第四章 信息传输技术与系统

1. 第四章 信息传输技术与系统

2. 第4章 信息传输技术与系统 • 4.2 数字微波中继通信 • 4.3 卫星通信 • 4.4 移动通信

3. 第四章 信息传输技术与系统 4.2 数字微波中继通信

4. 4.2.1 概 述 • 微波中继通信是无线电通信手段中的一种。它适用于城市与城市之间、地区与地区之间、部门与部门之间信息的传输。 • 通常根据传输信号的波形，微波中继通信系统可分为两大类。 • 一类是模拟微波中继通信系统，最典型的系统为FDM/FM制模拟微波中继通信系统，该类系统主要传输电话信号与电视信号。它较广泛地应用于除电信部门以外的电力、铁路、石油等系统，主要用来建立专线，供传输遥控、遥测及遥讯信号。 • 另一类是数字微波传输系统，其基带信号的幅度是离散的，并且只能取有限个数值。与模拟微波传输相比，数字微传输具有如下的特点： • 数字信号可以“再生”，因此中继段上的噪声、干扰等引起的信号失真在再生时可以消除，线路噪声不会随中继站数的增加而积累。 • 由于数字微波传输的是数字信号，便于数字程控交换机连接，不需数/模、模/数转换设备，可组成传输与交换一体化的综合数字通信网。 • 数字微波的终端设备便于采用大规模集成电路，因而体积小、重量轻、功耗低、设计调整方便，价格也比模拟微波终端设备便宜。 • 保密性强，易于进行加密处理。 • 传输话音信号时，数字微波系统占用频带较宽。

5. 4.2.2 微波中继通信的特点 • 微波波段的频带宽 • 适于传输宽频带信号 • 天线增益高、方向性强 • 外界干扰小 • 投资少、建设快、通信灵活性大 • 中继传输方式

6. 4.2.3 数字微波中继通信系统的组成 • 1. 数字微波中继通信线路 图4.12 数字微波中继通信线路示意图

7. 4.2.3 数字微波中继通信系统的组成 图4.13 数字微波中继通信系统组成

8. 4.2.3 数字微波中继通信系统的组成 图4.14 数字微波发信设备方框图

9. 4.2.3 数字微波中继通信系统的组成 图4.15 数字微波收信设备的组成方框图

10. 4.2.3 数字微波中继通信系统的组成 图4.16 中继站的转接方式

11. 4.2.4 数字微波中常用的调制技术 • 基本概念 • 和模拟信号调制一样，数字信号调制也有三种基本方式：调幅、调相和调频。在数字微波通信系统中，目前较常用的是数字调相 • 数字调相又称移相键空（PSK），这种调制方式具有频带利用率较高、抗干扰能力较强（优于ASK、FSK）等优点，因而在数字通信中得到广泛利用。 • 移相键控是利用载波的相位变化来传递信息的，其数学表达式为 Ｓ（ｔ）＝Ａ·ｃｏｓ［ω０＋φ（ｔ）］ （4.5）其中φ（ｔ）是载波的相位，它随码元而变化。 • 数字调相又分为绝对移相和相对移相两种。利用未调载波相位作为基准的调相，称为绝对移相；利用前后两个码元的载波相位的相对变化（即它们的差）来传送数字信息的调相称为相对移相。 • 相对移相要求在发送端采用差分码，即利用码变换器把绝对码变成相对码然后对载波进行绝对调相，从而得到相对调相码的输出。

