现代通信原理剖析

1、2021-5-20现代通信原理剖析1 现代通信原理 第一章 绪论 2021-5-20现代通信原理剖析2 课程描述课程描述 通信是一个广义的概念，涉及包括雷达、导航、 遥控遥测等军用尖端技术和包括数字电话、广 播电视、综合信息网、多媒体宽带网等现代民 用技术，通信在过去分为模拟通信和数字通信 两个方面来研究。目前，随着数字技术和计算 机技术日新月异的发展，数字通信方式在许多 领域已逐步取带模拟通信方式，成为通信的主 流，也成为我们今天研究的重点。 2021-5-20现代通信原理剖析3 通信系统的核心是信号设计。本课程以 通信技术的发展、演变为线索，从模拟 到数字，由浅入深，力求把握通信信号 设计

2、的发展脉络和指导思想，用工程数 学提供的方法准确表达和推导了通信信 号和通信系统。 2021-5-20现代通信原理剖析4 第一章绪论 1.1 现代通信与信息社会 v现代通信与信息社会 ：克服距离障碍，迅速、准确传递 信息，通信发展经历了五个阶段，其标志性事件分别是： 1、语言的产生，使人类有了比较完整的表达和交流形式。 2、文字的产生，增大了交流的距离和流传的范围。 3、印刷术的发明，使文明得以保存，世代相传，信息得以扩 张。 4、电报、电话、无线电等技术的发展，形成了通信理论和技 术，形成了现代的通信产业。 5、计算机技术、多媒体技术、有线及无线网络技术的发展， 使 信息交流达到了一个新的高

3、度。 2021-5-20现代通信原理剖析5 1.2 通信系统的组成 v信息化社会：通信信息技术服务行业在 上世纪末已成为世界上最大的产业。 v电话普及率（台/100人） 90年代初:发达国家50台/百人。 中国1台/百人 2000年11月:我国30.2 台/百人 2021-5-20现代通信原理剖析6 截止到2001年11月 q国内固定电话用户达到了一点七七亿户 q移动电话用户一点四亿户 q网民近三千万 q中国已经成为世界上仅次于美国的第二 大电信市场。 2021-5-20现代通信原理剖析7 q发展趋势 A、宽带化：单膜光纤 WDM（波分复用） DWDM（密集波分复用） 参鉺放大器 全光网 C波

4、段 KU波段 KA波段 多波束天线 QPSK MSK QAM FDMA TDMA CDMA SDMA B、综合化：语音、图像、数据等多业务。 C、个人化：网络化、个人信息编码、数据移 动通信、卫星移动通信。 2021-5-20现代通信原理剖析8 二. 通信系统模型 信源发送设备传输媒介接收设备信宿 噪声源 1、点对点通信系统的一般模型 2021-5-20现代通信原理剖析9 信源：信息的发出者，模拟信源和离散信源。 发送设备：匹配信源与传输媒介，调制，功率放大， 以及各种信号处理功能。 噪声源：信号传输时所受的干扰。 接收设备：完成发送设备的反变换，小信号放大、 解调。 信宿：消息的接收者 信道

5、：信号传输媒介 信息速率 自信息量I(ai)=log21/p(ai),单位为比特；一个二 进制码元包含的信息量为1比特。设一个英文打字机 总共能产生32种离散符号，则需要5位二进制数字来 表示。设此打字机每秒能产生10个符号,那么作一个 离散信源来说,它产生的二进制信息速率为50比特/ 秒。（书中图12） 2021-5-20现代通信原理剖析10 信源信源编码信道编码调制 传 输 媒 介 信源译码信宿信道译码解调 噪声干扰 2、模拟通信系统 （模拟通信系统如图中虚线外的部分） 2021-5-20现代通信原理剖析11 基带信号：没有经过高频调制的信号。比如语 音、图像、数据。有时也指经过信源编或时

6、分 复用的信号，频率较低。 基带传输：基带信号不经过调制直接传输。 调制：为了有效传输，在发射机将基带信号调 制到较高频率进行发送称为调制。 解调：接收端从高频中取出基带的过程称为解 调。是调制的逆过程 2021-5-20现代通信原理剖析12 3. 数字通信系统 信源信源编码信道编码调制 传 输 媒 介 信源译码信宿信道译码解调 噪声干扰 2021-5-20现代通信原理剖析13 信源编码：模拟信号要通过数字信道传输，首 先要进行数字化处理，包括采样、量化、编码、 压缩等。信源编码保证了信号能否进入有一定 条件限制的数字信道里。 信道编码：为了在数字信道里有一定的传输质 量，还要进行信道编码，包

