第二章卫星通信基本技术

第2章卫星通信基本技术2.1信号设计技术2.2信号处理技术2.3多址技术2.1信号设计技术1.分类：（1）编码技术：¾信源编码：去掉信号中的冗余部分，以达到压缩码元速率与带宽，实现信号的有效传输¾信道编码：按一定的规律重新排列码元（交织）或者加入辅助码（纠错码），防止码元在无线信道传输过程中由于突发性错误和随机性错误引起的误差，并进行检错和纠错，保证信号传输的可靠性（2）调制技术：将数字信息转换成适合在无线信道中传输的电磁波信号基本概念2.信源编码技术（PCM技术）（1）历史：法国工程师AlceReeres在1937年提出，1946年在Bell实验室第一台PCM数字电话终端机问世（2）步骤：¾抽样：满足抽样定理¾量化：瞬时抽样值用最接近的电平值表示（误差）¾编码：二进制码组表示电平的量化值（3）量化方式：均匀量化：小信号量化误差大A律压缩量化：欧洲，中国U律压缩量化：北美，日本PCM信源编码技术均匀量化思考：小信号量化误差大，为什么？？？举例：采用“四舍五入”的量化方法，最大绝对误差为0.5，相对于大信号“6”相对误差为“1/12”，相对于小信号“1”相对误差为“1/2”PCM信源编码技术A律量化其中：A为压缩常数十三折线法十三折线的由来？PCM信源编码技术A律与十三折线法的对比PCM信源编码技术U律量化PCM信源编码技术（4）基于PCM技术的TDMA多路复用思考：每一路64kbit/s是怎么来的？为什么TDMA帧长都是125us的整数倍？适用于话音信号的传输¾人的话音频率？（4kHz）¾采样定理？量化比特？PCM信源编码技术课后作业：使用Matlab平台编写均匀量化PCM、A律量化PCM和U律量化PCM的程序。均匀量化PCM信源编码技术（5）DPCM技术（广播电视信号）概念：根据过去的信号值来预测下一个信号样值，并把预测值与现实值的差值加以量化，编码后进行传输¾S(n)为输入语音信号¾Sr(n)为重建语音信号¾Sp(n)为预测语音信号¾d(n)为预测误差信号DPCM实际就是对这个差值信号进行量化编码PCM信源编码技术3.信道编码技术（1）香农定理：对于一个给定的有扰信道，它的极限的信息传输能力C（香农信道容量定理），只要信息速率不超过这个极限信道容量（RC），则一定存在一种编译码方法，使得译码错误概率Pe随着码长N的增加，按指数下降到任意小值（误码率为0）。其中：E(R)是大于0的误差指数，是编码器速率R和C的函数信道编码技术概念的区分：¾线性码：信息码与监督码之间的关系为线性关系¾非线性码：信息码与监督码之间的关系为非线性关系¾分组码：监督码只与本组信息码有关系¾卷积码：监督码与本组以及前面的码组中的信息码有关系信道编码技术错误产生的原因：¾随机错误：误码的位置随机（误码间无关联），随机误码主要由白噪声引起¾突发错误：误码成串出现，主要由强脉冲及雷电等突发的强干扰引起（2）线性分组码：将二进制数字序列分为若干段，每一段由k个信息码元组成，然后在k个信息码元后面加上r=N-k个监督码元，组成的(N,k)的分组码。¾信息码：k比特¾监督码：r=N-k比特，仅与本组信息码呈线性关系¾码字：（N,k）表示¾码率：k/N¾汉明距离：两个码字之间，对应为取值不同的个数称为码字之间的汉明距离，用d(C1,C2)表示信道编码技术定理：对于任一个（N，k）线性分组码，若要在码字内,检测e个错误，则要求码的最小距离d=e+1纠正t个错误，只要求码的最小距离d=2t+1纠正t个错误同时检测e（=t）个错误，则要求d=t+e+1信道编码技术举例：一个（7,4）线性分组码，信息码元为a6,a5,a4,a3，监督码元为c2,c1,c0监督码元与信息码元之间的线性关系为：移项变为：信道编码技术改写为矩阵形式：其中：一致监督矩阵：编码器的组成：信道编码技术纠（检）错码关系式与校正子及错码位置：校正子：（7,4）线性分组码能够纠正一位差错的码信道编码技术（3）循环码：循环冗余校验码（CRC），线性分组码的一个分支¾二进制比特串的代数表示：1010111：x6+x4+x2+X+1X5+X3+X2+X+1:101111¾信息字段K位，校验字段位R位，码字长度为N=K+R位V(x)=xRm(x)+r(x)其中：m(x)为K次信息多项式，r(x)为R次校验多项式如何生成校验多项式？