卫星通信原理

        天地通信(Earth-SpaceCommunication)是指空间飞行器与地面测控站之间的通信。天地通信包括空间飞行器通信分系统和地面测控站通信分系统，其主要功能是完成空间飞行器的遥测与遥控信息、视频图像信息、天地话音信息以及空间飞行器定位信息数据和定位示位标信息等的传输。天地通信有地基网和天基网两种形式。地基网是基于陆地布设测控通信站的通信网络，而天基网是相对于地基网而言的，是把地基测控通信站搬到太空中，由太空俯视空间飞行器的通信网络。地基站由陆上固定站、陆上车载站、海上船载站和空中机载站组成；天基站由中继卫星或导航卫星和地面通信站组成。通常，地基网受布站数量的限制，通信覆盖率比较低，而天基网由于采用高轨道中继卫星或导航卫星实现空间飞行器与地面通信，所以天基网的通信覆盖率远大于地基网的通信覆盖率。-天地通信目前釆用Ka、Ku、C、S、L、VHF和HF等频段设备团。

        随着数字通信技术的发展，语音数字化编码技术得到了迅速发展。20世纪60年代国际电报电话咨询委员会(CCITT)制定了第1个语音数字化编码标准，即A律或卩律脉冲编码调制(PCM)的G.711标准。此后研究开发了多种压缩编码技术，并形成了以波形匹配为目标的波形编码，主要有PCM、增量调制(DM)和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)和以追求人的感知效果(即追求解码语音的可懂度和清晰度)为目标的参量编码(主要有线性预测编码(LPC)和多带激励编码(MBE)两大体系),另外还有介于波形编码与参量编码之间的混合编码方式，如码激励线性预测编码(CELP)等。

       不同的编码方式具有不同的比特传输速率。比特传输速率越低，所需要的信道带宽就越小。卫星通信系统的信道带宽极其有限，而且卫星通信系统的信道还很昂贵，因此系统倾向于选用较低速率的语音编码方式。但当编码速率低到一定程度时，语音质量将明显下降，其恶化程度与编码方式有关。

 卫星通信对语音编码具有一定的要求。

        (1)编码速率低，编码速率一般为1.2〜9.6Kbit/s。

        (2)在一定编码速率下话音质量尽可能高。

        (3)编解码时延应较短，控制在几十毫秒内。

1)波形编码

       波形编码首先对语音波形进行抽样、量化，然后用二进制进行编码，其基本设想是尽可能保持语音波形不失真。这类方法有PCM、DM和ADPCM等。

       最常见的语音编码方法是PCMo它按8kHz抽样，每个样值依A律或卩律的对数压扩规律编为八位二进制码，因此编码后的传输速率为64Kbit/s。

       ADPCM是PCM的改进方式，为了克服PCM方式编码后传输速率过高的缺点，ADPCM对输入信号和预测信号的差值进行量化并编码(而PCM是对每个抽样值的绝对值进行量化并编码)，从而消除了信号的部分冗余度，降低了编码信号的传输速率。其中预测器和量化器的参数能根据输入信号的统计特性自适应地调整到最佳或接近最佳状态，使ADPCM在釆用32Kbit/s的传输速率时，能达到与PCM采用64Kbit/s的传输速率时近乎相等的通话质量。

       波形编码器结构较简单，没有充分利用语音信号的冗余特性，只有在较高速率上才能得到满意的语音质量。而当编码速率降低到16Kbit/s以下时，编码语音质量迅速下降，因此不适用于移动通信。

2)参量编码

       为了克服波形编码信号速率高、占用频带宽的缺点，提出了参量编码概念。参量编码仅仅对反映语音信号特征的参量进行编码并传输，而不对语音信号的时域波形进行编码，从而大大降低了编码信号的速率。

       典型的参量编码是LPCo虽然LPC的指标不能很好地满足数字移动通信系统的要求，但它包含了参量编码的基本概念，也是低速率数字语音编码技术的发展基础。目前,在数字移动通信中釆用的几种高质量低速率的语音编码，都是LPC的改进型。

       利用线性预测技术对语音进行分析合成的系统称为LPC声码器。在经典的LPC声码器中，发送端将提取语音的线性预测系数、基音周期、清浊音判决信息以及增益参数,然后进行量化编码；在接收端则利用线性预测语音产生模型来恢复原始语音。LPC声码器速率范围为2.4〜4.8Kbit/s,属于低速率压缩编码，所以语音质量不是太令人满意。因此，在卫星通信系统中应用较少。LPC语音编码和解码技术原理框图如图2.4所示。

