建筑通信工程第三章

1、建筑通信工程第三章 卫星通信系统 了解了解: :通信卫星及其分类通信卫星及其分类 了解了解: :同步通信卫星的有关知识同步通信卫星的有关知识 了解了解: :卫星通信系统的分类及组成卫星通信系统的分类及组成 了解了解: :卫星通信线路和通信卫星的组成卫星通信线路和通信卫星的组成 掌握掌握: :调制与解调的概念调制与解调的概念 掌握掌握: :模拟信号模拟信号振幅调制的原理振幅调制的原理 掌握掌握: :低通信号和带通信号的抽样定理低通信号和带通信号的抽样定理 教学目的教学目的: 掌握掌握: :均匀量化和非均匀量化的方法均匀量化和非均匀量化的方法 掌握掌握: :采用采用A A律律1313折线压缩特性的

2、折线压缩特性的PCMPCM编码方法编码方法 了解了解: :自适应差分脉码调制和增量调制的原理自适应差分脉码调制和增量调制的原理 掌握掌握: :数字信号的调制方法（数字信号的调制方法（ASKASK，FSKFSK，PSKPSK） 掌握掌握: :多路复用方式（多路复用方式（TDMTDM，FDMFDM，CDMCDM） 掌握掌握: :卫星通信的多址方式（卫星通信的多址方式（FDMAFDMA，TDMATDMA， SDMASDMA，CDMACDMA） 了解了解: : VSATVSAT卫星通信系统卫星通信系统 教学目的教学目的:作业作业1.卫星通信的定义是什么？卫星通信的定义是什么？2.卫星通信系统有哪些分类

3、？卫星通信系统有哪些分类？3.简述卫星通信系统的组成简述卫星通信系统的组成4.简述通信卫星的组成简述通信卫星的组成5.简述调制与解调的概念简述调制与解调的概念6.简述调制的分类简述调制的分类7.简述简述数字信号的调制方法（数字信号的调制方法（ASKASK，FSKFSK，PSKPSK）8.简述频分多址、时分多址、码分多址、空分多址方简述频分多址、时分多址、码分多址、空分多址方式的原理式的原理9.简述简述VSAT卫星通信系统的组成和工作原理卫星通信系统的组成和工作原理10.10.试求满足低通信号抽样定理、带通信号抽样定理和边带间试求满足低通信号抽样定理、带通信号抽样定理和边带间隔相等三种情况下隔相

4、等三种情况下60路载波超群信号（路载波超群信号（330570kHz)的抽样的抽样频率。频率。 3.1卫星通信系统简介3.1.13.1.1通信卫星通信卫星 19451945年，英国的科幻小说作家阿瑟年，英国的科幻小说作家阿瑟克拉克克拉克在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电在世界上首次提出了使用卫星进行远距离无线电通信和无线电广播的设想，这位作家在通信和无线电广播的设想，这位作家在无线电无线电杂志杂志上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗上发表了一篇文章，提出用火箭发射一颗人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号人造卫星，绕地球转动，然后，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。给卫星，通

5、过卫星再传回地面。 19571957年年1010月月4 4日，原联苏成功发射了人类历日，原联苏成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。史上第一颗人造地球卫星。 按轨道按轨道赤道轨道赤道轨道 极地轨道极地轨道 倾斜轨道倾斜轨道同步卫星同步卫星 移动卫星移动卫星 一、通信卫星的分类一、通信卫星的分类按通信范围按通信范围国际通信卫星国际通信卫星区域性通信卫星区域性通信卫星国内通信卫星国内通信卫星按用途按用途综合业务通信卫星综合业务通信卫星军事通信卫星军事通信卫星 海事通信卫星海事通信卫星电视直播卫星电视直播卫星气象卫星气象卫星按转发能力按转发能力 无星上处理能力无星上处理能力 有星上处理能力有星上处

6、理能力按频段按频段0.1-0.3GHz VHF 移动，导航业务 0.3-1.0GHz UHF 移动，导航业务 1.0-2.0GHz L 移动业务 2.0-4.0GHz S 移动业务4.0-8.0GHz C 固定业务8.0-12.0GHz X 12.0-18.0GHz Ku 固定业务，广播业务18.0-24.0GHz K 24.0-30.0GHz Ka 近年来倍受关注 33.0-50.0GHz Q 50.0-75.0GHz V 按重量按重量 大型卫星大型卫星Large 1000kg 1亿美元亿美元中卫星中卫星Small 500-1000kg 0.5-1亿美元亿美元 小卫星小卫星Mini 100-

7、500kg 500-2000万美元万美元 微卫星微卫星Micro 10-100kg 200-300万美元万美元 纳卫星纳卫星Nano 10kg 100万美元万美元 皮卫星皮卫星Pico 1kg 根据力学理论，人造地球卫星围绕地球的旋转运根据力学理论，人造地球卫星围绕地球的旋转运动可以仿效地球和行星围绕太阳的旋转运动以及月亮动可以仿效地球和行星围绕太阳的旋转运动以及月亮围绕地球的旋转运动。围绕地球的旋转运动。 科学家们通过周密、细致地分析和计算，发现有科学家们通过周密、细致地分析和计算，发现有一个轨道很特殊，那就是运行在赤道上空，高度为一个轨道很特殊，那就是运行在赤道上空，高度为35786km3

