現(xiàn)代通信原理課件第一章,清華大學(xué)出版社,錢亞生曹志剛課件

1、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(hào)調(diào)制技術(shù)、念、信息論初步、模擬信號(hào)調(diào)制技術(shù)、語(yǔ)音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號(hào)的基帶語(yǔ)音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸和頻帶傳輸、差錯(cuò)控制編碼及多址傳輸和頻帶傳輸、差錯(cuò)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(shí)，以作為進(jìn)一步深入該學(xué)生必須掌握的知識(shí)，以作為進(jìn)一步深入

2、該領(lǐng)域?qū)W生的先修知識(shí)。領(lǐng)域?qū)W生的先修知識(shí)。3 與前后課程的關(guān)系與前后課程的關(guān)系 信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)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(jì)算機(jī)通信網(wǎng)計(jì)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(shū)教學(xué)參考書(shū)曹志剛 錢亞生，現(xiàn)代通信原理 清華大學(xué)出版社參考書(shū)參考書(shū)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(guó)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 61.1 現(xiàn)代通信與信息社會(huì)現(xiàn)代通信與信息社會(huì)通信：

3、通信：communication，信息交流信息交流 Telecommunication，電信號(hào)的處理和傳電信號(hào)的處理和傳輸輸信息社會(huì)，信息網(wǎng)，通信網(wǎng)信息社會(huì)，信息網(wǎng)，通信網(wǎng)信息語(yǔ)言文字圖像人力馬力電話、廣播郵政電報(bào)Email烽火臺(tái)電視多媒體信息社會(huì)71.2 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 噪噪噪噪聲聲聲聲源源源源 發(fā)發(fā)送送端端 接接接接收收收收端端端端 收收收收信信信信者

4、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(hào)，換成原始電信號(hào)，可以是模擬信號(hào)也可以是模擬信號(hào)也可以是數(shù)字信號(hào)?？梢允菙?shù)字信號(hào)。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(lái)。將信源和信道匹配起來(lái)。變換方式多樣，在需要變換方式多樣，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。是最常見(jiàn)的變換方式。如廣播電臺(tái)、如廣播電臺(tái)、傳輸信號(hào)的物理媒傳輸信號(hào)的物理媒質(zhì)。包括無(wú)線信道：質(zhì)。包括無(wú)線信道：和有線信道。和有線信道。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

5、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(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)始信號(hào)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(dòng)交換機(jī)MSC基站控制器BSC數(shù)據(jù)庫(kù)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)HSMS移動(dòng)臺(tái)MS移動(dòng)臺(tái)以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為例以蜂窩移動(dòng)通

6、信系統(tǒng)為例91.3 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(wú)線接入衛(wèi)星接入高空平臺(tái)蜂窩接入微波接入FWA, WLLWLANPAN通信網(wǎng)光纖接入PON，APONFTTB/C/H/R混合光纖同軸網(wǎng)Cable ModemDSL (ADSL,HDSL)101.3.1 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(hào)直接傳未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送送，如音頻市內(nèi)電話。 對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q，常見(jiàn)的調(diào)制方式見(jiàn) 表 1 1?；鶐鬏敾鶐鬏敚侯l帶傳輸頻帶傳輸：11表表 1- 1常見(jiàn)的調(diào)制方式常見(jiàn)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)

7、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(wú)線電臺(tái)、載波通信、無(wú)線電臺(tái)、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?cái)?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、

8、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(cè)遙測(cè) 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制脈位調(diào)制PPM 遙測(cè)、遙測(cè)、 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

9、語(yǔ)言編碼方式其他語(yǔ)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(hào)模擬信號(hào)還是還是數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)， 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)。 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(cuò)。降低誤碼率，提高傳輸?shù)目煽啃浴?易于用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，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

10、信號(hào)特征分類按信號(hào)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(duì)同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。對(duì)同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。 不過(guò)，隨著光纖等的采用和超大規(guī)模集不過(guò)，隨著光纖等的采用和超大規(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。151.3.31.3.3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(wú)線通信系統(tǒng)無(wú)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

