现代通信原理(01概述).ppt

西南科技大学信息工程学院 通信原理李西南科技大学信息工程学院 课程描述 从古到今 人类的社会活动总离不开消息的传递和交换 古代的消息树 烽火台和驿马传令 以及现代社会的文字 书信 电报 电话 广播 电视 遥控 遥测等 这些都是消息传递的方式或信息交流的手段 人们可以用语言 文字 数据或图像等不同的形式来表达信息 但是这些语言 文字 数据或图像本身不是信息而是消息 信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容 因此 通信的根本目的在于传输含有信息的消息 否则 就失去了通信的意义 基于这种认识 通信 也就是 信息传输 或 消息传输 西南科技大学信息工程学院 课程描述 实现通信的方式很多 随着社会的需求 生产力的发展和科学技术的进步 目前的通信越来越依赖利用 电 来传递消息的电通信方式 由于电通信迅速 准确 可靠且不受时间 地点 距离的限制 因而近百年来得到了迅速的发展和广泛的应用 当今 在自然科学领域涉及 通信 这一术语时 一般均是指 电通信 广义来讲 光通信也属于电通信 因为光也是一种电磁波 本书中的通信均指电通信 西南科技大学信息工程学院 通信是一个广义的概念 涉及包括雷达 导航 遥控遥测等军用尖端技术和包括数字电话 广播电视 综合信息网 多媒体宽带网等现代民用技术 通信在过去分为模拟通信和数字通信两个方面来研究 目前 随着数字技术和计算机技术日新月异的发展 数字通信方式在许多领域已逐步取带模拟通信方式 成为通信的主流 也成为我们今天研究的重点 通信系统的核心是信号设计 本课程以通信技术的发展 演变为线索 从模拟到数字 由浅入深 力求把握通信信号设计的发展脉络和指导思想 用工程数学提供的方法准确表达和推导了通信信号和通信系统 西南科技大学信息工程学院 第一章绪论现代通信与信息社会 克服距离障碍 迅速 准确传递信息 通信发展经历了五个阶段 其标志性事件分别是 1 语言的产生 使人类有了比较完整的表达和交流形式 2 文字的产生 增大了交流的距离和流传的范围 3 印刷术的发明 使文明得以保存 世代相传 信息得以扩张 4 电报 电话 无线电等技术的发展 形成了通信理论和技术 形成了现代的通信产业 5 计算机技术 多媒体技术 有线及无线网络技术的发展 使信息交流达到了一个新的高度 西南科技大学信息工程学院 1 1通信系统的组成 信息化社会 通信信息技术服务行业在上世纪末已成为世界上最大的产业 电话普及率 台 100人 2006年底 我国固定电话普及率和移动电话普及率分别达到61 4部 百人和35 3部 百人 我国电话用户总数突破8亿户 移动电话用户总数突破4 6亿户 西南科技大学信息工程学院 发展趋势A 宽带化 单膜光纤WDM 波分复用 DWDM 密集波分复用 参鉺放大器全光网C波段KU波段KA波段多波束天线QPSKMSKQAMFDMATDMACDMASDMAB 综合化 语音 图像 数据等多业务 C 个人化 网络化 个人信息编码 数据移动通信 卫星移动通信 西南科技大学信息工程学院 二 通信系统模型 1 点对点通信系统的一般模型 西南科技大学信息工程学院 信源 信息的发出者发送设备 匹配信源与传输媒介 调制 功率放大 噪声源 信号传输时所受的干扰 接收设备 完成发送设备的反变换 小信号放大 解调 信宿 消息的接收者信道 信号传输媒介信息速率自信息量I ai log2 1 p ai 单位为比特 一个二进制码元包含的信息量为1比特 设一个英文打字机总共能产生32种离散符号 则需要5位二进制数字来表示 设此打字机每秒能产生10个符号 那么作一个离散信源来说 它产生的二进制信息速率为50比特 秒 西南科技大学信息工程学院 2 模拟通信系统 模拟通信系统如图中虚线外的部分 西南科技大学信息工程学院 基带信号 没有经过高频调制的信号 比如语音 图像 数据 有时也指经过信源编或时分复用的信号 