建筑通信工程第三章

建筑通信工程主講：孫瑩LecturedBy:SunYing第三章衛(wèi)星通信系統(tǒng)了解:通信衛(wèi)星及其分類了解:同步通信衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)了解:衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類及組成了解:衛(wèi)星通信線路和通信衛(wèi)星的組成掌握:調(diào)制與解調(diào)的概念掌握:模擬信號(hào)振幅調(diào)制的原理掌握:低通信號(hào)和帶通信號(hào)的抽樣定理教學(xué)目的:掌握:均勻量化和非均勻量化的方法掌握:采用A律13折線壓縮特性的PCM編碼方法了解:自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制和增量調(diào)制的原理掌握:數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法（ASK，F(xiàn)SK，PSK）掌握:多路復(fù)用方式（TDM，F(xiàn)DM，CDM）掌握:衛(wèi)星通信的多址方式（FDMA，TDMA，

SDMA，CDMA）了解:VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)教學(xué)目的:作業(yè)

1.衛(wèi)星通信的定義是什么？

2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)有哪些分類？

3.簡(jiǎn)述衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

4.簡(jiǎn)述通信衛(wèi)星的組成

5.簡(jiǎn)述調(diào)制與解調(diào)的概念

6.簡(jiǎn)述調(diào)制的分類

7.簡(jiǎn)述數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法（ASK，F(xiàn)SK，PSK）

8.簡(jiǎn)述頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址方式的原理

9.簡(jiǎn)述VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成和工作原理

10.試求滿足低通信號(hào)抽樣定理、帶通信號(hào)抽樣定理和邊帶間隔相等三種情況下60路載波超群信號(hào)（330～570kHz)的抽樣頻率。

3.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介3.1.1通信衛(wèi)星

1945年，英國(guó)的科幻小說(shuō)作家阿瑟·克拉克在世界上首次提出了使用衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信和無(wú)線電廣播的設(shè)想，這位作家在《無(wú)線電雜志》上發(fā)表了一篇文章，提出用火箭發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，然后，地面上發(fā)送信號(hào)給衛(wèi)星，通過(guò)衛(wèi)星再傳回地面。

1957年10月4日，原聯(lián)蘇成功發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星。按軌道赤道軌道極地軌道傾斜軌道同步衛(wèi)星移動(dòng)衛(wèi)星一、通信衛(wèi)星的分類按通信范圍國(guó)際通信衛(wèi)星區(qū)域性通信衛(wèi)星國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星按用途綜合業(yè)務(wù)通信衛(wèi)星軍事通信衛(wèi)星

海事通信衛(wèi)星電視直播衛(wèi)星氣象衛(wèi)星按轉(zhuǎn)發(fā)能力

無(wú)星上處理能力有星上處理能力按頻段0.1-0.3GHzVHF移動(dòng)，導(dǎo)航業(yè)務(wù)0.3-1.0GHzUHF移動(dòng)，導(dǎo)航業(yè)務(wù)1.0-2.0GHzL移動(dòng)業(yè)務(wù)2.0-4.0GHzS移動(dòng)業(yè)務(wù)4.0-8.0GHzC固定業(yè)務(wù)8..0-12.0GHzX12.0-18.0GHzKu固定業(yè)務(wù)，廣播業(yè)務(wù)18.0-24.0GHzK24.0-30.0GHzKa近年來(lái)倍受關(guān)注33.0-50.0GHzQ50.0-75.0GHzV按重量

大型衛(wèi)星Large>1000kg>1億美元中衛(wèi)星Small500-1000kg0.5-1億美元小衛(wèi)星Mini100-500kg500-2000萬(wàn)美元微衛(wèi)星Micro10-100kg200-300萬(wàn)美元納衛(wèi)星Nano<10kg<100萬(wàn)美元皮衛(wèi)星Pico<1kg

根據(jù)力學(xué)理論，人造地球衛(wèi)星圍繞地球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以仿效地球和行星圍繞太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及月亮圍繞地球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。科學(xué)家們通過(guò)周密、細(xì)致地分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)軌道很特殊，那就是運(yùn)行在赤道上空，高度為35786km的軌道上的衛(wèi)星，繞地球運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，相對(duì)于地球表面是靜止不動(dòng)的，這種衛(wèi)星稱為靜止衛(wèi)星，也稱同步衛(wèi)星。只有同步衛(wèi)星才能傳播廣播電視節(jié)目信號(hào)。二、同步衛(wèi)星

目前絕大多數(shù)通信衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星，這種衛(wèi)星的軌道是圓形的，而且軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星的飛行方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同，這時(shí)衛(wèi)星繞地球一周的時(shí)間和地球自轉(zhuǎn)的時(shí)間相同。利用這種衛(wèi)星來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)通信信號(hào)的系統(tǒng)就稱為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)，本章主要討論的就是靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電信號(hào)，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信。衛(wèi)星中繼站地球站A地球站B

3.1.2衛(wèi)星通信的定義衛(wèi)星通信基本原理圖

1979年世界無(wú)線電行政會(huì)議（WARC）規(guī)定宇宙無(wú)線電通信有3種方式：①宇宙站與地球站之間的通信；②宇宙站之間的通信；③通過(guò)宇宙站轉(zhuǎn)發(fā)或反射而進(jìn)行的地球站之間的通信。宇宙站是指設(shè)在地球大氣層以外的宇宙飛行體或其他天體上的通信站。地球站

是指設(shè)在地球表面的通信站，包括陸地上、水面上和大氣低層中移動(dòng)的或固定的通信站。按基帶信號(hào)分類

模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)按多址方式分類

頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、空分多址、混合多址按衛(wèi)星制式分類

隨機(jī)、相位、靜止衛(wèi)星按通信覆蓋區(qū)的范圍分類

國(guó)際、國(guó)內(nèi)、區(qū)域按用戶性質(zhì)分類公用（商用）、專用、軍用按業(yè)務(wù)分類固定業(yè)務(wù)、移動(dòng)業(yè)務(wù)、廣播業(yè)務(wù)、科學(xué)試驗(yàn)業(yè)務(wù)

3.1.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類距地面高度35786.6km運(yùn)轉(zhuǎn)周期23時(shí)56分4.09秒勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度v=3.07km/s軌道半徑42164.6km一顆同步衛(wèi)星對(duì)地球表面視區(qū)達(dá)42.4%以上三顆同步衛(wèi)星可以覆蓋全球（地球兩極要形成通信“盲區(qū)”）

3.1.4靜止通信衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌道

和主要參數(shù)利用靜止衛(wèi)星建立全球通信同步衛(wèi)星位置標(biāo)注

由于同步衛(wèi)星運(yùn)行在赤道上空，所以緯度為0°，因此要表明一顆同步衛(wèi)星的位置，只需使用經(jīng)度就可以了。

110.5°E表明衛(wèi)星位于東徑110.5°的赤道上空。地球站對(duì)同步衛(wèi)星的觀察參數(shù)方位角:水平移動(dòng)仰角：上下移動(dòng)覆蓋區(qū)大,通信距離遠(yuǎn),三顆同步衛(wèi)星可覆蓋全球頻帶寬,容量大機(jī)動(dòng)性好,不受地理?xiàng)l件限制通信可靠性高,質(zhì)量好,穩(wěn)定費(fèi)用與距離無(wú)關(guān)有多址能力,組網(wǎng)靈活可以自發(fā)自收進(jìn)行檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域及全球個(gè)人移動(dòng)通信

