现代通信原理课件第一章_清华大学出版社_钱亚生曹志刚

1、绪 论 第第1章章 2 教学内容教学内容 现代通信原理将以通信系统为现代通信原理将以通信系统为 背景，主要讲述通信系统和通信技术的背景，主要讲述通信系统和通信技术的 基本原理。内容包括：通信系统基本概基本原理。内容包括：通信系统基本概 念、信息论初步、模拟信号调制技术、念、信息论初步、模拟信号调制技术、 语音编码、多路复用、数字信号的基带语音编码、多路复用、数字信号的基带 传输和频带传输、差错控制编码及多址传输和频带传输、差错控制编码及多址 传输原理传输原理。 重点以数字通信为主，以上内容作为信息类重点以数字通信为主，以上内容作为信息类 学生必须掌握的知识，以作为进一步深入该学生必须掌握的知识

2、，以作为进一步深入该 领域学生的先修知识。领域学生的先修知识。 3 与前后课程的关系与前后课程的关系 信号与系统信号与系统 复变函数复变函数 通信电路通信电路 前期课程包括：前期课程包括： 后期课程包括：后期课程包括： 现代通信技术现代通信技术 (微波、卫星、光纤通信微波、卫星、光纤通信) 计算机通信网计算机通信网 现代交换技术现代交换技术 4 教学参考书教学参考书 曹志刚 钱亚生，现代通信原理 清华大学出版社 参考书参考书 张辉 曹丽娜，现代通信原理与技术 西安电子科技大学出版社 樊昌信通信原理教程国防工业出版 社 教材教材 5 内内 容容 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 6 1.1

3、 现代通信与信息社会现代通信与信息社会 通信：通信：communication，信息交流信息交流 Telecommunication，电信号的处理和传电信号的处理和传 输输 信息社会，信息网，通信网信息社会，信息网，通信网 信息 语言文字图像 人力 马力 电话、广播 邮政 电报 Email 烽火台 电视 多媒体 信息社会 7 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 通信系统：通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒通信中所需要的一切技术设备和传输媒 质构成的总体。质构成的总体。 信信信信息息息息源源源源 发发发发送送送送设设设设备备备备 信信信信道道道道 接接接接收收收收设设设设备备备备 噪

4、噪噪噪声声声声源源源源 发送端发送端 接接接接收收收收端端端端 收收收收信信信信者者者者 消息的产生地，作消息的产生地，作 用为把各种消息转用为把各种消息转 换成原始电信号，换成原始电信号， 可以是模拟信号也可以是模拟信号也 可以是数字信号。可以是数字信号。 如：摄象机、光如：摄象机、光 驱、。驱、。 将信源和信道匹配起来。将信源和信道匹配起来。 变换方式多样，在需要变换方式多样，在需要 频谱搬移的场合，调制频谱搬移的场合，调制 是最常见的变换方式。是最常见的变换方式。 如广播电台、如广播电台、 传输信号的物理媒传输信号的物理媒 质。包括无线信道：质。包括无线信道： 和有线信道。和有线信道。

5、通信系统中各种设通信系统中各种设 备以及信道中所固备以及信道中所固 有的，分为内部噪有的，分为内部噪 声和外部噪声。将声和外部噪声。将 噪声源看成各处噪噪声源看成各处噪 声集中加入到信道声集中加入到信道 的。的。 完成发送设备的反转完成发送设备的反转 换，进行解调、译码、换，进行解调、译码、 解码等。如收音机、解码等。如收音机、 电视机。电视机。 传输信息的归宿点，传输信息的归宿点， 作用为将复原的原作用为将复原的原 始信号转换成相应始信号转换成相应 的消息。如喇叭、的消息。如喇叭、 显示器。显示器。 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 8 基站 BTS 移动交换机 MSC 基站控制器 BS

6、C 数据库 VLR/HLR 网络管理 公共电话网 PSTN 基站控制器 BSC 基站 BTS 基站 BTS 基站 BTS 手持机 HS MS 移动台 MS 移动台 以蜂窝移动通信系统为例以蜂窝移动通信系统为例 9 1.3 通信系统的分类通信系统的分类 接入网 核心网 有线接入 无线接入 卫星接入 高空平台 蜂窝接入 微波接入 FWA, WLL WLAN PAN 通信网 光纤接入 PON，APON FTTB/C/H/R 混合光纤同轴网 Cable Modem DSL (ADSL,HDSL) 10 1.3.1 按调制方式分类按调制方式分类 将未经调制的信号直接传未经调制的信号直接传 送送，如音频市

7、内电话。 对各种信号调制后传输各种信号调制后传输的 总称，常见的调制方式见 表 1 1。 基带传输基带传输： 频带传输频带传输： 11 表表 1- 1常见的调制方式常见的调制方式 调调 制制 方方 式式 用途用途 连连 续续 波波 调调 制制 线性调制线性调制常规双边带调制常规双边带调制广播广播 抑制载波双边带抑制载波双边带 调幅调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、载波通信、无线电台、 数传数传 残留边带调幅残留边带调幅 VSB 电视广播、电视广播、 数传、数传、 传真传真 非线性调非线性调 制制 频率调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、微波中继、卫星

