通信技術(shù)原理第一章教程課件

1、通信技術(shù)原理 課程簡介課程名稱：通信技術(shù)原理講課教師：付松濤課內(nèi)總學(xué)時：48 課程目的以數(shù)字通信為背景，介紹現(xiàn)代通信及系統(tǒng)的原理和技術(shù)，為從事這一領(lǐng)域研究的學(xué)生提供最基本的入門知識。課程概況課程內(nèi)容一、 緒論二、 香農(nóng)定理三、 模擬調(diào)制技術(shù)四、 模擬信號數(shù)字化技術(shù)五、 數(shù)字基帶傳輸技術(shù)六、 數(shù)字頻帶傳輸技術(shù)七、 復(fù)用技術(shù)與同步原理八、 差錯控制技術(shù)第1章 緒論1.1 通信的基本知識1.2 通信系統(tǒng)的組成及分類1.3 通信系統(tǒng)的性能度量1.4 通信技術(shù)的發(fā)展概況1.1 通信的基本知識通信：克服距離上的障礙，交換和傳遞信息消息：用于被傳輸?shù)奈淖?、符號、?shù)據(jù)和語音、活動圖片等信號：指消息的電量形式，

2、與消息是一一對應(yīng)的信息：指消息中的有效內(nèi)容，可以用量化的形式來表示，它與消息出現(xiàn)的概率密切相關(guān) 信號波形的中心頻率及其帶寬。 信號波形的功率和能量。 信號波形的抗干擾能力如何？ 在發(fā)送端：產(chǎn)生該波形的代價如何？ 在接收端：檢測該波形的代價又如何？信號波形設(shè)計取決于如下幾個因素：1.2 通信系統(tǒng)的組成及分類通信系統(tǒng)的一般模型模擬通信系統(tǒng)模型模擬廣播通信系統(tǒng)數(shù)字基帶通信模型數(shù)字信源: 產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）數(shù)是有限的 如：計算機(jī)的輸出模擬信源: 產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）是連續(xù)變化的、數(shù)目無限的。一、 數(shù)字與模擬信源如：鍵盤。 如：語音源。 2. 數(shù)字與模擬信源1. 信息、消息與信號Digital

3、 and analog information source 如：漢字集。 消息符號（message symbol）：數(shù)字消息的每一種狀態(tài)或者取值稱為一種消息符號 消息符號集：數(shù)字消息源的所有狀態(tài)或者取值的集合 如：具有N種取值的數(shù)字信源數(shù)字消息源: 消息符號、消息符號集、數(shù)字消息序列（數(shù)字信號）數(shù)字消息序列：其中 xm 取 中 N個值之一。圖1.3.1 數(shù)字消息信號示例3. 數(shù)字與模擬信源的基本指標(biāo) 符號速率： M元數(shù)字信源：指數(shù)字信源具有M種符號最基本的是二元數(shù)字信源：具有2種符號，可以用1位二進(jìn)制編碼表示，稱為1bit. 多元數(shù)字信源：如M元，可以用n位二進(jìn)制編碼表示 數(shù)字信源的基本指標(biāo)

4、:消息符號數(shù)字信源的元數(shù)：一般，例：假設(shè)計算機(jī)的終端鍵盤上有 110 字符 ，每個字符用二進(jìn)制代碼組來表示。 問每個字符需要用幾位二進(jìn)制代碼? 解: 故需要 7bits代碼來表示每個字符. 習(xí)題： 考慮手機(jī)短消息通信，以你自己或其他某人的經(jīng)驗，試估計（1）按鍵速率；（2）假定每個中文字符轉(zhuǎn)換為2字節(jié)表示，短消息的二元符號速率是多少？ 解：（1）經(jīng)過多次試驗，按鍵速率為2.03 key/s （2）短消息的二元符號速率為 模擬信源的基本指標(biāo):頻帶的寬度（赫或赫茲，Hz） 如：語音的音量 電信號電信號二、數(shù)字波形與模擬波形（傳輸波形） 對于數(shù)字信源可以用二元（二進(jìn)制）波形（信號）傳輸，也可以用多元（

5、多進(jìn)制）波形（信號）傳輸。數(shù)字波形：信號的傳信息的參量只取有限個值。二進(jìn)制（binary）信號: 1 bit二進(jìn)制代碼用一個脈沖傳，故 在一個 Ts 時隙內(nèi)傳兩種不同的脈沖之一. Ts：Time slot例1：二進(jìn)制波形（二電平波形）電平A和0抽象為符號 和 ，兩個符號稱為二元（二進(jìn)制）符號。符號周期或碼元寬度數(shù)字基帶信號信道符號頻譜在零頻附近多進(jìn)制 (M-ary) 信號 : n bit二進(jìn)制代碼用一個脈沖傳， 在一個 Ts 時隙內(nèi)傳M種不同的脈沖之一. 一般， 例2：4進(jìn)制波形 4個電平抽象為符號 ，4個符號稱為4元（4進(jìn)制）符號。數(shù)字基帶信號符號周期或碼元寬度信道符號傳輸速率：比特率 :