图2.4   LPC语音编码和解码原理框图

 

3)混合编码

混合编码方式在LPC的基础上，采用了以下几种改进措施。

       (1)改善激励源，用更合理、更精确的激励信号源代替简单、粗糙的二元激励。

       (2)在编码器中除釆用短时预测外，再加入长时预测。语音信号的短时相关性表征谱包络，而长时相关性则表征谱的精细结构。

       (3)釆用合成分析法，使重建语音与原始语音的误差最小。

       在编码器中加入感觉加权滤波器，使实际误差信号的谱有着与语音信号谱相似的包络形状，也就是使编码器具有波形编码的特点，从而使重建的语音信号有较好的自然度。

       在数字移动通信中常用的混合编码方式有规则脉冲激励线性预测编码(RPE-LTP)>码激励线性预测编码、矢量和激励线性预测编码(VSELP)、短时延码激励线性预测编码(LD-CELP)和多带激励编码。在卫星通信中，后三种用得较多。

       ⑴短时延码激励线性预测编码：使用后向自适应预测，其算法时延为0.625ms,一路编码时延小于2ms。它仍釆用合成分析算法进行码本搜索和感觉加权矢量量化技术。LD-CELP方案只传输激励矢量的标号。这个编码方案是由AT&T提交给ITU-T于1991年11月通过的，作为ITU-T16Kbit/s语音编码的标准G.728o

       图2.5给出了LD-CELP编译码器的原理图。它的激励码本中共有1024个5维的矢量，因此码本标号釆用l0bit编码。

       首先将语音信号进行均匀量化，然后取五个连续的语音样点Su(5n)、Su(5n+1)、…、Su(5n+4),组成一个5维语音矢量s(n)=[Su(5n),Su(5n+1),…,Su(5n+4)]。根据该语音矢量源，编码器利用合成分析法(A-B-S)从码本中搜索出最佳码矢量，将相应的lObit的码本标号送出去。图2.5显示，综合滤波器LP系数是用先前量化过的语音信号经过后 向预测适配器来提取和更新的，每四个相邻的输入矢量(共20个样点)构成一个自适应周期，每周期更新一次LP系数。激励的增益也是利用先前的量化激励信号的增益信息经过后向增益适配器逐矢量进行提取和更新的。

(a)   短时延码激励线性预测编码器电路原理图

(b)   短时延码激励线性预测解码器电路原理图

图2.5LD-CELP编译码器的原理图

       解码操作也是逐个矢量进行的，根据接收到的lObit码本标号，从激励码本中找到相应的激励矢量，经过增益调整后得到激励信号。将激励信号输入综合滤波器，合成语音信号，再将合成语音信号进行自适应后滤波处理，增强语音的主观感觉质量。

      LD-CELP方案虽然编码后的比特速率较高，为16Kbit/s,但此时的MOS也较高，可达4.173,其优点是一路的编码时延小于2ms。

       (2)多带激励编码：语音短时谱分析表明，大多数语音段都含有周期和非周期两种成分，因此很难说某段语音是清音还是浊音。传统声码器，如线性预测声码器，釆用二元模型，认为语音段不是浊音就是清音。浊音采用周期信号，清音采用白噪声激励声道滤波器合成语音，这种语音生成模型不符合实际语音特点。人耳听觉过程是对语音信号进行短时谱分析的过程，可以认为人耳能够分辨短时谱中的噪声区和周期区。因此，传统声码器合成的语音听起来合成声重、自然度差。这类声码器还有其他一些弱点，如基音周期参数提取不准确、语音发声模型与有些音不符合、容忍讲话环境噪声能力差等，这些都是影响合成语音质量的因素。多带激励语音编码方案突破了传统线性预测声码器整带二元激励模型，它将语音谱按基音谐波频率分成若干个带，对各带信号分别判断是属于浊音还是属于清音，然后根据各带清、浊音的情况，分别采用白噪声或正弦产生其合成信号，最后将各带信号相加，形成全带合成语音。在分析过程中采用了类似于A-B-S的方法，提高了语音参数提取的准确性，在1.2〜4.8Kbit/s速率上能够合成具有较好自然度和较强的容忍环境噪声能力的语音。图2.6给出了MBE编码和解码器原理框图。语音信号经过高通滤波、低通滤波及加窗处理后提出基音周期的粗估值，然后在粗估值的周围进行细搜索，找到基音周期的准确值，这样做可以减小运算量，得到基音周期准确值后，根据此值计算各带拟合误差，判断各带是属于浊音区还是清音区，并计算出各谐波的谱幅度值；最后将这些参数量化编码，传送给解码器。解码器根据这些参数，浊音带的各谐波釆用正弦信号激励在时域合成；清音带则釆用白噪声激励在频域合成，再经过逆FFT变换成时域信号；最后将它们相加，形成完整的合成语音。

