数字通信原理与技术：第9章 现代数字通信系统介绍

第9章现代数字通信系统介绍9.1数字通信的应用9.2VSAT卫星通信网9.3数字蜂窝移动通信系统9.4无线寻呼系统9.5数字微波通信系统9.6数字光纤通信系统9.1数字通信的应用9.1.1计算机通信网图9-1计算机通信网的基本模型结构9.1.2军事自动化指挥控制系统图9-2自动化防空系统方框图9.2VSAT卫星通信网VSAT卫星通信网的主要特点是：(1)设备简单、体积小、重量轻、价格低、安装维护简单。(2)组网灵活、接续方便。(3)通信效率高、可靠性高、通信容量可自适应。(4)可建立直接面对用户的直达电路，特别适合于用户分散、业务量适中的边远地区以及用户终端分布范围广泛的专用和公用通信网。9.2.1VSAT卫星通信网的组成图9-3VSAT网构成示意图9.2.2VSAT系统的工作原理1.外向(Outbound)传输图9-4TDM帧结构2.内向(Inbound)传输许多分散的小站，以分组的形式，通过具有延迟τs的RA/TDMA卫星信道向主站发送数据。由于VSAT本身一般收不到经卫星转发的小站发射信号，因而不能用自发自收的方法监视本站发射信号的传输情况。因此利用争用协议时需要用肯定应答(ACK)方案，以防数据的丢失。即主站成功收到小站信号后，需要通过TDM信道回传一个ACK信号，宣布已成功收到数据分组。如果由于误码或分组碰撞造成传输失败，小站收不到ACK信号，即失败的分组，需要重传。9.2.3VSAT网主要技术指标VSAT网的主要技术指标如下：(1)系统带宽：5MHz。(2)系统误码率：10-5(无纠错时)；10-7(加纠错时)。(3)系统误包率：10-10(加纠错，128Byte为一包)。(4)扩频速率：2.4576Mb/s。(5)上变频器/功放：射频频率：5.925～6.425GHz；输出功率：5W；中频频率：170MHz。(6)下变频器/低噪声放大器：接收频率：3.7～4.2GHz；中频频率(到控制器)：69.25MHz；变频增益：87dB。(7)控制器：接收标准：RS232C(或RS—422)；发速率：4.8kb/s；收速率：153.6kb/s;扩频码长：每比特256位;调制方式：2PSK;解调方式：相干解调。(8)天线： 主站：7.5～11m抛物面；小站：0.75m抛物面。(9)系统复用方式:TDM(时分复用)。(10)系统多址方式：CDMA(码分多址)。(11)纠错方式：1/2FFC。(12)容纳小站数：2500个。(13)无故障平均间隔时间：2.5年。9.3数字蜂窝移动通信系统9.3.1移动通信的概念移动通信是指移动体(或称动载工具，如飞机、轮船、车辆、行人等)与固定体或另一移动体之间的信息交换。要使通信的一方或双方在移动中实现通信，则必须采用无线通信方式。当前，民用的移动通信设备使用的频段主要有VHF频段的150MHz和UHF频段的450MHz、800MHz、900MHz。最近已开始研究开发L波段的1.5GHz以及更高的频段。移动通信通常以网络形式出现，图9-5是移动通信网的简单组成框图。图9-5移动通信网组成蜂窝移动通信系统

大区覆盖与小区覆盖(a)大区覆盖；(b)小区覆盖蜂窝系统的频率再用蜂窝移动通信系统的示意图GSM系统无线的传输特征GSM等三种数字蜂窝网主要参数1.TDMA/FDMA接入方式图TDMA/FDMA接入方式

2.频率与频道序号

GSM系统工作在以下射频频段：上行(移动台发、基站收)890～915MHz

下行(基站发、移动台收)935～960MHz

收、发频率间隔为45MHz。移动台采用较低频段发射，传播损耗较低，有利于补偿上、下行功率不平衡的问题。由于载频间隔是0.2MHz，因此GSM系统整个工作频段分为124对载频，其频道序号用n表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用下式计算：下频段fl(n)=(890+0.2n)MHz

上频段fh(n)=(935+0.2n)MHz式中，n=1～124。例如n=1,fl(1)=890.2MHz,fh(1)=935.2MHz，其它序号的载频依次类推。每个载频有8个时隙，因此GSM系统总共有124×8=992个物理信道，有的书籍中简称GSM系统有1000个物理信道。

