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通信原理

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CP 第一章绪论Baisen Liu通信原理
第一章绪论刘柏森
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
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.
1.1 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
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.
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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.
1.2.1 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.
1.2.1 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.
1.2.1 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.
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.
1.2.1 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.
1.2.1 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.
1.2.2 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).
1.2.2 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,模拟信号波形(a) 连续信号; (b) 抽样信号
1.2.2模拟通信模型和数字通信模型数字信号波形0 (a) 二进制波形; (b) 02PSK0波形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.
1. 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.
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.
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.
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.
2. 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.
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,1) 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.2) 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.3) 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.
4) 数字调制与解调0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.5) 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.
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.
3. 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.
1.3 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.表1- 1常见的调制方式数字调制数据传输相位键控幅度键控ASK中间调制方式相位调制PM微波中继,卫星通信,广播频率调制FM非线性调制电视广播、数传, 传真残留边带调幅VSB载波通信,无线电台,数传单边带调幅SSB立体声广播抑制载波双边带调幅广播常规双边带调制线性调制连续波调制用途调制方式中低速数字电话其他语言编码方式ADPCM, APC, LPC脉冲数字调制脉冲模拟调制电视电话、图像编码差分脉码调制DPCM军用, 民用电话增量调制DM市话、卫星, 空间通信脉码调制PCM遥测, 光纤传输脉位调制PPM脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式, 遥测脉幅调制PAM数字微波, 空间通信其他高效数字调制QAM, MSK等数据传输, 数字微波, 空间通信相位键控PSK, DPSK, QPSK等续表(2)表1 02 通信波段与常用传输媒质0电视, 调频广播、空中管制, 车辆, 通信, 导航同轴电缆米波无线电甚高频0VHF移动无线电话、短波广播定点军用通信, 业余无线电同轴电缆短波无线电高频HF调幅广播、移动陆地通信,业余无线电中频MF导航, 信标, 电力线通信有线线对长波无线电低频LF音频,电话、数据终端长距离导航,时标甚低频VLF传输媒质符号波长频率范围光通信光纤0激光空间传播紫外可见光0红外雷达, 微波接力、射电天文学波导0毫米波无线电极高频0EHF微波接力、卫星和空间通信, 雷达波导0厘米波无线电超高频0SHF波导0分米波无线电特高频0UHF
1.3.2通信方式前述通信系统是单向通信系统但在多数场合下,信源兼为信宿,需要双向通信,电话就是一个最好的例子这时通信双方都要有发送和接收设备,并需要各自的传输媒质,如果通信双方共用一个信道,就必须用频率或时间分割的方法来共享信道.因此,通信过程中涉及通信方式与信道共享问题.
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.
单工通信, 是指消息只能单方向传输的工作方式, 因此只占用一个信道.
广播、遥测,遥控,无线寻呼等.半双工通信,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.
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.
全双工通信, 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式.一般情况全双工通信的信道必须是双向信道.
普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式, 计算机之间的高速数据通信也是这种方式.
单工, 半双工和全双工通信方式示意图0(a) 单工; (b) 半双工; (c) 全双工按数字信号排列顺序分在数字通信中、按数字信号代码排列的顺序可分为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.
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.通常、一般的远距离数字通信都采用这种传输方式.此外,还可以按通信的网络形式划分.由于通信网的基础是点与点之间的通信,所以本课程的重点放在点与点之间的通信上.
并行和串行通信方式示意图0(a) 并行传输; (b) 串行传输信号是消息的载体,而信息是其内涵.任何信源产生的输出都是随机的,也就是说,信源输出是用统计方法来定性的.
对接收者来说,只有消息中不确定的内容才构成信息.因此,信息含量就是对消息中这种不确定性的度量.
根据概率论知识,事件的不确定性可用事件出现的概率来描述.消息出现的概率越小,消息中包含的信息量就越大.假设P(x)是一个消息发生的概率,I是从该消息获悉的信息.
(1) 信息量是概率的函数, 即I = f[P(x)]
(2) P(x)越小, I越大; 反之, I越小, 且P(x)→1时, I→0; P(x)→0时, I→∞3) 若干个互相独立事件构成的消息, 所含信息量等于各独立事件信息量之和、也就是说,信息具有相加性, 即信息量的单位与对数底数a有关.a=2时, 信息量的单位为比特(bit);a=e时, 信息量的单位为奈特(nit);a=10时,信息量的单位为哈特莱.目前广泛使用的单位为比特.