(a)多带激励编码器电路原理图

(b)多带激励解码器电路原理图

图2.6    MBE编码和解码器原理框图

       卫星通信信道上既有加性干扰又有乘性干扰。加性干扰是由白噪声引起的，乘性干扰是由衰落引起的。白噪声将导致传输信号发生随机错误；而衰落则将导致传输信号发生突发错误。因此在卫星通信系统中，对信号必须进行差错控制编码。差错控制编码的思路是在发送端将被传送的信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码是以信息码为基础，按照某种规则产生的。发送端将信息码和监督码组合而成的码元序列送入信道。接收端收到该序列后，依照约定的编译码规则检验监督码元与信息码元之间的约束关系。一旦传输过程中发生差错，信息码元与监督码元之间的这种约束关系将遭到破坏，从而可发现差错，更进一步，接收端在检测出差错后还能在译码时予以纠正。显然，差错控制编码的检错和纠错能力是以增加所传信息的冗余度来换取的。也就是说，差错控制编码是以降低信道的传输有效性来换取信号传输可靠性的提高的。

       差错控制的基本工作方式有四种，它们分别是自动重发请求(ARQ)、前向纠错(FEC)、混合纠错(HEC)和信息反馈(IF)。

       (l)ARQ差错控制编码：也称为检错重发方式。这种差错控制在发送端对数字信号序列进行分组编码，加入一定多余码元使之具有一定的检错能力，成为能够发现错误的码组。接收端收到码组后，按一定规则对其进行有无错误的判决，并把判决结果(应答信号)通过反馈信道送回发送端。如有错误，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已正确接收到信息。ARQ系统组成框图如图2.7所示。

图2.7     ARQ系统组成框图

 

       ARQ方式包括三种主要类型：发送等待型(SWARQ)、连续工作型和混合型。在连续工作型中，又可分为两种：往返重发N次型(GBNARQ,或称退N类型)和选择性重发类型(SNARQ)。

       ARQ方式的主要优点是检查错误的结构比较简单，不需要复杂的解码设备，它对于防止信号衰落产生的突发错码特别有效。其工作原理是只需少量的监督码元(为总码元数的5%〜20%)就能获得极低的输出误码率，与所用信道的差错统计概率无关，即对信道有良好的适应能力。由于无须纠错，该方式所需的编译码设备简单。其缺点是要求双向信道，在信道干扰较大时，组码需要多次重发才能使接收端正常接收，通信效率较低。因此，对通信实时性要求较高的场合不适用。

       (2)FEC差错控制编码：也称为自动纠错。在传输过程中，将发送的数字信号按一定的数学关系构成具有纠错能力的码组。当在传输中出现差错，且错误个数在码的纠错能力内时，系统的接收端根据编码规则进行解码，并自动纠正错误。把这种能够实现自动纠错的码称为纠错码。由于这种纠错方式不需要反馈，故称其为前向纠错。图2.8是前向纠错工作方式的示意图。从图中可以看出信源发出的信息码元经编码、调制后送入 

信道发向接收端。接收端收到信号经解调后，在开关的控制下，将信息位码元送入缓冲存储器暂时存储，等待纠错，同时直接把整个码组的码元（包括信息位和监督位）送入纠错译码器译码，经纠错电路识别每一个码元是否有错。如果有错，则送出纠错信号“1〃和相应的信息码元在模2加电路中相加，使差错得到纠正。如果原信息的第1位为“0”,受干扰后错成为“1”，则纠错电路识别有错时发出“1”信号到模2加电路和第2位信息码“1”相加，结果1©1=0，输出“0”信号，错误得到了更正。如果无错，纠错电路输岀“0”信号，信息码元取值不变。最后将经过纠错以后的信息码元送给信宿。

图2.8   前向纠错的工作方式

       这种工作方式的优点是可以单向通信，适用于数据实时性要求较高的通信系统；其缺点是码的结构和电路较复杂，在信道很差时差错严重。

     （3）HEC差错控制编码：是ARQ和FEC方式的结合，如图2.9所示。发送端送出具有检错和纠错能力的码，接收端收到码后，检查错误情况。如果传输错误少，且在码的纠错能力之内，则自动地进行纠正错码；如果信道的干扰严重，错码位数超过了抗干扰码本身的纠错能力，则可经反馈信道请求发送端重发这个码组。

