卫星应急通信课件.ppt

2.1 卫星应急通信原理,2.1.1 卫星通信的基本概念和特点1. 卫星通信的基本概念卫星通信是指利用人造卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。它是宇宙通信的形式之一。,以宇宙飞行体或通信转发体为对象的无线电通信称为宇宙通信，它包括三种形式：第一，地球站与宇宙站之间的通信；第二，宇宙站之间的通信；第三，通过宇宙站的转发或反射进行地球站之间的通信。通常，人们把第三种形式称为卫星通信。这里所说的地球站是指设在地球表面(包括地面、海洋或大气层)的通信站。而把用于实现通信目的的人造卫星称为通信卫星，其作用相当于离地面很高的中继站。只有当两个地球站能同时“看”到卫星时，才能通过卫星转发无线电信号进行通信。,当卫星的运行轨道属于低轨道且只利用一颗卫星进行通信时，由于地球曲率的存在，那么相距较远的两个地球站就不能同时“看”到卫星了，这时如果要进行远距离实时通信，必须利用多颗低轨道卫星，这种系统就是通常所说的低轨道通信移动卫星通信系统；否则，只能采取延迟转发方式，这种系统称为延迟转发式卫星通信系统。,当卫星运行轨道较高时，相距较远的两个地球站便可以同时“看”到卫星，并且将一个地球站发出的信号，经卫星处理后，立即转发给另一个地球站，因此，这种系统称为立即转发式卫星通信系统。当卫星的运行轨道在赤道平面内，其高度大约为35 800千米时，它的运行方向与地球自转方向相同，围绕地球一周的公转周期大约为24小时，和地球自转周期相等，从地球看去，卫星如同静止的一样，所以，称为静止卫星。利用静止卫星作中继站组成的通信系统称为静止卫星系统，或同步卫星系统。,若以120的等间隔在静止轨道上配置三颗卫星，则在地球表面出现了除两极地区未受到卫星天线波束的覆盖外，其他区域均在覆盖范围内，其中一部分区域还是两个静止卫星天线波束覆盖的重叠地区。因此，借助于重叠地区内地球站的中继，便可以实现在不同卫星覆盖区的地球站间的通信，这样，只要用三颗等间隔配置的静止卫星就可以实现全球通信，这一特点是其他任何通信手段所不具备的。目前，由国际卫星通信组织(INTELSAT)负责建立的世界通信系统就是利用静止卫星实现全球通信的。该全球通信网络担负着大约80%的国际通信业务和全部国际电视转播业务。,2. 卫星通信的特点卫星通信与其他通信手段相比，具有以下特点：(1) 通信距离远，且费用与通信距离无关。利用静止卫星通信，其最大通信距离可达18 000千米左右。而建站费用与维护费用不因地球站之间的距离远近及地理条件的恶劣程度而有所变化。显然，这是地面微波中继通信、光纤通信以及短波通信等其他手段无法比拟的。,(2) 覆盖面积广，可进行多址通信。许多其他类型的通信手段，通常只能实现点对点的通信。而卫星通信，由于它是大面积覆盖，因而只要是在卫星天线波束的覆盖区域内，都可以设置地球站。共用同一颗卫星在这些地球站间进行双边或多边通信，或者说多址通信。(3) 通信频带宽、传输容量大。这是由于卫星通信通常都是使用300MHz以上的微波频段，因而可用频带较宽。目前卫星带宽已达到3000 MHz以上，一颗卫星的通信容量可达到30 000门电话，并可同时传输三路彩色电视以及数据等其他信息。,(4) 机动灵活。卫星通信不仅能作为大型固定地球站之间的远距离干线通信，而且可以在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终端提供通信服务。(5) 通信线路稳定可靠，传输质量高。由于卫星通信的无线电波主要是在大气层以外的宇宙空间中传播，因此传播特性比较稳定。同时它不易受自然条件和干扰的影响，因而传输质量高。,正是由于卫星通信具有上述特点，因此卫星通信作为现代高技术通信手段，与其他通信手段相比，具有无缝隙覆盖、提供多业务和灾害性应急通信等优势。无缝隙覆盖是指卫星通信不受地理条件限制、覆盖范围广，能够涉及地球上的山山水水和外层空间。多业务提供是指现在的卫星通信不单是解决“干线”通信，同时也扮演接入网的角色；不单是解决传输问题，还要解决向用户提供服务，由面向“集团”逐步发展到兼有“个人消费”的服务。从通信到广播、电视，从语音到数据，从低速到高速，从单一信息到多媒体，从固定到移动，卫星通信已经覆盖了几乎所有通信和广播电视领域。灾害性应急通信是指卫星通信中间环节少、机动灵活，在抗击自然等灾害中的通信保障更为可靠便利。因此，实现卫星通信自身可持续发展，是由其独特的优势条件决定的。,卫星通信代表着国家战略利益。