現(xiàn)代通信原理1第一章緒論

1、2022-3-171現(xiàn)代通信原理第一章 緒論2022-3-172課程描述課程描述 通信是一個廣義的概念，涉及包括雷達、導(dǎo)航、遙控遙測等軍用尖端技術(shù)和包括數(shù)字電話、廣播電視、綜合信息網(wǎng)、多媒體寬帶網(wǎng)等現(xiàn)代民用技術(shù)，通信在過去分為模擬通信和數(shù)字通信兩個方面來研究。目前，隨著數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)字通信方式在許多領(lǐng)域已逐步取帶模擬通信方式，成為通信的主流，也成為我們今天研究的重點。2022-3-173 通信系統(tǒng)的核心是信號設(shè)計。本課程以通信技術(shù)的發(fā)展、演變?yōu)榫€索，從模擬到數(shù)字，由淺入深，力求把握通信信號設(shè)計的發(fā)展脈絡(luò)和指導(dǎo)思想，用工程數(shù)學(xué)提供的方法準(zhǔn)確表達和推導(dǎo)了通信信號和通信系統(tǒng)。

2、2022-3-174第一章緒論1.1 現(xiàn)代通信與信息社會v現(xiàn)代通信與信息社會 ：克服距離障礙，迅速、準(zhǔn)確傳遞 信息，通信發(fā)展經(jīng)歷了五個階段，其標(biāo)志性事件分別是：1、語言的產(chǎn)生，使人類有了比較完整的表達和交流形式。2、文字的產(chǎn)生，增大了交流的距離和流傳的范圍。3、印刷術(shù)的發(fā)明，使文明得以保存，世代相傳，信息得以擴 張。4、電報、電話、無線電等技術(shù)的發(fā)展，形成了通信理論和技 術(shù)，形成了現(xiàn)代的通信產(chǎn)業(yè)。5、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、有線及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使信息交流達到了一個新的高度。 2022-3-1751.2 通信系統(tǒng)的組成v信息化社會：通信信息技術(shù)服務(wù)行業(yè)在上世紀(jì)末已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)。 v

3、電話普及率（臺/100人） 90年代初:發(fā)達國家50臺/百人。 中國1臺/百人 2000年11月:我國30.2 臺/百人2022-3-176 截止到2001年11月q國內(nèi)固定電話用戶達到了一點七七億戶q移動電話用戶一點四億戶q網(wǎng)民近三千萬q中國已經(jīng)成為世界上僅次于美國的第二 大電信市場。2022-3-177 截止到2011年08月q電話用戶達到了11.3億戶，普及率83%q移動電話用戶9億q互聯(lián)網(wǎng)用戶4.2億，普及率31.8%q中國已經(jīng)成為世界上第一大電信市場。2022-3-178q發(fā)展趨勢A、寬帶化：單膜光纖 WDM（波分復(fù)用） DWDM（密集波分復(fù)用） 參鉺放大器 全光網(wǎng) C波段 KU波段

4、 KA波段 多波束天線 QPSK MSK QAM FDMA TDMA CDMA SDMAB、綜合化：語音、圖像、數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)。C、個人化：網(wǎng)絡(luò)化、個人信息編碼、數(shù)據(jù)移動通信、衛(wèi)星移動通信。 2022-3-179二. 通信系統(tǒng)模型信源發(fā)送設(shè)備傳輸媒介接收設(shè)備信宿噪聲源1、點對點通信系統(tǒng)的一般模型 2022-3-1710 信源：信息的發(fā)出者，模擬信源和離散信源。 發(fā)送設(shè)備：匹配信源與傳輸媒介，調(diào)制，功率放大，以及各種信號處理功能。 噪聲源：信號傳輸時所受的干擾。 接收設(shè)備：完成發(fā)送設(shè)備的反變換，小信號放大、解調(diào)。 信宿：消息的接收者 信道：信號傳輸媒介 信息速率 自信息量I(ai)=log21/p

5、(ai),單位為比特；一個二進制碼元包含的信息量為1比特。設(shè)一個英文打字機總共能產(chǎn)生32種離散符號，則需要5位二進制數(shù)字來表示。設(shè)此打字機每秒能產(chǎn)生10個符號,那么作一個離散信源來說,它產(chǎn)生的二進制信息速率為50比特/秒。（書中圖12）2022-3-1711信源信源編碼信道編碼調(diào)制傳 輸 媒介信源譯碼信宿信道譯碼解調(diào)噪聲干擾2、模擬通信系統(tǒng)（模擬通信系統(tǒng)如圖中虛線外的部分）2022-3-1712 基帶信號：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號。比如語音、圖像、數(shù)據(jù)。有時也指經(jīng)過信源編或時分復(fù)用的信號，頻率較低。 基帶傳輸：基帶信號不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸。 調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機將基帶信號調(diào)制到較高頻率進行

