通信基本原理

第一讲通信基本知识一、通信系统的组成1.通信的基本概念通信：把信息从一地有效地传递到另一地的全过程。2.通信系统模型3.模拟通信系统和数字通信系统模型3.1.模拟通信系统模型3.2.数字通信系统模型3.3.数字通信系统与模拟通信系统的性能比较•数字传输的抗干扰能力强，噪声不积累。•数字系统可采用差错控制编码改善传输质量。•数字系统中便于做加密处理；•数字通信系统适合传输、交换多种信息。•数字通信系统便于集成化。•数字信号占用的频带宽。•数字通信系统对同步要求高，系统设备比较复杂。二、通信系统的分类及通信方式1.通信系统的分类分类：按业务类型分类：电话系统、电报系统、数据系统、图像系统。按传输媒介分类：有线和无线通信系统。按传输信号分类：模拟通信系统和数字通信系统。按复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用。按传输系统调制分类：基带传输系统和频带传输系统。2.通信方式按传输方向与时间分类：单工通信、半双工通信、双工通信。按通信方式分：单工通信半双工通信双工通信数字信号码元排列方法分类：串行传输、并行传输。串行传输方式线路成本低，适合于长距离的通信；并行传输方法线路成本高，传输速率高，适合于短距离的通信。数字卫星通信系统蜂窝移动通信系统移动交换中心电话交换中心三、信号、信道与噪声1.信号信号：信息的载体，它利用物理量的变化携带信息。信号可以分为确知信号和随机信号。确定信号：信号是一个确定的时间函数。随机信号：信号具有不确定性，信号可以分为周期和非周期信号，连续时间和离散时间信号，能量信号和功率信号等。频谱图：一个信号中振幅、相位随频率变化的曲线。2.信道的定义与分类2.1.信道：信号的传输媒介。分为侠义信道和广义信道。侠义信道分为两类：有线信道和无线信道。有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆及光缆。无线信道：地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道。广义信道：信道的范围扩大到传输媒质之外。2.2.调制信道和编码信道调制信道：传输已调信号的一个整体。编码信道：传输数字信号的一个整体。2.3．恒参信道和变参信道按信道的参数分类可分为恒参信道和变参信道。恒参信道：信道电气参数变化速度极缓慢，变化量小（如双绞线、同轴电缆、光纤、长波无线信道）。产生的失真有两种：幅度—频率失真和相位—频率失真。它们是损害信号传输特性的重要因素，通常采用均衡措施补偿。变参信道：信道电气参数随时间变化较快、变化量较大（如短波信道、超短波信道、微波信道。无线信道）。变参信道特性复杂，对信号的影响也严重得多。3.信道噪声信道噪声：噪声和干扰的总称。加性噪声：与有用信号毫无关系，不管有用信号的有无而独立存在的。乘性噪声：它与系统的特性有关，与有用信号相伴而生，是乘法关系。随机噪声：噪声不可预测，具有随机性。信道容量公式——香农公式sbitNSBC/)1(log2香农公式主要讨论了信道容量、频带宽度和信噪比之间的关系。由香农公式可得到如下结论：•在给定B、S/N时，信道的极限传输能力C即确定。•在信道容量C一定时，带宽B和信噪比S／N之间可以互相调整。•增加信道带宽B并不能无限制地增大信道容量。•在给定C和S／N的情况下，带宽B与时间T也可以互相调整。小结1.通信系统包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿。2.信号是信息的载体，可以分为周期信号和非周期信号，连续时间信号和离散时间信号，能量信号和功率信号等。3.周期信号的频谱具有离散性、谐波性和收敛性。非周期信号的频谱是连续的频谱，也具有收敛性。4.信道是信号的传输通路。信道的噪声有加性噪声和乘性噪声。5.加性噪声特点是频率范围宽。乘性噪声是依赖于有用信号存在而存在。6.恒参信道对信号传输的影响是幅度—频率失真和相位—频率失真。变参信道对信号传输的影响有一般衰落和频率选择性衰落。7.香农公式主要讨论了信道容量、频带宽度和信噪比之间的关系，是信息传输中非常重要的公式，是目前通信系统设计和性能分析的理论基础。第二讲通信系统简介一、数字光纤通信系统数字光纤通信是以光信号运载数字信息，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。1.单向光纤通信系统数字光纤通信系统由光发送机、光纤和光接收机构成。光发送机和光接收机统称为光端机。电端机通常是指PCM基群或高次群设备。1.1光纤通信系统各个部分作用:PCM电端机主要对用户话音进行数字编码，组成复用帧，形成不同等级速率的数字信号流送至光端机。光发送设备有源器件把数字脉冲电信号转换为光信号（E/O变换）后，送到光纤中传输。在光接收设备中设有光检测器件，将接收到的光信号转换为电的数字脉冲信号（O/E变换）。光中继光信号经过长距离的传输后光被衰减，可采用光中继设备，将信号再生放大后传输。实用系统是双向的；PCM电端机主要对用户话音进行数字编码、解码、复用、解复用；光发送设备、光接收设备合程光端机；二、双向数字光纤通信系统1.光发送机组成光发送机主要由均衡放大电路、码型变换电路、扰码电路、光发送电路组成。1.1.光发送机各部分作用1.1.1．均衡放大电路PCM电端机与光发送机之间的传输电缆的衰减与频率平方成正比。由于连接电缆对各频率衰减量的不同，引起输入口信号的幅度和波形发生变化，需由均衡放大电路来补偿。