衛星信息傳輸，是指地球上的兩個或多個無線電通信站之間利用人造衛星作為中繼站而進行的信息傳輸。
基本介紹
- 中文名：衛星信息傳輸
- 外文名：Satellite information transmission
- 簡稱：衛星傳輸
特點,衛星傳輸段定義,衛星模擬信號傳輸,衛星數位訊號傳輸,傳輸技術的發展,
特點
1.衛星傳輸通道是一個基本穩定的通道，在整個傳輸過程中受外界環境變化的影響相對比較小，傳輸電平變化一般在僅幾分貝至幾十分貝(晴天)。而地面微波傳輸通道受外界環境的變化的影響相對比較大，傳輸電平的變化可以大到在數十分貝。
2.衛星傳輸需通過衛星轉發器轉發，衛星上的有源轉發器是一個共用資源有限器件，所以衛星傳輸系統是一個受空間資源制約的受限系統，相對而言地面微波不受轉發資源制約，受限較小。
3.衛星傳輸途徑遠長於地面微波系統，因此，衛星傳輸的信息長時延是非常有異於地面微波系統的傳輸特點。
由於衛星傳輸有其自身的特點，衛星傳輸還需根據其系統自身特點進行獨立的研究。
衛星傳輸段定義
1．衛星通信信息流程
衛星傳輸段一般是指從衛星地球站的傳送基帶單元設備輸入連線埠始，通過衛星到地球站的接收基帶單元設備輸出口終的一個傳輸途徑被定義為衛星傳輸段，此定義段的物理狀態見圖1。衛星傳輸段的數學模型，由“衛星鏈路方程”所描述。
圖1是一個一般概念的衛星傳輸段的物理狀態。中繼段可以是微波中繼系統，也可以是光纜系統等等。目前衛星通信技術的發展，衛星通信系統除了國家電信網使用外，還大量出現部門、單位使用的專用衛星通信系統。衛星地球站中有時也包括用戶終端設備，但作為衛星傳輸段的定義還是BB到BB段。BB向終端設備延伸，將可能涉及到整個通信領域。目前已有的如載波電話設備、數據傳輸設備、電視設備等等。這些設備系統各自已成一個獨立的領域。各終端系統與衛星傳輸段聯接僅需處理一些接口技術和傳輸協定等。
為了簡化衛星傳輸段的定義及信息流程，圖16.8所示為地球站A發，地球站B接收的單向傳輸及信息流程。實際上，對地球站而言，衛星傳輸系統既可以是單向傳輸系統，也可以是雙向傳輸系統。
2．衛星傳輸段分段定義
對衛星傳輸技術的深入研究中，在一個衛星傳輸段中需分段定義，並對其作分段研究，各個分段將有自身的技術要求。
一個衛星傳輸段可由圖2所示，各分段的位置均在圖中標出。
圖2為了簡化衛星傳輸分段定義，所示的是衛星單向傳輸系統圖，也可以用同樣的定義方式定義雙向傳輸系統。
目前技術上已經比較成熟使用的射頻段有：
C頻段：
上行頻段為：5850～6425MHz
下行頻段為：3625～4200MHz
Ku頻段：(衛星通信頻段)
上行頻段為：14000～14500MHz
下行頻段為：11450～11700MHz
11450～11900MHz
11700～12200MHz
12250～12750MHz
Ku頻段的下行頻段由ITU分割為若干分段，在全球各地區規定了各使用“小段”，我國被規定為使用12250～12750MHz分段。
除目前使用的比較成熟的C頻段和Ku頻段外，尚在積極開發衛星通信使用的頻段有Ka頻段。Ka頻段的頻率範圍是：20000～30000MHz。
在地球站的調製器解調器中頻輸入輸出端，目前常用的有70MHz和140MHz。頻寬分別為36MHz和72MHz兩種。
衛星模擬信號傳輸
1．FDMA多址方式的模擬電話傳輸