由于外层空间蕴涵着巨大的政治、经济和军事利益，各国在外层空间的争夺，特别是对外层空间的轨道位置和频率等稀缺资源的争夺异常激烈。因此，发展壮大卫星通信，对维护我国通信广播卫星空间权益、保证国家安全等战略利益不受侵害具有深远的战略意义。,2.1.2 卫星通信的信道卫星通信经常应用于一些环境比较复杂、移动性比较强的紧急情况下，与其他通信相比，信道变化更加复杂，因此，在系统设计时必须充分考虑各种因素，这样才能保障通信质量，满足人们的使用要求。下面我们对影响系统信道的主要因素作一介绍 。,1. 无线电波传输的链路种类在卫星通信中，不同的无线收/发机建立了各自不同的无线传输链路，综合起来，卫星通信系统中主要包括以下几种类型的无线传输链路：(1) 卫星通信终端和卫星间的链路移动链路(用户链路)。(2) 地面固定设施(包括关口站、卫星测控和网络操作中心等)与非对地静止轨道(GEO)卫星间的链路馈线链路。(3) 卫星之间的链路星际(间)链路。,2. 传输损耗除卫星之间的链路(链路(3)的电波传播环境较简单以外，卫星通信中其他电波传播要经过对流层(含云层和雨层)、平流层直至外层空间，而链路(1)和(2)还会受到高山、植被、建筑物和周围运动物体(如汽车)等的遮挡、反射、折射等，因此，卫星通信的电波传输损耗是自由空间传播损耗和电波传播经过的具体环境引起的损耗之和。,1) 自由空间传播模型自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。与大多数大尺度无线电波传播模型类似，自由空间模型预测接收功率的衰减为T(发射机)-R(接收机)距离的函数(幂函数)。自由空间中距发射机d处天线的接收功率由Friis公式给出,(2.1),其中，Pt为发射功率；Pr(d)是接收功率，为T-R距离的函数；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；d是T-R间距离(m)；L是与传播无关的系统损耗因子；为波长(m)。由式(2.1)自由空间公式可知，接收机功率随T-R距离的平方衰减。,2) 大气损耗电波的传播并非是在真正的自由空间进行的。在地球周围的空间里，电波既要受到电离层中自由电子和离子的吸收，又要受到对流层中氧分子、水蒸气分子、云、雾、雨、雪等的吸收和散射，把这些综合起来，就形成了电波传播的大气损耗。这种损耗与电波的频率、波束的仰角以及大气层的变化等都有密切的关系。,(1) 晴天的大气损耗L。晴天的大气损耗L是电波仰角和频率的函数。在0.310 GHz的频段内，大气损耗L较小，尤其是当仰角高于5时，损耗可以忽略不计。而当频段为30 GHz时，大气损耗在晴天为12 dB，在雨雪天气要严重得多。(2) 坏天气的大气损耗。当电波穿过对流层的雨、雾、云、雪时，有一部分能量被吸收或散射，因而产生损耗。损耗的大小与频率、穿过的路程长度、雨雪的大小及云雾的浓度等因素有关。, 降雨产生的损耗LR。仰角为的传播路径上的降雨衰减量为 (2.2)式中，R为降雨衰减系数(由雨滴引起的单位长度上的衰减，单位为dB/km)；lR()为降雨地区的等效路径长度(当仰角为时，即传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数之比，单位为km)。R和lR()的值可以通过相应的曲线图查得。, 云和雾产生的损耗Lg。 (2.3)式中，f为电波的频率(GHz)；vm为能见度(m)，密雾vm50 m，浓雾50 mvm200 m，中等雾200 mvm500 m。 降雪产生的损耗LS。,(2.4 ),式中，f为工作频率，(GHz)；I为降雪强度(即每小时在单位容器内积雪融化成水的高度)，单位为(mm/h)。当f15 GHz且I4 mm/h时，LS才存在，否则可忽略不计。,3. 地球周围空间对电波传播的影响上面我们论述了电波在地球周围空间传播时的传播损耗。除此之外，电波在上述空间传播时，由于大气层、对流层和电离层对电波作用的结果，电波的传播会有不同程度的衰减和起伏。1) 大气折射的影响(1) 波束上翘且起伏。大气折射率随着高度增加、大气密度减小而减小，电波射线因传播路径上折射率的变化而产生弯曲，波束上翘一个角度增量e。而且这一角度增量还随传播途中大气折射率的变化而变化。,(2) 大气闪烁。由大气折射率的变化引起的电波强度的变化，叫大气闪烁。这种闪烁的衰减周期为数十秒。210 GHz的大气闪烁是由于大气折射率的不规则性导致的电波聚焦与散焦，它与频率无关。