通信原理课程设计-通信系统网的基本构成及基本工作原理

通信原理课程设计
通信系统网的基本构成及基本工作原理
一、通信系统的组成
通信的目的是传输消息。

消息具有不同的形式，例如：符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。

因而，根据所传递消息的不同，目前通信业务可分为电报、电话、传真、数据传输及可视电话等。

如果从广义的角度看，则广播、电视、雷达、导航、遥测、遥控等也可列入通信的范畴。

通信系统的简化模型
二、通信系统的基本类型
通信系统按照系统组成特和物理特征可分为四大类：微波中继通信、卫星通信、光纤通信、移动通信、扩频通信等。

三、微波通信
微波频段的波长范围为lm～1mm，频率范围为300MHz～300GHz，微波通信是在第二次世界大战后期开始使用的无线电通信技术，经过50年的发展已经获得广泛的应用，微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两类。

模拟微波通信早已发展成熟，并逐渐被数字微波通信取代，
数字微波通信已成为一种重要的传输手段，并与卫星通信，光纤通信一起作为当今三大传输手段。

微波中继通信是利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的无线电通信。

微波频段的波长范围为lm～1mm，频率范围为300MHz～300GHz，可细分为特高频（UHF）频段／分米波频段、超高频（SHF）频段／厘米波频段和极高频（EHF）频段／毫米波频段。

A、B两地问的远距离地面微波中继通信系统的中继示意如图所示。

数字微波通信系统的组成可以是一条主干线,中间有若干支线,其主干线可以长达几百公里甚至几千公里,除了在线路末端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站。

最基本的数字微波通信系统设备由用户终端、交换机、终端复用设备、微波站等组成。

用户终端A通过微波通信系统把信号发给用户终端B的系统工作过程如下图所示。

从发信终端站到收信终端站中间一般要经过若干个微波中继站，中继站中有两组中继机，从一个方向的天线收到的微波信号从某中继机的收信机转接到另一中继机的发信机，在朝另一方向天线发送出去。

数字微波站的主要设备包括微波发信设备、微波收信设备、微波天线设备、电源设备、监测控制设备等。

这里介绍数字微波收发信设备的组成、主要性能指标和中继设备及中继站的转接方式。

在中频调制方式发信设备中，数字微波发信机将中频调制器送来的中频(70MHz)数字调相信号经延时均衡和中频放大后送到发信混频器，与发信本振混频，经过边带滤波器取出所需微波信号，经微波功率放大器放大到
所需功率，再通过分路滤波器送至天线发射。

为保证末级功率放大器不超出直线工作范围，以免产生过大的非线性失真，需采用自动电平控制电路把输出功率维持在合适的电平上。

在发信设备中，信号的调制方式可分为中频调制和微波直接调制。

目前的微波中继系统中大多数采用中频调制方式，勤务信号经常采用微波调制方式。

微波中继工作频段范围很宽，工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。

对于较长距离的微波中继，其主要工作频段是1.7-12 GHz，12GHz以上频段目前使用不多。

我国选用2，4，6，18，11作为微波通信的主要工作频段，其中2，4，6 GHz频段主要用于干线微波中继，2，7，8，11 GHz主要用于支线或专用网。

微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信
机转接信号时的接口频带划分的，分为3种方式：基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式。

基带转接方式：待中继站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。

已调信号经过变频输出载频为f2的微波信号，该信号经微波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。

因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。

模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。

对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。

对再生转接而言，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。

再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。

基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。

采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。

中频转接方式：中间站把来自某一通信方向的载频为f1
的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f2的微波信号。

该信号经微波功放、天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。

因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。

中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解调引入的失真和噪声。

中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。

但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。

对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。

微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频f2，相对于收信载频f1；需要移频，即移频振荡器的频率等于f2与f1之差。

另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益控制措施。

微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。

四、卫星通信
卫星通信是地球上多个地球站（包括陆地、水面和大气层）利用空中人造通信卫星作为中继站而进行的无线电通信。

卫星通信系统是由通信卫星、地球站和跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统。

通信卫星由若干个转发器、数副天线与位置和姿态控制、遥测和指令、电源分系统组成，其主要作用是转发各地球站信号。

地球站由天线、发射、接受、终端分系统及电源、监控和地面设备组成，主要作用是发射和接受用户信号。

跟踪遥测指令站是用来接收卫星发来的信标和各种数据，然后经过分析处理，再向卫星发出指令去控制卫星的位置、姿态及各部分工作状态。

监控管理分系统对在轨卫星的通信性能及参数进行业务开道前的监测和业务开通后的例行监测与控制，以便保证通信卫星的正常运行和工作。

⑴通信卫星主要由五大部分组成.天线分系统、通信分系统、遥测与指令分系统、控制分系统、电源分系统。

天线分系统:天线分系统的主要任务是定向发射和接收无线电信号。

通信卫星的天线有两类：一类是遥测、指令和信标天线，它们一般是全向天线，以便在任意卫星姿态可靠地接收指令和向地面发射遥测数据及信标；另一类是通信天线，它与地面微波通信天线类似。

都采用定向天线，通常按其波束覆盖区的大小分为覆球波束天线、点波束天线、赋形波束天线。

通信分系统:通信分系统就是通常所说的转发器，在通信卫星中直接起中继站作用，完成接收、处理、发射信号作用。

卫星上转发器的数量各不相同，通常把卫星的整个工作频带划分为多个信道，每个信道占用不同的频带，并且有各自的功放。

信道数目就是该卫星的转发器数目。

例如，IS-Ⅳ卫星把整个通信频带（500MHz）划分为12个信道，因此该卫星共有12个转发器。

跟踪、遥测与指令分系统:遥测设备是用各种传感器和敏
感元件等器件不断测得有关卫星姿态及星内各部分工作状态等的数据，经处理后，通过专用的发射机和天线发给地面的跟踪、遥测指令系统。