均衡放大大电路实际上是利用RC均衡网络和放大器补偿传输电缆对不同频率产生的衰减和畸变。1.1.2．码型变换电路光发送机输入接口把来自PCM的HDB3或CMI接口码变换成单极性码，以便在光端机内进行扰码、线路编码和光调制。1.1.3．时钟提取电路时钟提取电路从均衡放大后的PCM码流中提取时钟，用于码型变换、扰码、线路编码的时钟。2f2f2f1.1.4．复用复用是指将多个低速率信道和开销信息合用到一个高速率信道的过程，例如将4个155Mb/s的STM-1系统复用为一个622Mb/s的STM-4系统。1.1.5．扰码电路扰码电路对发送的信息码流处理，使码流中“0”和“1”的数量大致相等，破坏过长的连“0”和连“1”码流。经扰码的码流较好地携带时钟，有利于接收端对时钟信号的提取，使主从时钟同步；经过扰码，使光源组件发光和不发光的概率大致相等，较好的保护光源组件。1.1.6．光发送电路光发送电路的作用是把电信号变换成光信号，并耦合到光纤中传输。1.2.光发送机的光发送电路1.2.1.光发送电路的组成光发送电路主要包括波形预处理、光源驱动、光功率自动控制(APC)、光源工作温度自动控制(ATC)、光源组件、告警等部分。1.2.2.光源组件光源组件的作用是产生作为光载波的光信号。光源组件采用LD（激光器）和LED（发光二极管）。1.2.3.光调制电信号变换成光信号称为光调制，使光源发出的光信号按输入电信号的规律变化。直接调制：用电信号直接驱动光源，使其输出的光载波信号强度随电信号的强度变化。间接调制：利用晶体的电光、磁光来调制恒定光源发出的光。2.光接收机2.1.光中继器2.1.1．光电中继器2.1.2．全光中继器3.线路码型1．光端机与PCM电端机接口码型2、接口码型3、光纤线路常用码型•mBnB分组码•脉冲插入码•mB1P码•mB1H码•扰码三.光端机的主要指标1．光发送机的主要指标输出光功率及稳定度光脉冲的消光比调制特性2、光接收机的主要指标•灵敏度•动态范围9.2电话交换技术数字交换网络用户电路用户集中器远端用户集线器数字中继器模拟中继器信号音发生器多频收/发码器用户处理机呼叫处理机管理维护处理机程控数字交换机的基本组成9.2.3时隙交换原理9.2.4T型接线器T型接线器：完成时隙交换的网络。组成：存储器SM和控制存储器CM。功能：完成“时隙交换”。1．读出控制T接线器8端输人T型接线器8PCM的复用串并变换原理S接线器9.2.6数字交换网络1、TST交换网络STS交换网络9.2.7信令系统在交换机与用户、交换机与交换机间，除传送话音、数据等业务信息外，还必须传送各种专用的控制信令(信号)。交换机根据用户信令和局间信令完成接续处理，用户根据信令提示进行操作处理。按信令的作用区域划分，可分为用户线信令与局间信令，前者在用户线上传送，后者在局间中继线上传送。如果按信令的功能划分，则可分为监视信令，地址信令与维护管理信令。9.3.1GSM系统结构GSM数字蜂窝移动通信系统主要由移动网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)以及移动台子系统（MS）和操作支持子系统(OSS)四部分组成。如图9－24所示。基站子系统(BSS)在移动台(MS)和移动网子系统(NSS)之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理；NSS是整个GSM系统的控制和交换中心，它负责所有与移动用户有关的呼叫接续处理、移动性管理、用户设备及保密管理等功能，并提供GSM系统与其它网络之间的连接；MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分，操作支持子系统(OSS)为网络运营商提供一种手段用来控制和维护这些实际运行部分。9.3GSM数字蜂窝移动通信系统9.3.1GSM系统结构9.3.2GSM网络接口9.3.3GSM系统的无线接口GSM系统的无线接口就是移动台与基站子系统(BSS)之间的接口，即接口，下面讨论无线接口的几个主要内容，包括频率配置、多址方式、业务类型、信道分类、帧结构等。GSM900、EGSM、DCSl800频段GSM无线接口的TDMA／FDMA混合多址方式9.3.4GSM系统的GSM移动台1.数字光纤通信系统它由光发送设备、光纤和光接收设备构成。光中继器功能是补偿光能量的损耗，恢复信号脉冲的形状。2.数字程控电话交换机由话路系统和控制系统两大部分组成。按信令的作用区域划分，可分为用户线信令与局间信令，前者在用户线上传送，后者在局间中继线上传送。3.GSM数字蜂窝移动通信系统主要由移动网络子系统、基站子系统、移动台子系统和操作支持子系统组成。4.GSM蜂窝移动系统采用时分多址、频分多址和频分双工制式。5.SIM卡的功能：用户个人身份号，移动用户识别鉴权，用户数据的加密。小结思考与练习1.什么是模拟通信?什么是数字通信?数字通信有哪些优缺点?2.模拟通信和数字通信系统模型中各主要组成部分功能是什么?3.数字光通信系统如何组成？4.光发送机电路组成？各部分电路的作用是什么？5.光接收机电路组成？各部分电路的作用是什么？6.光电中继器电路组成？各部分电路的作用是什么？7.数字程控电话交换机由哪几部分电路组成？8.信令有何作用？用户线有哪些信令？9.GSM系统结构有哪些部分组成？10.分析移动网子系统(NSS)的组成和各部分的功能？11.GSM系统使用哪些频段？12.GSM蜂窝移动系统采用哪些多址方式？13.分析SIM卡的组成和功能。14.简述移动台的发送接收过程。