第6章 现代通信技术

1、第6章 现代通信技术6.1现代通讯技术概述现代通讯技术概述6.2调制解调技术调制解调技术6.3数据传输技术数据传输技术6.4数字信号的接收数字信号的接收6.5典型通信系统介绍典型通信系统介绍6.1现代通讯技术概述6.1.1通信系统的组成通信系统的组成实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成6.1现代通讯技术概述（1）信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。（2）发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。（3）信道是

2、指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。（4）在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。（5）信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。6.1现代通讯技术概述6.1.2通信系统分类通信系统分类通信的目的是传递消息，按照不同的分法，通信可分成许多类别，下面介绍几种较常用的分类方法。 1. 按传输媒质分按传输媒质分按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。 2. 按信道中所传信号的特征分按信道中所传信号的特征分按照信道中传输的

3、是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。 3. 按工作频段分按工作频段分按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。6.1现代通讯技术概述4. 按调制方式分按调制方式分根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。 5. 按业务的不同分按业务的不同分按通信业务分，通信系统可分为话务通信和非话务通信。6. 按通信者是否运动分按通信者是否运动分通信还可按收发信者是否运动分为移动通信和固定通信。移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。6.1现代通讯技术概述6.1.3通信方式通信方式从不同角度考虑问题

4、，通信的工作方式通常有以下几种。 1. 按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。（1）所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。（2）所谓半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。6.1现代通讯技术概述（3）所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。2. 按数字信号排序方式分按数字信号排序方式分 在数字通信中，按照数字信号代码排列顺序的方式不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。 3. 按通信网络形式分按通信网络形式分

5、 通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。6.1现代通讯技术概述6.1.4通信技术的发展趋势通信技术的发展趋势2010年中国国际信息通信展览会折射出了中国电信业的6大发展趋势。趋势一：物联网应用越来越多趋势二：三网融合概念劲爆趋势三：云计算将走进大众生活趋势四：4G标准未定，但产业与技术快速发展趋势五：手机更智能，娱乐及应用更多趋势六：平板电脑与电子书将快速发展6.2调制解调技术6.2.1模拟调制系统模拟调制系统1.模拟通信系统模拟通信系统 把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。 2. 模拟调制模拟调制大多数待传输的信号具有较低的频率成分。称之为基带信号，如果将

6、基带信号直接传输，称为基带传输。调制在通信系统中具有十分重要的作用，通过调制，可对消息信号的频谱搬移，使已调信号适合信道传输的要求，同时也有利于实现信道复用。6.2调制解调技术3. 模拟调制分类模拟调制分类（1）幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号规律变化的过程，常分为标准调幅、抑制载波双边带调制、单边带调制和残留边带调制等。（2）角度调制。6.2.2 数字调制解调技术数字调制解调技术信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。6.2调制解调技术 1. 数字频带传输通信系统数字

7、频带传输通信系统数字频带传输通信系统是用数字基带信号调制载波的一种传输系统。 2.现代数字调制解调技术现代数字调制解调技术数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制这三种基本的数字调制方式都存在不足之处，如频谱利用率低、抗多径抗衰落能力差、功率谱衰减慢外辐射严重等。6.3数据传输技术6.3.1数字基带传输数字基带传输 1数字基带传输系统数字基带传输系统来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，M序列等等都是数字信号。基带信号形成器一般包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦一般包括译码器、解密器等。6.3数据传输技

8、术2数字基带传输系统的基本组成数字基带传输系统的基本组成数字基带传输系统的结构如图6-4所示。它主要由编码器、信道发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器和解码器组成。此外，为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。6.3数据传输技术3. 模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。6.3数据传输技术6.3.2模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输数字通信系统具有许多优点，但许多信源输出都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1）把模拟信号数字化，即模数转换（A/D），将原始的模拟信号转换为时间离散和值

9、离散的数字信号；（2）进行数字方式传输；（3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。6.3数据传输技术6.3.3数字频带传输系统数字频带传输系统在实际通信中，有不少信道都不能直接传送基带信号，而必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P，则发送1符号的概率为1-P，且相互独立。6.4数字信号的接收6.4.1噪声与信道容量噪声与信道容量1. 信道的定义信道的定义信道一般有两

