠地排列，共同分用该射频频带，接收端用带通滤波器分离各路射频信号。,时分多址（,TDMA,）：,以不同的时隙来区分地址，每站有一指定时隙，各站只是在自己的时隙内发射信号。,码分多址（,CDMA,）：,每个用户有一个特定结构的码字作为地址，不同用户的不同波形信号以同一频率发射出去，各站的接收是根据相应的信号波形分离出自己需要的信号。,空分多址（,SDMA,）：,利用天线的方向性和用户的地区隔离性实现信号的分离。,7,8,（三）,双工方式：频分双工（,FDD,）、,时分,双工（,TDD,）,FDD,：,收发频率分开，接收设备通过滤波器分离各路信号,特点：需要合理安排频率,TDD,：,收发共用一个频率，收发信号通过开关来控制,特点：收发存在时间间隔,9,不同系统的多址技术,蜂窝移动通信系统,多址技术,高级移动电话系统（,AMPS,）,FDMA/FDD,全球移动通信系统（,GSM,）,TDMA/FDD,美国数字蜂窝（,USDC,）,TDMA/TDD,日本数字蜂窝（,JDC,）,TDMA/TDD,英国,CT-2,（,数字无绳电话）,FDMA/TDD,欧洲数字无绳电话（,DECT,）,FDMA/TDD,美国窄带扩频（,IS,95,）,CDMA/FDD,10,二、频分多址技术（,FDMA,）,卫星通信系统的频分多址技术：频分多址是卫星通信系统中普遍采用的一种多址技术。当多个地球站共用卫星转发器时，如果,根据配置的载波频率的不同来区分地球站的地址,，这种多址联接方式就为频分多址。它对各地球站配置不同的频率，以实现不同地球站之间的联接。这种频率配置可以是预先固定指配的，也可以是按需分配的。,11,FDMA,的非线性效应,频谱扩展：相邻信道干扰；,交调（,IM,）,谐波：邻近业务信道的干扰。,交调干扰主要是由行波管放大器的非线性特性引起的。,FDMA,的一个卫星转发器的功率放大器，可以同时放大多个载波信号,(,几个、十几个甚至几百个载波,),。目前卫星转发器的功放级大都采用行波管放大器,(TWTA),，,其单载波饱和输出功率为,540,瓦，功率增益为,3040dB,左右。多载波是为了充分利用转发器资源，但是多载波工作却妨碍了卫星功率的有效利用。在卫星转发器中，作为功放级的,TWTA,，,是一个非线性放大器，它的幅度特性是非线性的，它的相位特性具有调幅调相变换作用,(,简写为,AMPM,变换,),。,12,行波管调幅调相变换作用分析,典型的行波管幅度非线性特性为：当输入功率增加到某一数值时，输出功率达到最大；继续增加输入功率，输出功率反而下降。行波管放大器有一个最大输出功率，称为饱和输出功率。,若行波管在饱和点处工作，一般效率最高，但非线性失真也最严重。,多载波工作时，减小输入可以减少非线性影响，但同时输出功率也降低了，管子就得不到充分的利用。,多载波波输入时，输出要受到“压缩”这种压缩是指，,在输入总功率相等的情况下，多载波工作时总输出功率比单载波工作时的输出功率要小。,13,例一 采用,FDMA,的,转发器交调（互调）频率,IM,mf,1,+nf,2,，,m,n,为任意整数，如：,f,1,=1930MHz,，,f,2,=1932MHz,，,求落在工作频率为,1920,1940MHz,的交调频率。,n=0,n=1,n=2,n=3,1930,1926,1922,1918,*,1928,1924,1920,1916,*,1932,1936,1940,1944*,1934,1938,1942*,1946*,解：可能的交调频率有：,（,2n+1,）,f1,2nf2,，,（,2n+2,）,f1,（,2n+1,）,f2,或者（,2n+1,）,f2,2nf1,，,（,2n+2,）,f2,（,2n+1,）,f1,，,n=0,1,2.,14,保护频带,15,图,3-1,FDMA,的地球站框图,16,频谱实际占用度,令,表示转发器带宽的实际占用比例，那么设,转发器带宽的,dB,表示为,B,TR,，,单载波带宽的,dB,表示为,B,c,，,K,为,FDMA,载波数。