卫星通信系统与技术(信号传输与处理技术)（行业知识）

1、卫星通信系统与技术陈振国 杨鸿文 郭文彬 编著北京邮电大学出版社1课堂用第5章 信号传输与处理技术 5.1.信源技术5.2.数字信号调制5.3.信道编码5.4.差错控制 2课堂用本节将简要回顾数字通信中信号处理的信源处理技术、信号调制技术和信道编码技术，最后介绍信道差错控制技术。 3课堂用5.1 信源技术信源处理主要包括对信源的数字化、信源编码，信源编码的目的是为了尽量减小信源的冗余度 4课堂用5.1.1 信源及其编码 1、语音信号及其编码 话音信号的处理包括抽样、量化、编码。语音编码可以分成两大类，一类是波形编码，另一类是参量编码，即声码器。 5课堂用1、语音信号及其编码语音质量波形编码LP

2、C声码器LPC声码器的改进音乐信号6课堂用2、静止图象信号 一幅数字图象可以看成是一个象素序列。当图象是黑白时，每个象素的值只用灰度值表示就可以了，而当图象是彩色时，每个象素必须用三个值表示，通常为象素的RGB或YUV值。 7课堂用JPEG系统算法 通过离散余弦变换减少图象数据的相关性。利用人眼视觉特性对系数进行自适应量化。对每个子块量化后的系数矩阵进行Z形扫描，将系数矩阵变换成“符号”序列。用Huffman变长编码对“符号”序列进行熵编码。8课堂用JPEG处理框图 9课堂用3.电视信号 电视信号包括两部分：视频信号和音频信号。 10课堂用(1)彩色电视信号 视频信号可以看成是图象序列。11课

3、堂用电视信号的功率谱密度 12课堂用(2)视频编码技术 视频编码的主要目的是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表征视频信息。 13课堂用MEPG2视频编码框图 14课堂用预测编码的原理 15课堂用5.1.2 多媒体信号 多媒体信号集中了文字、语音、视频、图象等多种媒体数据信息。 多媒体的关键特性在于信息载体的多样性、交互性和集成性。 16课堂用5.1.3 数据信号及压缩技术Huffman编码 游程编码（RLE）Lampel-Ziv-Welch编码（LZW）17课堂用5.2 数字信号调制 数字信号的调制可分为幅度、相位、频率调制，在调制过程中，由于信道的带宽限制，还需要将调制信号进行

4、适当滤波，以限制调制后信号的带宽。 18课堂用卫星通信系统框图 19课堂用对调制方式的要求 要求调制后的信号波形具有恒包络特性。调制技术最好具有高的功率有效性和频谱效率，即具有较好的抗干扰能力和频带利用率。20课堂用5.2.1 相位调制 相位调制信号是用基带信号去调制载波的相位而形成的调制信号，相位调制信号具有恒包络的特点。卫星通信中常用的相位调制包括：BPSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK。 21课堂用在单个码元时间内，相位调制信号可以表示成如下 22课堂用BPSK、QPSK、8PSK星座图 23课堂用1.二进制调相信号 BPSK信号将二进制符号0、1分别对应载波的0、相位，可以表示

5、成：24课堂用对于 为矩形的情况，即基带信号为双极性NRZ码时，BPSK信号的功率谱密度为25课堂用BPSK信号的相干解调 26课堂用2.四进制调相信号 QPSK信号可表示成：27课堂用QPSK调制与解调框图 28课堂用3.偏移QPSK信号 OQPSK信号调制 29课堂用4. /4-DQPSK信号 /4-DQPSK 调制采用相差为/4的两个QPSK星座映射，其调制符号前后相差最多为3/4。目 30课堂用(1)/4-DQPSK信号及调制 /4-DQPSK信号调制31课堂用 /4-DQPSK星座图 32课堂用为了抑制已调信号的带外辐射，在/4-DQPSK同相和正交支路中分别加入一个具有线性相位特性