       HEC方式具有ARQ和FEC两种方式的优点，还可弥补两者的不足，因而大大地提高了通信的可靠性。这种方式特别适用于环路时延大的高速传输系统，如卫星通信等。

图2.9   HEC的系统框图

     （4）IF差错控制编码：也称狭义信息反馈或回程校验方式。在这种方式中，发送端在发出码组的同时，将码组存储起来。接收端在收到信号后，立即将该码组原封不动地通过反馈信道发回到发送端，并与先前储存的该码组进行比较。如果发现与原码组不同，说明码组传输有误，发送端将重发该码组，直至在发送端进行的码组校验正确；如果校验正确，则进行下一码组的发送。这种方式在原理上无须进行差错控制编译码，其工作方式本身就有纠错能力。

       IF的控制和检错设备较简单，但它需要用和信息传输信道（即前向信道）相同的反馈信道，而且每一码组至少要传输两次。另外，当接收码组中某一码元从“0”错为“1”，而在反馈回送时恰好该码元又由“1”错为“0”时，将造成接收端误码输出。由于此方式传输效率较低，因此只适用于信道差错统计概率较低、具有双向传输信道且对通信速率要求不高的数字通信系统中。

        在数字卫星移动系统中，是否需要釆用差错控制方式及采用何种差错控制方式，要根据实际情况与要求决定。通常应根据信道的差错统计特性、干扰的种类及对误码率大小的要求适当地进行选择。

       卫星通信的调制方式可分为功率有效调制和频带有效调制两大类。如果传输信道的频带有用率大于2bit/s/Hz,定义此调制方式为频带有效调制方式；在线性加性高斯白噪声的信道上，如果6=10-8时所要求的值小于14dB,定义此调制方式为功率有效调制方式。选择调制方式的原则是尽量使已调信号与信道相匹配，才能有较好的应用性能。

       卫星通信信道的特点是带宽和功率都受限，同时具有非线性特性、衰落特性和多普勒频移特性。带宽受限是因为分配给卫星通信业务的带宽远窄于分配给卫星固定通信业务的带宽。功率受限是因为卫星的有效全向辐射功率小，而卫星通信距离远，则传输损耗大，移动终端天线直径小，其增益小更加重了功率受限，结果导致解调器输入端的信噪比很低，通常其Eb/M的值只有5〜10dB,远低于有线(光纤)通信系统及地面蜂窝移动通信系统(它们的Eb/M的值通常为30〜40dB)。卫星信道的非线性来自高功率放大器，原因是为充分利用卫星转发器的功率，其行波管放大器(或固态功率放大器)常常工作在非线性的饱和区；其次当通信终端的天线增益较低时，则要求高功率放大器工作在非线性的C类状态。卫星通信信道的衰落特性由遮蔽和多径引起，而多普勒频移由物体移动引起，这些都是移动通信信道所固有的。因此在选择适合卫星通信信道的调制方式时，首先要注意它与系统之间在信噪比方面的配置程度，并兼顾其对频带的要求；其次要考虑在非线性信道上性能的恶化量；最后要分析其抗衰落性能，并考虑釆取适当的措施给予补偿。

目前，比较适合卫星通信系统的调制方式主要有以下几种。

1)经典恒包络调制

        二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)和交错正交相移键控(OQPSK)是经典恒包络调制方式，也是当前卫星通信中常用的调制方式。

       (1)经典恒包络调制器原理。图2.10为一般化正交调制器原理框图。它适用于上述三种调制，其差别在于基带产生器：对于BPSK,不需要基带产生器且只用调制器的上半部分；对于QPSK,基带产生器为串/并转换器；对于OQPSK,基带产生器除串并转换外，随后的Q信道还有K/2的延迟。

       (2)经典恒包络解调器原理。图2.11为一般化正交解调器(相干解调)原理框图。它适用于上述三种调制，其差别就在于检测器和组合器：对于BPSK,不需要组合器；QPSK和OQPSK的检测器为积分清除电路，但对OQPSK,I信道的检测器后需要π/2 的延迟。

