現(xiàn)代通信原理講座

1、現(xiàn)代通信原理講座 現(xiàn)代通信原理講座 現(xiàn)代通信原理講座 主要內(nèi)容 1、通信系統(tǒng)組成 2、通信系統(tǒng)中的概念和質(zhì)量指標(biāo) 3、傳輸媒介 4、調(diào)制與解調(diào)理論 5、數(shù)字信號基帶傳輸 6、通信中的同步 參考書：通信原理通信原理-樊昌信等,西安電子科 技大學(xué)出版社 現(xiàn)代通信原理講座 1、通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)的一般組成如圖所示，包括七 部分： (1）信源：消息的來源。模擬信源，電 視、電話等；數(shù)字信源，計算機終端、 水文站、氣象站等。 信 源 信 源 譯 碼 信 源 編 碼 收 信 者 信 道 譯 碼 信 道 編 碼 信 道 現(xiàn)代通信原理講座 通信系統(tǒng)的組成 (2）信源編碼：去掉冗余度的編碼。如： DPCM

2、(差分PCM)、ADPCM(自適應(yīng)差分PCM)、 CVSD（可變斜率增量調(diào)制）、LPC（線性預(yù) 測編碼）、CELP（碼本激勵編碼） (3）信道編碼：實現(xiàn)差錯控制的編碼。如：奇 偶校驗、CRC（循環(huán)碼）、BCH、卷積碼和 TURBO等 現(xiàn)代通信原理講座 通信系統(tǒng)的組成 (4) 信道：信息的傳輸媒介。如：電纜、 光纜、自由空間（微波、特高頻、衛(wèi)星 和移動）等。 (5) 信道譯碼：信道編碼的逆過程。采用 各種解碼算法。 (6) 信源譯碼：信息編碼的逆過程，恢復(fù) 原信息。 現(xiàn)代通信原理講座 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 按通信業(yè)務(wù)不同分類： 按照目前通信業(yè)務(wù)的不同可將通信系統(tǒng)分為電 報通信系統(tǒng)、電話通

3、信系統(tǒng)、傳真通信系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、可視電話系統(tǒng)、無線尋呼系統(tǒng) 等。 從廣義的角度來看：廣播、 電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、 遙控、遙測等也應(yīng)列入通信的范疇，因為它們 都滿足通信的定義。 由于廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等的不斷發(fā)展， 目前它們已從通信中派生出來，形成了獨立的 學(xué)科。 現(xiàn)代通信原理講座 按調(diào)制方式不同分類 調(diào) 制 方 式 調(diào) 制 方 式 用 途 連 續(xù) 波 調(diào) 制 線性調(diào)制 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅 AM廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)制 DSB 立體聲廣播 單邊帶調(diào)制 SSB 載波通信、無線電臺、數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)制 VSB 電視廣播、 數(shù)傳、 傳真 非線性調(diào)制 頻率調(diào)制 FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調(diào)

4、制 PM 中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制 幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸 頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控PSK、DPSK QPSK等 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、 空間通信 其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK 數(shù)字微波、 空間通信 脈 沖 調(diào) 制 脈沖模擬調(diào)制 脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、 遙測 脈寬調(diào)制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制PPM 遙測、 光纖傳輸 脈沖數(shù)字調(diào)制 脈碼調(diào)制PCM 市話、 衛(wèi)星、 空間通信 增量調(diào)制DM 軍用、 民用電話 差分脈碼調(diào)制DPCM 電視電話、 圖像編碼 ADPCM、 APC、 LPC 中低速數(shù)字電話 現(xiàn)代通信原理講座 按傳輸信號的特征分類 按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號

5、 還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系 統(tǒng)分成： 模擬通信系統(tǒng)：傳輸模擬信號的 通信系統(tǒng)。 數(shù)字通信系統(tǒng)：傳輸數(shù)字信號的 通信系統(tǒng)。 現(xiàn)代通信原理講座 按傳送信號的復(fù)用方式分類 傳輸多路信號有頻分復(fù)用（FDM）（波分復(fù)用 WDM） 、時分復(fù)用（TDM）、碼分復(fù)用 （CDM）、和空分復(fù)用（SDM）。 頻分復(fù)用：用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù) 不同的頻率范圍；時分復(fù)用：用脈沖調(diào)制的方 法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間；碼分復(fù)用： 用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。傳統(tǒng)的 模擬通信中都采用頻分復(fù)用，隨著數(shù)字通信的 發(fā)展，時分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛， 碼分復(fù)用主要用于移動通信系統(tǒng)，波分復(fù)用主 要用于光纖通