6、發(fā)送稱為調(diào)制。 解調(diào)：接收端從高頻中取出基帶的過程稱為解調(diào)。是調(diào)制的逆過程2022-3-17133. 數(shù)字通信系統(tǒng)信源信源編碼信道編碼調(diào)制傳 輸 媒介信源譯碼信宿信道譯碼解調(diào)噪聲干擾2022-3-1714 信源編碼：模擬信號要通過數(shù)字信道傳輸，首先要進行數(shù)字化處理，包括采樣、量化、編碼、壓縮等。信源編碼保證了信號能否進入有一定條件限制的數(shù)字信道里。 信道編碼：為了在數(shù)字信道里有一定的傳輸質(zhì)量，還要進行信道編碼，包括加擾編碼、糾錯編碼和多址編碼等。 信源解碼：信源編碼的逆過程。 信道解碼：信道編碼的逆過程。2022-3-17154. 數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)越性 (1)抗干擾能力強 數(shù)字信號可多次再生，

7、噪聲不會累積。 可以自動檢錯、糾錯。 (2)具有良好的靈活性和通用性 (3)便于加密。 例: 待傳送數(shù)字序列X，密碼數(shù)字序列Y。 加密后數(shù)字序列 Z=XY -模2加 解密后 ZY=XYY=X (4)數(shù)字通信設(shè)備易于大規(guī)模集成2022-3-17161.2 通信系統(tǒng)的分類 一. 按消息的物理特征分類 電報通信系統(tǒng) 電話通信系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 多媒體通信系統(tǒng)2022-3-1717二. 按調(diào)制方式分類 (1)基帶傳輸-直接傳輸基帶信號。 (2)調(diào)制傳輸-將基帶信號調(diào)制到載波后傳輸。 將消息變換為便于傳送的形式 例1:天線長度工作波長/4 (=c/f)，如果用低頻傳輸，天線尺寸太大。 例2：放大器的相對

8、帶寬決定了低頻傳輸?shù)挠行挷蛔恪?可實現(xiàn)頻分復(fù)用 可改善通信系統(tǒng)的性能：抗低頻干擾。 2022-3-1718調(diào)制時消息攜帶在正弦波或脈沖序列的參量上,這些正弦波或脈沖序列就稱為載波；調(diào)制就是基帶信號控制載波的某些參數(shù)按照基帶信號的變化規(guī)律而變化。如：某已調(diào)信號s(t)=Acos(t+)根據(jù)載波的不同2022-3-1719 調(diào)制方式 用途 連續(xù)波調(diào)制 線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)副AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB廣播電視、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻

9、率鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信 脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、空間通信增量調(diào)制DM、CVSD、DVSD軍用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其它方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話2022-3-1720三. 按傳輸信號的特征 模擬通信系統(tǒng): 傳送在時間和幅度特性上都連續(xù)變化的消息。 數(shù)字通信系統(tǒng): 傳送在時間和幅度特性上都經(jīng)過離散的消息。2022-3-1721四.

10、按通信方式不同 單工通信: 通信雙方單向傳遞信息。 雙工通信: 通信雙方同時雙向傳遞信息。 半雙工通信:通信雙方雙向傳遞信息但不同時。2022-3-1722五. 按傳送信號的復(fù)用方式 頻分復(fù)用: 不同信號占用不同的頻率范圍。 時分復(fù)用: 不同信號占用不同的時間區(qū)間。 碼分復(fù)用: 用正交的脈沖序列攜帶不同信號。2022-3-1723六. 按傳輸媒介類型 有線通信：雙絞線、雙平行線、同軸電纜、微帶、波導(dǎo)、多芯銅線、光纜等。 無線通信：衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、雷達、聲納、遙控遙測、無線定位、無線接入等。2022-3-1724頻率范圍波長符號媒介用途3Hz-30 KHz108-104m甚低頻VL