图2.10   一般化正交调制器原理框图

图2.11  一般化正交解调器原理框图

(3)经典恒包络调制误码性能。以上三种调制有大致相同的功率利用率，即对于相干检测，误比特率为

其中，；統为比特能量；M为白噪声单边功率谱密度。

        (4)差分调制。在相干解调中需将输入信号通过非线性电路来恢复载频，这就使恢复后载频出现相位模糊，从而使解调器出现误码。解决此问题的方法之一就是釆用差分调制。

       差分调制的基本方法是，在发射机插入差分编码器，使相邻传输符号的相位差代表调制器的输入信息。这样解调这种相位差就不受载波相位模糊的影响。

       在实际应用中，有两种差分调制信号的解调方法：一种是具有载波恢复的解调器(相干检测差分译码)，另一种是无载波恢复的解调器(差分相位检测)。前者是相干检测后的数字序列再通过差分译码器变换成原始数字序列，而后者是用接收的前一个符号周期的己调信号作为参考，直接对相邻符号间的相位差进行检测恢复原始数字序列。对于第一种解调方式，由于对解调后的数字序列又进行差分译码，所以使误码率加倍；而对于第二种解调方式，为达到与相干解调相同的误码率，需要较高的输入信噪比，但解调器的硬件实现比较简单。

       由于OQPSK难以进行差分解调，所以常用的是BPSK与QPSK的差分调制。图2.12为BPSK差分调制与解调原理框图。

图2.12    BPSK差分调制与解调原理图

 

2)多进制相移键控(MPSK)调制

       多进制相移键控是频带利用率高的调制，其频带利用率理论上可达1昭2冲(bit/s/Hz),其中，〃为进制。但功率利用率低于QPSK,当M=S时，比QPSK约劣5dB。对于大的M值，为保持相同的符号错误率，以每增加一倍，输入信噪比大约需要增加6dBoMPSK信号可用正交调制器产生，不过要将图2.10中的基带产生器变成串/并转换器后接二进电平到多电平的转换。解调器也可用正交解调器，其中检测器为积分清除电路(或低通滤波)，后面为多电平判决以及多电平到二进电平的转换。

3)最小频移键控(MSK)调制

最小频移键控可看成移频宽度为或调制指数为h=0.5的连续相位频移键控(CPFSK).MSK可用正交方式产生，并可用图2.10来代替。其中，基带产生器与OQPSK相同，但随后在I、Q信道上分别进行半符号速率的正弦和余弦加权。其解调也可用如图2.11所示的正交相干解调器。其中，检测器与OQPSK相同，但在其前面的I和Q信道分别有半符号速率的正弦和余弦加权。这种MSK的调制与解调方式也称并行MSK(PMSK)O并行MSK调制的不利条件是对系统同步要求比较高，两个正交信道必须满足时间同步、幅度同步、相位正交以避免性能恶化。但随着数码率的提高很难精确达到上述要求。

1)分集技术

      分集和均衡是对付多径衰落的有效手段。分集利用多条信号路径传输相同信息，且各路径具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性，在接收端对这些来自不同路径的信号进行适当的合并，从而降低多径衰落的影响，降低误码率。常用的分集方法有如下几种。

(1)空间分集。发送端釆用一副发射天线，接收端采用多副接收天线。接收天线之间距离d≥λ/2,以保证各支路接收信号不相关。分集支路M越大分集效果越好，但M较大(>3)时设备复杂。

(2)极化分集。在发送端将信号通过相互正交的两副天线发射出去，接收端相应釆用两副正交的天线接收。水平极化和垂直极化正交；左旋圆极化和右旋圆极化正交。

(3)角度分集。在接收端釆用指向不同方向的两副以上方向性天线接收同一信号。

(4)频率分集。信息通过不同的载波发射出去。该方法的优点是：与空间分集相比，减少了天线数目，缺点是占用了更多的频谱资源，发送端需多部发射机。

(5)时间分集。信号在时间间隔大于相干时间(保证前后信号独立)的不同时间重复发送M、次,就可得到M条独立的分集支路。

在采用上述方法获得相对独立的分集支路后，还需将各分集支路合并。合并技术通常有以下几种。

(1)选择式合并。接收机从M个分集接收信号中选择具有最高基带信噪比(SNR)的基带信号作为输出。

(2)最大比合并。M个分集支路经过相位调整为同相，然后对各支路加权，使它们加权求和合并后的信号信噪比达到最大。

(3)等增益合并。M个分集支路经过相位调整为同相，然后按相同加权直接求和合并。

2)均衡技术

多径传播引起码间干扰，均衡技术是一种用来克服码间干扰的算法和实现方法。图2.13为均衡器原理图。

图2.13   均衡器原理图

 