10、种定义：狭义信道和广义信道。通常把发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒介定义为狭义信道。例如架空明线、同轴电缆、双绞线、光缆、自由空间、电离层、对流层等都是狭义信道。从研究消息传输的观点看，常常所关心的只是通信系统中的基本问题。2. 信道分类信道分类狭义信道按具体媒介的不同类型可分为有线信道和无线信道。6.4数字信号的接收所谓有线信道是指明线、对称电缆、同轴电缆、光缆等能够看得见的传输媒介。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。无线信道的传输媒介比较多，它包括短波电离层、对流层散射等。可以这样认为，凡不属有线信道的媒介均为无线信道的媒介。无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可

11、靠，但无线信道有方便、灵活、通信者可以移动等优点。广义信道也可分为调制信道和编码信道。6.4数字信号的接收3.信道的加性噪声信道的加性噪声调制信道对信号的影响除乘性干扰外，还有加性干扰（即加性噪声），下面讨论信道中的加性噪声。1）加性噪声的来源信道中加性噪声的来源一般可以分为三个方面：人为噪声、自然噪声、内部噪声。2）噪声的种类有些噪声是确知的，如自激振荡、各种内部谐波干扰等，这类噪声在原理上可消除。另一些噪声是无法预测的，统称为随机噪声。6.4数字信号的接收4.信道容量的概念信道容量的概念定义：在特定约束下，给定信道从规定的源发送消息的能力度量。其通常是在采用适当的代码，差错率在可接受范围的

12、条件下，以所能达到的最大比特率来表示。对于只有一个信源和一个信宿的单用户信道，它是一个数，单位是比特每秒或比特每符号。根据信道的统计特性是否随时间变化分为：恒参信道（平稳信道）随参信道（非平稳信道）6.4数字信号的接收6.4.2分集接收分集接收短波电离层反射信道等随参信道引起的多径衰落、频率弥散、频率选择性衰落，会严重影响接收信号的质量，使通信系统性能大大降低。为了提高随参信道中信号传输质量，必须采取抗衰落的有效措施。常采用的技术措施有抗衰落性能好的调制解调技术、扩频技术、功率控制技术、与交织结合的差错控制技术、分集接收技术等。1.基本思想所谓分集接收，是指接收端按照某种方式使收到的携带同一信

13、息的多个信号衰落特性相互独立，并对多个信号进行特定的处理，以降低合成信号电平起伏，减小各种衰落对接收信号的影响。6.4数字信号的接收分集接收包含有两重含义：一是分散接收，使接收端得到多个携带同一信息的、统计独立的衰落信号；二是合并处理，即接收端把收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并，从而降低衰落的影响，改善系统性能。2.分集方式互相独立或基本独立的一些接收信号，一般可利用不同路径或不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取。于是大致有以下几种分集方式：（1）空间分集是接收端在不同位置上接收同一信号，只要各位置间的距离足够大（一般在100个信号波长以上），所收到信号的衰落就是相互独立的。

14、6.4数字信号的接收（2）频率分集是将发送信息分别调制到不同的载波频率上发送，只要载波频率之间的间隔足够大（大于相关带宽），则接收端所接收到信号的衰落是相互独立的。实际中，当载波频率间隔大于相关带宽则可认为接收到信号的衰落是相互独立的。（3）角度分集是利用指向不同的天线波束得到互不相关的衰落信号。例如，在微波面天线上设置若干个照射器，产生相关性很小的几个波束。（4）极化分集是分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方式。一般认为，这两种波是相关性极小的（在短波电离层反射信道中）。6.4数字信号的接收3.合并方式各分散的信号进行合并的方式通常有以下几种：（1）最佳选择式是从几个分散信号中设法

15、选择其中信噪比最好的一个作为接收信号。（2）等增益相加式是将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号。（3）最佳比例相加式是以各支路的信噪比为加权系数，将各支路信号相加后作为接收信号。6.4数字信号的接收6.4.3数字信号最佳接收数字信号最佳接收1.最佳接收准则任何一种接收设备的根本任务，就是要在接收到遭受各种干扰和噪声破坏的信号中将原来发送的信号无失真地复制出来。2.首先简单介绍数字通信系统常用的几个基本最佳接收准则。显然，对于这类信号检测或识别系统，只要增加信号功率相对于噪声功率的比值，就有利于在背景噪声中将信号提取出来。6.4数字信号的接收6.4.4复用和数字复

