通信原理

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通信技术基础教材:现代通信原理陶亚雄主编参考书:1.通信原理教程樊昌信等编著2.通信原理王秉均等编著3.通信原理及系统实验樊昌信等编著计划学时:讲授52,实验8,综合实训20.任课教师:马声全第一章序论1.1.1通信的定义通信指:信息的传递过程.本书给出了三种定义叙述(见P1,11行,19行和21行).1.1.2通信的方式1.按信息在信道中的传输方向通信可分为:单工通信,半双工通信和全双工通信.(P2,2行)发送单向通道接收双向通道双向通道发送接收发送接收接收发送接收发送同频(或同波长)的信号不能同时双向传输.半双工2.串行与并行传输(按编码的传送方式区分)发送端DTE接收端DTE发送端DTE接收端DTE...01101110码组(或码字,或字符)码元码字由码元组成0110111001101110串行传输中,收发双方必须要保持位同步和字同步,才能在接收端正确恢复原始信息。。并行传输中,构成一个编码的所有码元都是同时传送的,码组中的每一位都单独使用一条通道,因此不存在字同步问题.TS3.同步与异步传输(按是否要求收发同步区分)异步传输:发端预先将数据分组,并在每组数据的前后安置起始位和停止位.允许各组数据以不同的速率传送.收端根据起始位和停止位识别数据组.这种传输方式的优点是简便而灵活.缺点是传输效率低.起始位校验位停止位(1,1.5,2数据宽度)5–7数据位奇偶校验或不用同步传输:发端用定时信号控制数据匀速发送,数据长度以帧为单位,只在每帧的前后加SYN(同步)标记.收端从接收信号中提取定时,达到收发同步.同步传输比异步传输的传输效率高得多,更适合高速数据传输.SYN帧定位字段控制字段控制字段数据字段(接下一帧)异步传输不要求位同步和字同步.4.两点间直通、分支和交换传输按信息在通信网中的传递方式,可将信息传输方式分为两点间直通、分支和交换传输(P4,倒10行)1.1.3通信发展史(自行阅读)1.2通信系统的基本概念1.2.1信号及分类1.消息,信息与信号消息:指用户要求传送的语音,文字,数据和图象以及它们的各种组合.信息:是消息的抽象.信号:是信息经物理变换后的电磁表示形式.2.模拟信号与数字信号变换器信息电信号f(t)(又称为基带信号)•f(t)一般是以时间t为自变量,以信号的电平(电压或电流的大小)为因变量的函数.•因变量连续取值的电信号称为模拟信号.•因变量只能取若干离散值的电信号称为数字信号.0tu(t)0tu(t)0tu(t)0tu(t)模拟模拟(PAM)数字(2进制)数字(4进制)自变量连续取值自变量连续取值自变量连续取值自变量离散取值1.2.2通信系统的构成噪声源信道变换器信源反变换器信宿图1.7通信系统模型消息消息适于信道中传送的信号请看P8-P9讲话者送话器调制器语音声波基带信号已调载波信道实用模拟通信系统的变换器(又称信号处理设备)包含两层功能:(1).将信息变成基带信号;(2).用基带信号调制高频载波形成已调载波信号.3.数字通信系统讲话者听话者噪声源再编码调制器解调器再解码声电电声模数数模编码解码解密加密信道变换器反变换器图1.9•数字系统的变换器(信号处理设备)比模拟系统的复杂得多.•“复杂”的代价换取了如下优点(P9)(1)有再生功能,传输距离远;(2)可采用差错控制编码,抗干扰能力强;(3)便于计算机作信号处理;(4)易于加密处理;(5)易于集成化.•突出缺点是占用频带宽.数字再生原理示意011010再传输再生t信号在传输过程中不可避免地会出现衰耗和畸变模拟传输失真无法复原数字传输011010判决电平011010tt电平发送端接收端1.2.3通信系统的有效性与可靠性有效性指传输的效率问题;可靠性指接收信息的准确程度.这两个指标对系统的要求常常是相互矛盾的.