6、信，衛(wèi)星通信和移動通信中還有 空分復(fù)用（SDM）。 現(xiàn)代通信原理講座 按傳輸媒質(zhì)分類 按傳輸媒質(zhì)，通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和 無線通信系統(tǒng)兩大類。 有線通信是用導(dǎo)線（如架空明線、同軸電纜、 光導(dǎo)纖維（介質(zhì)波導(dǎo)）、波導(dǎo)（空氣波導(dǎo)）等） 作為傳輸媒質(zhì)完成通信的，如市內(nèi)電話、有線 電視、海底電纜通信等。 無線通信是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消 息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳 播、衛(wèi)星中繼、移動通信等。各種傳輸媒質(zhì)有 其特定的工作頻率 現(xiàn)代通信原理講座 常用傳輸媒介的頻率范圍及用途 頻率范圍波長符號傳輸媒介用途 3Hz30kHz108-104 m 甚低頻 VLF 有線線對 長波無線電 音

7、頻、電話、數(shù)據(jù)終 端、時標(biāo) 30kHz300kHz104-103 m 低頻 LF 有線線對 長波無線電 導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線 通信 300kHz3MHz103-102 m 中頻 MF 同軸電纜 中波無線電 調(diào)幅廣播、移動陸地 通信、業(yè)余無線電 3MHz30MHz102-10 m 高頻 HF 同軸電纜 短波無線電 移動無線電話、短波 廣播、業(yè)余無線電 30MHz 300MHz 101 m 甚高頻 VHF 同軸電纜 米波無線電 電視、調(diào)頻廣播、空 中管制、車輛通信、 300MHz3GHz10010cm 特高頻 UHF 波導(dǎo)、分米波無線 電 電視、空間遙測、雷 達(dá)導(dǎo)航、移動通信 3GHz30GHz10

8、1cm 超高頻 SHF 波導(dǎo)、厘米波無線 電 微波接力、衛(wèi)星和空 間通信、雷達(dá) 30GHz 300GHz 101mm 極高頻 EHF 波導(dǎo)、毫米波無線 電 雷達(dá)、微波接力、射 電天文學(xué) 105-107GHz3x10-4-3x10-6 cm 可見光、 紅外 光纖 激光空間傳播 光通信 現(xiàn)代通信原理講座 2 2、通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)、通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 有效性：給定頻帶傳輸信息量的能力 模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸頻帶衡量， 不同調(diào)制方式需要的頻帶寬度(簡稱帶寬B)也不 同，信號的帶寬B越小，占用信道帶寬越少， 在給定信道時容納的傳輸路數(shù)越多，有效性越 好。 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸

9、速率衡量， 傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率。 現(xiàn)代通信原理講座 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 可靠性：傳輸信息的可靠程度 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用接收端的 最終輸出信號與功率噪聲比(簡稱信噪比 S/N或SNRSignal Noise Ratio) 衡量，不 同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到 的最終解調(diào)輸出信噪比也不同。 數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用差錯概率 衡量，差錯概率又分為誤碼率和誤信率。 現(xiàn)代通信原理講座 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 實際通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)還包括：標(biāo)準(zhǔn) 性、經(jīng)濟性和可維護(hù)性。 通信的服務(wù)質(zhì)量（QOS）主要指：傳輸 帶寬（傳碼率

10、）、信噪比（誤碼率）、 傳輸時延、時延抖動、幀丟失率等指標(biāo) 最引人注意。 系統(tǒng)的可維護(hù)性（網(wǎng)管功能）也成為重 要的指標(biāo)。 現(xiàn)代通信原理講座 信息與信息量 信息：信息是一種不確定度的描述，是語言、文字、 數(shù)據(jù)或圖像中所包含的人們想知道的內(nèi)容，是內(nèi)在的 實質(zhì)的東西。 信息量： 單位：（1）對數(shù)以2為底時，單位為比特(bit)。 （2）對數(shù)以e為底時，單位為奈特(nit)。 （3）對數(shù)以10為底時，單位為哈特萊(Hartley)。 )(log )( 1 log)( i i i xP xP xI 現(xiàn)代通信原理講座 傳碼率與傳信率 傳碼率：通信系統(tǒng)單位時間內(nèi)傳送碼元符號的 個數(shù)，即：碼元總數(shù)/總時長，單

11、位：波特。 傳信率：單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚话阌?比特/每秒 來表示，若用奈特/每秒就可以方便的 分開傳碼率和傳信率的不同。 說明：一個碼元可以“裝載”多個“比特”的 信息量，如果碼元是二進(jìn)制的符號，一般也稱 比特，這時，傳碼率與傳信率單位一樣，但意 義不同。 傳碼率與傳信率的換算：RB2=RBMlog2 M ，其中， RB2：二進(jìn)制的傳信率，RBM：多進(jìn)制的傳碼率， M是碼元的進(jìn)制數(shù)。 同時，這也是不同進(jìn)制間傳碼率換算公式。 現(xiàn)代通信原理講座 傳碼率變化時的波形關(guān)系 現(xiàn)代通信原理講座 3、傳輸媒介 傳輸媒介：是指通信信道所經(jīng)過的物理 媒介。目前有：電纜、光纜、自由空間 等媒介。 現(xiàn)代通信原

