建筑通信工程第三章

建筑通信工程主讲：孙莹LecturedBy:SunYing第三章卫星通信系统了解:通信卫星及其分类了解:同步通信卫星的有关知识了解:卫星通信系统的分类及组成了解:卫星通信线路和通信卫星的组成掌握:调制与解调的概念掌握:模拟信号振幅调制的原理掌握:低通信号和带通信号的抽样定理教学目的:掌握:均匀量化和非均匀量化的方法掌握:采用A律13折线压缩特性的PCM编码方法了解:自适应差分脉码调制和增量调制的原理掌握:数字信号的调制方法（ASK，FSK，PSK）掌握:多路复用方式（TDM，FDM，CDM）掌握:卫星通信的多址方式（FDMA，TDMA，

SDMA，CDMA）了解:VSAT卫星通信系统教学目的:作业

1.卫星通信的定义是什么？

2.卫星通信系统有哪些分类？

3.简述卫星通信系统的组成

4.简述通信卫星的组成

5.简述调制与解调的概念

6.简述调制的分类

7.简述数字信号的调制方法（ASK，FSK，PSK）

8.简述频分多址、时分多址、码分多址、空分多址方式的原理

9.简述VSAT卫星通信系统的组成和工作原理

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隔相等三种情况下60路载波超群信号（330～570kHz)的抽样频率。

3.1卫星通信系统简介3.1.1通信卫星

1945年，英国的科幻小说作家阿瑟·克拉克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《无线电杂志》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，地面上发送信号给卫星，通过卫星再传回地面。

1957年10月4日，原联苏成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星。按轨道赤道轨道极地轨道倾斜轨道同步卫星移动卫星一、通信卫星的分类按通信范围国际通信卫星区域性通信卫星国内通信卫星按用途综合业务通信卫星军事通信卫星

海事通信卫星电视直播卫星气象卫星按转发能力

无星上处理能力有星上处理能力按频段0.1-0.3GHzVHF移动，导航业务0.3-1.0GHzUHF移动，导航业务1.0-2.0GHzL移动业务2.0-4.0GHzS移动业务4.0-8.0GHzC固定业务8..0-12.0GHzX12.0-18.0GHzKu固定业务，广播业务18.0-24.0GHzK24.0-30.0GHzKa近年来倍受关注33.0-50.0GHzQ50.0-75.0GHzV按重量

大型卫星Large>1000kg>1亿美元中卫星Small500-1000kg0.5-1亿美元小卫星Mini100-500kg500-2000万美元微卫星Micro10-100kg200-300万美元纳卫星Nano<10kg<100万美元皮卫星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。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35786km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，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。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。卫星中继站地球站A地球站B

3.1.2卫星通信的定义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：①宇宙站与地球站之间的通信；②宇宙站之间的通信；③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

模拟卫星通信系统、数字卫星通信系统按多址方式分类

频分多址、时分多址、码分多址、空分多址、混合多址按卫星制式分类

随机、相位、静止卫星按通信覆盖区的范围分类

国际、国内、区域按用户性质分类公用（商用）、专用、军用按业务分类固定业务、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35786.6km运转周期23时56分4.09秒匀速圆周运动的速度v=3.07km/s轨道半径42164.6km一颗同步卫星对地球表面视区达42.4%以上三颗同步卫星可以覆盖全球（地球两极要形成通信“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同步卫星位置标注

由于同步卫星运行在赤道上空，所以纬度为0°，因此要表明一颗同步卫星的位置，只需使用经度就可以了。

110.5°E表明卫星位于东径110.5°的赤道上空。地球站对同步卫星的观察参数方位角:水平移动仰角：上下移动覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球频带宽,容量大机动性好,不受地理条件限制通信可靠性高,质量好,稳定费用与距离无关有多址能力,组网灵活可以自发自收进行检测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备，主要有跟踪遥测指令分系统、监控管理分系统、空间分系统及通信地球站四部分组成。卫星通信系统的基本组成跟踪遥测指令分系统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，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。监控管理分系统

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，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信进行监控，以保证正常通信。空间分系统

