現(xiàn)代通信原理剖析

1、2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析1 現(xiàn)代通信原理 第一章 緒論 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析2 課程描述課程描述 通信是一個廣義的概念，涉及包括雷達、導航、 遙控遙測等軍用尖端技術和包括數(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，通信在過去分為模擬通信和數(shù)字通信 兩個方面來研究。目前，隨著數(shù)字技術和計算 機技術日新月異的發(fā)展，數(shù)字通信方式在許多 領域已逐步取帶模擬通信方式，成為通信的主 流，也成為我們今天研究的重點。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析3 通信系統(tǒng)的核心是信號設計。本課程以 通信技術的發(fā)展、演變?yōu)榫€索，從模擬 到數(shù)字，由淺入深，力求把握通信信號 設計

2、的發(fā)展脈絡和指導思想，用工程數(shù) 學提供的方法準確表達和推導了通信信 號和通信系統(tǒng)。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析4 第一章緒論 1.1 現(xiàn)代通信與信息社會 v現(xiàn)代通信與信息社會 ：克服距離障礙，迅速、準確傳遞 信息，通信發(fā)展經(jīng)歷了五個階段，其標志性事件分別是： 1、語言的產生，使人類有了比較完整的表達和交流形式。 2、文字的產生，增大了交流的距離和流傳的范圍。 3、印刷術的發(fā)明，使文明得以保存，世代相傳，信息得以擴 張。 4、電報、電話、無線電等技術的發(fā)展，形成了通信理論和技 術，形成了現(xiàn)代的通信產業(yè)。 5、計算機技術、多媒體技術、有線及無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展， 使 信息交流達到了一個新的高

3、度。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析5 1.2 通信系統(tǒng)的組成 v信息化社會：通信信息技術服務行業(yè)在 上世紀末已成為世界上最大的產業(yè)。 v電話普及率（臺/100人） 90年代初:發(fā)達國家50臺/百人。 中國1臺/百人 2000年11月:我國30.2 臺/百人 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析6 截止到2001年11月 q國內固定電話用戶達到了一點七七億戶 q移動電話用戶一點四億戶 q網(wǎng)民近三千萬 q中國已經(jīng)成為世界上僅次于美國的第二 大電信市場。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析7 q發(fā)展趨勢 A、寬帶化：單膜光纖 WDM（波分復用） DWDM（密集波分復用） 參鉺放大器 全光網(wǎng) C波

4、段 KU波段 KA波段 多波束天線 QPSK MSK QAM FDMA TDMA CDMA SDMA B、綜合化：語音、圖像、數(shù)據(jù)等多業(yè)務。 C、個人化：網(wǎng)絡化、個人信息編碼、數(shù)據(jù)移 動通信、衛(wèi)星移動通信。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析8 二. 通信系統(tǒng)模型 信源發(fā)送設備傳輸媒介接收設備信宿 噪聲源 1、點對點通信系統(tǒng)的一般模型 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析9 信源：信息的發(fā)出者，模擬信源和離散信源。 發(fā)送設備：匹配信源與傳輸媒介，調制，功率放大， 以及各種信號處理功能。 噪聲源：信號傳輸時所受的干擾。 接收設備：完成發(fā)送設備的反變換，小信號放大、 解調。 信宿：消息的接收者 信道

5、：信號傳輸媒介 信息速率 自信息量I(ai)=log21/p(ai),單位為比特；一個二 進制碼元包含的信息量為1比特。設一個英文打字機 總共能產生32種離散符號，則需要5位二進制數(shù)字來 表示。設此打字機每秒能產生10個符號,那么作一個 離散信源來說,它產生的二進制信息速率為50比特/ 秒。（書中圖12） 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析10 信源信源編碼信道編碼調制 傳 輸 媒 介 信源譯碼信宿信道譯碼解調 噪聲干擾 2、模擬通信系統(tǒng) （模擬通信系統(tǒng)如圖中虛線外的部分） 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析11 基帶信號：沒有經(jīng)過高頻調制的信號。比如語 音、圖像、數(shù)據(jù)。有時也指經(jīng)過信源編或時