8、5786km的轨道上的卫星，绕地球运行的角速度与地的轨道上的卫星，绕地球运行的角速度与地球自转角速度相同，相对于地球表面是静止不动的，球自转角速度相同，相对于地球表面是静止不动的，这种卫星称为静止卫星，也称同步卫星。这种卫星称为静止卫星，也称同步卫星。 只有同步卫星才能传播广播电视节目信号。只有同步卫星才能传播广播电视节目信号。二、同步卫星二、同步卫星 目前绝大多数通信卫星是地球同步卫星，这种卫星的轨道是圆形的，而且轨道平面与地球赤道平面重合，卫星的飞行方向与地球的自转方向相同，这时卫星绕地球一周的时间和地球自转的时间相同。利用这种卫星来转发通信信号的系统就称为静止卫星通信系统，本章主要讨论的

9、就是静止卫星通信系统。 卫星通信是指利用人造地球卫星作中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站之间进行通信。卫星中继站卫星中继站地球站地球站A A地球站地球站B B 3.1.2 卫星通信的定义卫星通信基本原理图卫星通信基本原理图 1979年世界无线电行政会议（WARC）规定宇宙无线电通信有3种方式： 宇宙站与地球站之间的通信； 宇宙站之间的通信； 通过宇宙站转发或反射而进行的地球站之间的通信。 宇宙站 是指设在地球大气层以外的宇宙飞行体或其他天体上的通信站。 地球站 是指设在地球表面的通信站，包括陆地上、水面上和大气低层中移动的或固定的通信站。 按基带信号分类按基带信号分类 模拟卫星通信

10、系统、数字卫星通信系统模拟卫星通信系统、数字卫星通信系统 按多址方式分类按多址方式分类 频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、混合多址频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、混合多址 按卫星制式分类按卫星制式分类 随机、相位、静止卫星随机、相位、静止卫星 按通信覆盖区的范围分类按通信覆盖区的范围分类 国际、国内、区域国际、国内、区域 按用户性质分类按用户性质分类 公用（商用）、专用、军用公用（商用）、专用、军用 按业务分类按业务分类 固定业务、移动业务、广播业务、科学试验业务固定业务、移动业务、广播业务、科学试验业务 3.1.3 卫星通信系统的分类 距地面高度距地面高度 35786.6km

11、运转周期运转周期 23时时56分分4.09秒秒 匀速圆周运动的速度匀速圆周运动的速度 v = 3.07km/s 轨道半径轨道半径 42164.6km 一颗同步卫星对地球表面视区达一颗同步卫星对地球表面视区达42.4%以上以上 三颗同步卫星可以覆盖全球（地球两极要形三颗同步卫星可以覆盖全球（地球两极要形成通信成通信“盲区盲区”） 3.1.4 静止通信卫星的运动轨道 和主要参数利用静止卫星建立全球通信利用静止卫星建立全球通信同步卫星位置标注 由于同步卫星运行在赤道上空，所以纬由于同步卫星运行在赤道上空，所以纬度为度为0 0，因此要表明一颗同步卫星的位置，因此要表明一颗同步卫星的位置，只需使用经度就

12、可以了。只需使用经度就可以了。 110.5110.5E E表明卫星位于东径表明卫星位于东径110.5110.5的的赤道上空。赤道上空。 地球站对同步卫星的观察参数方位角方位角: : 水平移动水平移动仰仰 角：上下移动角：上下移动 覆盖区大覆盖区大, ,通信距离远通信距离远, ,三颗同步卫星可覆盖全球三颗同步卫星可覆盖全球 频带宽频带宽, ,容量大容量大 机动性好机动性好, ,不受地理条件限制不受地理条件限制 通信可靠性高通信可靠性高, ,质量好质量好, ,稳定稳定 费用与距离无关费用与距离无关 有多址能力有多址能力, ,组网灵活组网灵活 可以自发自收进行检测可以自发自收进行检测 可实现区域及全

13、球个人移动通信可实现区域及全球个人移动通信 3.1.5 卫星通信的特点3.2 卫星通信系统的组成3.2.1卫星通信系统的组成 卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备，主要有备，主要有跟踪遥测指令分系统跟踪遥测指令分系统、监控管理分系统监控管理分系统、空间分系统空间分系统及及通信地球站通信地球站四部分组成。四部分组成。卫星通信系统的基本组成卫星通信系统的基本组成 跟踪遥测指令分系统跟踪遥测指令分系统 对卫星进行跟踪测量，控制其准确进对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入轨道上指定位置，待卫星正常运行后，入轨道上指定位置，待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道修

14、正和位置保持要定期对卫星进行轨道修正和位置保持，必要时，控制通信卫星返回地面。必要时，控制通信卫星返回地面。 监控管理分系统监控管理分系统 负责对轨道定点上的卫星在业务开通负责对轨道定点上的卫星在业务开通前、后进行通信性能的监测和控制，例如，前、后进行通信性能的监测和控制，例如，对卫星转发器功率、卫星天线增益及各地对卫星转发器功率、卫星天线增益及各地球站发射功率、射频功率和带宽等基本通球站发射功率、射频功率和带宽等基本通信信进行监控进行监控，以保证正常通信。，以保证正常通信。 空间分系统空间分系统 就是通信卫星。它就是通信卫星。它是由主体部分的通是由主体部分的通信系统和保障部分的遥测指令和控制

15、系统信系统和保障部分的遥测指令和控制系统以及电源（包括太阳能电池和蓄电池）等以及电源（包括太阳能电池和蓄电池）等组成。组成。通信卫星主要起无线电中继站的作通信卫星主要起无线电中继站的作用，它是靠卫星上通信系统的转发器（微用，它是靠卫星上通信系统的转发器（微波收、发信机）和天线来完成。一个卫星波收、发信机）和天线来完成。一个卫星的通信系统可以转发一个或多个地球站信的通信系统可以转发一个或多个地球站信号。显然，当每个转发器所能提供的功率号。显然，当每个转发器所能提供的功率和带宽一定时，转发器越多，卫星通信系和带宽一定时，转发器越多，卫星通信系统的容量就越大。统的容量就越大。 通信地球站通信地球站