3.调制方式

GSM的调制方式是高斯型最小移频键控(GMSK)方式。矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽BT=0.3。基于200kHz的载频间隔及270.833kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为1.35b/s/Hz。9.3.2GSM数字蜂窝通信系统的网络结构图9-6GSM蜂窝通信系统的网络结构图9-7PLMN接口这些接口见图9-7，共有以下几种：①移动台与基站之间的接口(Um);②基站与移动交换中心之间的接口(A)；③基站收发台与基站控制器之间的接口(Abis)(基站收发台与基站控制器不配置在一起，使用此接口)；④移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口(B);⑤移动交换中心与原籍位置寄存器之间的接口(C)；⑥原籍位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口(D)；⑦移动交换中心之间的接口(E);⑧移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口(F);⑨访问位置寄存器之间的接口(G)。9.3.3GSM蜂窝系统的传输方式1.多址方式图9-8GSM通信系统跳频示意图2.业务类型话音业务。(2)数据业务。图9-9GSM通信系统的话音编码示意图3.信道分类

1)业务信道(TCH)传输话音和数据。话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS)。同样，数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道(如TCH/F9.6,TCH/F4.8,TCH/F2.4)和半速率数据业务信道(如TCH/H4.8,TCH/H2.4)(这里的数字9.6,4.8和2.4

表示数据速率，单位为kb/s)。

(2)控制信道(CCH)传输各种信令信息。控制信道分为3类：①广播信道(BCH)是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向所有移动台广播公用的信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息。其中又分为·频率校正信道(FCCH)：传输供移动台校正其工作频率的信息；

·同步信道(SCH)：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息；

·广播控制信道(BCCH):传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。②公共控制信道(CCCH)是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。其中又分为·寻呼信道(PCH)：传输基站寻呼移动台的信息；

·随机接入信道(RACH):移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息；

·准许接入信道(AGCH)：基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。③专用控制信道(DCCH)是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又分为

·独立专用控制信道(SDCCH):·慢速辅助控制信道(SACCH)：在移动台和基站之间，周期地传输一些特定信息，如功率调整、帧调整和测量数据等信息；SACCH安排在业务信道和有关的控制信道中，以复接方式传输信息。安排在业务信道时，以SACCH/T表示，安排在控制信道时，以SACCH/C表示。

·快速辅助控制信道(FACCH):传送与SDCCH相同的信息。图9-10GSM通信系统信道分类示意图

4.帧格式

(1)每帧含8个时隙，帧长4.615ms。

(2)复帧由若干帧组成，分为两种：

·由26帧组成的复帧。这种复帧长12ms，主要用于业务信息的传输，也称作业务复帧；

·由51帧组成的复帧。这种复帧长235.4ms，主要用于控制信息的传输，也称作控制复帧。

(3)由51个业务复帧或26个控制复帧均可组成一个超帧。超帧长51×26×4.615=6.12s。

(4)由2048个超帧组成一个超高帧。超高帧包括26×51×2048=2715648个帧，长3h28min53.76s。帧的编号(FN)以超高帧为周期，从0到2715647。

5.时隙格式在GSM蜂窝系统中，每帧含8个时隙，时隙宽度为0.576ms，其中含156.25bit。相应的比特速率为156.25/0.576=270.8kb/s。根据所传信息的不同，时隙所含的具体内容和其组成格式也不相同。概括地说，时隙分为两类：一类是传输话音和数据(含SACCH和FACCH的信息)的，简称业务时隙；另一类是传输控制信令(不包括FACCH信息)的，简称控制时隙。9.3.4GSM蜂窝系统的主要技术指标

GSM蜂窝系统的主要技术指标如下：(1)工作频段:移动台发送频段(上行)890～915MHz;基站发送频段(下行)935～960MHz;收发双工频率间隔45MHz。(2)调制方式:采用GMSK(BbTb=0.3)；频道宽度200kHz;信道传输速率270.8kb/s;频带利用率1.35b/s·Hz。(3)发射功率:基站：每载波500W，每时隙平均500/8=62.5W；移动台：每载波(峰值)为2.5W#,8W和20W。(4)小区半径:农村开阔地带:35～40km;城市：最小500m。(5)信道容量：1000。(6)区群小区数：4。(7)每小区信道数：250～333。(8)多址技术：TDMA(时分多址)。9.４无线寻呼系统9.4.1无线寻呼发展概况

