【doc】TDMA卫星通信方式：第一部分

TDMA卫星通信方式：第一部分
TDMA卫星通信方式
第一部分
1.前言
时分多址(TDMA)通信方式,是各站用所发数字信号调制同一无线频率,仅在特定的
分配时间里发出电波进行通信的方式.这一通信方式的优点是,可充分发挥无线通信多址联
接的特长,能用一部调制解调器与多个站同时进行通信,可使转发器工作在饱和状态(转发
器输出的利用率达100)'缺点是收发信速度快,收发信须取得同步.
近年来,随着数字通信技术的发展,卫星通信的趋向是FDMA方式将由从低速到高速得到
广泛应用的TDMA方式所取代.此外,"用户无线通信",移动通信也在向TDMA方式的
方向发展TDMA方式的硬件技术,初期是采用分立集成电路(Ic)'现在是低速处理部
分采用微处理器,高速处理部分采用大规模集成龟路(LSI).在系统上,国际通信的同步
基准——网同步等问题正在逐步得到解决,用一个波束覆盖工作区的单波束卫星通信将发展
为用多个波束覆盖一个或多个工作区的多波束通信.在硬件技术方面,正在研究一种多波束
卫星通信方式所必需的卫星交换——时分多扯(SS--TDMA)设备,这种设备能在星上选
择交换输入输出突发信号.另外,为了能在在星上进行再生中继,各国正在研究星载TDMA
设备.但如前所述,TDMA通信尚需如下一些复杂的功能,如压缩扩展,收发信同步,报
头的生成以及与发信信号的合成,收信信号的分离等,这些技术尚欠成熟,需进一步研究开
发.
本文就TDMA方式的历史,实用TDMA卫星通信方式的原理及未来展望进行讨论.
首先讨论的内容是TDMA通信的原理,包括同其他多址联接(MA)方式的比较,指出
'I'DMA通信方式的特点及TDMA通信的发展概况.接着讨论TDMA通信的基本技术——收信
同步,捕获发信同步及同步码的检出,并讨论TDMA通信用的突发脉冲^剐解调器及纠
错方式.最后讨论TDMA设备构成,设备和系统举例,以及未来展望和研究课题.此外,
往与TDMA设备一起使用的数字话音内插法(DSI),因不属TDMA方式特有技术,故本文
不予涉及.
2.概述
±.1TDMA通信原理
卫星通信中,位于能"旨到"同一颗卫星范围内的地球站,互相可』通过卫星直接
进行通信.卫星通信的一大特点就是能做到多个站其用一个转发器互相进行通信(多址联
接).多个站共用一个转发器,可避免通信电路之间的干扰.TDMA方式就是多址联接方
式之一.
TDMA通信的概念如图l所示.这一概念就是规定出收发信信号的基本周期——1TDMA
帧(一定长度的时间,图1中表示为Tf),用在此帧内分配到的一对时隙跟对方站进行通
信.下面讨论TDMA通信的基本功能.
图1TDMA通信的概念
(a)信息的压缩/扩展
在TDMA通信中,是通过间歇(突发)发出无线电路信号进行信息的收发(通信)的, 因为是按时间分割使用同一额率的卫星电路,所以无线电路的传输速度远远高于可发送的数
字信号的传输速度(通常为几倍～几千倍).为进~TDMA通信,须将终端或地面网发来的数
字信号在时间轴上加以压缩,变换成高速突发信号.
反过来,在收端接收到的是突发性高速信号,须扩展成与终端或地面网的时钟速度相同
的信号.这种对信号的压缩/扩展过程是TDMA通信的特点之一.
(b)同步
为使各站发出的突发信号不致在卫星上相互重叠,须对各发信定时进行控制.为此各站
具有共同的定时基准,设定发信定时(发信时间基准),须把各站到卫星的距离差考虑进
去.从收信信号里检出特定的信号(基准站同步突发脉冲)作为时间基准的称作收信同步,
决定向卫星发送信号的定时称作发信同步(或突发同步).
例如,图1中的地球站一1是向TDMA帧的时隙T发出信号,而与地球站一1通信的地球
站一n则向时隙T发送信号.这样一来,各站的发信信号在卫星的TDMA帻上按T.～T的
顺序收信而不重台,卫星接收的信号被转发器放大后再发给各地球站.因此,上例中在时隙
T.发出的信号,在地球站一n由时隙T接收.反过来,地球站一l接收地球站一n在
时隙T发
来的信号.
(c)突发脉冲调制解调器.