7、括加扰编码、纠错 编码和多址编码等。 信源解码：信源编码的逆过程。 信道解码：信道编码的逆过程。 2021-5-20现代通信原理剖析14 4. 数字通信系统的优越性 (1)抗干扰能力强 数字信号可多次再生，噪声不会累积。 可以自动检错、纠错。 (2)具有良好的灵活性和通用性 (3)便于加密。 例: 待传送数字序列X，密码数字序列Y。 加密后数字序列 Z=XY -模2加 解密后 ZY=XYY=X (4)数字通信设备易于大规模集成 2021-5-20现代通信原理剖析15 1.2 通信系统的分类 一. 按消息的物理特征分类 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 多媒体通信系统 2021-5-20

8、现代通信原理剖析16 二. 按调制方式分类 (1)基带传输-直接传输基带信号。 (2)调制传输-将基带信号调制到载波后传 输。 将消息变换为便于传送的形式 例1:天线长度工作波长/4 (=c/f)，如果用低频传输，天线尺寸太大。 例2：放大器的相对带宽决定了低频传 输的有效带宽不足。 可实现频分复用 可改善通信系统的性能：抗低频干扰。 2021-5-20现代通信原理剖析17 调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的参量上, 这些正弦波或脉冲序列就称为载波； 调制就是基带信号控制载波的某些参数按照基带 信号的变化规律而变化。如：某已调信号 s(t)=Acos(t+) 根据载波的不同 2021-5-20

9、现代通信原理剖析18 调制方式 用途 连 续 波 调 制 线性调制 常规双边带调副AM广播 抑制载波双边带调幅DSB立体声广播 单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB广播电视、数传、传真 非线性调 制 频率调制FM微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM中间调制方式 数字调制 幅度键控ASK数据传输 频率键控FSK数据传输 相位键控PSK、DPSK、QPSK数据传输、数字微波、空间通信 其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信 脉 冲 调 制 脉冲模拟 调制 脉幅调制PAM中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM（PWM）中间调制方式 脉位调制PPM遥测、光纤传输 脉冲数

10、字 调制 脉码调制PCM市话、空间通信 增量调制DM、CVSD、DVSD军用电话 差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码 其它方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话 2021-5-20现代通信原理剖析19 三. 按传输信号的特征 模拟通信系统: 传送在时间和幅度特性上 都连续变化的消息。 数字通信系统: 传送在时间和幅度特性上 都经过离散的消息。 2021-5-20现代通信原理剖析20 四.按通信方式不同 单工通信: 通信双方单向传递信息。 双工通信: 通信双方同时双向传递信息。 半双工通信:通信双方双向传递信息但不同时。 2021-5-20现代通信原理剖析21 五. 按传送信号的复用方

11、式 频分复用: 不同信号占用不同的频率范围。 时分复用: 不同信号占用不同的时间区间。 码分复用: 用正交的脉冲序列携带不同信号。 2021-5-20现代通信原理剖析22 六. 按传输媒介类型 有线通信：双绞线、双平行线、同轴电缆、微 带、波导、多芯铜线、光缆等。 无线通信：卫星通信、移动通信、微波通信、 雷达、声纳、遥控遥测、无线定位、无线接入 等。 2021-5-20现代通信原理剖析23 频率范围波长符号媒介用途 3Hz-30 KHz108-104m甚低频VLF有线线对、长波音频、电话 30KHz-300 KHz 104-103m低频LF有线线对、长波导航信标 300 KHz - 3MHz

12、 103-102m中频MF同轴电缆、中波调幅中波广播 3 MHz -30 MHz102-10m高频HF同轴电缆、短波调幅短波广播 30MHz- 300MHz 10-1m甚高频VHF同轴电缆、米波电视、调频广播、空 中管制、机场导航 300 MHz - 3GHz 100-10cm特高频UHF同轴电缆、微带、 波导、分米波 电视、移动通信、微 波接力、警戒雷达 3 GHz -30 GHz10-1cm超高频SHF波导、厘米波通信卫星、制导雷达、 炮瞄雷达 30GHz-300 GHz 10-1mm极高频EHF波导、毫米波近距离高精度雷达、 射电天文 105-107 GHz3*10(-4)- 3*10(

