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通信原理与通信技术 主讲 李敏email babyminlee principles technologyofcommunications 计算机专业的学生为何要学习通信原理 1 计算机网络的发展 使通信与计算机广泛地融合 单一的计算机应用系统早已不能满足社会的需要 2 通信原理是学习和掌握任何一个通信系统的基础和核心 所选教材 通信原理与通信技术 西安电子科技大学出版社 是专为计算机专业学习通信技术的最新最全面的教材 包括三个部分 1 通信原理2 数据通信3 现代通讯技术 第一篇通信原理讨论的主要问题 1 信号的概念 2 信号如何从信源传输到信宿 3 如何提高信号的抗干扰能力 质量 4 如何在一定的频带内传输更多的信息 效率 第二篇数据通信讨论的主要问题 数据通信 如何更可靠地传输数据 通信网与计算机网络 数据通信设备 数据交换技术 各种通信系统中所涉及的技术 接入网技术无线个人区域网技术ip电话技术光纤通信技术卫星通信技术移动通信技术微波中继通信技术智能运输系统中的通信技术 第三篇现代通信技术讨论的主要问题 本课程只讲述第一篇通信原理 第1章通信与通信系统的基本概念 12学时 第2章模拟调制 8学时 第3章脉冲编码调制 pcm 4学时 第4章增量调制 2学时 第5章数字复接与sdh 3学时 第6章数字信号的基带传输 5学时 第7章数字信号的频带传输 4学时 第8章差错控制编码 6学时 如何学好通信原理 通信原理是步入通信领域的一门重要课程 计算机专业的学生缺乏通信原理的预备知识 信号与系统 信号分析 等 本课程涉及的内容较多 较广 所学内容一环扣一环 需要大家多点耐心 不懂就问 不要积压问题 考试 闭卷考试平时成绩占20分 课堂 作业 主要内容 通信的基本概念与基本方式通信系统及其一般模型信道与传输介质信号与噪声信号频谱的概念信息量与香农公式多路复用的基本概念常用的通信手段通信系统的性能指标 第1章通信与通信系统的基本概念 一 通信的概念 例1 打电话 发短信 发email等等 1 定义 所谓通信就是信息的传递 是指将信息从源传到目的 所以本课程的研究内容 如何把信息大量地 快速地 准确地 广泛的 方便的 经济的 安全的从信源通过传输介质传送到信宿 2 分类 广义通信 通过各种方式进行的通信 狭义通信 特指利用电信号和光信号作为通信信号的电通信和光通信 二 通信系统 1 定义 进行通信的设备硬件 软件和传输介质的集合 2 组成 硬件上由信源 信宿 传输介质和收信 发信五部分组成 3 通信系统的一般模型 4 模型中各组成部分的作用 信源 把待传输的消息转换成原始电信号 发送设备 对基带信号进行某种变换或处理 使之适应信道的传输特性要求 信道 信号的传输介质 接收设备 作用正好相反于发送设备 它从收到的信号中恢复出相应的原始基带信号 信宿 将复原的原始基带信号转换成相应的消息 三 通信系统的分类 1 按信号特征分 模拟通信系统和数字通信系统 区别 多了信源编码和信源解码 信源编码 进行模 数转换 信源解码 信源编码的逆过程 区别 多了信道编码和信道解码 信道编码 将信源编码输出的数字信号变成适合于信道传输的码型 其目的是提高通信系统的抗干扰能力 尽量控制差错 保证通信质量 信道解码 信道编码的反变换 实际上 只需查看信道中传输的是什么信号 模拟通信系统中传输的是模拟信号 数字通信系统中传输的是数字信号 说明 数字通信系统是在模拟通信系统的基础上发展起来的 目的是为了提高模拟通信的质量 抗干扰能力强 无噪声积累 便于进行信号加工和处理 传输中出现的误码可以设法控制 易于加密 且保密性强 能够传输语音 数据 视频图像等多种信息 相比于模拟通信系统 数字通信系统具有以下优点 模拟信号与数字信号的比较 1 定义 模拟信号 参量的取值是连续变化的信号数字信号 参量的取值是离散的信号例 为什么数字通信系统会有这些优点呢 2 通信系统按传输介质分类 有线通信系统 用导线 电缆 光缆 波导等 