現(xiàn)代通信原理01概述

1、鐫程描述 從古到今，人類的社會(huì)活動(dòng)總離不開(kāi)消息的傳 遞和 交換，古代的 消 恵樹(shù). 烽火臺(tái)和驛馬傳 令，以及現(xiàn)代社會(huì)的文字.書(shū)借.電報(bào).電話、廣播.電視.遙控、遙測(cè)等，這些都是消 息傳遞的方式或借息交流的手段。人們可以用 語(yǔ)言. 文字、數(shù)據(jù)或 圖 像等不同 的形式來(lái)表 達(dá)借息。但是這些語(yǔ)首、文字.數(shù)據(jù)或圖像此，通估的本身不是侑息而是消息，侑息是消息中 所包含 的人們?cè)瓉?lái)不知而待知的內(nèi)容。“通侑O根本目的在于傳輸含有借恵的消息，否則，就 失去了通估的意義。基于這種 也就是“借恵傳輸或“消恵鐫程描述實(shí)現(xiàn)通估的方式很多，隨苕社會(huì)的需求、生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,前的通佶越來(lái)越依賴?yán)?“電 來(lái)傳

2、遞消 息的 電通估方式。由于電通估迅準(zhǔn)確、可靠且不受時(shí)間.地點(diǎn)、距離的限制,而近百年來(lái)得到了迅速的發(fā)展和廣乏的應(yīng)用。當(dāng)今，在 自然科學(xué)領(lǐng)域涉及 “通信” 這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，一般均是指“電通信” O 廣義來(lái)講，光通借也屬于電通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。本書(shū)中的通信均指電通僧。通借是一個(gè)廣義的概念，涉及包括雷達(dá). 導(dǎo)航遙控遙測(cè)等軍用尖端技術(shù)和包括數(shù)字電話、廣播電視. 綜合信息網(wǎng). 多媒體寬帶網(wǎng)等現(xiàn)代民用技術(shù)，通借在過(guò)去分為模擬通借和 數(shù)字通估兩個(gè)方面來(lái)研究O隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日靳月異的發(fā)展，數(shù)字通估方式在許多 領(lǐng)域已逐步取帶棋擬通借方式，成為通借的主 流，也成為我們 今天研究的董點(diǎn)。通估系統(tǒng)的核心

3、是估號(hào)設(shè)計(jì)。本課程以通估技術(shù)的發(fā)展.演變?yōu)榫€索，從棋擬到數(shù)字，由淺入深，力求把握通借信號(hào)設(shè)計(jì)的發(fā)展脈絡(luò)和指導(dǎo)思想，用工程數(shù)學(xué)提供的方法準(zhǔn)確表達(dá)和推 導(dǎo)了通借估號(hào)和通侑系統(tǒng)。第章緒論1、2、3、現(xiàn)代通借與信息社會(huì):克服距離障礙，迅速.準(zhǔn)硝傳遞 傳恵，通信發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段，其標(biāo)志性事件分別是: 語(yǔ)言的 產(chǎn)生，使人類有了比較尢逑的表達(dá)和 交洗形式。 文字的產(chǎn)生，增大了交波的距離和波傳的范印刷術(shù)的發(fā)明，使文明傅以保存，世代相傳，傳恵得以擴(kuò) 張。4、電報(bào)、電話、無(wú)線電等技術(shù)的發(fā)展，形成了通借理論和技 術(shù)，形成了現(xiàn)代的通借產(chǎn)業(yè)。5、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、有線及夭線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 使借息交波達(dá)到 了

4、一個(gè)靳的高度。1.1通信糸統(tǒng)的組成*借息化社會(huì)：通借借息技術(shù)服務(wù)行業(yè)在上世紀(jì)末 已成為 世界上般大的 產(chǎn)業(yè)。電話普及率（臺(tái)/100人）2006年底，我固 定電話普及率和移動(dòng)電話普及車(chē)分別達(dá)到614部/百人和35. 3部/百人。電話用戶總數(shù)突破8億戶,移動(dòng)電話用戶總數(shù)突破4. 6億戶。發(fā)展趨勢(shì)A、寬帶化：?jiǎn)文す饫wWDM （波分復(fù)用）DWDM（密集波分復(fù)用）參餌放大器全光網(wǎng)C波段 KU波段 KA波段多波束天線QPSK MSK QAMFDMA TDMA CDMA SDMAB、綜合化：語(yǔ)音、像、數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)。C.個(gè)人化:網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)人借息編碼.數(shù)據(jù)移動(dòng)通似衛(wèi)星移動(dòng)通信。二通信系統(tǒng)棋型X點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通借系統(tǒng)的一

