第 1 章 通信与通信系统的基本概念

1. 第1章 通信与通信系统的基本概念 • 1.1 通信的概念 • 1.2 通信系统 • 1.3 通信方式 • 1.4 信道和传输介质 • 1.5 信号与噪声 • 1.6 信号频谱与信道通频带 通信技术基础 • 王钧铭

2. 上节内容回顾： • 双绞线的相关特性 • 利用模拟电话进行的数据传输系统 • 利用数字用户线进行数据传输 • （1）数字用户线的发展 • （2）双工技术 • （3）ADSL • （4）HDSL

3. 5.2数字无线电通信系统 • 利用无线空间作为信道进行信息传输的通信系统称为无线电通信系统。“无线电”的含义是电信号从信源到信宿的传输无须通过导线，发射机向周围的空间发送信号并被接收机接收。由于大气空间是非导体，事实上是一个很好的绝缘体，因此信号在无线空间的传播是以电磁波作为载体的。 • 可用于无线传播的电磁波的频率大约是1.5×104Hz到3×1011Hz，不同频率的电磁波在空间的传播方式也不相同。

4. 电磁波（Electromagnetic Wave） • 电与电磁波是相互关联的物理现象。一个电磁场包含了电场与磁场。所有的电路中都会有场，因为当电流流过一个导体时导体的周围会产生磁场，而任意有电压差的两点之间会产生电场。这两个场都有能量，但在电路中这两个场能都会回到电路中去。 • 在高频电磁振荡的情况下部分能量以辐射方式从空间传播出去所形 成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。 • 对无线电发射机来说，如何用天线将电磁能更有效地发向空中是主要关心的问题之一。

6. 电磁场中的电场和磁场互相垂直，电磁波在于二者均垂直的方向传播。因此电磁波是横波。电磁场中的电场和磁场互相垂直，电磁波在于二者均垂直的方向传播。因此电磁波是横波。 • 波的极化方向取决于电场分量的方向。 • 天线的指向决定了极化方向，垂直天线将产生垂直极化波。

7. 波前（Wave-front） • 波前可以定义为电磁波从源点向四面八方辐射时，所有同相位点组成的平面。 • 点源全向辐射，功率密度为： • 除了电磁波的功率密度外，反映某一点上电磁波强度大小的另一个参数是电场强度ε，其计算公式如下：

8. 波前2 波前1 全向点源 天线的波前

9. 反射（Reflection） • 正如光波会被镜面反射一样，无线电波也会被任何导电的介质如金属表面或地球表面反射，且入射的角度与反射的角度相同。反射后入射波的相位与反射波的相位发生了180°的变化。

10. 折射（Refraction） • 折射是电磁波传播与光的传播类似的另一种现象。当电磁波在两种不同介质密度的介质中传播时就会发生折射。 入射 反射 折射

11. 发射天线 接收天线 波的衍射 衍射（Diffraction） • 衍射是波在直线传播时绕过障碍物的一种现象。电磁波的频率越低，衍射越强，阴影区也越小。 阴影区

12. 电磁波的传播模式 • 电磁波从发射机天线到接收机天线的传播主要有地面波、空间波和天波三种模式，在同一个无线电发送与接收系统中，这三个传播模式可能是兼而有之，只是由于所选择的天线不同、工作频率不同等原因，三者中以其中一种作为主要的传播模式。下面将要讨论，无线电波的传播特性主要取决于无线电波的频率。

13. 地面波传播 • 地面波是指沿地球表面传播的无线电波，也称为地表面波。

14. 空间波传播 • 空间波有两种形式，一种是直射波，另一种是地面反射波。直射波只能进行视距传播。因此天线高度与地球曲率是限制直射波传播距离的主要因素。在地面上直射波的传播距离可以按如下公式估算：

15. 天波传播 • 天波传播是远距离通信的常用方式。距地面60km以上的空间有一个由电子、离子等组成的电离层。 • 电离层反射信道是一种随参信道，其特性将随时间变化，主要表现在以下几个方面： • ①电离层对信号的衰减随时间变化 • ②电离层对信号的延时随时间变化 • ③电波传播路径随时间变化

17. ５.２.２无线电发送接收设备 • 目前正在运营的数字无线电通信系统主要有以下几种： • ①公用移动电话系统（GSM，CDMA）； • ②CT2公用无绳电话系统； • ③无线接入系统； • ④数字微波通信系统； • ⑤卫星通信系统； • ⑥无线电寻呼系统；