11、F有線線對、長波音頻、電話30KHz-300 KHz104-103m低頻LF有線線對、長波導(dǎo)航信標(biāo)300 KHz -3MHz103-102m中頻MF同軸電纜、中波調(diào)幅中波廣播3 MHz -30 MHz102-10m高頻HF同軸電纜、短波調(diào)幅短波廣播30MHz-300MHz10-1m甚高頻VHF同軸電纜、米波電視、調(diào)頻廣播、空中管制、機場導(dǎo)航300 MHz -3GHz100-10cm特高頻UHF同軸電纜、微帶、波導(dǎo)、分米波電視、移動通信、微波接力、警戒雷達3 GHz -30 GHz10-1cm超高頻SHF波導(dǎo)、厘米波通信衛(wèi)星、制導(dǎo)雷達、炮瞄雷達30GHz-300 GHz10-1mm極高頻EHF波

12、導(dǎo)、毫米波近距離高精度雷達、射電天文105-107 GHz3*10(-4)-3*10(-6)cm光波段光纖、激光空間傳播光通信2022-3-1725信道的定義及分類 狹義信道：傳輸媒介。調(diào)制信道：包括傳輸媒介及收發(fā)轉(zhuǎn)換等模擬部分。廣義信道：還包括調(diào)制信道之外的編碼信道。 按不同的分類方式，信道可分為有線信道和無線信道、調(diào)制信道和編碼信道、線性信道和非線性信道、記憶信道和不記憶信道、恒參信道和變參信道等。2022-3-1726對于線性信道： 線性網(wǎng)絡(luò)ei(t)Eo(t)h(t)K(t)eo(t)=k(t)ei(t)+h(t)其中：K(t)K(t)稱為乘性干擾，如畸變、衰落、交 調(diào)和互調(diào)等。 h(

13、t)h(t)稱為加性干擾，如白燥聲、各種 地面和空間的干擾等。2022-3-1727對于編碼信道： “1”“0”P（1/0）P（0/1）P（1/1）P（0/0）“0”“1”其中：p（0/0）為收0發(fā)0的概率。 p（1/0）為收1發(fā)0的概率。 p（0/1）為收0發(fā)1的概率。 p（1/1）為收1發(fā)1的概率。2022-3-1728如果P（0/1）=P（1/0），則稱此信道為對稱信道。對于電話信道，基本上是對稱信道。對于INTERNET網(wǎng)，由于下行數(shù)據(jù)量遠遠大于上行數(shù)據(jù)量，稱為不對稱信道。2022-3-1729對于變參信道： 例如移動通信，由于信號在傳輸過程中經(jīng)過多種路徑到達移動臺，形成多徑衰落，使信

14、道參數(shù)隨距離而變化。以舉兩徑為例：2022-3-1730 發(fā) 射波接收波時域f( t ) r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-) 頻域 F()R()=VoF()e-jto+VoF()e-j(to+) =VoF()e-jto(1+e-jw)幅頻特性：R()= R() e-jto1+ e-jw = R() e-jto*2cos(/2) 2022-3-1731 兩徑衰落的結(jié)果相當(dāng)與在單徑接收信號的基礎(chǔ)上調(diào)制了一個（時延，與位置有關(guān)）的余弦函數(shù)，造成接收信號的幅度忽大忽小，接收效果時好時壞。2022-3-17321.3 通信系統(tǒng)的性能度量一. 通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 有效性:信道一定時,系統(tǒng)能

15、夠傳輸信息內(nèi)容的多少。 可靠性:系統(tǒng)接收端恢復(fù)信息的準(zhǔn)確程度。2022-3-1733二. . 對于對于模擬通信系統(tǒng) 有效性-在給定信道帶寬內(nèi),能容納多少的通信路數(shù); 也可用傳單路信號的有效帶寬來衡量。 可靠性-通信系統(tǒng)接收端的輸出信號噪聲功率比(SNR,Signal Noise Ratio)2022-3-1734三. 數(shù)字通信系統(tǒng) 有效性用信號的傳輸速率來衡量； 碼元傳輸速率(RB)：單位時間能夠傳送的碼元數(shù)。（波特率) 每個碼元傳輸所占用的時間TB 為碼長,則 RB=1/TB (波特,Baud)。 若碼元為二進制- RB2,若為M進制RBM， RB2=RBMlog2M 信息傳輸速率(Rb):

