现代通信技术课程2

1、2、 数字通信原理数字通信原理 2.1 数字通信系统数字通信系统 2.2 时空编码与多用户系统时空编码与多用户系统 2.3现代信息论现代信息论现代通信技术课程现代通信技术课程主讲：宋梁，主讲：宋梁，LSONGIEEE.ORGLSONGIEEE.ORGQQQQ群：群：3149458742015-20162015-20162本堂内容本堂内容通信系统简史通信系统简史数字通信系统构成数字通信系统构成3通信的发展简史通信的发展简史u18441844年年5 5月月2424日，莫尔斯从日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦

2、里无虚席的国会大厦里, ,莫尔莫尔斯用激动得有些颤抖的双手斯用激动得有些颤抖的双手, ,操纵着他倾十余年心血研操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机制成功的电报机, , 发出了发出了: :“ “上帝创造了何等奇迹上帝创造了何等奇迹! !” ”一语一语。 莫尔斯发出第一封电报设备的复制品 最早的有线电报4通信的发展简史通信的发展简史u18751875年年6 6月月2 2日，美国人亚力山大日，美国人亚力山大. .格格雷厄姆雷厄姆. .贝尔贝尔(Bell,Alekander (Bell,Alekander Graham)Graham)发明了电话。至今美国波士发明了电话。至今美国波士顿法院路顿法院路10

3、9109号的门口，仍钉着块镌号的门口，仍钉着块镌有：有：18751875年年6 6月月2 2日电话诞生在这里日电话诞生在这里的铜牌。的铜牌。u18761876年年2 2月月1414日，贝尔申请了那个著日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明电话的专利。同一天另一个发明家格雷（家格雷（1835-19011835-1901）也向美国专利）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。话发明权。 最早的有线电话贝尔获得电话的专利证书 u188

4、71887年年3 3月月2121日，德国物理学家赫兹（日，德国物理学家赫兹（HertzHertz）在）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。 电磁波的发现 通信的发展简史通信的发展简史通信的发展简史通信的发展简史1895年5月7

5、日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。 最早的无线通信 波波夫实验用的无线电接收机 通信的发展简史通信的发展简史1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。人类首次远距离无线电通信影响通信发展的重要发明或理论影响通信发展的重要发明或理论

6、 1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。 1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。影响通信发展的重要发明或理

7、论影响通信发展的重要发明或理论 1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。1976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。10本堂内容本堂内容通

8、信系统简史通信系统简史数字通信系统构成数字通信系统构成11数字通信系统的构成数字通信系统的构成信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线12数字通信系统的构成数字通信系统的构成信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿13信源编码信源编码信源编码是将信息转换成二进制数据，而后进行适当的压缩。例如：语音编码。信源解码过程是这个过程的逆过程。模拟信号数字信号采样模拟/数字信源编码数字信号14例：语音信号编码例：语音信号编码语音信号的频率：300Hz-3400Hz（一般为语音信号最高频率是4KHz）15例：语

9、音信号编码例：语音信号编码采样定理。16例：语音信号编码例：语音信号编码3.5v3.5v011000110110001110010011100100114.7v4.7v17例：语音信号编码例：语音信号编码原始信号：2 X 4k X 8 =64kbits/s语音信号压缩技术：GSM系统中语音信号为9kbits/s语音信号可以压缩到1kbits/s以下18图像信号的压缩图像信号的压缩图像信号是由一个个的像素组成(例800X600)，每个像素的幅度表示灰度彩色图像有三种不同的基色图像信号具有更多的信息量需要传输（例: 800 X 600 X 25帧/秒 X 3)高清电视图像信号的传输需要几十兆比特/

10、秒19图像信号的压缩图像信号的压缩0110101001000101011010100100010120信道编码信道编码信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿21信道编码信道编码用于保证接收到的“0”， “1 ”序列是正确的 错误检测可检查接收信息是否正确需要加入一些冗余信息 错误纠正可以检测并可以纠正错误需要更多的冗余信息 重传机制在系统能够监测到错误但不能纠正错误时需要更多冗余产生时延22信道编码信道编码正确信息： 我们明天14:0016:00开会接收到的错误信息： 我们明天10:0016：00开会：接收信息有错误，但接收端无法知道23信道编码信道编

