行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
衛星通訊數位調變與多重進接課程設計與實務之培育研究
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計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-MOE-S-151-004-X3 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 蘇德仁 共同主持人： 劉柄麟 計畫參與人員： 盧建余 趙佩如 唐敏聰 李昌祐 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 11 月 13 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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衛星通訊數位調變與多重進接課程設計與實驗之研究
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計畫類別：□個別型計畫 █整合型計畫
計畫編號：
執行期間：92 年 1 月 1 日至 92 年 12 月 31 日
計畫主持人：蘇 德 仁 教授
執行單位：國立高雄應用科技大學電子系
中 華 民 國九十二年十月三十一日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
衛星通訊數位調變與多重進接課程設計與實驗之研究(2/3)
A design and experiment project in digital modulation
and multiple-access for satellite communication
計畫編號：NSC 92-MOE-S-151-002-X3
執行期限：92 年 1 月 1 日至 92 年 12 月 31 日
主 持 人：蘇 德 仁 國立高雄應用科技大學電子系
E-Mail:stuj@cc.kuas.edu.tw一、中文摘要：
本 計 畫 主 要 是 針 對 衛 星 通 訊 工 程 教 育，提出一個衛星通訊數位調變與多重進 接課程的規劃、設計與實驗。 我們知道任何通訊通道其傳輸頻寬是 有限的，因此如何有效的使用頻寬是必須 的。通常我們會透過所謂的分時多工與分 頻多工來提高頻寬的使用效率，這是利用 不同訊號之間的特性所發展出來的技術。 衛星通訊嚴然已成為現今通訊主流之 一；而數位電路成本越來越低廉，數位訊 號處理的技術也更趨成熟，因此數位通訊 乃是未來通訊的主流[8]。課程的規劃乃是 著重於數位調變的理論基礎。 本研究之主要目的是針對衛星通訊工 程教育，提出一個提昇電子工程系學生衛 星通訊實務能力之教育研究，整合本系師 資之教學研究群，透過經驗交流，提昇學 術研究與實務工作的水準，期能提昇我國 在衛星通訊科技的水準。 本計畫分三年進行研究，今年第二階 段已完成衛星通訊的數位調變與多重進接 課程設計與實驗，經由系統化的實習與實 務課程訓練以及其應用，提升學生對於衛 星通訊系統的實務能力之培育。關鍵詞：
衛星通訊，多重進接，數位 調變，課程設計Abstract
A design and experiment curriculum project in digital modulation and multiple access has been proposed for satellite communication engineering education.
The bandwidth is limited, and it is necessary to use the bandwidth effectively. We promote the efficiency of bandwidth through the technologies of TDM and FDM. We use the orthogonality between different signals to develop TDM and FDM.
The satellite communication has become the one of main technologies of communication. The digital communication will be the major stream in the future, hence the low-cost digital circuits and the ripe skill of DSP. The schedule focused on the fundamental of digital modulation theorem。
The goals of the projects mainly emphasized on the education of satellite communication. We proposed a method to promote the students’ realizable capability of implement of satellite communication systems. In order to raise the level of satellite communication in our country, we can prove
the students’ research capability via the cooperation of the experts.
This main project will be implemented in three stages. In second stage, we have designed experiment project in digital modulation and multiple-access for satellite communication by the systematic courses of the practice. The experimental training applications are adopted to enhance the study of the implementation of satellite communication systems.