5、般模型信源：信息的發(fā)出者發(fā)送設(shè)備：匹配信源與傳輸媒介，調(diào)制，功卒放大。噪聲源：信號(hào)傳輸時(shí)所受的干擾。接收設(shè)備：完成發(fā)送設(shè)備的反變換，MT號(hào)放大、解調(diào)。 信宿：消息的接收者 借道：信號(hào)傳輸媒介 信息速車(chē)(ai)=log2l/p (ai)單位為比特；一個(gè)二進(jìn)制碼元包含的借息量為1比特。設(shè)一個(gè)英文打字機(jī)總共能?chē)?yán)生32種離散符號(hào)，則需要5位二進(jìn)制 數(shù)字來(lái)表示。設(shè)此打字機(jī)毎 秒能產(chǎn)生10個(gè)符號(hào)，那么作一個(gè)離散借源來(lái)說(shuō)，它產(chǎn)生的二進(jìn) 制信息速車(chē)為5 0比特/秒。2.棧擬通信糸統(tǒng)（旗擬通信糸統(tǒng)如圖中虛線外的部分丿 基帶借號(hào)：沒(méi)有經(jīng)過(guò)髙頻調(diào)制的借號(hào)。比如語(yǔ)復(fù)用的估號(hào),頻率較低?；鶐鬏敚夯鶐Ч捞?hào)不經(jīng)過(guò)調(diào)制直接

6、直接傳輸。調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機(jī)將基帶估號(hào)調(diào)制 到 較髙頻車(chē)進(jìn)行發(fā)送稱為 調(diào)制。解調(diào)：接收端從高頻中取出基帶的過(guò)程稱為解調(diào)。是調(diào)制的逆過(guò)程3 數(shù)學(xué)通信糸統(tǒng)西南科技犬學(xué)信息工程學(xué)院估源編碼：棋擬估號(hào)耍通過(guò)數(shù)字估道傳輸，首 先耍進(jìn)行數(shù)字化處理，包括采樣. 量化. 編碼.2縮等。借源編碼保證了借號(hào)竟邑否進(jìn)入有一定條件限制的數(shù)字信道里。估道編碼：為了在數(shù)字信道里有一定的傳輸質(zhì)量，還耍進(jìn)行借道編碼，包括加擾編碼.糾錯(cuò) 借源解碼：借源編碼的逆過(guò)程。借道解碼：借道編碼的逆過(guò)程。4 數(shù)學(xué)通信糸統(tǒng)的優(yōu)越性(1) 抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字信號(hào)可多次幵生，噪聲不會(huì)累積。 可以自動(dòng)檢錯(cuò).糾錯(cuò)。(2) 具有良好的靈活性和

7、通用性(3) 便于加密。例：待傳送數(shù)字序列X,密碼數(shù)字序列Y。 加密后數(shù)字序列Z二XY模2加解密后ZY二XYY二X (4)數(shù)字通借設(shè)備易于大規(guī)模集成1.2通信糸統(tǒng)的分類一. 按消息的物理特征分類電報(bào)通信系統(tǒng) 電話通借系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通借系統(tǒng) 多媒體通信系統(tǒng)二. 按調(diào)制方式分類基帶傳輸直接傳輸基帶信號(hào)。(2)調(diào)制傳輸將基帶信號(hào)調(diào)制到栽歡后傳輸。 將消息變換為便于傳送的形式例1:天線長(zhǎng)度 工作波長(zhǎng)2 /4 (2=c/f),如果用低頻傳輸，天線尺才太大。例2：放大器的相對(duì)帶寬決定了低頻傳 輸?shù)挠行挷蛔恪?可實(shí)現(xiàn)頻分JCffl 可改善通借系統(tǒng)的性嚴(yán)，：抗低頻干擾。調(diào)制 時(shí)消息攜帶在正弦波或脈沖 序列的