12. 4.2.4 数字微波中常用的调制技术 • 差分编码的码变换器的逻辑关系为：bi=ai⊕bｉ－1 图4.17 码变换器组成

13. 4.2.4 数字微波中常用的调制技术 • 从调相信号频谱分析可知，它有如下特点： • 二相PSK信号是一种线性调制信号，其频谱结构与ASK信号一样。因此，分析起来较为简单。 • 二相数字调相信号带宽为基带信号带宽的二倍，最高频带利用率为1波特/赫。 • 对离散相位取值等概率二相PSK信号的频谱与抑制载波的双边带调幅波一样，其频谱不包含载波分量。根据这个特点，可以用平衡调幅器构成二相数字调幅器或二相数字调相器。 • 相对移相除相位变化与绝对移相不同外，可用同样的数学表达式来表示相对移相波形。 • 在具体设计与调整数字调相器时，要注意以下几项性能指标：工作频带、 调制码速、 相位误差、 寄生调幅、 调制损耗、 承受功率。

14. 第四章 信息传输技术与系统 4.3卫星通信

15. 4.3.1 概 述 • 卫星通信，简单而言就是地球上（包括陆地、水面和低层大气层）的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站而进行的通信。 • 卫星通信的频段： • C波段：3.7~4.2GHz作为上行频段，5.925~6.425作为下行频段 • Ku波段：11.7~12.2GHz作为上行频段，14~14.5作为下行频段 • Ka波段：17.7~21.7GHz作为上行频段，27.5~30.5作为下行频段，一般政府和军队使用 图4.24 卫星通信示意图

16. 4.3.1 概 述 • 当卫星的轨道在赤道平面内，其高度为35860km时，卫星的运行周期正好与地球自转周期相同，方向也一致，则卫星的位置相对地面来说呈静止状态，这种卫星称之为静止卫星。有时也叫同步卫星（或静止同步卫星），利用这种卫星进行通信的系统称为同步卫星中继通信系统。 图4.２６静止卫星配置几何关系图

17. 4.3.1 概 述 • 与其他通信手段相比，卫星通信的主要优点是： • 通信距离远，而投资费用和通信距离无关； • 工作频带宽、通信容量大，适用于多种业务传输； • 通信线路稳定可靠，通信质量高； • 以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可以实现多址通信和信道按需分配，因而通信灵活机动； • 可以自发自收进行监测。 • 2．地球卫星的轨道分类

18. 4.3.2 卫星通信系统的组成和功能 • 卫星通信系统由空间分系统、通信地球站分系统、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等４大分系统组成，如图4.29所示。 图4.29 卫星通信系统的基本组成

19. 4.3.2 卫星通信系统的组成和功能 图4.30 卫星通信地球站的组成

20. 4.3.3 VSAT简述 • VSAT是Very Small Aperture Terminal的缩写，直译为“甚小口径（天线）数据终端”，可意译为“超小型地球站”，或简称“小站”，它是一种具有甚小口径天线的智能化的卫星通信地球站。 图4.31 典型的VSAT系统组成示意图

21. 4.3.4 移动卫星通信系统简介 图4.32 全球星移动通信系统的结构

22. 补充：卫星通信的多址方式 • 多址技术与信道分配技术的概念 • 频分多址技术 • 时分多址技术 • 随机多址和可控多址访问方式

23. 多址技术与信道分配技术的概念 • 多址技术是指在卫星覆盖区内的多个地球站，通过同一颗卫星的中继建立两址和多址之间的通信技术。 • 信道分配方式实际上就是指如何进行信道分配。所采用的多址方式不同，其信道的内含不同。

24. 1.1信道分配方式 • 1.1.1. 预分配（PA）方式预分配（PA）方式又分为固定预分配（FPA）和按时预分配（TPA）方式，具体如下。 • 固定预分配方式：是指按事先规定半永久性地分配给每个地球站固定数量的信道，这样各地球站只能各自在特定的信道上完成与其他地球站的通信，其他地球站不得占用。 • 按时预分配（TPA）方式：根据统计，事先知道了各地球站间业务量随时间的变化规律，因而在一天内可按约定对信道做几次固定的调整，这种方式就是按时预分配（TPA）方式。