有,K=,B,TR,/,B,c,B,c,+B,TR,-K,17,FDMA,典型应用,美国,AMPS,系统：,FDMA/FDD,，,模拟窄带调频（,NBFM,），,按需分配频率；,同时支持的信道数：,N,（,B,t,+B,保护,）,/(B,c,+B,保护,）,B,t,系统带宽，,B,c,信道带宽，,B,保护,为分配频率时,的保护带宽。,解：,N,（,B,t,+B,保护,）,/(B,c,+B,保护,）,（,12.5+0.01,）,/,（,0.03+0.01,）,312,例：如,B,t,为,12.5MHz,，,B,保护 为,10KHz,，,Bc,为,30KHz,，求,FDMA,系统的有效信道数。,18,例二 卫星转发器带宽,36MHz,，,饱和,EIRP,值为,27dBW,。,地面站接收机,G/T,值为,30dB/K,，,全部的链路损失为,196dB,。,转发器有多个,FDMA,载波，每个载波,3MHz,带,宽。转发器有,6dB,功率“压缩”（,back-off,）,。计算单载波,情况下的下行链路,C/N,值，并比较有没有功率“压缩”下该,FDMA,系统中可以容纳的载波数。假设可以忽略上行链,路噪声和交调噪声，只考虑单载波时的,C/N,值。,解：转发器带宽的,dB,表示为,B,TR,，,单载波带宽的,dB,表示为,B,c,，,假设,K,为载波数。,C/N=EIRP+G/T-L+K-B,TR,=27+30-196+228.6-75.56,=14.04 dB,dB=-back-off,，,K=,dB+,B,TR,-B,c,，,K=3,；,如果没有,back-off,，,那么,K=B,TR,/B,c,=12,19,三、时分多址技术（,TDMA,）,卫星通信系统时分多址技术：,用不同时隙来区分地球站的地址，,只允许各地球站在规定的时隙内发射信号，这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。,卫星将在一个,TDMA,帧内的不同子帧时隙接收并转发来自各地球站（它们都采用相同的载波）的突发脉冲串。也就是说，每一地球站只在,TDMA,帧的一个子帧内接收和发送突发脉冲。为了保证每一地面终端的突发（子帧）能在所指定的子帧时隙到达卫星，对系统定时和信号格式将有严格的要求。为此，每帧内的第一个子帧将由基准站发出“基准”子帧以作为同步和网控之用。,20,图,3-4 TDMA,网络定时的示意图,21,图,3-5 TDMA,系统发送数据格式和框图,22,图,3-6 TDMA,系统接收数据格式和框图,转发器所转发的,TDMA,帧由来自各地球站的突发子帧组成，图,3-6,的三个子帧分别来自,A,、,B,、,C,三个地球站。为了保证各子帧之间不相互重叠，在它们之间留有一定的保护时间。接收地球站在对信号进行解调后，由分路设备分别从来自,A,、,B,、,C,站的信息子帧中输出传送给本站的数据流。,23,TDMA,帧结构,TDMA,帧,头比特,信息,尾比特,时隙,1,时隙,2,时隙,3,时隙,n,尾比特,同步比特,信息数据,保护比特,24,TDMA,帧的基本组成,基准站相继两次发射基准信号的时间间隔叫做一帧，在一帧内有一个基准分帧和若干信息分帧，每个分帧占据一个时隙，基准分帧由基准站的突发信号构成；信息分帧由地球站的突发信号构成。,一个信息分帧对应一个地球站的突发信号。信息分帧中的信道定向采用逐字复用的时分多路复用方式,(TDM),。,这样，一个地球站发射的信号可由该站的消息分帧在一帧中的位置来确定。,25,TDMA,的效率,系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；,帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比；,26,TDMA,系统的信道数,总的信道数：总的,TDMA,时隙数。即每一,信道的,TDMA,时隙数乘以有效信道数。