现代通信原理讲座

1、现代通信原理讲座主要内容1、通信系统组成2、通信系统中的概念和质量指标3、传输媒介4、调制与解调理论5、数字信号基带传输6、通信中的同步 参考书：通信原理通信原理-樊昌信等,西安电子科技大学出版社1、通信系统的组成通信系统的一般组成如图所示，包括七部分：(1）信源：消息的来源。模拟信源，电视、电话等；数字信源，计算机终端、水文站、气象站等。信源信源译码信源编码收信者信道译码信道编码信道通信系统的组成(2）信源编码：去掉冗余度的编码。如：DPCM(差分PCM)、ADPCM(自适应差分PCM)、CVSD（可变斜率增量调制）、LPC（线性预测编码）、CELP（码本激励编码）(3）信道编码：实现差错控

2、制的编码。如：奇偶校验、CRC（循环码）、BCH、卷积码和TURBO等通信系统的组成(4) 信道：信息的传输媒介。如：电缆、光缆、自由空间（微波、特高频、卫星和移动）等。(5) 信道译码：信道编码的逆过程。采用各种解码算法。(6) 信源译码：信息编码的逆过程，恢复原信息。通信系统的分类通信系统的分类 按通信业务不同分类：按照目前通信业务的不同可将通信系统分为电报通信系统、电话通信系统、传真通信系统、数据通信系统、可视电话系统、无线寻呼系统等。从广义的角度来看：广播、 电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航等的不断发展，目前它们已从

3、通信中派生出来，形成了独立的学科。 按调制方式不同分类调 制 方 式 调 制 方 式 用 途 连续波 调制线性调制常规双边带调幅 AM广播 抑制载波双边带调制 DSB 立体声广播 单边带调制 SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调制 VSB 电视广播、 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 频移键控FSK数据传输 相位键控PSK、DPSK QPSK等 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

4、宽调制PDM(PWM) 中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、 光纤传输 脉冲数字调制脉码调制PCM 市话、 卫星、 空间通信 增量调制DM 军用、 民用电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、 图像编码 ADPCM、 APC、 LPC 中低速数字电话 按传输信号的特征分类按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成：模拟通信系统：传输模拟信号的通信系统。数字通信系统：传输数字信号的通信系统。 按传送信号的复用方式分类传输多路信号有频分复用（FDM）（波分复用 WDM） 、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、和空分复用（SDM）。频分复用：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的

5、频率范围；时分复用：用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用：用正交的脉冲序列分别携带不同信号。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，码分复用主要用于移动通信系统，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信和移动通信中还有空分复用（SDM）。 按传输媒质分类按传输媒质，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维（介质波导）、波导（空气波导）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、

6、卫星中继、移动通信等。各种传输媒质有其特定的工作频率 常用传输媒介的频率范围及用途频率范围波长符号传输媒介用途3Hz30kHz108-104 m甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端、时标30kHz300kHz104-103 m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz3MHz103-102 m中频MF同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3MHz30MHz102-10 m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播、业余无线电30MHz300MHz101 m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、300MHz3GHz1

7、0010cm特高频UHF波导、分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、移动通信3GHz30GHz101cm超高频SHF波导、厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30GHz300GHz101mm极高频EHF波导、毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105-107GHz3x10-4-3x10-6 cm可见光、红外光纤激光空间传播光通信2 2、通信系统的主要性能指标、通信系统的主要性能指标 有效性：给定频带传输信息量的能力模拟通信系统的有效性指标用传输频带衡量，不同调制方式需要的频带宽度(简称带宽B)也不同，信号的带宽B越小，占用信道带宽越少，在给定信道时容纳的传输路数越多，有效性越好。数字通

8、信系统的有效性指标用传输速率衡量，传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标可靠性：传输信息的可靠程度模拟通信系统的可靠性指标用接收端的最终输出信号与功率噪声比(简称信噪比S/N或SNRSignal Noise Ratio) 衡量，不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调输出信噪比也不同。数字通信系统的可靠性指标用差错概率衡量，差错概率又分为误码率和误信率。通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标实际通信系统的质量指标还包括：标准性、经济性和可维护性。通信的服务质量（QOS）主要指：传输带宽（传码率）、信噪比（误码率）、传输时延、时延抖动

9、、帧丢失率等指标最引人注意。系统的可维护性（网管功能）也成为重要的指标。信息与信息量信息：信息是一种不确定度的描述，是语言、文字、数据或图像中所包含的人们想知道的内容，是内在的实质的东西。信息量：单位：（1）对数以2为底时，单位为比特(bit)。（2）对数以e为底时，单位为奈特(nit)。（3）对数以10为底时，单位为哈特莱(Hartley)。 )(log)(1log)(iiixPxPxI传码率与传信率传码率：通信系统单位时间内传送码元符号的个数，即：码元总数/总时长，单位：波特。传信率：单位时间内传输的信息量，一般用 比特/每秒 来表示，若用奈特/每秒就可以方便的分开传码率和传信率的不同。说