25. 1.1信道分配方式 • 1.1.2．按需分配方式按需分配（DA）方式是一种分配可变的制度，这个可变是按申请进行信道分配变化的，通话完毕之后，系统信道又收归公有。 • 收端可变、发端固定的DA方式 • 收端固定、发端可变的DA方式 • 收、发可变DA方式 • 1.1.3．随机分配它是指通信中各种终端随机地占用卫星信道的一种多址分配制度。

26. 1.2 多址技术 • 在卫星通信中的信号分割和识别是以载波频率出现的时间或空间位置为参量实现的，归纳起来可分为： • 频分多址（FDMA） • 时分多址（TDMA） • 码分多址（CDMA） • 空分多址（SDMA）

27. 1.2 多址技术 • 频分多址访问（FDMA）方式是卫星通信多址技术中的一种比较简单的多址访问方式。在FDMA中是以频率来进行分割的，其在时间和空间上无法分开，故此不同的信道占用不同的频段，互不重叠。 • 时分多址访问（TDMA）方式是以时间为参量来进行分割的，其频率和空间是无法分开的，那么不同的信号占据不同时间段，彼此互不重叠。 • 空分多址访问（SDMA）方式是以空间作为参量来进行分割的，其频率和时间无法分开，因而不同的信道占据不同的空间，这样卫星可根据空间位置接收相应覆盖区域中的各地球站发送的上行链路信号。 • 码分多址访问（CDMA）方式是以信号的波形、码型为参量来实现多址访问的，其频率、时间和空间上均无法分开，因而不同的地球站使用不同的码型作为地址码，并且这些码型相互正交或准正交。

28. 2.1 频分多址技术原理与应用特点 • 工作原理：在以此种方式工作的卫星通信网中，每个地球站向卫星转发器发射一个或多个载波，每个载波都具有一定的频带，它们互不重叠地占用卫星转发器的带宽。 • FDMA的应用特点：频分多址方式是最基本的多址方式，也是最古老的多址方式，其最突出的特点是简单、可靠和易于实现。其特点可进一步归纳如下： • 要求解决好卫星的功率和带宽之间的关系。 • 必须严格控制功率。 • 设置适当的保护频带。 • 尽量减少互调的影响。

29. 2 频分多址技术 • 2.2. FDMA的分类 • 每载波多路MCPC-FDMA方式 • 如果按所采用的基带信号类型，MCPC又可划分为FDM-FM-FDMA和TDM-PSK-FDMA方式。 • 在FDM-FM-FDMA方式中，首先基带模拟信号以频分复用方式复用在一起，然后以调频方式调制到一个载波频率上，最后再以FDMA方式发射和接收。 • 在TDM-PSK-FDMA方式中，首先将多路数字基带信号用时分复用方式复用在一起，然后以PSK方式调制到一个载波上，最后再以FDMA方式发射和接收。

30. 2 频分多址技术 • 2.2. FDMA的分类 • 每载波单路SCPC-FDMA方式 • 每个载波仅传送一路信号（Single Channel Per Carrier） • 由于SCPC方式主要应用于业务量较小的、同时通信路数最多只有几条甚至一条的地球站，显然采用固定分配载波的MCPC方式会造成频带的浪费。 • 星上交换SS-FDMA • Subchannel Switched FDMA • 如图1，卫星上的每个滤波器都与每个上行链路中的载波相对应。这样能够将指定上行链路中的对应载波的带通信号提取出来，并在星上进行选路操作，然后将其送往覆盖接收地球站的下行链路波束中。 • 在图2中给出SS-FDMA卫星转发器方框图。从图中可以看出，上行链路和下行链路各包含3个波束（空分频率复用）。其星上交换功能是由一组滤波器和一个由微波二极管门电路组成的交换矩阵完成的。