16、是连接卫星线路和用户的是连接卫星线路和用户的中枢中枢。 用户把要传输的信息通过微波送到地球站，用户把要传输的信息通过微波送到地球站，地球站再把信息通过天线送至卫星。地球站再把信息通过天线送至卫星。 由卫星把接收到的信息送回到地球站，经由卫星把接收到的信息送回到地球站，经地球站再送到需要通信的用户进行通信。地球站再送到需要通信的用户进行通信。 随着卫星技术的发展，利用卫星进行的各种无随着卫星技术的发展，利用卫星进行的各种无线电通信逐渐增加。为了减少各系统之间的相互影线电通信逐渐增加。为了减少各系统之间的相互影响和干扰，响和干扰，ITU做出了一系列的规定，如系统允许做出了一系列的规定，如系统允许的

17、干扰量，卫星位置的保持精度及天线指向精度，的干扰量，卫星位置的保持精度及天线指向精度，最大辐射量密度等。最大辐射量密度等。1971年年ITU无线电行政大会指无线电行政大会指配了各类卫星通信业务可利用的频段。有些频段供配了各类卫星通信业务可利用的频段。有些频段供卫星通信业务专用，另外一些频段则与其他（非卫卫星通信业务专用，另外一些频段则与其他（非卫星通信）业务公用。星通信）业务公用。全球划分全球划分3个无线电区，欧洲、个无线电区，欧洲、非洲、前苏联和蒙古等属非洲、前苏联和蒙古等属1区，美洲为区，美洲为2区，亚洲的区，亚洲的大部分区域和大洋洲属大部分区域和大洋洲属3区，我国属区，我国属3区。区。3

18、.2.2 卫星通信频道的划分通信频率（GHz）说 明通信频率（GHz）说 明3.44.2（下行）共用8.0258.4（上行）共用4.44.7（上行）共用10.9511.2（下行）2、3区共用5.7255.8（上行）1区共用11.4511.7（下行）共用5.855.925（上行）1、3区共用11.712.2（下行）2区共用5.9256.45（上行）共用12.512.75（上行）2区共用7.257.32（下行）专用12.512.75（下行）3区共用7.37. 75（下行）共用12.512.75（上、下行）1区共用7.97.975 （上行）专用1414.5 （上行）共用7.9758.025（上行）专

19、用卫星通信固定业务频率划分表卫星通信固定业务频率划分表通信频率（GHz）说 明通信频率（GHz）说 明2.5002.695共用22.523共用11.712.51区内共用4143专用11.712.52、3区内共用8486专用广播卫星频率划分表广播卫星频率划分表 卫星通信线路就是卫星通信电卫星通信线路就是卫星通信电波所经过的整个线路，它不仅包括波所经过的整个线路，它不仅包括通信卫星和地球站等各主要单元，通信卫星和地球站等各主要单元，而且还包括电波在各单元之间的传而且还包括电波在各单元之间的传播途径。卫星通信线路组成图见书播途径。卫星通信线路组成图见书P53。3.2.3 卫星通信线路的组成 通信卫星

20、是由通信卫星是由控制分系统控制分系统、天线天线分系统分系统、遥测指令分系统遥测指令分系统、通信和电通信和电源分系统源分系统所组成。其主体是通信分系所组成。其主体是通信分系统，其保障部分是星上遥测、控制和统，其保障部分是星上遥测、控制和电源分系统。电源分系统。3.2.4 通信卫星的组成 控制分系统控制分系统 包括卫星的位置和姿态控制系统，是由一包括卫星的位置和姿态控制系统，是由一系列机械的或者电子的可控制调制装置组成。系列机械的或者电子的可控制调制装置组成。 为克服由于静止卫星在轨道上存在着轨道为克服由于静止卫星在轨道上存在着轨道倾斜效应，使卫星发生漂移，影响通信的正常倾斜效应，使卫星发生漂移，

21、影响通信的正常进行的这种影响，通常用位置控制系统来完成进行的这种影响，通常用位置控制系统来完成这一任务。在地面控制中心发出指令时，位置这一任务。在地面控制中心发出指令时，位置控制利用装在卫星上的竖向和横向两个气体喷控制利用装在卫星上的竖向和横向两个气体喷射推进装置来分别控制卫星在纬度和经度方向射推进装置来分别控制卫星在纬度和经度方向的漂移。的漂移。 天线分系统天线分系统 包括通信天线和遥测指令天线两种。包括通信天线和遥测指令天线两种。由于它们装在卫星上，故与地面天线不由于它们装在卫星上，故与地面天线不同，它们体积小、质量小、馈电可靠性同，它们体积小、质量小、馈电可靠性高、寿命长及有适应在卫星上

22、组装的结高、寿命长及有适应在卫星上组装的结构和特点，另外，卫星天线设在卫星壳构和特点，另外，卫星天线设在卫星壳体外面，故又要求天线材料必须耐高温体外面，故又要求天线材料必须耐高温和耐辐射。和耐辐射。 通信天线通信天线为对准地球上通信区的微波天线，为对准地球上通信区的微波天线，必须方向性强、增益高，以增加卫星的有必须方向性强、增益高，以增加卫星的有效辐射功率，要使天线波束永远指向地球。效辐射功率，要使天线波束永远指向地球。 遥测指令遥测指令用的天线是工作在高频和甚高频用的天线是工作在高频和甚高频的全方向性天线。它用来在卫星进入静止的全方向性天线。它用来在卫星进入静止轨道之前和进入静止轨道后，向地