1.4 信息及其度量等概0 例101 设二进制离散信源, 以相等的概率发送数字0或1,则信源每个输出的信息含量为P=14的信息量为2比特P=18的信息量为3比特P=1M的信息量为log2 M(bit)若M是2的整幂次,则
1.4 信息及其度量非等概设离散信源是一个由n个符号组成的符号集, 其中每个符号xi(i=n)出现的概率为P(xi),xi所包含的信息量平均信息量为由于H同热力学中的熵形式一样, 故通常又称它为信息源的熵,其单位为bit符号.
1.5 主要性能指标有效性和可靠性.有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少,或者说是传输的速度问题;
而可靠性是指接收信息的准确程度,也就是传输的质量问题.这两个问题相互矛盾而又相对统一、通常还可以进行互换.模拟通信系统主要性能指标有效性可用有效传输频带来度量,同样的消息用不同的调制方式,则需要不同的频带宽度.
可靠性用接收端最终输出信噪比来度量.不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的.
如调频信号抗干扰能力比调幅好,但调频信号所需传输频带却宽于调幅.
数字通信系统主要性能指标有效性可用传输速率来衡量.可靠性可用差错率来衡量.
1. 传输速率码元传输速率RB简称传码率,又称符号速率等.它表示单位时间内传输码元的数目,单位是波特(Baud),记为B.
例如,若1秒内传2400个码元、则传码率为2400B. 0数字信号有多进制和二进制之分,但码元速率与进制数无关,只与传输的码元长度T有关:
由于M进制的一个码元可以用log2 M个二进制码元去表示、因而在保证信息速率不变的情况下,M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系:信息传输速率Rb简称传信率,又称比特率等.它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数,单位是比特秒,可记为bits ,或bs ,或bps.每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量,因此码元速率和信息速率有确定的关系,即式中、H为信源中每个符号所含的平均信息量(熵). 等概传输时,熵有最大值,信息速率也达到最大,即
0 二进制的码元速率和信息速率在数量上相等、有时简称它们为数码率.
频带利用率
2. 差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率, 常用误码率和误信率表示. 0误码率(码元差错率)Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例,更确切地说,误码率是码元在传输系统中被传错的概率,即误信率(信息差错率)Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例, 即在二进制中有Pb=Pe
1.6 通信发展趋势在过去三四十年间,对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展,促进了数字通信的发展.
目前数字通信在下列领域有了新的进展.卫星通信光纤通信移动通信微波通信
1. 卫星通信系统卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站,它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站, 从而实现两个或多个地域之间的通信.
根据通信卫星与地面之间的位置关系,可以分为静止通信卫星(或同步通信卫星)和移动通信卫星.静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星,它离地面高度为35 780 km,采用三个相差120°的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外).
预计到2010年前、星间激光通信的传输速率将达到40Gbs,地面终端设备将日益小型化,
2. 光纤通信系统光纤通信是以光导纤维(简称光纤)作为传输媒质,以光波为运载工具(载波)的通信方式.光纤通信具有容量大, 频带宽,传输损耗小,抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点、且成本低,与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源.
目前、单波长光通信系统速率已达10 Gbs,其潜力已不大,采用密集波分复用(DWDM)技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术.
光传送网是通信网未来的发展方向,它可以处理高速率的光信号,摆脱电子瓶颈,实现灵活,动态的光层联网,透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复. 因此,世界上许多国家纷纷进行研究,试验、验证由波分复用,光交叉连接设备及色散位移光纤组成的高容量通信网今后的可行性.
3. 数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区、移动用户可以从一个小区运动到另一个小区、依靠终端对基站的跟踪,使通信不中断.移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市,甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话.
数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成:控制交换中心、若干基地台,诸多移动终端.通过控制交换中心进入公用有线电话网,从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信. 0目前广泛应用的是第二代移动通信系统,采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术,已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统,美国的IS-95系统,日本的PDC系统.我国主要采用欧洲的GSM系统.
4. 第三代移动通信系统为此,从20世纪90年代中期开始,各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究,它包括地面系统和卫星系统,移动终端既可以连接到地面的网络,也可以连接到卫星的网络.
第三代移动通信系统工作在2000MHz频段,为此国际电信联盟正式将其命名为的目标和要求是:统一频段,统一标准, 达到全球无缝隙覆盖,提供多媒体业务,传输速率最高应达到2 Mbs, 其中车载为144kbs,步行为384kbs,室内为2 Mbs;频谱利用率高,服务质量高,保密性能好;易于向第二代系统过渡和演进; 终端价格低.
目前第三代移动通信系统有多个标准, 我国所提出的TD-SCDMA标准也是其中之一.这充分体现了我国在移动通信领域的研究已达到国际领先水平. 0人类对新技术的追求是无止境的,对新的通信系统和通信技术的研究仍在不断进行、新的通信系统和通信技术也将会不断服务于人类.
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