從20世紀60年代衛星通信方式在世界範圍內被實際套用起，以INTELSAT為代表國際衛星通信系統就採用了FDMA多址方式進行電話傳輸。初期的衛星通信對國際電話通信起到了主導作用。INTELSAT對FDMA的電話通信作了深入研究，並提出了相應的傳輸標準(IESS)及地球站操作指南(SSOG)，使國際衛星通信在統一的標準下協調地運行。
FDMA多址方式的模擬電話是多路載波電話技術和衛星傳輸技術相結合的一種通信技術手段。載波電話最初以300～3400Hz為一個話路，頻寬3100Hz，以12、24、60、128、512……900路各類獨立載波信號，在地球站進行基帶處理(包括電平調整，進行預加重和能量擴散處理)和頻率調製/解調。然後再由上、下變頻設備將中頻已調信號變換為進行射頻/中頻信號變換(發射/接收)信號。每一地球站可發射一個或多個多路載波信號。同時接收通過衛星轉發的多個載波信號。一個衛星轉發器，可以被一個FDMA載波信號占用，也可以被多個FDMA載波信號共同占用，FDMA多址方式的模擬電話在衛星傳輸中有如下兩項技術是非常重要的。一是解調工作門限及門限擴展技術，二是能量擴散技術。
（1）解調工作門限及門限擴展技術
衛星傳輸必須考慮可貴的有限空間資源(頻帶及衛星功率資源)，因模擬信號衛星傳輸極其重視頻帶和衛星轉發器功率的合理使用，決不能浪費衛星傳輸的空間資源。對模擬信號衛星傳輸而言，都是以解調設備的門限特性為出發點。調頻制式的解調特性如圖3所示。圖3中非常明顯地顯示解調器的輸入輸出特性在某一拐點a以上呈線性關係，其數學關係由調頻方程表示，對於多路載波電話衛星傳輸。
式中：[S/Nw]t為基帶最高話路中測試音信號功率與加權噪聲功率之比；，[C/N0]為解調器輸入端載波功率與噪聲功率密度之比(dB–-－Hz)；，bch為話路頻寬(3100Hz)；，fr為對測試音(odBmo0dBm0)的有效頻偏(Hz)；，fm為基帶最高頻率(Hz)；，P為預加重改善係數(對基帶最高話路為4dB)；，W為加權係數(2.5dB)。
拐點以下[S/N]t隨[C/N0]變化急速惡化。
關於工作門限的定義，一般以(S/N)～(C/N0)曲線偏離線性1dB點的C/N0值(b)為工作門限值，但也有以偏離3dB的C/N0值為工作門限值的定義。一般普通型解調C/N0的門限值為85dB左右。
FDMA制式主要用在INTELSAT系統中。INTELSAT對其傳輸標準作了明確規定，其規定見如圖4所示。
INTELSAT對於多路FDMA電話傳輸，質量指標確定為：[S/Nw]t==50dB，門限值為[S/Nw]THth==43dB，系統噪功率50000PW（峰值）。
由於解調特性中存在拐點，在接近拐點時系統工作很不穩定，因此必須有較多的門限備餘量，因此只能提高C/N0No0值以求得系統穩定工作。這樣，對節約衛星轉發器功率是非常不利的，所以研究了使拐點向低C/N0C/No處延伸的門限擴展技術。比較成功的有“頻率負反饋”門限擴展解調器和“鎖相環”門限擴展解調器，一般門限擴展解調器的門限值可以向C/No0低端延伸2dB左右。
（2）能量擴散技術
能量擴散技術，是衛星傳輸中必須採用的技術。由於衛星轉發器是多載波信號在同一轉發器上運行。調頻信號隨話路負載的大小，頻譜的分布也同樣隨之變化。當話路負載較小時，頻譜向載波中心頻率集中，也就是說，載波能量非常集中，高功率頻譜密度可能引起整個轉發器的交調干擾。為此，衛星傳輸中採用了在多路載波最低頻率以下設定150Hz的正三角波(其頻率為矩形頻譜)，其幅度與多路載波的話路負載大小成反比的變化，以保證載波中心頻率的能量集不大於多路載波全話路負載平均頻譜密度的2dB，以保證轉發器的多載波運行。其次如果載波能量密度過高還會造成鄰星干擾，所以衛星傳輸中能量擴散技術是必不可少的一項專門技術。