8、參量上， 這些正弦波戒脈沖序列就稱為載波；調(diào)制就是基帶借號(hào)控制載波的某些參數(shù)按照基帶 侑號(hào)的交化規(guī)律而變化。如：某已調(diào)借號(hào)s (t)二Acos (co t+ 6)根據(jù)載波的不同，有：途連續(xù)波調(diào)制播 廣播 廣 聲 體 立傳 數(shù) 厶廠 電 M 無(wú)、 信 波 載Vi八 傳 數(shù)花制輸 傳 據(jù) 數(shù)脈沖調(diào)制沖制 脈調(diào)沖制 脈調(diào)三. 按傳輸信&的特征棋擬通借系統(tǒng)：傳送在時(shí)間和幅度特性上都連續(xù)變化的消息數(shù)字通信系統(tǒng)：傳送在時(shí)間和幅度特性上 都經(jīng)過(guò)離散的消息。J 按通信方式不同單工通傳：通傳雙方單向傳遞信息。雙工通信： 通信雙方同 時(shí)雙向傳遞借息。 半雙工通借:通信雙方雙向 傳遞信恵但不同 時(shí)。發(fā)端一信道一收端

9、(d)(C)1 一 1單工.半雙工和全雙工通借方式示意EB(a)單工； (b)半雙工；(c)全雙工按傳送信&的 復(fù)用 方式頻分3LW：不同借號(hào) 占用 不同 的頻率范圍。時(shí)分復(fù)用：不同借號(hào)占用不同的時(shí)間 睦間。碼分復(fù)用：用正交的脈沖序列攜帶不同借號(hào)。六.按傳輸媒介類型k線通借：雙絞線、雙平行線、同軸電軌、微 帶.波導(dǎo).多芯銅線.光纜等。無(wú)線通信：衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、微波通借.雷達(dá).聲納、遙控遙測(cè)、無(wú)線定位、無(wú)線接入 等。頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)媒介用途3Hz-30 KHz108-104m甚低頻VLF有線線對(duì)、長(zhǎng)波音頻、電話30KHz-300 KHz10l-103m低頻LF有線線對(duì)、長(zhǎng)波導(dǎo)航信標(biāo)300 K

10、Hz -3MHz103-102m中頻MF同軸電纜、中波調(diào)幅中波廣播3 MHz -30 MHz102-10m高頻HF同軸電纜、短波調(diào)幅短波廣播30MHz-300MHz10-lm甚高頻VHF同軸電纜、米波電視、調(diào)頻廣播、空 中管制.機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航300 MHz -3GHzlOO-lOcm特高頻UHF同軸電纜.微帶、 波導(dǎo)、分米波電視、移動(dòng)通信、微 波接力、警戒雷達(dá)3 GHz -30 GHz10-lcrn超高頻SHF波導(dǎo)、厘米波通信衛(wèi)星、制導(dǎo)雷達(dá).炮瞄雷達(dá)30GHz-300 GHz10-lnmi極高頻EHF波導(dǎo)、毫米波近距離高精度雷達(dá)、射電天文10T07 GHz3*10（-4）一3*10（ -光波段光纖、

11、激光空間 傳播光通信狹義估道：傳輸媒介。調(diào)制信道：包括傳輸媒介及收發(fā)轉(zhuǎn)換等棋擬部 分。廣義估道：還包括調(diào)制借道之外的編碼估道。按不同的分類方式，借道可分為希線估道和無(wú) 線借道、調(diào)制借道和編碼借道、線性借道和非 線性侑道.記憶估道和不記憶借道、恒參信道 和變參信道等。對(duì)于線性信道:e (t)K(t)E0(t)h(t)e0(t)=k(t)e.(t)+h(t)其中：K(t)稱為乘性干擾,如畸變、衰落、交 調(diào)和互調(diào)等。h(t)稱為加性干擾.如白燥聲 各種 地面和空間的干擾等。對(duì)于編碼估道:為收0發(fā)0的概卒。其中：p (0/0)PPP(1/0)為收1發(fā)0的概率。(0/1)為收0發(fā)1的概率。(1/1)為收

12、1發(fā)1的概率。如果P (0/1)二P (1/0),則稱此估道為對(duì)稱估道。對(duì)于電話借道，基本上是對(duì)稱估道。對(duì)于INTERNET網(wǎng),由于下行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行數(shù) 據(jù)量，稱為不對(duì)稱估道。對(duì)于變參借道:例如移動(dòng)通借，由于借號(hào)在傳輸過(guò)程 中經(jīng)過(guò)多種路程:到達(dá)移動(dòng)臺(tái)，形成多悝衰落，使信道參數(shù)隨距離而變化。以舉兩悝為例：射 發(fā)波波 收 接時(shí)域|7 t頻域F(1+o XI7 BE/2 (to+e-JCOT JO3ZMV rR(o)2CO OF(JWT一一 吸 + + e Z昨 D - T R 幅.e-J西南科技犬學(xué)信息工程學(xué)院兩飪衰落的結(jié)果相當(dāng)與在單悝接收借號(hào)的基礎(chǔ)上調(diào)制了一個(gè)T （時(shí)延， 與位置有關(guān)）的余弦