16、 單位時間能夠傳送的信息量(bits/s)。(比特率) Rb=RBMlog2M 比特/秒 RBM=Rb/log2M 波特2022-3-1735 可靠性傳輸產(chǎn)生的錯誤概率； 誤碼率PB=接收的錯誤碼元數(shù)/發(fā)出的總碼元數(shù)； 誤比特率Pb=接收的錯誤比特數(shù)/發(fā)出的總比特數(shù)；2022-3-1736 為了獲得通信中所需的有效性和可靠性，產(chǎn)生了信息處理技術(shù)。 信息處理技術(shù)是現(xiàn)代信息工程的核心技術(shù)。信息處理的目的是為了提高系統(tǒng)對某一方面的要求、優(yōu)化系統(tǒng)某一方面的性能指標(biāo)。 信息處理的主要手段是編、譯碼。比如： 1、為了提高系統(tǒng)的有效性，可以通過信源編碼來完成。 2、為了提高系統(tǒng)的安全性，可以通過加密來完成。

17、 3、為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以通過信道編碼來完成。2022-3-17372022-3-1738 通信涉及到雙方或多方，其中包括點與點、點與端、端與端的信息交互，沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)顯然是不行的 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)也有利于系統(tǒng)的異構(gòu)組成，也給用戶提供了選擇使用的靈活性 標(biāo)準(zhǔn)化的程度是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標(biāo)之一 標(biāo)準(zhǔn)的制定，除了技術(shù)的因素之外，還有經(jīng)濟，乃至政治的因素 標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于技術(shù)的發(fā)展，但有時各方喋喋不休的爭執(zhí)對新技術(shù)的推廣應(yīng)用反而產(chǎn)生牽制作用2022-3-1739ISOISO 世界上從事國際標(biāo)準(zhǔn)化的最大的綜合性非官方機構(gòu)，由各參與國的國家標(biāo)準(zhǔn)化組織選派代表組成，成立于1947年 ISO的標(biāo)

18、準(zhǔn)制定過程要經(jīng)過四個階段，即工作草案、建議草案、國際標(biāo)準(zhǔn)草案和國際標(biāo)準(zhǔn) ISO下設(shè)近200個TC（技術(shù)委員會），其中TC97負責(zé)IT技術(shù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。TC97又下轄16個 SC（分委會）和一個直屬組2022-3-1740ISOISO SC6為數(shù)據(jù)通信分委會，制定了HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程） SC16致力于OSI/RM（開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型），后被改組為SC21負責(zé)解決“開放系統(tǒng)互聯(lián)的信息檢索、傳輸與管理”等問題 TC97與國際電工委員會（IEC-International Electrotechnical Commissions）的TC83于1987年成立了一個新的JTC（聯(lián)合技術(shù)委員會）

19、來替代TC97，該機構(gòu)名稱是ISO/IEC JTC1, 下屬各SC仍沿用TC97中的序號。2022-3-1741ITUITU 成立于1932年，后成為聯(lián)合國下屬機構(gòu)。其前身為始建于1865年的國際電報聯(lián)合會（UTI） ITU的宗旨 維護與發(fā)展成員國之間的國際合作以改進和共享各種電信技術(shù) 幫助發(fā)展中國家大力發(fā)展電信事業(yè)；通過各種手段促進電信技術(shù)設(shè)施和電信網(wǎng)的改進與服務(wù) 管理無線電頻帶的分配與注冊，避免各國電臺的相互干擾。國際電信聯(lián)盟International Telecommunication Union2022-3-1742ITUITU ITU曾下轄總秘書處、國際頻率注冊委員會（IFRB）、國

20、際無線電咨詢委員會（CCIR）、國際電報電話咨詢委員會（CCITT）和電信發(fā)展局（BDT）五個常設(shè)機構(gòu) CCITT是國際電報電話咨詢委員會的法文名稱Comit Consulatif International Telegraphigueet Telephonique的縮寫，它主要由聯(lián)合國各成員國的郵政、電報和電話管理機構(gòu)的代表組成，是一個開發(fā)全球電信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際組織 該機構(gòu)已經(jīng)為國際通信使用的各種通信設(shè)備及規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)化提出了一系列建議國際電信聯(lián)盟International Telecommunication Union2022-3-1743ITUITUCCITTCCITT的建議標(biāo)準(zhǔn)系列的建議

