現代通信原理(01)

1、2022-1-21現代通信原理第一章 緒論2022-1-22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字電話、廣播電視、綜合信息網、多媒體寬帶網等現代民用技術，通信在過去分為模擬通信和數字通信兩個方面來研究。目前，隨著數字技術和計算機技術日新月異的發(fā)展，數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。2022-1-23 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，從模擬到數字，由淺入深，力求把握通信信號設計的發(fā)展脈絡和指導思想，用工程數學提供的方法準確表達和推導了通信信號和通信系統(tǒng)。202

2、2-1-24第一章緒論1.1 現代通信與信息社會v現代通信與信息社會 ：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，形成了現代的通信產業(yè)。5、計算機技術、多媒體技術、有線及無線網絡技術的發(fā)展，使信息交流達到了一個新的高度。 2022-1-251.2 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

3、（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2022-1-26 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網民近三千萬q中國已經成為世界上僅次于美國的第二 大電信市場。2022-1-27 截止到2011年08月q電話用戶達到了11.3億戶，普及率83%q移動電話用戶9億q互聯網用戶4.2億，普及率31.8%q中國已經成為世界上第一大電信市場。2022-1-28q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 C波段 KU波段 KA波段 多波

4、束天線 QPSK MSK QAM FDMA TDMA CDMA SDMAB、綜合化：語音、圖像、數據等多業(yè)務。C、個人化：網絡化、個人信息編碼、數據移動通信、衛(wèi)星移動通信。 2022-1-29二. 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 2022-1-210 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：信號傳輸媒介 信息速率 自信息量I(ai)=log21/p(ai),單位為比特

5、；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）2022-1-211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）2022-1-212 基帶信號：沒有經過高頻調制的信號。比如語音、圖像、數據。有時也指經過信源編或時分復用的信號，頻率較低。 基帶傳輸：基帶信號不經過調制直接傳輸。 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

6、收端從高頻中取出基帶的過程稱為解調。是調制的逆過程2022-1-2133. 數字通信系統(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2022-1-214 信源編碼：模擬信號要通過數字信道傳輸，首先要進行數字化處理，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字信道里。 信道編碼：為了在數字信道里有一定的傳輸質量，還要進行信道編碼，包括加擾編碼、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。2022-1-2154. 數字通信系統(tǒng)的優(yōu)越性 (1)抗干擾能力強 數字信號可多次再生，噪聲不會累積。 可以自動檢錯、

7、糾錯。 (2)具有良好的靈活性和通用性 (3)便于加密。 例: 待傳送數字序列X，密碼數字序列Y。 加密后數字序列 Z=XY -模2加 解密后 ZY=XYY=X (4)數字通信設備易于大規(guī)模集成2022-1-2161.2 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) 數據通信系統(tǒng) 多媒體通信系統(tǒng)2022-1-217二. 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的有效帶寬不足。

8、 可實現頻分復用 可改善通信系統(tǒng)的性能：抗低頻干擾。 2022-1-218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+)根據載波的不同2022-1-219 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、數傳殘留邊帶調幅VSB廣播電視、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數據傳輸頻率鍵控FSK數據傳輸相位鍵控PSK、D

9、PSK、QPSK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、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中低速數字電話2022-1-220三. 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。 數字通信系統(tǒng): 傳送在時間和幅度特性上都經過離散的消息。2022-1-221四.按通信方式不同 單工通信: 通信雙方單向傳

10、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。2022-1-222五. 按傳送信號的復用方式 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。2022-1-223六. 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。2022-1-224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 K

11、Hz104-103m低頻LF有線線對、長波導航信標300 KHz -3MHz103-102m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-300MHz10-1m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 -3GHz100-10cm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 GHz10-1mm極高頻EHF波導、毫米波近距離高精度雷達、射電天文105-10

12、7 GHz3*10(-4)-3*10(-6)cm光波段光纖、激光空間傳播光通信2022-1-225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。2022-1-226對于線性信道： 線性網絡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)稱為加性干擾，如白燥聲、各種 地面和空間