Keywords ：
satellite communication,digital modulation ,multiple access, curriculum design
二、緣由與目的：
衛星通訊為一種現代的通訊工具，並 以快速的腳步在世界各地迅速發展，由於 衛星通訊具有覆蓋範圍廣、通訊距離遠、 傳輸容量大、通訊品質高及擴充靈活等優 點，得到廣泛的應用。由於衛星通訊具備 了如此的特性，所以人們能在電話中聽到 遠方親友熟悉而清楚的聲音、在電視螢幕 上 觀 賞 到 世 界 性 體 育 比 賽 現 場 的 精 彩 場 面、能準確而及時的搶救遭遇自然災害或 受困海難的人們‥‥，這些無一不是衛星 通訊的功勞[11]。所以衛星通訊已成為現 代通訊體系中不可或缺，並扮演著舉足輕 重的角色。 1990 年代以衛星通訊為一種現代的通 訊工具，並以快速的腳步在世界各地迅速 發展。在過去的二十多年中，衛星通訊由 於具有覆蓋範圍廣、通訊距離遠、傳輸容 量大、通訊質量高、 擴充靈活等優點，得 到了廣泛的應用。尤其在行動通信、電視 直播、緊急通信和現代戰爭中更是大顯身 手。 隨著數位電路技術和數位信號處理技 術的驚人發展，衛星通訊系統正往數位化 方向迅速邁進。衛星通訊的應用範圍，已 由主要用於國際通訊擴大到國人通訊、區 域通訊和行動通訊。同時，衛星通訊也面 臨著光纖通訊的強大競爭，這也促使衛星 通訊必須進行不斷革命，必須積極採用新 技術和發展新業務，及進一步提高服務質 量、增加通訊容量和降低通訊費用。所以 需要千千萬萬的研究工作者和技術人員為 此貢獻出心力。本整合型計劃希望透過衛 星通訊實務能力之教育研究的完成，能培 育並提昇電子工程系學生在衛星通訊工程 方面更多的人才。 第二年的計畫著重於衛星通訊數位調 變與多重進接之研究與模擬分析。以期達 到訓練學生整合衛星通訊技術之目的，經 由計劃之推動，配合課程安排及進行，期 望電子工程系學生在學習過程中，可以真 正具備衛星通訊之實務人才，以改善並提 昇國家競爭力。三、結果與討論：
衛星通訊數位調變與多重進接課程設 計與實驗之研究成果： (a) 頻 率 區 分 多 重 進 接 (Frequency-Division Multiple Access, FDMA) 實 驗 模擬：[12] (1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參數 分別為 Amp= 1V，Frequency=50Hz 。 Amp= 1V，Frequency=1Hz 。 (2)經過 DSBSC AM 的雙邊帶調變，將其輸 入的實數信號轉換成複數信號。 (3)經過一個 1Hz 的 bandpass filter 和做 離散轉換，離散轉換主要是做 Z 轉換的動 作，其參數設定為 0 . 5 2396 . 3 1113 . 0 4 4 6 − + Z Z Z 。 (4)將 bandpass filter 和離散轉換的輸出 信號用加法器做相加的動作。2 (5)將加法器的輸出再做 bandpass filter 和離散轉換的動作。 (6)分別將 bandpass filter 和離散轉換的 輸出做 DSBSC AM 的解調動作，將其信號從 複數型態回復成實數型態。 (7)最後將解調後的信號放大-1 和–K 倍 後，再將原始信號和放大信號經過多工器 後 ， 即 可 得 到 輸 出 波 形 output1 和 output2。 (8)其系統方塊圖與模擬結果如圖(一)、圖 (二)和圖(三)所示。 圖(一) FDMA 系統方塊圖 圖(二)沒有雜訊(AWGN)時的輸出波形 圖(三)有雜訊(AWGN)時的輸出波形 (b) 時 間 區 分 多 重 進 接 (Time-Division Multiple Access, TDMA) 實驗模擬：[12] (1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參數 分別為 Amp= 1V，Frequency=0.133Hz。 Amp= 1V ， Frequency=0.08Hz 。 和 一 個 square 波 形 輸 入 ， 信 號 參 數 為 Amp=0.5V，Frequency=0.04Hz。 (2)設計一個取樣和擷取電路(sample and hold)。 (3)經過 DPCM encoder，將輸入信號做差 分 脈 衝 編 碼 調 變 (differential pulse code modulation )的處理。輸出可得量化 編碼的信號。 (4)將三個信號做多工處理後，把所得信號 經過經過 D-TDMA MUX 和 D-TDMA DEMUX 的 轉換，再把信號做解多工。 (5) 分 別 將 解 多 工 所 得 的 三 個 信 號 經 過 DPCM decoder，將之前使用差分脈衝編碼 調變的量化信號還原。 (6)將 DPCM decoder 所得的信號和個別的 原來信號做多工的處理後，即可得到輸出 波形 output1、output2 和 output3。 (7) 其系統方塊圖與模擬結果如圖(四)、 圖(五)和圖(六)所示。
