第一章 通信基础

通信概论方文婷wshczmj@163.com为什么学习这门课？1.自考2.通信-人类生存发展的基础……从古至今都是火焰大气等眼睛信息信息可见光人类的视觉通信-古战场的烽火台可见光发声大气等耳朵信息信息声波声波人类的语音交流-日常谈话司空见惯的通信方式固定电话移动电话短信/彩信传真因特网电视AM/FMCD/VCD/DVD音响EMAIL…集成电路的内部通信PC主板接口通信课程内容第1章通信基础第2章模拟信号数字化及其传输第3章调制与解调第4章电话系统第5章移动通信第6章微波通信第7章卫星通信第8章光纤通信第1章通信基础大纲学习目的与要求：通信系统的基本组成（重点）；熟悉通信系统中的信号类型、频谱与带宽；信道类型、信道噪声和信道容量（难点）；多路复用的基本概念；掌握通信系统的性能指标（重点）。1.1通信的基本概念通信：通信就是信息的传输和交换。信息：信息是人们原来不知而待知的内容消息：语言、文字、音乐、数据、图片或活动图像等不同的物理表现形式信息和消息的关系：信息是消息的内涵，消息是信息的外在形式。目前使用最广泛的通信方法是利用电传递信息。在自然科学领域所指的通信一般都是指“电通信”。广义来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波。1.2通信系统的组成通信系统：能够实现信息传输的一切技术设备和传输媒质（信道）的集合。图1-1通信系统的基本模型通信系统模型-信源电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种终端设备就是信源。信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。模拟信源，输出的是模拟信号；数字信源，输出离散的数字信号。通信系统模型-发送设备发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，其目的是将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。可以是不同的电路和变换器，如调制、放大、滤波、编码器等。对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。通信系统模型-信道信道是指传输信号的通道（物理媒质）。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。通信系统模型-噪声源噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。通信系统模型-接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的放大和反变换，即进行解调、译码、解码等。其任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始消息。通信系统模型-信宿信宿是传输信息的归宿点。其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。1.2.2模拟通信模型模拟信号波形：(a)连续信号；(b)抽样信号数字信号波形：(a)二进制波形；(b)PSK波形.模拟通信系统模型模拟通信模型如图1-2所示：图1-2模拟通信系统的典型模型模拟通信系统包含两个重要的变换：（1）消息←→原始信号（基带信号），由信源和信宿完成变换；（2）基带信号←→已调信号（带通信号），由调制器和解调器完成变换。1.2.3数字通信系统模型图1-3数字通信系统的一般化模型信源编码与信道编码信源编码：功能一：模数转换功能二：去除冗余信息，提高传输的有效性信道编码：数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。提高通信系统的可靠性。加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。

数字解调是数字调制的逆过程。同步同步是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。数字信号与模拟信号模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输。如：数字电话系统数字信号也可以在模拟通信系统中传输。

如：计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。1.2.4.数字通信的优缺点抗干扰能力强，且噪声不累积；传输差错可控；易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成综合业务网；易于集成化，从而使通信设备微型化，且重量轻，成本低；易于加密处理，且保密强度高；数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。数字通信对同步要求高，系统设备比较复杂。1.3通信系统的分类1.按通信业务分类：分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统和综合业务数字通信网。2.按调制方式：基带传输（市内电话、有线广播）和频带（调制）传输。3.按信号特征：模拟通信和数字通信。4.按传输媒质：有线通信系统和无线通信系统。5.按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信和光通信等。常用的调制方式及用途调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅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数据传输相位键控数据传输调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制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、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话通信波段与常用传输媒质频率范围波长符号波段名称

用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF甚长波音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF长波导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF中波调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF短波移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF超短波电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航