地面的跟踪、遥测指令系统接收并检测出卫星发来的遥测信号，转送给卫星监控中心进行分析和处理，然后再由地面的跟踪、遥测指令系统向卫星发出有关姿态和位置校正、星体内温度调节、主备用部件切换、转发器增益换档等控制指令信号。

控制分系统:控制分系统是用来对卫星进行各种控制，包括对卫星的位置控制、姿态控制、温度控制、各种设备的工作状态控制及主备用设备切换等。

静止通信卫星上的控制分系统是由一系列机械的或电子的可控调整装置组成，如各种喷气推进器、驱动装置、加热及散热装置，各种转换开关等等。

他是在跟踪、遥测指令系统的指令控制下完成对卫星的各种控制。

⑵卫星通信的线路
在一个卫星通信系统中，各地球站经过通信卫星转发器可以组成多条卫星通信线路。

整个通信系统的全部通信传输工作就是通过这些卫星通信线路完成。

上、下行卫星通信线路: 在卫星通信线路中，把从发信地球站到卫星这一段线路称为上行线路，从卫星到收信地球站这一段线路称为下行线路，上、下行线路和起来就构成一条最简单的单工卫星通信线路。

双工卫星通信线路:当两个地
球站都有收发设备和上、下行线路，而且这两条线路共用一个通信卫星转发传播相反的信号进行通信，就构成了双工卫星通信线路。

单跳单工:单工是指通信的双方分别被固定为发信站和收信站。

发信站发送的信号只经一次卫星转发后就被接收站接收的卫星通信线路叫做单跳单工。

双跳单工:固定为发信站发送的信号经过两次卫星转发后被固定为接收站接收的卫星通信线路叫做双跳单工卫星通信线路。

⑶通信卫星的类型
在卫星通信中所使用的通信卫星必须沿一定的轨道绕地球运行，按运行轨道的不同可把卫星分为不同的类型。

可按卫星运转周期与地球自转周期相同还是不同分为同步卫星和非同步卫星；也可按卫星运行轨道平面与赤道平面的夹角不同分为赤道轨道卫星（夹角为0°）、极轨道卫星（夹角为90°）、倾斜轨道卫星（夹角在0°和90°之间）。

⑷卫星通信的体制
一个通信系统的性能（如通信质量的好坏、传送信息量的大小）与采用的通信体制有着密切联系。

完整的卫星通信体制通常包括：基带信号的类型、基带信号的复用方式、中频（或射频）信号的调制方式、多址联接方式、信道分配方式，目前国内电信部门的地球站大多采用：基带信号为64kbit/s脉码调制信号(PCM)，多路PCM信号采用时分复用，采用四相移相键控，多址方式为频分多址，信道采用预
分配制，简称为PCM/TDM/QPSK/FDMA/PA。

卫星通信所使用的频率范围在微波段(300MHz-300GHz)。

地球站发射，通信卫星接收所使用的频率叫做上行频率；通信卫星发射，地球站接收所使用的频率叫做下行频率。

卫星通信使用的频段主要有：
五、扩频通信
⑴扩频通信的模型:
扩展频谱通信（spread spectrum communication），简称“扩频通信""，是一种信息传输方式。

其特点为：传输信号带宽远远大于发送出去的数字信息带宽。

利用扩频技术，系统频率利用率比频分系统要高。

扩频技术是以香农（shannon）公式作为理论基础而发展的。

香农公式：C=W log2(1+P/N)根据该公式可导出：在保持信息传输速度C不变的情况下，可以用不同频带宽度W和信噪功率比P/N来传输信息；如果增加频带宽度W，就可以在较低的信噪比P/N的情况下来传输信息，甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能保证可靠地通信。

按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信基本方式分为：直序列（direct sequence）扩频、跳频（frequency hopping）、跳时（time hopping）、线性调频（chirp）以及上述几种方式的组合。

扩频通信的一般原理如图1所示。

⑵扩频信号的产生：
结合考虑系统带宽、通信速率和研究的通用性以及实现的复杂性等因素，采用直接序列扩频方法。

数据经过卷积码编码后，与伪随机序列发生器产生的扩频码序列进行模2加，产生的码序列通过调制器转换产生比数字信息的频谱宽得多的调制信号。

系统中最重要的两个流程是编码器和伪随机序列发生器。

该方法的原理框图如图2所示。

⑶直扩通信的优点：
(1) 抗干扰性强
抗干扰是扩频通信主要特性之一,例如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用,而宽带干扰的强度降低了100倍,如要保持原干扰强度,则需加大100倍总功率,这实际上是难以实现的。

因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到,所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码
的情况下,由于不同扩频编码之间的不同的相关性,干扰也不起作用。

(2) 隐蔽性好
因为信号在很宽的频带上被扩展,单位带宽上的功率很小,即信号功率谱密度很低，信号淹没在白噪声之中,外人难以发现信号的存在,加之不知扩频编码,很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对其他电信设备构成干扰。

(3) 抗多径干扰
无线通信中抗多径干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

(4) 直扩通信速率高
直扩通信速率可达2M、8M、11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。

(5) 易于实现码分多址(CDMA)
由于直扩通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码作相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。

充分利用不同码型的扩频编码之间的相关特性，分配给不同用户不同的扩频编码，就可以区别不同的用户的信号，众多用户，只要配对使用自己的扩频编码，就可以互不干扰地同时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，使拥挤的频谱得到充分利用。

发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据;同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信。