圖(四)TDMA 系統方塊圖
圖(五)沒有雜訊(AWGN)時的輸出波形
圖(六)有雜訊(AWGN)時的輸出波形
(C) 碼 區 分 多 重 進 接 (Code-Division Multiple Access , CDMA) 實驗模擬：[12] (1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參數 分別為 Amp=0.01V，Frequency=50Hz， Amp=0.01V，Frequency=1Hz。 (2)使用一個脈衝產生器和 vector 做 Time Delay 的動作，並將兩個 sine 波形做多工 處理後放入 vector。 (3)設計一個 FDMA 的多工器，經過 DSB AM 的雙邊帶調變，將三個輸入的實 數 信 號 轉 換 成 複 數 信 號 ， 再 透 過 一 個 Bandpass filter 後用加法器將三個信號 做相加的動作，其參數設定如 Figure 2 所 示。 (4)設計一個 FDMA 的解多工器，當信號經 過一個 Bandpass filter 後，再透過 DSB AM 的雙邊帶調變，將三個輸入的複數 信號轉換成實數信號後輸出。 (5)將 vector 的輸出經過解多工後，把所 得的信號放入 FDMA MUX 和 FDMA DEMUX， 之後做多工的動作。
4 (6)將 Time Delay 和多工器所得的信號做 vector 後，再將所得的信號做解多工即可 得到輸出波形 output 1 和 output 2。 (7) 其系統方塊圖與模擬結果如圖(七)、 圖(八)和圖(九)所示。 圖(七)CDMA 系統方塊圖 圖(八)沒有雜訊(AWGN)時的輸出波形 圖(九)有雜訊(AWGN)時的輸出波形
四、成果自評：
目前衛星通訊嚴然已成為現代化通訊 主流之一，最主要的原因是因為衛星通訊 提供了優異的通訊品質及高傳輸量，且不 易受地形所限制，大幅提高了使用者的使 用彈性與便利性。舉凡衛星電視的現場轉 播、氣象報導等等都在衛星通訊的範疇之 內；換句話說，衛星通訊早已無聲無息地 融入我們的日常生活之中，許多人蒙受其 利而不自知。正因為如此，對於研究無線 通訊工程領域的人，“衛星通訊”已成為 吾人應積極學習與研究的課題。 本計劃之研究目的，在於強化本系相 關的教學、研究設備，提昇本系師、生在 此重要方向的實務能力。本系所規劃之課 程為先開設通訊相關基礎課程，讓初次進 入通訊領域的學生對於類比調變和數位調 變方式能有基本之認知，並熟悉調變器與 解調器的結構，比較不同系統之傳輸效益 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 1HZ Sine 1及優缺點。有了以上通訊的基本認知後， 預計再開設衛星通訊數位調變與多重進接 的實習課程。在上過理論課程之後，相信 很多學生仍無法體驗出通訊理論中的精隨 所 在 ， 不 免 空 有 理 論 卻 無 實 作 經 驗 之 缺 憾。有鑑於此，特別設計了有關於無線衛 星通訊相關的實習課程。 第二年計畫著重於衛星通訊的多重進 接方式的課程設計與實驗，執行成果為已 完成 FDMA、TDMA 和 CDMA 三種進接方式的 模擬與實驗。實驗階段為先了解各個衛星 系統的進接方式與其基本原理，再藉由功 能強大的 Simulink 來模擬其系統方塊圖並 觀察其輸出結果，經由各個輸出波形的差 異性來了解每個進接系統的優缺點與試用 性。 透過衛星通訊工程教育課程的規劃、 設計與發展，期能在未來帶動並可大幅提 昇我國在衛星科技的水準。
五、參考文獻
[1] “視覺化建模環境 Simulink 入門與進 階”, 鈦思科技股份有先公司. [2] 林傳生 編著, “Matlab 之使用與應 用”,儒林圖書公司 格致圖書公司.[3] Simon Hakin ,”COMMUNICATION SYSTEM”, 4th edition, JohnWilly&Sons,2001. [4] Michel C.Jeruchim, Philip Balaban and K.Sam Shanmugan,
“Simulation of Communication System Modeling ， Methodology ， and Technique” 2th edition, John Willy&Sons,2000.
[5] 張智星 編著, ”MATLAB 程式設計與 應用”,清蔚科技出版. [6] 高銘盛 編著, ”通訊系統實驗”, 高立圖書股份有限公司. [7] 余建政,俞克維,林義隆,白能勝 著,”MATLAB 6.X 使用入門”,新文京開發 出版有限公司. [8] 陳克任 編著, ”衛星通訊 NII 主 角”, 儒林圖書公司 格致圖書公司.
[9] Timothy Pratt , Charles Bostian and Jeremy Allnutt ,”Satellite
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