12、理講座 電纜 現(xiàn)代通信原理講座 光纜1 G.651 多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在 光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短 距離的通信系統(tǒng)。 G.652 常規(guī)單模光纖，是第一代單模光纖， 其特點是在波長1.31m色散為零，系統(tǒng)的傳 輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的 光纖線路90%采用這種光纖。 G.653 色散移位光纖，是第二代單模光纖， 其特點是在波長1.55m色散為零，損耗又最 小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。 現(xiàn)代通信原理講座 光纜2 G.654 1.55m損耗最小的單模光纖，其特點 是在波長1.31m色散為零，在1.55m色散為 1720 ps/(nmkm)，和

13、常規(guī)單模光纖相同， 但損耗更低，可達(dá)0.20 dB/km以下。 G.655 非零色散光纖，是一種改進(jìn)的色散移 位光纖。具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的 優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。這種光纖在密 集波分復(fù)用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實現(xiàn)了超 大容量超長距離的通信。 現(xiàn)代通信原理講座 自由空間 自由空間方式做媒介， 有數(shù)字微波（PCM和SDH制式），中繼 距離；40-50公里； 衛(wèi)星：中繼距離地面最大18000公里； 移動通信； 特高頻等 現(xiàn)代通信原理講座 輸電線 電力線載波通信能使用的頻譜由三個因素決定： （1）電力線路本身的高頻特性。 （2）避免50Hz工頻的干擾。 （3）考慮載波信號的輻射對無線

14、電廣播及無 線通信的影響。 我國統(tǒng)一規(guī)定電力線載波通信使用的頻率范圍 為40500KHz。 電力線上網(wǎng)使用的頻率范圍要寬得多。有一些 標(biāo)準(zhǔn) 1-30MHz 。 現(xiàn)代通信原理講座 4、調(diào)制與解調(diào)理論 調(diào)制可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，其作用是： (1)進(jìn)行頻譜搬移。把調(diào)制信號的頻譜搬移到所 希望的位置上，從而將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成適合于 信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號 (2)實現(xiàn)信道多路復(fù)用，提高信道的頻帶利用率。 (3)通過選擇不同的調(diào)制方式改善系統(tǒng)傳輸?shù)目?靠性。 現(xiàn)代通信原理講座 模擬調(diào)制 線性調(diào)制：調(diào)幅AM、雙邊帶DSB、單邊 帶SSB和殘留邊帶VSB四種方式，它們的 共同特點是調(diào)制前后信號頻譜只有位置 變

15、化。 非線性調(diào)制：調(diào)頻FM、調(diào)相PM兩種方 式。 現(xiàn)代通信原理講座 m(t) O t A0+m(t) O t O O t t C(t)=cosctc sAM(t) 1 M(w) pA0 mw c c 0 2 1 w 0 m pA0 SAM(w) AM調(diào)制 調(diào)制模型 帶寬：B=2m + m(t) cos(ct+c) A0 SAM(t) 現(xiàn)代通信原理講座 DSB調(diào)制 cosct O t t O m (t) sDSB(t) O t O w M (w) Ow O w -c c -mm m -cc sDSB() cos(ct+c) S(t) LPF md(t) 解調(diào)模型解調(diào)模型 c-mc+m 上邊帶 下

16、邊帶 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -ASK 載 波 信 號 2ASK信 號 s(t) 1011 Tb 001 t t t 傳輸帶寬 B=2Rb 誤碼率：Pe=1/2*erfc(A2/82 ) cos(ct+c) S(t) SASK(t) 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -FSK 1011001 t S（t） t 2FSK信號 )cos()()cos()()( 212n n S n nS n nFSK tnTtgatTntgatsww 傳輸帶寬 B=|f1-f2| +2Rb 誤碼率：Pe=1/2*erfc(A2/42 ) 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -PSK 10110100

17、 ）（22,cos)( i n a=(t)s2pskt cs nTtgw 傳輸帶寬 B=2Rb 誤碼率：Pe=1/2*erfc(A2/22 ) 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -DPSK 絕對碼 相對碼 載波 DPSK信號 10110010 10001011 0：相位不變 1：改變 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式 現(xiàn)代通信原理講座 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率特性 現(xiàn)代通信原理講座 多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 現(xiàn)代通信原理講座 其他數(shù)字調(diào)制方式-最小移頻鍵控(MSK) 數(shù)字相位調(diào)制，已調(diào)信號包絡(luò)恒定，因此有利 于在非線性特性的信道中傳輸。 最小移頻鍵控MSK(Minimum Frequency Shi