3.1.5衛(wèi)星通信的特點(diǎn)3.2衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

3.2.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括通信和保障通信的全部設(shè)備，主要有跟蹤遙測(cè)指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)、空間分系統(tǒng)及通信地球站四部分組成。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成跟蹤遙測(cè)指令分系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量，控制其準(zhǔn)確進(jìn)入軌道上指定位置，待衛(wèi)星正常運(yùn)行后，要定期對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道修正和位置保持，必要時(shí)，控制通信衛(wèi)星返回地面。監(jiān)控管理分系統(tǒng)

負(fù)責(zé)對(duì)軌道定點(diǎn)上的衛(wèi)星在業(yè)務(wù)開通前、后進(jìn)行通信性能的監(jiān)測(cè)和控制，例如，對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、衛(wèi)星天線增益及各地球站發(fā)射功率、射頻功率和帶寬等基本通信進(jìn)行監(jiān)控，以保證正常通信?？臻g分系統(tǒng)

就是通信衛(wèi)星。它是由主體部分的通信系統(tǒng)和保障部分的遙測(cè)指令和控制系統(tǒng)以及電源（包括太陽(yáng)能電池和蓄電池）等組成。通信衛(wèi)星主要起無(wú)線電中繼站的作用，它是靠衛(wèi)星上通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器（微波收、發(fā)信機(jī)）和天線來(lái)完成。一個(gè)衛(wèi)星的通信系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)或多個(gè)地球站信號(hào)。顯然，當(dāng)每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器所能提供的功率和帶寬一定時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器越多，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量就越大。通信地球站是連接衛(wèi)星線路和用戶的中樞。用戶把要傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^(guò)微波送到地球站，地球站再把信息通過(guò)天線送至衛(wèi)星。由衛(wèi)星把接收到的信息送回到地球站，經(jīng)地球站再送到需要通信的用戶進(jìn)行通信。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星進(jìn)行的各種無(wú)線電通信逐漸增加。為了減少各系統(tǒng)之間的相互影響和干擾，ITU做出了一系列的規(guī)定，如系統(tǒng)允許的干擾量，衛(wèi)星位置的保持精度及天線指向精度，最大輻射量密度等。1971年ITU無(wú)線電行政大會(huì)指配了各類衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)可利用的頻段。有些頻段供衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)專用，另外一些頻段則與其他（非衛(wèi)星通信）業(yè)務(wù)公用。全球劃分3個(gè)無(wú)線電區(qū)，歐洲、非洲、前蘇聯(lián)和蒙古等屬1區(qū)，美洲為2區(qū)，亞洲的大部分區(qū)域和大洋洲屬3區(qū)，我國(guó)屬3區(qū)。3.2.2衛(wèi)星通信頻道的劃分通信頻率（GHz）說(shuō)明通信頻率（GHz）說(shuō)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區(qū)共用5.725~5.8（上行）1區(qū)共用11.45~11.7（下行）共用5.85~5.925（上行）1、3區(qū)共用11.7~12.2（下行）2區(qū)共用5.925~6.45（上行）共用12.5~12.75（上行）2區(qū)共用7.25~7.32（下行）專用12.5~12.75（下行）3區(qū)共用7.3~7.75（下行）共用12.5~12.75（上、下行）1區(qū)共用7.9~7.975（上行）專用14~14.5（上行）共用7.975~8.025（上行）專用衛(wèi)星通信固定業(yè)務(wù)頻率劃分表通信頻率（GHz）說(shuō)明通信頻率（GHz）說(shuō)明2.500~2.695共用22.5~23共用11.7~12.51區(qū)內(nèi)共用41~43專用11.7~12.52、3區(qū)內(nèi)共用84~86專用廣播衛(wèi)星頻率劃分表

衛(wèi)星通信線路就是衛(wèi)星通信電波所經(jīng)過(guò)的整個(gè)線路，它不僅包括通信衛(wèi)星和地球站等各主要單元，而且還包括電波在各單元之間的傳播途徑。衛(wèi)星通信線路組成圖見(jiàn)書P53。3.2.3衛(wèi)星通信線路的組成

通信衛(wèi)星是由控制分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)、遙測(cè)指令分系統(tǒng)、通信和電源分系統(tǒng)所組成。其主體是通信分系統(tǒng)，其保障部分是星上遙測(cè)、控制和電源分系統(tǒng)。3.2.4通信衛(wèi)星的組成控制分系統(tǒng)

包括衛(wèi)星的位置和姿態(tài)控制系統(tǒng)，是由一系列機(jī)械的或者電子的可控制調(diào)制裝置組成。為克服由于靜止衛(wèi)星在軌道上存在著軌道傾斜效應(yīng)，使衛(wèi)星發(fā)生漂移，影響通信的正常進(jìn)行的這種影響，通常用位置控制系統(tǒng)來(lái)完成這一任務(wù)。在地面控制中心發(fā)出指令時(shí)，位置控制利用裝在衛(wèi)星上的豎向和橫向兩個(gè)氣體噴射推進(jìn)裝置來(lái)分別控制衛(wèi)星在緯度和經(jīng)度方向的漂移。天線分系統(tǒng)

包括通信天線和遙測(cè)指令天線兩種。由于它們裝在衛(wèi)星上，故與地面天線不同，它們體積小、質(zhì)量小、饋電可靠性高、壽命長(zhǎng)及有適應(yīng)在衛(wèi)星上組裝的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，另外，衛(wèi)星天線設(shè)在衛(wèi)星殼體外面，故又要求天線材料必須耐高溫和耐輻射。通信天線為對(duì)準(zhǔn)地球上通信區(qū)的微波天線，必須方向性強(qiáng)、增益高，以增加衛(wèi)星的有效輻射功率，要使天線波束永遠(yuǎn)指向地球。遙測(cè)指令用的天線是工作在高頻和甚高頻的全方向性天線。它用來(lái)在衛(wèi)星進(jìn)入靜止軌道之前和進(jìn)入靜止軌道后，向地面控制中心發(fā)射遙測(cè)信號(hào)和接收地面信號(hào)。遙測(cè)指令分系統(tǒng)