信道编码技术¾生成多项式g(x):长除法取余数得到r(x)例：信息字段：1011001，m(x)=x6+x4+x3+1生成多项式g(x)=x4+x3+1,11001(最高次方为4)x4m(x)=x10+x8+x7+x4:1011010000校验字段r(x)：x4m(x)对g(x)=取余数，得到1010则传输字段：10110011010校验：接收端使用相同的生成多项式校验接收字段/生成码，除尽（正确）否则（错误）信道编码技术课后作业：1.发送信息比特串为：1101011011，生成多项式为：10011则发送信息比特串为？2.接收端接收比特串为：11010110101110，生成多项式为：10011，判断接收信息是否出错？答案：11010110111110答案：接收出错信道编码技术（4）卷积码：监督码元不仅仅与本字段内的信息码相关，还与前N-1个规定的字段内的信息码相关。¾非分组码:表示成(n,k,N)¾纠错能力随着N的增加而增加，¾复杂度相同的情况下优于分组码¾生成器:信道编码技术（5）交织：把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的信道编码技术消除随机差错。¾分类：线性交织、卷积交织和伪随机交织¾线性交织：设置缓存，行存列读的方法¾特点：交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。¾代价：交织深度越大，交织编码处理时间越长信道编码技术举例说明：信道编码技术4.差错控制方式（1）卫星信道干扰¾白噪声：加性干扰，使信号产生随机性错误¾衰落：乘性干扰，使信号产生突发错误（2）差错控制：包括信道编码在内的一切纠正错误的手段¾自动重发请求（ARQ）：重发协议¾前向纠错（FEC）：纠错码¾混合纠错（HEC）：结合前两种方法信道编码技术（3）不同差错控制手段性能：¾前向纠错：接收端对数据检错和纠正错误，纠错码冗余位较多，系统传输效率较低，这种方法也只能解决部分出错的数据¾自动重发请求：发送端进行差错编码，接收端根据校验序列判断是否错误，如无错接收，如有错拒绝接收，并通知发送方重新发送，直到正确¾混合方法：结合了上述两种方法的特点信道编码技术（4）ARQ协议：通过收发双发协议确保接收信息的正确协议流程图信道编码技术ARQ协议的四种情况：信道编码技术ARQ协议的优缺点：¾很低的未检出差错概率¾在任何信道都有效¾编译码器简单（CRC校验）9需要反向信道9一帧出错，可能导致多帧重发9发送的帧需要采用多为二进制加以区分，增加系统开销9未被确认的帧都需要保存在缓冲器9译码时延不恒定信道编码技术前向纠错码的优缺点：¾无需反向信道¾获得恒定的信息流速率（译码时延恒定）¾获得恒定的信息量9编译码器复杂9使用纠错能力强的纠错码，信息流量大大降低9信道传输条件的变化，会对接收数据的正确性产生影响信道编码技术5.调制技术将数字符号转换成适合无线信道传输的电磁波信号数字调制技术¾通常一个正弦电磁波信号可以表示为：¾所谓调制就是用基带信号，改变正弦波的三个参量（1）数字调制技术分类：ASK，PSK，FSK（2）卫星通信系统要求：¾频带利用率高（bit/s/Hz），抗衰落干扰性能强¾调制信号旁瓣小，减小对相邻频带的干扰（3）卫星通信主要采用的调制技术：调相信号（PSK）和调幅调相信号（QAM）（4）BPSK调制信号二进制相移键控（BPSK）根据数字基带信号的信息码，使载波相位在0和pi之间切换的相位调制方法¾信号表达式：an=+1,an=-1,¾信号星座图：数字调制技术¾信号流程：数字调制技术¾BPSK信号接收不考虑噪声的输入信号：本地同相和正交鉴相器输出：同相输出：LPF只取低频分量正交输出：数字调制技术注意：锁相环每次工作锁定在0或者pi稳定平衡点，是随机的，这就是0和pi的相位模糊。