11、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(wú)線通信無(wú)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(hào)復(fù)用方式分類按信號(hào)復(fù)用方式分類 傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用時(shí)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(hào)占據(jù)不同的的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍頻率范圍； 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用: 用用脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間時(shí)間區(qū)間； 碼分復(fù)用碼分復(fù)用

12、: 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(hào)不同信號(hào)； 說(shuō)明說(shuō)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(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，碼分復(fù)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。171.3.1.3.5 5 按通信方式分類按通信方式分類 對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)之間的通信，按對(duì)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(shí)間的關(guān)系向與時(shí)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(cè)、廣播、電視等。方式。例如遙控、遙測(cè)、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

13、信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式。例如使但不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式。例如使用同一載頻工作的無(wú)線電對(duì)講機(jī)。用同一載頻工作的無(wú)線電對(duì)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(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。例如電話。時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。例如電話。FLASH演示演示1819數(shù)字通信中，按照數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)碼元排列方法數(shù)字信號(hào)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(hào)碼元序列按時(shí)間是指數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸。遠(yuǎn)距離順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸。遠(yuǎn)距離數(shù)字通信大多采

14、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(hào)碼元序列分割是指將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)碼元序列同成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)碼元序列同時(shí)在信道中傳輸。近距離數(shù)字通信可采用時(shí)在信道中傳輸。近距離數(shù)字通信可采用并行傳輸方式。并行傳輸方式。 FLASH演示演示20211.4 通信技術(shù)發(fā)展概況通信技術(shù)發(fā)展概況移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程最近無(wú)線通信的發(fā)展方向最近無(wú)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(gè)人通信個(gè)人通信22 移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程1970s1980s1990s2000s第第一一代代( (A AM MP

15、 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(yíng)營(yíng)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(yíng)營(yíng)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(yíng)營(yíng)提提出出方方案案23最近無(wú)線通信的發(fā)展方向最近無(wú)線通信的發(fā)展方向高速步行靜止室內(nèi)移動(dòng)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(wú)繩電話無(wú)繩電話家用家用無(wú)繩電話無(wú)繩電話無(wú)線無(wú)線LANLAN超高速超高速LANLAN高速高速無(wú)線接入無(wú)線接入1995年2001年IMT20

16、00 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)24 通信的發(fā)展目標(biāo)通信的發(fā)展目標(biāo)-個(gè)人通信個(gè)人通信目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：個(gè)人通信系統(tǒng)個(gè)人通信系統(tǒng) (PCN) 無(wú)論任何人無(wú)論任何人 (Whoever) 在任何時(shí)候在任何時(shí)候 (Whenever) 在任何地方在任何地方 (Wherever) 與另一個(gè)人與另一個(gè)人 (Whomever) 進(jìn)行任何類型進(jìn)行任何類型 (Whatever)25個(gè)人通信個(gè)人通信(PC)：任何人在任何時(shí)間與任何地任何人在任何時(shí)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(shí)間任何時(shí)間”

17、要求支持運(yùn)動(dòng)中通信要求支持運(yùn)動(dòng)中通信: 無(wú)線通信是前無(wú)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有限 “任何地點(diǎn)任何地點(diǎn)” 要求無(wú)縫覆蓋要求無(wú)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 261.5 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)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)南?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八偎俣榷取薄?可靠性可靠性: 指接收信息的準(zhǔn)確

18、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”。27 1.5.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)有效性有效性:用有效傳輸頻帶來(lái)度量。用有效傳輸頻帶來(lái)度量?？煽啃钥煽啃?用接收端最終輸出信噪比來(lái)度用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。量。 說(shuō)明：說(shuō)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(hào)抗干擾能力比調(diào)如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。于調(diào)幅。281.5.2 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(lái)衡量。有效性可用傳輸速率來(lái)

19、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(cuò)率來(lái)衡量。可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。誤碼率（碼元差錯(cuò)率）誤碼率（碼元差錯(cuò)率）誤信率（信息差錯(cuò)率）誤信率（信息差錯(cuò)率）29碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB： 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱傳碼率傳碼率，又稱，又稱符號(hào)速率符號(hào)速率。 表示：表示：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目單位時(shí)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(gè)碼元，則傳碼率為個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān)有關(guān):1( )BRBT 1.傳輸速率傳輸速率30M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(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率。簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率。 表示表