為保證通信衛(wèi)星正常運(yùn)行，需要了解衛(wèi)星內(nèi)部各種設(shè)備的工作情況，以便必要時(shí)通過(guò)遙測(cè)指令調(diào)整某些設(shè)備的工作狀態(tài)。衛(wèi)星上遙測(cè)信號(hào)包括使衛(wèi)星保持正確的姿態(tài)和正常的工作狀態(tài)的信號(hào)，地面測(cè)控中心接收到信號(hào)后通過(guò)解調(diào)、解碼，恢復(fù)出遙測(cè)信號(hào)，并將它們送到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行信號(hào)處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星上某些信號(hào)參數(shù)不符合要求時(shí)，就會(huì)立即發(fā)出指令信號(hào)送到衛(wèi)星上，衛(wèi)星上指令接收機(jī)接收到該信號(hào)后，經(jīng)檢測(cè)和譯碼后送到控制機(jī)構(gòu)。電源分系統(tǒng)衛(wèi)星上的電源主要有太陽(yáng)能電池、化學(xué)電池和原子能電池等，目前仍以太陽(yáng)能電池和化學(xué)能電池為主。一般常并用可以充放電的化學(xué)電池和太陽(yáng)能電池，在發(fā)生星蝕期間，由化學(xué)電池供電。為了使供電穩(wěn)定，還設(shè)有電源控制電路。溫控分系統(tǒng)溫控分系統(tǒng)是為控制衛(wèi)星內(nèi)部溫度而設(shè)置的。衛(wèi)星的溫度通過(guò)溫度傳感器傳送給衛(wèi)星的遙測(cè)指令分系統(tǒng)，再由其發(fā)送給地球的控制中心，必要時(shí)控制中心就發(fā)出溫控指令給衛(wèi)星的溫控分系統(tǒng)，用來(lái)控制衛(wèi)星的溫度。通信分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)是衛(wèi)星通信的核心，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器所組成，其性能直接影響到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的質(zhì)量。它的電路結(jié)構(gòu)隨性能要求分兩類：一類是非再生式轉(zhuǎn)發(fā)器，另一類是再生式轉(zhuǎn)發(fā)器。非再生式轉(zhuǎn)發(fā)器主要用于模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)。將接收到的信號(hào)直接放大后轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不進(jìn)行解調(diào)和基帶處理。從放大方式來(lái)看又可分為中頻放大式轉(zhuǎn)發(fā)器和微波放大式轉(zhuǎn)發(fā)器。中頻放大式轉(zhuǎn)發(fā)器把接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)化成中頻信號(hào)，然后再放大和限幅，變換成射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后向地球站轉(zhuǎn)發(fā)。微波放大式轉(zhuǎn)發(fā)器

把接收到的微波直接放大，經(jīng)過(guò)變頻和功率放大后向地球站轉(zhuǎn)發(fā)。再生式轉(zhuǎn)發(fā)器

主要應(yīng)用于數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，再生式轉(zhuǎn)發(fā)器除了轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)外，還具有信號(hào)處理的功能，使在衛(wèi)星上進(jìn)行數(shù)字交換成為可能。3.3模擬和數(shù)字衛(wèi)星通信

3.3.1模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)一、模擬調(diào)制

1、調(diào)制與解調(diào)的概念

我們將信息直接轉(zhuǎn)換得到的較低頻率的原始電信號(hào)稱為基帶信號(hào)。通?；鶐盘?hào)不宜直接在信道中傳輸。因此在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需將基帶信號(hào)的頻譜搬移（調(diào)制）到適合信道傳輸?shù)念l率范圍內(nèi)，而在接收端，再將它們搬移（解調(diào)）到原來(lái)的頻率范圍，這就是調(diào)制和解調(diào)。

所謂調(diào)制就是使基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào))控制載波的某個(gè)（或幾個(gè)）參數(shù)，使這一（或幾個(gè)）參數(shù)按照基帶信號(hào)的變化規(guī)律而變化的過(guò)程。調(diào)制后所得到的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào)。所謂解調(diào)就是對(duì)頻帶信號(hào)進(jìn)行反變換，從中還原出基帶信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制的類型根據(jù)調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；根據(jù)載波的不同可分為以正弦波作為載波的連續(xù)載波調(diào)制和以脈沖串作為載波的脈沖調(diào)制；根據(jù)調(diào)制器頻譜搬移特性的不同可分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制。

幅度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的過(guò)程。幅度調(diào)制器的一般模型如圖所示。

幅度調(diào)制器的一般模型

2、幅度調(diào)制

設(shè)調(diào)制信號(hào)m(t)的頻譜為M(ω)，沖激響應(yīng)為h(t)的濾波器特性為H(ω),則該模型輸出已調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域一般表示式為

式中，為載波角頻率。

由以上表示式可見(jiàn)，對(duì)于幅度調(diào)制信號(hào)，在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移(精確到常數(shù)因子)。由于這種搬移是線性的，因此幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。適當(dāng)選擇濾波器的特性H(ω)，便可以得到各種幅度調(diào)制信號(hào)。例如，調(diào)幅、雙邊帶、單邊帶及殘留邊帶信號(hào)等。

AM的波形及頻譜

由頻譜圖可知，AM信號(hào)的頻譜由載頻分量和上、下兩個(gè)邊帶組成，上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。因此，AM信號(hào)是帶有載波的雙邊帶信號(hào)，它的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍，即。

AM信號(hào)包含有兩個(gè)邊帶，即上、下邊帶。由于這兩個(gè)邊帶包含的信息相同，因而，從信息傳輸?shù)慕嵌葋?lái)考慮，傳輸一個(gè)邊帶就夠了。這種只傳輸一個(gè)邊帶的通信方式稱為單邊帶通信。單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有濾波法和相移法。

3、單邊帶調(diào)制(SSB)

——話音信號(hào)調(diào)制方法用濾波法形成單邊帶信號(hào)

產(chǎn)生SSB信號(hào)最直觀的方法是讓雙邊帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)邊帶濾波器，保留所需要的一個(gè)邊帶，濾除不要的邊帶。這只需將濾波器H(ω)設(shè)計(jì)成如下圖所示的理想低通特性HLSB(ω)或理想高通特性HUSB(ω)，就可分別取出下邊帶信號(hào)頻譜HLSB(ω)或上邊帶信號(hào)頻譜HUSB(ω)。

形成SSB信號(hào)的濾波特性

SSB信號(hào)的頻譜二、模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸

1、抽樣定理抽樣就是將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)的過(guò)程。那么，這些時(shí)間上離散的樣值序列是否包含原連續(xù)信號(hào)的全部信息？經(jīng)量化、編碼、傳輸后，在接收端是否能還原出原來(lái)的時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)呢？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題我們可以通過(guò)下面的例子說(shuō)明。

舉一個(gè)放電影的例子，自然界中連續(xù)運(yùn)動(dòng)的物體，經(jīng)過(guò)攝像機(jī)的拍攝（相當(dāng)于抽樣）后成為一張張“離散”的膠片。在放映時(shí)由于人眼的暫留效應(yīng)對(duì)光線的變化具有低通特性（人眼對(duì)緩慢變化的光線可以察覺(jué)到，而對(duì)迅速變化的光線則無(wú)法察覺(jué)）。光線的暫時(shí)中斷被人眼自動(dòng)連接上了。所以在屏幕上看到的畫面就是一個(gè)連續(xù)動(dòng)作的圖像。要使“離散”的圖像被人眼平滑成連續(xù)的圖像，要求攝影機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)能拍攝出足夠多的畫面（即采樣頻率要足夠高）。如果攝像機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)拍攝的畫面數(shù)不夠（即采樣頻率不夠高），在放映時(shí)看到的動(dòng)作就有跳動(dòng)的感覺(jué)，而不是連續(xù)的感覺(jué)（早期的電影即如此），這時(shí)就產(chǎn)生了畫面的失真。