11、码正确信息： 我们明天14:0016:00开会利用编码的方法可使错误被检测到： 我们明天下午10:0016：00开会：错误可被检测到，但不能被纠正：这里加入了一定的冗余信息24信道编码信道编码利用编码的方法可使错误被检测到并被纠正 我们明天下午10:0016:00开会两个小时两个小时：错误可被检测，并可被纠正：加入了更多的冗余信息25信道编码信道编码有些错误是无法检测到并被纠正的 我们明天下午16:0018:00开会两个小时：加入了足够的冗余信息：错误无法被检测并被纠正26信道编码信道编码 简单信道编码 分组码 卷积码 27循环码的编码和译码循环码的编码和译码加法：f1(D)=D3+D+1,

12、f2(D)=D+1 则 f1(D)+f2(D)=D3乘法： f1(D)* f2(D)=D4+D2+D+D3+D+1 = D4+ D3 +D2 +1除法： f1(D)/ f2(D) D2+D D+1 D3+ D+1 D3+D2 D2+D+1 D2+D 1 28循环码的编码和译码循环码的编码和译码我们知道，系统码用多项式表示即为： A(D)=Dn-kM(D)+r(D) 编码的关键是求出r(D)，而r(D)则要通过 来求解。 )()()(DgDMDremDrkn29循环码的编码和译码循环码的编码和译码例：已知（7，4）系统循环码的生成多项式为g(D)=D3+D2+1，若信息码为1001，求编码后的循

13、环码组。解：信息码多项式为M(D) = D3 + 1， 其对应的码组为1001011 11) 1()(2333DDDDDremDr11) 1()(3633DDDDDDDA30循环码的编码和译码循环码的编码和译码我们知道，发送码组多项式A(D)是多项式g(D)的倍式，如果经过信道传输后发生错误，接收码组多项式B(D)不再是g(D)的倍式，可表示为： 或写成：S(D)= remB(D)/g(D) 其中S(D)是B(D)除以g(D)后的余式，是不大于r-1次的码组多项式，称为伴随多项式或校正子多项式。)()()()()(DgDSDxDgDB31循环码的编码和译码循环码的编码和译码例：已知（7，4）系

14、统循环码的生成多项式为g(D)=D3+D2+1，试构成译码表。若接收码组 B = 1 0 0 0 1 0 1 ，求发送码组。 解：根据S(D)=remB(D)/g(D)，对码重为1的差错多项式E(D)，求出相应的多项式S(D)，将其对应结果列成译码表如下： 当接收码组无误时，E(D)=0，则S(D)=0。 本题给出的接收码组为：B = 1 0 0 0 1 0 1 E(D)D6D5D4D3D2D1S(D) D2+D D+1D2+D+1D2+1D2D132循环码的编码和译码循环码的编码和译码接收码组多项式为：B(D)=D6+D2+1 伴随多项式S(D)为： 查表得到：E(D)=D5 由B(D)和E

15、(D)可得到译码码组多项式： A(D)=B(D)+E(D)=D6+D5+D2+1 相应的码组为：A=1 1 0 0 1 0 1 由于是系统循环码，所以信息码组为： M1 1 0 0 111)(2326DDDDDremDS33循环码的编码和译码循环码的编码和译码由于循环码具有很强的检测能力，因此常用于CRC校验，目前已有四个国际标准：CRC-12: g(D)=D12+D11+D3+D2+D+1CRC-16: g(D)=D16+D15+D2+1CRC-CCITT: g(D)=D16+D12+D5+1CRC-32: g(D)=D32+D26+D23+D22+D16+D12+D11 +D10+D8+D

16、7+D5+D4+D2+D+134信道和信源编码信道和信源编码差错控制编码技术是适应数字通信抗噪声干扰的需要而诞生和发展起来的，它是于1948年、著名的信息论创始人C. E. Shannon（香农）在贝尔系统技术杂志发表的“A Mathematical Theory of Communication”一文，开创了一门新兴学科和理论：信息论和编码理论。35调制与解调调制与解调信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线36调制与解调调制与解调调制调制: 将若干个二进制数字组成的序列映射成将若干个二进制数字组成的序列映射成一组相应时间波形一组相应时

17、间波形 例：待传序列为：例：待传序列为：0010111001t数字数字信号值信号值00101-110311-3T2T3T13T：一个波形占有的时间：一个波形占有的时间37调制与解调调制与解调载波调制后的信号载波调制后的信号:38调制与解调调制与解调信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线39调制与解调调制与解调基带（基带（BasebandBaseband）信号）信号的幅度在零频附近不全为零，在其他频率幅度全为零。 带通（带通（BandpassBandpass）信号）信号在以f= fc 为中心的一个频带内幅度不全为零，其中 fc0. 叫做载