23、面控制轨道之前和进入静止轨道后，向地面控制中心发射遥测信号和接收地面信号。中心发射遥测信号和接收地面信号。 遥测指令分系统遥测指令分系统 为保证通信卫星正常运行，需要了解卫星内部为保证通信卫星正常运行，需要了解卫星内部各种设备的工作情况，以便必要时通过遥测指令调整各种设备的工作情况，以便必要时通过遥测指令调整某些设备的工作状态。某些设备的工作状态。 卫星上遥测信号包括使卫星保持正确的姿态和卫星上遥测信号包括使卫星保持正确的姿态和正常的工作状态的信号，地面测控中心接收到信号后正常的工作状态的信号，地面测控中心接收到信号后通过解调、解码，恢复出遥测信号，并将它们送到计通过解调、解码，恢复出遥测信号

24、，并将它们送到计算机中，进行信号处理。当发现卫星上某些信号参数算机中，进行信号处理。当发现卫星上某些信号参数不符合要求时，就会立即发出指令信号送到卫星上，不符合要求时，就会立即发出指令信号送到卫星上，卫星上指令接收机接收到该信号后，经检测和译码后卫星上指令接收机接收到该信号后，经检测和译码后送到控制机构。送到控制机构。电源分系统电源分系统 卫星上的电源主要有太阳能电池、化学卫星上的电源主要有太阳能电池、化学电池和原子能电池等，目前仍以太阳能电池和电池和原子能电池等，目前仍以太阳能电池和化学能电池为主。一般常并用可以充放电的化化学能电池为主。一般常并用可以充放电的化学电池和太阳能电池，在发生星蚀

25、期间，由化学电池和太阳能电池，在发生星蚀期间，由化学电池供电。为了使供电稳定，还设有电源控学电池供电。为了使供电稳定，还设有电源控制电路。制电路。温控分系统温控分系统 温控分系统是为控制卫星内部温度而设置温控分系统是为控制卫星内部温度而设置的。卫星的温度通过温度传感器传送给卫星的的。卫星的温度通过温度传感器传送给卫星的遥测指令分系统，再由其发送给地球的控制中遥测指令分系统，再由其发送给地球的控制中心，必要时控制中心就发出温控指令给卫星的心，必要时控制中心就发出温控指令给卫星的温控分系统，用来控制卫星的温度。温控分系统，用来控制卫星的温度。通信分系统通信分系统 通信分系统是卫星通信的核心，由卫星

26、转通信分系统是卫星通信的核心，由卫星转发器所组成，其性能直接影响到卫星通信系统发器所组成，其性能直接影响到卫星通信系统的质量。它的电路结构随性能要求分两类：一的质量。它的电路结构随性能要求分两类：一类是类是非再生式转发器非再生式转发器，另一类是，另一类是再生式转发器再生式转发器。 非再生式转发器非再生式转发器 主要用于主要用于模拟卫星通信系统模拟卫星通信系统。将接收到的信号。将接收到的信号直接放大后转发出去，而直接放大后转发出去，而不进行解调和基带处理不进行解调和基带处理。从。从放大方式来看又可分为中频放大式转发器和微波放大放大方式来看又可分为中频放大式转发器和微波放大式转发器。式转发器。中频

27、放大式转发器中频放大式转发器 把接收到的微波信号转化成中频信号，然后把接收到的微波信号转化成中频信号，然后再放大和限幅，变换成射频信号，经过功率放大再放大和限幅，变换成射频信号，经过功率放大后向地球站转发。后向地球站转发。微波放大式转发器微波放大式转发器 把接收到的微波直接放大，经过变频和功率把接收到的微波直接放大，经过变频和功率放大后向地球站转发。放大后向地球站转发。再生式转发器再生式转发器 主要应用于主要应用于数字卫星通信系统数字卫星通信系统中，再中，再生式转发器除了转发信号外，还具有信生式转发器除了转发信号外，还具有信号处理的功能，使在卫星上进行数字交号处理的功能，使在卫星上进行数字交换

28、成为可能。换成为可能。3.3 模拟和数字卫星通信3.3.1模拟卫星通信系统一、模拟调制一、模拟调制 1、调制与解调的概念、调制与解调的概念 我们将信息直接转换得到的较低频率的原我们将信息直接转换得到的较低频率的原始电信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接始电信号称为基带信号。通常基带信号不宜直接在信道中传输。因此在通信系统的发送端需将基在信道中传输。因此在通信系统的发送端需将基带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频带信号的频谱搬移（调制）到适合信道传输的频率范围内，而在接收端，再将它们搬移（解调）率范围内，而在接收端，再将它们搬移（解调）到原来的频率范围，这就是调制和解调。到原来的频率范围

29、，这就是调制和解调。 所谓调制就是使基带信号（调制信号所谓调制就是使基带信号（调制信号) )控制控制载波的某个（或几个）参数，使这一（或几个）载波的某个（或几个）参数，使这一（或几个）参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。调参数按照基带信号的变化规律而变化的过程。调制后所得到的信号称为已调信号或频带信号。制后所得到的信号称为已调信号或频带信号。 所谓解调就是对频带信号进行反变换，从中所谓解调就是对频带信号进行反变换，从中还原出基带信号的过程。还原出基带信号的过程。 调制的类型根据调制信号的形式可分为调制的类型根据调制信号的形式可分为模拟模拟调制调制和和数字调制数字调制；根据载波的不同可分为以

