通信原理-CH1-绪论

1、通信原理通信原理主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n航空航天通信系统n通信系统的基本关键技术n通信系统的新技术n通信系统的质量指标通信系统的模型n通信的三个要素：通信的三个要素：信源、信宿信源、信宿和和信道信道信源信源 发送设备发送设备噪声噪声接收设备接收设备信道信道信宿信宿发送发送传输传输接收接收模拟通信系统数字通信系统模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统 抗干扰能力强 便于加密 易于实现集成化 便于进行数字信号处理，易于计算机联结 可采用信道编码技术降低错码率 抗干扰能力差 不易于保密通信 设备不易于大规模集成 不适应飞速发展的计算机通信的要求 简单、易于实现数字基带

2、信号的特性（A/D变换）数字调制与解调原理已调信号的特性数字通信系统的抗干扰性能信道编码、译码（差错控制）加密同步基带信号的特性调制与解调原理已调信号的特性有噪声情况下的系统性能 特点特点研究内容研究内容主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n通信在航空航天上的应用n通信系统的基本关键技术n通信系统的新兴技术n通信系统的质量指标通信的发展目标通信的发展目标-个人通信个人通信n目标：实现个人通信网络 (PCN)n 任何任何人人 (Whoever)n 在在任何任何时候时候 (Whenever)n 在在任何任何地方地方 (Wherever)n 与另一个人与另一个人 (Whomever)n 进行

3、进行任何任何类型类型 (Whatever)挑战挑战n 个人通信（PC）：任何人在任何时间与任何地点以任何形式的通信n “任何时间任何时间” 要求支持动中通: 无线通信是前提 n “任何人任何人” 要求支持巨大用户量: 频谱资源有限 n “任何地点任何地点” 要求无缝覆盖: 覆盖可用能力有限 n “任何形式任何形式” ” 要求多媒体:传输、处理能力有限 通信产业的发展移动通信的发展第一代(1G)第二代(2G/2.5G)第三代(3G)第四代(4G)模拟窄带电路交换容量小不支持数据业务仅支持FDD不能漫游 AMPSTACSNMT数字窄带电路交换语音、低速数据业务仅支持FDD支持漫游GSMNCDMAT

4、DMA数字支持5M以上带宽分组交换、电路交换支持多媒体业务FDD/TDD支持漫游IMT 2000UTRAcdma 2000数字宽带无缝接入软件无线电基于IP的核心网移动通信的带宽发展变化The InternetIP backboneBillingVHESignalling GatewayWAPAccountingUMTSBroadcast Networks (DAB, DVB-T)Satellite FESGSM / GPRSContext-aware informationCentreIP-based micro-mobilityWireless LANsISPSIP Proxy Serve

5、r4G 通信模型移动通信中的关键技术n多址技术多址技术 n扩频技术扩频技术n多载波调制技术多载波调制技术n信道编码和交织技术信道编码和交织技术n功率控制技术功率控制技术n分集接收技术分集接收技术n多用户检测技术多用户检测技术卫星通信卫星通信的发展卫星通信的特点n通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖的范围均可进行通信n不易受陆地灾害影响 n网络建设速度快、成本低n易于实现广播和多址通信 n同一信道可用于不同方向和不同区域 n有助于系统的均匀服务，并有利于新业务的引入卫星发展历程及趋势 单星单星多星星座卫星编队大卫星大卫星小卫星微小卫星纳米卫星近地近地远地深空n卫星组网是目前卫星技术，尤其是卫星通信

6、系统发展中的一个热点。国际上先后提出了40多个卫星通信网络建设计划，典型的方案有： 多星星座组网通信多星星座组网通信主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n通信在航空航天上的应用n通信系统的基本关键技术n通信系统的新技术n通信系统的质量指标深空探测的挑战Long mission duration Long signal travel timeLow bit rateLaunch date is fixedLoading (over)Lack of informationLoss of experienceLow lever of activities任务持续时间长信号延迟大通信数据率低发

7、射日期固定超负荷信息缺乏经验少操作事件频率低8L挑战挑战事实n光速传播的速度n地球 木星 : 32.7 minn地球 土星 : 76.7 minn地球 冥王星 : 5.5 hoursn地球 航海者1号 : 13 hoursn地球 航海者2号 : 10.4 hoursn想象一下 ?n5.5个小时后!n我说“Hi”，而你听到的时候却是通信挑战n传播延迟极长极长n上下链路非对称非对称n射频（RF）通信链路错误率高错误率高n链路质量间断间断n通信设施不固定固定n行星间的远距离远距离对信号强度和协议设计的影响n功率、质量、大小和成本限制限制通信硬件和协议n开发和发射过程中的向后兼容性向后兼容性深空探测技