16、接技术复用和数字复接技术在实际通信中，信道上往往允许多路信号同时传输。解决多路信号同时传输问题就是信道复用问题。将多路信号在发送端合并后通过信道进行传输，然后在接收端分开并恢复为原始各路信号的过程称为复接和分接。1.频分多路复用（FDM）1）基本频分复用2）正交频分复用（OFDM）2. 时分多路复用（时分多路复用（TDM）在数字通信系统中，模拟信号的数字传输或数字信号的多路传输一般都采用时分多路复用方式来提高系统的传输效率。6.4数字信号的接收3. 时分复用的时分复用的PCM系统系统由对信号的抽样过程可知，抽样的一个重由对信号的抽样过程可知，抽样的一个重要特点是信号占用时间的有限性，这就可要特

17、点是信号占用时间的有限性，这就可以使得多路信号的抽样值在时间上互不重以使得多路信号的抽样值在时间上互不重叠。叠。 4. 数字复接技术数字复接技术随着通信技术的发展，数字通信的容量不随着通信技术的发展，数字通信的容量不断增大。断增大。6.4数字信号的接收6.4.5同步原理同步原理所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称为定时。所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称为定时。在数字通信中，按照同步的功能分为：载波同步、位同步、群在数字通信中，按照同步的功能分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。同步和网同步。 （1）载波同步是指在相干解调时，接收端需要提供一个与）载波同步是指在相干解调时，

18、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称为载波提取或载波同步（2）位同步又称码元同步）位同步又称码元同步（3）群同步包括字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同）群同步包括字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同步。步。（4）随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用）随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。6.5典型通信系统介绍6.5.1 GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信

19、系统1.概述概述全球移动通讯系统（GlobalSystemofMobilecommunication，GSM）是当前应用最为广泛的移动电话标准，是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术。自90年代中期投入商用以来，已被全球超过100个国家采用。GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场份额80%以上。6.5典型通信系统介绍2.发展历史尽管当前GSM相当普及，但是构思移动电话的历史在GSM之前很长时间就开始了。GSM小组(GroupeSpcialMobile(法语)1,2,3and4)创立于1982年，它的名字也是源于这个小组的名字。GSM系统的

20、原始技术在1987定义，在1989年ETSI从CEPT接手。1990年第一个GSM规范说明完成，这个规范的文本长度超过6000页。商业运营则开始于1991，地点是芬兰的Radiolinja。1998年，3G合作项目启动。最初这个项目的目标是制定详细的下一代移动通讯网（3G）规范。然而，3GPP也接受了维护和开发GSM规范的工作。ETSI是3GPP的一个成员。6.5典型通信系统介绍3.GSM技术（1）移动通信技术。（2）无线电接口。6.5.2码分多址蜂窝移动通信系统码分多址蜂窝移动通信系统 1.CDMA通信技术通信技术CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）作为

21、一种多址技术早已出现，起初仅在抗干扰和保密性能等方面受到人们的注意，被用在军用抗干扰系统中。码分多址蜂窝移动通信技术实际上包含两个基本技术，即码分多址技术和扩频通信技术。CDMA系统中的每一个信号都分配了一个正交序列或PN（PseudoNoise，伪随机噪声）序列用作扩频序列，不同信号的能量被分配到不同的正交序列或PN序列里。6.5典型通信系统介绍CDMA移动通信系统具有如下优点：（1）系统容量大。（2）通信质量好。（3）频带利用率高。（4）适用于多媒体通信系统。（5）手机发射功率低。（6）频率规划灵活。6.5典型通信系统介绍2. CDMA 2000标准的演进历程标准的演进历程作为第三代移动通

22、信技术的一个主要代表，CDMA2000是美国向ITU-T提交的第三代移动通信空中接口标准的建议，它由CDMAIS-95标准发展演进而来CDMAOne是基于IS-95标准的各种CDMA制造厂商的产品和不同运营商网络的总称，也是国际CDMA发展组织（CDG）的一个品牌。然而CDMAOne系统也仅能提供最高为64Kbps的数据业务，不能满足人们对多媒体通信的需求。CDMA20001xEV-DO标准最早起源于Qualcomm公司于1997年向CDG提出的高速率（HDR）技术。事实上，1xEV-DV距离真正的商业还有很长一段距离。6.5典型通信系统介绍.5.3卫星通信系统卫星通信系统卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖。由于卫星工作