(1)向小型化、微型化发展。即用户使用的BB机的体积和重量不断降低，寻呼台的设备更加轻巧。

(2)功能增多。无线寻呼初期主要目的是找人(提供号码等)，到目前已能提供多种信息，如股票情况，天气预报，新闻等多种业务。

(3)BB机向汉字化和语音化发展。

(4)寻呼业务向网络化发展，实现全国联网。

(5)寻呼频率向高频段发展，已出现(开通)280MHz频段高速寻呼。9.4.2系统基本构成

1.系统组成方框一般无线寻呼系统由3部分组成：公用市话网、寻呼中心和BB机用户，如图9-11所示。寻呼中心是通过与公用电话网相连而获取信息,再向BB机用户传送的。通常人们习惯把寻呼中心的组成称为系统组成。图9-11系统基本组成

2.作用简介

(1)接续机。主要把由市话网来的电话接通到不同的话务员。当电话很多时，接续机让电话等待，同时给话务员均匀地分配电话。

(2)输入终端。由计算机、显示器、键盘构成。话务员把耳听的信息从键盘送进网络，同时在显示器上显示出来。

(3)网络服务器。它是寻呼中心信号传送的核心部分。处理和控制所有信息正确传送及系统正常工作。它是一台微机，主要功能由软件设置，完成系统管理的各种设置及数据存储。

(4)编码器。对各种信息经合路后按一定形式(如POCSAG码)编码，加容错技术等。

(5)调制器。一般在发射机内。对经编码后的信号进行调制，以利发射。

(6)发射机。将编码器送出的信号，经调制后，变成高频信号，通常再经倍频、缓冲功放后，得到所需工作频率和射频功率后送到天线发射。

(7)天线、馈线。发射机输出阻抗通常为50Ω，馈线应与它相匹配以便将信号传送到天线，馈线长度视发射天线高度而定。设计时希望馈线愈短愈好。天线应采用高增益、全方向性的天线。9.4.3系统主要技术指标

1.系统技术指标

(1)系统容量(能容纳BB机的最多数目)：一般系统在5万以下，大系统为12万。

(2)传呼距离：一般在25km左右，它与天线高度和发射功率有关。

(3)编码格式：POSCAG码。

(4)发送速率：1200b/s(也有512b/s)。

(5)系统呼叫响应时间：10s。

(6)呼叫信息长度：28字符/数字机，14汉字/汉字机。

2.发射机的主要技术指标

(1)输出功率：60W(邮电部规定最大功率，一般发射机最大功率为100W)。;(2)发射频率：134～174MHz某个频率点。

(3)频率稳定度：±1×10-6。

(4)调制方式：FSK。

(5)最大频偏：±5kHz。

(6)输出阻抗：50Ω。

3.编码器主要技术指标

(1)信号格式(编码方式)：POCSAG码(有些系统用格雷码，POCSAG为国际通用寻呼码)。

(2)传输速率：1200b/s(512b/s)可预置。

(3)频率响应：300～3000Hz,±3dB。

(4)寻呼方式：音调报警、话音、数字、字母等。9.4.4POCSAG码介绍

POCSAG码原规定速率为512b/s，由于近几年文字型寻呼系统的发展，希望每频道能容纳更多寻呼用户，故目前速率为512b/s和1200b/s兼容。以FSK—NRZ(移频键控不归零信号)方式传播，以(f0+4.5)kHz代表“0”，(f0-4.5)kHz代表“1”。码型采用BCH31∶21(BCH码是以博斯(Bose)#,查德哈里(Chardhari)#,霍昆格姆(Hocquenghem)3

个人名字的第一个字母命名的)，码长31位，信息占21位，汉明码距为6。表9-1一般数据发送格式前置码(P)字同步(SW)地址或数据(A或D)纠错码图9-12信号格式9.4.5BB机介绍1.BB机分类(1)单音报警型(已基本淘汰)。(2)话音型。(3)数字显示型(仅显示0～9数字)。(4)字母和数字型(字母和数字均可显示)。(5)汉字显示型(显示汉字和数字、字母)。9.5数字微波通信系统9.5.1数字微波通信系统的组成图9-13微波通信系统组成图9-14数字微波站的组成1.数字微波收发信机从中频调制解调机送来的4PSK70MHz信号送至发信中频放大器，经线性放大后送至发信混频器，与发信本振混出所需的微波信号，由边带滤波器选出，再经微波功率放大器线性放大至所需发射功率，经分波道滤波器送至微波分路系统和天、馈线系统。在未收到调制机送来的70MHz信号时，或在中继站中频转接时未接收到收信机送来的70MHz信号，为防止发信机送出大噪声，影响邻近波道，这时让70MHz代振器启动，以抑制噪声。

