現(xiàn)代通信原理課件第一章_清華大學(xué)出版社_錢亞生曹志剛

1、緒 論 第第1章章 2 教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容 現(xiàn)代通信原理將以通信系統(tǒng)為現(xiàn)代通信原理將以通信系統(tǒng)為 背景，主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的背景，主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的 基本原理。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概基本原理。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概 念、信息論初步、模擬信號調(diào)制技術(shù)、念、信息論初步、模擬信號調(diào)制技術(shù)、 語音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號的基帶語音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號的基帶 傳輸和頻帶傳輸、差錯控制編碼及多址傳輸和頻帶傳輸、差錯控制編碼及多址 傳輸原理傳輸原理。 重點(diǎn)以數(shù)字通信為主，以上內(nèi)容作為信息類重點(diǎn)以數(shù)字通信為主，以上內(nèi)容作為信息類 學(xué)生必須掌握的知識，以作為進(jìn)一步深入該學(xué)生必須掌握的知識

2、，以作為進(jìn)一步深入該 領(lǐng)域?qū)W生的先修知識。領(lǐng)域?qū)W生的先修知識。 3 與前后課程的關(guān)系與前后課程的關(guān)系 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng) 復(fù)變函數(shù)復(fù)變函數(shù) 通信電路通信電路 前期課程包括：前期課程包括： 后期課程包括：后期課程包括： 現(xiàn)代通信技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù) (微波、衛(wèi)星、光纖通信微波、衛(wèi)星、光纖通信) 計算機(jī)通信網(wǎng)計算機(jī)通信網(wǎng) 現(xiàn)代交換技術(shù)現(xiàn)代交換技術(shù) 4 教學(xué)參考書教學(xué)參考書 曹志剛 錢亞生，現(xiàn)代通信原理 清華大學(xué)出版社 參考書參考書 張輝 曹麗娜，現(xiàn)代通信原理與技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 樊昌信通信原理教程國防工業(yè)出版 社 教材教材 5 內(nèi)內(nèi) 容容 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 6 1.1

3、 現(xiàn)代通信與信息社會現(xiàn)代通信與信息社會 通信：通信：communication，信息交流信息交流 Telecommunication，電信號的處理和傳電信號的處理和傳 輸輸 信息社會，信息網(wǎng)，通信網(wǎng)信息社會，信息網(wǎng)，通信網(wǎng) 信息 語言文字圖像 人力 馬力 電話、廣播 郵政 電報 Email 烽火臺 電視 多媒體 信息社會 7 1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：通信中所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒通信中所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒 質(zhì)構(gòu)成的總體。質(zhì)構(gòu)成的總體。 信信信信息息息息源源源源 發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)送送送送設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)備備備備 信信信信道道道道 接接接接收收收收設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)備備備備 噪

4、噪噪噪聲聲聲聲源源源源 發(fā)送端發(fā)送端 接接接接收收收收端端端端 收收收收信信信信者者者者 消息的產(chǎn)生地，作消息的產(chǎn)生地，作 用為把各種消息轉(zhuǎn)用為把各種消息轉(zhuǎn) 換成原始電信號，換成原始電信號， 可以是模擬信號也可以是模擬信號也 可以是數(shù)字信號?？梢允菙?shù)字信號。 如：攝象機(jī)、光如：攝象機(jī)、光 驅(qū)、。驅(qū)、。 將信源和信道匹配起來。將信源和信道匹配起來。 變換方式多樣，在需要變換方式多樣，在需要 頻譜搬移的場合，調(diào)制頻譜搬移的場合，調(diào)制 是最常見的變換方式。是最常見的變換方式。 如廣播電臺、如廣播電臺、 傳輸信號的物理媒傳輸信號的物理媒 質(zhì)。包括無線信道：質(zhì)。包括無線信道： 和有線信道。和有線信道。