對(duì)于模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣和拍電影一樣，也有一個(gè)抽樣問(wèn)題。如下圖所示，當(dāng)抽樣頻率足夠高時(shí)，模擬信號(hào)迅速變化的部分都被采集到了，接收端利用一個(gè)低通濾波器進(jìn)行平滑處理，可恢復(fù)出原信號(hào)。而抽樣頻率不夠高時(shí)，模擬信號(hào)迅速變化的部分沒(méi)有都被采集到，低通濾波器平滑輸出的波形就會(huì)產(chǎn)生失真。tx(t)x'(t)t0x'(t)t0x(nt)0T2T3T4T5T6T7Ttx(t)x(nt)0T2T3T4T低通x(nt)x'(t)

通過(guò)以上介紹我們可以得到這樣的結(jié)論：抽樣后的樣值序列含有原模擬信號(hào)的信息，如果要把樣點(diǎn)恢復(fù)成原模擬信號(hào)，在抽樣時(shí)一定要滿足一定的條件——抽樣定理。抽樣定理就是要告訴我們，究竟需要多高的采樣頻率，在接收端可以用低通濾波器不失真地恢復(fù)出原信號(hào)。

根據(jù)信號(hào)x(t)是低通型信號(hào)還是帶通型信號(hào)，抽樣定理可分為低通型信號(hào)抽樣定理和帶通型信號(hào)抽樣定理。

根據(jù)抽樣脈沖p(t)是時(shí)間上等間隔序列還是非等間隔序列，抽樣定理可分為均勻抽樣定理和非均勻抽樣定理。抽樣器x(t)p(t)s(t)抽樣定時(shí)脈沖

根據(jù)p(t)是沖激序列還是非沖激序列，抽樣定理可分為理想抽樣定理和非理想抽樣定理。時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)抽樣信號(hào)ts(t)-2Ts-Ts0Ts2Ts低通信號(hào)沖激抽樣及頻譜-2ws-ws0

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

ws2wsS(w)w（1）低通信號(hào)理想均勻抽樣定理抽樣頻率fs對(duì)頻譜S(f)的影響-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低通信號(hào)的抽樣定理：

一個(gè)頻帶限制在0~fm內(nèi)的低通信號(hào)x(t)，如果抽樣頻率fs

≥2fm，則可以由抽樣序列無(wú)失真地重建恢復(fù)原始信號(hào)x(t)。

s≥2

m

s-

m

s+

m

s<2

m

s-

m

s+

m

s=2

m頻譜重疊抽樣頻率fs對(duì)頻譜S(f)的影響

理想抽樣后S(f)的頻譜是周期性的，具有無(wú)窮大的帶寬，頻譜的周期為

s。當(dāng)

s≥2

m即fs

≥2fm時(shí)，S(f)的頻譜不會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象（如圖），這時(shí)用理想低通濾波器可以恢復(fù)原始信號(hào)。fs

=2fm是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣頻率，稱之為奈奎斯特頻率。當(dāng)

s<2

m即fs

<2fm時(shí)，S(f)的頻譜出現(xiàn)重疊現(xiàn)象（如圖），這時(shí)用低通濾波器濾出的頻譜出現(xiàn)失真，無(wú)法恢復(fù)原始信號(hào)。

在實(shí)際中，邊界陡峭的理想濾波器無(wú)法制作，當(dāng)

s=2

m

即fs=2fm

時(shí)，雖然S(f)的頻譜不會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，但通過(guò)非理想濾波器得到的頻譜仍然有失真（如圖）。所以實(shí)際應(yīng)用中一般要留有一定的防衛(wèi)帶，取fs>2fm。例如話音信號(hào)的最高頻率被限制在3400Hz，抽樣頻率應(yīng)大于2×3400=6800Hz，為了留有一定防衛(wèi)帶，CTU-T規(guī)定話音信號(hào)的抽樣頻率為fs=8000Hz，Ts=1/8000=125s。抽樣頻率越高，對(duì)防止頻譜混疊越有利，但將使總碼速率增高，給傳輸帶來(lái)不便。S(w)f利用低通信號(hào)抽樣定理抽樣…fm

fL

fS

fs+fm-fL

-fm

fs+fLfs-fL…fs-fm2fS-fm2fS-fL

上

下

下

（2）帶通信號(hào)抽樣定理X(w)ffm

fL

-fL

-fm

上

下

下

B

對(duì)于帶通信號(hào)，fm比較高，但信號(hào)帶寬B比較窄,B=fm-fL

<fL，如果采樣頻率fS

>2fm，抽樣后信號(hào)的頻譜中，各頻譜成分不會(huì)重疊（見(jiàn)圖）。但抽樣速率很高，而且0~fL等頻段沒(méi)有頻率。在保證不失真恢復(fù)信號(hào)的條件下，盡可能的提高信道利用率，降低抽樣速率，是帶通信號(hào)抽樣定理解決的問(wèn)題。

當(dāng)B≤fL<2B，即n=[fL/B]=1（0~fL之間可以不失真的插入一個(gè)原信號(hào)頻譜）時(shí)，如圖所示上

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)利用帶通信號(hào)抽樣定理抽樣X(jué)(w)

ffm

fL

S(w)

上

下

……ffm

fL

下

fS

2fS-fLfs+fL

fs+fm2fS-fmfs-fmfs-fL利用低通信號(hào)抽樣定理抽樣S(w)

上

ffm

fL

下

下

下

上

fS

2fS

3fS

4fS

上…2fS-fL2fS-fm3fS-fm3fS-fL…利用帶通信號(hào)抽樣定理抽樣

當(dāng)2B≤fL<3B，即n=[fL/B]=2（0~fL之間可以不失真的插入2個(gè)原信號(hào)頻譜）時(shí)，如圖所示S(w)

…ffm

fL

下

下

…nn+1

nfS-fL

nfS-fm(n+1)fS-fm(n+1)fS-fL當(dāng)nB≤fL<(n+1)B，即0~fL之間可以不失真的插入n個(gè)原信號(hào)頻譜）時(shí)，如圖所示時(shí)，就可以無(wú)失真地恢復(fù)出原信號(hào)。

帶通信號(hào)抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在fL

~fm之間的帶通信號(hào)，其抽樣頻率滿足；n是小于fL/B的最大整數(shù)進(jìn)一步還可求出各邊帶之間間隔相等所需的抽樣頻率為例3.1試求60路載波超群信號(hào)（312～552kHz)

