現(xiàn)代通信原理講座

1、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(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

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(fù)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(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、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、導(dǎo)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(xué)科。 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)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

4、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 按傳輸信號的特征分類按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號還是數(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)。 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

5、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)用主要用于光纖通信，衛(wèi)星通信和移動通信中還有空分復(fù)用（SDM）。 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(zhì)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(shù)據(jù)終端、時標30kHz300kHz104-103 m低頻LF有線線對長波無線電導(dǎo)航、信標、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30MHz300MHz101 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、300MHz3GHz1

7、0010cm特高頻UHF波導(dǎo)、分米波無線電電視、空間遙測、雷達導(dǎo)航、移動通信3GHz30GHz101cm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30GHz300GHz101mm極高頻EHF波導(dǎo)、毫米波無線電雷達、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(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

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(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(zhì)量指標還包括：標準性、經(jīng)濟性和可維護性。通信的服務(wù)質(zhì)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(wǎng)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(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)(1log)(iiixPxPxI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，單位：波特。傳信率：單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，一般?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(shù)。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(guān)系 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。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(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

11、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)。 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(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。自由空間自由空間方式做媒

12、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(wǎng)使用的頻率范圍要寬得多。有一些標準 1-30MHz 。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

13、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)目煽啃浴?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化。非線性調(diào)制：調(diào)頻FM、調(diào)相PM兩種方式。 m(t)OtA0+m(t)OtOOttC(t)=cosctcsAM(t)1M(w)pA0mwcc021w0 mpA0SAM(w)AM調(diào)制調(diào)制模型帶寬：B=2m +m(t)cos(ct+c)A0SAM(t)DSB調(diào)制cosctOttOm (t)sDSB(t)OtOwM (w)OwOw-cc-mmm-ccsDSB()cos(ct+c)S(t)LPFmd(t)解調(diào)模型解

14、調(diào)模型c-mc+m上邊帶下邊帶數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)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(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)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(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -PSK10110100）（22,cos)(ina=(t)s2psktcsnTtgw傳輸帶寬 B=2Rb 誤碼

15、率：Pe=1/2*erfc(A2/22 ) 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 -DPSK絕對碼相對碼載波DPSK信號10110010100010110：相位不變1：改變數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率特性多進制數(shù)字調(diào)制其他數(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 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(yīng)用，GSM采用了MSK。 最小移頻鍵控(MSK)表達式與

16、波形其他數(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)準備采用的技術(shù)之一。 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

17、響。 OFDM系統(tǒng)基本模型OFDM信道頻譜利用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。 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(jīng)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(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。 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

19、為破壞脈沖。相鄰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。 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(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：載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。同步誤差會影響解調(diào)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(zhì)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(diào)時，接收端需要提供一個與接收信號中的調(diào)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(diào)制以及數(shù)字調(diào)制學(xué)習(xí)過程中，要想實現(xiàn)相干解調(diào)，必須有相干載波。因此，載波同步是實現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件。 位同步位同步位同步又稱碼元同步。在數(shù)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(dāng)?shù)臅r刻進行取樣判決。如