       设信道冲激响应序列f(n)的Z变换为F(z),均衡器的冲激响应序列c(n)的Z变换为C(z),当信道输入序列/(n)时，均衡器输出为I(n)。釆用均衡技术的目的是根据信道的特性F(z),按照某种最佳准则来设计均衡器的特性C(z),使1(n)和1(n）之间达到最佳匹配。

3)分集和自适应均衡相结合

       对分集和均衡的分析表明，在非选择性(平坦)衰落的情况下，分集技术能有效地改善系统的性能。在选择性衰落中，则必须釆用自适应均衡技术来补偿码间干扰的影响。但由于衰落引起的信噪比波动，均衡器的性能也受到了限制。为此，可以釆用最佳分集合并和均衡相结合的结构。

统计分析表明，人们在相互通话时存在一个明显的特征，即a(a=35〜40%)的时间处于讲话状态，而1-a的时间处于收听状态，一条单向的发送话音通路在通话时只利用了a的时间，而1-a的时间处于空闲，因此可以将通话期间内这一空闲时间的信道充分利用起来。

1)话音激活

       在码分多址(CDMA)的系统中(包括卫星通信)，由于其本身的技术特点，在不讲话时，不发送信号。这样降低了整个系统内的干扰，从而可使信道数增至原来的1/。倍，即近于3倍，这种技术称为话音激活。在FDMA中也可以采用该技术，即无话音时不发载波，以让出信道，这种方式一样可使信道数增至原来的1/a倍。

2)数字话音内插

       数字话音内插是卫星通信中普遍使用的一项技术，它是利用人们相互通话时听多(65%的时间)说少(35%的时间)的特点来增加系统容量的技术，是TDMA卫星通信系统不可分割的一部分。DSI包括时分话音内插(TASI)和话音预测编码(SPEC)两种方式。TASI是直接利用通话呼叫之间间隙，听话而未讲话以及讲话停顿的空闲时间，把空闲时的通道暂时用于其他用户的通话，以增加通信容量。SPEC是当某一时刻的PCM码样值与前面的PCM码样值有明显差别也就是不能预测时，才发此码组，否则不发，因而大大减小了需传输的码组数，留下的容量供其他用户使用，从而提高系统容量。

      (l)TASI。图2.14是数字式TASI的原理框图，它的功能是：N路话音经编码后构成的时分复用(TDM)信号作为输入信号，在一帧内N个话路经话音存储器与TDM格式的M个输岀话路连接。其各部分的作用如下。

       ①发送端的话音检测器依次检测各话路是否有话音信号，当检测到电平高于门限电平时判为有话音，否则判为无话音。若门限电平能随线路上的噪声电平的变化自动地快速调节，则可大大减少由于线路噪声所引起的错误检测。

       ②分配状态寄存器负责记录任一时刻的输入话路和输出话路的连接状态及各输入话路的工作状态。

       ③分配信号产生器用来每隔一帧时间在分配话路时隙内发出一个分配信号以传递话路间连接状态的信息，以便使接收端根据这一信息恢复原输入的数字话音信号。

       ④延迟线。使用延迟线的原因是话音检测及话路分配需要一定时间，并且新的连接信息应在该组信码存入话音存储器之前送入分配状态寄存器，延迟时间约为16ms。 

 

       TASI的工作过程：在发送端，话音检测器依次识别各输入话路的工作状态（有无话音），当确认某个话路有话音时，立即通知分配处理机在分配状态寄存器的“记录”中搜索。如果原来没有给该话音信号分配输出话路，便寻找一个空闲的输出话路，找到以后，便由分配处理机立即发出命令，把该话音经延迟后的信码存入话音存储器内与将连接的输出话路对应的一个单元中，并在分配给该输出话路时隙位置“读出”该组信码。与此同时，要将输入话路和输出话路之间所建立的新的连接状态信息，送入分配状态寄存器和分配信号产生器以便通知接收端。如果这一话路连续有话音，就保持这一状态，直到无话音为止，再改变分配状态寄存器的记录。用以传递分配信息的分配通道与M个输出话路通道组成的信码经卫星链路发出。在接收端，当TASI接收端收到扩展后的信码时，由分配处理机根据收到的分配信号更新接收端分配状态寄存器的“分配表”，并将各组语音信码分别存到接收端话音存储器的有关单元中，再依次在一定的时间位置“读出”，恢复为原输入的N个通路的TDM帧格式。由此可知，经过这样的处理，输入信号无用的空闲时隙被压缩掉了，因而可用较小的话路传达较多路数的语音信号，节省了信道，提高了系统容量。