频率较低 基带传输 基带信号不经过调制直接直接传输 调制 为了有效传输 在发射机将基带信号调制到较高频率进行发送称为调制 解调 接收端从高频中取出基带的过程称为解调 是调制的逆过程 西南科技大学信息工程学院 3 数字通信系统 西南科技大学信息工程学院 信源编码 模拟信号要通过数字信道传输 首先要进行数字化处理 包括采样 量化 编码 压缩等 信源编码保证了信号能否进入有一定条件限制的数字信道里 信道编码 为了在数字信道里有一定的传输质量 还要进行信道编码 包括加扰编码 纠错编码和多址编码等 信源解码 信源编码的逆过程 信道解码 信道编码的逆过程 西南科技大学信息工程学院 4 数字通信系统的优越性 1 抗干扰能力强数字信号可多次再生 噪声不会累积 可以自动检错 纠错 2 具有良好的灵活性和通用性 3 便于加密 例 待传送数字序列X 密码数字序列Y 加密后数字序列Z X Y 模2加解密后Z Y X Y Y X 4 数字通信设备易于大规模集成 西南科技大学信息工程学院 1 2通信系统的分类 一 按消息的物理特征分类电报通信系统电话通信系统数据通信系统多媒体通信系统 西南科技大学信息工程学院 二 按调制方式分类 1 基带传输 直接传输基带信号 2 调制传输 将基带信号调制到载波后传输 将消息变换为便于传送的形式例1 天线长度 工作波长 4 c f 如果用低频传输 天线尺寸太大 例2 放大器的相对带宽决定了低频传输的有效带宽不足 可实现频分复用 可改善通信系统的性能 抗低频干扰 西南科技大学信息工程学院 调制时消息携带在正弦波或脉冲序列的参量上 这些正弦波或脉冲序列就称为载波 调制就是基带信号控制载波的某些参数按照基带信号的变化规律而变化 如 某已调信号s t Acos t 根据载波的不同 有 西南科技大学信息工程学院 西南科技大学信息工程学院 三 按传输信号的特征模拟通信系统 传送在时间和幅度特性上都连续变化的消息 数字通信系统 传送在时间和幅度特性上都经过离散的消息 西南科技大学信息工程学院 四 按通信方式不同单工通信 通信双方单向传递信息 双工通信 通信双方同时双向传递信息 半双工通信 通信双方双向传递信息但不同时 图1 单工 半双工和全双工通信方式示意图 a 单工 b 半双工 c 全双工 西南科技大学信息工程学院 五 按传送信号的复用方式频分复用 不同信号占用不同的频率范围 时分复用 不同信号占用不同的时间区间 码分复用 用正交的脉冲序列携带不同信号 西南科技大学信息工程学院 六 按传输媒介类型有线通信 双绞线 双平行线 同轴电缆 微带 波导 多芯铜线 光缆等 无线通信 卫星通信 移动通信 微波通信 雷达 声纳 遥控遥测 无线定位 无线接入等 西南科技大学信息工程学院 西南科技大学信息工程学院 信道的定义及分类 狭义信道 传输媒介 调制信道 包括传输媒介及收发转换等模拟部分 广义信道 还包括调制信道之外的编码信道 按不同的分类方式 信道可分为有线信道和无线信道 调制信道和编码信道 线性信道和非线性信道 记忆信道和不记忆信道 恒参信道和变参信道等 西南科技大学信息工程学院 对于线性信道 eo t k t ei t h t 其中 K t 称为乘性干扰 如畸变 衰落 交调和互调等 h t 称为加性干扰 如白燥声 各种地面和空间的干扰等 线性网络 ei t Eo t h t K t 西南科技大学信息工程学院 对于编码信道 其中 p 0 0 为收0发0的概率 p 1 0 为收1发0的概率 p 0 1 为收0发1的概率 p 1 1 为收1发1的概率 1 0 P 1 0 P 0 1 P 1 1 P 0 0 0 1 西南科技大学信息工程学院 如果P 0 1 P 1 0 则称此信道为对称信道 对于电话信道 基本上是对称信道 对于INTERNET网 由于下行数据量远远大于上行数据量 称为不对称信道 西南科技大学信息工程学院 对于变参信道 例如移动通信 