TDMA通信中,收和发的信号是突发脉冲信号,所以,稠铷解诩器颓在突发状态下工
2
作.这种调制解调器与收发连续信号的调制解调器不同,调制器只在有发信信号时才输出调翩
信号,所以需要开关电路,而解调器为了能解调出收到的突发脉冲信号,需具有利用设置在
各突发脉冲报头中的载波恢复码(cR)和时钟再生码(BTR)高速再生出载波和时钟的功
能.
(d)保护时间
虽说是静止卫星,其实卫星在其轨道保持位置范围内还是经常秽动的.随着卫星与地球
之间距离的变动(多普勒额移),收发信频率也会变动.所以,只要不是采用下述的SMAX
网同步方式,突发脉冲串之间就需要一段无信号时间(保护时间GT).
保护时间具有代表性的构成要素示于表1.它们的具体数值需根据卫星位置的保持精
度,发信同步周期地球站H寸钟的AFC方式等参数分别加以研究.
(e)帧结构
决定TDMA帧周期的主要因素有:通信信号的容许时延"和压缩/扩展部分的存储量,建立TDMA同步基准的基准站同步突发脉冲的发信周期,突发脉冲(回路)的分配周期
及修正各站发信时间位置的同步控制周期.通常多构成与上述3种周期相应的3层帧,TD
MA的帧结构举例如图2所示.图中基帧(2ms)用于基准站同步突发脉冲的发信周期,复帧
(20ms)用于分配突发脉冲的周期,面超帧(128Ores)用于控发信同步的周期.
囊1保护时问的主要构成因素(--般站)
单波束通信方式多波束通信方式
反馈电路闭台电路(反馈电路)
卫星距离变化率oo0
发信时钟频率误差(簇差)o0O
多昔勒频率误差o0O
数字处理突发位置误差检出O(基准站)O(一般站)0(基准站)
量亿误差l收发信同步控制O0O
每转发器系统*在星上距离差O"OO
基准站突发脉冲同步误差O,
.●只在转换转戋器时需要
鲁÷转戋器.星藏中继器
构成帻的脉冲分为基准站同步脉冲(R,R),一般站同步腺冲(N),数据脉冲
(D)及起始捕获脉冲,分别用于TDMA时间基准(从两个基准站发信)一般站时间基准,可发信的信息及起始捕获时的信号传输..
备突发脉冲串中带有称作报头的前置码.报头由上述的保护时间(GT),载波恢复码3
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图2TDMA帕结拘举例
时钟再生码蕨同步码(uW:独特鹃)
构成.在这一部分进行载波恢复,时钟
再生后,捡出同步码,从而获得TDMA
同步时间基堆或应接收的数据的时阊位
置.
TDMA帧效率q可用下式定义:
rt=(1帧中的有效信息毕特数/
'1帧中的全部信息毕特数)
×100(1)
因此,为提高帧效率,就须缩短不
直接传输信息的报头长度.具体地说,
就是耍缩短CR,BTR及uw的长度,
这就给在突发状态下工作的解调器提出一个研究课题.从提高填效率的观点来看,缩短保护
时间也是很重要的.
对应各种速度的信息及业务量变动的帧有两种构成方法,一是假设各数据脉冲串长度一
定,使每1帧发出的脉冲数变化}二是假设每1帧的突发次数不变,而改变突发脉冲帚的长
度.前者每一次突发都需要报头,视在帧效率比后者差,但在收发由各种速度构成的信息的
场合,特别是在每呼叫一次分配一次电路的按需分配(DA)的场合,不会像晶者那样出现
所谓"掉牙"现象,实质上可达到高的帧效率.反之,后者在周定分配电路的预分配(PA)
龅场台,实质上也能达到高的帧效率.电路分配有如下几种方法:收发信信道均可改变的按
需分配(DA),只可改变收信的耳标地址(vD),其可改变发信的起始地址(V0)后
两者总称为变址(vA).
(f)与地面无线通信的差别
上面介绍了TDMA通信的原理,但卫星TDMA通信与地面无线(用户无线)TDMA 通
信之间有授大的差别.卫星TDMA通信中,卫星位置的变动(多普勒频移),常引起传播路
径及收信时钟的变化,而在地面无线TDMA通信中,只要不是以移动站为对象,就没有这种
现象.传播路径长度厦收信时钟的变化,使得卫星ToMAtO.信比地面无线TDMA~信复杂
多了,如保护时间的设定,从收端随时间位置变化的信号中检出同步码,跟踪发端卫星帧的
实时发信定时的控制以及把收到的多普勒频移时钟换读威无多普勒频移时钟等.
2.2与其他多址联接方式的比较
多址联接方式,除TDMA方式外,还有频分多址联接(FDMA)及要求抗干扰,高保密的军用码分多址联接(CDMA)方式.