30、；根据载波的不同可分为以正弦正弦波波作为作为载波载波的连续载波调制和以的连续载波调制和以脉冲串脉冲串作为作为载波载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为分为线性调制线性调制和和非线性调制非线性调制。 幅度调制是用调制信号去控制高频载波幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。幅度调制器的一般模型如图所示。程。幅度调制器的一般模型如图所示。 h(t)m(t)sm(t)cosct幅度调制器的一般模型幅度调制器的一般模型2、幅度调制、幅度调制 设调制信号设调制信号m(t)的频谱

31、为的频谱为M()，冲激响应，冲激响应为为h(t)的滤波器特性为的滤波器特性为H(), 则该模型输出已调则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为信号的时域和频域一般表示式为 式中，式中， 为载波角频率。为载波角频率。 )(cos)()(thttmtScm)()()(21)(HMMSccmc 由以上表示式可见，对于幅度调制信号，由以上表示式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移结构在频域内的简单搬移(精确到常数因子精确到常数因子

32、)。 由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制。称为线性调制。 适当选择滤波器的特性适当选择滤波器的特性H()，便可以得到，便可以得到各种幅度调制信号。例如，各种幅度调制信号。例如，调幅调幅、双边带双边带、单单边带边带及及残留边带信号残留边带信号等。等。 AMAM的波形及频谱的波形及频谱 由频谱图可知，由频谱图可知，AM信号的频谱信号的频谱 由由载频分量和上、下两个边带组成，上边带的载频分量和上、下两个边带组成，上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。因此，边带是上边带的镜像。因

33、此，AM信号是带信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽带宽 的两倍，即的两倍，即 。 )(mSHfHAMfB2 AM信号包含有两个边带，即上、下信号包含有两个边带，即上、下边带。由于这两个边带包含的信息相同，边带。由于这两个边带包含的信息相同，因而，从信息传输的角度来考虑，传输一因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的通个边带就够了。这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信。单边带信号的产信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。生方法通常有滤波法和相移法。 3、单边带调制、单边带调制(SS

34、B) 话音信号调制方法话音信号调制方法 用滤波法形成单边带信号用滤波法形成单边带信号 产生产生SSB信号最直观的方法是让双信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。这需要的一个边带，滤除不要的边带。这只需将滤波器只需将滤波器H()设计成如下图所示的设计成如下图所示的理想低通特性理想低通特性HLSB()或理想高通特性或理想高通特性HUSB()，就可分别取出下边带信号频谱，就可分别取出下边带信号频谱HLSB()或上边带信号频谱或上边带信号频谱HUSB() 。 H()10ccH()0cc1(a)(b)形成形成SSB信号的

35、滤波特性信号的滤波特性SSB信号的频谱信号的频谱M ()HHSM()ccOO 上边带 下边带 下边带 上边带ccO上边带频谱Occ下边带频谱二、模拟信号的数字传输二、模拟信号的数字传输 1 1、抽样定理、抽样定理 抽样抽样就是将时间上连续的信号变成时间上离就是将时间上连续的信号变成时间上离散的信号的过程。那么，这些时间上离散的样值散的信号的过程。那么，这些时间上离散的样值序列是否包含原连续信号的全部信息？经量化、序列是否包含原连续信号的全部信息？经量化、编码、传输后，在接收端是否能还原出原来的时编码、传输后，在接收端是否能还原出原来的时间上连续的模拟信号呢？对于这个问题我们可以间上连续的模拟信

36、号呢？对于这个问题我们可以通过下面的例子说明。通过下面的例子说明。 举一个放电影的例子，自然界中连续运动的物体，举一个放电影的例子，自然界中连续运动的物体，经过摄像机的拍摄（相当于抽样）后成为一张张经过摄像机的拍摄（相当于抽样）后成为一张张“离散离散”的胶片。在放映时由于人眼的暂留效应对光线的变化具的胶片。在放映时由于人眼的暂留效应对光线的变化具有低通特性（人眼对缓慢变化的光线可以察觉到，而对有低通特性（人眼对缓慢变化的光线可以察觉到，而对迅速变化的光线则无法察觉）。光线的暂时中断被人眼迅速变化的光线则无法察觉）。光线的暂时中断被人眼自动连接上了。所以在屏幕上看到的画面就是一个连续自动连接上了

37、。所以在屏幕上看到的画面就是一个连续动作的图像。要使动作的图像。要使“离散离散”的图像被人眼平滑成连续的的图像被人眼平滑成连续的图像，要求摄影机在单位时间内能拍摄出足够多的画面图像，要求摄影机在单位时间内能拍摄出足够多的画面（即采样频率要足够高）。如果摄像机在单位时间内拍（即采样频率要足够高）。如果摄像机在单位时间内拍摄的画面数不够（即采样频率不够高），在放映时看到摄的画面数不够（即采样频率不够高），在放映时看到的动作就有跳动的感觉，而不是连续的感觉（早期的电的动作就有跳动的感觉，而不是连续的感觉（早期的电影即如此），这时就产生了画面的失真。影即如此），这时就产生了画面的失真。 对于模拟信号进

38、行抽样和拍电影一样，也有一个抽样问题。对于模拟信号进行抽样和拍电影一样，也有一个抽样问题。如下图所示，当抽样频率足够高时，模拟信号迅速变化的部分都如下图所示，当抽样频率足够高时，模拟信号迅速变化的部分都被采集到了，接收端利用一个低通滤波器进行平滑处理，可恢复被采集到了，接收端利用一个低通滤波器进行平滑处理，可恢复出原信号。而抽样频率不够高时，模拟信号迅速变化的部分没有出原信号。而抽样频率不够高时，模拟信号迅速变化的部分没有都被采集到，低通滤波器平滑输出的波形就会产生失真。都被采集到，低通滤波器平滑输出的波形就会产生失真。tx(t)x(t)t0 x(t)t0 x(nt)0 T 2T 3T 4T