由于信号在传输过程中经过多种路径到达移动台 形成多径衰落 使信道参数随距离而变化 以举两径为例 西南科技大学信息工程学院 西南科技大学信息工程学院 两径衰落的结果相当与在单径接收信号的基础上调制了一个 时延 与位置有关 的余弦函数 造成接收信号的幅度忽大忽小 接收效果时好时坏 西南科技大学信息工程学院 1 3通信系统的性能度量 一 通信系统的质量指标有效性 信道一定时 系统能够传输信息内容的多少 可靠性 系统接收端恢复信息的准确程度 西南科技大学信息工程学院 二 对于模拟通信系统有效性 在给定信道带宽内 能容纳多少的通信路数 也可用传单路信号的有效带宽来衡量 可靠性 通信系统接收端的输出信号噪声功率比 SNR SignalNoiseRatio 西南科技大学信息工程学院 三 数字通信系统有效性 用信号的传输速率来衡量 码元传输速率 RB 单位时间能够传送的码元数 波特率 每个码元传输所占用的时间TB为码长 则RB 1 TB 波特 Baud 若码元为二进制 RB2 若为M进制 RBM RB2 RBM log2M信息传输速率 Rb 单位时间能够传送的信息量 bits s 比特率 Rb RBM log2M比特 秒RBM Rb log2M波特 西南科技大学信息工程学院 可靠性 传输产生的错误概率 误码率PB 接收的错误码元数 发出的总码元数 误比特率Pb 接收的错误比特数 发出的总比特数 西南科技大学信息工程学院 为了获得通信中所需的有效性和可靠性 产生了信息处理技术 信息处理技术是现代信息工程的核心技术 信息处理的目的是为了提高系统对某一方面的要求 优化系统某一方面的性能指标 信息处理的主要手段是编 译码 比如 1 为了提高系统的有效性 可以通过信源编码来完成 2 为了提高系统的安全性 可以通过加密来完成 3 为了提高系统的可靠性 可以通过信道编码来完成 西南科技大学信息工程学院 通信标准及制定机构 西南科技大学信息工程学院 通信涉及到双方或多方 其中包括点与点 点与端 端与端的信息交互 没有相应的标准显然是不行的统一的标准也有利于系统的异构组成 也给用户提供了选择使用的灵活性标准化的程度是衡量数据通信系统的重要质量指标之一标准的制定 除了技术的因素之外 还有经济 乃至政治的因素标准的制定有利于技术的发展 但有时各方喋喋不休的争执对新技术的推广应用反而产生牵制作用 通信技术标准及其制定机构 西南科技大学信息工程学院 国际标准化组织InternationalStandardsOrganization ISO世界上从事国际标准化的最大的综合性非官方机构 由各参与国的国家标准化组织选派代表组成 成立于1947年ISO的标准制定过程要经过四个阶段 即工作草案 建议草案 国际标准草案和国际标准ISO下设近200个TC 技术委员会 其中TC97负责IT技术有关标准的制定 TC97又下辖16个SC 分委会 和一个直属组 西南科技大学信息工程学院 国际标准化组织InternationalStandardsOrganization ISOSC6为数据通信分委会 制定了HDLC 高级数据链路规程 SC16致力于OSI RM 开放系统互联参考模型 后被改组为SC21负责解决 开放系统互联的信息检索 传输与管理 等问题TC97与国际电工委员会 IEC InternationalElectrotechnicalCommissions 的TC83于1987年成立了一个新的JTC 联合技术委员会 来替代TC97 该机构名称是ISO IECJTC1 下属各SC仍沿用TC97中的序号 西南科技大学信息工程学院 ITU成立于1932年 后成为联合国下属机构 其前身为始建于1865年的国际电报联合会 UTI ITU的宗旨维护与发展成员国之间的国际合作以改进和共享各种电信技术帮助发展中国家大力发展电信事业 通过各种手段促进电信技术设施和电信网的改进与服务管理无线电频带的分配与注册 避免各国电台的相互干扰 