6、分 復用的信號，頻率較低。 基帶傳輸：基帶信號不經(jīng)過調制直接傳輸。 調制：為了有效傳輸，在發(fā)射機將基帶信號調 制到較高頻率進行發(fā)送稱為調制。 解調：接收端從高頻中取出基帶的過程稱為解 調。是調制的逆過程 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析12 3. 數(shù)字通信系統(tǒng) 信源信源編碼信道編碼調制 傳 輸 媒 介 信源譯碼信宿信道譯碼解調 噪聲干擾 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析13 信源編碼：模擬信號要通過數(shù)字信道傳輸，首 先要進行數(shù)字化處理，包括采樣、量化、編碼、 壓縮等。信源編碼保證了信號能否進入有一定 條件限制的數(shù)字信道里。 信道編碼：為了在數(shù)字信道里有一定的傳輸質 量，還要進行信道編碼，包

7、括加擾編碼、糾錯 編碼和多址編碼等。 信源解碼：信源編碼的逆過程。 信道解碼：信道編碼的逆過程。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析14 4. 數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)越性 (1)抗干擾能力強 數(shù)字信號可多次再生，噪聲不會累積。 可以自動檢錯、糾錯。 (2)具有良好的靈活性和通用性 (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=XY -模2加 解密后 ZY=XYY=X (4)數(shù)字通信設備易于大規(guī)模集成 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析15 1.2 通信系統(tǒng)的分類 一. 按消息的物理特征分類 電報通信系統(tǒng) 電話通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 多媒體通信系統(tǒng) 2021-5-20

8、現(xiàn)代通信原理剖析16 二. 按調制方式分類 (1)基帶傳輸-直接傳輸基帶信號。 (2)調制傳輸-將基帶信號調制到載波后傳 輸。 將消息變換為便于傳送的形式 例1:天線長度工作波長/4 (=c/f)，如果用低頻傳輸，天線尺寸太大。 例2：放大器的相對帶寬決定了低頻傳 輸?shù)挠行挷蛔恪?可實現(xiàn)頻分復用 可改善通信系統(tǒng)的性能：抗低頻干擾。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析17 調制時消息攜帶在正弦波或脈沖序列的參量上, 這些正弦波或脈沖序列就稱為載波； 調制就是基帶信號控制載波的某些參數(shù)按照基帶 信號的變化規(guī)律而變化。如：某已調信號 s(t)=Acos(t+) 根據(jù)載波的不同 2021-5-20

9、現(xiàn)代通信原理剖析18 調制方式 用途 連 續(xù) 波 調 制 線性調制 常規(guī)雙邊帶調副AM廣播 抑制載波雙邊帶調幅DSB立體聲廣播 單邊帶調幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳 殘留邊帶調幅VSB廣播電視、數(shù)傳、傳真 非線性調 制 頻率調制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調制PM中間調制方式 數(shù)字調制 幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸 頻率鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信 其它高效數(shù)字調制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信 脈 沖 調 制 脈沖模擬 調制 脈幅調制PAM中間調制方式、遙測 脈寬調制PDM（PWM）中間調制方式 脈位調制PPM遙測、光纖傳輸 脈沖數(shù)

10、字 調制 脈碼調制PCM市話、空間通信 增量調制DM、CVSD、DVSD軍用電話 差分脈碼調制DPCM電視電話、圖像編碼 其它方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析19 三. 按傳輸信號的特征 模擬通信系統(tǒng): 傳送在時間和幅度特性上 都連續(xù)變化的消息。 數(shù)字通信系統(tǒng): 傳送在時間和幅度特性上 都經(jīng)過離散的消息。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析20 四.按通信方式不同 單工通信: 通信雙方單向傳遞信息。 雙工通信: 通信雙方同時雙向傳遞信息。 半雙工通信:通信雙方雙向傳遞信息但不同時。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析21 五. 按傳送信號的復用方