13、- 6)cm 光波段光纤、激光空间 传播 光通信 2021-5-20现代通信原理剖析24 信道的定义及分类 狭义信道：传输媒介。 调制信道：包括传输媒介及收发转换等模拟部 分。 广义信道：还包括调制信道之外的编码信道。 按不同的分类方式，信道可分为有线信道 和无线信道、调制信道和编码信道、线性信道 和非线性信道、记忆信道和不记忆信道、恒参 信道和变参信道等。 2021-5-20现代通信原理剖析25 对于线性信道： 线性网络 ei(t) Eo(t) h(t) K(t) eo(t)=k(t)ei(t)+h(t) 其中：K(t)K(t)称为乘性干扰，如畸变、衰落、交 调和互调等。 h(t)h(t)称

14、为加性干扰，如白燥声、各种 地面和空间的干扰等。 2021-5-20现代通信原理剖析26 对于编码信道： “1” “0” P（1/0） P（0/1） P（1/1） P（0/0） “0” “1” 其中：p（0/0）为收0发0的概率。 p（1/0）为收1发0的概率。 p（0/1）为收0发1的概率。 p（1/1）为收1发1的概率。 2021-5-20现代通信原理剖析27 如果P（0/1）=P（1/0），则称此信道为对称信道。 对于电话信道，基本上是对称信道。 对于INTERNET网，由于下行数据量远远大于上行 数据量，称为不对称信道。 2021-5-20现代通信原理剖析28 对于变参信道： 例如移动

15、通信，由于信号在传输过程中经过多 种路径到达移动台，形成多径衰落，使信道参数 随距离而变化。以举两径为例： 2021-5-20现代通信原理剖析29 发 射 波 接收波 时 域 f( t ) r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-) 频 域 F() R()=VoF()e-jto+VoF()e-j(to+) =VoF()e-jto(1+e-jw) 幅频特性：R()= R() e-jto1+ e-jw = R() e-jto*2cos(/2) 2021-5-20现代通信原理剖析30 两径衰落的结果相当与在单径接收信号的 基础上调制了一个（时延，与位置有关）的 余弦函数，造成接收信号的幅度忽

16、大忽小， 接收效果时好时坏。 2021-5-20现代通信原理剖析31 1.3 通信系统的性能度量 一. 通信系统的质量指标 有效性:信道一定时,系统能够传输信息内容 的多少。 可靠性:系统接收端恢复信息的准确程度。 2021-5-20现代通信原理剖析32 二. . 对于对于模拟通信系统 有效性-在给定信道带宽内,能容纳多少 的通信路数; 也可用传单路信号的有效带宽来衡量。 可靠性-通信系统接收端的输出信号噪 声功率比(SNR,Signal Noise Ratio) 2021-5-20现代通信原理剖析33 三. 数字通信系统 有效性用信号的传输速率来衡量； 码元传输速率(RB)：单位时间能够传送

17、的码元数。 （波特率) 每个码元传输所占用的时间TB 为码长,则 RB=1/TB (波特,Baud)。 若码元为二进制- RB2,若为M进制RBM， RB2=RBMlog2M 信息传输速率(Rb): 单位时间能够传送的信息量 (bits/s)。(比特率) Rb=RBMlog2M 比特/秒 RBM=Rb/log2M 波特 2021-5-20现代通信原理剖析34 可靠性传输产生的错误概率； 误码率PB=接收的错误码元数/发出的总 码元数； 误比特率Pb=接收的错误比特数/发出的 总比特数； 2021-5-20现代通信原理剖析35 为了获得通信中所需的有效性和可靠性，产 生了信息处理技术。 信息处理

18、技术是现代信息工程的核心技术。 信息处理的目的是为了提高系统对某一方面的要 求、优化系统某一方面的性能指标。 信息处理的主要手段是编、译码。比如： 1、为了提高系统的有效性，可以通过信源 编码来完成。 2、为了提高系统的安全性，可以通过加密 来完成。 3、为了提高系统的可靠性，可以通过信道 编码来完成。 2021-5-20现代通信原理剖析36 2021-5-20现代通信原理剖析37 通信涉及到双方或多方，其中包括点与点、 点与端、端与端的信息交互，没有相应的标 准显然是不行的 统一的标准也有利于系统的异构组成，也给 用户提供了选择使用的灵活性 标准化的程度是衡量数据通信系统的重要质 量指标之一

19、 标准的制定，除了技术的因素之外，还有经 济，乃至政治的因素 标准的制定有利于技术的发展，但有时各方 喋喋不休的争执对新技术的推广应用反而产 生牵制作用 2021-5-20现代通信原理剖析38 ISOISO 世界上从事国际标准化的最大的综合性非 官方机构，由各参与国的国家标准化组织 选派代表组成，成立于1947年 ISO的标准制定过程要经过四个阶段，即 工作草案、建议草案、国际标准草案和国 际标准 ISO下设近200个TC（技术委员会），其中 TC97负责IT技术有关标准的制定。TC97又 下辖16个 SC（分委会）和一个直属组 2021-5-20现代通信原理剖析39 ISOISO SC6为数