      （2）SPEC。图2.15是SPEC发送端的原理框图。其工作过程是：话音检测器依次检测TDM复用N个通道的编码码组输入，当有话音信码时,打开传送门让这一组编码（PCM是8bit编码）送到中间帧存储器和零级预测器，否则传送门不打开。延迟电路提供话音检测的时间约5mso零级预测器将“预测器帧存储器”中所存的上一次取样时该通道的那一组编码码组与刚收到的码组进行比较，计算出它们的差值。如果差值小于或等于某一规定值，则认为刚收到的一组PCM码是可预测的，将其舍弃。如果差值大于某规定值，则由中间帧存储器将此码组送入预测器帧存储器取代前一码组，以便下一次比较；同时，把此码组“写入”发送帧存储器，并在规定的时间“读出，发送帧存储器是双

图2.15     SPEC发送端原理框图

 

缓冲存储器，一半读出时另一半写入，这样就有连续的信码送给输出合路器。零级预测器还将各次比较的情况编成分配码(SAW),如可预测的为“0”,不可预测的为“1”，其N比特(一个通道对应一比特)送到输出合路器，从而形成有“分配通道”和个输出通道”的结构，并送入卫星链路中，就可恢复出原发端输入的N通道的TDM帧结构。

       SPEC中也存在竞争，竞争导致了本来应该发的码组可能未发，而接收端却按前一码组内容输出，结果导致量比信噪比下降。设计时一般按信噪比下降不超过0.5dB来确定DSI增益N/M。

      多址方式是指在卫星天线波束覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两个地址和多址之间的通信。目前，在卫星通信中使用的多址连接方式主要有频分多址、时分多址、空分多址和码分多址等四种方式。

1)多址方式的信道分配技术

在卫星通信的多址方式中要涉及信道的分配技术。信道分配技术是指使用信道时的信道分配方法，具体来说可分为预分配方式和按需分配方式两种。

       (1)预分配方式。预分配方式又分为固定预分配和按时预分配方式。

       ①固定预分配方式。在卫星通信系统设计时，把信道按频率、按时隙或按其他无线电信号参量分配给各地球站，每个站分到的数量可以不相等，而以该站与其他站的通信业务量来决定。分配后使用时信道的归属一直不变，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。这种信道分配方式就是固定预分配方式。这种预分配方式的优点是通信线路的建立和控制非常简便,缺点是信道利用率低，所以这种分配方式只适用于通信业务量大的系统中。

       ②按时预分配方式。按时预分配方式是要对系统内各地球站间业务量随“时差”或随其他因素在一天内的变动规律进行调查和统计的，然后规定通道一天内的固定调整方式。这种方式的通道利用率显然要比固定预分配方式高，但从每个时刻来看，这种方式也是属于固定预分配的，所以它也只适用于大容量线路，并且在国际通信网中较多釆用。

        (2)按需分配方式。为了克服预分配方式的缺点，提出了按需分配方式，也叫按申请分配方式。按需分配方式的特点是所有的信道为系统中所有的地球站公用，信道的分配要根据当时的各站通信业务量而临时安排，信道的分配比较灵活。

显然，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，通常都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，以便各地球站进行申请、分配信道使用。

2)常用的多址方式

       (1)频分多址(FDMA)o在这种多址方式中卫星所占用的频带按频率高低划分给各地面站。各地球站就在被分配的频带内发射各自的信号，而在接收端，则利用频带滤波器从接收信号中只取出本站的信号。

       (2)时分多址(TDMA)o在这种多址方式中各地球站分别在各自的时隙中进行通信，共用卫星转发器的各地球站使用同一频率载波。在接收端，根据接收信号的时间位置或包含在信号中的站址识别发射地球站，并取出与本站有关的时隙内的信号。

      (3)空分多址(SDMA)o空分多址是在卫星上装有多副窄波束天线，把这些指向不同区域的天线波束分配给各对应区域内的地球站，通信卫星上的路径选择功能向各自的目的地发射信号。由于各波束覆盖区域内的地球站所发出的信号在空间上互不重叠，即使各地球站在同一时间使用相同的频率工作，也不会相互干扰，因而起到了频率再用的目的。但实际上，给每个地球站分配一个卫星天线波束是很困难的，因而，只能按地区为单位来划分空间。可见这种空分多址不能单独使用，最好是与其他多址方式结合使用。