频率范围波长符号波段名称

用途300MHz~3GHz10~100cm特高频

UHF微波微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频

SHF微波

微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频

EHF微波雷达、微波接力、射电天文学

107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光

红外光波

光通信工作波长和频率的变换公式为

1.4通信方式对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。是指消息只能单方向传输的工作方式，只占用一个信道。单工通信广播、遥测、遥控、无线寻呼等。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。半双工通信使用同一载频的对讲机、收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，一般全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机、计算机之间的高速数据通信……全双工通信1.4.2并行传输与串行传输按数据传输时序分：并行传输和串行传输并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。1.5信号与频谱通信系统传输的是电信号。信号能够反映或表示信息的传输载体。信号的选择取决于信号的带宽、中心频率、功率和能量、噪声对信号的影响以及成本等。1.5.1信号的分类按确定性划分：确知信号和随机信号按信号的周期性划分：周期信号和非周期信号按信号的参量划分：模拟信号和数字信号按调制与否划分：基带信号和带通信号按信息类别或通信业务划分：语音信号、视频信号、多媒体信号确知信号和随机信号确知信号数可以预先知道其变化规律的信号，其在定义域内的任意时刻都有确定的函数值。eg：其中A是振幅，是角频率，是初始相位。这些量都是常数则这个信号就是确知信号。随机信号又称不确知信号，其在定义域内的任意时刻都没有确定的函数值，无法用确切的函数表示。周期信号和非周期信号周期信号：其中T是一个大于0的常数，满足上述条件的最小T就是信号的周期。非周期信号是不具有重复性的信号。模拟信号和数字信号模拟信号:信号参数的取值是连续（不可数、无穷多）的。数字信号：信号的参量只能取有限个值，如电报信号、计算机的输入输出信号。基带信号和带通信号基带信号：信号的频谱从零频开始到几兆赫兹带通信号（已调信号）：调制后的信号1.5.2信号举例正弦波：振幅、周期或频率、相位一般表达式：振幅的单位：伏特（V）、安培(A)、瓦特(W)周期的单位：秒(s)、毫秒(ms)、微秒(us)、纳秒(ns)、皮秒(ps)频率的单位：赫兹(Hz)、千赫兹(KHz)、兆赫兹(MHz)、吉赫兹(GHz)、太赫兹(THz)相位的单位：度（。）或弧度（rad）周期（T）和频率（f）的关系：互为倒数，频率和角频率的关系：正弦波在通信系统中的作用：（1）任何信号都可以分解为多个正弦波的组合形式（2）在调制系统中，常把正弦波作为载波，用来携带信息1.5.3时域和频域信号的特征可以从时域和频域两个不同的角度描述。时域：从时间变化的角度频域：从频率变化的角度信号的频率特性可以用其频谱、频谱密度、能量谱密度或功率谱密度来描述几点说明：1）对于一个复杂的周期信号，由于它可以分解为多个振幅、频率和相位都可度量的正弦波的组合形式，所以它的频谱图上有多条线谱。2）频谱图有两种类型：振幅-频率图和相位-频率图。在计算信号的带宽时，用的是振幅-频率图。3）在实际中，信号的时域特性可以通过示波器观察其波形来分析研究；频率特性可以通过频谱仪观察频谱来研究。1.5.4频谱和带宽信号频谱是指它所包含的所有频率分量的集合，并且通过频域图表示。换言之，频谱是描述信号幅度（或相位）随频率变化的关系图。信号带宽：信号占有的频率范围（振幅频谱）。公式表示为：其中fH为信号的最高频率，fL为信号的最低频率几点说明：1）对于不同种类的信号，其带宽的定义方法有所不同2）信道（或通信设备）也有类似信号带宽的概念，及信号频带宽度（简称信道带宽）。一般来说，对于模拟信号，其带宽应小于信道带宽；对于数字信号，它的带宽可以小于信道带宽。3）对于基带信号来说，fL接近0；对于带通信号来说，fL一般远大于0.1.6信道与噪声1.6.1信道定义与分类信道是指以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：信道仅是指信号的传输媒质；广义信道：还包括通信系统中的一些转换装置。狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。按照广义信道的功能分为调制信道和编码信道1.6.2有线信道有线电缆（有线传输煤质）分为明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等。明线是指平行假设在电线杆上的架空线路，它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。

明线(Openware)：假设在电线杆上的架空线路。虽然传输功耗低，但是易受天气和环境影响，对外界噪声干扰比较敏感，并且很难沿一条路径假设大量的成百对线路，故目前已逐渐被电缆所替代。有一对或若干对双绞线放在一根保护套内制成的。而双绞线是由两根具有绝缘保护层的金属导线制成。做成双绞线是为了避免两根导线之间的干扰。对称电缆（双绞线电缆）双绞线导体绝缘层类型非屏蔽对称电缆(UTP),屏蔽对称电缆(STP)STP电缆特性与UTP相同,由于加入了屏蔽措施,对噪声有更好的屏蔽作用,但价格要贵一些性能

导线材料是铝或铜,直径为0.4～1.4mm为了减小各线对之间的相互干扰,每一对线都拧成扭绞状对称电缆的传输损耗比较大,传输特性比较稳定,价格便宜,安装容易同轴电缆由内外两根同心圆柱形导体构成的。性能实际应用中同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，同轴电缆抗电磁干扰性能较好。带宽大，但成本比较高。应用在有线电视（CATV）网络中大量采用这种结构的同轴电缆在高频仪器仪表中,常用于信号输入/输出光纤结构纤芯（折射率高）包层（折射率低）涂敷层折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃折射率光纤光纤结构示意图(a)(b)(c)性能损耗低，频带宽，线径细，重量轻，不怕腐蚀，节省有色金属，不受电磁干扰，通信保密光纤应用在电信网中,主要用于主干网和城域网,目前也广泛用于接入网在有线电视HFC网中,主要用于连接城市居民小区的CATV在军事通信网中,常用于战略通信目前，已建成经过海底的跨洋远程光纤传输通道。1.6.3无线通道无线通道是指可以传输电磁波（包括光波）的自由空间或大气层。电磁波的传播方式有3种：地面波传播、天波传播、视线传播。1、地波（groundwave）频率<2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米地波是调幅广播的传播方式传播路径地面地波传播天波（skywave）（电离层反射）频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：<4000km地面信号传播路径天波传播视线传播（视距传播）：频率>30MHz距离:和天线高度有关