6、和平方根升余弦幅频特性的低通滤波器33课堂用/4-DQPSK信号可以写成如下形式：34课堂用(2)/4-DQPSK信号的解调 /4-DQPSK差分解调 35课堂用5.2.2 频率调制1. 多载波调制 设中心频率为 ，带宽为W的信道采用N个子载波的OFDM技术，每个子载波占用带宽 ，每个子载波上的符号速率为 ，码元间隔 ，其中 ，则子载波 36课堂用设 时间内各子载波上传输的符号为 ， 是复包络信号，则OFDM信号可以表示成：37课堂用等效基带信号为38课堂用 用DFT实现的OFDM系统框图 39课堂用2.连续相位频移键控 CPFSK信号可以写成如下形式：40课堂用3.最小移频键控 MSK信号可

7、以写成如下形式41课堂用MSK信号的相位路径 42课堂用MSK信号也可以表示成正交调制形式，即43课堂用MSK正交调制法 44课堂用MSK正交解调法 45课堂用4. GMSK信号 GMSK调制 46课堂用预调制滤波器必须具备以下特点 带宽窄且具有陡峭的截止特性；冲激响应的过冲小；滤波器输出脉冲面积为一常量，该常量对应的一个码元内载波相移为。 47课堂用GMSK中采用的预滤波器为高斯低通滤波器，其冲激响应为：48课堂用5.2.3 各种调制的性能及功率谱QPSK等信号虽然具有窄的主瓣带宽，但带外衰减慢，而MSK具有较快的带外衰减，GMSK的带外衰减就更快了。 49课堂用调制信号功率谱密度 50课堂

8、用5.3 信道编码 信道编码一般可以分成两大类，即分组码和卷积码。 51课堂用5.3.1. 基本知识域有限域GF有限域上的多项式 52课堂用5.3.2 线性分组码一、线性分组码的概念及性质 若码字 ， ， ，满足线性条件 则称该（n，k）码为线性分组码。 53课堂用二、线性分组码的译码 当信道传输出现差错后，则接收到的码字 ，接收端通过校验矩阵进行校验运算，即 ，S称为校验子， 只与差错向量E有关，因此可以通过校验子S的值来检验传输是否出现差错或对差错进行纠正。54课堂用三、汉明码及其设计汉明码是一类能纠正一个传输错误的线性分组码，若校验子的列数为n-k，则校验子可以对应错误向量E的 种情况，

9、错误向量E中为1的位置表示传输出现差错。 55课堂用四、码距及其与纠错、检错能力的关系 设 为输入码字空间， 为输出码字空间，（n，k）编码规则：IC为一一映射。若 ， 表示码字 第k个比特的值。56课堂用定义1、码字间的汉明距57课堂用 定义2、码字的码重码字中的比特1的个数 58课堂用定义3、最小码距码空间中任意两个码字间最小的汉明距。即 59课堂用检测e个错误的最小码距 60课堂用纠t个错误的最小码距 61课堂用纠t个检e的最小码距 62课堂用5.3.3 循环码循环码是一类特殊的线性分组码，它的特点是具有循环性，即任何许用码字的循环移位仍然是一个许用码字。 63课堂用一、循环码的结构 码

10、字 的码多项式如下：64课堂用码字 的循环移位i计为 则65课堂用定理一 GF（2）上的循环码（n，k）具有唯一的生成多项式 ，且 为该循环码中最低幂次的码字多项式，循环码中的其他码字可以表示成 。 66课堂用定理二 （n，k）循环码的生成多项式 是多项式 的因子，且幂次为n-k。67课堂用二、循环码的生成矩阵与监督矩阵 非系统码的生成矩阵系统码的生成矩阵 68课堂用三、循环码的编码和译码 1.系统循环码的编码器 系统循环码最容易实现的方式是将信息码多项式升n-k次幂后除以生成多项式，然后将所得余式置于升幂后的信息多项式后。69课堂用2.循环码的译码 用于纠错目的的循环码译码器原理用于检错目的

