現(xiàn)代通信原理概述

現(xiàn)代通信原理概述第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院課程描述從古到今，人類的社會活動總離不開消息的傳遞和交換，古代的消息樹、烽火臺和驛馬傳令，以及現(xiàn)代社會的文字、書信、電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測等，這些都是消息傳遞的方式或信息交流的手段。人們可以用語言、文字、數(shù)據(jù)或圖像等不同的形式來表達信息。但是這些語言、文字、數(shù)據(jù)或圖像本身不是信息而是消息，信息是消息中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容。因此，通信的根本目的在于傳輸含有信息的消息，否則，就失去了通信的意義?；谶@種認識，“通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院課程描述實現(xiàn)通信的方式很多，隨著社會的需求、生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術的進步，目前的通信越來越依賴利用“電”來傳遞消息的電通信方式。由于電通信迅速、準確、可靠且不受時間、地點、距離的限制，因而近百年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。當今，在自然科學領域涉及“通信”這一術語時，一般均是指“電通信”。廣義來講，光通信也屬于電通信，因為光也是一種電磁波。本書中的通信均指電通信。第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院通信是一個廣義的概念，涉及包括雷達、導航、遙控遙測等軍用尖端技術和包括數(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，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)字技術和計算機技術日新月異的發(fā)展，數(shù)字通信方式在許多領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。通信系統(tǒng)的核心是信號設計。本課程以通信技術的發(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計的發(fā)展脈絡和指導思想，用工程數(shù)學提供的方法準確表達和推導了通信信號和通信系統(tǒng)。第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院第一章緒論現(xiàn)代通信與信息社會：克服距離障礙，迅速、準確傳遞信息，通信發(fā)展經(jīng)歷了五個階段，其標志性事件分別是：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、無線電等技術的發(fā)展，形成了通信理論和技術，形成了現(xiàn)代的通信產(chǎn)業(yè)。5、計算機技術、多媒體技術、有線及無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使信息交流達到了一個新的高度。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院§1.1通信系統(tǒng)的組成信息化社會：通信信息技術服務行業(yè)在上世紀末已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)。電話普及率（臺/100人）2006年底，我國固定電話普及率和移動電話普及率分別達到61.4部/百人和35.3部/百人。我國電話用戶總數(shù)突破8億戶，移動電話用戶總數(shù)突破4.6億戶。第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院發(fā)展趨勢A、寬帶化：單膜光纖WDM（波分復用）DWDM（密集波分復用）參鉺放大器全光網(wǎng)C波段KU波段KA波段多波束天線QPSKMSKQAMFDMATDMACDMASDMAB、綜合化：語音、圖像、數(shù)據(jù)等多業(yè)務。C、個人化：網(wǎng)絡化、個人信息編碼、數(shù)據(jù)移動通信、衛(wèi)星移動通信。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院二.通信系統(tǒng)模型信源發(fā)送設備傳輸媒介接收設備信宿噪聲源1、點對點通信系統(tǒng)的一般模型第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院信源：信息的發(fā)出者發(fā)送設備：匹配信源與傳輸媒介，調(diào)制，功率放大。噪聲源：信號傳輸時所受的干擾。接收設備：完成發(fā)送設備的反變換，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)=log2[1/p(ai)],單位為比特；一個二進制碼元包含的信息量為1比特。設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。第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院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）第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院基帶信號：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)過信源編或時分復用的信號，頻率較低?；鶐鬏敚夯鶐盘柌唤?jīng)過調(diào)制直接直接傳輸。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)制的逆過程第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院3.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)噪聲干擾第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院信源編碼：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。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院4.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，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=X⊕Y---模2加解密后Z⊕Y=X⊕Y⊕Y=X

(4)數(shù)字通信設備易于大規(guī)模集成第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院§1.2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)第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院二.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。①將消息變換為便于傳送的形式例1:天線長度≥工作波長λ/4(λ=c/f)，如果用低頻傳輸，天線尺寸太大。例2：放大器的相對帶寬決定了低頻傳輸?shù)挠行挷蛔?。②可實現(xiàn)頻分復用③可改善通信系統(tǒng)的性能：抗低頻干擾。

第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院調(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(ωt+θ)根據(jù)載波的不同，有：第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院調(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)字電話第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院三.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。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院四.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。圖1–１單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院五.按傳送信號的復用方式

頻分復用:不同信號占用不同的頻率范圍。

時分復用:不同信號占用不同的時間區(qū)間。

碼分復用:用正交的脈沖序列攜帶不同信號。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院六.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、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。第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院頻率范圍波長符號媒介用途3Hz-30KHz108-104m甚低頻VLF有線線對、長波音頻、電話30KHz-300KHz104-103m低頻LF有線線對、長波導航信標300KHz-3MHz103-102m中頻MF同軸電纜、中波調(diào)幅中波廣播3MHz-30MHz102-10m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、機場導航300MHz-3GHz100-10cm特高頻UHF同軸電纜、微帶、波導、分米波電視、移動通信、微波接力、警戒雷達3GHz-30GHz10-1cm超高頻SHF波導、厘米波通信衛(wèi)星、制導雷達、炮瞄雷達30GHz-300GHz10-1mm極高頻EHF波導、毫米波近距離高精度雷達、射電天文105-107GHz3*10(-4)-3*10(-6)cm光波段光纖、激光空間傳播光通信第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院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。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院對于線性信道：eo(t)=k(t)ei(t)+h(t)其中：K(t)稱為乘性干擾，如畸變、衰落、交調(diào)和互調(diào)等。h(t)稱為加性干擾，如白燥聲、各種地面和空間的干擾等。線性網(wǎng)絡ei(t)Eo(t)h(t)K(t)第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院對于編碼信道：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?！?”“0”P（1/0）P（0/1）P（1/1）P（0/0）“0”“1”第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院如果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。第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院對于變參信道：