8、通信、 广播广播 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 相位键控相位键控数据传输数据传输 12 调调 制制 方方 式式 用途用途 脉脉 冲冲 数数 字字 调调 制制 数字调制数字调制相位键控相位键控PSK、 DPSK、 QPSK等等 数据传输、数据传输、 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 其他高效数字调制其他高效数字调制 QAM、 MSK等等 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 脉冲模拟脉冲模拟 调制调制 脉幅调制脉幅调制PAM 中间调制方式、中间调制方式、 遥测遥测 脉宽调制脉宽调制 PDM(PWM) 中间调制方式

9、中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM 遥测、遥测、 光纤传输光纤传输 脉冲数字脉冲数字 调制调制 脉码调制脉码调制PCM 市话、市话、 卫星、卫星、 空间通空间通 信信 增量调制增量调制DM 军用、军用、 民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制 DPCM 电视电话、电视电话、 图像编码图像编码 其他语言编码方式其他语言编码方式 ADPCM、 APC、 LPC 中低速数字电话中低速数字电话 续表（续表（2） 13 按照信道中所传输的是按照信道中所传输的是模拟信号模拟信号还是还是数字信号数字信号， 相应地把相应地把 通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统

10、。 数字通信的主要特点：数字通信的主要特点： 抗干扰能力强。 远距离传输可消除噪声积累。 采用信道编码技术可控制差错。降低误码率， 提高传输的可靠性。 易于用现代计算技术对信号进行处理、加工、 变换、存储，从而形成智能网。 易于集成化，从而使通信设备微型化。 易于加密处理,且保密强度高。 1.3.2 1.3.2 按信号特征分类按信号特征分类 14 数字通信的缺点数字通信的缺点 占据系统频带宽，因此数字通信的频带占据系统频带宽，因此数字通信的频带 利用率不高。利用率不高。 对同步要求高，因而系统设备比较复杂。对同步要求高，因而系统设备比较复杂。 不过，随着光纤等的采用和超大规模集不过，随着光纤等

11、的采用和超大规模集 成电路的发展，数字通信的这些缺点已成电路的发展，数字通信的这些缺点已 经弱化。数字通信将占主导地位。经弱化。数字通信将占主导地位。 15 1.3.31.3.3按传输媒质分类按传输媒质分类 按传输媒质分，通信系统可分为有线有线 通信系统通信系统和和无线通信系统无线通信系统两大类。 有线通信有线通信：是用导线（如架空明线、 同轴电缆、 光导纤维、波导等）作为 传输媒质完成通信的，如市内电话、 有线电视、海底电缆通信等。 无线通信无线通信：是依靠电磁波在空间传播 达到传递消息的目的的，如短波电离 层传播、微波视距传播、卫星中继等。 16 1.3.4 1.3.4 按信号复用方式分类

12、按信号复用方式分类 传输多路信号有三种复用方式，即频分复用频分复用、时分复用时分复用和码分码分 复用复用。 频分复用频分复用: 用用频谱搬移频谱搬移的方法使不同信号占据不同的的方法使不同信号占据不同的频率范围频率范围； 时分复用时分复用: 用用脉冲调制脉冲调制的方法使不同信号占据不同的的方法使不同信号占据不同的时间区间时间区间； 码分复用码分复用: 用用正交的脉冲序列正交的脉冲序列分别携带分别携带不同信号不同信号； 说明说明：传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数 字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广 泛，码分复用主要用于空间通信的扩频通信中。 17 1.3.1.3.5 5 按通信方式

13、分类按通信方式分类 对于点到点之间的通信，按对于点到点之间的通信，按消息传送的方消息传送的方 向与时间的关系向与时间的关系，通信方式可分为，通信方式可分为: 单工通信单工通信 :指消息只能单方向传输的工作指消息只能单方向传输的工作 方式。例如遥控、遥测、广播、电视等。方式。例如遥控、遥测、广播、电视等。 半双工通信半双工通信 :指通信双方都能收发消息，指通信双方都能收发消息， 但不能同时进行收发的工作方式。例如使但不能同时进行收发的工作方式。例如使 用同一载频工作的无线电对讲机。用同一载频工作的无线电对讲机。 全双工通信全双工通信:全双工通信是指通信双方可同全双工通信是指通信双方可同 时进行收