18. CT2的主要技术特点 • CT2系统的工作频段是864.1MHz～868.1MHz共4MHz带宽，分为40个子信道，每个子信道的带宽为100kHz； • 采用同频时分双工技术； • 动态信道扫描，手机和基站都可在任意信道上扫描，以选择一个噪声最低的信道作为工作信道； • 语音信号采用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM），编码率为32kbit/s，数据传输速率为72kbit/s； • 数字调制采用二进制频移键控调制（FSK）； • 手机发射功率限制在10mW以内，基站小区的半径约为50～100m。 • 采用数字信号加密。

19. 收信部分 无线寻呼 部分 语音 天线 天线 频率合 TDD ADP 音频 微处理器 编解 滤波 开关 成控制 CM 控制 处理 码 供电 显示 键盘 系统 控制 发信部分 CT2移动台（手机）组成原理

20. (a) 低通 带通 带通 功率 调频 混频 滤波 滤波 滤波 滤波 放大 (b) (c) (d) 基带信 号输入 频率合 低通滤波特性 成控制 a （ ）频谱 a （ ）波形 b b （ （ ）频谱 ）频谱 b （ ）波形 c （ ）波形 c （ ）频谱 d （ ）波形 d （ ）频谱 发信部分组成框图及各点波形与频谱

21. 收信部分组成框图及各点波形与频谱 a （ ）信号频谱，黑色部分 天线滤波 a （ ）信号波形，其中 为要接收的信号，其余是邻 器特性 叠加了邻近波道干扰 近波道干扰 t f f s

22. 收信部分组成框图及各点波形与频谱 b （ ）信号波形，波形 b （ ）信号频谱，频率 形状未变，幅度增大 未变，信号与干扰都 被放大 t f f f s L1

23. 收信部分组成框图及各点波形与频谱

24. 收信部分组成框图及各点波形与频谱

25. 收信部分组成框图及各点波形与频谱

26. 收信部分组成框图及各点波形与频谱

27. 收信部分组成框图及各点波形与频谱

28. 5.2.3天线 • 天线是实现电信号与电磁波相互转换的换能器。 • 按用途可将天线分为通信天线、 广播电视天线、雷达天线等; 按工作波长, 可将天线分为长波天线、 中波天线、 短波天线、 超短波天线和微波天线等； • 按辐射元的类型可将天线分为两大类: 线天线和面天线。所谓线天线是由半径远小于波长的金属导线构成, 主要用于长波、中波和短波波段; 面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的, 主要用于微波波段, 超短波波段则两者兼用。

29. 天线的主要技术指标 • 天线增益 ： 对发射天线来说，天线增益越高意味着发射机可以将电磁能更多地发向接收点；对接收天线来说，天线增益越高意味着可以更多地吸收电磁能。 • 方向性 ：天线按照其方向性可分为全向天线和定向天线两类，要根据通信的具体要求来选择。 • 频带宽度： 天线的工作频率与天线尺寸有关，因此一个特定的天线就有一定的工作频率范围或频带宽度。 • 天线效率 ： 影响天线效率的因素有多个，如天线本身的损耗和天线与馈线的匹配等，应用中要尽可能地选效率高的天线。 • 机械特性： 有些天线安装在室外，通信过程中会受到各种外力的作用，因此不仅天线本身要有足够的机械强度，而且用于支撑天线的支架也必须有足够的强度，必要时还要考虑防雷接地措施。

31. 5.3卫星通信系统 • 5.3.1基本概念 • 卫星通信（satellite communication）是指利用通信卫星作为中继站的中继通信方式。 • 静止卫星或同步卫星的位置相对于地面站来说是静止的。地球同步轨道位于赤道上空（0纬度）距地球表面35860km。在这个轨道上的物体绕地球一周的时间为24小时，每颗同步卫星的最大可通信覆盖区域为直径16970km（地球表面），三颗同步卫星按120间隔配置可以使整个地球除两极外的所有地区都处于同步卫星的覆盖区。 • 移动卫星或非同步卫星的位置相对于地面站来说是在运动的。

32. 35860km 通信卫星运行 GEO LEO HEO

33. 1．卫星通信（satellite communication）是指利用通信卫星作为中继站的中继通信方式 2．静止卫星或同步卫星的位置相对于地面站来说是静止的 3．移动卫星或非同步卫星的位置相对于地面站来说是在运动的 卫星覆盖区域

36. 5.3.2卫星通信系统的组成 • 卫星通信系统包括空间和地面两大部分。 • 空间部分主要是转发器和天线，并且一颗通信卫星可以有多个转发器，但通常这些转发器会共用一部或少量几部天线； • 地面部分也就是地球站的主体部分，主要是大功率的无线电发射机、高灵敏度接收机和高增益天线等，一颗卫星可以与多个地球站进行通信。

