第3章 调频卫星通信

第3章调频卫星通信•调频卫星通信是卫星通信的先驱，由于它具有其他通信系统无法替代的优越性；因此迄今还被人们采纳使用。•调频卫星传输的信号是模拟信号。模拟信号要在卫星通道中传输，首先要进行调制(一般是对70MHZ中颇)，然后通过变频，变成射频才能发射出去。关于模拟调制技术的一般原理，在通信原理一书中已有详述，这里只对调频制卫星通信中将涉及的几个基本问题，再做简单论述。•调频方式•FDM/FM系统话路中的噪声•FDM/FM方式的热噪声信噪比•FDM/FM方式的失真噪声•SCPC/FM方式•FDMA方式的交调与能量扩散调频方式•单边带电话信号•FDM技术•多路电话信号的主要特性•多路电话调频波的特性单边带电话信号•原始语音信号:0.8~8kHz•话音频带:0.3~3.4kHz•在调频话音传输时,通常采用SSB调制,且利用话音消息频谱较低的部分.当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。FDM技术FDM技术•用途：主要用于模拟信道的复用。•原理：不同的传输媒体具有不同的带宽（信号不失真传输的频率范围）.频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。为了防止多路信号之间的相互干扰，使用隔离频带来隔离每个子信道。•工作过程：先对多路信号的频谱范围进行限制（分割频带），然后通过变频处理，将多路信号分配到不同的频段。频分多路复用频分多路复用带宽分配例fAFDM多路复用过程例FDM多适用于模拟信号传输FDM解多路复用过程例FDM中的移频与叠加（频谱）FDM多路复用与解复用全过程例FDM分层多路复用群超群主群巨群下图示出了一个频分复用系统的组成框图。假设共有n路复用的信号，每路信号首先通过低通滤波器（LPF）变成频率受限的低通信号。简便起见，假设各路信号的最高频Hf都相等。然后，每路信号通过载频不同的调制器进行频谱搬移。一般来说调制的方式原则上可任意选择，但最常用的是单边带调制，因为它最节省频带。因此，图中的调制器由相乘器和边带滤波器（SBF）构成。图频分复用系统组成框图[例1]采用频分复用的方式在一条信道中传输3路信号，已知3路信号的频谱如图7-2所示，假设每路信号的最高频率Hf=3400Hz，均采用上边带（USB）调制，邻路间隔防护频带为gf=600Hz。试计算信道中复用信号的频带宽度，并画出频谱结构。图三路信号的频谱图频分复用信号的频谱结构•频分复用信号原则上可以直接在信道中传输，但在某些应用中，还需要对合并后的复用信号再进行一次调制。第一次对多路信号调制所用的载波称为副载波，第二次调制所用的载波称为主载波。原则上，两次调制可以是任意方式的调制方式。如果第一次调制采用单边带调制，第二次调制采用调频方式，一般记为SSB/FM。•频分复用系统的主要优点是信道复用路数多、分路方便。因此它曾经在多路模拟电话通信系统中获得广泛应用，国际电信联盟（ITU）对此制定了一系列建议。例如，ITU将一个12路频分复用系统统称为一个“基群”，它占用48kHz带宽；将5个基群组成一个60路的“超群”。用类似的方法可将几个超群合并成一个“主群”；几个主群又可合并成一个“巨群”。•频分复用主要缺点是设备庞大复杂，成本较高，还会因为滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而出现路间干扰，故近年来已经逐步被更为先进的时分复用技术所取代。不过在电视广播中图像信号和声音信号的复用、立体声广播中左右声道信号的复用，仍然采用频分复用技术。多路电话信号的主要特性•多路电话信号电压•工作的话路数目•多路电话信号的平均电平•多路电话信号的峰值电压•多路电话信号的峰值因数•测试音频率多路电话信号电压•多路电话信号按频分制传输时，是先把各路电话信号分别变频进行频带的搬移，按频率•高低的顺序排列起来，再对高频载波进行调制。因此，在调制以前，多路电话信号电压的瞬时•值是各路单边带信号电压瞬时值之和，即：•式中，是多路电话信号电压的瞬时值；是第K路信号电压的瞬时值。由于每路信号电压皆可分解成为许多随机振幅和相位的正弦分量，因此多路信号将包含更多的不同频率、不同振幅的正弦分量。这时多路信号电压的瞬时值可以写成：式中，是第i个正弦分量的角频率；是角频率为的分量的振幅；是角频率为的分量的初始相位。这样，多路信号电压的波形则巳成为一种没有规则的变化电压。这是无法用一确定的数学表达式进行表示的，必须用统计的方法来研究它的特性。多路电话信号波形示意图如下：多路电话信号波形图•经实验研究表明，多路信号的路数n大到一定数值（n16)，即上述q值很大时，它的特性与均匀分布的噪声特性是相似的。并且多路信号瞬时值的概率密度很接近于正交分布，即式中，是多路信号电压的有效值。因此，可以用等效的均匀频谱的噪声来代表。即可以把它看成是由无穷多个振幅相同、随机相位的正弦分星组成的。用下式表示为：这与实际是相符的。因此为了试验卫星通信线路传输多路电话信号的性能，就是用白噪声通过一带宽等于基带宽度的带通滤波器后成为限带白噪声来模拟多路信号的。