13、函數(shù)，逍成接收信 號(hào)的幅度忽大忽4、，接收效果時(shí)好時(shí)壞。1.3通信糸統(tǒng)的性能度量通借系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)有效性：借道一定時(shí)，系統(tǒng)翁邑夠傳輸傳息內(nèi)容 的多少。可靠性:系統(tǒng)接收端恢復(fù)信恵的準(zhǔn)確程度。二.對(duì)于模擬通借系統(tǒng)有效性-一在給定借道帶寬內(nèi)，能容 納多少的通借路數(shù)；也可用傳單路借號(hào)的有效帶寬來(lái)衡 量?？煽啃砸?通借JR統(tǒng)接收端的輸出信號(hào)噪聲功率比(SNR, Signal Noise Ratio)三.數(shù)字通估系統(tǒng)有效性一用 信號(hào)的 傳輸速卒來(lái)衡量;碼元傳輸速車(chē)（Rb）: （波特車(chē)）單位時(shí)間負(fù)邑夠傳送的碼元數(shù)。毎個(gè)碼元傳輸所占用的時(shí)間Tb為碼長(zhǎng)，則Rg=l/Tg （波特，Baud） o若碼元為二進(jìn)制一R

14、B2,若為M進(jìn)制一Rbm，Rb2 二 RbM，1002“單位時(shí)間矣邑夠傳送的信息量借息傳輸速率（Rb）:（bits/s）o （比特率）Rb=RBM*log2M 比特/秒RbM二瓦/1。82” 波特可靠性一傳輸產(chǎn)生的錯(cuò)淚概率;誤碼率Pb二接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)/發(fā)出的總碼元數(shù)誤比特 率Pb二接收的錯(cuò)誤 比特?cái)?shù)/ 發(fā)出的總比特?cái)?shù)；為了獲傅通估中所需的有效性和可靠性 產(chǎn) 生了估息處理技術(shù)。佶息處理技術(shù)是現(xiàn)代借息工程的核心技術(shù)。的是為了提髙系統(tǒng)對(duì)某一方面的耍求.優(yōu)化系統(tǒng)某一方面的性能指標(biāo)。估息處理的主耍手段是編. 譯碼。比如:1、為了提髙系統(tǒng)的有效性,2.為了提高系統(tǒng)的安全性, 來(lái)完成。3.為了提高系統(tǒng)的可

15、靠性,可以通過(guò)借源 可以通過(guò)加密 可以通過(guò)估道通億技忒蛛準(zhǔn)及其制走機(jī)豹通信涉及到雙方或多方，其中包括點(diǎn)與點(diǎn)、 點(diǎn)與端、端與端的信息交互，沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo) 準(zhǔn)顯然是不行的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電有利于系統(tǒng)的異構(gòu)組成，電給 用 戶提供了選擇使用的 靈活性標(biāo)準(zhǔn)化的程度是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要質(zhì) 量指標(biāo)之一r標(biāo)準(zhǔn)的制定，除了技術(shù)的因素之外，還有經(jīng) 濟(jì)，刃至政治的因素標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于技術(shù)的發(fā)展，但有時(shí)各方 喋喋不休的爭(zhēng)執(zhí)對(duì)新技術(shù)的推廣應(yīng)用反而產(chǎn) 生牽制作用ISO 世界上從事國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的最大的纟宗合丿|生官方 機(jī)構(gòu), 由各參與國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織選派代表 組成，成立于1947年I SO的標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程要經(jīng)過(guò)CIS個(gè)階段,即工

16、作草案、建議草案、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案牙口國(guó) 際標(biāo)準(zhǔn) ISO下設(shè)近200個(gè)TC （技術(shù)委員會(huì)）,其中TC97 負(fù)責(zé)IT技術(shù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。TC97又下轄16個(gè) SC （分委會(huì)）和一個(gè)直屬組國(guó)際:際言&冬L織Internat iona1 Standards Oran i zat i onISO SC6為數(shù)據(jù)通信分委會(huì),制定了HDLC （高級(jí)數(shù) 據(jù)鏈路規(guī)程） SC16致力于OSI/RM （開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模 型），后被改組為SC21負(fù)責(zé)解決開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)的信息檢索、傳輸與管理“等問(wèn)題 TC97與國(guó)際電工委員會(huì)（IEC-International Electrotechnical Commissions ）