11、，然后用ARQ方式的循环码的原理 70课堂用BCH码 BCH码是一种特殊的循环码，其特点是能够根据所需要的纠错能力构造循环码。 71课堂用一、BCH码的生成多项式 BCH码的生成多项式 ,若含有以下 个连续根： 则由 生成的（n, k）循环码称为BCH码。 72课堂用通常，若 含有一个本原多项式，则码长为 ，我们称这类BCH码为本原BCH码；若码长为 的因子，则该码称为非本原BCH码。73课堂用二、BCH译码 BCH的译码可以按照下面的步骤进行：根据接收到的r(x)计算校验子由校验子确定出错误图样E。根据错误图样E，得到译码结果C=R-E 74课堂用RS码 RS码实际上也是循环码，但RS码是定

12、义在非二进制域上的循环码，RS码是定义在多进制域上的BCH码。 75课堂用RS码的生成多项式 76课堂用5.3.4 卷积码 卷积码的纠错性能随N的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。 77课堂用1.卷积码的结构和描述 卷积码结构示意图 78课堂用卷积码的描述 描述卷积码的方法有两类：图解法和解析表示。图解法包括：树图、状态图、网格图。解析法包括：矩阵形式、生成多项式形式。 79课堂用（7，5）卷积码结构 80课堂用 （7，5）卷积码树图 81课堂用（7，5）卷积码状态图 82课堂用（7，5）卷积码网格图 83课堂用生成多项式表示 定义

13、， ，则上述结构为 ， ，这里用8进制表示84课堂用定义85课堂用设输入信息 的多项式为 ，则可以得到输出最终输出是 的相同次数项的排列。 86课堂用2.卷积码的传输函数 卷积码也是线性码，输出码的最小码重决定了卷积码的最小码距。计算卷积码的码距特性可以通过考察卷积码的传输函数来得到，并且通过传输函数还可以估计卷积码的性能。 87课堂用（7，5）卷积码状态图 88课堂用（7，5）卷积码流图 89课堂用令 表示a状态下的状态值，则90课堂用由上解得91课堂用系统传输函数为92课堂用3 .卷积码的译码及其性能代数译码：根据卷积码的本身编码结构进行译码，译码时不考虑信道的统计特性。概率译码：这种译码

14、在计算时要考虑信道的统计特性。 93课堂用1.概率译码的思路 最大似然序列译码硬判决软判决 94课堂用2.Viterbi译码算法 设卷积码的状态数为，在时刻k各状态的计算如下：95课堂用3.卷积码的性能 如果译码出现差错时，卷积译码器输出错误序列，当采用2PSK时，卷积码的性能界可以由下式计算：96课堂用5.3.5. 级联码 根据香农信道编码定理，任何小于信道容量的数字通信，总可以找到一种编码方法，达到任意小误码的通信。 97课堂用1.Turbo码 Turbo码是并行的级联码，通过交织器将两个并行的卷积码支路联合起来。 98课堂用 Turbo码编码器(7,5) 99课堂用urbo码译码器 10

15、0课堂用2. 串行级联码串行级联码编码器结构 101课堂用串行级联码译码器结构 102课堂用5.3.6.编码调制 1.TCM 格形编码调制（TCM）是结合多进制调制与卷积编码的一种方法，它最早由Ungerboeck171819提出，目前作为ITU的标准，已广泛应用于Modem的传输， 103课堂用一、TCM编码 TCM编码示意图 104课堂用8PSK星座划分 105课堂用TCM编码器基本结构 106课堂用2/3卷积码格图 107课堂用2/3卷积码结构 108课堂用二、 Turbo码级联高阶调制目前，结合Turbo码和高阶调制的方法有如下两种：一种是Robertson提出的基于TCM结构形式的TTCM；另一种是PT-TCM结构。 109课堂用TTCM结构 110课堂用111课堂用5.4. 差错控制5.4.1纯ARQ（Pure ARQ） 为了适应不同的应用，纯ARQ方式也有多种形式，主要有等待重发方式、回溯N重发方式、选择重发方式。112课堂用一、 等待重发方式等待重发ARQ方式 113课堂用等待重发ARQ的系统流量为 114课堂用二、回溯N