就是通信卫星。它是由主体部分的通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）等组成。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，卫星通信系统的容量就越大。通信地球站是连接卫星线路和用户的中枢。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。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。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响和干扰，ITU做出了一系列的规定，如系统允许的干扰量，卫星位置的保持精度及天线指向精度，最大辐射量密度等。1971年ITU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。全球划分3个无线电区，欧洲、非洲、前苏联和蒙古等属1区，美洲为2区，亚洲的大部分区域和大洋洲属3区，我国属3区。3.2.2卫星通信频道的划分通信频率（GHz）说明通信频率（GHz）说明3.4~4.2（下行）共用8.025~8.4（上行）共用4.4~4.7（上行）共用10.95~11.2（下行）2、3区共用5.725~5.8（上行）1区共用11.45~11.7（下行）共用5.85~5.925（上行）1、3区共用11.7~12.2（下行）2区共用5.925~6.45（上行）共用12.5~12.75（上行）2区共用7.25~7.32（下行）专用12.5~12.75（下行）3区共用7.3~7.75（下行）共用12.5~12.75（上、下行）1区共用7.9~7.975（上行）专用14~14.5（上行）共用7.975~8.025（上行）专用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2.500~2.695共用22.5~23共用11.7~12.51区内共用41~43专用11.7~12.52、3区内共用84~86专用广播卫星频率划分表

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

通信卫星是由控制分系统、天线分系统、遥测指令分系统、通信和电源分系统所组成。其主体是通信分系统，其保障部分是星上遥测、控制和电源分系统。3.2.4通信卫星的组成控制分系统

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。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的漂移。天线分系统

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组装的结构和特点，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和耐辐射。通信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，以增加卫星的有效辐射功率，要使天线波束永远指向地球。遥测指令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。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。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通过解调、解码，恢复出遥测信号，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，经检测和译码后送到控制机构。电源分系统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，在发生星蚀期间，由化学电池供电。为了使供电稳定，还设有电源控制电路。温控分系统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温控分系统，用来控制卫星的温度。通信分系统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的质量。它的电路结构随性能要求分两类：一类是非再生式转发器，另一类是再生式转发器。非再生式转发器主要用于模拟卫星通信系统。将接收到的信号直接放大后转发出去，而不进行解调和基带处理。从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。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。微波放大式转发器

把接收到的微波直接放大，经过变频和功率放大后向地球站转发。再生式转发器

主要应用于数字卫星通信系统中，再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

1、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）到原来的频率范围，这就是调制和解调。

所谓调制就是使基带信号（调制信号)控制载波的某个（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模拟调制和数字调制；根据载波的不同可分为以正弦波作为载波的连续载波调制和以脉冲串作为载波的脉冲调制；根据调制器频谱搬移特性的不同可分为线性调制和非线性调制。

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程。幅度调制器的一般模型如图所示。

幅度调制器的一般模型

2、幅度调制

设调制信号m(t)的频谱为M(ω)，冲激响应为h(t)的滤波器特性为H(ω),则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为

式中，为载波角频率。

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(精确到常数因子)。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。适当选择滤波器的特性H(ω)，便可以得到各种幅度调制信号。例如，调幅、双边带、单边带及残留边带信号等。

AM的波形及频谱

由频谱图可知，AM信号的频谱由载频分量和上、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，下边带是上边带的镜像。因此，AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽是基带信号带宽的两倍，即。

AM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，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。

3、单边带调制(SSB)

——话音信号调制方法用滤波法形成单边带信号

产生SSB信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。这只需将滤波器H(ω)设计成如下图所示的理想低通特性HLSB(ω)或理想高通特性HUSB(ω)，就可分别取出下边带信号频谱HLSB(ω)或上边带信号频谱HUSB(ω)。

形成SSB信号的滤波特性

SSB信号的频谱二、模拟信号的数字传输

1、抽样定理抽样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间上连续的模拟信号呢？对于这个问题我们可以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，经过摄像机的拍摄（相当于抽样）后成为一张张“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自动连接上了。所以在屏幕上看到的画面就是一个连续动作的图像。要使“离散”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（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。

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)t0x'(t)t0x(nt)0T2T3T4T5T6T7Ttx(t)x(nt)0T2T3T4T低通x(nt)x'(t)

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，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——抽样定理。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不失真地恢复出原信号。