5、通信系統(tǒng)中各種設(shè)通信系統(tǒng)中各種設(shè) 備以及信道中所固備以及信道中所固 有的，分為內(nèi)部噪有的，分為內(nèi)部噪 聲和外部噪聲。將聲和外部噪聲。將 噪聲源看成各處噪噪聲源看成各處噪 聲集中加入到信道聲集中加入到信道 的。的。 完成發(fā)送設(shè)備的反轉(zhuǎn)完成發(fā)送設(shè)備的反轉(zhuǎn) 換，進(jìn)行解調(diào)、譯碼、換，進(jìn)行解調(diào)、譯碼、 解碼等。如收音機(jī)、解碼等。如收音機(jī)、 電視機(jī)。電視機(jī)。 傳輸信息的歸宿點(diǎn)，傳輸信息的歸宿點(diǎn)， 作用為將復(fù)原的原作用為將復(fù)原的原 始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的消息。如喇叭、的消息。如喇叭、 顯示器。顯示器。 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型 8 基站 BTS 移動交換機(jī) MSC 基站控制器 BS

6、C 數(shù)據(jù)庫 VLR/HLR 網(wǎng)絡(luò)管理 公共電話網(wǎng) PSTN 基站控制器 BSC 基站 BTS 基站 BTS 基站 BTS 手持機(jī) HS MS 移動臺 MS 移動臺 以蜂窩移動通信系統(tǒng)為例以蜂窩移動通信系統(tǒng)為例 9 1.3 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 接入網(wǎng) 核心網(wǎng) 有線接入 無線接入 衛(wèi)星接入 高空平臺 蜂窩接入 微波接入 FWA, WLL WLAN PAN 通信網(wǎng) 光纖接入 PON，APON FTTB/C/H/R 混合光纖同軸網(wǎng) Cable Modem DSL (ADSL,HDSL) 10 1.3.1 按調(diào)制方式分類按調(diào)制方式分類 將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳 送送，如音頻市

7、內(nèi)電話。 對各種信號調(diào)制后傳輸各種信號調(diào)制后傳輸?shù)?總稱，常見的調(diào)制方式見 表 1 1。 基帶傳輸基帶傳輸： 頻帶傳輸頻帶傳輸： 11 表表 1- 1常見的調(diào)制方式常見的調(diào)制方式 調(diào)調(diào) 制制 方方 式式 用途用途 連連 續(xù)續(xù) 波波 調(diào)調(diào) 制制 線性調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播廣播 抑制載波雙邊帶抑制載波雙邊帶 調(diào)幅調(diào)幅 立體聲廣播立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無線電臺、載波通信、無線電臺、 數(shù)傳數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)幅殘留邊帶調(diào)幅 VSB 電視廣播、電視廣播、 數(shù)傳、數(shù)傳、 傳真?zhèn)髡?非線性調(diào)非線性調(diào) 制制 頻率調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、微波中繼、衛(wèi)星

8、通信、 廣播廣播 相位調(diào)制相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制幅度鍵控幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控相位鍵控數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 12 調(diào)調(diào) 制制 方方 式式 用途用途 脈脈 沖沖 數(shù)數(shù) 字字 調(diào)調(diào) 制制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等等 數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、數(shù)字微波、 空間通信空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制其他高效數(shù)字調(diào)制 QAM、 MSK等等 數(shù)字微波、數(shù)字微波、 空間通信空間通信 脈沖模擬脈沖模擬 調(diào)制調(diào)制 脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、中間調(diào)制方式、 遙測遙測 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制 PDM(PWM) 中間調(diào)制方式

9、中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制脈位調(diào)制PPM 遙測、遙測、 光纖傳輸光纖傳輸 脈沖數(shù)字脈沖數(shù)字 調(diào)制調(diào)制 脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制PCM 市話、市話、 衛(wèi)星、衛(wèi)星、 空間通空間通 信信 增量調(diào)制增量調(diào)制DM 軍用、軍用、 民用電話民用電話 差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制 DPCM 電視電話、電視電話、 圖像編碼圖像編碼 其他語言編碼方式其他語言編碼方式 ADPCM、 APC、 LPC 中低速數(shù)字電話中低速數(shù)字電話 續(xù)表（續(xù)表（2） 13 按照信道中所傳輸?shù)氖前凑招诺乐兴鶄鬏數(shù)氖悄M信號模擬信號還是還是數(shù)字信號數(shù)字信號， 相應(yīng)地把相應(yīng)地把 通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)