的抽樣頻率。解：按帶通信號(hào)抽樣定理若按低通信號(hào)抽樣定理，其抽樣頻率為2fm=2×552=1104kHz邊帶間隔相等的抽樣頻率一定要注意：如果fL<B，即n=0，則帶通信號(hào)抽樣定理不再使用，此時(shí)應(yīng)按低通信號(hào)處理。如電話信號(hào)頻率為300~3400Hz，

fL=300Hz<B=3100Hz，故只能按低通信號(hào)處理。時(shí)，就可以無(wú)失真地恢復(fù)出原信號(hào)。

帶通信號(hào)抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在fL

~fm之間的帶通信號(hào)，其抽樣頻率滿足；n是小于fL/B的最大整數(shù)低通信號(hào)的抽樣定理：

一個(gè)頻帶限制在0~fm內(nèi)的低通信號(hào)x(t)，如果抽樣頻率fs

≥2fm，則可以由抽樣序列無(wú)失真地重建恢復(fù)原始信號(hào)x(t)。上課要點(diǎn)進(jìn)一步還可求出各邊帶之間間隔相等所需的抽樣頻率為2、模擬信號(hào)的量化量化是一種由無(wú)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抽樣信號(hào)uo(nT)t3.5

2.5

1.5

0.5

-0.5

-1.5

-2.5

-3.5

量化信號(hào)

模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后，在時(shí)間上是離散了，但其幅度取值仍然是連續(xù)的，稱為PAM信號(hào)。要采用PCM脈沖編碼方式傳輸，進(jìn)入編碼器的信號(hào)必須只有有限個(gè)幅度，才能用一定字長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示。這就需要將幅值無(wú)限的抽樣信號(hào)變成幅值有限的量化信號(hào)，這一過(guò)程就是量化。

量化分為均勻量化和非均勻量化。均勻量化：量化間隔相等的量化。

非均勻量化：量化間隔不相等的量化。

設(shè)[aL,aM]為量化器的輸入信號(hào)幅值，將[aL,aM]分為J份，即量化總層數(shù)為J。dk(k=0,1,2,…J)為判決電平，當(dāng)dk<x≤dk+1時(shí)，輸出量化值為yk。

如果判決電平間隔均勻，即dk+1-dk=dk-dk-1=

，量化值為兩個(gè)相鄰判決電平的中值，即yk=(dk+1+dk)/2；k=0,1,2,…J-1；稱為均勻量化。aLaM（1）均勻量化量化間隔都相等的量化稱為均勻量化yJ-1

yJyky2y1

y0……

dJ

dJ-1dk+1dkd2d1

d0……判決電平量化值

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(

)量化誤差yyky-yk|e|≤

/2

將量化器輸入輸出的關(guān)系用直角坐標(biāo)來(lái)表示。橫坐標(biāo)表示量化器的輸入信號(hào)，縱坐標(biāo)表示量化器的輸出信號(hào)。這種描述量化器輸入輸出之間關(guān)系的特性稱為量化特性。量化誤差為y-yk,|e|≤

/2。aLaM

正常量化區(qū)限幅區(qū)限幅區(qū)空載區(qū)dJ

dJ-1dk+1dkd2d1

d0……yJ-1

yJyky2y1

y0……判決電平量化值空載區(qū)：|ui-dk

|≤

/2信號(hào)在總是在判決電平dk上之或之下波動(dòng)。

正常量化區(qū)：ui

[aL,aM]限幅區(qū)：ui>aM限幅區(qū)：ui<aL量化誤差t

10-1e(

)信號(hào)幅度在[aL,aM]之間t

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

)正常量化區(qū)aLaM

2限幅區(qū)

2信號(hào)幅度進(jìn)入限幅區(qū)t

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

)量化誤差t

10-1e(

)aLaM信號(hào)幅度<

/2，在判決電平dk上下波動(dòng)t

210u(

)量化誤差t

10-1e(

)量化誤差t

10-1e(

)空載區(qū)判決電平判決電平t

210u(

)信號(hào)幅度<

/2，總是在判決電平dk上之或之下。

均勻量化的量化間隔

為確定值時(shí)，如果輸入信號(hào)幅度在正常量化區(qū)內(nèi)變化，則量化誤差總是|e|≤

/2，即不論信號(hào)幅值大小，其最大量化誤差|emax|都是

/2。只有輸入信號(hào)幅度進(jìn)入限幅區(qū)時(shí)，量化誤差才隨輸入信號(hào)增大而明顯增大。（2）非均勻量化量化間隔不相等的量化稱為非均勻量化uie(ui)量化誤差非均勻量化特性曲線ui3

6

8

9

10

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0uo量化誤差非均勻量化特性曲線uouiuie(ui)量化間隔不相等的量化稱為非均勻量化量化特性具有奇對(duì)稱性

對(duì)量化器輸入信號(hào)的幅度采用量化間隔不相等的非均勻量化。在小信號(hào)區(qū)量化間隔分的細(xì)一些（很小的信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)輸出的一個(gè)），這樣可使小信號(hào)取得量化噪聲減小，量化信噪比明顯提高。在大信號(hào)區(qū)量化間隔分得粗一些（較大的信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)輸出的一個(gè)），雖然會(huì)使大信號(hào)量化誤差加大，量化信噪比有所降低，但只要不低于通信質(zhì)量所要求的最低量化信噪比，則量化級(jí)數(shù)可大大減少，降低了編碼位數(shù)，提高了信道利用率。

實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)，即在發(fā)送端對(duì)輸入壓縮器的信號(hào)先進(jìn)行壓縮處理——非線性處理，對(duì)小信號(hào)放大，而大信號(hào)予以“壓縮”，從而改變了大信號(hào)和小信之間的比例關(guān)系。這樣經(jīng)過(guò)壓縮處理的信號(hào)再進(jìn)行均勻量化，其效果相當(dāng)于對(duì)原信號(hào)進(jìn)行非均勻量化。若在接收端進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)張?zhí)幚怼獕嚎s處理的逆處理，就可以恢復(fù)原信號(hào)。非均勻量化原理如圖所示。非均勻量化uot510t510vot18vo壓縮編碼均勻量化解碼擴(kuò)張信道ui

uovi18t123456789ui

壓縮特性曲線uo10987654321vivo擴(kuò)張?zhí)匦郧€123456789987654321

PCM通信發(fā)展過(guò)程中，曾提出過(guò)很多壓擴(kuò)方法，如指數(shù)型、對(duì)數(shù)型、雙曲線型等等。目前廣泛使用的是

壓縮律（律）和A壓縮律（A律）。律主要用于美國(guó)、加拿大和日本等國(guó)的PCM—24路集群中。A律主要用于英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等歐洲各國(guó)的PCM—30/32路集群中。我國(guó)的PCM—30/32路集群中也采用A律13折線壓縮律。①

m壓縮律-1≤x≤1式中y表示壓縮器歸一化的輸出，x表示壓縮器歸一化的輸入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壓縮特性擴(kuò)張?zhí)匦?00200

律壓縮器輸入輸出之間的關(guān)系（壓縮特性）滿足下式：-1≤x≤1

式中y表示壓縮器歸一化的輸出，x表示壓縮器歸一化的輸入，壓縮特性見(jiàn)圖。y和x都是以臨界過(guò)載電壓U進(jìn)行歸一化的量，即y=v/U，x=u/U。

