通信原理与技术

2021/3/29CP第一章绪论1通信原理与技术第一章绪论刘柏森0电磁波通信技术发展概况1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立1864麦克斯韦尔电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话1876贝尔电话1956越洋电话铺设1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用1937脉冲编码调制Modulator1960彩电数字传输理论高速计算机1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通讯1940二战刺激雷达和微波系统发展1980SLSI长波光纤通信ISDN3G2021/3/29CP第一章绪论3第一章绪论•1.1引言•1.2通信系统模型•1.3通信系统的分类及通信方式•1.4信息及其度量•1.5通信系统的性能指标•1.6通信技术的发展概况2021/3/29CP第一章绪论4１.1引言•1、通信概念：信息的传递过程称为通信.•2、通信网概念：为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程,一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。2021/3/29CP第一章绪论5１.1引言（续）•3、通信网的构成1）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）等2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等4）协议和准则2021/3/29CP第一章绪论6１.1引言（续）•4、本课程的主要任务本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统的组成和性能指标。返回主目录2021/3/29CP第一章绪论71.2通信系统模型•1．2．1通信系统模型•实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端2021/3/29CP第一章绪论81.2.1通信系统模型-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。•电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。•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。2021/3/29CP第一章绪论91.2.1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，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。•变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。•对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。2021/3/29CP第一章绪论101.2.1通信系统模型-信道•信道是指传输信号的物理媒质。•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。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。2021/3/29CP第一章绪论111．2．1通信系统模型•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。2021/3/29CP第一章绪论121.2.1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基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。2021/3/29CP第一章绪论131.2.1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。2021/3/29CP第一章绪论141.2.2模拟通信模型和数字通信模型•连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。•离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。•消息的传递是通过它的物质载体——电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。2021/3/29CP第一章绪论151.2.2模拟通信模型和字通信模型•按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。•凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。–模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，•凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。–数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，2021/3/29CP第一章绪论161.2.2模拟通信模型和数字通信模型•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)O2021/3/29CP第一章绪论171.2.2模拟通信模型和数字通信模型•(a)二进制波形；(b)2PSK波形100110111001Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b)2021/3/29CP第一章绪论181.2.2模拟通信模型和数字通信模型•按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。2021/3/29CP第一章绪论191.模拟通信系统模型•信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz。•由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。•经过调制以后的信号称为已调信号。2021/3/29CP第一章绪论201.模拟通信系统模型•已调信号有三个基本特征：–携带有信息–适合在信道中传输–信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。2021/3/29CP第一章绪论211.模拟通信系统模型•两种变换–连续消息与基带信号的变换–基带信号与频带信号之间的变换•实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。–由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。2021/3/29CP第一章绪论221.模拟通信系统模型•模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源2021/3/29CP第一章绪论231.模拟通信系统模型•模拟通信的主要特点1）抗干扰能力差2）不易于保密通信3）设备不易于大规模集成4）不适应飞速发展的计算机通信的要求5）简单、易于实现。2021/3/29CP第一章绪论242．数字通信系统模型技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源2021/3/29CP第一章绪论252．数字通信系统模型•在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节，2021/3/29CP第一章绪论261)信源编码与译码•作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。–码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。•作用二:是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。•信源编码方法：PCM、ADPAM、DM等•信源译码是信源编码的逆过程。2021/3/29CP第一章绪论272）信道编码与译码•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”。•接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。•信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。2021/3/29CP第一章绪论283）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。2021/3/29CP第一章绪论294）•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。•对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。2021/3/29CP第一章绪论305）同步与数字复接•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。•按照同步的功用不同，可分为–载波同步、位同步、群同步和网同步•数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。2021/3/29CP第一章绪论312．数字通信系统模型•如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节2021/3/29CP第一章绪论322．数字通信系统模型•模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输–数字电话系统•数字信号也可以在模拟通信系统中传输–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。•模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。2021/3/29CP第一章绪论333.数字通信的主要特点•抗干扰能力强。•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，从而形成智能网。•易于集成化，从而使通信设备微型化。•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。返回主目录2021/3/29CP第一章绪论341.3通信系统分类与通信方式•按通信业务分，话务通信和非话务通信。–非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。•按调制方式分类:基带传输和频带（调制）传输。•按信号特征分类:模拟信号还是数字信号•按传输媒质分类:有线通信系统和无线通信系统•按工作波段分类•按信号复用方式分类:频分复用、时分复用和码分复用。2021/3/29CP第一章绪论35表1-1常见的调制方式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2021/3/29CP第一章绪论36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