通信工程方向介绍.ppt

1 49 通信工程 阳小明 2 49 第一章通信原理简介 一 消息 信号与信息 1 消息 通常把语言和声音 音乐 文字 符号 数据 图象等统称为消息 是对事物物理状态的变化进行描述的一种具体形式 2 信号 由消息转换而来 是消息的载体 第一节绪论 3 49 3 信息 消息中所给予收信者的新知识或消息中包含的有意义的内容 如何度量信息 1 要求度量信息量的方法 必须满足 能度量任何消息 与消息的类型无关 消息的重要程度无关 二 消息中信息量的度量 4 49 2 信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数 消息出现的概率越小 所包含的信息量就越大 若某消息由若干个独立消息所组成 则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和 5 49 三 数字信号与模拟信号 模拟信号 也称连续信号 如 话筒送出的语音信号 数字信号 也称离散信号 如 代表文字的编码和计算机数据信号 6 49 四 什么是通信 1 通信 通信的 信 指的是信息 information 信息的载体是二进制的数据 数据则是可以用来表达传统媒体形式的信息 如声音 图像 动画等 通过计算机网络系统和数据通信系统实现数据的传输 数字化 计算机网络化 7 49 五 个人通信的终极目标 个人用户能在任何时间 Whenever 任何地点 Wherever 与任何人 Whoever 进行各种通信 WWW 铱系统卫星轨道示意图 8 49 六 通信系统 基带信号的特性 为什么要调制 如何保证数据正确 如何接收数据 9 49 第二节信号 一 信号的分类 1 数字信号与模拟信号 2 确定信号与随机信号 二 确定信号 随时间的变化为确定函数的信号 1 矩形脉冲函数 10 49 2 抽样函数 确定信号的分析是随机信号分析的基础 三 随机信号 信号的某个参数和几个参数无法预知或无法完全预知叫随机信号 通信系统中传输的都是随机信号 11 49 第三节模拟调制系统 为什么要调制 由于低频部分信道传输特性不理想 直接传输基带信号会引起严重失真 通过对基带信号的调制 将基带信号的频谱移到有利于信道传输的高频段 从而提高信号传输质量 问题 解决办法 12 49 1 定义用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波 载波是一个确知的周期性波形 余弦波载波的表达式 式中 A为振幅 0为载波角频率 0为初始相位 一 模拟调制的定义 基带信号 要传输的语音 图像信号往往处于低频段 因此叫基带信号 13 49 2 组成调制信号m t 自信源来的基带信号已调信号s t 调制后的载波称为已调信号调制器 进行调制的部件 14 49 二 调制的目的 1 频谱搬移 容易辐射实现频率分配多路复用2 提高抗干扰性3 还与传输效率有关 15 49 三 模拟调制的分类 1 线性调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构相同 其频谱是调制信号频谱沿频率轴平移的结果 包括 调幅 单边带 双边带 残留边带 2 非线性调制 已调信号的频谱结构和调制信号的频谱结构有很大的不同 除了频谱搬移外 还增加了许多新的频率成分 包括 频率调制 相位调制 16 49 四 振幅调制 AM 1 调制基本原理设 m t 1 m t m t 1 m t max m 调幅度 1 m t 17 49 则有调幅信号 s t 1 m t Acos 0t 式中 1 m t 0 即s t 的包络是非负的 18 49 2 解调基本原理 如果从调制信号中还原出基带信号 包络检波 除掉调制信号下面一半 滤除高频载波 19 49 五 角度调制 1 调制基本原理 20 49 2 角度调制信号的接收 信道中衰落及噪声对于信号角度 频率和相位 的影响与振幅相比要小得多 其抗干扰能力较强 21 49 模拟调制 线性调制 非线性调制 角度调制 振幅调制AM 双边带DSB调制 单边带SSB调制 残留边带VSB调制 相位调制 频率调制 小结 22 49 第四节模拟信号的数字化 一 两类信源模拟信号 数字信号二 模 数变换的三步骤抽样 量化和编码 1 抽样 23 49 2 量化 24 49 量化的两种方法 四舍五入截尾 如 3 14和3 6只能按整数量化 四舍五入截尾 3 4 3 3 3 编码 数字信号都是二进制表示 25 49 26 49 1 3 15 3 0112 3 96 4 1003 5 00 5 1014 6 38 6 1105 6 80 7 