由圖可知：不同的對(duì)應(yīng)的特性曲線不同。越大，曲線越彎曲，壓縮律越大；越小，曲線越彎度變小，壓縮律越??；=0時(shí)，特性曲線為直線。律壓縮特性具有奇對(duì)稱性，x<0時(shí)y取“-”。②

A壓縮律xy11-1-10A=1A=87.61/AA律壓縮特性曲線

由特性曲線以及公式可以看出：在區(qū)間是直線段，直線的斜率為在區(qū)間是曲線段，曲線的斜率為

A律壓縮器輸入輸出之間的關(guān)系（壓縮特性）滿足下式：

式中y表示壓縮器歸一化的輸出，x表示壓縮器歸一化的輸入A律壓縮特性具有奇對(duì)稱性，x>0時(shí)y取“+”，x<0時(shí)y取“-”。③A律13折線壓縮特性yx11/21/41/81/161/321/641/12817/86/85/84/83/82/81/81/481/2716254483162161斜率段號(hào)各段斜率

1

2345

678A=87.6時(shí)的A律壓縮特性表2-2A=87.6與13折線壓縮特性比較11214181161321641128按13折線關(guān)系求得x111.9813.417.8115.4130.6160.61128按A=87.6關(guān)系求得x17868584838281

8yx

A律13折線壓擴(kuò)特性如圖所示。在下面分析中僅考慮信號(hào)大于零的情況，對(duì)于信號(hào)小于零的情況利用奇對(duì)稱性可方便的得出。具體方法是：對(duì)x軸在0~1歸一化范圍內(nèi)以1/2遞減規(guī)律分成8個(gè)不均勻段，其分段點(diǎn)為

對(duì)y軸在0~1歸一化范圍內(nèi)以均勻分段方式分成8個(gè)均勻段，其分段點(diǎn)為

x軸、y軸相應(yīng)分段線在xy平面上交點(diǎn)連線就是各段的折線。圖中有8段折線，這就是A律13折線壓縮特性。為什么是13折線呢？各段折線的斜率如表所示。

由表可見(jiàn)，由于第1段與第2段直線斜率一樣，所以在信號(hào)大于0的區(qū)域里共有7段直線，根據(jù)奇對(duì)稱性，在信號(hào)小于0的區(qū)域里也有7段直線，其中信號(hào)過(guò)0點(diǎn)的直線斜率一樣，所以在整個(gè)量化區(qū)內(nèi)共有13段折線。3、脈沖編碼調(diào)制(PCM)編碼

就是將離散值變成二進(jìn)制碼元的過(guò)程

模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，還需進(jìn)行編碼處理，才能使離散值形成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)形式。所謂編碼就是將離散值變成二進(jìn)制碼元的過(guò)程。由于二進(jìn)制碼除了電路容易實(shí)現(xiàn)外，還可以經(jīng)受較高噪聲電平的干擾，并易于再生。因此PCM中都采用二元碼。在實(shí)際設(shè)備中，量化編碼是一步完成的，叫量化編碼器，簡(jiǎn)稱編碼器。（1）碼字碼型

在編碼時(shí)，每個(gè)量化級(jí)都是用一定位數(shù)所組成的二進(jìn)制碼來(lái)表示的，這一組二進(jìn)制碼就稱為碼字。碼字中碼位的整體編排方式稱之碼型。

PCM中常用的碼型有三種：即自然二進(jìn)碼、折疊二進(jìn)碼和循環(huán)二進(jìn)碼(格雷碼）。

一個(gè)碼字由幾位二進(jìn)制碼組成取決于量化級(jí)數(shù)N的大小。如N=256來(lái)說(shuō)，碼字由8位組成。

PCM中常用的碼型有三種：即自然二進(jìn)碼、折疊二進(jìn)碼和循環(huán)二進(jìn)碼(格雷碼），表中列出了16級(jí)量化時(shí)(n=4)，這三種碼字的編碼情況。量化電平序號(hào)信號(hào)極性自然二進(jìn)碼a1a2a3a4折疊二進(jìn)碼a1a2a3a4循環(huán)二進(jìn)碼a1a2a3a415正極性部分1111111110001411101110100113110111011011121100110010101110111011111010101010101111910011001110181000100011007負(fù)極性部分0111000001006011000010101501010010011140100001101103001101000010200100101001110001011000010000001110000三種常用的二進(jìn)碼型格雷碼A律13折線PCM—30/32路集群設(shè)備中所采用的碼型。(2)A律13折線編碼yx11/21/41/81/161/321/641/12817/86/85/84/83/82/81/8

1

2345

678x5x6x7x8x2x3x4x1段內(nèi)碼段落碼幅度碼極性碼碼位安排每一量化段均勻分為16等分10248512725661285644323162161個(gè)數(shù)段號(hào)各段包含最小量化級(jí)

的個(gè)數(shù)正為1負(fù)為0

8個(gè)非均勻量化段每段內(nèi)16個(gè)均勻量化級(jí)

在我國(guó)PCM通信中采用A律13折線壓縮特性進(jìn)行編碼。編碼的基本原理是：將A律13折線的正負(fù)16個(gè)量化段，每一量化段均勻分為16等分。共有量化級(jí)為

N=8(段)×16(等分)×2(正負(fù)級(jí))=256所需編碼長(zhǎng)度n為極性碼幅度碼段落碼段內(nèi)碼x1x2x3x4x5x6x7x8①碼位安排正為1負(fù)為08個(gè)非均勻大量化段每段內(nèi)的16個(gè)均勻量化級(jí)②編碼特點(diǎn)

各段量化間隔不同，如第1、2段的歸一化間隔為1/128，均勻分為16即，則量化間隔為而第8段的量化間隔為

采用A律13折線壓縮特性進(jìn)行幅度編碼，小信號(hào)時(shí)的量化間隔達(dá)到1/2048，若采用均勻量化需要11位碼位。而非均勻量化只需要7位就可以保證小信號(hào)的量化信噪比。采用7位編碼可使PCM編譯碼設(shè)備得到簡(jiǎn)化，傳輸?shù)男畔⑺俾氏鄳?yīng)減少，系統(tǒng)的信號(hào)帶寬也相應(yīng)減小。例3-1設(shè)樣值脈沖IC=+1270

，采用逐次比較型編碼，按A

率13折線特性編成8位碼x1

x8。解：(1)確定極性碼，IC>0，x1=1(2)確定段落碼第一次比較，Is=128，

IC=+1270>Is，x2=1，在后四大段。第二次比較，Is=512，

IC=+1270>Is，x3=1，在7、8大段。第三次比較，Is=1024，IC=+1270>Is，x4=1，在8大段。(3)確定段內(nèi)碼段內(nèi)均勻分16個(gè)小段，每一小段的量化級(jí)為’=1024/16=64第四次比較，Is=1024+8’=1024+8×64=1536，