8、术现状美国美国DSN戈尔德斯顿站戈尔德斯顿站 9m (1) 11m (1) 26m (1) 34m (1) 34m BWG-1 (1) 34m BWG-2 (1) 34m BWG-3 (1) 34m HEF (1) 34m HSB (1) 70m (1)堪培拉站堪培拉站,马德里站马德里站 11m (1) 26m (1) 34m BWG-1 (1) 34m HEF (1) 34m STD (1) 70m (1)俄罗斯俄罗斯叶夫帕托里亚站叶夫帕托里亚站32 m (1)70 m (1)莫斯科熊湖站莫斯科熊湖站32m (1)64m (1)乌苏里斯克站乌苏里斯克站25m (1)32m (1)70m (1

9、)美国美国俄罗斯俄罗斯欧空局，日本欧空局，日本欧空局欧空局 塞布莱罗斯站塞布莱罗斯站 35m (1) 新诺金站新诺金站35m (1)日本日本白田站白田站64 m (1)10m (1)深空通信网络结构星间星间外部网外部网InterPlanetary External Network行星网络行星网络PlanetaryNetwork进行深空中，在行星间的飞船编队，传感器节点群，和太空站群之间的通信 行星卫星网环绕行星的卫星为行星地面组件提供中继，通信和导航服务，包括轨道卫星间的链路以及卫星与地面组件之间的链路 行星表面地面网包括大功率地面组件间的链路（自行装置，着陆装置等）。地面组件不能直接与卫星进

10、行话音通信，以ad hoc方式组成网络星间星间骨干网骨干网InterPlanetary Backbone Network进行地球，外太空星球，月球，卫星，中继星等之间的通信火星与地球通信实现火星与地球通信实现n根据JPL报告火星通信网是NASA的Space Science Enterprise（SSE）通信体系的一部分n下一代的火星通信网络将为火星探测器、飞船等提供全程通信和导航服务n未来的火星探测将需要互连互通的探测器来完成，即要求他们能够与地球用户以及他们之间共享信息n目前的Mars Global Surveyor任务是典型的state-of-the-practice火星到地球无线电通信，

11、利用基于X波段微波通信技术直接与地球建立连接链路，数据率大约为85Kbit/sn可以利用Ka波段和光通信提高数据率火星探测火星远期通信体系火星远期通信体系 火星中期通信体系火星中期通信体系 火星近期通信体系火星近期通信体系 深空通信网的关键技术n深空无线频率和调制n深空信道编码n深空链路n深空组网n深空端到端的安全性n深空端到端的可靠性n深空文件传输n深空应用通信系统的发展目标：天空地一体化通信网络天空地一体化通信网络空基信息网络Satellite天基综合信息网地基网天空地一体化网络天空地一体化网络目前的概念目前的概念和技术和技术新概念新概念新技术新技术新概念使用新方法新概念使用新方法革命性的

12、概念革命性的概念使用突破性的技术使用突破性的技术新概念和目前的新概念和目前的技术技术天空地一体化n 信息利用综合化n 系统集成化n 处理智能化n 应用协同化AnyInformationAnytimeAnywhereAnyone COMM COMPUT CON CMD CORC5I主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n航空航天通信系统n通信系统的基本关键技术n通信系统的新技术n通信系统的质量指标n不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有有4种情况种情况消息：模拟消息、数字消息消息：模拟消息、数字消息信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：

13、模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道n信源调制和编码技术n信息传输技术n模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输话音话音放大放大,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟消息，模拟信号模拟消息，模拟信号数字消息，模拟信号数字消息，模拟信号数字消息，数字信号数字消息，数字信号模拟消息，数字信号模拟消息，数字信号10101010调制调制n编码与调制编码与调制用数字信号承载数字或模拟用数字信号承载数字或模拟消息消息编码编码用模拟信号承载数字或模拟消息用模拟信号承载数字或模拟消息调制调制EncoderDecoder数字或数字或模拟消息模拟消息

14、g(t)x(t)g(t)数字或数字或模拟消息模拟消息发送方发送方接收方接收方ModulatorDemodulator数字或数字或模拟消息模拟消息m(t)s(t)m(t)数字或数字或模拟消息模拟消息载波发送方发送方接收方接收方模拟消息的调制方法正弦:AM:FM:PM:线性调制：线性调制：AM， SSB，VSB非线性调制：非线性调制：FM，PM连续波调制连续波调制PAM， PPM脉冲调制脉冲调制PAM:模拟消息的编码方法n需要经过三个步骤：需要经过三个步骤：采样采样 量化量化 编码编码数字消息的调制方法n三种常用的调制技术三种常用的调制技术：幅度键控 ASK (Amplitude Shift Ke

15、ying)频移键控 FSK (Frequency Shift Keying)相移键控 PSK (Phase Shift Keying)ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0和和1FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 和和1数字消息的编码方法n二元码nNRZ RZ 差分码 数字分相码 CMI码 5B6B码n三元码n传号交替反转码 HDBn码 HDB3码n多元码nM进制码 2B1Q码（ISDN所应用的144kbps）数字基带信号码型的分类根据码型所包含的电平幅度取值区分n信源调制和编