根据信号x(t)是低通型信号还是带通型信号，抽样定理可分为低通型信号抽样定理和带通型信号抽样定理。

根据抽样脉冲p(t)是时间上等间隔序列还是非等间隔序列，抽样定理可分为均匀抽样定理和非均匀抽样定理。抽样器x(t)p(t)s(t)抽样定时脉冲

根据p(t)是冲激序列还是非冲激序列，抽样定理可分为理想抽样定理和非理想抽样定理。时间上连续的模拟信号抽样信号ts(t)-2Ts-Ts0Ts2Ts低通信号冲激抽样及频谱-2ws-ws0

ws2ws……x(t)t0…p(t)t-2Ts-Ts0Ts2Ts……-wm0wmX(w)wP(w)w……-2ws-ws-wm0wm

ws2wsS(w)w（1）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-wm0wmX'(w)wS(w)-2ws-ws0ws2ws……w-wm0wmX(w)w-2ws-ws-wm0wm

ws2wsS(w)……w-wm0wmX(w)w-2ws-ws

-wm0wm

ws2wsS(w)…w低通信号的抽样定理：

一个频带限制在0~fm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)。

s≥2

m

s-

m

s+

m

s<2

m

s-

m

s+

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S(f)的频谱是周期性的，具有无穷大的带宽，频谱的周期为

s。当

s≥2

m即fs

≥2fm时，S(f)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。fs

=2fm是频谱不出现重叠的最低抽样频率，称之为奈奎斯特频率。当

s<2

m即fs

<2fm时，S(f)的频谱出现重叠现象（如图），这时用低通滤波器滤出的频谱出现失真，无法恢复原始信号。

在实际中，边界陡峭的理想滤波器无法制作，当

s=2

m

即fs=2fm

时，虽然S(f)的频谱不会出现重叠现象，但通过非理想滤波器得到的频谱仍然有失真（如图）。所以实际应用中一般要留有一定的防卫带，取fs>2fm。例如话音信号的最高频率被限制在3400Hz，抽样频率应大于2×3400=6800Hz，为了留有一定防卫带，CTU-T规定话音信号的抽样频率为fs=8000Hz，Ts=1/8000=125s。抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，但将使总码速率增高，给传输带来不便。S(w)f利用低通信号抽样定理抽样…fm

fL

fS

fs+fm-fL

-fm

fs+fLfs-fL…fs-fm2fS-fm2fS-fL

上

下

下

（2）带通信号抽样定理X(w)ffm

fL

-fL

-fm

上

下

下

B

对于带通信号，fm比较高，但信号带宽B比较窄,B=fm-fL

<fL，如果采样频率fS

>2fm，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0~fL等频段没有频率。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。

当B≤fL<2B，即n=[fL/B]=1（0~fL之间可以不失真的插入一个原信号频谱）时，如图所示上

fm

fL

fS

fs+fm

上

下

……f下

2fS

3fS

下

上

-fL

-fm

fs-fLfs-fmfs+fL2fS-fm2fS-fL2fS+fm2fS+fL3fS-fm3fS-fLS(w)利用带通信号抽样定理抽样X(w)

ffm

fL

S(w)

上

下

……ffm

fL

下

fS

2fS-fLfs+fL

fs+fm2fS-fmfs-fmfs-fL利用低通信号抽样定理抽样S(w)

上

ffm

fL

下

下

下

上

fS

2fS

3fS

4fS

上…2fS-fL2fS-fm3fS-fm3fS-fL…利用带通信号抽样定理抽样

当2B≤fL<3B，即n=[fL/B]=2（0~fL之间可以不失真的插入2个原信号频谱）时，如图所示S(w)

…ffm

fL

下

下

…nn+1

nfS-fL

nfS-fm(n+1)fS-fm(n+1)fS-fL当nB≤fL<(n+1)B，即0~fL之间可以不失真的插入n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：一个频带限制在fL

~fm之间的带通信号，其抽样频率满足；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例3.1试求60路载波超群信号（312～552kHz)

的抽样频率。解：按带通信号抽样定理若按低通信号抽样定理，其抽样频率为2fm=2×552=1104kHz边带间隔相等的抽样频率一定要注意：如果fL<B，即n=0，则带通信号抽样定理不再使用，此时应按低通信号处理。如电话信号频率为300~3400Hz，

fL=300Hz<B=3100Hz，故只能按低通信号处理。时，就可以无失真地恢复出原信号。

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；n是小于fL/B的最大整数低通信号的抽样定理：

一个频带限制在0~fm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)。上课要点进一步还可求出各边带之间间隔相等所需的抽样频率为2、模拟信号的量化量化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：量化间隔相等的量化。