38. 卫星转发器 • 转发器（Transponder）是通信卫星中直接起中继作用的部分，是通信卫星的主体。它接收和放大来自各地面站的信号，经频率变换后再发回地面，所以它实际上是一部高灵敏度、宽频带、大功率的接收与发射机。转发器的工作方式是异频全双工，接收与发射的信号频率不同，通常收发共用天线，由双工器进行收发信号的分离。 • 对卫星转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各地面站有效而可靠地转发无线电信号

39. 卫星地面发射站 • 卫星地面发射站的主要设备如图所示。来自地面数字通信网的数据基带信号，经过基带处理后都加到调制器。对基带信号的处理主要有加密、差错控制编码、扩频编码等 。 中频放 上变频 自动功率 发射波 调制器 大器 器 控制 合成 基带（基 群）信号 馈线 馈线 低电平 大功率 双工器 激励器 放大 放大器 至接收机 地面站大功率发射系统组成框图

40. 调制方式 • 早期的数字卫星通信系统主要采用2PSK调制方式，它的特点是在较低的信噪比条件下仍能保持较低的误码率，但主要的缺点是频率利用率不高。 • 随着人们对通信容量需求的增加及卫星转发器输出功率的提高，提高频率利用率成为选择调制方式的主要目标，开始使用了多进制相移键控技术（MPSK）以及各种改进的调制方式如参差四进制相移键控SQPSK、最小频移键控MSK等。目前这几种调制方式都有应用的实例。

41. 地球站的天线 • 地球站选用方向性好、增益高的天线既可以在发射信号时将尽可能多的能量集中到卫星上，又可以在接收时从卫星方向获得更多的信号能量，同时由于天线的方向性好，可以有效地抑制来自其它方向的干扰。因此天线是影响卫星地球站性能的重要设备。

43. 卫星地面接收机 • 卫星地面接收机的作用是接收来自卫星转发器的信号。地面站接收系统的灵敏度必须很高，才能从干扰和噪声中把微弱信号提取出来，并加以放大和解调。 馈线 低噪声 传 输 晶体管 馈电设备 放大器 放大器 放大器 接收波 下 中 频 基带转 解调器 分 离 变频器 放大器 换设备 地面站接收系统组成方框图

44. 5.3.3卫星通信的工作频段 • C波段（4/6GHz）和Ku（12/14GHz）波段 • 下行频率（从卫星到地面），频率范围为C波段3.7～4.2GHz，Ku波段11.7～12.2GHz， • 上行频率（从地面到卫星），频率范围为C波段5.925～6.425GHz，Ku波段14.0～14.5GHz， • 卫星转发器的总带宽为500MHz。

45. 5.3.4多址联接技术 • 多址连接是卫星通信的显著特点。所谓多址连接方式，简单地说，就是许多个地面站通过共同的通信卫星实现覆盖区域内相互联接，同时建立各自的信道，而无需地面的中间转接。 • 多址连接方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）和码分多址（CDMA）方式。

46. 频分多址方式 f ’ B f B D 地面站 f f ’ A A C 地面站 长途电 多路复 地面发 话局 用设备 射机 解复用 长途电 地面接 A 地面站 设备 话局 收机 转发器带宽（上行线） 转发器带宽（下行线） B 地面站 f f f f f A B C D E f ’ f ’ f ’ f ’ f ’ A B C D E

47. 时分多址方式

48. 时 PSK PCM 线 编 发射机 分 调制器 路 码器 多 终 址 控 端 制 PSK PCM 译 装 接收机 装 解调器 码器 置 置 PCM TDM PSK TDMA — — — 方式

49. 空分多址方式 卫星上有多个波束指向不同的区域。各区域之间相互不干扰，可以使用相同的频率、时间进行工作，但区域内部仍要采用频分或时分进行多址通信。

50. 码分多址（CDMA）方式 • 利用自相关性非常强而互相关性比较低的周期性码序列作为地址信息（称为地址码），对被用户信息调制过的已调波进行再次调制使其频谱大为展宽（称为扩频调制）；经卫星信道传输后，在接收端以本地产生的已知的地址码为参考，根据相关性的差异对收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码完全一致的宽带信号还原为窄带而选出，其它与本地地址码无关的信号则仍保持或扩展为宽带信号而滤去（称为相关检测或扩频解调），这就是码分多址的基本原理。