2.数字调制解调设备一般中、小容量的数字调制/解调设备普遍采用4DPSK方式，主要包括调制器和解器。数字调制器包括扰码、串—并变换、差分编码和低通滤波成形、调制及中频放大等功能。前面一部分内容统称为发信逻辑，后一部分为调制。调制器所需的70MHz的载波可以由晶振产生，也可以用70MHz压控振荡器产生，后者可以附加公务调频，提供模拟公务传输功能。在逐站再生系统中，微波机可以不采用带调制的发信振荡源，对简化设备、降低成本、提高可靠性是有利的。

3.辅助系统辅助系统指的是倒换、公务和监控装置。为了提高传输系统的可用性，对信道机毫无例外地采用波道备用或机组备用方式。常用的是1+1波道备用方式，也可采用N+1备用方式。当主用波道出现故障或传输质量恶化时，应立即自动倒换至备用波道。数字微波传输系统的倒换通常均在基带进行，这样可以较方便地实现无损伤倒换。目前，国内的1+1备用方式的设备，调制解调机和基带倒换设备是装在一个机柜里的。条形架结构的设备两者是分开的。

4.微波分路系统在多波道传输时，为了共用馈线和天线，在微波收发信机的出、入口需采用分路和并路装置。在发信端，各个波道发信机发出的信号经过这个装置合并在一起，通过共用的馈线送往天线发射出去。在收信端，从天线接收下来各个波道的信号由馈线送入这个装置，分离至各个波道的收信机。通常把这个装置称为微波分路系统。常用的微波分路系统有三种：方向滤波器式的分路系统、环行器分路系统和单极化分路系统。9.5.2数字微波线路(网)的构成形式图9-15数字微波线路的构成形式9.5.3主要技术指标

1.总技术指标

(1)传输容量。以2048kb/s系列为基础的中、小容量数字微波通信系统，常用的有以下几种容量：2048kb/s,2×2048kb/s,4×2048kb/s,8×2048kb/s;8448kb/s,2×8448kb/s;34.368Mb/s,2×34.368Mb/s。

(2)使用频段及波道配置。选定所使用的频段，根据CCIR相关建议确定所能开设的波道数，并确定共用一套天、馈线系统所能开设的波道数。有些频段CCIR建议的波道数是对小容量而言的，如7.1～7.4GHz#,7.4～7.7GHz可开设20个波道，8.2～8.5GHz可开设12个波道。但在用于传输34Mb/s数字信号时，受波道间隔限制，开设不了这么多波道。这时应根据CCIR所推荐的开设波道数或按国家标准来确定开设的波道数。如对7.1～7.4GHz和7.4～7.7GHz分别开设5个波道,对8.2～8.5GHz开设6个波道。

(3)调制解调方式。对2048kb/s和8448kb/s的系统，目前国内大多采用2PSK方式。优点是电路简单，缺点是频带利用率太低，而且在波道间隔较小时，邻近波道干扰较大。为此希望在8Mb/s以上系统均采用4PSK方式。至于2×34Mb/s系统要用4PSK方式，必须严格限带，使α≤0.5，而且必须采用波道间隔为40MHz的工作频段。否则必须采用8PSK或16QAM方式。解调方式：相干解调;

判决方式：低通滤波器型相关器，瞬时判决;

调制速率：送入调制器调制码的速率，又称为符号速率，用MBD来表示。对4PSK方式，指的是双比特码的速率。如34Mb/s的系统采用4PSK调制方式，其调制速率为17MBD。

应当注意这里所指的调制码是双比特码的总称，故用MBD。而对构成双比特码的每一路码仍为二进制的比特流，可以写为17Mb/s。(4)误码率：Pe=10-4～10-6。

2.微波口的技术指标有发信功率、噪声系数、收信电平、收发信频率稳定度和微波输入、输出端的驻波比等。

3.中频口的技术指标主要有中频频率fI=70MHz；中频阻抗75Ω，中频电平、中频特性要求等。

4.基带口技术指标通常有信号代码形式(HDB3码)，输入/输出电平要求，阻抗特性要求及容许抖动要求等。

5.备用方式及倒换备用方式：1+1备用或N+1备用。并且发、收端在基带倒换。倒换型式：双重保护方式。6.公务性能(1)模拟公务通道:频带：0.3～12kHz,分为3路；传输方式：调频；信噪比：45～50dB/路(当频偏为50kHz时的加权值)。(2)数字公务通道:容量：4×64kHz;传输方式：插入码。7.监控系统监控方式：二级管理，设总监站、主站和从站(被控站)。(2)监控站数:总监站：1个；主控站：8个；被控站：128个。(3)监控项目数:遥信：128项/站；遥控：64项/站；遥测：32项/站