现代通信原理(01)

2019/8/151现代通信原理第一章绪论2019/8/152课程描述•通信是一个广义的概念，涉及包括雷达、导航、遥控遥测等军用尖端技术和包括数字电话、广播电视、综合信息网、多媒体宽带网等现代民用技术，通信在过去分为模拟通信和数字通信两个方面来研究。目前，随着数字技术和计算机技术日新月异的发展，数字通信方式在许多领域已逐步取带模拟通信方式，成为通信的主流，也成为我们今天研究的重点。2019/8/153•通信系统的核心是信号设计。本课程以通信技术的发展、演变为线索，从模拟到数字，由浅入深，力求把握通信信号设计的发展脉络和指导思想，用工程数学提供的方法准确表达和推导了通信信号和通信系统。2019/8/154第一章绪论§1.1现代通信与信息社会现代通信与信息社会：克服距离障碍，迅速、准确传递信息，通信发展经历了五个阶段，其标志性事件分别是：1、语言的产生，使人类有了比较完整的表达和交流形式。2、文字的产生，增大了交流的距离和流传的范围。3、印刷术的发明，使文明得以保存，世代相传，信息得以扩张。4、电报、电话、无线电等技术的发展，形成了通信理论和技术，形成了现代的通信产业。5、计算机技术、多媒体技术、有线及无线网络技术的发展，使信息交流达到了一个新的高度。2019/8/155§1.2通信系统的组成信息化社会：通信信息技术服务行业在上世纪末已成为世界上最大的产业。电话普及率（台/100人）90年代初:发达国家50台/百人。中国1台/百人2000年11月:我国30.2台/百人2019/8/156截止到2001年11月国内固定电话用户达到了一点七七亿户移动电话用户一点四亿户网民近三千万中国已经成为世界上仅次于美国的第二大电信市场。2019/8/157截止到2011年08月电话用户达到了11.3亿户，普及率83%移动电话用户9亿互联网用户4.2亿，普及率31.8%中国已经成为世界上第一大电信市场。2019/8/158发展趋势A、宽带化：单膜光纤WDM（波分复用）DWDM（密集波分复用）参鉺放大器全光网C波段KU波段KA波段多波束天线QPSKMSKQAMFDMATDMACDMASDMAB、综合化：语音、图像、数据等多业务。C、个人化：网络化、个人信息编码、数据移动通信、卫星移动通信。2019/8/159二.通信系统模型信源发送设备传输媒介接收设备信宿噪声源1、点对点通信系统的一般模型2019/8/1510•信源：信息的发出者，模拟信源和离散信源。•发送设备：匹配信源与传输媒介，调制，功率放大，以及各种信号处理功能。•噪声源：信号传输时所受的干扰。•接收设备：完成发送设备的反变换，小信号放大、解调。•信宿：消息的接收者•信道：信号传输媒介•信息速率自信息量I(ai)=log2[1/p(ai)],单位为比特；一个二进制码元包含的信息量为1比特。设一个英文打字机总共能产生32种离散符号，则需要5位二进制数字来表示。设此打字机每秒能产生10个符号,那么作一个离散信源来说,它产生的二进制信息速率为50比特/秒。（书中图1－2）2019/8/1511信源信源编码信道编码调制传输媒介信源译码信宿信道译码解调噪声干扰2、模拟通信系统（模拟通信系统如图中虚线外的部分）2019/8/1512•基带信号：没有经过高频调制的信号。比如语音、图像、数据。有时也指经过信源编或时分复用的信号，频率较低。•基带传输：基带信号不经过调制直接传输。•调制：为了有效传输，在发射机将基带信号调制到较高频率进行发送称为调制。•解调：接收端从高频中取出基带的过程称为解调。是调制的逆过程2019/8/15133.数字通信系统信源信源编码信道编码调制传输媒介信源译码信宿信道译码解调噪声干扰2019/8/1514•信源编码：模拟信号要通过数字信道传输，首先要进行数字化处理，包括采样、量化、编码、压缩等。信源编码保证了信号能否进入有一定条件限制的数字信道里。•信道编码：为了在数字信道里有一定的传输质量，还要进行信道编码，包括加扰编码、纠错编码和多址编码等。•信源解码：信源编码的逆过程。•信道解码：信道编码的逆过程。2019/8/15154.