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1、通信技术原理通信技术原理u 课程简介课程简介课程名称：通信技术原理课程名称：通信技术原理讲课教师：付松涛讲课教师：付松涛课内总学时：课内总学时：4848u 课程目的课程目的以以数数字字通通信信为为背背景景，介介绍绍现现代代通通信信及及系系统统的的原原理理和和技技术术，为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识。课程概况课程概况参考书目u曹志刚、钱亚生编写的现代通信原理u樊昌信等编写的通信原理u李宗豪编写的基本通信原理u王秉钧等编写的现代通信系统原理课程内容一、绪论二、香农定理三、模拟调制技术四、模拟信号数字化技术五、数字基带传输技术六、数字频带传输
2、技术七、复用技术与同步原理八、差错控制技术第1章 绪论1.1 通信的基本知识1.2 通信系统的组成及分类1.3 通信系统的性能度量1.4 通信技术的发展概况1.1 通信的基本知识u通信：克服距离上的障碍，交换和传递信息u消息：用于被传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等u信号：指消息的电量形式，与消息是一一对应的u信息：指消息中的有效内容，可以用量化的形式来表示，它与消息出现的概率密切相关 信号波形的中心频率及其带宽。信号波形的中心频率及其带宽。信号波形的功率和能量。信号波形的功率和能量。信号波形的抗干扰能力如何？信号波形的抗干扰能力如何？在发送端：产生该波形的代价如何？在发送端：产生该波形
3、的代价如何？在接收端：检测该波形的代价又如何？在接收端：检测该波形的代价又如何？q信号波形设计取决于如下几个因素：信号波形设计取决于如下几个因素：1.2 通信系统的组成及分类通信系统的一般模型模拟通信系统模型模拟广播通信系统模拟广播通信系统数字基带通信模型数字信源数字信源:产生的消息的状态（取值）数是有限的产生的消息的状态（取值）数是有限的 如：计算机的输出如：计算机的输出模拟信源模拟信源:产生的消息的状态产生的消息的状态（取值）（取值）是连续变化的、数目无限的。是连续变化的、数目无限的。一、数字与模拟信源如：键盘。如：键盘。如：语音源。如：语音源。2.数字与模拟信源1.信息、消息与信号Dig
4、ital and analog information source 如：汉字集。如：汉字集。消息符号消息符号（message symbol）：数字消息的每一种状态或者数字消息的每一种状态或者取值称为一种消息符号取值称为一种消息符号 消息符号集消息符号集：数字消息源的所有状态或者取值的集合：数字消息源的所有状态或者取值的集合 如：具有如：具有N种取值的数字信源种取值的数字信源数字数字消息消息源源:消息符号消息符号、消息符号集消息符号集、数字消息序列数字消息序列（数字信号）（数字信号）数字消息序列数字消息序列：其中其中 xm 取取 中中 N个值之一。个值之一。图图1.3.1 数字消息信号示例数字
5、消息信号示例3.数字与模拟信源的基本指标 符号速率：符号速率：M元数字信源：元数字信源：指数字信源具有指数字信源具有M种符号种符号最基本的是最基本的是二元数字信源：二元数字信源：具有具有2种符号，可以用种符号，可以用1位二进制编码表示，称为位二进制编码表示，称为1bit.多元数字信源：多元数字信源：如如M元，可以用元，可以用n位二进制编码表示位二进制编码表示p 数字信源的基本指标:消息符号消息符号数字信源的元数：数字信源的元数：一般，一般，例：假设计算机的终端键盘上有例：假设计算机的终端键盘上有 110 字符字符，每个字符用，每个字符用二进制代码组来表示。二进制代码组来表示。问每个字符需要用几
6、位二进制代问每个字符需要用几位二进制代码码?解解:故需要故需要 7bits代码来表示每个字符代码来表示每个字符.习题习题：考虑手机短消息通信，以你自己或其他考虑手机短消息通信，以你自己或其他某人的经验，试估计（某人的经验，试估计（1 1）按键速率；（）按键速率；（2 2）假定）假定每个中文字符转换为每个中文字符转换为2 2字节表示，短消息的二元字节表示，短消息的二元符号速率是多少？符号速率是多少？解：解：（1 1）经过多次试验，按键速率为）经过多次试验，按键速率为2.03 key/s 2.03 key/s（2 2）短消息的二元符号速率为）短消息的二元符号速率为 p 模拟信源的基本指标:频带的宽