国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion 西南科技大学信息工程学院 ITUITU曾下辖总秘书处 国际频率注册委员会 IFRB 国际无线电咨询委员会 CCIR 国际电报电话咨询委员会 CCITT 和电信发展局 BDT 五个常设机构CCITT是国际电报电话咨询委员会的法文名称ComitConsulatifInternationalTelegraphigueetTelephonique的缩写 它主要由联合国各成员国的邮政 电报和电话管理机构的代表组成 是一个开发全球电信技术标准的国际组织该机构已经为国际通信使用的各种通信设备及规程的标准化提出了一系列建议 国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion 西南科技大学信息工程学院 ITUCCITT的建议标准系列F系列 有关电报 数据传输和远程信息通信业务 传真 可视图文等 的定义 操作和服务质量标准的建议 I系列 有关数字网的建议 包括ISDN的若干建议 T系列 有关终端设备的若干建议 V系列 有关在电话网上进行数据通信的若干建议 X系列 有关数据通信网的若干建议 国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion 西南科技大学信息工程学院 ITU1993年3月起 ITU下属的IFBR改称无线通信部 RS BDT改称电信发展部 TDS CCITT与CCIR合并为电信标准化部 TSS 简称ITU TITU T由一个常设职能部门TSB 电信标准局 和许多SG 研究小组 构成ITU T目前正与ISO合作 共同制定数据通信标准 国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion 西南科技大学信息工程学院 IEEE国际标准化工作还有美国的一个重要组织IEEE的参与 它是全球最大的专业学术团体 开发通信和网络标准也是该组织的主要工作其研究领域主要涉及ISO的物理层与数据链路层 例如 IEEE的802委员会制定的系列标准已成为当今主流的局域网标准除开发标准标准外 IEEE每年还召开各种会议 出版许多刊物 因此它在世界上具有很高的知名度 电气与电子工程师学会InstituteofElectricalandElectronicsEngineers 西南科技大学信息工程学院 EIA另一个与制定电气标准有关的组织是美国的EIA该协会主要制定过许多电子传输标准 包括ISO的物理层标准它颁布的RS 232和ES 449已经成为全球广泛采用的DTE和DCE之间串行接口标准 电子工业协会ElectronicIndustriesAssociations 西南科技大学信息工程学院 美国国家标准学会AmericanNationalStandardInstitute ANSI美国国家标准学会虽然只是一个非官方非赢利的民间组织 但实际上却是全美技术情报交换中心 并负责协调美国的标准化工作其研究范围与ISO相对应 它是ISO中美国指定的代表IEEE和EIA都是ANSI的成员 西南科技大学信息工程学院 欧洲计算机制造商协会EuropeanComputerManufacturesAssociation ECMA欧洲计算机制造商协会是由欧洲一些计算机厂商组成的标准化与技术评议机构 成立于1961年 总部在日内瓦其宗旨在于促进国家和国际机构间的合作 致力于计算机与通信技术标准的协调与开发 主要活动包括OSI协议 数据网 文本准备与交换等ECMA是ISO和ITU T的无表决权成员 同时也颁布自己的标准 西南科技大学信息工程学院 欧洲电信标准学会EuropeanTelecommunicationStandardInstitute ETSI欧洲电信标准学会由欧洲共同体各国政府资助 是一个由电信行业的厂商与研究机构参加并从事研究开发到