(P10,1-2行)•模拟系统的有效性用系统的有效传输频带宽度来表示.信号传输所用的频带越窄,有效性越好.•数字系统的有效性用信息传输速率来衡量.传输速率越高,有效性越好.•数字信号的传输速率分码元速率(RB)和信息速率(Rb).码元速率RB又称传码率,指每秒传送的码元个数,单位为B/s.信息速率(Rb)又称比特率,指每秒传送的信息量,单位为b/s.Rb与RB的换算关系为:NRRNRRbBNBNb22log/log(N为数字信号的进制)•有效性更全面的衡量指标是频道利用率η,其定义为:单位时间单位频道上传输的信息量.η指标的单位为bit/s.Hz.可靠性是关于信息传输质量的指标.•模拟通信系统的可靠性用系统的输出信噪比(S/N)out衡量.(S/N)out越高,通信质量越好•数字通信系统的可靠性用差错率衡量.差错率又分误码率Pe和误比特率Pb.定义:Pe=(传错的码元个数)/(传输的码元总数)Pb=(传错的比特数)/(传输的比特总数)现代实际数字通信系统绝大多数采用二进制数字信号,即N=2,因此RBN=Rb.Pe=Pb.1.3通信的频段划分见表1.11.4现代通信的发展方向光纤通信,移动通信和卫星通信构成了现代通信的主体,在功能上各有自己的优势.习题一:一.5.二.8,10,11.四.21,22,23,24,27.第二章模拟调制系统基带传输频带传输数字传输模拟信号传输:以信息变换成的原始电信号(称为基带信号)在信道中传输.:以基带信号调制载波得到的已调信号(称为频带信号)在信道中传输.:以基带信号经A/D变换后得到的数字信号在信道中传输.2.1调制的功能及分类2.1.1调制的概念•模拟信号的基带传输方式的缺点是传输距离非常有限.这是因为基带信号的频率很低,在信道中的吸收损耗很大.通常只用于设备内部.P16•只在频带传输方式中存在载波调制.•什么是调制?调制:将基带信号刻画在载波信号上的过程.载波信号:实用的载波信号是高频简谐震荡.其表示式为)cos()(tAtuccc振幅Ac,(圆)频率,相位是它的3个特征参量.c)(tc调制信号:f(t).来源于信息.信息是多种多样的,因此f(t)的数学表示不是象载波信号那样取固定的形式.定理:任意复杂的波形都可以表式成一组简谐波的线性叠加.60多年前这还只是一个猜想,1953年由物理学家和数学家希尔伯特(Hilbert)和狄里赫利(Dirihler)予以了严格的数学证明.3,2,1,cos)(010ntnAAtfnn数学命题:任意一个函数在任何区间内都可以用一组正交归一的完全函数集来表述.后来,又证明:可以用来表述任意函数的函数集有多种形式.有关理论称为付里叶分析,正交归一的完全函数集称为付里叶级数.在电子信息技术中运用最普遍的付里叶级数有3种形式:(1)余弦级数形式3,2,1,cos2)(010ntncctfnn(2)三角级数形式,3,2,1],sincos[2)(0100ntnbtnaatfnnn(3)指数级数形式dtetfTVeVtftjnTTnnjnn002/2/)(1)(而且这三种形式是等效的,即它们之间有明确的公式进行转换付里叶变换)()(FtfdtetfFtj)()(变换反变换deFtftj)(21)(信号的时域表示信号的频域表示波形函数频谱函数•信号存在二重属性:时域特性f(t)和频域特性F(ω).•同一信号的f(t)和F(ω)有确定的变换关系式.•f(t)描述信号的电平随时间的变化,即信号的波形.•F(ω)描述信号的电平随频率的变化,即信号包含的各种频率成分的强弱分布.•AM,FM和PM使载波信号的振幅,或频率,或相位随调制信号f(t)变化就分别称之为调幅(AM),调频(FM)和调相(PM).•调制理论讨论的主要问题1.已调信号的表示式.即SM(t)=?2.已调信号的频谱宽度.B=Δf=Δω/2π.3.已调信号的功率.用于讨论实现调制和解调的方案用于讨论无畸变传输,信道必需提供的带宽.