卫星移动通信系统设计一、主要技术指标1）主要覆盖东南亚地区（92°E~140°E ,10°S~23°26’N），地面终端为手持机。

2）地球同步轨道，卫星轨道的高度为36000km。

3）波束：卫星天线有140 个点波束，EIRP：73dBW，G/T：15.3dB/K。

4）支持数据速率9.6kbps, 至少能提供10,000路双向信道。

5）频段：L波段，上行1626－1660MHz，下行1525－1559MHz。

二、总体技术方案1.系统组成卫星通信系统主要由卫星星载转发器、地球站接收和发送设备组成。

系统组成如图（1）所示，从图中可以看出这些设备是如何构成系统，以提供端到端的链路的（用户终端→信息编码→调制器→上变频器→功率放大器→卫星接收、下变频→解调、路由→上变频、发射→接收机与解调器→用户终端）。

发送端输入的信息经过处理和编码后，进入调制器对载波进行调制；已调的中频信号经上变频器将频率搬移到所需的上行射频频率，最后经过高功率放大器放大后，馈送到发送天线发往卫星。

卫星转发器除了对所接收的上行信号提供足够的增益外，还进行必要的处理（频率变换、译码、编码等）。

卫星发射天线将信号经下行链路送至接收地球站。

地球站首先将接收的微弱信号送人低噪声放大模块和下变频器。

低噪声放大模块的前端是具有低噪声温度的放大器，以保证接收信号的质量。

下变频器、解调和解码与发送端的编码、调制和上变频对应。

图（1）星载和地球站设备2.系统的传输技术体制（1）信号调制方式（2-PSK ）二相相移键控(BPSK)是相移键控中最简单的一种形式，相移大小为 180°，又可称为2-PSK 。

简单来说，就是二进制信号的0和1，分别用载波相位0和π或π/2和−π/2 来表示。

表达式为S BPSK t =[ a k g t −kT b k]cos ⁡(ω0t)式中a k 为二进制数字，a k 为+1的概率为P ，a k 为-1的概率为（1-P ） 采用BPSK调制方式时，发送端以某个相位作为基准，因而在接收端也必须有一个固定的基准相位作参考。

如果参考相位发生变化，则接收端恢复的信息就会出错，即存在“倒π”现象。

因此在实际应用中一般采用差分相移键控（DBPSK）。

DBPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位来表示数字信息的一种表示方法。

DBPSK只是比BPSK 多了一个差分编码器。

DBPSK和BPSK只是对信源数据的编码不同。

在实现DBPSK调制时，只要将码序列变成差分编码，将原信息序列（绝对码）变换成相对码，其他操作与BPSK完全相同。

由于在DBPSK中，数字信息是用前后码元以调信号的相位变化来表示的，因此，用有相位模糊的载波进行相干解调时并不影响相对关系。

虽然解调得到的相对码完全是0、1倒置，但经差分译码不会发生任何倒置现象，从而克服了载波相位的模糊问题。

手机的接收和发送均采用二项项移键（BPSK）调制，数字信号允许的最大比特误码率为10−4,从而导致语音信道的S/N为34dB,当误码率为10−4时语音信道的C/N的理论值等于8.4dB。

实现裕量设定为0.6dB，则最小的C/N设定为9dB。

（2）多址接入方式上行链路: 卫星交换的FDMA每载波单路信号的FDMA （SDMA-SCPC-FDMA）在终端每路信号进行调制变频放大后以一条独立载波发送出去，卫星接收信号进行处理交换，直接发送信息给被呼叫用户。

图2 卫星交换FDMA系统模型在SS-FDMA系统中，通常存在多个上行链路波束和多个下行链路波束，没个波束内均采用FDMA方式，各波束使用相同的频带（空分多址）。

在卫星通信过程中，其上行链路载波必须处于某个特定的频率上，以便转发器能根据其载波频率选路到相应的下行链路波束上，即在SS-FDMA方式中，载波频率与需要去往的上下行链路波束之间有特定的对应关系，转发器可以根据对应关系实现不同波束内FDMA载波之间的转换。

图3 SS-FDMA卫星转发器框图上图给出了SS-FDMA卫星转发器框图，图中上行链路下行链路均只有三个波束为例。

对于SS-FDMA来说，每个上行链路载波在星上都有一个滤波器与之对应。

去往某个下行链路的上行链路载波都必须在星上被选路到覆盖该接收地球站的下行链路波束。

在任一波束中的每条上行链路在任何时候都可以连接到任一波束中任何下行链路。

除了可以实现空分频率复用外，SS-FDMA通过在星上增加增益调整，还可以对同一波束内所有的下行链路进行功率控制，从而避免大波束抑制小波束现象。

下行链路: 卫星交换的TDMA每载波单路信号的FDMA （SDMA-FDMA-MCPC-TDMA）如果上行链路和下行链路同时使用FDMA的话，由于卫星非线性的增益放大，系统之间会产生非常严重的交调干扰，极端情况下会使得系统崩溃。

所以在下行链路，我们采用多载波的TDMA。

这样就可以极大地减少载波之间的交调干扰。

配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的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，时隙的排列既紧凑又不重叠。