11、式 頻分復用: 不同信號占用不同的頻率范圍。 時分復用: 不同信號占用不同的時間區(qū)間。 碼分復用: 用正交的脈沖序列攜帶不同信號。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析22 六. 按傳輸媒介類型 有線通信：雙絞線、雙平行線、同軸電纜、微 帶、波導、多芯銅線、光纜等。 無線通信：衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、 雷達、聲納、遙控遙測、無線定位、無線接入 等。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析23 頻率范圍波長符號媒介用途 3Hz-30 KHz108-104m甚低頻VLF有線線對、長波音頻、電話 30KHz-300 KHz 104-103m低頻LF有線線對、長波導航信標 300 KHz - 3MHz

12、 103-102m中頻MF同軸電纜、中波調幅中波廣播 3 MHz -30 MHz102-10m高頻HF同軸電纜、短波調幅短波廣播 30MHz- 300MHz 10-1m甚高頻VHF同軸電纜、米波電視、調頻廣播、空 中管制、機場導航 300 MHz - 3GHz 100-10cm特高頻UHF同軸電纜、微帶、 波導、分米波 電視、移動通信、微 波接力、警戒雷達 3 GHz -30 GHz10-1cm超高頻SHF波導、厘米波通信衛(wèi)星、制導雷達、 炮瞄雷達 30GHz-300 GHz 10-1mm極高頻EHF波導、毫米波近距離高精度雷達、 射電天文 105-107 GHz3*10(-4)- 3*10(

13、- 6)cm 光波段光纖、激光空間 傳播 光通信 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析24 信道的定義及分類 狹義信道：傳輸媒介。 調制信道：包括傳輸媒介及收發(fā)轉換等模擬部 分。 廣義信道：還包括調制信道之外的編碼信道。 按不同的分類方式，信道可分為有線信道 和無線信道、調制信道和編碼信道、線性信道 和非線性信道、記憶信道和不記憶信道、恒參 信道和變參信道等。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析25 對于線性信道： 線性網(wǎng)絡 ei(t) Eo(t) h(t) K(t) eo(t)=k(t)ei(t)+h(t) 其中：K(t)K(t)稱為乘性干擾，如畸變、衰落、交 調和互調等。 h(t)h(t)稱

14、為加性干擾，如白燥聲、各種 地面和空間的干擾等。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析26 對于編碼信道： “1” “0” P（1/0） P（0/1） P（1/1） P（0/0） “0” “1” 其中：p（0/0）為收0發(fā)0的概率。 p（1/0）為收1發(fā)0的概率。 p（0/1）為收0發(fā)1的概率。 p（1/1）為收1發(fā)1的概率。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析27 如果P（0/1）=P（1/0），則稱此信道為對稱信道。 對于電話信道，基本上是對稱信道。 對于INTERNET網(wǎng)，由于下行數(shù)據(jù)量遠遠大于上行 數(shù)據(jù)量，稱為不對稱信道。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析28 對于變參信道： 例如移動

15、通信，由于信號在傳輸過程中經(jīng)過多 種路徑到達移動臺，形成多徑衰落，使信道參數(shù) 隨距離而變化。以舉兩徑為例： 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析29 發(fā) 射 波 接收波 時 域 f( t ) r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-) 頻 域 F() R()=VoF()e-jto+VoF()e-j(to+) =VoF()e-jto(1+e-jw) 幅頻特性：R()= R() e-jto1+ e-jw = R() e-jto*2cos(/2) 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析30 兩徑衰落的結果相當與在單徑接收信號的 基礎上調制了一個（時延，與位置有關）的 余弦函數(shù)，造成接收信號的幅度忽