非均匀量化：量化间隔不相等的量化。

设[aL,aM]为量化器的输入信号幅值，将[aL,aM]分为J份，即量化总层数为J。dk(k=0,1,2,…J)为判决电平，当dk<x≤dk+1时，输出量化值为yk。

如果判决电平间隔均匀，即dk+1-dk=dk-dk-1=

，量化值为两个相邻判决电平的中值，即yk=(dk+1+dk)/2；k=0,1,2,…J-1；称为均匀量化。aLaM（1）均匀量化量化间隔都相等的量化称为均匀量化yJ-1

yJyky2y1

y0……

dJ

dJ-1dk+1dkd2d1

d0……判决电平量化值

543210-1-2-3-4-5ui

(

)uo(

)-5-4–3-2-1012345量化特性-5-4–3-2-1012345

210-1-2ui

(

)e(

)量化误差yyky-yk|e|≤

/2

将量化器输入输出的关系用直角坐标来表示。横坐标表示量化器的输入信号，纵坐标表示量化器的输出信号。这种描述量化器输入输出之间关系的特性称为量化特性。量化误差为y-yk,|e|≤

/2。aLaM

正常量化区限幅区限幅区空载区dJ

dJ-1dk+1dkd2d1

d0……yJ-1

yJyky2y1

y0……判决电平量化值空载区：|ui-dk

|≤

/2信号在总是在判决电平dk上之或之下波动。

正常量化区：ui

[aL,aM]限幅区：ui>aM限幅区：ui<aL量化误差t

10-1e(

)信号幅度在[aL,aM]之间t

543210-1-2-3-4-5u(

)正常量化区aLaM

2限幅区

2信号幅度进入限幅区t

543210-1-2-3-4-5u(

)量化误差t

10-1e(

)aLaM信号幅度<

/2，在判决电平dk上下波动t

210u(

)量化误差t

10-1e(

)量化误差t

10-1e(

)空载区判决电平判决电平t

210u(

)信号幅度<

/2，总是在判决电平dk上之或之下。

均匀量化的量化间隔

为确定值时，如果输入信号幅度在正常量化区内变化，则量化误差总是|e|≤

/2，即不论信号幅值大小，其最大量化误差|emax|都是

/2。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。（2）非均匀量化量化间隔不相等的量化称为非均匀量化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），这样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（较大的信号幅值对应输出的一个），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，提高了信道利用率。

实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，即在发送端对输入压缩器的信号先进行压缩处理——非线性处理，对小信号放大，而大信号予以“压缩”，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——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。非均匀量化uot510t510vot18vo压缩编码均匀量化解码扩张信道ui

uovi18t123456789ui

压缩特性曲线uo10987654321vivo扩张特性曲线123456789987654321

PCM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。目前广泛使用的是

压缩律（律）和A压缩律（A律）。律主要用于美国、加拿大和日本等国的PCM—24路集群中。A律主要用于英国、法国、德国等欧洲各国的PCM—30/32路集群中。我国的PCM—30/32路集群中也采用A律13折线压缩律。①

m压缩律-1≤x≤1式中y表示压缩器归一化的输出，x表示压缩器归一化的输入xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1m=030100200yx00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1m=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：-1≤x≤1

式中y表示压缩器归一化的输出，x表示压缩器归一化的输入，压缩特性见图。y和x都是以临界过载电压U进行归一化的量，即y=v/U，x=u/U。

由图可知：不同的对应的特性曲线不同。越大，曲线越弯曲，压缩律越大；越小，曲线越弯度变小，压缩律越小；=0时，特性曲线为直线。律压缩特性具有奇对称性，x<0时y取“-”。②

A压缩律xy11-1-10A=1A=87.61/AA律压缩特性曲线

由特性曲线以及公式可以看出：在区间是直线段，直线的斜率为在区间是曲线段，曲线的斜率为

A律压缩器输入输出之间的关系（压缩特性）满足下式：

式中y表示压缩器归一化的输出，x表示压缩器归一化的输入A律压缩特性具有奇对称性，x>0时y取“+”，x<0时y取“-”。③A律13折线压缩特性yx11/21/41/81/161/321/641/12817/86/85/84/83/82/81/81/481/2716254483162161斜率段号各段斜率

1

2345

678A=87.6时的A律压缩特性表2-2A=87.6与13折线压缩特性比较11214181161321641128按13折线关系求得x111.9813.417.8115.4130.6160.61128按A=87.6关系求得x17868584838281