18、波频率。 载波调制（载波调制（Carrier modulation / demodulationCarrier modulation / demodulation）就是把源信息映射到带通信号上的过程，这个带通信号以某个频率fc为载波。 40调制与解调调制与解调0510152025303540-1-0.500.51实 部0510152025303540-1-0.500.51虚 部经过低通滤波器后的载波调制信号经过低通滤波器后的载波调制信号: :41调制与解调调制与解调利用不同的通信频带传输信号42调制与解调调制与解调调调 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

19、调制常规双边带调制广播广播 抑制载波双边带调抑制载波双边带调幅幅 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、数载波通信、无线电台、数传传 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 非线性调制非线性调制频率调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广微波中继、卫星通信、广播播 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 43调制与解调调制与解调 调调 制制 方方 式式 用途用途 脉冲脉冲数字数字调制调制数字调制数字调制相位键控相位键控PSK、

20、 DPSK、 QPSK等等 数据传输、数据传输、 数字微波、数字微波、 空空间通信间通信 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 脉冲模拟调脉冲模拟调制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 脉冲数字调脉冲数字调制制脉码调制脉码调制PCM 市话、市话、 卫星、卫星、 空间通信空间通信 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

21、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 44调制与解调调制与解调频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低频甚低频VLF 有线线对长波有线线对长波无线电无线电 音频、电话、数据终端音频、电话、数据终端长距离导航、时标长距离导航、时标 30300 kHz 103104 m 低频低频LF 有线线对长波有线线对长波无线电无线电 导航、导航、 信标、信标、 电力线电力线通信通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中频中频MF 同轴电缆短波同轴电缆短波无线电无线电

22、调幅广播、移动陆地通调幅广播、移动陆地通信、业余无线电信、业余无线电 330 MHz 10102 m 高频高频HF 同轴电缆短波同轴电缆短波无线电无线电 移动无线电话、移动无线电话、 短波广短波广播定点军用通信、播定点军用通信、 业余业余无线电无线电 30300 MHz 110 m 甚高频甚高频VHF 同轴电缆米波同轴电缆米波无线电无线电 电视、电视、 调频广播、调频广播、 空空中管制、中管制、 车辆、车辆、 通信、通信、 导航导航 45调制与解调调制与解调频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途300 MHz3 GHz 10100 cm 特高频特高频UHF 波导分米波

23、无波导分米波无线电线电 微波接力、微波接力、 卫星卫星和空间通信、和空间通信、 雷雷达达 330 GHz 110 cm 超高频超高频SHF 波导厘米波无波导厘米波无线电线电 微波接力、微波接力、 卫星卫星和空间通信、和空间通信、 雷雷达达 30300 GHz 110 mm 极高频极高频EHF 波导毫米波无波导毫米波无线电线电 雷达、雷达、 微波接力、微波接力、 射电天文学射电天文学 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可见光紫外可见光红外红外 光纤激光空间光纤激光空间传播传播 光通信光通信 46通信系统的基本性能通信系统的基本性能比特：“0” ，“1”带宽：Hz, KHz,

24、 MHz传输速率：比特/秒(b/s, bps)，kb/s, Mb/s信噪比：信号功率/噪声功率（dB）发射功率和接收灵敏度(dBm)比特误码率(BER)47通信系统的基本性能通信系统的基本性能 若每个符号可以携带k个比特，（如 8PSK时k=3）,则系统传输的符号率 R与比特率Rb的关系有：k=Rb/R48通信系统的基本性能通信系统的基本性能系统所分配的用来传输信息的频带资源（Hz）一般来讲，带宽/载频小于15%（超宽带系统除外）频带是一种资源系统应尽可能充分利用频带内资源，降低对其他频带的干扰49通信系统的基本性能通信系统的基本性能GSM：若干270KHz频带构成CDMA：若干1.25MHz

25、频带构成广播数字电视（DVB-T）：若干6/7/8MHz频带带宽构成WiFi：若干20MHz频带构成Zigbee：若干5MHz频带构成Bluetooth：若干5MHz频带构成50无线通信中的天线无线通信中的天线51无线通信中的天线无线通信中的天线方向性天线方向性天线52无线通信中的天线无线通信中的天线驻波比 SWR=R/r=(1+|K|)/(1-|K|)反射系数 K=(R-r)/(R+r)53信道的定义信道的定义信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线54信道的定义信道的定义信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：信号的传输媒质。广义信道：不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置。55信道的定义信道的定义明线(即平行绝缘线) 优点：传输损耗低 缺点：噪声干扰敏感 铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套同轴电缆 优点：外导体接地、屏蔽干扰 LAN用基带：50、93 CATV：7556信道的定义