16、码技术n信息传输技术数字数字消息消息的传输方式的传输方式n基带传输：基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送，号直接在信道上传送，可用于短距离传输可用于短距离传输 n频带传输频带传输：数据经过调制（频率搬移）后，数据经过调制（频率搬移）后，再送到信道上再送到信道上多路复用技术多路复用技术n复用：多个信息源共享一个公共信道复用：多个信息源共享一个公共信道n为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率n适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时平均传输需求时n类比：公共运输系统类比：公共运输系统

17、(铁路、海运、航空铁路、海运、航空)DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿n复用类型复用类型频分复用频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)时分复用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)码分复用码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)波分复用波分复用 WDM (Wave Division Multiplexing)n频分复用频分复用原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传

18、输每路信号占用一个频率通道进行传输频率通道之间留有防护频带以防相互干扰频率通道之间留有防护频带以防相互干扰CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器n时分复用时分复用 原理：把时间分成小的时间片，每个时间片分原理：把时间分成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用为若干个时隙，每路数据占用1个时隙进行传输个时隙进行传输A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器nCDM的特

19、点：的特点：抗干扰能力强抗干扰能力强n通过码型来区分用户，不容易互相干扰通过码型来区分用户，不容易互相干扰保密性强保密性强n信号频谱类似于白噪声信号频谱类似于白噪声占用频带宽占用频带宽n发送的数据率是信息数据率的发送的数据率是信息数据率的m倍倍(m为码片的位数为码片的位数)：原来发送原来发送1比特的时间里，现在要发送比特的时间里，现在要发送m比特。这种比特。这种通信方式属于扩频通信中的直接序列扩频通信方式属于扩频通信中的直接序列扩频(DS-CDMA，Direct Sequence-CDMA)多用于无线广播信道多用于无线广播信道n如移动电话、卫星通信等如移动电话、卫星通信等CDM-码分复用n波分

20、复用波分复用光的频分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅同步原理同步？同步？保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致1、载波同步载波同步：采用同步解调时，接收端要有一个与发送端同频：采用同步解调时，接收端要有一个与发送端同频同相的相干载波。同相的相干载波。相干载波的

21、提取称载波同步相干载波的提取称载波同步2、位（码元）同步位（码元）同步：接收端需要知道码元的起止时刻。：接收端需要知道码元的起止时刻。接收端产生与接收码元的频率和相位一致的定时脉冲接收端产生与接收码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称位（码元）同步序列的过程称位（码元）同步3、帧（群）同步帧（群）同步：接收端产生与：接收端产生与“字、句字、句”起止时刻一致的定时起止时刻一致的定时脉冲序列的过程称帧（群）同步脉冲序列的过程称帧（群）同步4、网同步网同步：为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换：为了保证通信网内各用户之间可靠地进行数据交换使整个通信网内有统一的时间节拍标准使整个通信网内有

22、统一的时间节拍标准差错控制差错差错：接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致：接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象。如多位、缺位、错位等的现象。如多位、缺位、错位等 差错产生的差错产生的原因原因：主要是噪声、干扰、串扰、反射、信号：主要是噪声、干扰、串扰、反射、信号畸变、自然界电磁场的变化等因素的影响畸变、自然界电磁场的变化等因素的影响差错差错控制控制：在数据传输过程中，发现、检测差错，并对差：在数据传输过程中，发现、检测差错，并对差错进行纠正，从而将差错限制在允许尽可能小的范围内的错进行纠正，从而将差错限制在允许尽可能小的范围内的方法方法差错控制方式差错控制方式 发端纠错码

23、收端前向纠错FEC发端检错码收端检错重发ARQ判决信号发端检错和纠错码收端混合纠错HEC判决信号差错控制编码n线性分组码n循环码 （线性分组码的一个子类）n卷积码主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n航空航天通信系统n通信系统的基本关键技术n通信系统的新技术n通信系统的质量指标通信系统的新技术n扩频技术nOFDMn超宽带（UWB）技术 n智能天线技术nMIMO技术 主题内容n通信系统的组成n现代通信系统的发展n航空航天通信系统n通信系统的基本关键技术n通信系统的新技术n通信系统的质量指标对通信质量的要求高效性可靠性保密性经济性可维护性适应性？ 消息的传输速度消息的传输速度？ 消息的传输质量消息的传输质量？ 是否便于加密是否便于加密？ 成本是否低成本是否低？ 维修是否方便维修是否方便？ 环境使用条件环境使用条件通信系统的质量指标n有效性有效性：在给定信道内能传输的信息内容的多少 资源的利用（频率、时间和功率）n可靠性可靠性：指接收信息的准确程度 模拟通信系统的质量指标带宽带宽越小，有效性越好信噪比（信噪比（dB）越大，可靠性越好语音：20dB图像：40dB (4级)数字通信系统的质量指标BbRNR)(log2有效性占用信道带宽，频带利用率：，因为占用信道带宽小，有效性条件下，在传输相同信息速率的:)/(/ )/au( /WHzsbitWR