作为介质的通信系统 无线通信系统 利用无线电波 红外线 超声波 激光进行通信的系统 说明 数字通信优点是以 信号占频带宽 频带利用率低 为代价的 3 通信系统按是否调制分类 基带通信系统 传输的是基带信号 没有经过任何调制的信号 调制通信系统 传输的是已调信号 4 通信系统按通信业务分类 电话通信系统 电报通信系统 广播通信系统 电视通信系统 数据通信系统等 5 通信系统按工作波段分类 长波通信系统 中波通信系统 短波通信系统 微波通信系统 光通信系统 1 3通信方式 1 定义 通信双方之间的工作形式和信号传输方式 2 分类 按通信对象数量的不同 按信号传输方向与传输时间的不同 按通信终端之间的连接方式的不同 按数字信号传输顺序的不同 按同步方式的不同 1 4信道和传输介质 一 信道1 概念 信号传输的途径 从狭义上理解 传输介质 从广义上理解 信号经过的途径 所以还包括对信号进行处理的各种通信设备 2 分类 把广义信道分为调制信道和编码信道 调制信道 模拟信道 从调制器输出到解调器输入之间的信号传输途径 模拟信道 传输模拟信号的信道 编码信道 数字信道 从编码器输出到解码器输入之间的信号传输途径 数字信道 传输数字信号的信道 调制信道包含在编码信道之中 二 传输介质 分为两种 1 有线介质 各种线缆和光缆 双绞线 twistedpair 同轴电缆 coaxialcable 光纤 opticalfiber 双绞线 twistedpair 分为两种 屏蔽双绞线 stp shieldtwistedpair 非屏蔽双绞线 utp unshieldtwistedpair 双绞线 twistedpair 非屏蔽双绞线 utp unshieldtwistedpair 1995年 商用建筑物电信布线标准 eia tia 586 a公布的5种utp标准 一类utp 即普通电话线 适于语言传输 二类utp 适于语音与数据传输 4mb s 三类utp 10mb s 用于局域网 四类utp 16mb s 用于令牌环网 五类utp 100mb s 超五类utp 155mb s 用于光纤分布数据接口fddi 快速以太网 atm 五类比三类utp 绞合得更紧密 设计得更精密 抗干扰能力增强 传输特性大大提高 屏蔽双绞线 stp shieldtwistedpair 同轴电缆 coaxialcable 1 同轴电缆的结构同轴电缆由 内导线铜质芯线 单股或多股绞合 内部绝缘层 网状编织的外导体屏蔽层 和保护塑料外层组成 3 同轴电缆的分类 50欧姆基带同轴电缆 带宽20mb s 能以10mb s的速率将基带数字信号传输1 1 2km 基带数字信号 数字信号不经调制 直接以信号位流的形式进行的传输 75欧姆宽带同轴电缆 带宽300 450mb s 可将宽带数字信号传输100km 宽带数字信号 利用多路复用技术将多路信号同时进行的传输 2 同轴电缆的特点 高带宽 抗干扰能力强 光纤 opticalfiber 1 光导纤维的结构纤维芯 包层 封套 将光波保持在芯线内 绝缘层 外套 防潮 防止磨损和挤压 光纤结构示意图 两种光纤传输示意图 2 光纤的分类 多模光纤 一条光纤中可以有多条不同角度入射的光线同时传播 单模光纤 光在光纤中的传播没有反射 沿直线传播 光纤直径降至一个光波波长 3 多模光纤与单模光纤的比较 4 光纤的优缺点 光纤的优点 高带宽 108mhz量级 长距离 高保密性 不受电磁干扰 轻 细 对湿气等环境有很强的适应力 光纤的缺点 费用 安装 维护比较困难 脆弱 一 信号1 定义 信号是信息的载体 通常以某种客观的物理量 客观现象或语言文字等形式表现出来 信号必须具有可观测性 可变化性 可实现性 1 5信号与噪声 2 分类 从七个方面进行 按信号的特征分为 模拟信号和数字信号 a 模拟信号 分为简单信号和复杂信号 简单模拟信号是正弦波 它不能再被分解为更简单的模拟信号 正弦波的三个要素 振幅 周期 或频率 和相位 振幅 波上任一点的值 反映了信号的高度 最大振幅 周期 信号完成一次波形循环所要经历的时间 频率 