31. 图1 SS-FDMA系统模型

32. 图2 SS-FDMA卫星转发器方框图

33. 3.1 时分多址的概念及其应用特点 • TDMA的基本概念：如图3所示的是TDMA系统模型。从中可以清楚地看出，在按时分多址方式工作的系统中，由于分配给各地球站的是特定的时隙，而不是特定的频带，因而每个地球站必须在分配给自己的时隙中用相同的载波频率向卫星发射信号，并经放大后沿下行链路重新发回地面。 • TDMA技术的优点 • 不存在FDMA中的互调问题。 • 系统容量大，卫星功率利用率高。 • 提高信号传输质量，有利于综合业务的接入。 • 使用灵活。 • TDMA技术的应用特点 • 缺点 • 必须保持各地球站之间的同步，才能让所有用户实现共享卫星资源的目的。 • 要求采用突发解调器（系统中各站在规定的时隙内以突发的形式发射其已调信号）。 • 模拟信号需转换成数字信号才能在网络中传输。 • 初期的投资较大，系统实现复杂。

34. 图3 TDMA系统模型

35. 4 随机多址和可控多址访问方式 • 4.1随机多址访问方式 • 在以随机多址访问方式工作的系统中，每个用户都可以访问一条共享信道，而无需事先与系统中的其他用户进行协商。 • 常用的随机多址方式有：ALOHA，S-ALOHA等，下面逐一进行介绍。

36. 4.1 随机多址访问方式 • ALOHA • ALOHA是最早的随机多址访问方式。 • 工作过程：如图4所示的是一个数据卫星通信系统的结构示意图。首先，在各地球站按一定长度将数据分成若干段。然后在每一个数据段前加一个报头，即分组头。在分组头中包含了收、发两端地球站的地址及某些控制比特，同时在数据段的后面还加上具有较强检错能力的检错码，以此构成一个数据分组。如图5所示。 • 由于在ALOHA方式中对用户发送数据分组的时间未加以任何限制，因此对任一分组而言，只要有其他站发射分组，便会在信道上发生碰撞现象。

37. 图4 卫星分组通信原理 图5 数据分组格式

38. 4.1 随机多址访问方式 • ALOHA • 从上面的介绍可以清楚地看到，ALOHA系统具有以下特点。 • 系统结构简单，用户入网方便，无需协调。 • 当业务量较小时具有良好的通信性能。 • 存在碰撞现象，其吞吐量（即某段时间内成功接收信息的比特平均数与所发送的总比特数之比）较低，最高吞吐量也只能达到18.4%。 • 存在信道不稳定性。即当信道业务量增大到一定的程度时，分组在信道上发生碰撞的概率也随之增加，此时信道上的吞吐量不再随业务量的增加而增加，反之减小，此时要求重发的分组数也随之增多，信道的利用率（信道上有信息传输的时间占总的可用时间之比）加大。极限情况下，信道内充斥的都是重发分组，此时的吞吐量降为零。可见信道吞吐量低和不稳定性是ALOHA的主要缺点。

39. 4.1 随机多址访问方式 • S-ALOHA • 由上面的分析可以看出，在ALOHA系统中，由于各站可以随时发送信息。因而在一个分组的受损时间内，如果其他站也正随机地发送信息的话，那么很容易出现碰撞，导致分组丢失。 • 在S-ALOHA方案中是以卫星转发器的输入端为参考点的，在时间上等间隔地划分为若干时隙(slot，也称为时槽)，而每个站所发射的分组必须进入指定的时隙，每个分组的持续时间将占满一个时隙。可见在使用S-ALOHA方式时，要求在一个特定的时刻进行分组发送，使S-ALOHA的受损间隔限制在一个时隙长度之内，而不会出现首尾碰撞的情况。这样便能减少信道上出现碰撞的概率，提高卫星转发器的使用效率。