当天线为30 m，仰角为5时，电波强度的起伏幅度为0.6 dB，所以，当系统低仰角工作时，应考虑大气折射和大气闪烁引起的电波强度的起伏。,2) 电离层闪烁由于电离层中不均匀体的发生和发展，造成了穿越其中的电波的散射，使得电磁能量在时空中重新分布，因此电波的幅度、相位、到达角、极化状态等发生短期不规则变化。,通过观测数据表明，电离层闪烁发生的频率和强度与时间、地区太阳活动有关，衰减强度与工作频率有关。当工作频率高于1GHz时，电离层闪烁的影响一般较小。但由于卫星通信系统的工作频率一般较低，因此电离层闪烁效应必须考虑。即使是工作在C波段的系统，在地磁低纬度区也会受到电离层闪烁的影响。低纬度区(赤道区)是指地磁赤道及其南北20以内的区域，2050以内为中纬度区，50以上为高纬度区。我国处于世界上两个电离层赤道异常的驼峰区域之一，峰顶对着韶关一带，长江一线以南地区属于低纬度区，南海在地磁赤道附近；长江一线以北地区属于中纬度区，但其中很大一部分属于闪烁增强带，衰减明显大于一般中纬度区。,电离层闪烁影响的频率和地域都较宽，不易通过频率分集、极化分集、扩展频谱等方法解决，例如，在UHF频段，受衰落影响的频域的带宽很宽，3 dB相干带宽超过100 MHz。对闪烁深度大的地区，用编码、交织、重发等技术来克服衰减，减少电离层闪烁的影响；其他地区可用适当增加储备余量的方法克服电离层闪烁的影响。,3) 法拉第旋转由于地球磁场的影响，电离层为各向异性媒质。一个幅度为A的线极化波，可以分解为幅度均为A/2的右旋和左旋圆极化波之和。当左旋和右旋圆极化波通过各向异性的电离层媒质时，两者的传播速度不同，致使两个圆极化波的相位差发生变化。当它们通过电离层后，重新合成的线极化波的极化面以波的传播方向为轴相对于入射波发生了旋转。这种现象就称为法拉第旋转。其旋转方向和旋转角的大小与电波频率、电离层等效电参数(，)、电波传播方向相对于地磁场的取向、传播路径长度等许多因素有关。法拉第旋转角(弧度)可由如下表达式给出,式中，f为电波频率(GHz)；e为电子电荷(C)；m为电子质量(g)；0为真空介电常数；N为电子密度(g/m3)；B为地球磁场的磁通量密度(T)；为传播路径与地球磁场的夹角()；l为在电离层中传播路径的长度(m)。,(2.5 ),当频率小于1 GHz时，法拉第旋转比较明显；而当频率大于10 GHz时，法拉第旋转可忽略不计。因此对UHF和L频段易采用圆极化方式或极化跟踪技术，而对于高频段(10 GHz以上)，则易采用线极化方式。,法拉第旋转的主要危害有以下几点：(1) 电波极化面旋转造成了极化失配损耗；(2) 在双极化频率复用系统中使电波的交叉极化鉴别率恶化，因而使同频道的两个极化波之间发生相互干扰；(3) 在宽带系统中，对于圆极化的天线，其影响表现在给整个带宽内不同频率的信号引入不同的相移，因此造成频率、相位的选择性衰落。,4. 极化误差损耗卫星通信中通常采用圆极化波或线极化波。这两种极化波由于传播环境的影响都会发生这样或那样的变化，从而产生了极化误差损耗。,1) 圆极化波的极化误差损耗一方面，由于极化变换器(一种使电波由波导的线极化变成圆极化或相反变化的装置)的制造、安装和调整总会有一定的误差；另一方面，由于降雨会产生退极化作用等原因，实际上不可能真正做到圆极化，一般都是椭圆极化。我们将椭圆形的长半轴和短半轴这种电场强度之比称为轴比，用来表示圆极化的失圆程度，并把发送波的极化轴比记为Xt，接收设备要求的极化轴比记为Xr。,由于卫星姿态随时间的变化而变化，降雨以及收、发两端的设备不可能做得完全一致的影响，无论在上行线路还是在下行线路，不但Xt与Xr在数值上不一样，而且两种椭圆轴的方向也不能保持一致，故存在一个夹角 (通常以长半轴作为比较参考)，且在一定范围内随机变化。因此，接收端极化变换器输出的线极化波的极化方向，与波导要求输入的极化方向就存在一定的偏离，从而产生了损耗。这个极化误差损耗LP的大小为,(2.6),式中，4Xt Xr项的正负取决于发来的电波极化旋转方向与接收设备所要求的线极化方向是否一致，一致时取“+”，相反时取“-”。对于一定的Xt和Xr，当=90时，LP最大。,2) 线极化波的极化误差损耗线极化波的极化误差损耗可用下式估算 (2.7)式中，为发送波的线极化方向与接收端所要求的线极化方向之间的夹角。,5. 移动卫星通信电波传播的衰落移动卫星通信的电波传播情况和固定卫星通信的不同，即移动卫星通信存在严重的衰落现象。当电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体。