21、標(biāo)準(zhǔn)系列 F F系列系列：有關(guān)電報、數(shù)據(jù)傳輸和遠程信息通信業(yè)務(wù) （傳真、可視圖文等）的定義、操作和服 務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建議； I I系列系列：有關(guān)數(shù)字網(wǎng)的建議，包括ISDN的若干建議； T T系列系列：有關(guān)終端設(shè)備的若干建議； V V系列系列：有關(guān)在電話網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)通信的若干建議； X X系列系列：有關(guān)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的若干建議。國際電信聯(lián)盟International Telecommunication Union2022-3-1744ITUITU 1993年3月起，ITU下屬的IFBR改稱無線通信部（RS），BDT改稱電信發(fā)展部（TDS） CCITT與CCIR合并為電信標(biāo)準(zhǔn)化部（TSS），簡稱ITU-

22、T ITU-T由一個常設(shè)職能部門TSB（電信標(biāo)準(zhǔn)局）和許多SG（研究小組）構(gòu)成 ITU-T目前正與ISO合作，共同制定數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)國際電信聯(lián)盟International Telecommunication Union2022-3-1745IEEEIEEE 國際標(biāo)準(zhǔn)化工作還有美國的一個重要組織IEEE的參與，它是全球最大的專業(yè)學(xué)術(shù)團體，開發(fā)通信和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)也是該組織的主要工作 其研究領(lǐng)域主要涉及ISO的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。例如，IEEE的802委員會制定的系列標(biāo)準(zhǔn)已成為當(dāng)今主流的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 除開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)外，IEEE每年還召開各種會議，出版許多刊物，因此它在世界上具有很高的知名度電氣與電子工程師學(xué)

23、會Institute of Electrical and Electronics Engineers2022-3-1746EIAEIA 另一個與制定電氣標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的組織是美國的EIA 該協(xié)會主要制定過許多電子傳輸標(biāo)準(zhǔn)，包括ISO的物理層標(biāo)準(zhǔn) 它頒布的RS-232和ES-449已經(jīng)成為全球廣泛采用的DTE和DCE之間串行接口標(biāo)準(zhǔn)電子工業(yè)協(xié)會Electronic Industries Associations2022-3-1747美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會American National Standard InstituteANSIANSI 美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會雖然只是一個非官方非贏利的民間組織，但實際上卻是全

24、美技術(shù)情報交換中心，并負責(zé)協(xié)調(diào)美國的標(biāo)準(zhǔn)化工作 其研究范圍與ISO相對應(yīng)，它是ISO中美國指定的代表 IEEE和EIA都是ANSI的成員2022-3-1748歐洲計算機制造商協(xié)會European Computer Manufactures AssociationECMAECMA 歐洲計算機制造商協(xié)會是由歐洲一些計算機廠商組成的標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)評議機構(gòu)，成立于1961年，總部在日內(nèi)瓦 其宗旨在于促進國家和國際機構(gòu)間的合作，致力于計算機與通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)與開發(fā)，主要活動包括OSI協(xié)議、數(shù)據(jù)網(wǎng)、文本準(zhǔn)備與交換等 ECMA是ISO和ITU-T的無表決權(quán)成員，同時也頒布自己的標(biāo)準(zhǔn)。2022-3-1749歐

25、洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會European Telecommunication Standard InstituteETSIETSI 歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會由歐洲共同體各國政府資助，是一個由電信行業(yè)的廠商與研究機構(gòu)參加并從事研究開發(fā)到標(biāo)準(zhǔn)制定的組織。2022-3-1750ASTAPASTAP 亞洲與泛太平洋電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會1998年由日本與韓國發(fā)起成立的標(biāo)準(zhǔn)化組織。旨在加強亞洲與太平洋地區(qū)各國信息通信基礎(chǔ)設(shè)施及其相互連接的標(biāo)準(zhǔn)化工作的協(xié)作亞洲與泛太平洋電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2022-3-1751 我國從事標(biāo)準(zhǔn)化工作的官方機構(gòu)是國家標(biāo)準(zhǔn)局 國家標(biāo)準(zhǔn)代號為GBxxxx-xx，前四位數(shù)字是標(biāo)準(zhǔn)編號,后兩位數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)頒布年份（目前已采用四位數(shù)字表示年份）中國國家標(biāo)準(zhǔn)局2022-3-1752 FCC FCC 美國對通信技術(shù)的管理的官方機構(gòu)是聯(lián)邦通信委員會（FCC）,主要職責(zé)是通過對無線電、電視和有線通信的管理來保護公眾利益。也對包括標(biāo)準(zhǔn)化在內(nèi)的通信產(chǎn)品技術(shù)特性進行審查和監(jiān)督。 在與通信有關(guān)的美國和國際商務(wù)領(lǐng)域具有權(quán)