8yx

A律13折线压扩特性如图所示。在下面分析中仅考虑信号大于零的情况，对于信号小于零的情况利用奇对称性可方便的得出。具体方法是：对x轴在0~1归一化范围内以1/2递减规律分成8个不均匀段，其分段点为

对y轴在0~1归一化范围内以均匀分段方式分成8个均匀段，其分段点为

x轴、y轴相应分段线在xy平面上交点连线就是各段的折线。图中有8段折线，这就是A律13折线压缩特性。为什么是13折线呢？各段折线的斜率如表所示。

由表可见，由于第1段与第2段直线斜率一样，所以在信号大于0的区域里共有7段直线，根据奇对称性，在信号小于0的区域里也有7段直线，其中信号过0点的直线斜率一样，所以在整个量化区内共有13段折线。3、脉冲编码调制(PCM)编码

就是将离散值变成二进制码元的过程

模拟信号经过抽样量化后，还需进行编码处理，才能使离散值形成二进制的数字信号形式。所谓编码就是将离散值变成二进制码元的过程。由于二进制码除了电路容易实现外，还可以经受较高噪声电平的干扰，并易于再生。因此PCM中都采用二元码。在实际设备中，量化编码是一步完成的，叫量化编码器，简称编码器。（1）码字码型

在编码时，每个量化级都是用一定位数所组成的二进制码来表示的，这一组二进制码就称为码字。码字中码位的整体编排方式称之码型。

PCM中常用的码型有三种：即自然二进码、折叠二进码和循环二进码(格雷码）。

一个码字由几位二进制码组成取决于量化级数N的大小。如N=256来说，码字由8位组成。

PCM中常用的码型有三种：即自然二进码、折叠二进码和循环二进码(格雷码），表中列出了16级量化时(n=4)，这三种码字的编码情况。量化电平序号信号极性自然二进码a1a2a3a4折叠二进码a1a2a3a4循环二进码a1a2a3a415正极性部分1111111110001411101110100113110111011011121100110010101110111011111010101010101111910011001110181000100011007负极性部分0111000001006011000010101501010010011140100001101103001101000010200100101001110001011000010000001110000三种常用的二进码型格雷码A律13折线PCM—30/32路集群设备中所采用的码型。(2)A律13折线编码yx11/21/41/81/161/321/641/12817/86/85/84/83/82/81/8

1

2345

678x5x6x7x8x2x3x4x1段内码段落码幅度码极性码码位安排每一量化段均匀分为16等分10248512725661285644323162161个数段号各段包含最小量化级

的个数正为1负为0

8个非均匀量化段每段内16个均匀量化级

在我国PCM通信中采用A律13折线压缩特性进行编码。编码的基本原理是：将A律13折线的正负16个量化段，每一量化段均匀分为16等分。共有量化级为

N=8(段)×16(等分)×2(正负级)=256所需编码长度n为极性码幅度码段落码段内码x1x2x3x4x5x6x7x8①码位安排正为1负为08个非均匀大量化段每段内的16个均匀量化级②编码特点

各段量化间隔不同，如第1、2段的归一化间隔为1/128，均匀分为16即，则量化间隔为而第8段的量化间隔为

采用A律13折线压缩特性进行幅度编码，小信号时的量化间隔达到1/2048，若采用均匀量化需要11位码位。而非均匀量化只需要7位就可以保证小信号的量化信噪比。采用7位编码可使PCM编译码设备得到简化，传输的信息速率相应减少，系统的信号带宽也相应减小。例3-1设样值脉冲IC=+1270

，采用逐次比较型编码，按A

率13折线特性编成8位码x1

x8。解：(1)确定极性码，IC>0，x1=1(2)确定段落码第一次比较，Is=128，

IC=+1270>Is，x2=1，在后四大段。第二次比较，Is=512，

IC=+1270>Is，x3=1，在7、8大段。第三次比较，Is=1024，IC=+1270>Is，x4=1，在8大段。(3)确定段内码段内均匀分16个小段，每一小段的量化级为’=1024/16=64第四次比较，Is=1024+8’=1024+8×64=1536，