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

x8是11110011其量化誤差為1270－1216=54

小于第8大段的量化級(jí)’=64作業(yè)：設(shè)樣值脈沖IC=+529

，采用逐次比較型編碼，按A率13折線特性編成8位碼x1

x8。4、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制是一種壓縮編碼。

自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制是一種壓縮編碼。采用PCM編碼進(jìn)行話音傳輸時(shí)，為了保證話音的傳輸質(zhì)量，需要8kHz的采樣速率，用8位的二進(jìn)制進(jìn)行A律或

律量化編碼，則傳送的碼速率為64kb/s，其傳送頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬信號(hào)本身的頻帶。為了降低碼速率、提高頻帶利用率，人們幾十年來(lái)一直在研究壓縮編碼的問(wèn)題。自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)是話音編碼中復(fù)雜度較低的一種方法，它能在32kb/s數(shù)碼率的條件下達(dá)到符合64kb/s(PCM)數(shù)碼率的話音質(zhì)量要求。自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)是在差分脈碼調(diào)制(DPCM)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此先介紹DPCMd(0)（1）差分脈碼調(diào)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)樣值序列延遲T+S(k)S(k-1)d(k)樣值序列的恢復(fù)DPCM的基本思想0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4T差分脈碼調(diào)制是利用話音信號(hào)（圖像信號(hào)）相鄰樣值之間相關(guān)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，通過(guò)傳送相鄰樣點(diǎn)之間的差值，來(lái)有效地壓縮信碼速率。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)；········差分脈碼調(diào)制的基本思想如圖所示，圖為一個(gè)信號(hào)的樣值序列和差值序列。設(shè)信號(hào)樣值序列為S(0)，S(1)，S(2)，S(3)······S(k)。第i個(gè)信號(hào)樣值與第i-1個(gè)信號(hào)樣值之間的差值為d(i)。設(shè)t=0時(shí)刻以前的樣值為0，則根據(jù)圖可以看出在接收端用前一時(shí)刻的樣值與本時(shí)刻的差值相加就可以恢復(fù)出信號(hào)的樣值序列。

前面介紹差分脈碼調(diào)制基本思想時(shí)，是將兩個(gè)相鄰樣值之間的差值直接傳送到接收端，在實(shí)際數(shù)字通信中，傳送的差值信號(hào)必須進(jìn)行量化編碼，會(huì)帶來(lái)量化誤差。在接收端由經(jīng)量化的差值d'(k)形成的前一相鄰樣S'(k)值會(huì)產(chǎn)生誤差，若d(k)量化誤差為e(k)，即d(k)=d'(k)+e(k)，則在接收端會(huì)出現(xiàn)誤差積累。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)；········誤差e(k)為

d(0)tx(t)0T2T3T4T5T6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)樣值序列0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4Td(3)d(4)d(5)d(6)延遲T+S(k)S(k-1)d(k)延遲T+S'(k)S'(k-1)d'(k)樣值序列的恢復(fù)d'(0)d'(1)d'(2)d'(3)d'(4)d'(5)d'(6)

為了防止量化誤差的積累，在發(fā)送端采用重建的方法，見(jiàn)重建值的形成圖。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)；········可見(jiàn)第k點(diǎn)的誤差為e(k)，無(wú)誤差積累。

量化器延遲T編碼解碼++延遲T+Sr(k-1)S(k)Sr(k)d(k)Sr(k)Sr(k-1)d'(k)+++I(k)I’(k)d'(k)-DPCM碼流數(shù)字信道一階DPCM系統(tǒng)原理發(fā)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)重建樣值的形成圖Sr(2)Sr(1)Sr(3)Sr(0)預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)器Sp(k)Sp(k)一階預(yù)測(cè)：Sp(k)=a1Sr(k-1)

自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)是話音壓縮編碼中復(fù)雜度較低的一種方法，它能在32kb/s數(shù)碼率（4位編碼）的條件下達(dá)到符合64kb/s(PCM)數(shù)碼率（8位編碼）的話音質(zhì)量要求。為此，CCITT（國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)，已取消。現(xiàn)由國(guó)際電信聯(lián)盟ITU代替）經(jīng)過(guò)三年多時(shí)間(1981~1984)的討論，提出了32kb/sADPCM作為長(zhǎng)途傳輸中一種新型的國(guó)際通用語(yǔ)音編碼。

ADPCM是在DPCM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，ADPCM的主要改進(jìn)是量化器和預(yù)測(cè)器均采用自適應(yīng)方法。ADPCM由兩種方案：一種是預(yù)測(cè)固定，量化自適應(yīng)；另一種是兼有預(yù)測(cè)自適應(yīng)和量化自適應(yīng)。（2）自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)預(yù)測(cè)自適應(yīng)控制[ai(n)]DPCM系統(tǒng)原理圖Sr(k)量化器預(yù)測(cè)器編碼解碼++預(yù)測(cè)器+SP(k)S(k)Sr(k)d(k)SP(k)d'(k)+++++I(k)I’(k)d'(k)-DPCM碼流信道預(yù)測(cè)自適應(yīng)控制[ai(n)]量化自適應(yīng)控制

(n)

(n)量化自適應(yīng)控制

(n)A前向后向5、增量調(diào)制(

M)（1）簡(jiǎn)單增量調(diào)制原理+-

C(n)=1C(n)=0Q[]數(shù)碼形成延遲T+ê(n)?(n)C(n)解碼延遲T+C'(n)ê'(n)?'(n)+Sp(n)S(n)e(n)+-

M原理e(n)ê(n)量化特性

M是繼PCM之后的又一種量化編碼方法。

M可以看成是脈沖編碼調(diào)制的一種特例，它只編一位碼，這一位碼不是用來(lái)表示信號(hào)樣值的大小，而是表示抽樣時(shí)刻波形的變化趨勢(shì)。

M編碼原理如圖所示，S(n)為輸入信號(hào)S(t)在第n時(shí)刻的抽樣值，Sp(n)為第n時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，Sp(n)=?(n-1)，?(n)為S(n)在第n時(shí)刻的重建樣值。每個(gè)時(shí)刻把信號(hào)S(n)與預(yù)測(cè)值Sp(n)進(jìn)行比較，得到差值信號(hào)e(n)，若e(n)>0，即S(n)>Sp(n)，則量化器Q[]輸出為+

，C(n)編為“1”碼。若e(n)<0，即S(n)<Sp(n)，則量化器Q[]輸出為-

，則C(n)編為“0”碼。量化器Q[]的量化特性如圖所示，量化器輸出只有兩個(gè)電平+

和-

，e(n)>0

時(shí)輸出+

，e(n)<0

時(shí)輸出-

。數(shù)碼形成器實(shí)際就是編碼器，將+

、-

編成一位二進(jìn)制碼。

在接收端，收到的信碼按以下規(guī)則重建信號(hào)：

C'(n)=1，則ê'(n)=+

；

C'(n)=0，則ê'(n)=-

；

經(jīng)延遲與相加電路后，輸出重建信號(hào)?'(n)=ê'(n)+?'(n-1)。若信道傳輸無(wú)誤碼，?'(n)就是發(fā)端的重建信號(hào)?(n)。Q[]數(shù)碼形成延遲T+ê(n)?(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編碼器原理