当电波经反射散射绕射到达接收天线时，已成为通过各个路径到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成的信号起伏很大，称为多径衰落。当电波途经建筑物、树林等时，也会受到阻挡而被衰减，这种阴影遮蔽对陆地移动卫星通信系统的电波传播影响很大 。,陆地移动卫星通信电波传播的特点是：地面终端的天线除接收直接到达的直射波外，还接收由邻近地面反射来的电波，以及由邻近山峰或其他地形地物散射来的杂散波，电场变化按赖斯(Rice)分布。而地面终端又在移动，从而构成了快衰落，衰落深度可以很大。衰落程度还与终端天线形式有关。如终端天线为全向天线，则不论从任何方向来的电波都同样接收，衰落程度就会大一些。而如果是方向性强的定向天线将波束指向瞄准卫星，其他方向来的电波接收的少一些，衰落深度也小一些。同样，当终端移动时，因为周围环境对卫星的直射波呈现遮挡效应，所以会有更强烈的慢衰落，甚至出现盲区。,海事移动卫星通信多径传播的特点是除直射波外，有来自近处的正常反射波(镜面反射)，还有来自前方较广范围的非正常反射波(杂散波)，当浪高在1m以上时，非正常反射波明显，电场变化按Rice分布。航空移动卫星通信多径传播的特点是除直射波外，还有来自海面较广范围的非正常反射波(杂散波)，具有多普勒频移，电场变化按Rice分布。,在航空移动卫星通信系统中，由于飞机的速度和高度比其他移动站大得多，所以，由表面反射引起的多径衰落不同于其他移动卫星通信系统。陆地和海事系统直射波和反射波之间的传播延迟较小，会引起接收信号幅度和相位的瞬时变化。在航空移动通信系统中，海面漫反射相对于直接分量有较大的传播延迟。事实上，漫反射分量之间也有轻微的延迟，但对于典型数据率传输的航空卫星通信而言，这种延迟可以忽略。,当直射波和反射波之间的传播延迟时差与数据符号时宽可以比拟时，会引起严重的符号间干扰，即频率选择性衰落。传播延迟时差与仰角和高度有关。因为只有当仰角低于30时，漫反射分量才会明显，所以延迟时差一般小于40 s，对于这样的时延，为避免频率选择性衰落，符号速率应小于2400 baud(波特)。,6. 多普勒效应由于通信双方的相对运动，使接收信号的频率发生变化的现象称为多普勒效应。由多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示 (2.8)式中，V为移动站的运动速度；为工作波长；为入射电波与移动站运动方向之间的夹角。,从式(2.8)中可以看出，工作波长越短(或工作频率越高)或者径向速度越高，多普勒频移就越大。在卫星通信系统中，移动站和卫星都可能是运动的，因此，卫星和移动站在接收信号时都会产生多普勒频移。由于多普勒频移的存在，卫星接收到固定地球站发来的信号，频谱发生偏离。同样，卫星转发给移动站的信号，在移动站收到后，也会产生一个频率偏移。运动中的卫星和移动站接收信号所产生的多普勒频移的符号决定于收、发双方之间的相对位置和运动方向。,1) 多普勒频移非地球同步轨道卫星运动引起的多普勒频移比较大。多普勒频移对采用相干解调的数字卫星通信影响较大。在非地球同步轨道(GSO)卫星通信系统中，由于卫星的运动，使得多普勒频移的变化范围较大，并且其大小与卫星轨道高度、轨道类型、地球站纬度和卫星覆盖区的位置等有关。当地球站看到卫星从地平面升起时，有最大的正多普勒频移；当卫星通过地球站正上方时，多普勒频移为零；当卫星从地平面消失时，有最大的负多普勒频移。,对于圆轨道而言，多普勒频移可以用下式来计算： 式中，f0为信号频率(Hz)；c为光速(3108 m/s )；Re为地球半径(6.37106 m)；为地球重力常数(3.986 0051014 m3/s2)；h为轨道高度(m)；为地球站到卫星的仰角；lt为地球站所处的地理纬度；f 为卫星和地球站连线在过星下点的切平面上的投影与星下点沿纬度线方向的切线之间的夹角。,(2.9),当地球站处在赤道上并且位于覆盖区的边缘时，多普勒频移最大，并且有,(2.10),2) 抗多普勒频移的措施多普勒效应使得信号的载波频率发生偏移。如果两个信号的发射频率间隔不够大(小于最大可能的多普勒频移)，则接收端会产生相互干扰；同时，多普勒效应会使载波偏离接收机滤波器中心频率，从而使输出信号幅度下降(窄带滤波器)；另外，它也会造成信号在一个码元的持续时间内有较大的相位误差。