從20世紀60年代起至80年代初，FDMA制式的電話衛星傳輸是主要傳輸制式，甚至是唯一的傳輸制式。但到20世紀80年代中期開始，FDMA制式的電話衛星傳輸已逐步為數字衛星傳輸所代替。時至今日，幾乎已很少再有多路載波電話以FDMA的制式在衛星鏈路上傳輸。
2．FDM的電視廣播傳輸
對FDM的電視廣播傳輸與FDM的電話傳輸基於同樣的工作原理，也符合調頻方程。
式中：[Sp-－-p/Nw]為亮度信號的振幅標稱值與加權、加重噪聲振幅之比；，rri為R為全電視信號的峰-－峰值與亮度信號的振幅標稱值之比(525行/60幀：0.7，625行/50幀：0.74)；，ΔFp-－-p為15kHz的峰值頻偏(Hz)；，fm為基帶最高頻率(Hz)；，P為加重改善係數(dB)；，Q為加權係數(dB)。
目前FDM的電視衛星傳輸已大部分為數位電視衛星傳輸所替代，只有少量早期的FDM電視衛星傳輸系統仍在運行。以INTELSAT為代表的電視傳輸參數摘要如下：
表1 (P+Q)值
掃描行數 | 制式 | 加權電路 上限頻率(MHz) | P+Q(dB) |
525 | M | 5.0 | 24.8 |
625 | B、C、G、H、I、D、K、L | 5.0 | 24.2 |
表2電視圖像衛星傳輸參數
全轉發器傳輸 | 半轉發器傳輸 | |||
衛星分配頻寬(MHz) | 30 | 17.5 | ||
接收機頻寬(MHz) | 30 | 17.5 | ||
工作C/N(dB) | 91.0 | 89.6 | ||
Sp-－-p/Nw(dB) | 54 | 49 | ||
標準 | 525/60 | 625/50 | 525/60 | 625/50 |
視頻頻寬(MHz) | 4.2 | 6.0 | 4.2 | 6.0 |
預加重後對15kHz的頻偏(kHz) | 6.8 | 5.1 | 4.75 | 4.22 |
微分增益(o/o) | 10 | 10 | 10 | 10 |
微分相位(o/o) | ±3 | ±3 | ±4 | ±4 |
C/N值 | 16.2 | 16.2 | 17.0 | 17.0 |
FDM電視的伴音採用FM伴音副載波方式傳輸，副載波頻率分別為6.6MHz或6.65MHz。
FDM衛星電視傳輸同樣也必須採用能量擴散技術。也是採用具有矩形頻譜分布的正三角形，但其幅度是固定大小，頻率見表16.4所示。
表3 能量擴散參數
電視標準 | 能量擴散三角波頻率(Hz) |
625/50 | 50 |
525/60 | 60 |
衛星電視傳輸中的能量擴散三角波信號的幅度最大值必須與幀消隱信號同步。
衛星數位訊號傳輸
20世紀80年代中期起，由於由於數位技術的發展以及模擬傳輸本身固有的缺點，如占用頻寬多，傳輸過程中易受干擾，改善傳輸質量的技術手段不多等。，。雖然研製使用了門限擴展解調技術，延伸了解調器的工作門限，但也沒有從根本上改善話音質量等原因，衛星數位訊號傳輸已替代了衛星模擬信號傳輸。在衛星傳輸領域已處於絕對優勢的地位，而且衛星數位訊號傳輸技術的本身仍在發展。有可能在本世紀初衛星數位訊號傳輸全部替代衛星模擬信號傳輸。
1．數位訊號傳輸