数字通信系统的优越性(1)抗干扰能力强数字信号可多次再生，噪声不会累积。可以自动检错、纠错。(2)具有良好的灵活性和通用性(3)便于加密。例:待传送数字序列X，密码数字序列Y。加密后数字序列Z=X⊕Y---模2加解密后Z⊕Y=X⊕Y⊕Y=X(4)数字通信设备易于大规模集成2019/8/1516§1.2通信系统的分类一.按消息的物理特征分类电报通信系统电话通信系统数据通信系统多媒体通信系统2019/8/1517二.按调制方式分类(1)基带传输---直接传输基带信号。(2)调制传输---将基带信号调制到载波后传输。①将消息变换为便于传送的形式例1:天线长度≥工作波长λ/4(λ=c/f)，如果用低频传输，天线尺寸太大。例2：放大器的相对带宽决定了低频传输的有效带宽不足。②可实现频分复用③可改善通信系统的性能：抗低频干扰。2019/8/1518调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的参量上,这些正弦波或脉冲序列就称为载波；调制就是基带信号控制载波的某些参数按照基带信号的变化规律而变化。如：某已调信号s(t)=Acos(ωt+θ)根据载波的不同2019/8/1519调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调副AM广播抑制载波双边带调幅DSB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广播电视、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数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK、DPSK、QPSK数据传输、数字微波、空间通信其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信脉冲调制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、空间通信增量调制DM、CVSD、DVSD军用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其它方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话2019/8/1520三.按传输信号的特征模拟通信系统:传送在时间和幅度特性上都连续变化的消息。数字通信系统:传送在时间和幅度特性上都经过离散的消息。2019/8/1521四.按通信方式不同单工通信:通信双方单向传递信息。双工通信:通信双方同时双向传递信息。半双工通信:通信双方双向传递信息但不同时。2019/8/1522五.按传送信号的复用方式频分复用:不同信号占用不同的频率范围。时分复用:不同信号占用不同的时间区间。码分复用:用正交的脉冲序列携带不同信号。2019/8/1523六.按传输媒介类型•有线通信：双绞线、双平行线、同轴电缆、微带、波导、多芯铜线、光缆等。•无线通信：卫星通信、移动通信、微波通信、雷达、声纳、遥控遥测、无线定位、无线接入等。2019/8/1524频率范围波长符号媒介用途3Hz-30KHz108-104m甚低频VLF有线线对、长波音频、电话30KHz-300KHz104-103m低频LF有线线对、长波导航信标300KHz-3MHz103-102m中频MF同轴电缆、中波调幅中波广播3MHz-30MHz102-10m高频HF同轴电缆、短波调幅短波广播30MHz-300MHz10-1m甚高频VHF同轴电缆、米波电视、调频广播、空中管制、机场导航300MHz-3GHz100-10cm特高频UHF同轴电缆、微带、波导、分米波电视、移动通信、微波接力、警戒雷达3GHz-30GHz10-1cm超高频SHF波导、厘米波通信卫星、制导雷达、炮瞄雷达30GHz-300GHz10-1mm极高频EHF波导、毫米波近距离高精度雷达、射电天文105-107GHz3*10(-4)-3*10(-6)cm光波段光纤、激光空间传播光通信2019/8/1525信道的定义及分类狭义信道：传输媒介。