我们可以采用下列措施来减小多普勒频移：, 地球站卫星采用闭环频率控制； 卫星上多普勒频移预校正； 接收机频率的预校正； 发射机频率的预校正； 进行系统设计时，工作频率可适当选低一些； 普遍采用差分调制，并且不用相干检测； 选取具有较正多普勒效应功能的解调器。,7. 传播噪声传播噪声是指卫星、卫星通信终端、关口站、卫星网络和测控中心等接收机天线收到的电波传播环境产生的噪声，它包括太阳系噪声、宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、地面噪声和干扰噪声等。实际上，接收机输入端的噪声除了由接收系统(包括接收机、天线及馈线)的外部环境因素引起的传播噪声外，还有接收系统本身的内部噪声。图2.1给出了接收系统内、外噪声的来源。传播噪声的大小可以用天线的等效噪声温度Ta来表示。,图2.1 地球站接收系统的噪声来源,1) 太阳系噪声太阳系噪声是指太阳系中的太阳、各行星及月亮辐射的电磁干扰被天线接收而形成的噪声，其中，太阳是最大热辐射源。天线等效噪声温度中太阳在静寂期间所提供的部分为 (2.11) 式中，是覆盖太阳圆盘那一部分天线波束的增益平均值；L是传播路径中除自由空间传播损耗以外的各种衰减性损耗；Tq是太阳在静寂期的噪声温度，如表2.1所示。,表2.1 太阳静寂期的噪声温度Tq,当太阳黑子活动强烈时，几秒钟内测到的噪声温度要比表中的大102104 K，突发后的几小时内要比静态时大10倍左右，即使天线不对准太阳，其旁瓣收到的噪声也是相当大的。由式(2.11)可见，只要天线不对准太阳，静寂期的太阳噪声对噪声温度的影响不大。其他行星及月亮，除非一个高增益的天线直接指着它，否则对噪声温度也没有显著影响。,2) 宇宙噪声宇宙噪声是外空间星体的热分布及分布在星际空间的物质辐射所形成的噪声。这种噪声在银河系中心的指向上达到最大值(称为热空)，而在天空其他部分的指向上则是很低的(称为冷空)，它是频率的函数。在1GHz以下时，宇宙噪声是传播噪声的主要部分，如图2.2所示，A指向热空，B指向冷空。,图2.2 宇宙噪声和大气噪声(晴朗天气)对地球站天线噪声温度的综合影响,3) 大气噪声电离层和对流层不但对电波产生损耗，而且也因产生电磁辐射而形成噪声。大气噪声主要由氧气和水蒸气构成。大气噪声是频率和仰角的函数，如图2.2所示。 4) 降雨噪声降雨、云和雾在产生电波损耗的同时，也产生噪声，称为降雨噪声。它同雨量、频率、天线仰角有关，如图2.3所示。当频率为4 GHz，天线为低仰角时，大雨对噪声温度的影响可达50100 K，因此，系统在设计时需考虑这些因素。,图2.3 雨及云雾对天线噪声温度的影响,5) 地面噪声从卫星向地球看，平均噪声温度约为254 K，是一个热辐射源。由于卫星天线对准地球，因而地球热噪声是噪声温度的一个重要组成部分。地球站天线，除由其旁瓣、后瓣接收到直接由地球产生的热辐射外，还可能接收到经地面反射的其他辐射。当仰角较小时，地面噪声中对噪声温度影响最大的是副反射面溢出噪声，这是指卡塞格伦天线馈源喇叭的辐射波束主瓣边缘的相当一部分以及其旁瓣是越过副反射面的。当仰角小于30时，天线接收的地面热噪声的量是相当大的。压缩天线的旁瓣及后瓣是天线设计中需考虑的主要问题，它不但对降低地面噪声，而且对降低其他各种传播噪声也有重要意义。,6) 干扰嗓声干扰噪声包括来自其他通信系统，主要是同频段的卫星(移动)通信系统和同频段的微波中继系统的干扰噪声及人为干扰噪声。干扰噪声的大小与干扰的功率、干扰电波的传播环境、收/发天线的增益的方向图函数等许多因素有关。干扰噪声的频谱一般为非白噪声，但不管这些干扰噪声的频谱如何分布，在卫星通信系统的工程计算和设计中，都可采用将它们转化为等效噪声温度的办法而同系统的其他噪声同样对待。,2.1.3 卫星通信的常用技术1. 语音编码随着数字通信技术的发展，语音数字化编码技术得到了迅速发展。20世纪60年代CCITT制定了第1个语音数字化编码标准，即A律或律PCM的G.711标准。此后，CCITT研究开发了多种压缩编码技术，并形成了以波形匹配为目标的波形编码，主要有PCM、DM、ADPCM和以追求人的感知效果(即追求解码语音的可懂度和清晰度)为目标的参量编码(主要有线性预测编码(LPC)和多带激励编码(MBE)两大体系)，另外还有介于波形编码与参量编码之间的混合编码方式，如码激励线性预测编码(CELP)等。,不同的编码方式具有不同的比特传输速率。比特传输速率越低，所需要的信道带宽就越小。卫星通信系统的信道带宽极其有限，而且信道还很昂贵，因此系统倾向于选用较低速率的语音编码方式。