39、5T 6T 7Ttx(t)x(nt)0 T 2T 3T 4T 低通x(nt)x(t) 通过以上介绍我们可以得到这样的结论：通过以上介绍我们可以得到这样的结论：抽样后的样值序列含有原模拟信号的信息，抽样后的样值序列含有原模拟信号的信息，如果要把样点恢复成原模拟信号，在抽样时如果要把样点恢复成原模拟信号，在抽样时一定要满足一定的条件一定要满足一定的条件抽样定理抽样定理。 抽样定理就是要告诉我们，究竟需要多抽样定理就是要告诉我们，究竟需要多高的采样频率，在接收端可以用低通滤波器高的采样频率，在接收端可以用低通滤波器不失真地恢复出原信号。不失真地恢复出原信号。 根据信号根据信号x(t)x(t)是低通型

40、信号还是带通型信号，抽样定是低通型信号还是带通型信号，抽样定理可分为理可分为低通型信号低通型信号抽样定理和抽样定理和带通型信号带通型信号抽样定理。抽样定理。 根据抽样脉冲根据抽样脉冲p(t)p(t)是时间上等间隔序列还是非等间隔是时间上等间隔序列还是非等间隔序列，抽样定理可分为序列，抽样定理可分为均匀均匀抽样定理和抽样定理和非均匀非均匀抽样定理。抽样定理。抽样器抽样器x(t)p(t)s(t)抽样定时脉冲 根据根据p(t)是冲激序列还是非冲激序列，抽样定理可分是冲激序列还是非冲激序列，抽样定理可分为为理想理想抽样定理和抽样定理和非理想非理想抽样定理。抽样定理。时间上连续的模拟信号抽样信号ts(t

41、)-2Ts -Ts 0 Ts 2Ts低通信号冲激抽样及频谱-2s -s 0 s 2sx(t)t0p(t)t-2Ts -Ts 0 Ts 2Ts -m 0 mX() P()-2s -s -m 0 m s 2s S()（1 1）低通信号理想均匀抽样定理）低通信号理想均匀抽样定理抽样频率fs对频谱S(f)的影响 -m 0 mX() S()-2s -s 0 s 2s -m 0 mX()-2s -s -m 0 m s 2s S() -m 0 mX()-2s -s -m 0 m s 2s S()低通信号的抽样定理：低通信号的抽样定理： 一个频带限制在0fm内的低通信号x(t)，如果抽样频率fs 2fm，则可

42、以由抽样序列无失真地重建恢复原始信号x(t) 。 s2 ms-ms+m s2 ms-ms+m s=2 m频谱重叠抽样频率fs对频谱S(f)的影响 理想抽样后理想抽样后S(f)S(f)的频谱是周期性的，具有无穷大的频谱是周期性的，具有无穷大的带宽，频谱的周期为的带宽，频谱的周期为 s s。当。当 s s 2 2 m m 即即f fs s 2f 2fm m 时，时，S(f)S(f)的频谱不会出现重叠现象（如图），这时用理想的频谱不会出现重叠现象（如图），这时用理想低通滤波器可以恢复原始信号。低通滤波器可以恢复原始信号。 f fs s = 2f= 2fm m 是频谱不出是频谱不出现重叠的最低抽样频率

43、，称之为奈奎斯特频率。现重叠的最低抽样频率，称之为奈奎斯特频率。 当当 s s 22 m m 即即f fs s 2f2f2fmm。例如话。例如话音信号的最高频率被限制在音信号的最高频率被限制在3400Hz3400Hz，抽样频，抽样频率应大于率应大于2 23400=6800Hz3400=6800Hz，为了留有一定防，为了留有一定防卫带，卫带，CTU-TCTU-T规定话音信号的抽样频率为规定话音信号的抽样频率为f fs s= = 8000Hz8000Hz，Ts=1/8000=125Ts=1/8000=125 s s。 抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，但抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，但将使

44、总码速率增高，给传输带来不便。将使总码速率增高，给传输带来不便。 S( )f利用低通信号抽样定理抽样fm fL fS fs+fm-fL -fm fs+fLfs-fLfs-fm 2fS-fm 2fS-fL 上 下 下 （2 2）带通信号抽样定理）带通信号抽样定理 X( )ffm fL -fL -fm 上 下 下 B 对于带通信号，对于带通信号，fm比较高，但信号带宽比较高，但信号带宽B比较窄比较窄, B = fm - fL 2fm ，抽样后信号的频谱中，各频谱，抽样后信号的频谱中，各频谱成分不会重叠（见图）。但抽样速率很高，而且成分不会重叠（见图）。但抽样速率很高，而且0 fL等频段没等频段没有

45、频率。在保证不失真恢复信号的条件下，尽可能的提高信道有频率。在保证不失真恢复信号的条件下，尽可能的提高信道利用率，降低抽样速率，是带通信号抽样定理解决的问题。利用率，降低抽样速率，是带通信号抽样定理解决的问题。 当当BfL2B，即，即n= fL/B=1（0 fL之间可之间可以不失真的插入一个原信号频谱）时，如图所以不失真的插入一个原信号频谱）时，如图所示示LSLLSf2f;fff即mSmmSff;fff 2即上 fm fL fS fs+fm 上 下 f下 2fS 3fS 下 上 -fL -fm fs-fLfs-fmfs+fL 2fS-fm 2fS-fL 2fS+fm 2fS+fL 3fS-fm