周期的倒数 即波形相对时间的变化率 高频率 低频率 相位 波形相对时间零点的位置 例 正弦波相对时间轴零点偏移1 6周期 相位 最大振幅 模拟信号 时间上连续 取值也连续的信号 取值离散 数字信号 离散信号 时间上离散 取值连续 抽样信号 取值离散 数字信号 数字信号 时间上离散 取值也离散的信号 幻灯片35准确定义 自变量取离散值 参量取有限个经过量化的离散值的信号 真正使用的数字信号 只有 0 和 1 两个取值的脉冲序列 幻灯片36 幻灯片34 数字信号的两要素 比特间隔 发送一比特所需要的时间 比特率 比特间隔的倒数 指每秒发送的比特数 常以bps 比特 秒 为单位 提醒 比特间隔和周期是两个不同的概念 比特率和频率也是两个不同的概念 按信号的变化特点分为 周期信号和非周期信号 已经证明 可以利用 傅立叶变化 将非周期信号分解为无数个周期信号的叠加 一 频谱的概念 1 信号的描述方式 时域图和频域图a 时域图 也称波形图 自变量是时间 描述信号参量与时间的关系 f t 称为时间函数 b 频域图 也称频谱图 自变量是频率 描述信号参量与频率的关系 f f 或f w 称为频谱函数 以最大振幅 频率图为例 1 6信号频谱与信道通频带 1 傅里叶级数高数中学过 任意一个周期信号f t f t nt0 如果满足狄里赫利条件 则f t 可表示为三角函数的线性组合 二 周期信号的频谱 其中是常数 表示直流分量 其频率为0 n 1时 a1cosw0t b1sinw0t称为基波 或一次谐波 它是以基本角频率w0为频率的正弦波 n 2时 a2cos2w0t b2sin2w0t称为二次谐波 它是以基波角频率的2倍 2w0为频率的正弦波 以此类推 ancosnw0t bnsinnw0t称为n次谐波 结论 一个周期信号可近似用一直流分量和以其频率为基频的各次谐波的线性叠加表示 对称方波的谐波逼近示意图 傅里叶级数进一步可表示为 最大振幅 频率图表示 引入欧拉公式 例1 求典型周期矩形脉冲信号的频谱函数 解 sa x 与周期矩形脉冲信号频谱示意图 结果 从例1得出 周期信号频谱的特点 离散 谐波 收敛谱线只出现在基波频率的整数倍处 离散谱 谱线的大小随谐波次数的增加而逐渐减小 逐渐收敛 谐波振幅随频率的衰减速度与时域波形有关 三 非周期信号的频谱 非周期信号f t 可以看作是一个周期t0 的周期信号 即 这个连续的函数f w 为f t 单位频率上的频谱函数 即频谱密度函数 简称频谱函数 1 2 共同被称为傅立叶变换对 f w 正变换f t 逆变换 非周期信号的频谱 傅立叶变换 四 非周期信号的带宽b 根据频谱宽度 非周期信号分为 1 频带有限信号低通信号带通信号2 频带无限信号 五 总结信号频谱的特点 1 频谱关于0点偶对称 由欧拉公式引入了不存在的负频率 应理解为 将负频率对折叠加到正频率频谱上 2 周期信号具有离散谱 3 非周期信号具有连续谱 六 信道通频带 带宽 信道对信号的影响 对不同频率信号的幅度衰减 对不同频率信号的延迟 用幅频特性和相频特性来表示 信道的频响特性 1 幅频特性 输出信号的幅值随频率变化的关系 2 相频特性 输出信号的相位随频率变化的关系 定义 以输出信号幅度的最大值umax为标准 定义在输出幅值u下降到最大值umax的70 时所对应的两个频率之间的频段为该信道的通频带 也称带宽 用b表示 将幅频特性画图 频响曲线 大多数信道的频响曲线 带通型 频率小的 下截止频率频率大的 上截止频率20lg u umax 20lg 0 7 3 db 故称截止频率为3分贝频率 也称半功率点 通频带实例示意图 分贝 常用来表示信噪比s n 电压增益等 20lg 电压 改称 电平 20lg 电压 比 单位 分贝db 10lg 功率 比 单位 分贝db 补充 特殊信号及其频谱 t 1g t cos 0t sin 0t 1 t 单位冲击函数 冲击函数是对集中于一个瞬间 或一点 所出现的物理量的一种理想描述 面积为1表示冲击的强度 强度值标在箭头旁边的括号内 由对另一个函数 常称测试函数 的作用效果来定义 