但当编码速率低到一定程度时，语音质量将明显下降，其下降程度与编码方式有关。卫星通信对语音编码具有以下的要求： 编码速率低，编码速率一般在1.29.6 kb/s； 在一定编码速率下语音质量尽可能高； 编/解码延时应较短，控制在几十毫秒内。,1) 波形编码波形编码首先对语音波形进行抽样、量化，然后用二进制进行编码，其基本设想是尽可能保持语音波形不失真。这类方法有脉冲编码调制(PCM)、增量调制(DM)和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)等。最常见的语音编码方法是PCM。它按8 kHz抽样，每个样值依A律或律的对数压扩规律编为八位二进制码，因此编码后的传输速率为64 kb/s。,ADPCM是PCM的改进方式，为了克服PCM方式编码后传输速率过高的缺点，ADPCM对输入信号和预测信号的差值进行量化并编码(而PCM是对每个抽样值的绝对值进行量化并编码)，从而消除了信号的部分冗余度，降低了编码信号的传输速率。其中，预测器和量化器的参数能根据输入信号的统计特性自适应地调整到最佳或接近最佳状态，使ADPCM在采用32 kb/s的传输速率时，能达到与PCM采用64 kb/s的传输速率时近乎相等的通话质量。,波形编码器结构简单，没有充分利用语音信号的冗余特性，只有在较高速率上才能得到满意的语音质量。而当编码速率降低于16 kb/s时，编码语音质量迅速下降，因此波形编码器不适用于移动通信。,2) 参量编码为了克服波形编码信号速率高、占用频带宽的缺点，提出了参量编码的概念。参量编码仅仅对反映语音信号特征的参量进行编码并传输，而不对语音信号的时域波形进行编码，从而大大降低了编码信号的速率。典型的参量编码是线性预测编码(Linear Prediction Coding，LPC)。虽然LPC的指标不能很好地满足数字移动通信系统的要求，但它包含了参量编码的基本概念，也是低速率数字语音编码技术的发展基础。目前，在数字移动通信中采用的几种高质量低速率的语音编码，都是LPC的改进型。,利用线性预测技术对语音进行分析合成的系统称为LPC声码器。在经典的LPC声码器中，发送端将提取语音的线性预测系数、基音周期、清浊音判决信息以及增益参数，然后进行量化编码；在接收端则利用线性预测语音产生模型来恢复原始语音。LPC声码器速率范围为2.44.8 kb/s，属于低速率压缩编码，所以语音质量不是太令人满意。因此，在卫星通信系统中应用较少。LPC语音编码和解码技术原理框图如图2.4所示。,图2.4 LPC语音编、解码器原理框图,3) 混合编码混合编码方式是在LPC的基础上，采用了以下几种改进措施： 改善激励源，用更合理、更精确的激励信号源代替简单、粗糙的二元激励； 在编码器中除采用短时预测外，再加入长时预测，语音信号的短时相关性表征谱包络，而长时相关性则表征谱的精细结构； 采用合成分析法，使重建语音与原始语音的误差最小；, 在编码器中加入感觉加权滤波器，使实际误差信号谱有与语音信号谱相似的包络形状，也就是使编码器具有波形编码的特点，从而使重建的语音信号有较好的自然度。在数字移动通信中常用的混合编码方式有：规则脉冲激励线性预测编码(RPE-LTP)、码激励线性预测编码(CELP)、矢量和激励线性预测编码(VSELP)、短时延码激励线性预测编码(LD-CELP)和多带激励编码(MBE)。在卫星通信中，后三种用得较多。,(1) 短时延码激励线性预测编码。短时延码激励线性预测编码使用后向自适应预测，其算法时延为0.625 ms，一路编码时延小于2 ms。它仍采用合成分析算法进行码本搜索和感觉加权矢量量化技术。LD-CELP方案只传输激励矢量的标号。这个编码方案是由AT&T提交给ITU-T于1991年11月通过的，作为ITU-T 16 kb/s语音编码的标准G .728。图2.5给出了LD-CELP编译码器的原理图。它的激励码本中共有1024个5维的矢量，因此码本标号采用10比特编码。,图2.5 短时延码激励线性预测(LD-CELP)编、译码器,首先将语音信号进行均匀量化，然后取五个连续的语音样点Su(5n)、Su(5n+1)、Su(5n+4)，组成一个5维语音矢量S(n)=Su(5n)、Su(5n+1)、Su(5n+4)。根据该语音矢量源，编码器利用合成分析法(A-B-S)从码本中搜索出最佳码矢量，将相应的10 bit的码本标号送出去。如图2.5所示，综合滤波器LP系数是用先前量化过的语音信号经过后向预测适配器来提取和更新的，每四个相邻的输入矢量(共20个样点)构成一个自适应周期，每周期更新一次LP系数。