,N,m*(B,t+,B,保护,)/(B,c,+B,保护,）,m,为每个信道所支持的,TDMA,用户数，,B,t,为信道带宽，,B,保护,保护带宽，,B,c,用户带,宽。,27,例三,GSM,系统，总带宽,25MHz,，,一个信道,200KHz,，,具有,8,个,TDMA,用户，未设保护带宽，求总用户数。,解：,N,m*(B,t,+B,保护,)/(,B,c,+B,保护,）,8,*(25+0)/(0.2+0,）,=1000,28,例四,GSM,系统每帧包括,8,个时隙，每时隙包括,156.25,比特，数据发送速率为,270.833kbps,，,求,：（,1,）比特周期,T,b,；（,2,）,时隙周期,T,slot,；（,3,）,帧长,T,f,；（,4,）,收发时间间隔。,解：,T,b,1/270.833kbps,3.692,s,T,slot,T,b,156.25,0.577,ms,T,f,T,slot,8,4.615ms,收发间隔为帧长。,29,TDMA,话音信道容量的简单计算,设突发数据率为,R,T,，,帧效率为,F,，,每话音信道比特率为,R,b,。,则话音信道数,N,为,N=,F,R,T,/R,b,30,例五：,INTELSAT,卫星的每帧符号数为,120,832,。帧周期为,2ms,，,帧效率,0.949,，话音信道比特率,64kb/s,，,采用,QPSK,调制。求话音信道容量。,解：符号率,120,832/2ms=60.416M symbol/s.,QPSK,调制用,2,比特表示一个符号，所以,R,T,=60.416*2=120.832Mb/s,所以,N=(0.949*120.832*1000)/64=1792,31,独特码（,UW,或,BCW,）,的相关计算,独特码用以指示,TDMA,帧内子帧的起始位置、子帧内各信息的位置以及站址识别。,漏检与误检,发生漏检，意味丢失示位脉冲；发生误检，意味着产生了虚假的示位脉冲，这些都将导致系统同步不正常。,因此我们需要考虑两个概率值：漏检率和误检率。,UW:Unique Word,BCW:Burst Code Word,32,漏检率,设,UW,长度为,N,比特，,E,为允许该,UW,检验正确的最大差错数量。令,I,为在接收,UW,时的实际差错数量。那么当,IE,，,UW,可以正确检验；当,IE,，认为被检测的序列,N,不是,UW,，则发生漏检。令,p,表示传输平均差错率（,BER,），,那么长度为,N,的序列中包含有任何一种特定排列的,I,个错误的概率为,p,I,=p,I,(1-p),N-I,。,而,N,中取,I,的组合方式有,C,N,I,=N!/(I!(N-I)!),。,所以接收到长为,N,的序列中含有,I,个的错误的概率为,P,I,=C,N,I,p,I,。,所以漏检概率,P,miss,=,N,I=E+1,P,I,33,例六 设,UW,长度为,N,比特，,E,为允许该,UW,检,验正确的最大差错数量。令,I,为在接收,UW,时的实际差错,数量。令,p,表示传输平均差错率（,BER,），,求当,N=40,E=5,，,p=10,-3,时的漏检率。,解：,34,误检概率,有一个长度为,N,比特的序列（它实际上并不是一个,UW,，但即使在,E,个比特位置上不同于,UW,，它仍被误认为是,UW,），令,I,表示随机序列不同于,UW,的比特位置数，这样,E,代表了从,UW,角度考虑可以接受的“比特差错”个数，而,I,代表了从,UW,角度考虑实际的“比特差错”个数。,从,N,中取,I,的组合个数为,C,N,I,，因此能够接受作为,UW,的码字数为,E,I=0,C,N,I,。,一个长为,N,比特的随机序列可组成的码字数为,2,N,，假定所有码字是等概的，则接收到任何一个特定码字的概率为,2,-N,。所以误检率为,35,例七、计算当,N=40,，,E=5,时的误检率,比较例六和例七的结果，可以看出误检概率要远远高于漏检概率。在实际系统中，一旦帧同步建立起来，可以在预期的,UW,到达时间上设置一时间窗，相关器只在这个时间窗内工作，这样可以大大降低误检概率。