图4-3视线传播(m)增大视线传播距离的其他途径中继通信：无线电中继卫星通信：静止卫星、移动卫星散射传播电离层散射 机理－由电离层不均匀性引起 频率－30~60MHz 距离－1000km以上对流层散射 机理－由对流层不均匀性（湍流）引起 频率－100~4000MHz 最大距离<600km有效散射区域地球对流层散射通信流星流星余迹散射流星余迹特点－高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟频率－30~100MHz距离－1000km以上特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹1.6.4信道噪声噪声是通信系统中的不需要、有害的电信号。他独立于有用信号并始终存在。叠加在信号上的噪声(称为加性噪声)会淹没、模糊和干扰有用信号噪声分类按照来源分类人为噪声由人类的活动产生的，例如开关噪声，汽车点火系统产生的电火花，电台和家用电器等产生的电磁波辐射等自然噪声主要大气噪声、太阳和银河系等的宇宙噪声，电子元器件等产生的热噪声内部噪声（热噪声）是指通信设备中的电子元器件、传输线等产生的噪声按噪声性质分类：脉冲噪声：突发性地产生的，幅度很大，其持续时间短，频谱宽单频脉冲/窄带噪声：频谱或频率位置通常是确知或可测。起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。1.6.5信道容量信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。调制信道是一种连续信道，编码信道是一种离散信道，本节只讲有扰连续信道的信道容量。香农公式带宽为B(Hz)的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道最大输出传信率为香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。高斯白噪声信号是一个随机过程，每个样值点都是一个高斯变量，其双边功率谱密度为常数n0/2（W/Hz），单边功率谱密度为n0（W/Hz）。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为由香农公式得到重要结论1）信道容量C受“三要素”即B,S,n0的限制2）提高信噪比（S/N），可以增加信道容量3）减小噪声功率N(或减小噪声功率谱密度n0)可以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大4）增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信道容量的极限值为5）信道容量C一定时，信道带宽B和信号噪声功率之比S/N之间可以互换。当信噪比比较大时，可以用较小的信道带宽传输消息，即用信噪比换取带宽；反之亦然。香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统。但是，香农公式只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出这种通信系统实现方法。因此，理想通信系统的实现还需我们不断努力。例：具有6.5MHz带宽的某高斯信道，若信道中信号功率与噪声功率谱密度之比为45.5MHz，试求其信道容量。1.7多路复用技术目前常用的复用技术主要有：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、波分复用（WDM）等。是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中，信道的带宽被分成多个互不重叠的频段（子通道），每路信号占据其中一个子通道，并且各路之间必须留有未被使用的频带（防护频带）进行分隔，以防止信号重叠。1.7.1FDM（频分复用）FDM技术主要用于模拟信号的多路传输，普遍应用在长途多路载波电话系统、无线电广播中。例：基群（12路电话复用）超群（5个基群）主群（10个主群）巨群（多个主群）1.7.2TDM（时分复用）利用分时方式来实现在同一信道中传输多路信号的方法。在TMD中，各路信号按分配的时隙依次定时传送，即在任意时刻上信道中只有一路信号在传输。TMD通常用于数字信号的的多路传输。对于电话信号的时分复用，则是根据抽样定理通过脉冲调制等技术来实现的。传输接收端发送端第一路第二路第三路第一路第二路第三路同步旋转开关（a）时分复用在时间上是分开的，频率上是重叠的；频分复用在频率上是分开的，时间上是重叠的。目前，时分复用比频分复用应用更为广泛。时分复用相对于频分复用的优点：便于实现数字通信、易于制造、适于采用集成电路实现、生产成本较低。1.7.3CDM(码分复用)各路信号码元在频谱上和时间上都是重叠的，但是不同用户传输的信号是靠各自不同的（正交）编码序列来区分的。码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同的信号。这种复用方式多用于空间通信的扩频通信和移动通信系统中。1.7.4WDM(波分复用)

波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。1.8通信系统的性能指标性能指标：有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性和可维护性等。其中，有效性和可靠性是通信系统的主要性能指标。

有效性是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“速度”问题；