14、发消息的工作方式。例如电话。时进行收发消息的工作方式。例如电话。 18 数字通信中，按照数字通信中，按照数字信号码元排列方法数字信号码元排列方法 不同不同，通信方式可分为，通信方式可分为: 串行传输串行传输 :是指数字信号码元序列按时间是指数字信号码元序列按时间 顺序一个接一个地在信道中传输。远距离顺序一个接一个地在信道中传输。远距离 数字通信大多采用串行传输方式。数字通信大多采用串行传输方式。 并行传输并行传输 :是指将数字信号码元序列分割是指将数字信号码元序列分割 成两路或两路以上的数字信号码元序列同成两路或两路以上的数字信号码元序列同 时在信道中传输。近距离数字通信可采用时在信道中传输。

15、近距离数字通信可采用 并行传输方式。并行传输方式。 19 1.4 通信技术发展概况通信技术发展概况 移动通信的发展过程移动通信的发展过程 最近无线通信的发展方向最近无线通信的发展方向 通信的发展目标通信的发展目标-个人通信个人通信 20 移动通信的发展过程移动通信的发展过程 1970s1980s1990s2000s 第第一一代代 ( (A AM MP PS S为为例例) ) 第第二二代代 ( (以以G GS SM M为为例例) ) 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 制制定定标标准准 商商业业运运营营 提提出出方方案案 制制定定

16、标标准准 商商业业运运营营 提提出出方方案案 制制定定标标准准 商商业业运运营营 提提出出方方案案 21 最近无线通信的发展方向最近无线通信的发展方向 高速 步行 静止 室内 移 动 性 10k 100k 1M 10M 100M 寻寻 呼呼 机机 蜂蜂 窝窝 电电 话话 公用公用 无绳电话无绳电话 家用家用 无绳电话无绳电话 无线无线LANLAN 超高速超高速LANLAN 高速高速 无线接入无线接入 1995年2001 年 IMT2000 IMT2000 (FPLMTS)(FPLMTS) 第一阶段第一阶段 IMT200IMT200 第二阶段第二阶段 传输容量(bps) 22 通信的发展目标通信

17、的发展目标-个人通信个人通信 目标是实现：目标是实现：个人通信系统个人通信系统 (PCN) 无论任何人无论任何人 (Whoever) 在任何时候在任何时候 (Whenever) 在任何地方在任何地方 (Wherever) 与另一个人与另一个人 (Whomever) 进行任何类型进行任何类型 (Whatever) 个人通信个人通信(PC)：任何人在任何时间与任何地任何人在任何时间与任何地 点以任何形式的通信点以任何形式的通信 “任何时间任何时间” 要求支持运动中通信要求支持运动中通信: 无线通信是前无线通信是前 提提 “任何人任何人” 要求支持巨大用户量要求支持巨大用户量: 频谱资源有限频谱资源

18、有限 “任何地点任何地点” 要求无缝覆盖要求无缝覆盖: 传输能力有限传输能力有限 “任何形式任何形式” 要求多媒体要求多媒体: 处理能力有限处理能力有限 24 1.5 通信系统的性能度量通信系统的性能度量 通信系统的主要性能指标是通信系统的主要性能指标是有效有效 性性和和可靠性可靠性。 有效性有效性: 指在给定信道内所传输的信指在给定信道内所传输的信 息内容的多少，或者说是传输的息内容的多少，或者说是传输的“速速 度度”。 可靠性可靠性: 指接收信息的准确程度，也指接收信息的准确程度，也 就是传输的就是传输的“质量质量”。 25 1.5.1模拟通信系统模拟通信系统 有效性有效性:用有效传输频带

19、来度量。用有效传输频带来度量。 可靠性可靠性:用接收端最终输出信噪比来度用接收端最终输出信噪比来度 量。量。 说明：说明：不同调制方式在同样信道信噪不同调制方式在同样信道信噪 比下所得到的最终解调后的信噪比是比下所得到的最终解调后的信噪比是 不同的。不同的。 如调频信号抗干扰能力比调如调频信号抗干扰能力比调 幅好，但调频信号所需传输频带却宽幅好，但调频信号所需传输频带却宽 于调幅。于调幅。 26 1.5.2 数字通信系统数字通信系统 有效性可用传输速率来衡量。有效性可用传输速率来衡量。 码元传输速率码元传输速率 信息码元传输速率信息码元传输速率 可靠性可用差错率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。

20、 误码率（码元差错率）误码率（码元差错率） 误信率（信息差错率）误信率（信息差错率） 27 码元传输速率码元传输速率RB： ： 简称简称传码率传码率，又称，又称符号速率符号速率。 表示：表示：单位时间内传输码元的数目单位时间内传输码元的数目 单位是单位是波特波特（Baud），），记为记为B。 例如例如: 若若1秒内传秒内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与 进制数无关，只与传输的码元长度进制数无关，只与传输的码元长度T有关有关: 1 ( ) B RB T 1.传输速率传输速率 M进制码元速率进制码元速率RBM与二进制码元速率与二进制码元速率RB2的关系：的关系： RB2=RBMlog2 M (B) 信息传输速率信息传输速率Rb 简称传信率，又称比特率。简称传信率，又称比特率。 表示表示：单