(a)FDMA
FDMA是将卫星转发器的频带加以分割分配给各地球站的方式.各地球站把发信及收信
频带按对分配互相进行通信.
顿分多址联接方式,根据用载波发送的信号是单渡遭还是多波遭,又分为每载波单路《s
'
CPC)和每载设多路(MCPc)方式
(b)CDMA
是给各地球站分配特定的码,再用这个码去调制(二次调制)通常的调制(例如PsK 调制等,在CDMA方式中往往称作一次调制)信号互相进行通信(两个调翩顺序反过来也
可以)的方式.本方式与其他方式的不同点是,用一个转发器把频率和时间重叠的信号放大
后,再向地球站发信.收信地球站用与发信站相弼的码从这些信号中进行逆调制,获得希望
的一次调制信号,接着进行普通的解调,获得基带信号.
在逆调制过程中,希望信号被压缩到硪来的带宽,所以,希望信号功率中只有处理增益
部分得到了放大(BW/2f'其中,BW是扩展后的带宽,f是信号时钟频率).另一方面,其他电路信号及热噪声在逆调制过程中均不变化而保持一定,所以一次解啊器输入载噪
比(CNR)只因处理增益被放大而得到了改善.
表2按传输信号,复用等对上述多址联接方式加以分类,各自的特点示于表3.这些方式
各有优缺点,可根据各种不同的目的加以采用.
裘2多址联接方式的分类
方式传输信号复用谓翩方式举侧同时放大载波数
/转发器
SCPC模拟/数字——低速FM/PSK
}(连续或突发状态)
FDMA多载波
低速FM/PSKMCPC模拟/数字FDM/TDM
(连续或囊发状态)
TDMA数字TDM~PS.K(突发状态)单载波
多载波CDMA,
数字TDMPSK(突发状态)(频谱有重叠)
表8多址联接方式的特点
方式;优点j缺点
FDMA
(1)调制器工作速度低
(2)不需复杂同步即可避免同其他站
发信信号的干扰,容易实现多址联接.
(3)可采用小地球站通信.
(1)每一转发器的传输容量小(随着
载波数的增加,传输效率明显降低).
(2)不易适应各种速率的数字信号传
输.
5
可最大限度利用转发器的发(D
蛊
(2)
信功l(1)需采取同步措施避免同其他站发
j信信号的干扰,基带处理电路复杂.
容易传输各种速率的数字信号.
(3)可灵活处理各站电路容量的变化.
(4)容易实现多波束通信方式的波束
间联接.
(2)发信功率须与每一转发器相对应.
I(1)固定分配各站波道(码),并可I(1)-N要宽频带转发器. CDMA!按需分配.!(2)频谱利用率(bit/s/Hz)低.
每一转发器的传输容量是表示多址
联接方式性能的重要参数之一,如图3
所示,它是随接续数(/转发器)而变
化的.FDMA方式中,传输容量随接续
数的增加而降低,这是因为,由于转发器
的非线性,多载波间的交调噪声随载波
的增加——转发器输入功率的增加而增
大了.因此,收发话音信号时,有时要
采用话音激活技术(只在有话音时才向
卫星发出信号),以降低转发器输入功
率.CDMA方式的传输容量比其他两种
方式小,这是因为转发器的频带受到限
制,得不到充分的处理增益,波道数受到
期
燃
,
墓
■
靖
辑
图3多址复用联接方式中,载波敷与侍输容量
(/转发器)的关系举例
载波问干扰噪声的限制.另一方面,在TDMA方式中,由一个转发器间歇放大的载波是单
波,所以,即使接续站数增多,也不需要转发器输入的回遇,只是由于TDMA~信所必需的
报头等额外消耗,才使传输容量降低一些.
由此可知,以通常的站数为前提的场台,TDMA多址联接方式可使每一转发器的传输容
量达到最大同FDMA方式相比,TDMA方式有如下特点:
(i)可最大限度利用卫星转发器发信功率
如前所述,FDMA方式是用一个转发器放大多/卜载波,不能让转发器在饱和区工作,而
TDMA方式是用一个转发器只间歇放大单载波,所以可让转发器在饱和区工作. (ii)容易传输各种速率的数字信息
TDMA方式传送各种速度的信号不需特殊的电路,只增减每一单位时间(具体为帧周
期)发出突发脉冲串的次数或改变突发脉冲串的长度就行了.
(iii)容易实现多波束通信的波束间联接
在多波束卫星通信方式中,用不同波束覆盖的地球站,如果不在星上连接各通信信道,
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就不能相互通信]~TDMA方式各突发脉串间有保护时间,所以,通过在这个保护时间里
换接各通信信道,很容易设定波束间的通信信道.