46、 3fS-fL S( )利用带通信号抽样定理抽样 X( ) ffm fL S( ) 上 下 ffm fL 下 fS 2fS-fLfs+fL fs+fm 2fS-fmfs-fmfs-fL利用低通信号抽样定理抽样 S( ) 上 ffm fL 下 下 下 上 fS 2fS 3fS 4fS 上 2fS-fL 2fS-fm 3fS-fm 3fS-fL利用带通信号抽样定理抽样 当当2B fL 3B，即，即n= fL/B=2（0 fL之间可以不失真的之间可以不失真的插入插入2个原信号频谱）时，如图所示个原信号频谱）时，如图所示LSLLSff;fff2即mSmmSf32f;fff3即 S() ffm fL 下

47、 下 n n+1 nfS-fL nfS-fm (n+1)fS-fm (n+1)fS-fLnf2f;ffnfLSLLS即)1nf2f;fff1nmSmmS即 当当nB fL (n+1)B，即，即0 fL之间可以不失真之间可以不失真的插入的插入n个原信号频谱）时，如图所示个原信号频谱）时，如图所示时，就可以无失真地恢复出原信号。 带通信号抽样定理带通信号抽样定理：一个频带限制在fL fm之间的带通信号，其抽样频率满足nf 2f1nf 2LSm；n是小于fL/B的最大整数进一步还可求出各边带之间间隔相等所需的抽样频率为)1n2ff2fmLS)1n2ff2f;ff2f1n2fff1nfnffLmsLm

48、smmsLsL例例3.1 3.1 试求试求6060路载波超群信号（路载波超群信号（312312552kHz) 552kHz) 的抽样频率。的抽样频率。解：按带通信号抽样定理kHz624fkHz552kHz62413122nf2kHz5521155221nf21n;31240312BfkHz240312552ffBsLmLLm./)kHznfffLms576123125522122若按低通信号抽样定理，其抽样频率为 2 fm=2552=1104kHz边带间隔相等的抽样频率 一定要注意：如果一定要注意：如果fL B，即，即n=0，则，则带通信号抽样定理不再使用，此时应按低通带通信号抽样定理不再使用

49、，此时应按低通信号处理。信号处理。 如电话信号频率为如电话信号频率为3003400Hz， fL= 300Hz B = 3100Hz ，故只能按低通信号处，故只能按低通信号处理。理。时，就可以无失真地恢复出原信号。 带通信号抽样定理带通信号抽样定理：一个频带限制在fL fm之间的带通信号，其抽样频率满足nf2f1nf2LSm；n是小于fL/B的最大整数低通信号的抽样定理：低通信号的抽样定理： 一个频带限制在0fm内的低通信号x(t)，如果抽样频率fs 2fm，则可以由抽样序列无失真地重建恢复原始信号x(t) 。进一步还可求出各边带之间间隔相等所需的抽样频率为)1n2ff2fmLS2 2、模拟信号

50、的量化、模拟信号的量化量化量化是一种由无限不可列集合到有限集合的映射是一种由无限不可列集合到有限集合的映射量化器ui(nT)uo(nT) 4 3 2 1 0-1 -2 -3 -4 ui(nT)t抽样信号uo(nT)t3.5 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5 量化信号 模拟信号经过抽样后，在时间上是离散了，但其幅度取值仍然是连续的，称为PAM信号。要采用PCM脉冲编码方式传输，进入编码器的信号必须只有有限个幅度，才能用一定字长的二进制数码来表示。这就需要将幅值无限的抽样信号变成幅值有限的量化信号，这一过程就是量化。 量化分为均匀量化和非均匀量化。 均匀量化：量化间隔

51、相等的量化。 非均匀量化：量化间隔不相等的量化。 设设aL,aM为量化器的输入信号幅为量化器的输入信号幅值，将值，将aL,aM分为分为J份，即量化总层数份，即量化总层数为为J。dk(k=0,1,2, J)为判决电平，当为判决电平，当dk aM限幅限幅区区：uiaL量化误差t 1 0-1e()信号幅度在 aL,aM之间t 5 4 3 2 1 0-1-2-3-4-5u()正常量化区正常量化区aLaM 2限幅区限幅区2aL 2aM 2信号幅度进入限幅区t 5 4 3 2 1 0-1-2-3-4-5u()量化误差t 1 0-1e()aLaM信号幅度信号幅度 /2，在判决电平在判决电平dk上下波动上下波

52、动t 2 1 0u()量化误差t 1 0-1e()量化误差t 1 0-1e()空载区判决电平判决电平t 2 1 0u()信号幅度信号幅度 /2，总是在判决电平总是在判决电平dk上之或之下。上之或之下。 均匀量化的均匀量化的 量化间隔量化间隔为确定值时，如果输为确定值时，如果输入信号幅度在正常量化区内变化，则量化误差总入信号幅度在正常量化区内变化，则量化误差总是是|e| /2，即不论信号幅值大小，其最大量化误，即不论信号幅值大小，其最大量化误差差|emax|都是都是/2。只有输入信号幅度进入限幅区。只有输入信号幅度进入限幅区时，量化误差才随输入信号增大而明显增大。时，量化误差才随输入信号增大而明