7、度（赫赫或赫兹赫兹，Hz）如：语音的音量如：语音的音量 电信号电信号电信号电信号二、数字波形与模拟波形（传输波形）p 对于数字信源对于数字信源可以用二元（二进制）波形（信号）传输，也可以用多元（多进制）波形可以用二元（二进制）波形（信号）传输，也可以用多元（多进制）波形（信号）传输。（信号）传输。数字波形：信号的传信息的参量只取有限个值。信号的传信息的参量只取有限个值。二进制二进制（binary）信号信号:1 bit二进制代码用一个脉冲传，故二进制代码用一个脉冲传，故 在一个在一个 Ts 时隙内传两种不同的脉冲之一时隙内传两种不同的脉冲之一.Ts：Time slot例例1：二进制波形（二电平波
8、形）：二进制波形（二电平波形）电平电平A和和0抽象为符号抽象为符号 和和 ，两个符号称为二，两个符号称为二元（二进制）符号。元（二进制）符号。符号周期或码元宽度符号周期或码元宽度数字数字基带信号基带信号信道符号信道符号频谱在零频附近频谱在零频附近多进制多进制(M-ary)信号信号:n bit二进制代码用一个脉冲传，二进制代码用一个脉冲传，在一个在一个 Ts 时隙内传时隙内传M种不同的脉冲之一种不同的脉冲之一.一般，一般，例例2：4进制波形进制波形 4个电平抽象为符号个电平抽象为符号 ，4个符号称个符号称为为4元（元（4进制）符号。进制）符号。数字基带信号数字基带信号符号周期或码元宽度符号周期或
9、码元宽度信道符号信道符号传输速率：传输速率：比特率比特率:Rb 每秒传输的每秒传输的bit数数 单位单位:bits/s b/s bps符号速率（波特率）符号速率（波特率）:Rs 每秒传输的脉冲数每秒传输的脉冲数（符号数）（符号数）单位单位:symbol/s Baud BRb 和和 Rs的关系的关系:信道符号信道符号p 对于模拟信源对于模拟信源模拟波形：信号的传信息的参量的取值是连续变化的信号的传信息的参量的取值是连续变化的模拟波形在模拟通信系统中模拟波形在模拟通信系统中传输。模拟波形经过传输。模拟波形经过A/DA/D变换变换变成数字波形，也可以在数变成数字波形，也可以在数字通信系统中传输。字通
10、信系统中传输。数字通信系统模型GSM通信系统计算机通过网线连接p 信源编码和信源译码信源编码和信源译码 信源编码信源编码:为了改善传输效率（压缩编码）为了改善传输效率（压缩编码）信源译码信源译码:为了恢复原始信号，作相反的变换为了恢复原始信号，作相反的变换p 信道编码和信道译码信道编码和信道译码 信道编码信道编码:为了改善传输的可靠性（信道纠错编码）为了改善传输的可靠性（信道纠错编码）信道译码信道译码:为了恢复原始信号为了恢复原始信号，作相反的变换，作相反的变换调制的目的u提高信号频率以便天线辐射u改变信号占用带宽u实现信道复用u改善系统性能收发两端结构基本对称，相应的单元彼此互逆。收发两端结
11、构基本对称，相应的单元彼此互逆。发发格式化：格式化：把来自信源的消息信号整理为二进制序列。把来自信源的消息信号整理为二进制序列。收收格式化：格式化：把收到的二进制序列还原为原始消息信号。把收到的二进制序列还原为原始消息信号。p 格式化：格式化：对于模拟信源，格式化还包括对于模拟信源，格式化还包括A/DA/D和和D/AD/A变换。变换。p 脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制脉冲基带调制:把二进制序列变换成二元或多元传输波形把二进制序列变换成二元或多元传输波形基带检测基带检测:把二元或多元传输波形还原为二进制序列。通过把二元或多元传输波形还原为二进制序列。通过对基带波形进行抽
12、样和判决实现。对基带波形进行抽样和判决实现。p 同步单元同步单元为整个数字传输系统提供各种定时时钟，使各个单元能够为整个数字传输系统提供各种定时时钟，使各个单元能够正确、有序地工作。正确、有序地工作。数字通信系统的主要优缺点优点：优点：更好的更好的抗失真抗失真和和干扰干扰的能力的能力容易实现，成本低，更具灵活性容易实现，成本低，更具灵活性差错控制差错控制编码编码容易实现容易实现保密通信保密通信更适合更适合数字业务数字业务，容易实现多网合一，容易实现多网合一缺点：缺点：n数字信号具有数字信号具有更宽的频带更宽的频带n同步同步设备复杂设备复杂通信系统的分类u按照通信的业务和用途常规通信常规通信控制