工作的话路数目•在多路电话系统中，同时工作的话路数目与每一个话路单向通话的时间有关，而一个话路通话的时间是在最大负荷小时内测量的。•根据统计，在最大负荷小时内，每一话路平均占用时间约为70％。其中用户讲话和收听的时间各占25％，讲话的间隙及找人等要用去20％，因此，在最大负荷小时内，一个单向话路中的工作时间只占全部时间的25％左右，即相当于任一话路在某一瞬间工作的概率为。•可见，在传输多路电话信号时，并不是在任一瞬间全部话路都在工作的。对于一个n路系统，在某一瞬间工作的话路数目，可以是自0至n的任何整数。要想求出同时工作的话路数目，就要求出m路同时工作的概率。假定在n路系统中，各个话路的工作是互不相关的，其中任一话路在某一瞬间工作的概率是，则根据概率论中的二项式分布律，便可写出有m路同时工作，且仅有m路工作的概率为：当n＝12，而，则计算出的如下表所示。由表可看出，在一个12路系统中，12路同时工作的概率是很小的，即使在最大负荷小时内，也仅占。这相当于12路同时工作的时间只有0．216ms。而8路同时工作的概率也不超过0.25%。所以，在实际工作中一个n路系统，并不需要考虑全部话路同时工作的情况，通常只考虑同时工作时间超过1%的路数。一般把它与系统总路数n的比值称为话路利用系数，以表示。话路利用系数与总路数n的关系曲线如下图所示。由图可看出，当n很大时，，通常取。这就是说，当n很大时，同时通话的路数为n/4。话路利用系数与总路数n的关系曲线多路电话信号的平均电平•一般规定，在—个工作话路中传输的话音平均电平，是以复用设备输入端所测得的平均电平为标准的。这个话音的平均电平变化是很大的，它随用户线路的长度、电话机的灵敏度以及讲话人的不同而各不相同。根据在大量话路及一个话路的许多时间进行测量的结果，一个话路在工作时间的平均电平为-1dBmW。这相当于平均功率为100微瓦。•当通话最繁忙时，一个话路的工作时间只占全部时间的1／4，此时，一个话路的平均电平为：•当考虑到话音电流以外的其他业务联络信号等，每一话路需要提高1dB。这样，每一话路在忙时的平均电平被规定为：这相当于平均功率为：对于n路电话信号，在忙时的平均功率等于：其平均电平为：上式适用于路数很多的情况。当线路容量较小时，忙时的平均电平值可改用下式计算：多路电话信号的峰值电压•多路电话信号在通信线路中传输时，通常应保证它的峰值电压在传输过程中不要使群路设备过载，以免造成相当大的失真和噪声。但是，多路电话的瞬时振幅总是时大时小的。因而无法确定其绝对峰值，只能采用在百分比时间内的峰值电压，即把在百分比时间内为信号的瞬时值所超过的电压值，叫峰值电压。•通常，此百分比时间为0.1％或者更小些。如果能保证在传输此峰值电压时线路设备不过载，则不能保证的时间就小于0.1％，由此而产生的失真和噪声就很小了。多路电话信号的峰值因数•设多路信号的峰值电压为，多路信号电压的有效值为，则峰值因素定义为：若以负载上的功率表示，则为式中，为多路信号的峰值功率，为多路信号的平均功率。上式表明，多路信号的峰值因素的平方等于峰值功率与平均功率之比。若以电平表示，则为：•式中，为多路信号的峰值电平；为多路信号的平均电平；为多路信号以分贝表示的峰值因素。由此可见，多路电话信号的峰值电平与多路电话信号的平均电平和峰值因素有关。•多路信号的瞬时值是随时间变化的随机电压，因而无法用确定的函数表示，也无法确定其绝对峰值，只能采用百分比时间内的峰值，即在百分比的时间内被多路信号瞬时值所超过的电压值，如下图所示。★这是根据统一方法绘出的多路信号振幅分布的规律。不难看出，在时间内，多路电话信号电压将小于此峰值电压。设该多路电话信号的时间平均值为0，电压有效值为，可计算出多路信号的瞬时值超过某一给定电压数值u的概率为：★若给定不同的u值，即可按上式计算出概率与u的关系如下图所示。其中某些典型数据已列于下表中。由表可知，的概率已经很小了，只有0．0064％，而通常人们规定时间百分比为0.1％。可见时已经超过规定的指标．即这一数字表明峰值电压超过的可能性是很小的，在一个小时内只有0．23s的时间。若取峰值电压Up为有效值电压的4倍，即峰值因数Fp＝4。如用电平表示则为在一般情况下，多路信号的峰值因素与工作活路数目n的关系如下图所示。它是根据实验求出的对应的时间百分比为0.1％。不难理解，在n很小的情况下，峰值因素是很大的。因此，峰值因数便随着n的增大而降低，并且当n的数值很大时，将接近于12dB。多路电话调频波特性•多路电话调频信号的频偏•多路电话调频信号的射频传输带宽调频波的频偏是调频制通信线路设计的一个基本参量。在调频多路电话通信中，采用的频偏指标主要有三种：①每一话路产生的有效频偏；⑧多路信号产生的有效频偏；⑨多路信号产生的最大频偏。★在求多路电话信号的有效频偏时，还必须给出测试音频偏。不同话路数的频偏值比较多路信号产生的峰值频偏多路电话调频信号的射频传输带宽FDM电话信号进行调制后的调频波，其传输所需的带宽，根据卡松带宽计算公式，可表示为：