53、显增大。（2 2）非均匀量化）非均匀量化量化间隔不相等的量化称为量化间隔不相等的量化称为非均匀量化非均匀量化uie(ui)量化误差非均匀量化特性曲线ui3 6 8 9 10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0uo量化误差非均匀量化特性曲线uouiuie(ui)量化间隔不相等的量化称为量化间隔不相等的量化称为非均匀量化非均匀量化量化特性具有奇对称性 对量化器输入信号的幅度采用量化间隔不相对量化器输入信号的幅度采用量化间隔不相等的非均匀量化。在小信号区量化间隔分的细一等的非均匀量化。在小信号区量化间隔分的细一些（很小的信号幅值对应输出的一个些（很小的信号幅值对应输出的一个），这样，这样可

54、使小信号取得量化噪声减小，量化信噪比明显可使小信号取得量化噪声减小，量化信噪比明显提高。在大信号区量化间隔分得粗一些（较大的提高。在大信号区量化间隔分得粗一些（较大的信号幅值对应输出的一个信号幅值对应输出的一个），虽然会使大信号，虽然会使大信号量化误差加大，量化信噪比有所降低，但只要不量化误差加大，量化信噪比有所降低，但只要不低于通信质量所要求的最低量化信噪比，则量化低于通信质量所要求的最低量化信噪比，则量化级数可大大减少，降低了编码位数，提高了信道级数可大大减少，降低了编码位数，提高了信道利用率。利用率。 实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，即

55、在发送端对输入压缩器的信号先进行压缩处术，即在发送端对输入压缩器的信号先进行压缩处理理非线性处理，对小信号放大，而大信号予以非线性处理，对小信号放大，而大信号予以“压缩压缩”，从而改变了大信号和小信之间的比例关，从而改变了大信号和小信之间的比例关系。这样经过压缩处理的信号再进行均匀量化，其系。这样经过压缩处理的信号再进行均匀量化，其效果相当于对原信号进行非均匀量化。若在接收端效果相当于对原信号进行非均匀量化。若在接收端进行相应的扩张处理进行相应的扩张处理压缩处理的逆处理，就可压缩处理的逆处理，就可以恢复原信号。非均匀量化原理如图所示。以恢复原信号。非均匀量化原理如图所示。非均匀量化非均匀量化u

56、ot510t510vot18vo压缩压缩编码编码均匀量化均匀量化解码解码扩张扩张信道信道ui uovi 18t1 2 3 4 5 6 7 8 9ui 压缩特性曲线压缩特性曲线uo109 8 7 6 5 4 3 2 1vi vo扩张特性曲线扩张特性曲线1 2 3 4 5 6 7 8 99 8 7 6 5 4 3 2 1 PCMPCM通信发展过程中，曾提出过很多压扩通信发展过程中，曾提出过很多压扩方法，如指数型、对数型、双曲线型等等。目前方法，如指数型、对数型、双曲线型等等。目前广泛使用的是广泛使用的是 压缩律（压缩律（ 律）律）和和A A压缩压缩律律（A A律律）。）。 律主要用于美国、加拿大和

57、日本等国的律主要用于美国、加拿大和日本等国的PCM24PCM24路集群中。路集群中。 A A律律主要用于英国、法国、主要用于英国、法国、德国等欧洲各国的德国等欧洲各国的PCM30/32PCM30/32路集群中。我国路集群中。我国的的PCM30/32PCM30/32路集群中也采用路集群中也采用A A律律1313折线压缩折线压缩律。律。 压缩律)ln()ln( 1x1y-1x 1式中式中y表示压缩器归一化的输出，表示压缩器归一化的输出，x表示压缩器归一化的输入表示压缩器归一化的输入xy0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1 =0301

58、00200yx0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1 =030压缩特性扩张特性100200 律压缩器输入输出之间的关系（压缩特性）满足下式：律压缩器输入输出之间的关系（压缩特性）满足下式：)ln()ln(1x1y-1x 1 式中式中y表示压缩器归一化的输出，表示压缩器归一化的输出，x表示压缩器归一化表示压缩器归一化的输入，压缩特性见图。的输入，压缩特性见图。y和和x都是以临界过载电压都是以临界过载电压U进行进行归一化的量，即归一化的量，即y=v/U，x=u/U。 由图可知：不同的由图可知：不同的 对应的特性曲线不同。对应的特性曲线

59、不同。 越大，曲线越大，曲线越弯曲，压缩律越大；越弯曲，压缩律越大； 越小，曲线越弯度变小，压缩律越小；越小，曲线越弯度变小，压缩律越小； =0时，特性曲线为直线。时，特性曲线为直线。 律压缩特性律压缩特性具有奇对称性，具有奇对称性，x0时时y取取“+”， x 0， x1=1(2) 确定段落码确定段落码第一次比较，第一次比较，Is=128 ， IC=+1270 Is， x2=1，在后四大段。，在后四大段。第二次比较，第二次比较，Is=512 ， IC=+1270 Is， x3=1，在，在7、8大段。大段。第三次比较，第三次比较，Is=1024 ，IC=+1270 Is， x4=1，在，在8大段

60、。大段。(3) 确定段内码确定段内码段内均匀分段内均匀分16个小段，每一小段的量化级为个小段，每一小段的量化级为 =1024 /16=64 第四次比较，第四次比较，Is=1024 +8 =1024 +864 =1536 ， IC=+1270 Is，x5=0，在前，在前8小段。小段。第五次比较，第五次比较，Is=1024 +4 =1024 +464 =1280 ， IC=+1270 Is，x7=1，在，在3、4小段。小段。第七次比较，第七次比较，Is=1024 +2 + =1024 +364 =1216 ， IC=+1270 Is，x6=1，在第，在第4小段。小段。编出的码组编出的码组x1 x8