普通函数 用它 是 什么来定义 冲击函数 而用它 做 什么来定义 3 性质 抽样性 问1 求 t 的傅里叶变换 问2 求 w 的傅里叶变换 总结 时域 冲击 频域 常数 时域 常数 频域 冲击 傅里叶变换的对称性 对称性的例子1 3 rect t 的傅里叶变换 2 1的傅里叶变换 1 定义下列运算为函数的卷积运算 求 f t t t0 2 求rect t 的傅里叶变换 并画出其频谱图 作业 傅里叶变换的叠加性 傅里叶变换的比例 压扩特性 时域压缩 扩展 等于频域扩展 压缩 傅里叶变换的时移特性 若a 0 则取绝对值 带有比例变换的时移特性 傅里叶变换的频移特性 4 cos 0t的傅里叶变换 f t cos 0t的傅里叶变换 5 sin 0t的傅里叶变换 课堂例题 1 求信号f t cos t coswct的频谱函数 wc 8 并画频谱图 解 3 已知f t 的频谱函数如图所示 作业 画出f t cosw0t的频谱函数图 设w0 5wx 时域卷积定理 频域卷积定理 信道的频响特性 当信道输入端输入单位冲激信号 t 时的输出称为该信道的单位冲激响应h t 信道的频率特性h 实际是单位冲激响应h t 的频谱密度函数 1 7信息的度量与香农公式 一 信息量 定义 信息量与消息发生的概率有关 设消息xi出现的概率为p xi 则xi所含的信息量为 i xi log2 1 p xi 比特bit i xi loge 1 p xi 奈特nit i xi lg 1 p xi 哈特莱hatlit 必然事件的概率为1 即信息量为0 二 平均信息量 由n个符号组成的离散信息源 每一个符号xi在消息中出现的概率为 则整个消息的信息量为 定义 离散消息的平均信息量指每个符号所含信息量的统计平均值 又称信息源的熵 例 p28 同理连续消息 三 信息速率与码元速率 信息传输速率 信息速率 传信率 单位时间传输的信息量 单位为bit s kb s mb s gb s或bps kbps mbps gbps 1kb 1000b 1mb 1000kb 1gb 1000mb1kb 1024b 1mb 1024kb 1gb 1024mb码元传输速率 码元速率 传码率 单位时间传输的码元个数 单位为波特 baud 对二进制码元 1码元的信息量为1bit 传信率 传码率对m进制码元 1码元的信息量为log2m bit 传信率rb 传码率rb log2m 四 信道容量 定义 单位时间内信道上所能传输的最大信息量 即信道的最大信息传输速率 单位 bit s 模拟信道的信道容量数字信道的信道容量只讨论有扰模拟信道的信道容量 对于一个给定的有扰信道 若信息源的信息发出速率r 信道容量c 则理论上存在一种方法可使信息以任意小的差错概率通过该信道传输 反之 若r c 则该信道将无法正确传递该信息 五 香农定理 香农公式 公式说明 c与b s n相关 s n c 在保持c不变的情况下 b 时可s n s n 时可允许b c b 但b 时 c并不 例 若一帧电视图像的信息量为99600bit 电视的帧频为30hz 为使接收端收到良好的图像 要求信道的信噪比s n 1000 10lgs n 30db 求信道的带宽b 解 六 信道带宽与信道容量的关系 1 傅里叶分析 1 傅里叶级数 任何周期信号都可展开为无穷个谐波分量的和 2 任何信道都有一定的带宽 所以谐波信号只有一部分能通过信道 3 信道带宽越大 通过的谐波数n就越多 信号失真就越小 4 当b一定时 若想让更多的谐波分量通过信道 则需要使基频f0 即当基频f0 时 通过信道的谐波分量 失真 2 从奈奎斯特 nyquist 定理分析 奈奎斯特 nyquist 定理 无噪声信道的最大传输速率为c 2blog2m b s 式中 m是信号有效状态的个数 m c b c 3 从香农公式分析 信道容量与信道带宽和信噪比相关 与信号有效状态数无关 虽然以上三个分析角度完全不同 却说明一个问题 在一般情况下 b c 1 8多路复用的基本概念 一 物理信道与逻辑信道 物理信道 指信号通过的通信设备和传输介质 逻