下面來(lái)分析一下

M系統(tǒng)的工作過(guò)程，先根據(jù)M原理圖分析發(fā)送端編碼原理：

Sp(n)=?(n-1)=Sp(n-1)+ê(n-1);

設(shè)Sp(0)=0;則

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)＋△;解碼延遲T+C'(n)ê'(n)?'(n)tê'(n)

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

t?'(n)C(n)

000101111110100

M譯碼原理再根據(jù)M原理圖分析接收端解碼原理：

經(jīng)過(guò)濾波器濾除高頻分量，可還原原始信號(hào)。設(shè)比較器+Sp(t)S(t)e(t)+-積分器脈沖發(fā)生器抽樣定時(shí)脈沖發(fā)生器積分器低通濾波

M硬件實(shí)現(xiàn)ê(n)ê(n)C(n)S’(t)Q[]數(shù)碼形成延遲T+ê(n)?(n)C(n)解碼延遲T+C'(n)ê'(n)?'(n)+Sp(n)S(n)e(n)+-

M原理△ê(t)Sp(t)ttS(t)C(n)01111110100

0

0

0

1比較器+Sp(t)S(t)e(t)+-積分器脈沖發(fā)生器抽樣定時(shí)發(fā)送端

M

編碼器C(n)ê(t)TS

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

000101111110100?'(t)tS'(t)脈沖發(fā)生器積分器低通濾波C'(n)ê'(t)?'(t)接收端△M譯碼器S'(t)tê'(t)隨著對(duì)衛(wèi)星通信容量的要求迅速增長(zhǎng)以及微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字衛(wèi)星通信技術(shù)得到了很快的發(fā)展。和模擬通信系統(tǒng)相比，數(shù)字通信系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：多址連接能增大傳輸容量。能夠把傳輸速率不同的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)用和多址連接，便于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)配合工作以及和地面通信網(wǎng)的連接。便于進(jìn)行糾錯(cuò)和加密

便于利用大規(guī)模集成電路及其他先進(jìn)技術(shù)，從而降低成本。3.3.2數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本調(diào)制方式有三種，即幅度鍵控（ASK）頻移鍵控（FSK）相移鍵控（PSK）數(shù)字信號(hào)的調(diào)制利用基帶數(shù)字信號(hào)S(t)對(duì)載頻為ωc的正弦波幅度進(jìn)行控制的方式，叫做調(diào)幅，也叫做幅度鍵控，記為ASK。1、幅度鍵控（ASK）一般表達(dá)式：基帶數(shù)字信號(hào)高頻載波數(shù)字鍵控調(diào)幅器框圖

由基帶數(shù)字信號(hào)控制一開關(guān)電路。當(dāng)“1”碼時(shí)開關(guān)閉合，高頻載波輸出。當(dāng)“0”碼時(shí)開關(guān)斷開，無(wú)高頻載波輸出。幅度鍵控信號(hào)波形調(diào)幅信號(hào)產(chǎn)生的原理圖（a）圖中兩個(gè)二極管的導(dǎo)通與截止受基帶信號(hào)控制。（b）圖中三極管的導(dǎo)通與截止受基帶信號(hào)控制。2、頻移鍵控（FSK）

用基帶數(shù)字信號(hào)S(t)對(duì)載波的瞬時(shí)頻率進(jìn)行控制的方式，叫做調(diào)頻。在數(shù)字通信中，稱為頻移鍵控（或頻率鍵控），記為FSK。已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：頻移鍵控信號(hào)波形基帶信號(hào)相位不連續(xù)相位連續(xù)FSK信號(hào)產(chǎn)生電路的一種形式

晶體管及LC1回路組成一個(gè)振蕩器，振蕩頻率主要由回路參數(shù)L、C1、C2決定?；鶐盘?hào)S(t)是雙極性不歸零矩形脈沖。S(t)為正時(shí)，V2V3截止，振蕩頻率由L和C1決定。S(t)為負(fù)時(shí)，V2V3導(dǎo)通，振蕩頻率由L和C1和C2決定。2、相位鍵控（PSK）用基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)載波相位進(jìn)行控制的方式，叫做調(diào)相，在數(shù)字通信中稱之為“相位鍵控”，記為PSK。相位鍵控分為絕對(duì)相位鍵控和相對(duì)相位鍵控（DPSK）兩種。絕對(duì)相位鍵控用未調(diào)載波的相位作為基準(zhǔn)的調(diào)制，叫做絕對(duì)相位鍵控。碼元取“1”時(shí)，已調(diào)高頻振蕩的相位與未調(diào)載波的相位相同；取“0”時(shí)相位相差180°。

采用絕對(duì)方式時(shí)，在接收系統(tǒng)中必須有一個(gè)與發(fā)送系統(tǒng)相同的基準(zhǔn)相位作為參考，以識(shí)別接收到的是“1”碼還是“0”碼。絕對(duì)PSK方式因參考相位的隨機(jī)跳變，存在“倒π”現(xiàn)象或“反相工作”現(xiàn)象。

絕對(duì)PSK信號(hào)的波形基帶數(shù)字信號(hào)載波信號(hào)絕對(duì)相位鍵控信號(hào)相對(duì)相位鍵控利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位差值去表示數(shù)字信息的一種方式。設(shè)本碼元與前一碼元的載波相位差為π時(shí)，代表數(shù)字信息“0”，相鄰碼元載波相位差為0時(shí)，代表數(shù)字信息“1”，則數(shù)字信息序列與相對(duì)PSK信號(hào)的碼元相位關(guān)系如下：

數(shù)字信息

10

11001

相對(duì)PSK信號(hào)相位

0

0π

ππ0π

π

或

ππ

0

00π00相對(duì)PSK信號(hào)的初相特點(diǎn)：當(dāng)數(shù)字信號(hào)是1時(shí)，該碼元的相對(duì)PSK信號(hào)初相與前一碼元的相同；當(dāng)數(shù)字信號(hào)是0時(shí)，該碼元的相對(duì)PSK信號(hào)初相與前一碼元的相差π

。相對(duì)PSK信號(hào)的波形

解調(diào)相對(duì)PSK信號(hào)時(shí)不依賴于某一固定的載波相位參考值，只要前后碼元的相對(duì)相位關(guān)系正確，即可根據(jù)此相位關(guān)系恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。3.4衛(wèi)星通信的多址方式

3.4.1多路復(fù)用方式

將多個(gè)用戶的信息用某種方式連接在一起，用同一信道傳輸，這就是多路復(fù)用。復(fù)用方式頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用碼分復(fù)用(FDM)(TDM)(CDM)頻分多路復(fù)用：各路信號(hào)同時(shí)在同一信道傳輸時(shí)占用不同頻帶。即把各路信號(hào)通過(guò)調(diào)制搬移到不同的頻段，然后在同一信道上同時(shí)傳輸。時(shí)分多路復(fù)用：各路信號(hào)同時(shí)在同一信道傳輸時(shí)占用不同的時(shí)間間隔。具體說(shuō)