激励的增益也是利用先前的量化激励信号的增益信息经过后向增益适配器逐矢量地进行提取和更新的。,解码操作也是逐个矢量进行的，根据接收到的10 bit码本标号，从激励码本中找到相应的激励矢量，经过增益调整后得到激励信号。将激励信号输入综合滤波器，合成语音信号，再将合成语音信号进行自适应后滤波处理，增强语音的主观感觉质量。LD-CELP方案虽然编码后的比特速率较高(16 kb/s)，但此时的MOS也较高，可达4.173，其优点是一路的编码时延小于2 ms。,(2) 多带激励编码。语音短时谱分析表明，大多数语音段都含有周期和非周期两种成分，因此很难说某段语音是清音还是浊音。传统声码器，如线性预测声码器，采用二元模型，认为语音段不是浊音就是清音。浊音段采用周期信号，清音段采用白噪声激励声道滤波器合成语音，这种语音生成模型不符合实际语音特点。人耳听觉过程是对语音信号进行短时谱分析的过程，可以认为人耳能够分辨短时谱中的噪声区和周期区。因此，传统声码器合成的语音听起来合成声重、自然度差。这类声码器还有其他一些弱点，例如：基音周期参数提取不准确、语音发声模型同有些音不符、容忍讲话环境噪声能力差等，这些都是影响合成语音质量的因素。,多带激励语音编码方案突破了传统线性预测声码器整带二元激励模型，它将语音谱按基音谐波频率分成若干个带，对各带信号分别判断是属于浊音还是属于清音，然后根据各带清、浊音的情况，分别采用白噪声或正弦产生其合成信号，最后将各带信号相加，形成全带合成语音。在分析过程中采用了类似于A-B-S的方法，提高了语音参数提取的准确性，在1.24.8 kb/s速率上能够合成出具有较好的自然度和较强的容忍环境噪声能力的语音。,图2.6给出了MBE编、解码器的原理框图。语音信号经过高通滤波、低通滤波及加窗处理后提出基音周期的粗估值，然后在粗估值的周围进行细搜索，找到基音周期的准确值，这样做可以减小运算量，得到基音周期准确值后，根据此值计算各带拟合误差，判断各带是属于浊音区还是清音区，并计算出各谐波的谱幅度值；最后将这些参数量化编码，传送给解码器。解码器根据这些参数，浊音带的各谐波采用正弦信号激励在时域合成；清音带则采用白噪声激励在频域合成，再经过逆FFT变换成时域信号，最后将它们相加，形成完整的合成语音。,图2.6 多带激励(MBE)编、解码器的原理框图,2. 信道编码卫星通信信道上既有加性干扰又有乘性干扰。加性干扰是由白噪声引起的，乘性干扰是由衰落引起的。白噪声将导致传输信号发生随机错误；而衰落则将导致传输信号发生突发错误。因此在卫星通信系统中，对信号必须进行差错控制编码。差错控制编码的思路是在发送端将被传送的信息码元序列中增加一些监督码。这些监督码是以信息码为基础，按照某种规则产生的。发送端将信息码和监督码组合而成的码元序列送入信道，接收端收到该序列后，依照约定的编译码规则检验监督码与信息码之间的约束关系。,一旦传输过程中发生差错，则信息码与监督码之间的这种约束关系将受到破坏，从而可发现差错，接收端在检测出差错后在译码时予以纠正。显然，差错控制编码的检错和纠错能力是以增加所传信息的冗余度来换取的。也就是说，差错控制编码是以降低信道的传输有效性来换取信号传输可靠性的提高的。,差错控制编码的基本工作方式有四种，它们分别是自动重发请求(ARQ)、前向纠错(FEC)、混合纠错(HEC)、信息反馈(IF)。(1) 自动重发请求(也称为检错重发方式)。这种差错控制在发送端对数字信号序列进行分组编码，加入一定多余码元使之具有一定的检错能力，成为能够发现错误的码组。接收端收到码组后，按一定规则对其进行有无错误的判决，并把判决结果(应答信号)通过反馈信道送回发送端。如果有错误，则发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已正确接收到信息为止。ARQ系统组成框图如图2.7所示。,图2.7 ARQ系统组成框图,ARQ包括三种主要类型：发送等待型(SWARQ)、连续工作型和混合型。连续工作型又可分为往返重发N次型(GBNARQ，或称退N类型)和选择性重发类型(SNARQ)两种。发送等待型是一种最基本的ARQ方式。在这种方式下，发送端每发出一个码组，将等待一段时间，以接收应答信号，根据收到的应答信号决定是发下一个新码组还是重发上一码组。此方式多用于半双工通信及数据网之间的通信。,ARQ方式的主要优点是检查错误的结构比较简单，不需要复杂的解码设备，它对于防止信号衰落产生的突发错码特别有效。