数字调制技术¾差分BPSK信号不是利用载波相位的绝对值，而是利用前后码元之间相位的相对变化传输数字信息，称为差分相移键控（DBPSK），不需要产生相干参考信号，接收机容易实现信号流程：数字调制技术DBPSK信号接收：数字调制技术（5）QPSK信号四进制相移键控（QPSK），将发射比特串每两个分为一组，双比特的四种状态用载波的四个不同相位表示¾信号表达式：¾信号星座图：数字调制技术¾QPSK信号发射机框图：根据发射机框图QPSK信号的表达式：anan-1=+1+1,对应的相位pi/4anan-1=+1-1,对应的相位-pi/4anan-1=-1+1,对应的相位3pi/4anan-1=-1-1,对应的相位-3pi/4为了保证IQ两个通道的平衡性，一般采用第二个方式的星座图正交调制器数字调制技术信号流程：数字调制技术¾QPSK信号接收：数字调制技术（6）OQPSK信号¾问题的提出：QPSK信号频带利用率高，但当码组+1+1变化为-1-1或+1-1变化为-1+1时，将产生180度的载波相位跳变，引起包络起伏，经过放大器导致频谱扩展，增加了对相邻频段的干扰。¾恒包络：已调电磁波的包络恒定•包络恒定或起伏小，通过非线性器件，频谱扩展小•频谱具有快速滚降特性，已调波旁瓣很小数字调制技术¾频谱特性与相位关系：一个已调波的频谱特性与其相位路径有着密切的关系所以恒包络调制技术的发展正是始终围绕着如何改善已调波的相位路径这一中心进行的。¾OQPSK信号：OQPSK信号称为偏移四相相移键控，采用错开同相和正交两路的码流时间，使得合成信号在码元周期内只会有一路信号发生极性的翻转，这样不会产生180度的相位跳变，只会产生0度，+90度和-90度的相位跳变数字调制技术OQPSK信号相位跳变：数字调制技术¾OQPSK信号发生器Q支路的延迟¾I支路Q支路的设计数字调制技术¾OQPSK信号的接收判决延迟数字调制技术（7）pi/4-QPSK信号¾星座图：每次相位在两个不同的QPSK信号星座点子集之间跳变，这样保证载波相位的最大跳变为+135度和-135度，相位跳变幅度在QPSK信号和OQPSK信号之间数字调制技术¾发射机框图：¾Pi/4-QPSK信号比QPSK信号具有更好的恒包络性质，但是包络变化比OQPSK信号敏感¾Pi/4-QPSK信号可以与差分编码结合成为Pi/4-DQPSK信号，接收采用非相干检测大大简化接收机的设计，避免载波恢复中的相位模糊数字调制技术（8）MSK信号¾问题的提出：OQPSK信号虽然消除了QPSK信号中的180度相位跳变，改善了包络起伏，但没有从根本上解决包络起伏的问题，已调信号的相位仍然是非连续变化的¾MSK信号：最小频移键控，一种产生恒定包络，连续相位信号的高效调制方法¾MSK信号是一种特殊的2FSK信号，在相邻符号交界处相位连续数字调制技术¾信号表达式：当ak=+1时，MSK信号的载频为当ak=-1时，MSK信号的载频为两者之差：码元传输速率的一半调制指数：数字调制技术¾相位连续性：根据相位连续条件，要求在t=kTb时满足：代入得到：代入可见MSK信号在第k个码元的起始相位不仅仅与当前的ak有关，还与前面的ak-1和θk-1有关。数字调制技术设第一个码元的起始相位为数字调制技术练习题：已知信息序列01100001，信息速率为1kbps，载频为1kHz，试画出MSK信号的波形图和相位轨迹图？数字调制技术¾正交调制器产生MSK信号其中：分析Ik,Qk和ak之间的关系：结论：Ik和Qk相同时，ak为-1Ik和Qk相异时，ak为+1数字调制技术重要的结论公式：根据推导的公式对应的正交调制器框图数字调制技术MSK信号解调器框图：数字调制技术¾GMSK信号•问题的提出：MSK信号的相位虽然是连续变化的，但在信息代码发生变化时刻，相位变化出现尖角，意味着导数不连续，这样就降低了MSK信号功率谱旁瓣的衰减速度•GMSK信