現代通信原理講座

1、現代通信原理講座主要內容1、通信系統(tǒng)組成2、通信系統(tǒng)中的概念和質量指標3、傳輸媒介4、調制與解調理論5、數字信號基帶傳輸6、通信中的同步 參考書：通信原理通信原理-樊昌信等,西安電子科技大學出版社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通信系統(tǒng)的組成(2）信源編碼：去掉冗余度的編碼。如：DPCM(差分PCM)、ADPCM(自適應差分PCM)、CVSD（可變斜率增量調制）、LPC（線性預測編碼）、CELP（碼本激勵編碼）(3）信道編碼：實現差錯控

2、制的編碼。如：奇偶校驗、CRC（循環(huán)碼）、BCH、卷積碼和TURBO等通信系統(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，恢復原信息。通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 按通信業(yè)務不同分類：按照目前通信業(yè)務的不同可將通信系統(tǒng)分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、傳真通信系統(tǒng)、數據通信系統(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、導航、遙控、遙測等也應列入通信的范疇，因為它們都滿足通信的定義。由于廣播、電視、雷達、導航等的不斷發(fā)展，目前它們已從

3、通信中派生出來，形成了獨立的學科。 按調制方式不同分類調 制 方 式 調 制 方 式 用 途 連續(xù)波 調制線性調制常規(guī)雙邊帶調幅 AM廣播 抑制載波雙邊帶調制 DSB 立體聲廣播 單邊帶調制 SSB 載波通信、無線電臺、數傳 殘留邊帶調制 VSB 電視廣播、 數傳、 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 數字調制幅度鍵控ASK 數據傳輸 頻移鍵控FSK數據傳輸 相位鍵控PSK、DPSK QPSK等 數據傳輸、 數字微波、 空間通信 其它高效數字調制QAM、MSK 數字微波、 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

4、寬調制PDM(PWM) 中間調制方式 脈位調制PPM 遙測、 光纖傳輸 脈沖數字調制脈碼調制PCM 市話、 衛(wèi)星、 空間通信 增量調制DM 軍用、 民用電話 差分脈碼調制DPCM 電視電話、 圖像編碼 ADPCM、 APC、 LPC 中低速數字電話 按傳輸信號的特征分類按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字信號，相應地把通信系統(tǒng)分成：模擬通信系統(tǒng)：傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)。數字通信系統(tǒng)：傳輸數字信號的通信系統(tǒng)。 按傳送信號的復用方式分類傳輸多路信號有頻分復用（FDM）（波分復用 WDM） 、時分復用（TDM）、碼分復用（CDM）、和空分復用（SDM）。頻分復用：用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的

5、頻率范圍；時分復用：用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區(qū)間；碼分復用：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用，隨著數字通信的發(fā)展，時分復用通信系統(tǒng)的應用愈來愈廣泛，碼分復用主要用于移動通信系統(tǒng)，波分復用主要用于光纖通信，衛(wèi)星通信和移動通信中還有空分復用（SDM）。 按傳輸媒質分類按傳輸媒質，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。有線通信是用導線（如架空明線、同軸電纜、光導纖維（介質波導）、波導（空氣波導）等）作為傳輸媒質完成通信的，如市內電話、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到傳遞消息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、

6、衛(wèi)星中繼、移動通信等。各種傳輸媒質有其特定的工作頻率 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頻、電話、數據終端、時標30kHz300kHz104-103 m低頻LF有線線對長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz3MHz103-102 m中頻MF同軸電纜中波無線電調幅廣播、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30MHz300MHz101 m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛通信、300MHz3GHz1

7、0010cm特高頻UHF波導、分米波無線電電視、空間遙測、雷達導航、移動通信3GHz30GHz101cm超高頻SHF波導、厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30GHz300GHz101mm極高頻EHF波導、毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學105-107GHz3x10-4-3x10-6 cm可見光、紅外光纖激光空間傳播光通信2 2、通信系統(tǒng)的主要性能指標、通信系統(tǒng)的主要性能指標 有效性：給定頻帶傳輸信息量的能力模擬通信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸頻帶衡量，不同調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越多，有效性越好。數字通

8、信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸速率衡量，傳輸速率又分為碼元傳輸速率和信息傳輸速率。 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標可靠性：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，不同調制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調輸出信噪比也不同。數字通信系統(tǒng)的可靠性指標用差錯概率衡量，差錯概率又分為誤碼率和誤信率。通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標實際通信系統(tǒng)的質量指標還包括：標準性、經濟性和可維護性。通信的服務質量（QOS）主要指：傳輸帶寬（傳碼率）、信噪比（誤碼率）、傳輸時延、時延抖動

9、、幀丟失率等指標最引人注意。系統(tǒng)的可維護性（網管功能）也成為重要的指標。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、數據或圖像中所包含的人們想知道的內容，是內在的實質的東西。信息量：單位：（1）對數以2為底時，單位為比特(bit)。（2）對數以e為底時，單位為奈特(nit)。（3）對數以10為底時，單位為哈特萊(Hartley)。 )(log)(1log)(iiixPxPxI傳碼率與傳信率傳碼率：通信系統(tǒng)單位時間內傳送碼元符號的個數，即：碼元總數/總時長，單位：波特。傳信率：單位時間內傳輸的信息量，一般用 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

10、明：一個碼元可以“裝載”多個“比特”的信息量，如果碼元是二進制的符號，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，RB2：二進制的傳信率，RBM：多進制的傳碼率，M是碼元的進制數。同時，這也是不同進制間傳碼率換算公式。傳碼率變化時的波形關系 3、傳輸媒介傳輸媒介：是指通信信道所經過的物理媒介。目前有：電纜、光纜、自由空間等媒介。電纜光纜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