调制信道：包括传输媒介及收发转换等模拟部分。广义信道：还包括调制信道之外的编码信道。按不同的分类方式，信道可分为有线信道和无线信道、调制信道和编码信道、线性信道和非线性信道、记忆信道和不记忆信道、恒参信道和变参信道等。2019/8/1526对于线性信道：线性网络ei(t)Eo(t)h(t)K(t)eo(t)=k(t)ei(t)+h(t)其中：K(t)称为乘性干扰，如畸变、衰落、交调和互调等。h(t)称为加性干扰，如白燥声、各种地面和空间的干扰等。2019/8/1527对于编码信道：“1”“0”P（1/0）P（0/1）P（1/1）P（0/0）“0”“1”其中：p（0/0）为收0发0的概率。p（1/0）为收1发0的概率。p（0/1）为收0发1的概率。p（1/1）为收1发1的概率。2019/8/1528如果P（0/1）=P（1/0），则称此信道为对称信道。对于电话信道，基本上是对称信道。对于INTERNET网，由于下行数据量远远大于上行数据量，称为不对称信道。2019/8/1529对于变参信道：例如移动通信，由于信号在传输过程中经过多种路径到达移动台，形成多径衰落，使信道参数随距离而变化。以举两径为例：2019/8/1530发射波接收波时域f(t)r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-τ)频域F(ω)R(ω)=VoF(ω)e-jωto+VoF(ω)e-jω(to+τ)=VoF(ω)e-jωto(1+e-jwτ)幅频特性：〡R(ω)〡=R(ω)e-jωto〡1+e-jwτ〡=R(ω)e-jωto*2cos(ωτ/2)2019/8/1531两径衰落的结果相当与在单径接收信号的基础上调制了一个τ（时延，与位置有关）的余弦函数，造成接收信号的幅度忽大忽小，接收效果时好时坏。2019/8/1532§1.3通信系统的性能度量一.通信系统的质量指标有效性:信道一定时,系统能够传输信息内容的多少。可靠性:系统接收端恢复信息的准确程度。2019/8/1533二.对于模拟通信系统有效性---在给定信道带宽内,能容纳多少的通信路数;也可用传单路信号的有效带宽来衡量。可靠性---通信系统接收端的输出信号噪声功率比(SNR,SignalNoiseRatio)2019/8/1534三.数字通信系统有效性—用信号的传输速率来衡量；码元传输速率(Rs)：单位时间能够传送的码元数。（波特率)每个码元传输所占用的时间TB为码长,则Rs=1/TB(波特,Baud)。信息传输速率(Rb):单位时间能够传送的信息量(bits/s)。(比特率)Rb=Rs·log2N比特/秒Rs=Rb/log2N波特2019/8/1535可靠性—传输产生的错误概率；误码率PB=接收的错误码元数/发出的总码元数；误比特率Pb=接收的错误比特数/发出的总比特数；2019/8/1536为了获得通信中所需的有效性和可靠性，产生了信息处理技术。信息处理技术是现代信息工程的核心技术。信息处理的目的是为了提高系统对某一方面的要求、优化系统某一方面的性能指标。信息处理的主要手段是编、译码。比如：1、为了提高系统的有效性，可以通过信源编码来完成。2、为了提高系统的安全性，可以通过加密来完成。3、为了提高系统的可靠性，可以通过信道编码来完成。2019/8/1537通信标准及制定机构2019/8/1538•通信涉及到双方或多方，其中包括点与点、点与端、端与端的信息交互，没有相应的标准显然是不行的•统一的标准也有利于系统的异构组成，也给用户提供了选择使用的灵活性•标准化的程度是衡量数据通信系统的重要质量指标之一•标准的制定，除了技术的因素之外，还有经济，乃至政治的因素•标准的制定有利于技术的发展，但有时各方喋喋不休的争执对新技术的推广应用反而产生牵制作用通信技术标准及其制定机构2019/8/1539国际标准化组织InternationalStandardsOrganizationISO•世界上从事国际标准化的最大的综合性非官方机构，由各参与国的国家标准化组织选派代表组成，成立于1947年•ISO的标准制定