13、的干擾等。2022-1-227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。2022-1-228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，由于下行數據量遠遠大于上行數據量，稱為不對稱信道。2022-1-229對于變參信道： 例如移動通信，由于信號在傳輸過程中經過多種路徑到達移動臺，形成多徑衰落，使信道參數隨距離而變化。以舉兩徑為例：2022-1-230 發(fā)

14、 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) 2022-1-231 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，造成接收信號的幅度忽大忽小，接收效果時好時壞。2022-1-2321.3 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。2

15、022-1-233二. . 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; 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)2022-1-234三. 數字通信系統(tǒng) 有效性用信號的傳輸速率來衡量； 碼元傳輸速率(RB)：單位時間能夠傳送的碼元數。（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=RBM

16、log2M 比特/秒 RBM=Rb/log2M 波特2022-1-235 可靠性傳輸產生的錯誤概率； 誤碼率PB=接收的錯誤碼元數/發(fā)出的總碼元數； 誤比特率Pb=接收的錯誤比特數/發(fā)出的總比特數；2022-1-236 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。 信息處理技術是現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。2022-1-237

17、2022-1-238 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據通信系統(tǒng)的重要質量指標之一 標準的制定，除了技術的因素之外，還有經濟，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2022-1-239ISOISO 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

18、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2022-1-240ISOISO SC6為數據通信分委會，制定了HDLC（高級數據鏈路規(guī)程） SC16致力于OSI/RM（開放系統(tǒng)互聯參考模型），后被改組為SC21負責解決“開放系統(tǒng)互聯的信息檢索、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

19、中的序號。2022-1-241ITUITU 成立于1932年，后成為聯合國下屬機構。其前身為始建于1865年的國際電報聯合會（UTI） 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。國際電信聯盟International Telecommunication Union2022-1-242ITUITU 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（B

20、DT）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 Consulatif International Telegraphigueet Telephonique的縮寫，它主要由聯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盟International Telecommunication Union2022-1-243ITUITUCCITTCCITT的建議標準系列的建議標準系列 F F系列系列：有關電報、數據傳輸和遠程信息通信業(yè)務 （傳真、可視圖文等）的

21、定義、操作和服 務質量標準的建議； I I系列系列：有關數字網的建議，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：有關在電話網上進行數據通信的若干建議； X X系列系列：有關數據通信網的若干建議。國際電信聯盟International Telecommunication Union2022-1-244ITUITU 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-

22、T目前正與ISO合作，共同制定數據通信標準國際電信聯盟International Telecommunication Union2022-1-245IEEEIEEE 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的物理層與數據鏈路層。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 Electronics Engi

23、neers2022-1-246EIAEIA 另一個與制定電氣標準有關的組織是美國的EIA 該協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)協會Electronic Industries Associations2022-1-247美國國家標準學會American National Standard InstituteANSIANSI 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

24、的代表 IEEE和EIA都是ANSI的成員2022-1-248歐洲計算機制造商協會European Computer Manufactures AssociationECMAECMA 歐洲計算機制造商協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調與開發(fā)，主要活動包括OSI協議、數據網、文本準備與交換等 ECMA是ISO和ITU-T的無表決權成員，同時也頒布自己的標準。2022-1-249歐洲電信標準學會European Telecommunication Standard InstituteETSIETSI 歐洲電信標準學會由歐洲共同體各國政府資助，是一個由電信行業(yè)的廠商與研究機構參加并從事研究開發(fā)到標準制定的組織。2022-1-250ASTAPASTAP 亞洲與泛太平洋電信標準化協會1998年由日本與韓國發(fā)起成立的標準化組織。旨在加強亞洲與太平洋地區(qū)各國信息通信基礎設施及其相互連接的標準化工作的協作亞洲與泛太平洋電信標準化協會2022-1-251 我國從事標準化工作的官方機構是國家標準局 國家標準代號為GBxxxx-xx，前四位數字是標準編號,后兩位數字為標準頒布年份（目前已采用四位數字表示年份