ARQ的工作原理是只需少量的监督码元(为总码元数的5%20%)就能获得极低的输出误码率，与所用信道的差错统计概率无关，即对信道有良好的适应能力。由于无需纠错，该方式所需的编/译码设备简单。ARQ的缺点是要求双向信道，在信道干扰较大时，组码需要多次重发才能使接收端正常接收，通信效率较低。因此，ARQ不适用于对通信实时性要求较高的场合。,(2) 前向纠错(也称为自动纠错)。在传输过程中，将发送的数字信号按一定的数学关系构成具有纠错能力的码组。当在传输中出现差错时，且错误个数在码的纠错能力内，系统的接收端根据编码规则进行解码，并自动纠正错误，把这种能够实现自动纠错的码称为纠错码。由于这种纠错方式不需要反馈，故称其为前向纠错。图2.8是前向纠错工作方式的示意图。,图2.8 前向纠错的工作方式,从图中我们可以看出信源发出的信息码元经编码、调制后送入信道发向接收端。收到信号经解调后，在开关的控制下，将信息位码元送入缓冲储存器暂时存储等待纠错，同时直接把整个码组的码元(包括信息位和监督位)送入纠错译码器译码，经纠错电路识别每一个码元是否有错。如果有错，送出纠错信号“1”和相应的信息码元在模2加电路中相加，使差错得到纠正。如果原信息的第1位为“0”，受干扰后错成为“1”，则纠错电路识别有错时发出“1”信号到模2加电路和第2位信息码“1”相加，结果1+1=0，输出“1”信号，错误得到了更正。如果无错，纠错电路输出“0”信号，信息码元取值不变。最后，将经过纠错以后的信息码元送给信宿。,这种工作方式的优点是可以单向通信，适用于数据实时性要求较高的通信系统；其缺点是码的结构和电路较复杂，在信道很差时差错严重。(3) 混合纠错。HFC是ARQ和FEC方式的结合，如图2.9所示。发送端送出具有检错和纠错能力的码，接收端收到码后，检查错误情况。如果传输错误少，且在码的纠错能力之内，则自动进行错码纠正；如果信道的干扰严重，错码位数超过了抗干扰码本身的纠错能力，则可经反馈信道请求发送端重发这个码组。,图2.9 HFC的系统框图,HFC方式具有ARQ和FEC两种方式的优点，还弥补了两者的不足，因而大大地提高了通信的可靠性。这种方式特别适用于环路时延大的高速传输系统，如卫星通信等。(4) 信息反馈(也称狭义信息反馈或回程校验方式)。在这种方式中，发送端在发出码组的同时将码组储存起来。接收端在收到信号后，立即将该码组原封不动地通过反馈信道发回到发送端，并与先前储存的该码组进行比较。如果发现与原码组不同，说明码组传输有误，发送端将重发该码组，直至在发送端进行的码组校验正确为止；如果校验正确，则进行下一码组的发送。这种方式在原理上无需进行差错控制编译码，其工作方式本身就有纠错能力。,IF的控制和检错设备比较简单，但它需用和信息传输信道(即前向信道)相同的反馈信道，而且每一码组至少都要传输两次。另外，当接收码组中某一码元从“0”错为“1”，且在反馈回送时恰好该码元又由“1”错为“0”时，将造成接收端误码输出。由于此方式传输效率较低，所以，它只适用于信道差错统计概率较低、具有双向传输信道且对通信速率要求不高的数字通信系统中。,3. 卫星通信的调制方式卫星通信的调制方式可分为功率有效调制和频带有效调制两大类。如果传输信道的频带有用率大于2 bit/s/Hz，则定义此调制方式为频带有效调制方式；在线性加性高斯白噪声的信道上，如果Pe=108时所要求的Eb/N0值小于14 dB，则定义此调制方式为功率有效调制方式。选择调制方式的原则是尽量使已调信号与信道相匹配，才能有较好的应用性能。,卫星通信信道的特点是带宽和功率都受限，同时具有非线性特性、衰落特性和多普勒频移。带宽受限是因为分配给卫星通信业务的带宽远窄于分配给卫星固定通信业务的带宽。功率受限是因为卫星的有效全向辐射功率小，而卫星通信距离远，传输损耗大，移动终端天线直径小，其增益小更加重了功率受限，结果导致解调器输入端的信噪比很低，通常其Eb/N0的值只有510 dB，远低于有线(光纤)通信系统及地面蜂窝移动通信系统(它们的Eb/N0的值通常为3040 dB)。,卫星信道的非线性来自高功率放大器，原因是为充分利用卫星转发器的功率，其行波管放大器(或固态功率放大器)常常工作在非线性的饱和区；其次当通信终端的天线增益较低时，则要求高功率放大器工作在非线性的C类状态。卫星通信信道的衰落特性由遮蔽和多径引起，而多普勒频移由物体移动引起，这些都是移动通信信道所固有的。因此在选择适合卫星通信信道的调制方式时，首先要注意它与系统之间在信噪比方面的配置程度