10、。 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)：數(shù)字通信的主要特點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)。 遠(yuǎn)距離傳輸可消除噪聲積累。 采用信道編碼技術(shù)可控制差錯。降低誤碼率， 提高傳輸?shù)目煽啃浴?易于用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、 變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)。 易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理,且保密強(qiáng)度高。 1.3.2 1.3.2 按信號特征分類按信號特征分類 14 數(shù)字通信的缺點(diǎn)數(shù)字通信的缺點(diǎn) 占據(jù)系統(tǒng)頻帶寬，因此數(shù)字通信的頻帶占據(jù)系統(tǒng)頻帶寬，因此數(shù)字通信的頻帶 利用率不高。利用率不高。 對同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。對同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。 不過，隨著光纖等的采用和超大規(guī)模集不過，隨著光纖等

11、的采用和超大規(guī)模集 成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點(diǎn)已成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點(diǎn)已 經(jīng)弱化。數(shù)字通信將占主導(dǎo)地位。經(jīng)弱化。數(shù)字通信將占主導(dǎo)地位。 15 1.3.31.3.3按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)分類 按傳輸媒質(zhì)分，通信系統(tǒng)可分為有線有線 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)和和無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)兩大類。 有線通信有線通信：是用導(dǎo)線（如架空明線、 同軸電纜、 光導(dǎo)纖維、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)星中繼等。 16 1.3.4 1.3.4 按信號復(fù)用方式分類

12、按信號復(fù)用方式分類 傳輸多路信號有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用頻分復(fù)用、時分復(fù)用時分復(fù)用和碼分碼分 復(fù)用復(fù)用。 頻分復(fù)用頻分復(fù)用: 用用頻譜搬移頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍頻率范圍； 時分復(fù)用時分復(fù)用: 用用脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的的方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間時間區(qū)間； 碼分復(fù)用碼分復(fù)用: 用用正交的脈沖序列正交的脈沖序列分別攜帶分別攜帶不同信號不同信號； 說明說明：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)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。 17 1.3.1.3.5 5 按通信方式

13、分類按通信方式分類 對于點(diǎn)到點(diǎn)之間的通信，按對于點(diǎn)到點(diǎn)之間的通信，按消息傳送的方消息傳送的方 向與時間的關(guān)系向與時間的關(guān)系，通信方式可分為，通信方式可分為: 單工通信單工通信 :指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ髦赶⒅荒軉畏较騻鬏數(shù)墓ぷ?方式。例如遙控、遙測、廣播、電視等。方式。例如遙控、遙測、廣播、電視等。 半雙工通信半雙工通信 :指通信雙方都能收發(fā)消息，指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時進(jìn)行收發(fā)的工作方式。例如使但不能同時進(jìn)行收發(fā)的工作方式。例如使 用同一載頻工作的無線電對講機(jī)。用同一載頻工作的無線電對講機(jī)。 全雙工通信全雙工通信:全雙工通信是指通信雙方可同全雙工通信是指通信雙方可同 時進(jìn)行收

14、發(fā)消息的工作方式。例如電話。時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。例如電話。 18 數(shù)字通信中，按照數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號碼元排列方法數(shù)字信號碼元排列方法 不同不同，通信方式可分為，通信方式可分為: 串行傳輸串行傳輸 :是指數(shù)字信號碼元序列按時間是指數(shù)字信號碼元序列按時間 順序一個接一個地在信道中傳輸。遠(yuǎn)距離順序一個接一個地在信道中傳輸。遠(yuǎn)距離 數(shù)字通信大多采用串行傳輸方式。數(shù)字通信大多采用串行傳輸方式。 并行傳輸并行傳輸 :是指將數(shù)字信號碼元序列分割是指將數(shù)字信號碼元序列分割 成兩路或兩路以上的數(shù)字信號碼元序列同成兩路或兩路以上的數(shù)字信號碼元序列同 時在信道中傳輸。近距離數(shù)字通信可采用時在信道中傳輸。

15、近距離數(shù)字通信可采用 并行傳輸方式。并行傳輸方式。 19 1.4 通信技術(shù)發(fā)展概況通信技術(shù)發(fā)展概況 移動通信的發(fā)展過程移動通信的發(fā)展過程 最近無線通信的發(fā)展方向最近無線通信的發(fā)展方向 通信的發(fā)展目標(biāo)通信的發(fā)展目標(biāo)-個人通信個人通信 20 移動通信的發(fā)展過程移動通信的發(fā)展過程 1970s1980s1990s2000s 第第一一代代 ( (A AM MP PS S為為例例) ) 第第二二代代 ( (以以G GS SM M為為例例) ) 第第三三代代 ( (I IM MT T2 20 00 00 0) ) 第第四四代代 提提出出方方案案 制制定定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 商商業(yè)業(yè)運(yùn)運(yùn)營營 提提出出方方案案 制制定定