6、Rb 每秒傳輸?shù)腷it數(shù) 單位: bits/s b/s bps符號速率（波特率）: Rs 每秒傳輸?shù)拿}沖數(shù) （符號數(shù)） 單位 : symbol/s Baud BRb 和 Rs的關(guān)系:信道符號 對于模擬信源模擬波形：信號的傳信息的參量的取值是連續(xù)變化的模擬波形在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。模擬波形經(jīng)過A/D變換變成數(shù)字波形，也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。數(shù)字通信系統(tǒng)模型GSM通信系統(tǒng)計算機(jī)通過網(wǎng)線連接 信源編碼和信源譯碼 信源編碼: 為了改善傳輸效率（壓縮編碼） 信源譯碼: 為了恢復(fù)原始信號，作相反的變換 信道編碼和信道譯碼 信道編碼: 為了改善傳輸?shù)目煽啃裕ㄐ诺兰m錯編碼） 信道譯碼: 為了恢復(fù)原始信號，

7、作相反的變換調(diào)制的目的提高信號頻率以便天線輻射改變信號占用帶寬實現(xiàn)信道復(fù)用改善系統(tǒng)性能收發(fā)兩端結(jié)構(gòu)基本對稱，相應(yīng)的單元彼此互逆。發(fā)格式化：把來自信源的消息信號整理為二進(jìn)制序列。收格式化：把收到的二進(jìn)制序列還原為原始消息信號。 格式化：對于模擬信源，格式化還包括A/D和D/A變換。 脈沖基帶調(diào)制和基帶檢測脈沖基帶調(diào)制: 把二進(jìn)制序列變換成二元或多元傳輸波形基帶檢測:把二元或多元傳輸波形還原為二進(jìn)制序列。通過對基帶波形進(jìn)行抽樣和判決實現(xiàn)。 同步單元為整個數(shù)字傳輸系統(tǒng)提供各種定時時鐘，使各個單元能夠正確、有序地工作。數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點優(yōu)點：更好的抗失真和干擾的能力容易實現(xiàn)，成本低，更具靈活性差

8、錯控制編碼容易實現(xiàn)保密通信更適合數(shù)字業(yè)務(wù)，容易實現(xiàn)多網(wǎng)合一缺點：數(shù)字信號具有更寬的頻帶同步設(shè)備復(fù)雜通信系統(tǒng)的分類按照通信的業(yè)務(wù)和用途常規(guī)通信控制通信按照調(diào)制方式基帶通信調(diào)制通信按照傳輸信號特征模擬通信數(shù)字通信按照傳輸信號的復(fù)用方式頻分復(fù)用時分復(fù)用碼分復(fù)用tf0f1f2f3f4fntf0t1t2t3t4tnC0fC1C2C3C4Cn按照通信方式單工通信半雙工通信全雙工通信按照傳輸媒介有線通信（明線、對稱電纜、同軸電纜、光線）無線通信（微波中繼通信、衛(wèi)星通信、移動通信）按照工作波長長波通信中波通信短波通信微波通信同軸電纜截面示意圖有線電信道電氣特性信道類型通話容量（路）頻率范圍(kHz)傳輸距離(

9、km)明線1+30.327300明線1+3+120.3150120對稱電纜241210835對稱電纜60122521218小同軸電纜300601 3008小同軸電纜960604 1004中同軸電纜1 8003009 0006中同軸電纜2 70030012 0004.5中同軸電纜10 80030060 0001.5n1n2折射率折射率n1n22a光波波長（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7通信頻率分布對流層地球010 km電離層60300 km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線傳播地 波頻率：2MHz 以下繞射：發(fā)生在波長障礙物尺寸可比時通信距離：可達(dá)數(shù)百

10、數(shù)千 km地球D層：高60 80 kmE層：高100 120 kmF層：高150 400 kmF1層：140 200 kmF2層：250 400 km晚上：D層、F1層消失E層、F2層減弱 電離層的結(jié)構(gòu)DEFF2F1地 面天 波電離層高度：60 300 km單跳最大距離：4000 km多跳可以環(huán)球頻率：2 30 MHz頻率： 30 MHz傳播距離: d2 + r2 =(h+r)2, 或h D2/50 (m)式中 D km視線傳播hr地面ddD無線電中繼無線電中繼靜止衛(wèi)星中繼通信頻率(GHz)(a) 氧氣和水蒸氣（濃度7.5 g/m3）的衰減衰減衰減水蒸氣氧氣降雨率圖1.4.5 大氣衰減大氣對電

11、磁波傳播的影響散射通信電離層散射頻率: 30 60 MHz對流層散射頻率: 100 4000 MHz流星余跡散射頻率: 30 100 MHz 對流層散射通信地球有效散射區(qū)域地球 流星余跡散射通信數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)移動交換中心電話交換中心平流層中繼通信系統(tǒng)計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)移動業(yè)務(wù)交換中心市話局中繼線Modem1.3 通信系統(tǒng)的性能度量模擬通信系統(tǒng)有效性：傳輸帶寬可靠性：接收端的信噪比數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：傳輸速率（信息傳輸速率、碼元傳輸速率）可靠性：誤碼率、誤比特率數(shù)字通信的傳輸速率碼元傳輸速率(Rs):單位時間內(nèi)傳輸碼元的個數(shù)。單位為波特Baud信息傳輸速率（Rb）：單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。單位為比特每秒（bps)關(guān)系： Rb Rs log2N例：已知某八進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)，發(fā)送端在3秒鐘內(nèi)共發(fā)送9600個碼元。計算該系統(tǒng)的碼元傳輸速率和信息傳輸速率。誤碼率與誤比特率的定義誤碼率誤比特率例：已知某四進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)，其信息傳輸速率為2400bit/s，接收端在一小時內(nèi)共接收到216個錯誤碼元，計算該系統(tǒng)的誤碼率和誤比特率。1.