      (4)码分多址(CDMA)o在这种多址方式中，分别给各地球站分配一个特殊的地址编码，以便扩展频谱带宽，使网内的各地球站可以同时占用转发器的全部频带发送信号，而没有发射时间和频率的限制(可以互相重叠)。在接收端，只能用与发射信号相匹配的接收机才能检测出与发射地址码相符合的信号。

1)下行链路的功率发射

       在卫星通信系统的一个卫星发射天线的覆盖区内，下行链路(卫星一卫星通信终端、卫星一关口站)一般无须采用功率控制(即卫星天线的发射功率无须控制)，具体地说，对处理转发器只要固定发射功率，而对透明转发器，其输出功率只随输入功率的变化而保持近于线性的变化，输出功率的大小不受其他任何指令或部件的控制。下行链路釆用上述的无控制功率发射方法基本能满足卫星通信的要求，即系统自身产生的各种干扰(如互调干扰、邻信道干扰、CDMA的多址间干扰等)相对各路接收信号较小，系统中的各卫星通信终端和关口站的接收设备都能相互协调、彼此互无影响地正常工作，不会使各接收设备的输入载干比相差悬殊，导致一部分接收设备因接收信号载干比高而高性能地正常工作，一部分接收设备却因接收信号载干比太低而无法维持正常的工作（如误码率太低、同步丢失等）。

2）上行链路的功率控制

       卫星通信中使用的转发器有处理转发器（如lidiuan系统）和透明转发器（如Globalstar系统）。对处理转发器而言，地面上的发射功率控制影响到卫星上的各接收机能否有效地工作，而对透明转发器而言，地面上的发射功率控制影响到地面上的各接收机能否有效地工作。

       由于卫星通信环境不断变化的影响，地面发射机以固定功率发射信号时，无论对处理转发器卫星上的接收机还是对使用透明转发器的地面接收机来说，其接收信号都是一个具有不同程度衰落的信号。因此，如果对地面各发射机的输出功率不加以控制而以同样功率发射，由于各发射机所处的移动环境差异较大（如城区、开阔地区等），地面发射机所对应的卫星上的接收机或地面上的接收机所接收的信号功率就有较大的差异，造成各接收机输入信号载干比相差悬殊而使部分通信链路中断或无效。具体介绍如下。

    （1）对FDMA的卫星通信系统，某一地面发射机的上行链路功率过高会侵占透明转发器分配给其他上行链路（信道）的功率而影响其他上行链路的通信质量。反之，功率低于额定值，自身的通信质量又会下降。对处理转发器而言，上行链路功率过高，对邻信道的干扰增加，功率过低时，卫星上的接收机却无法正常工作。

    （2）对TDMA的卫星通信系统，移动环境的变化，如降雨、植被遮蔽等的损耗，也要求发射机随不同的移动环境调整其发射功率，如钛系统。

    （3）对CDMA的卫星通信系统，主要的干扰是码间干扰，釆用适当的上行链路功率控制以保持各接收机具有基本相同的输入载干比，进而提高系统容量。

       上行链路功率控制的目标、方法和特点：上行链路功率控制的目标就是使透明转发器对应的所有地面通信终端接收机和处理转发器对应的卫星上的所有接收机所接收的信号功率达到该系统设计的范围内，并且在通信的过程中一直保持这个设定的范围。按上行链路功率控制的过程可以分为三类。

     （1）开环法。地面通信终端根据接收到的卫星下行链路信号或导频信号功率而决定发射功率。在某些卫星通信系统中，卫星发射的下行链路信号功率是固定的，所以地面通信终端所接收信号的大小就代表了卫星与地面通信终端之间的链路损耗。这种方法简单,但精度不高。

     （2）闭环法。地面通信终端发射信号后，相应的接收机将接收的信号电平大小告知系统的负责中心（关口站、网络操作中心等），由它们对接收信号大小作出分析，并经下行链路反馈给地面通信终端一个调整其发射功率的信息，地面发射机按此命令调整发射功率。显然，这种方法比开环法复杂，但精度比开环法高。

     （3）混合法。即上述两种方法的混合，在开始时先以开环法确定最初的功率电平，然后根据系统的功率发射调整指令进行调整。

       上行链路的功率控制一般釆取降梯式控制，每次调整一个或几个阶梯。

       由于卫星链路距离长，通信延迟大，而衰落又具有一定的速率，此时，上行链路功率控制不可能非常精确，这是它不同于陆地蜂房移动通信系统的一个显著特点。