16、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 商商業(yè)業(yè)運(yùn)運(yùn)營營 提提出出方方案案 制制定定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 商商業(yè)業(yè)運(yùn)運(yùn)營營 提提出出方方案案 21 最近無線通信的發(fā)展方向最近無線通信的發(fā)展方向 高速 步行 靜止 室內(nèi) 移 動 性 10k 100k 1M 10M 100M 尋尋 呼呼 機(jī)機(jī) 蜂蜂 窩窩 電電 話話 公用公用 無繩電話無繩電話 家用家用 無繩電話無繩電話 無線無線LANLAN 超高速超高速LANLAN 高速高速 無線接入無線接入 1995年2001 年 IMT2000 IMT2000 (FPLMTS)(FPLMTS) 第一階段第一階段 IMT200IMT200 第二階段第二階段 傳輸容量(bps) 22 通信的發(fā)展目標(biāo)通信

17、的發(fā)展目標(biāo)-個人通信個人通信 目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：個人通信系統(tǒng)個人通信系統(tǒng) (PCN) 無論任何人無論任何人 (Whoever) 在任何時候在任何時候 (Whenever) 在任何地方在任何地方 (Wherever) 與另一個人與另一個人 (Whomever) 進(jìn)行任何類型進(jìn)行任何類型 (Whatever) 個人通信個人通信(PC)：任何人在任何時間與任何地任何人在任何時間與任何地 點(diǎn)以任何形式的通信點(diǎn)以任何形式的通信 “任何時間任何時間” 要求支持運(yùn)動中通信要求支持運(yùn)動中通信: 無線通信是前無線通信是前 提提 “任何人任何人” 要求支持巨大用戶量要求支持巨大用戶量: 頻譜資源有限頻譜資源

18、有限 “任何地點(diǎn)任何地點(diǎn)” 要求無縫覆蓋要求無縫覆蓋: 傳輸能力有限傳輸能力有限 “任何形式任何形式” 要求多媒體要求多媒體: 處理能力有限處理能力有限 24 1.5 通信系統(tǒng)的性能度量通信系統(tǒng)的性能度量 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是有效有效 性性和和可靠性可靠性。 有效性有效性: 指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男胖冈诮o定信道內(nèi)所傳輸?shù)男?息內(nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)南?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八偎?度度”。 可靠性可靠性: 指接收信息的準(zhǔn)確程度，也指接收信息的準(zhǔn)確程度，也 就是傳輸?shù)木褪莻鬏數(shù)摹百|(zhì)量質(zhì)量”。 25 1.5.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 有效性有效性:用有效傳輸頻帶

19、來度量。用有效傳輸頻帶來度量。 可靠性可靠性:用接收端最終輸出信噪比來度用接收端最終輸出信噪比來度 量。量。 說明：說明：不同調(diào)制方式在同樣信道信噪不同調(diào)制方式在同樣信道信噪 比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是 不同的。不同的。 如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào) 幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬 于調(diào)幅。于調(diào)幅。 26 1.5.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng) 有效性可用傳輸速率來衡量。有效性可用傳輸速率來衡量。 碼元傳輸速率碼元傳輸速率 信息碼元傳輸速率信息碼元傳輸速率 可靠性可用差錯率來衡量?？煽啃钥捎貌铄e率來衡量。

20、 誤碼率（碼元差錯率）誤碼率（碼元差錯率） 誤信率（信息差錯率）誤信率（信息差錯率） 27 碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB： ： 簡稱簡稱傳碼率傳碼率，又稱，又稱符號速率符號速率。 表示：表示：單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目 單位是單位是波特波特（Baud），），記為記為B。 例如例如: 若若1秒內(nèi)傳秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為個碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與 進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān)有關(guān): 1 ( ) B RB T 1.傳輸速率傳輸速率 M進(jìn)制碼元速率進(jìn)制碼元速率RBM與二進(jìn)制碼元速率與二進(jìn)制碼元速率RB2的關(guān)系：的關(guān)系： RB2=RBMlog2 M (B) 信息傳輸速率信息傳輸速率Rb 簡稱傳信率，又稱比特率。簡稱傳信率，又稱比特率。 表示表示：單