2.8发展历史
(1)历史
TDMA~.信方式的开发史可追朔到1966年,当时,美国通信卫星研究所开发出第一颗卫
星,通过它作了6Mb/8TDMA(MATE~)的实验'".实验证明,TDMA突发脉冲
串间的保护时间是个现实的数值(本侧为2O0ns以下),明确了可以有效实现TDMA系统.
1868年日本NTT电气通信研究所进行了13.644Mb/sTDMA(SMAX)方式的实验l;
大致在同一时期,美国通信卫星研究所开发了突发脉冲串长度可变~5OMb/s~ITDMA(M—
AT—1)方式,并做出了有实用价值的TDMA~备|而日本KDD研究所开发了传输速度为50Mb/s的时间一预分配TAsITDAA(TTT)方式1970年进行了后两者的双
向实验.
sMAx的最大特点是,在星上各站发来的突发脉冲串的时钟相位一致(取得网同步).
从而,在此方式中,保护时间用一个码元即可,帧效率高.sMAx方式在电路分割方法上实
现TVD方式,与PA方式相比,接续站数在20个以上,传输效率高一倍.
MAT—l方式采用突发脉冲串长度可变的收信地址可变方式(1次突发/站),它是按
需决定各站突发脉冲串长度的.TTT方式不是按需而是按照电路分配时间表改变突发脉冲串
长度,基本上是固定分配方式,通过采用时分话音内插(TASI)技术,电路效率相当于按
需分配方式.
后来,各国进行了各种开发研究,世界上最早的商~TEMA系统t(传输容量为400 路话音)是加拿大于1976年推出的.
日本NTT公司1982年应用了TDMA--60M和TDMA--1OOM方式",这两种方式与
SMAX方式同样采用时钟完垒同步方式和低电平捕获法.前者的传输容量约为60Mb/s(480
×64kb/s双向话音波道),是世界上头一个应用30/2OGHz频段的商用卫星通信系统.
另一方面,国际通信卫星组织的TDMA~星通信方式,也在经过种种变迁之后选择了下
述两种系统,~3OMHz带宽的转发器传输速度为6OMb/7s[;~TDMA系统]~72MHz 带宽的转
发器传输速度为120Mb/s的TDMA系统.
从1985年起,国际通信卫星组织一v号卫星带有效字话音内插的12OMb/sTDMA 方式
投入了商用.
(2)研究开发要点
TDMA方式的研究开发要点集中在如下两个方面;①如何在频带受限情况下使传输容
量达到最大}②如何在卫星发信功率受限情况下使传输容量达到最大.
下面从传输容量(/转发器)的观点来讨论TDMA方式的性能.
(a)频率受限条件下的传输容量
传输容量T.(信遒)可用压缩率C.(BR/BR:TDMA时钟/信道发信信号时钟), TDMA~1纠错编码率R表示如下式:
T:?R?e.(2)
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转发器频带(B)是有限的,设额谱利用率为(bit/s/I-Iz),则BR-根据Bw和
由式(3)加以限制:
BR.≤B?"qf(3)
因此,传输容量T可使用这些参数用式(4)表示:
T=-q.?R?B/BR:(4)
(b)功率受限条件下的传输容量
在传输容量由发信功率决定的场合,TDMA时钟速度受到上限的限制.
设电路中断指标E./N'.(dB)及c,N'dB)分别表示为(E/N.3TA(C/N3h,两者健
BR.及B有式(5)的关系,为在一定C/N条件下获得所希望的E/No,BR存在有上限. [E/N.]=[C/N]一[BR/B](5)
式中,[BR/B]=101gI.(BR-/B,)
因此,传输容量T受式(6)的限制.
T1-R?(B/BR)?1O([C/N]一[E/N.]T)(6)
从以上分析可以说,TDMA通信的研究历史,主要是如何使式(5)和式(6)给出最
大的T的历史.
例如,为使1大,需缩短①载波恢复码,②时钟再生码,③独特码,④保护时间,并需
@加长帻的长度'为缩短④和②,需研究具有快捕和低滑动特性的突发脉冲解调电路l为
缩短@,需研究同步码,为缩短④,需研究高稳定时钟,AFC/APC方式及同步方法,另外,@的帧长随着随机存贮器(RAM)容量的增大而加长,大大有助于提高帧效率. 同样,为提高频谱利用率(1),需开发在非线性电路中误码率(或E/N.>恶化小
且频谱宽度窄的调制解调方式,研制LB2相相移键控(PSK)效率更高的4相PSK 方式,偏移i
相PSK方式,编码PSK方式等.
当然,除了上述研究外,为使设备更经济,体积更小,并扩大其应用领域,还进行了LST化和IC化的研究.
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