IC=+1270<Is，x5=0，在前8小段。第五次比较，Is=1024+4’=1024+4×64=1280，IC=+1270<Is，x6=0，在前4小段。第六次比较，Is=1024+2’=1024+2×64=1152，IC=+1270>Is，x7=1，在3、4小段。第七次比较，Is=1024+2’+’=1024+3×64=1216，IC=+1270>Is，x6=1，在第4小段。编出的码组x1

x8是11110011其量化误差为1270－1216=54

小于第8大段的量化级’=64作业：设样值脉冲IC=+529

，采用逐次比较型编码，按A率13折线特性编成8位码x1

x8。4、自适应差分脉码调制(ADPCM)自适应差分脉码调制是一种压缩编码。

自适应差分脉码调制是一种压缩编码。采用PCM编码进行话音传输时，为了保证话音的传输质量，需要8kHz的采样速率，用8位的二进制进行A律或

律量化编码，则传送的码速率为64kb/s，其传送频带远远大于模拟信号本身的频带。为了降低码速率、提高频带利用率，人们几十年来一直在研究压缩编码的问题。自适应差分脉码调制(ADPCM)是话音编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kb/s数码率的条件下达到符合64kb/s(PCM)数码率的话音质量要求。自适应差分脉码调制(ADPCM)是在差分脉码调制(DPCM)基础上发展起来的，因此先介绍DPCMd(0)（1）差分脉码调制(DPCM)tx(t)0T2T3T4T5T6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)d(0)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)样值序列延迟T+S(k)S(k-1)d(k)样值序列的恢复DPCM的基本思想0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4T差分脉码调制是利用话音信号（图像信号）相邻样值之间相关性较强的特点，通过传送相邻样点之间的差值，来有效地压缩信码速率。S(0)=d(0)；S(1)=S(0)+d(1)=d(0)+d(1)；S(2)=S(1)+d(2)=d(0)+d(1)+d(2)；S(3)=S(2)+d(3)=d(0)+d(1)+d(2)+d(3)；········差分脉码调制的基本思想如图所示，图为一个信号的样值序列和差值序列。设信号样值序列为S(0)，S(1)，S(2)，S(3)······S(k)。第i个信号样值与第i-1个信号样值之间的差值为d(i)。设t=0时刻以前的样值为0，则根据图可以看出在接收端用前一时刻的样值与本时刻的差值相加就可以恢复出信号的样值序列。

前面介绍差分脉码调制基本思想时，是将两个相邻样值之间的差值直接传送到接收端，在实际数字通信中，传送的差值信号必须进行量化编码，会带来量化误差。在接收端由经量化的差值d'(k)形成的前一相邻样S'(k)值会产生误差，若d(k)量化误差为e(k)，即d(k)=d'(k)+e(k)，则在接收端会出现误差积累。S'(0)=d'(0)；S'(1)=S'(0)+d'(1)=d'(0)+d'(1)；S'(3)=S'(2)+d'(3)=d'(0)+d'(1)+d'(2)+d'(3)；········误差e(k)为

d(0)tx(t)0T2T3T4T5T6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)样值序列0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4Td(3)d(4)d(5)d(6)延迟T+S(k)S(k-1)d(k)延迟T+S'(k)S'(k-1)d'(k)样值序列的恢复d'(0)d'(1)d'(2)d'(3)d'(4)d'(5)d'(6)

为了防止量化误差的积累，在发送端采用重建的方法，见重建值的形成图。Sr(0)=d'(0)；Sr(1)=Sr(0)+d'(1)=d'(0)+d'(1)；Sr(2)=Sr(1)+d'(2)=d'(0)+d'(1)+d'(2)；Sr(3)=Sr(2)+d'(3)=d'(0)+d'(1)+d'(2)+d'(3)；········S(0)=d'(0)+e(0)=Sr(0)+e(0)；S(1)=d'(0)+d'(1)+e(1)=Sr(1)+e(1)；S(2)=d'(0)+d'(1)+d'(2)+e(2)=Sr(2)+e(2)；S(3)=d'(0)+d'(1)+d'(2)+d'(3)+e(3)=Sr(3)+e(3)；········可见第k点的误差为e(k)，无误差积累。

量化器延迟T编码解码++延迟T+Sr(k-1)S(k)Sr(k)d(k)Sr(k)Sr(k-1)d'(k)+++I(k)I’(k)d'(k)-DPCM码流数字信道一阶DPCM系统原理发送端接收端td'(0)d'(2)0T2T3TS(0)S(1)S(2)S(3)d'(1)d'(3)d(0)d(1)d(2)d(3)重建样值的形成图Sr(2)Sr(1)Sr(3)Sr(0)预测器预测器Sp(k)Sp(k)一阶预测：Sp(k)=a1Sr(k-1)