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，使信道參數(shù)隨距離而變化。以舉兩徑為例：第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院

發(fā)射波接收波時域f(t)

r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-τ)

頻域

F(ω)R(ω)=VoF(ω)e-jωto+VoF(ω)e-jω(to+τ)

=VoF(ω)e-jωto(1+e-jwτ)幅頻特性：〡R(ω)〡=R(ω)e-jωto〡1+e-jwτ〡=R(ω)e-jωto*2cos(ωτ/2)

第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院兩徑衰落的結果相當與在單徑接收信號的基礎上調(diào)制了一個τ（時延，與位置有關）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。第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院§1.3通信系統(tǒng)的性能度量一.通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標

有效性:信道一定時,系統(tǒng)能夠傳輸信息內(nèi)容的多少。

可靠性:系統(tǒng)接收端恢復信息的準確程度。第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院二.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?？煽啃?--通信系統(tǒng)接收端的輸出信號噪聲功率比(SNR,SignalNoiseRatio)第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院三.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=RBM·log2M信息傳輸速率(Rb):單位時間能夠傳送的信息量(bits/s)。(比特率)Rb=RBM·log2M比特/秒RBM=Rb/log2M波特第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院可靠性—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)；第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院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。信息處理技術是現(xiàn)代信息工程的核心技術。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。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。3、為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以通過信道編碼來完成。第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院通信標準及制定機構第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院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，沒有相應的標準顯然是不行的統(tǒng)一的標準也有利于系統(tǒng)的異構組成，也給用戶提供了選擇使用的靈活性標準化的程度是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標之一標準的制定，除了技術的因素之外，還有經(jīng)濟，乃至政治的因素標準的制定有利于技術的發(fā)展，但有時各方喋喋不休的爭執(zhí)對新技術的推廣應用反而產(chǎn)生牽制作用通信技術標準及其制定機構第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院國際標準化組織InternationalStandardsOrganizationISO世界上從事國際標準化的最大的綜合性非官方機構，由各參與國的國家標準化組織選派代表組成，成立于1947年ISO的標準制定過程要經(jīng)過四個階段，即工作草案、建議草案、國際標準草案和國際標準ISO下設近200個TC（技術委員會），其中TC97負責IT技術有關標準的制定。TC97又下轄16個SC（分委會）和一個直屬組第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院國際標準化組織InternationalStandardsOrganizationISOSC6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-InternationalElectrotechnicalCommissions）的TC83于1987年成立了一個新的JTC（聯(lián)合技術委員會）來替代TC97，該機構名稱是ISO/IECJTC1,下屬各SC仍沿用TC97中的序號。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院ITU成立于1932年，后成為聯(lián)合國下屬機構。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設施和電信網(wǎng)的改進與服務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InternationalTelecommunicationUnion第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院ITUITU曾下轄總秘書處、國際頻率注冊委員會（IFRB）、國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）五個常設機構CCITT是國際電報電話咨詢委員會的法文名稱ComitConsulatifInternationalTelegraphigueetTelephonique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的代表組成，是一個開發(fā)全球電信技術標準的國際組織該機構已經(jīng)為國際通信使用的各種通信設備及規(guī)程的標準化提出了一系列建議國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院ITUCCITT的建議標準系列F系列：有關電報、數(shù)據(jù)傳輸和遠程信息通信業(yè)務（傳真、可視圖文等）的定義、操作和服務質(zhì)量標準的建議；I系列：有關數(shù)字網(wǎng)的建議，包括ISDN的若干建議；T系列：有關終端設備的若干建議；V系列：有關在電話網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)通信的若干建議；X系列：有關數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的若干建議。國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院ITU1993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合并為電信標準化部（TSS），簡稱ITU-TITU-T由一個常設職能部門TSB（電信標準局）和許多SG（研究小組）構成ITU-T目前正與ISO合作，共同制定數(shù)據(jù)通信標準國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院IEEE國際標準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)學術團體，開發(fā)通信和網(wǎng)絡標準也是該組織的主要工作其研究領域主要涉及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準已成為當今主流的局域網(wǎng)標準除開發(fā)標準標準外，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會InstituteofElectricalandElectronicsEngineers第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院EIA另一個與制定電氣標準有關的組織是美國的EIA該協(xié)會主要制定過許多電子傳輸標準，包括ISO的物理層標準它頒布的RS-232和ES-449已經(jīng)成為全球廣泛采用的DTE和DCE之間串行接口標準電子工業(yè)協(xié)會ElectronicIndustriesAssociations第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院美國國家標準學會AmericanNationalStandardInstituteANSI美國國家標準學會雖然只是一個非官方非贏利的民間組織，但實際上卻是全美技術情報交換中心，并負責協(xié)調(diào)美國的標準化工作其研究范圍與ISO相對應，它是ISO中美國指定的代表IEEE和EIA都是ANSI的成員第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月西南科技大學信息工程學院歐洲計算機制造商協(xié)會EuropeanComputerManufacturesAssociationECMA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準化與技術評議機構，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間的合作，致力于計算機與通信技術標準的協(xié)調(diào)與開發(fā)，主要活動包括OSI協(xié)議、數(shù)據(jù)網(wǎng)、文本準備與交換等