13、通信控制通信u按照调制方式基带通信基带通信调制通信调制通信u按照传输信号特征模拟通信模拟通信数字通信数字通信u按照传输信号的复用方式频分复用频分复用时分复用时分复用码分复用码分复用tf0f1f2f3f4fntf0t1t2t3t4tnC0fC1C2C3C4Cnu按照通信方式单工通信单工通信半双工通信半双工通信全双工通信全双工通信u按照传输媒介有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆、光有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆、光线）线）无线通信（微波中继通信、卫星通信、移动无线通信（微波中继通信、卫星通信、移动通信）通信）u按照工作波长长波通信长波通信中波通信中波通信短波通信短波通信微波通信微波通信同轴电缆
14、截面示意图有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.327300明线1+3+120.3150120对称电缆241210835对称电缆60122521218小同轴电缆300601 3008小同轴电缆960604 1004中同轴电缆1 8003009 0006中同轴电缆2 70030012 0004.5中同轴电缆10 80030060 0001.5n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7l通通信信频频率率分分布布对流层对流层地球地球010 km电离层电离层60300 km平流层
15、平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播地 波n频率：频率：2MHz 以下以下n绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时n通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 km地球地球nD层：高层：高60 80 kmnE层：高层：高100 120 kmnF层：高层：高150 400 kmnF1层：层：140 200 kmnF2层：层：250 400 kmn晚上：晚上：D层、层、F1层消失层消失E层、F2层减弱 电离层的结构D DE EF FF F2 2F F1 1地地地地 面面面面天 波n电离层高度：电离层高度：60 300 kmn单跳最大距离：单跳最大距离：4000 kmn
16、多跳可以环球多跳可以环球n频率：频率：2 30 MHzn频率：频率：30 MHzn传播距离传播距离:d2+r2=(h+r)2,或或h D2/50 (m)式中式中 D km视线传播hr地面ddD无线电中继无线电中继静止卫星中继通信频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减衰减衰减水蒸气氧气降雨率图1.4.5 大气衰减大气对电磁波传播的影响散射通信u电离层散射n频率频率:30 60 MHzu对流层散射n频率频率:100 4000 MHzu流星余迹散射n频率频率:30 100 MHz 对流层散射通信地球有效散射区域地球 流星余迹散射通信数字微波中继通信系统数字卫星通信系统蜂窝移动
17、通信系统移动交换中心电话交换中心平流层中继通信系统计算机通信网络移动业务交换中心市话局中继线中继线Modem1.3 通信系统的性能度量u模拟通信系统有效性：传输带宽有效性：传输带宽可靠性：接收端的信噪比可靠性：接收端的信噪比u数字通信系统有效性：传输速率（信息传输速率、码元传有效性：传输速率（信息传输速率、码元传输速率）输速率）可靠性：误码率、误比特率可靠性：误码率、误比特率数字通信的传输速率u码元传输速率(Rs):单位时间内传输码元的个数。单位为波特Baudu信息传输速率（Rb）：单位时间内传输的信息量。单位为比特每秒（bps)u关系：Rb Rs log2N例：已知某八进制数字传输系统，发送
18、端在3秒钟内共发送9600个码元。计算该系统的码元传输速率和信息传输速率。误码率与误比特率的定义u误码率u误比特率例：已知某四进制数字传输系统，其信息传输速率为2400bit/s，接收端在一小时内共接收到216个错误码元，计算该系统的误码率和误比特率。1.4 通信技术的发展概况uTelegraphuRadiouTelephoneuTelevisionuDigital CommunicationsuComputer NetworksuSatellite CommunicationsuOptical Communications58/56数字频带系统传输技术数字频带系统传输技术主要内容模拟通信调制解调技术模拟通信调制解调技术数字基带系统传输技术数字基带系统传输技术差错控制与加解密技术差错控制与加解密技术通信系统一般组成框图通信系统一般组成框图