,36,TDMA,数字传输的下行链路分析,在,TDMA,方式下，,TWTA,没有功率压缩的要求，所以转发器可以饱和工作。上行地面站使转发器饱和工作时，即使该地面站的业务量很低，也需要较大的功率。,考虑到中频带宽对数据率的限制，传输比特率可以按下式简单计算：,R,b,/B,IF,=m/(1+,),，,其中,为滚降系数。如对于,BPSK,，,m=1;QPSK,，,m=2,。,=0.2,，则,R,b,=m B,IF,/1.2,37,FDMA,和,TDMA,的特点比较,对于,TDMA,方式，卫星转发器上任何时刻都只有一个载波工作，不会产生交调干扰，行波管可以工作在饱和状态，能充分利用转发器的功率；,TDMA,方式是对各地球站和转发器进行时间分隔，无需,FDMA,方式的多次变频，简化了电路结构；,TDMA,方式对地球站等效全向辐射功率变化的限制，没有,FDMA,方式那样严格；,38,TDMA,方式可根据各站业务量的大小来调整各站时隙的大小，大小站可以兼容，易于实现按需分配；,TDMA,方式与地面数字系统的接口方便，同时也便于做星上处理；,TDMA,方式可以与数字话音内插（,DSI,）,和自适应差分编码（,ADPCM),技术配合，形成数字电路倍增设备，使转发器容量大大提高（达,5,倍）；,TDMA,系统的网同步复杂。,39,FDMA,和,TDMA,的容量比较,出于简化的目的，只比较上行链路的容量。公式,R=C/N,0,-E,b,/N,0,对于,FDMA,和,TDMA,的上行链路都适用。对前者,R,就是,R,b,，,对后者,R,就是是,R,T,（,突发数据率）。假设,E,b,/N,0,对两者相同，上行链路损耗和卫星,G/T,也相同。那么,TDMA,的地面站需要增加的,EIRP,值为,EIRP,TDMA,-EIRP,FDMA,=R,T,-R,b,如果天线增益也相同，那么,TDMA,的地面站需要增加的发射功率为,P,TDMA,-P,FDMA,=R,T,-R,b,40,四、,CDMA,CDMA,：,利用自相关性非常强而互相关性比较弱的伪随机码作为地址信息，,对被用户信息调制过的载波进行再次调制，使频谱大大展宽。在接收端以本地产生的地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带信号而选出。,实现,CDMA,的条件：,要有数量足够多、相关特性足够好的地址码。,必须用地址码对发射信号进行扩频调制，使传输信号所占频带极大地展宽。,在接收端必须要有与发送端地址码完全一致的本地地址码。,41,扩频通信的基本工作方式,直扩方式：,Direct Sequence Spread Spectrum,跳频方式,:Frequency Hopping,跳时方式,:Time Hopping,宽带线性调频方式,:Chirp Modulation,42,码分多址（,CDMA,）,图,3,-8 DS/CDMA,系统框图,43,码分多址（,CDMA,）,44,CDMA,载干比计算,在射频端所接收的载波信号功率为每比特能量与比特率之乘积：,P,r,(w),E,b,R,b,来自其他扩频用户的干扰功率为其混合干扰谱密度,N,0,与接收机输入带宽,W(,扩频带宽,),之乘积：,P,i,(w),N,0,W,接收机输入端的载干比为：,C/N=(,E,b,/N,0,)(,R,b,/W,),在,CDMA,中，,W,远大于,R,b,，干扰电平总是高于信号电平，即,C/N,为负的,dB,数。,45,CDMA,特点,用户共享一个频率，无需频率规划,大容量,软容量：用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好,PN,码的正交性,远近效应,抗多径衰落,利用宏分集可以实现软切换,利用多用户检测提高系统性能和容量,利用多径，采用,RAKE,技术提高系统性能,46,四、三种多址技术的射频利用方式,图,3-9 FDMA,、,TDMA,和,CDMA,的,RF,利用,47,