10、明：一个码元可以“装载”多个“比特”的信息量，如果码元是二进制的符号，一般也称比特，这时，传码率与传信率单位一样，但意义不同。传码率与传信率的换算：RB2=RBMlog2 M ，其中，RB2：二进制的传信率，RBM：多进制的传码率，M是码元的进制数。同时，这也是不同进制间传码率换算公式。传码率变化时的波形关系 3、传输媒介传输媒介：是指通信信道所经过的物理媒介。目前有：电缆、光缆、自由空间等媒介。电缆光缆1 G.651 多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652 常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，系统的

11、传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。G.653 色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。 光缆2G.654 1.55m损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31m色散为零，在1.55m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。G.655 非零色散光纤，是一种改进的色散移位光纤。具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。自由空间自由空间方式做媒

12、介，有数字微波（PCM和SDH制式），中继距离；40-50公里；卫星：中继距离地面最大18000公里；移动通信；特高频等输电线电力线载波通信能使用的频谱由三个因素决定：（1）电力线路本身的高频特性。（2）避免50Hz工频的干扰。（3）考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影响。我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围为40500KHz。电力线上网使用的频率范围要宽得多。有一些标准 1-30MHz 。4、调制与解调理论调制可以分为模拟调制和数字调制，其作用是：(1)进行频谱搬移。把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号(2)实现信道多路复用，提高信道

13、的频带利用率。(3)通过选择不同的调制方式改善系统传输的可靠性。 模拟调制线性调制：调幅AM、双边带DSB、单边带SSB和残留边带VSB四种方式，它们的共同特点是调制前后信号频谱只有位置变化。非线性调制：调频FM、调相PM两种方式。 m(t)OtA0+m(t)OtOOttC(t)=cosctcsAM(t)1M(w)pA0mwcc021w0 mpA0SAM(w)AM调制调制模型带宽：B=2m +m(t)cos(ct+c)A0SAM(t)DSB调制cosctOttOm (t)sDSB(t)OtOwM (w)OwOw-cc-mmm-ccsDSB()cos(ct+c)S(t)LPFmd(t)解调模型解

14、调模型c-mc+m上边带下边带数字调制数字调制 -ASK载 波 信 号2ASK信 号s(t)1011Tb001ttt传输带宽 B=2Rb 误码率：Pe=1/2*erfc(A2/82 ) cos(ct+c)S(t)SASK(t) 数字调制数字调制 -FSK1011001tS（t）t2FSK信号)cos()()cos()()(212nnSnnSnnFSKtnTtgatTntgatsww传输带宽 B=|f1-f2| +2Rb 误码率：Pe=1/2*erfc(A2/42 ) 数字调制数字调制 -PSK10110100）（22,cos)(ina=(t)s2psktcsnTtgw传输带宽 B=2Rb 误码

15、率：Pe=1/2*erfc(A2/22 ) 数字调制数字调制 -DPSK绝对码相对码载波DPSK信号10110010100010110：相位不变1：改变数字调制系统误码率公式数字调制系统误码率特性多进制数字调制其他数字调制方式-最小移频键控(MSK)数字相位调制，已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。最小移频键控MSK(Minimum Frequency Shift Keying，有时也称为快速移频键控FFSK)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式，它比2PSK有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用，GSM采用了MSK。 最小移频键控(MSK)表达式与

16、波形其他数字调制方式正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统已成功地应用于接入网中的高速数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL，高清晰度电视HDTV的地面广播系统。在移动通信领域，OFDM是第三代、第四代移动通信系统准备采用的技术之一。 OFDM的基本原理OFDM是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许多个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱有重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影

17、响。 OFDM系统基本模型OFDM信道频谱利用5、数字信号基带传输基带传输是指数字信号不经过调制解调环节，直接进行传输。如：设备互连、单元互连、短距离传输等，都不需要调制解调的技术过程。主要由信道波形形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。遇到的主要问题有：码速调整、码型变换、信号均衡、滤波、时钟提取等。 10100110 E(a) E E110011 E0101011(b)(c) E E1010011(d) E E1100011 E E 3E 3E010 011100 11 10 00 1(e)( f )0传输码型P( f )归零码不归零码fO1

18、Ts1二进制基带信号的功率谱密度 AMI 码和HDB3码的功率谱 1.00.500.51.0A MIH D B3非归零码归一化功率谱f / fsAMI码虽然时钟频率成分为零，但经过整流处理与归零码相同。HDB3码 HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。以保证数字信号流不会因为没有“1”信号，而成为没信号。造成时钟提取困难。 HDB3编码规则（1）当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替。 （2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之

19、为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流。 （3）为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B； （4） 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 HDB3码编码实例 代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号的目的是为了示意是将原信码的“0”

20、变换成“1”码，称为伪脉冲。 6、通信网同步同步：是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。在数字通信中，按照同步的功用分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。同步误差会影响解调输出信号的幅度和频率成分。时钟的抖动会影响位同步和群同步的质量，造成“滑码” 或“丢帧”载波同步载波同步 载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。在模拟调制以及数字调制学习过程中，要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。 位同步位同步位同步又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。如