17、的 TC83 于 1987年成立了一個(gè)新的JTC （聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)） 來(lái)替代TC97 ,該機(jī)構(gòu)名稱是ISO/IEC JTC1Z下 屬各SC仍沿用TC97中的序號(hào)。國(guó)際:際:延/卜匕經(jīng)織蟲(chóng)廠卩曰丄02丄Dr弓巫I i t i cnITIT成立于1932年，后成為聯(lián)合國(guó)下屬機(jī)構(gòu)。其 前身為始建于1865年的國(guó)際電報(bào)聯(lián)合會(huì) (UTI) ITU的宗旨-維護(hù)與發(fā)展成員國(guó)之間的國(guó)際合作以改進(jìn)和共享 各和電信*支來(lái)-幫助發(fā)展中國(guó)家大力發(fā)展電信事業(yè);通過(guò)各種手 段促進(jìn)電信技術(shù)設(shè)施和電信網(wǎng)的改進(jìn)與服務(wù)-管理無(wú)線電頻帶的分配與注冊(cè),避免各國(guó)電臺(tái)的 相互干擾。ITU ITU曾下轄總秘書(shū)處、國(guó)際頻率注冊(cè)委員會(huì)（IFR

18、B ）、 國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR ）、國(guó)際電報(bào)電話咨 詢委員會(huì)（CCITT ）和電信發(fā)展局（BDT）五個(gè)常設(shè) 機(jī)構(gòu) CCITT是國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)的法文名稱ComitConsulatif In ternati onal Telegraphigueet Telephonique的縮寫(xiě),它主要由聯(lián)合國(guó)各成員國(guó)的郵政、電報(bào)和電話管理機(jī)構(gòu)的代表組成,是一個(gè)開(kāi)發(fā)全球電信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織該機(jī)構(gòu)已經(jīng)為國(guó)際通信使用的各種通信設(shè)備及規(guī)程 的標(biāo)準(zhǔn)化提出了 系列建議ITUCC ITT的建議標(biāo)準(zhǔn)系列 F系列：有關(guān)電報(bào)、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程信息通信業(yè)務(wù)（傳真、可視圖文等）的定義、操作和服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建議; I系

19、列：有關(guān)數(shù)字網(wǎng)的建議,包括ISDN的若干建議 T系列：有關(guān)終端設(shè)備的若干建議； V系列:有關(guān)在電話網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的若干建議 X系列：有關(guān)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的若干建議。ITU 1993年3月起，ITU下屬的IFBR改稱無(wú)線 通信部（RS ） , BDT改稱電信發(fā)展部（TDS） CCITT與CCIR合并為電信標(biāo)準(zhǔn)化部 （TSS）,簡(jiǎn)稱ITU-T ITU-T由一個(gè)常設(shè)職能部門(mén)TSB （電信標(biāo) 準(zhǔn)局）和許多SG （硏究小組）構(gòu)成 ITU-T目前正與ISO合作z共同制定數(shù)據(jù) 活借I總住IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作還有美國(guó)的_個(gè)重要組織IEEE 的參與，它是全球最大的專業(yè)學(xué)術(shù)團(tuán)體，開(kāi)發(fā) 通信和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也是該組織的主要

20、工作其硏究領(lǐng)域主要涉及ISO的物理層與數(shù)據(jù)鏈路 層。例如，IEEE的802委員會(huì)制定的系列標(biāo)準(zhǔn) 已成為當(dāng)今主流的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)除開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)外，IEEE每年還召開(kāi)各種會(huì)議, 出版許多刊物，因此它在世界上具有很高的知 名度電氣與電子工程師學(xué)會(huì)Institute of Electrical and Electronics EngineersEIA另一個(gè)與制定電氣標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的組織是美國(guó) 的EIA該協(xié)會(huì)主要制定過(guò)許多電子傳輸標(biāo)準(zhǔn),包 括ISO的物理層標(biāo)準(zhǔn)它頒布的RS-232和ES-449已經(jīng)成為全球 廣泛采用的DT E和DC E之間串行接口標(biāo)準(zhǔn)電子工業(yè)協(xié)會(huì)Electronic Industries AssociationsANSI美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)雖然只是一個(gè)非官方非 贏利的民間組織，但實(shí)際上卻是全美技術(shù) 情報(bào)交換中心，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化 工作其研究范圍與ISO相對(duì)應(yīng)z它是ISO中美 國(guó)指定的代表 IEEE和EIA都是ANS啲成員美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)American Notional Standard InstituteECMA歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)是由歐洲一些計(jì)算機(jī)廠 商組成的