16、大忽小， 接收效果時好時壞。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析31 1.3 通信系統(tǒng)的性能度量 一. 通信系統(tǒng)的質量指標 有效性:信道一定時,系統(tǒng)能夠傳輸信息內容 的多少。 可靠性:系統(tǒng)接收端恢復信息的準確程度。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析32 二. . 對于對于模擬通信系統(tǒng) 有效性-在給定信道帶寬內,能容納多少 的通信路數(shù); 也可用傳單路信號的有效帶寬來衡量。 可靠性-通信系統(tǒng)接收端的輸出信號噪 聲功率比(SNR,Signal Noise Ratio) 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析33 三. 數(shù)字通信系統(tǒng) 有效性用信號的傳輸速率來衡量； 碼元傳輸速率(RB)：單位時間能夠傳送

17、的碼元數(shù)。 （波特率) 每個碼元傳輸所占用的時間TB 為碼長,則 RB=1/TB (波特,Baud)。 若碼元為二進制- RB2,若為M進制RBM， RB2=RBMlog2M 信息傳輸速率(Rb): 單位時間能夠傳送的信息量 (bits/s)。(比特率) Rb=RBMlog2M 比特/秒 RBM=Rb/log2M 波特 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析34 可靠性傳輸產生的錯誤概率； 誤碼率PB=接收的錯誤碼元數(shù)/發(fā)出的總 碼元數(shù)； 誤比特率Pb=接收的錯誤比特數(shù)/發(fā)出的 總比特數(shù)； 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析35 為了獲得通信中所需的有效性和可靠性，產 生了信息處理技術。 信息處理

18、技術是現(xiàn)代信息工程的核心技術。 信息處理的目的是為了提高系統(tǒng)對某一方面的要 求、優(yōu)化系統(tǒng)某一方面的性能指標。 信息處理的主要手段是編、譯碼。比如： 1、為了提高系統(tǒng)的有效性，可以通過信源 編碼來完成。 2、為了提高系統(tǒng)的安全性，可以通過加密 來完成。 3、為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以通過信道 編碼來完成。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析36 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析37 通信涉及到雙方或多方，其中包括點與點、 點與端、端與端的信息交互，沒有相應的標 準顯然是不行的 統(tǒng)一的標準也有利于系統(tǒng)的異構組成，也給 用戶提供了選擇使用的靈活性 標準化的程度是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要質 量指標之一

19、 標準的制定，除了技術的因素之外，還有經(jīng) 濟，乃至政治的因素 標準的制定有利于技術的發(fā)展，但有時各方 喋喋不休的爭執(zhí)對新技術的推廣應用反而產 生牽制作用 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析38 ISOISO 世界上從事國際標準化的最大的綜合性非 官方機構，由各參與國的國家標準化組織 選派代表組成，成立于1947年 ISO的標準制定過程要經(jīng)過四個階段，即 工作草案、建議草案、國際標準草案和國 際標準 ISO下設近200個TC（技術委員會），其中 TC97負責IT技術有關標準的制定。TC97又 下轄16個 SC（分委會）和一個直屬組 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析39 ISOISO SC6為數(shù)

20、據(jù)通信分委會，制定了HDLC（高級數(shù)據(jù) 鏈路規(guī)程） SC16致力于OSI/RM（開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）， 后被改組為SC21負責解決“開放系統(tǒng)互聯(lián)的信 息檢索、傳輸與管理”等問題 TC97與國際電工委員會（IEC-International Electrotechnical Commissions）的TC83于 1987年成立了一個新的JTC（聯(lián)合技術委員會） 來替代TC97，該機構名稱是ISO/IEC JTC1, 下 屬各SC仍沿用TC97中的序號。 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析40 ITUITU 成立于1932年，后成為聯(lián)合國下屬機構。其 前身為始建于1865年的國際電報聯(lián)合會（UT