自适应差分脉码调制(ADPCM)是话音压缩编码中复杂度较低的一种方法，它能在32kb/s数码率（4位编码）的条件下达到符合64kb/s(PCM)数码率（8位编码）的话音质量要求。为此，CCITT（国际电报电话咨询委员会，已取消。现由国际电信联盟ITU代替）经过三年多时间(1981~1984)的讨论，提出了32kb/sADPCM作为长途传输中一种新型的国际通用语音编码。

ADPCM是在DPCM的基础上发展起来的，ADPCM的主要改进是量化器和预测器均采用自适应方法。ADPCM由两种方案：一种是预测固定，量化自适应；另一种是兼有预测自适应和量化自适应。（2）自适应差分脉码调制(ADPCM)预测自适应控制[ai(n)]DPCM系统原理图Sr(k)量化器预测器编码解码++预测器+SP(k)S(k)Sr(k)d(k)SP(k)d'(k)+++++I(k)I’(k)d'(k)-DPCM码流信道预测自适应控制[ai(n)]量化自适应控制

(n)

(n)量化自适应控制

(n)A前向后向5、增量调制(

M)（1）简单增量调制原理+-

C(n)=1C(n)=0Q[]数码形成延迟T+ê(n)Ŝ(n)C(n)解码延迟T+C'(n)ê'(n)Ŝ'(n)+Sp(n)S(n)e(n)+-

M原理e(n)ê(n)量化特性

M是继PCM之后的又一种量化编码方法。

M可以看成是脉冲编码调制的一种特例，它只编一位码，这一位码不是用来表示信号样值的大小，而是表示抽样时刻波形的变化趋势。

M编码原理如图所示，S(n)为输入信号S(t)在第n时刻的抽样值，Sp(n)为第n时刻的预测值，Sp(n)=Ŝ(n-1)，Ŝ(n)为S(n)在第n时刻的重建样值。每个时刻把信号S(n)与预测值Sp(n)进行比较，得到差值信号e(n)，若e(n)>0，即S(n)>Sp(n)，则量化器Q[]输出为+

，C(n)编为“1”码。若e(n)<0，即S(n)<Sp(n)，则量化器Q[]输出为-

，则C(n)编为“0”码。量化器Q[]的量化特性如图所示，量化器输出只有两个电平+

和-

，e(n)>0

时输出+

，e(n)<0

时输出-

。数码形成器实际就是编码器，将+

、-

编成一位二进制码。

在接收端，收到的信码按以下规则重建信号：

C'(n)=1，则ê'(n)=+

；

C'(n)=0，则ê'(n)=-

；

经延迟与相加电路后，输出重建信号Ŝ'(n)=ê'(n)+Ŝ'(n-1)。若信道传输无误码，Ŝ'(n)就是发端的重建信号Ŝ(n)。Q[]数码形成延迟T+ê(n)Ŝ(n)C(n)e(n)ê(n)

-

C(n)=1C(n)=0+Sp(n)S(n)e(n)+-ê(n)Sp(n)

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

ttSp(0)Sp(1)Sp(2)S(n)S(n-1)S(0)S(1)-

-

-

+

-

C(n)

000101111110100

M编码器原理

下面来分析一下

M系统的工作过程，先根据M原理图分析发送端编码原理：

Sp(n)=Ŝ(n-1)=Sp(n-1)+ê(n-1);

设Sp(0)=0;则

ê(0)＝Q[S(0)－Sp(0)]=－△;Sp(1)=Sp(0)+ê(0)=－△;ê(1)＝Q[S(1)－Sp(1)]=－△;Sp(2)=Sp(1)+ê(1)=Sp(1)－△;ê(2)＝Q[S(2)－Sp(2)]=－△;Sp(3)=Sp(2)+ê(2)=Sp(2)－△;ê(3)＝Q[S(3)－Sp(3)]=＋△;Sp(4)=Sp(3)+ê(3)=Sp(3)＋△;解码延迟T+C'(n)ê'(n)Ŝ'(n)tê'(n)

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

tŜ'(n)C(n)