數位技術目前已相當成熟，其特徵表現在：一是有強大的數字計算機技術作後盾，對數字處理能力非常強。二是成熟的數據傳輸技術。相關的研究部門，對數據傳輸技術，特別是數字調製解調技術和糾錯技術的深入研究，大大地改善了傳輸質量，衛星數據傳輸技術得到了迅速的發展。
數據傳輸技術目前發展已形成系列化、規約化。數據以傳輸速率分為中低速數據。一般大型衛星系統中，中低速數據系列有：64kbit/s、128kbit/s、512kbit/s、1024kbit/s、2048kbit/s。2048kbit/s以上的數據速率為高速數據，有8Mbit/s、34Mbit/s、45Mbit/s、155Mbit/s。低於64kbit/s的數據在VSAT系統中傳輸在目前使用得非常普遍，數據速率有19.2kbit/s、32kbit/s及64kbit/s等。
調製解調技術普遍採用的是移相鍵控調製解調技術。用得比較成熟的是二相及四相調製解調技術。各國通信設備商也相應開發生產了各種類型的調製解調設備。
數據傳輸過程中可以採用數字糾錯技術，使衛星傳輸系統設計有更多的選擇性。傳輸系統運行更趨合理性，相對地節約了衛星資源，降低了傳輸成本。目前普遍採用的糾錯技術是前向糾錯技術，編解碼方式多數為Viterbi編解碼。通過上述的採用前向糾錯技術措施，最多可以獲得5dB左右的“編碼增益”。此外，除Viterbi編解碼技術外，目前還研究使還用RS編解碼糾錯技術，二者結合使用，最多可獲得7dB左右的“編碼增益”。
衛星數據信號傳輸技術中主要的研究課題是數據誤碼率、傳輸頻寬以及信道占有功率的關係。衛星數據傳輸系統必須求得三者之間的一個平衡，即既不浪費信道占有的衛星轉發器功率，也不浪費信道占有頻帶，同時也滿足誤碼率的要求。
三者之間的關係在下述的討論中和第17章“衛星通信套用”中可以非常清楚地看到如何達到平衡，這也是衛星數據信號傳輸的關鍵所在。
（1）數據誤碼率Pe、Eb/N0、FEC編碼率RFEC
數據誤碼率Pe、Eb/No0、FEC編碼率RFEC之間的關係如圖5所示。
註：以上曲線是目前可以達到的典型解調器解調特性。
從上圖的特性可以看出，採用不同的糾錯編碼率，有不同的“編碼增益”，對於Pe=10，以次以及要求的Eb++/N0為R=1/2：Eb/N0≈6.6dB；R=3/4：Eb/N0≈8.3dB；R=7/8：Eb/N0≈9.3dB。“編碼增益”可以達到4～5.5dB。上述特性的改善是以多用頻帶來換取的。
（2）傳輸頻寬
在數據傳輸中採用FEC技術，大大地改善了傳輸性能。衛星信道需占用的頻帶不僅決定於數據傳輸速率及調製方式(如調製方式為BPSK或QPSK等等)，還取決於FEC編碼率。衛星數據傳輸時，希望獲得比較高的C/N值，以提高信道誤碼率，並使信道工作穩定(具備適當的C/N門限備餘量)。C/N、Eb/N0、FEC編碼率R、信息速率Fb及傳輸頻寬Bw之間有式1、式2所示的關係。
式中：C/N為載波與噪聲功率之比；Eb/N0為每碼源(bit)與每Hz頻寬中噪聲功率之比；Fb為信息速率(bit/s)；Bwt為信道傳輸頻寬(Hz)；bs為相位調製的符號率，調製相數為P：P=2bs，如BPSK的bs==1，QPSK的bs==2，8PSK的bs==3等等；RFEC為前向糾錯編碼率，有7/8、3/4、2/3、1/2等等。