21、I） ITU的宗旨 維護與發(fā)展成員國之間的國際合作以改進和共享 各種電信技術 幫助發(fā)展中國家大力發(fā)展電信事業(yè)；通過各種手 段促進電信技術設施和電信網(wǎng)的改進與服務 管理無線電頻帶的分配與注冊，避免各國電臺的 相互干擾。 國際電信聯(lián)盟 International Telecommunication Union 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析41 ITUITU ITU曾下轄總秘書處、國際頻率注冊委員會（IFRB）、 國際無線電咨詢委員會（CCIR）、國際電報電話咨 詢委員會（CCITT）和電信發(fā)展局（BDT）五個常設 機構 CCITT是國際電報電話咨詢委員會的法文名稱Comit Consulat

22、if International Telegraphigueet Telephonique的縮寫，它主要由聯(lián)合國各成員國的 郵政、電報和電話管理機構的代表組成，是一個開 發(fā)全球電信技術標準的國際組織 該機構已經(jīng)為國際通信使用的各種通信設備及規(guī)程 的標準化提出了一系列建議 國際電信聯(lián)盟 International Telecommunication Union 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析42 ITUITU CCITTCCITT的建議標準系列的建議標準系列 F F系列系列：有關電報、數(shù)據(jù)傳輸和遠程信息通信業(yè)務 （傳真、可視圖文等）的定義、操作和服 務質量標準的建議； I I系列系列：有關數(shù)

23、字網(wǎng)的建議，包括ISDN的若干建議； T T系列系列：有關終端設備的若干建議； V V系列系列：有關在電話網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)通信的若干建議； X X系列系列：有關數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的若干建議。 國際電信聯(lián)盟 International Telecommunication Union 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析43 ITUITU 1993年3月起，ITU下屬的IFBR改稱無線通 信部（RS），BDT改稱電信發(fā)展部（TDS） CCITT與CCIR合并為電信標準化部（TSS）， 簡稱ITU-T ITU-T由一個常設職能部門TSB（電信標準 局）和許多SG（研究小組）構成 ITU-T目前正與ISO合作，共同

24、制定數(shù)據(jù)通 信標準 國際電信聯(lián)盟 International Telecommunication Union 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析44 IEEEIEEE 國際標準化工作還有美國的一個重要組織IEEE 的參與，它是全球最大的專業(yè)學術團體，開發(fā) 通信和網(wǎng)絡標準也是該組織的主要工作 其研究領域主要涉及ISO的物理層與數(shù)據(jù)鏈路 層。例如，IEEE的802委員會制定的系列標準 已成為當今主流的局域網(wǎng)標準 除開發(fā)標準標準外，IEEE每年還召開各種會議， 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會 Institute of Electrical and Electro

25、nics Engineers 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析45 EIAEIA 另一個與制定電氣標準有關的組織是美國 的EIA 該協(xié)會主要制定過許多電子傳輸標準，包 括ISO的物理層標準 它頒布的RS-232和ES-449已經(jīng)成為全球廣 泛采用的DTE和DCE之間串行接口標準 電子工業(yè)協(xié)會 Electronic Industries Associations 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析46 美國國家標準學會 American National Standard Institute ANSIANSI 美國國家標準學會雖然只是一個非官方非 贏利的民間組織，但實際上卻是全美技術 情報交換中心，并負責協(xié)調美國的標準化 工作 其研究范圍與ISO相對應，它是ISO中美國 指定的代表 IEEE和EIA都是ANSI的成員 2021-5-20現(xiàn)代通信原理剖析47 歐洲計算機制造商協(xié)會 European Computer Manufactures Association ECMAECMA 歐洲計算機制造商協(xié)會是由歐洲一些計算機廠 商組成的標準化與技術評議機構，成立于1961 年，總部在日內瓦 其宗旨在于促進國家和國際機構間的合作，致 力于計算機與通信技術標準的協(xié)調與開發(fā)，主 要活動包括OSI協(xié)議、數(shù)據(jù)網(wǎng)、文本準備與交 換等 ECMA是ISO和ITU-T的無表決權成員，同