40. 4.1 随机多址访问方式 • SREJ-ALOHA （Selective Reject ALOHA） • 在SREJ-ALOHA中，仍采用ALOHA方式进行分组发送，并在此基础上加以改进。即将每个分组细分为若干个小分组(Subpacket)，而且每个小分组均配有自己的报头和前同步码，因而在接收端可以对每个小分组进行检测。这样当两个分组发生碰撞时，就可能只是其中的几个小分组出现彼此重叠的现象，而其他的未遇到碰撞的小分组仍能够被接收端正确接收。 • 与ALOHA方式相同，SREJ- ALOHA系统无需提供全网定时与同步功能。另外一个分组可以被划分为多个小分组，因而在系统中适于采用可变长度分组，从而增加了使用灵活性。同时也提高了系统的吞吐量，但同样也增加了系统的复杂程度 。

41. 4.1 随机多址访问方式 • C-ALOHA • C-ALOHA称为具有捕获效应的ALOHA ，它是改善系统吞吐量的一种方式。在ALOHA方式中，由于卫星转发器所接收的两个分组功率相同，因而发生碰撞情况下，接收端无法正常接收分组。但如果两个分组功率不同，一个较大，一个较小，这样即使这两个分组彼此发生碰撞，相对功率较大的分组而言，功率较小的分组也只视为一种干扰，功率较大的分组仍可能被接收端正确接收。 • 从理论上讲， C-ALOHA 的吞吐量为P-ALOHA的三陪 。

42. 4.2 可控多址访问方式 • 可控多址访问方式又称为预约（reservation）协议 • R-ALOHA • 通常一个发送周期即为一个帧长，每帧中又包含若干个时隙。其中一部分时隙用于发送短报文和预约申请信息，这部分时隙被称为竞争时隙，它是采用S-ALOHA方式工作的。而另一部分时隙则由用户独自掌握，主要用于发送长报文，这部分时隙称为预约时隙。它们之间不存在碰撞问题

43. 4.2 可控多址访问方式 • R-ALOHA • 当某地球站要发送长报文时，该站必须首先进行申请预约，即在竞争时隙中发送申请预约消息，表明所需使用的预约时隙长度。如果没有发生碰撞，则在一定时间之后，全网中各各地球站，包括发送申请预约消息的地球站都会收到一个信息，根据当时的排队情况确定报文应出现的预约时隙位置，这样其他站就不会再去使用这些预约时隙了。同时发送地球站也可以计算出其应该发射的时隙，以便准时发射。对于短报文，既可以直接利用竞争时隙发射，也可以像长报文一样通过预约申请，利用预约时隙发射。

44. 4.2 可控多址访问方式

45. 4.2 可控多址访问方式 • AA-ALOHA • 当网中的业务量很小或者所传送的多为短报文时，系统中的所有站多数情况是以S-AlOHA方式工作的；这时每帧中的时隙均为竞争时隙。 • 当长报文业务增多时，则分出一部分时隙作为预约时隙，为提出申请预约的各站传输长报文业务之用。另一部分时隙仍作为竞争时隙，各站可以按S-ALOHA方式共享使用这些竞争时隙。实际上，这是—种竞争预约的TDMA/DA方式。 • 当长报文业务量进一步加大时，只有一小部分时隙为竞争时隙，而大部分时隙则变成预约时隙。可见，极限情况下，所有时隙均变为预约时隙，供一个大业务量的站在一段时间内利用整个信道传输其长报文。这时系统就工作于一个预分配的TDMA方式。

46. 第四章 信息传输技术与系统 4.3 移动通信

47. 无线局域网基本原理及技术

48. 内容 1. 无线局域网的概念 2. 无线局域网的标准 3. 无线局域网的技术 4. 无线局域网的应用

49. 1. 无线网络的概念 • 传统有线网络 • 数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是 • 别的有线介质。 • 无线网络 • 数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它 • 无线介质。 • 信号在空气中传播，可以被任何人接收。

50. 无线数据网分类 无线数据网的种类 无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、 无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。 *无线个人网 主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问 本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。 *无线局域网 主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主 要技术为802.11系列。 *无线网桥 主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。 *无线城域网和广域网 覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技 术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。