用于讨论传输信号的效率,信噪比,功率的频谱分布.2.2线性调制系统-----模拟信号调幅2.2.1常规双边带调制指f(t)叠加一个直流分量后去控制载波的振幅.(P18,19行)1.调幅信号的表示式(2-1式)])(cos[)]([)()]([)(0tAtfAtutfAtScccAM先讨论最简单的情况,设f(t)为单频余弦函数:)(cos)(tAtfmm(2-2)为后面书写简单,通常取Ac=1,φ0=0,则)cos(2)cos(2)(cos)(cos)](cos[)(mcAmcAccmmAMAmAmtAttAAtSf(t)0t基带信号0tf(t)+AAA+Am调制信号=基带信号+直流分量uc(t)0t载波信号t0SAM(t)已调载波(频带信号)包络)42(/AAmmA称为调幅指数或调幅度2.SAM(t)的频谱ω幅度AAmωcωm调制前Am/2幅度Aωcωc-ωmωωc+ωmB调制后如果f(t)含有ωm和ωn两种频率成分)cos(2)cos(2)cos(2)cos(2)(cos)(cos)](cos)(cos[)(ncnncnmcmmcmccnnmmAMAAAAtAttAtAAtS可见,f(t)每多一种频率成分,SAM(t)的频谱就在载频的两侧对称地增添了与该频率成分线性相关的一对谱线.ω幅度Aωc调制前f(t)的频谱B=fmaxω幅度Aωc调制后B=2fmax已调信号的频谱fc-fmaxfc+fmax3.SAM(t)的功率和效率已调信号的功率PAM定义(见P21))(212122tfAPAM(2-10)信号功率调制效率η的定义见第7行.)()(222tfAtfAM(2-11)当调制信号为单频余弦信号时222222222222/2111)/(212/2/2]01[2)()](2cos1[21cos)(cos)(AmmmAMmmmmmmmmmAAAAAAAtftAtAtftAtf4.AM的调制与解调(的实现方法)调幅指数(或称调幅度)的范围:0<mA≤1(见P19,第9行)∴ηmax=1/3=33%f(t)AcosωctSAM(t)根据(2-1)式图2.5SAM(t)检波低通滤波f(t)图2.6(a)包络检波例如用二极管单向导电t0SAM(t)已调载波(频带信号)f(t)本地cosωctSAM(t)低通滤波图2.6(b)相干检波2.2.2抑制载波的双边带调制(DSB)见P23•SDSB(t)是SAM(t)当A=0时的特例.即调制信号不叠加直流分量.•已调信号SDSB(t)表示式变为(2-14)•SDSB(t)的频谱仍然可以看成调制信号频谱的线性搬移,仍然存在上下两个对称的边带,频谱宽度还是B=2fmax.只是处于对称中心的载频谱线ωc消失了.所以称为“抑制载波的双边带调制”•由于(2-11)式中的A=0,DSB的调制效率η=100%.•SDSB(t)的包络(由于调制过深而变形)不再与f(t)的波形相同.因此不能再用包络检波,只能采用如图2.10调制和图2.11的相干解调.tf(t)00tuc(t)0tSAM(t)图2.7包络不是f(t)])cos()[cos(2coscos)()(ttAttAtutfmcmcmcmmc(假定为单频信号)载波频率成分消失了.2.2.3单边带调制(SSB)和残留边带调制(VSB)1.SSB调制ω幅度AωcB=2fmax已调信号的频谱(a)常规调幅(AM)的频谱幅度ωAωcB=2fmax已调信号的频谱(b)DSB的频谱ωAωcB=2fmax已调信号的频谱(C)SSB的频谱B=fmax•SSB调制的优点是谱宽缩小了一半.•SSSB(t)的表示式为(2-27)或(2-28).•SSB调制的实现办法1.滤波法.如图2.13,但对带通滤波器的要求高.2.移相法.如图2.14]sinsincos[cos21)cos(21]s

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