18、ft Keying，有時也稱為快速移頻鍵控FFSK)是二 進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式，它比2PSK 有更高的頻譜利用率，并且有更強的抗噪聲性 能，從而得到了廣泛的應(yīng)用，GSM采用了MSK。 現(xiàn)代通信原理講座 最小移頻鍵控(MSK)表達(dá)式與波形 現(xiàn)代通信原理講座 其他數(shù)字調(diào)制方式正交頻分復(fù)用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于接入網(wǎng) 中的高速數(shù)字環(huán)路HDSL、非對稱數(shù)字環(huán) 路ADSL，高清晰度電視HDTV的地面廣 播系統(tǒng)。在移動通信領(lǐng)域，OFDM是第 三代、第四代移動通信系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的 技術(shù)之一。 現(xiàn)代通信原理

19、講座 OFDM的基本原理 OFDM是一種高效調(diào)制技術(shù)，其基本原 理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載 波上，使各子載波的信號速率大為降低， 從而能夠提高抗多徑和抗衰落的能力。 為了提高頻譜利用率，OFDM方式中各 子載波頻譜有重疊，但保持相互正交， 在接收端通過相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出各子 載波，同時消除碼間干擾的影響。 現(xiàn)代通信原理講座 OFDM系統(tǒng)基本模型 現(xiàn)代通信原理講座 OFDM信道頻譜利用 現(xiàn)代通信原理講座 5、數(shù)字信號基帶傳輸 基帶傳輸是指數(shù)字信號不經(jīng)過調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)， 直接進(jìn)行傳輸。如：設(shè)備互連、單元互連、短 距離傳輸?shù)?，都不需要調(diào)制解調(diào)的技術(shù)過程。 主要由信道波形形成器、信道、接收濾波器

20、和 抽樣判決器組成。為了保證系統(tǒng)可靠有序地工 作，還應(yīng)有同步系統(tǒng)。 遇到的主要問題有：碼速調(diào)整、碼型變換、信 號均衡、濾波、時鐘提取等。 現(xiàn)代通信原理講座 1 0 10011 0 E (a) E E 110 0 11 E 0 101011 (b) (c) E E 1010011 (d) E E 1100011 E E 3E 3E 0 1 0 0 11 10 0 1 1 1 0 0 0 1 (e) ( f ) 0 傳輸碼型 現(xiàn)代通信原理講座 P( f ) 歸零碼 不歸零碼 fO 1 Ts 1 二進(jìn)制基帶信號的功率譜密度 現(xiàn)代通信原理講座 AMI 碼和HDB3碼的功率譜 1.0 0.5 0 0.5

21、1.0 A MI H D B 3 非歸零碼 歸一化功率譜 f / fs AMI碼雖然時鐘頻率成分為零， 但經(jīng)過整流處理與歸零碼相同。 現(xiàn)代通信原理講座 HDB3碼 HDB3碼的全稱是3階高密度雙極性碼， 它是AMI碼的一種改進(jìn)型，其目的是為 了保持AMI碼的優(yōu)點而克服其缺點，使 連“0”個數(shù)不超過3個。以保證數(shù)字信 號流不會因為沒有“1”信號，而成為沒 信號。造成時鐘提取困難。 現(xiàn)代通信原理講座 HDB3編碼規(guī)則 （1）當(dāng)信碼的連“0”個數(shù)不超過3時，仍按 AMI碼的規(guī)則編，即傳號極性交替。 （2）當(dāng)連“0”個數(shù)超過3時，則將第4個 “0”改為非“0”脈沖，記為+V或-V，稱之為 破壞脈沖。相

22、鄰V碼的極性必須交替出現(xiàn)，以 確保編好的碼中無直流。 （3）為了便于識別，V碼的極性應(yīng)與其前一 個非“0”脈沖的極性相同，否則，將四連“0” 的第一個“0”更改為與該破壞脈沖相同極性 的脈沖，并記為+B或-B； （4） 破壞脈沖之后的傳號碼極性也要交替。 現(xiàn)代通信原理講座 HDB3碼編碼實例 代碼： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI碼： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3碼： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 其中的V脈沖和B脈沖與1脈沖波形相同，用V或B符號的 目的是為了示意是將原信碼的“0”變換成“1”碼，稱為偽脈沖。 現(xiàn)代通信原理講座 6、通信網(wǎng)同步 同步：是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致， 故又稱定時。在數(shù)字通信中，按照同步 的功用分為： 載