20、据通信分委会，制定了HDLC（高级数据 链路规程） SC16致力于OSI/RM（开放系统互联参考模型）， 后被改组为SC21负责解决“开放系统互联的信 息检索、传输与管理”等问题 TC97与国际电工委员会（IEC-International Electrotechnical Commissions）的TC83于 1987年成立了一个新的JTC（联合技术委员会） 来替代TC97，该机构名称是ISO/IEC JTC1, 下 属各SC仍沿用TC97中的序号。 2021-5-20现代通信原理剖析40 ITUITU 成立于1932年，后成为联合国下属机构。其 前身为始建于1865年的国际电报联合会（UT

21、I） ITU的宗旨 维护与发展成员国之间的国际合作以改进和共享 各种电信技术 帮助发展中国家大力发展电信事业；通过各种手 段促进电信技术设施和电信网的改进与服务 管理无线电频带的分配与注册，避免各国电台的 相互干扰。 国际电信联盟 International Telecommunication Union 2021-5-20现代通信原理剖析41 ITUITU ITU曾下辖总秘书处、国际频率注册委员会（IFRB）、 国际无线电咨询委员会（CCIR）、国际电报电话咨 询委员会（CCITT）和电信发展局（BDT）五个常设 机构 CCITT是国际电报电话咨询委员会的法文名称Comit Consulat

22、if International Telegraphigueet Telephonique的缩写，它主要由联合国各成员国的 邮政、电报和电话管理机构的代表组成，是一个开 发全球电信技术标准的国际组织 该机构已经为国际通信使用的各种通信设备及规程 的标准化提出了一系列建议 国际电信联盟 International Telecommunication Union 2021-5-20现代通信原理剖析42 ITUITU CCITTCCITT的建议标准系列的建议标准系列 F F系列系列：有关电报、数据传输和远程信息通信业务 （传真、可视图文等）的定义、操作和服 务质量标准的建议； I I系列系列：有关数

23、字网的建议，包括ISDN的若干建议； T T系列系列：有关终端设备的若干建议； V V系列系列：有关在电话网上进行数据通信的若干建议； X X系列系列：有关数据通信网的若干建议。 国际电信联盟 International Telecommunication Union 2021-5-20现代通信原理剖析43 ITUITU 1993年3月起，ITU下属的IFBR改称无线通 信部（RS），BDT改称电信发展部（TDS） CCITT与CCIR合并为电信标准化部（TSS）， 简称ITU-T ITU-T由一个常设职能部门TSB（电信标准 局）和许多SG（研究小组）构成 ITU-T目前正与ISO合作，共同

24、制定数据通 信标准 国际电信联盟 International Telecommunication Union 2021-5-20现代通信原理剖析44 IEEEIEEE 国际标准化工作还有美国的一个重要组织IEEE 的参与，它是全球最大的专业学术团体，开发 通信和网络标准也是该组织的主要工作 其研究领域主要涉及ISO的物理层与数据链路 层。例如，IEEE的802委员会制定的系列标准 已成为当今主流的局域网标准 除开发标准标准外，IEEE每年还召开各种会议， 出版许多刊物，因此它在世界上具有很高的知 名度 电气与电子工程师学会 Institute of Electrical and Electro

25、nics Engineers 2021-5-20现代通信原理剖析45 EIAEIA 另一个与制定电气标准有关的组织是美国 的EIA 该协会主要制定过许多电子传输标准，包 括ISO的物理层标准 它颁布的RS-232和ES-449已经成为全球广 泛采用的DTE和DCE之间串行接口标准 电子工业协会 Electronic Industries Associations 2021-5-20现代通信原理剖析46 美国国家标准学会 American National Standard Institute ANSIANSI 美国国家标准学会虽然只是一个非官方非 赢利的民间组织，但实际上却是全美技术 情报交换中心，并负责协调美国的标准化 工作 其研究范围与ISO相对应，它是ISO中美国 指定的代表 IEEE和EIA都是ANSI的成员 2021-5-20现代通信原理剖析47 欧洲计算机制造商协会 European Computer Manufactures Association ECMAECMA 欧洲计算机制造商协会是由欧洲一些计算机厂 商组成的标准化与技术评议机构，成立于1961 年，总部在日内瓦 其宗旨在于促进国家和国际机构间的合作，致 力于计算机与通信技术标准的协调与开发，主 要活动包括OSI协议、数据网、文本准备与交 换等 ECMA是ISO和ITU-T的无表决权成员，同