11、傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設的光纖線路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)。 光纜2G.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)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20 dB/km以下。G.655 非零色散光纖，是一種改進的色散移位光纖。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用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實現了超大容量超長距離的通信。自由空間自由空間方式做媒

12、介，有數字微波（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。電力線上網使用的頻率范圍要寬得多。有一些標準 1-30MHz 。4、調制與解調理論調制可以分為模擬調制和數字調制，其作用是：(1)進行頻譜搬移。把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而將調制信號轉換成適合于信道傳輸的已調信號(2)實現信道多路復用，提高信道

13、的頻帶利用率。(3)通過選擇不同的調制方式改善系統(tǒng)傳輸的可靠性。 模擬調制線性調制：調幅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制前后信號頻譜只有位置變化。非線性調制：調頻FM、調相PM兩種方式。 m(t)OtA0+m(t)OtOOttC(t)=cosctcsAM(t)1M(w)pA0mwcc021w0 mpA0SAM(w)AM調制調制模型帶寬：B=2m +m(t)cos(ct+c)A0SAM(t)DSB調制cosctOttOm (t)sDSB(t)OtOwM (w)OwOw-cc-mmm-ccsDSB()cos(ct+c)S(t)LPFmd(t)解調模型解

14、調模型c-mc+m上邊帶下邊帶數字調制數字調制 -ASK載 波 信 號2ASK信 號s(t)1011Tb001ttt傳輸帶寬 B=2Rb 誤碼率：Pe=1/2*erfc(A2/82 ) cos(ct+c)S(t)SASK(t) 數字調制數字調制 -FSK1011001tS（t）t2FSK信號)cos()()cos()()(212nnSnnSnnFSKtnTtgatTntgatsww傳輸帶寬 B=|f1-f2| +2Rb 誤碼率：Pe=1/2*erfc(A2/42 ) 數字調制數字調制 -PSK10110100）（22,cos)(ina=(t)s2psktcsnTtgw傳輸帶寬 B=2Rb 誤碼

15、率：Pe=1/2*erfc(A2/22 ) 數字調制數字調制 -DPSK絕對碼相對碼載波DPSK信號10110010100010110：相位不變1：改變數字調制系統(tǒng)誤碼率公式數字調制系統(tǒng)誤碼率特性多進制數字調制其他數字調制方式-最小移頻鍵控(MSK)數字相位調制，已調信號包絡恒定，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 Shift Keying，有時也稱為快速移頻鍵控FFSK)是二進制連續(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用，GSM采用了MSK。 最小移頻鍵控(MSK)表達式與

16、波形其他數字調制方式正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)已成功地應用于接入網中的高速數字環(huán)路HDSL、非對稱數字環(huán)路ADSL，高清晰度電視HDTV的地面廣播系統(tǒng)。在移動通信領域，OFDM是第三代、第四代移動通信系統(tǒng)準備采用的技術之一。 OFDM的基本原理OFDM是一種高效調制技術，其基本原理是將發(fā)送的數據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，在接收端通過相關解調技術分離出各子載波，同時消除碼間干擾的影

17、響。 OFDM系統(tǒng)基本模型OFDM信道頻譜利用5、數字信號基帶傳輸基帶傳輸是指數字信號不經過調制解調環(huán)節(jié)，直接進行傳輸。如：設備互連、單元互連、短距離傳輸等，都不需要調制解調的技術過程。主要由信道波形形成器、信道、接收濾波器和抽樣判決器組成。為了保證系統(tǒng)可靠有序地工作，還應有同步系統(tǒng)。遇到的主要問題有：碼速調整、碼型變換、信號均衡、濾波、時鐘提取等。 10100110 E(a) E E110011 E0101011(b)(c) E E1010011(d) E E1100011 E E 3E 3E010 011100 11 10 00 1(e)( f )0傳輸碼型P( f )歸零碼不歸零碼fO1

18、Ts1二進制基帶信號的功率譜密度 AMI 碼和HDB3碼的功率譜 1.00.500.51.0A MIH D B3非歸零碼歸一化功率譜f / fsAMI碼雖然時鐘頻率成分為零，但經過整流處理與歸零碼相同。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”個數不超過3個。以保證數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。 HDB3編碼規(guī)則（1）當信碼的連“0”個數不超過3時，仍按AMI碼的規(guī)則編，即傳號極性交替。 （2）當連“0”個數超過3時，則將第4個“0”改為非“0”脈沖，記為+V或-V，稱之

19、為破壞脈沖。相鄰V碼的極性必須交替出現，以確保編好的碼中無直流。 （3）為了便于識別，V碼的極性應與其前一個非“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。 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”

20、變換成“1”碼，稱為偽脈沖。 6、通信網同步同步：是指收發(fā)雙方在時間上步調一致，故又稱定時。在數字通信中，按照同步的功用分為：載波同步、位同步、群同步和網同步。同步誤差會影響解調輸出信號的幅度和頻率成分。時鐘的抖動會影響位同步和群同步的質量，造成“滑碼” 或“丟幀”載波同步載波同步 載波同步是指在相干解調時，接收端需要提供一個與接收信號中的調制載波同頻同相的相干載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。在模擬調制以及數字調制學習過程中，要想實現相干解調，必須有相干載波。因此，載波同步是實現相干解調的先決條件。 位同步位同步位同步又稱碼元同步。在數字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過一連串碼元序列傳送的，所以接收時需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當的時刻進行取樣判決。如