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。

TDMA决不会出现互调和大载波抑制小载波的现象，从而可使卫星的功放工作在饱和区，能够获得到最大的卫星输出功率。

不过TDMA要考虑到帧的同步问题。

3.信道编码在信道中增加一些特殊的并且有序的比特流，可以大大的提高系统的传输增益。

在这里我们使用了分组编码和半速率卷积码。

使得系统的传输增益提高7dB。

4.信道的申请及信道分配（1）信道的申请：用户接入时采用随机多址访问的方式。

在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。

图5 卫星分组通信原理在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。

ALOHA的特点：①系统结构简单，用户入网方便，无需协调。

②当业务量较小时具有良好的通信性能。

③存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。

④存在信道不稳定性。

即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有信息传输的时间占总的可用时间之比）加大。

极限情况下，信道内充斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。

可见信道吞吐量低和不稳定性是ALOHA的主要缺点。

在双方通信开始之前，用户需要向卫星发送一段信令，要求卫星呼叫被请求的用户。

信令接入的方式采用随机多址接入的方式。

当双方接通后，卫星随机分配一段空闲的频率来支持双方的正常通信。

（2）信道分配：按需分配（DA）方式按需分配方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。

这种分配方式比较灵活，各站之间可以通过协商进行通道调剂，因而可以用较少的通道为较多的地球站服务，同时还可避免出现忙闲不均的现象，提高通道利用率。

但为了实现按需分配方式，则必须在卫星转发器上单独划出一频段，专门作为公用信道，各地球站可通过此公用信道进行申请和完成通道分配工作。

根据信道分配可变的程度不同，与电话蜂窝系统一样，多个用户共享相同的可用频率，每个呼叫都要遵守一定的建立顺序，向卫星发射呼叫信息，卫星把消息接收经过解调恢复信息进行判断并且找到呼叫对象，把信令发送给呼叫用户，开始建立连接。

建立连接后，卫星为呼叫分配频率进行通信。

通信结束后频率被释放，成为新的可用频率。

二、关键技术解决途径（1）互调干扰：多波束卫星之间产生互调干扰解决方法：图6 七波束频率复用二相相移键（BPSK）调制，的带宽与码元传输速率相等，为9.6kHz。

而卫星天线有140个波束，提供10000路双向信道，利用空分复用,相当于每七个小区共享34M带宽，假设每个小区有80个用户,系统总的带宽为680M,频分复用的话每个用户最多可以分到60Kb的带宽。

（2）非线性失真：通信系统中，信道非线形失真会对信号造成损害，非线性失真主要由功率放大器（特别是载功率放大器）产生，有幅度非线性失真和相位非线性失真。

幅度非线性失真即信号输入输出幅度变化特性(AM-AM)是非线性的。

相位非线性失真将输入信号的幅度变换转换为输出信号相位的变化。

解决方法：为减少信道的非线性失真，主要是减少放大器带来的非线性失真，一般可采用非线性补偿技术或放大器功率回退技术。

非线性补偿的方法之一是根据已知的功率放大器非线性特性用互补的特性进行语补偿。

预补偿可以在中频以模拟电路实现，也可以在基带以数字方式进行补偿，本系统采用后者。

采用自适应非线性补偿，这样可以在未知功放非线性特性的情况下进行预失真补偿，适应性强，补偿效果好。

输入输出补偿能有效地减少多载波信号的互调失真，但是降低了功率放大器的功率效率，对于多载波传输的卫星通信系统，由于功放的非线性将引起互调失真，产生互调干扰噪声，使系统的C/N值下降。

当星载TWTA的输入功率增加时，会产生两个结果：一方面，由于输出功率随之增加，卫星EIRP增大，下行链路的C/N 值将增加，但增加不是完全线性的，随着TWTA进入饱和，下行C/N 的增加更加缓慢。

另一方面，随着TWTA输入功率的增加，放大器趋于饱和，互调噪声增大，使C/IM（载波互调比，IM为互调干扰功率）下降。

在考虑上下行链路C/N和互调C/IM的情况下，星载TWT功放输入功率显然存在一个最佳值，此时全链路具有最大的C/N值。

三、链路工程预算1.卫星通信链路设计的步骤（1）确定系统的工作频段。

（2）确定卫星通信的参数。

（3）确定发射地面站和接受地面站的参数。

（4）从发射地面站开始，建立上行链路预算和转发器噪声功率预算，从而确定转发器内的（C/N）。

up（5）根据转发器增益或输出补偿，确定转发器的输出功率。

（6）建立接收地面站的下行链路功率和噪声预算。

计算位于覆盖区和（C/N)0。

边缘的地面站的（C/N）dn（7）计算基带信道的S/N。

确定链路裕量。

（8）估计计算结果，并于规定性能进行比较。

根据需要调整系统参数直到获得合理的（C/N)0。

该过程可能要反复进行多次。

（9）确定链路工作所要求的传输条件。

分别计算上行链路和下行链路的中断时间。

（10）若链路裕量不够，可以通过调整某些参数，对系统重新设计。

最后检验所有的参数是否符合要求，以及设计是否可以按照预算正常工作。