第一章通信基础.

通信概论方文婷[e-mail]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。信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端图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Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O数字信号波形：(a)二进制波形；(b)PSK波形100110111001Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b).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信息源调制器信道解调器受信者噪声源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fm/s103fc8）。为光速（），为工作频率（），为工作波长（m/sczfmH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。单工通信发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端发端收端信道(c)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。半双工通信发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端发端收端信道(c)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。发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端发端收端信道(c)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。发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备…(a)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。发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备…(a)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。)sin()(tAts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。t),()(Ttsts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：0xy)sin()(tAts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：f2f1T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）