從式1和2中看出Bwt和C/N值成反比關係，而RFEC均為小於1的數值。因此為了達到低的Eb/N0就需要更多地使用衛星傳輸頻寬和較少轉發器功率。研究衛星數據傳輸技術的目標是求得一個功率和頻帶占用的平衡，以此為目標選用調製相數及FEC編碼率RFEC。
2．數位電視信號傳輸
數位電視信號也普遍採用衛星傳輸，其原理與上述的數位訊號傳輸相同的。傳輸指標由專門的電視廣播部門研究制訂製定了統一的標準。
我國根據衛星頻寬和性能要求採用有部門選用了如下編碼參數。
表4 現用的電視編碼參數
淨碼率 | 實際碼率 | |
視頻(Mbit/s) | 5.0 | 5.12 |
音頻(4個聲道)(Mbit/s) | 0.512 | 0.544 |
數據(Mbit/s) | 0.0192 | 0.0192 |
圖電視(22行/幀)(Mbit/s) | 0.205 | 0.338 |
PSI(Mbit/s) | 0.030 | 0.030 |
總碼率(Mbit/s) | 5.7662 | 6.0572 |
留1%餘量，故信息速率為6.1Mbit/s。
壓縮電視傳輸頻寬可用下式計算。
式中：Bwt為壓縮電視傳輸頻寬(MHz)；Fb為壓縮電視信息速率(bit/s)；M1為與傳輸通道濾波器特性有關的參數，值為1.2～1.3；M2為保護頻寬係數2×10%；RFEC為前向糾錯編碼率；bs為調製符號率；RS為RS糾錯編碼(204/188等)。
例：Fb=6.1Mbit/s
QPSK調製bs=2
RFEC=3/4
RS=204/188=1.085
M1，M2各為1.2
從以上計算可以看出，對於36MHz的衛星轉發器，在衛星轉發器功率足夠的條件下，一個轉發器可以安排5～6個數位電視通道，數位電視傳輸大大節約了衛星頻帶資源。因此，目前除保留了部分舊有的模擬衛星傳輸系統外，新建的電視衛星傳輸系統幾乎全是數字系統。
傳輸技術的發展
衛星傳輸技術從進入數位化階段起，始終沿著三個方向發展。一是採用更高相數的調製技術，目前普遍使用的調製技術是BPSK和QPSK，由於近年來衛星轉發器的功率(EIRPtr)逐代增加，而頻帶的擴展受到限制，因此原來衛星系統的問題以功率受限為主變為頻寬受限，甚至在VSAT系統中也可能出現頻寬受限現象。採用多相調製技術，可以減少占有傳輸頻帶，如現今已出現8PSK、16PSK技術，8相調製解調設備已有商品化設備。二是進一步改善衛星傳輸信道的糾錯能力。設備研製的技術目標，是儘可能使設備的使用特性指標接近理論值。此外還研究除Viterbi編解碼前向糾錯技術外的其他糾錯編解碼技術。三是基帶處理技術研究。在數字電話傳輸中，每一PCM編碼的話路碼率需要64kbit/s，採用ADPCM技術使每一話路的碼率降低為32kbit/s。目前又普遍採用了數字壓縮技術，使每一話路的碼率低到16kbit/s時還能接近國家長途電話傳輸的質量標準。採用每一話路僅為8kbit/s的聲碼技術，在某種特定的環境中套用也為人們所接受。電話基帶處理採用數字話音插空(DSI，Digital Speech Interpolation)技術和數字話路倍增設備(DCME，Circuit Multiplicaiton Equipment)。DSI技術的套用可以使衛星傳輸信道利用率提高2～2.2倍。通過DCME設備，衛星傳輸信道利用率可以提高到原值的4～8倍。因此，採用DCME設備(包括DSI功能)理論上可以提高衛星傳輸信道利用率10～20倍。採用電視傳輸數字壓縮技術，使原來每一電視頻道所需的每秒幾十兆比特碼率壓縮到6～8Mbit/s。