000101111110100

M译码原理再根据M原理图分析接收端解码原理：

经过滤波器滤除高频分量，可还原原始信号。设比较器+Sp(t)S(t)e(t)+-积分器脉冲发生器抽样定时脉冲发生器积分器低通滤波

M硬件实现ê(n)ê(n)C(n)S’(t)Q[]数码形成延迟T+ê(n)Ŝ(n)C(n)解码延迟T+C'(n)ê'(n)Ŝ'(n)+Sp(n)S(n)e(n)+-

M原理△ê(t)Sp(t)ttS(t)C(n)01111110100

0

0

0

1比较器+Sp(t)S(t)e(t)+-积分器脉冲发生器抽样定时发送端

M

编码器C(n)ê(t)TS

-V-V-V+VC'(n)

000101111110100Ŝ'(t)tS'(t)脉冲发生器积分器低通滤波C'(n)ê'(t)Ŝ'(t)接收端△M译码器S'(t)tê'(t)随着对卫星通信容量的要求迅速增长以及微电子技术、计算机技术的发展，数字卫星通信技术得到了很快的发展。和模拟通信系统相比，数字通信系统具有以下主要特点：多址连接能增大传输容量。能够把传输速率不同的数字信号进行复用和多址连接，便于综合业务数字网配合工作以及和地面通信网的连接。便于进行纠错和加密

便于利用大规模集成电路及其他先进技术，从而降低成本。3.3.2数字卫星通信系统数字卫星通信系统的基本调制方式有三种，即幅度键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）数字信号的调制利用基带数字信号S(t)对载频为ωc的正弦波幅度进行控制的方式，叫做调幅，也叫做幅度键控，记为ASK。1、幅度键控（ASK）一般表达式：基带数字信号高频载波数字键控调幅器框图

由基带数字信号控制一开关电路。当“1”码时开关闭合，高频载波输出。当“0”码时开关断开，无高频载波输出。幅度键控信号波形调幅信号产生的原理图（a）图中两个二极管的导通与截止受基带信号控制。（b）图中三极管的导通与截止受基带信号控制。2、频移键控（FSK）

用基带数字信号S(t)对载波的瞬时频率进行控制的方式，叫做调频。在数字通信中，称为频移键控（或频率键控），记为FSK。已调信号的时域表达式为：频移键控信号波形基带信号相位不连续相位连续FSK信号产生电路的一种形式

晶体管及LC1回路组成一个振荡器，振荡频率主要由回路参数L、C1、C2决定。基带信号S(t)是双极性不归零矩形脉冲。S(t)为正时，V2V3截止，振荡频率由L和C1决定。S(t)为负时，V2V3导通，振荡频率由L和C1和C2决定。2、相位键控（PSK）用基带数字信号对载波相位进行控制的方式，叫做调相，在数字通信中称之为“相位键控”，记为PSK。相位键控分为绝对相位键控和相对相位键控（DPSK）两种。绝对相位键控用未调载波的相位作为基准的调制，叫做绝对相位键控。码元取“1”时，已调高频振荡的相位与未调载波的相位相同；取“0”时相位相差180°。

采用绝对方式时，在接收系统中必须有一个与发送系统相同的基准相位作为参考，以识别接收到的是“1”码还是“0”码。绝对PSK方式因参考相位的随机跳变，存在“倒π”现象或“反相工作”现象。

绝对PSK信号的波形基带数字信号载波信号绝对相位键控信号相对相位键控利用前后相邻码元的相对载波相位差值去表示数字信息的一种方式。设本码元与前一码元的载波相位差为π时，代表数字信息“0”，相邻码元载波相位差为0时，代表数字信息“1”，则数字信息序列与相对PSK信号的码元相位关系如下：

数字信息

10

11001

相对PSK信号相位

0

0π

ππ0π

π

或

ππ

0

00π00相对PSK信号的初相特点：当数字信号是1时，该码元的相对PSK信号初相与前一码元的相同；当数字信号是0时，该码元的相对PSK信号初相与前一码元的相差π

。相对PSK信号的波形

解调相对PSK信号时不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对相位关系正确，即可根据此相位关系恢复出数字信号。3.4卫星通信的多址方式

3.4.1多路复用方式

将多个用户的信息用某种方式连接在一起，用同一信道传输，这就是多路复用。复用方式频分复用时分复用码分复用(FDM)(TDM)(CDM)频分多路复用：各路信号同时在同一信道传输时占用不同频带。即把各路信号通过调制搬移到不同的频段，然后在同一信道上同时传输。时分多路复用：各路信号同时在同一信道传输时占用不同的时间间隔。具体说