1116 6 42 6 110 27 49 第五节基带数字信号的表示和传输 1 基带数字信号的波形 28 49 29 49 2 基带数字信号的传输 30 49 第六节数字调制系统 一 二进制振幅键控 2ASK 1 表示式 31 49 1 表示式 二 二进制频移键控 2FSK 32 49 三 二进制相移键控 2PSK 1 表示式 33 49 34 49 第7节同步 一 同步需要解决的问题 要实现信号的正确传输 要求收 发之间要有协调的时间关系 载波同步数字信号同步 位同步帧同步 字同步 网同步 35 49 1 载波同步 在接收端提取出与发送端一样的载波 用于相干解调 2 位同步 在接收端提取出时钟 用于数据的判决 帧头 时钟 数据 1110 36 49 3 帧同步 在接收端提取出帧头信号 用于确定数据块的起始 37 49 当通信是在点对点之间进行时 必须在网内建立一个统一的时间标准 称为网同步 4 网同步 通信网络 A B C D E F 网同步 载波同步 帧同步位同步 数字信号 38 49 第八节多路复用和多址技术 一 多路复用 目的 在一条链路上传输多路独立信号3种多路复用基本方法 频分复用 FDM 时分复用 TDM 码分复用 CDM 39 49 方法 采用调制搬移频谱 以节省频带 1频分复用 40 49 41 49 2时分复用 42 49 3码分复用 了解 1 基本原理 a 自相关系数定义 b 互相关系数定义 43 49 b 码组正交 两组码互相关为0 为正交充要条件 44 49 四路码分复用原理方框图 45 49 二 多址接入 目的 多个用户共享信道 动态分配网络资源 方法 频分多址 时分多址 码分多址 空分多址 极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术 1 频分多址 FDMA 频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道 或称信道 供不同的用户使用 46 49 2 时分多址 TDMA 47 49 时分多址是指把时间分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的 48 49 3 码分多址 CDMA 了解 4 空分多址 SDMA 空分多址是通过空间的分割来区别不同的用户 在移动通信中 能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线 在不同的用户方向上形成不同的波束 49 49 50 49 第二章光纤通信系统 第一节光纤通信发展的历史 一 光通信的启蒙 烽火台 51 49 目视光通信 旗语 航海 F1的旗语 白色旗表示跑道上有缓慢移动的车辆红色旗表示比赛已停止黑色旗表示指定的赛车下次通过修理站时要停车黄底红道旗意思是告诉车手跑道较滑 52 49 光通信的三要素 光源 传输介质 光检测 缺点 大气干扰 距离带宽有限 通信两点必须直线可见 光纤通信呼之欲出 二 现代光纤通信 1 光纤通信的关键问题 a 低损耗的光纤 b 高可靠 长寿命的光源及高响应的光检测器件 c 光测量及光纤连接技术 53 49 2 传输介质 光透过玻璃功率损耗一半 相当于3分贝 的长度 普通玻璃几厘米 高级光学玻璃几米 光纤 20dB Km 150米 1974年美国贝尔研究所使光纤损耗降低到1分贝 公里 实用化光纤 54 49 3 光源 1977年贝尔研究所和日本的电报电话公司几乎同时研制出寿命达100万小时的半导体激光器 从而有了真正实用的激光器 谱宽度窄 方向性极好 亮度极高 光纤通信已是各种通信网的主要传输方式 55 49 第二节光纤通信的优点 一 允许频带很宽 传输容量大 了解 C B Log2 1 S N B是信道频带宽度 简称带宽 S是信号功率谱密度N是信道噪声功率谱密度C是信道容量 二 损耗很小 中继距离很长 三 重量轻 体积小 四 泄露小 保密性能好 S N一般是一个常量 用于决定信号的质量 56 49 五 节约有色金属 有利于资源合理使用 石英 主要成分是二氧化硅 砂子 六 抗电磁干扰性能好 第一是光纤是绝缘体 不怕雷电和高压 不受电磁干扰 第二是光纤中传输的是频率很高的光波 而各种干扰的频率一般都比较低 所以它不能干扰频率比它高的多的光波 57 49 第三节光纤通信系统的基本组成 58 49 一 光发射端机的功能电 光或E O转换光端机由光源 驱动器和调制器组成 59 49 二 光纤 光缆 光纤的加工 光纤的传导 利用全反射 60 49 影响光信号质量的两大因素 损耗和色散 损耗导致收不到光信号 色散 导致光脉冲展宽 产生误码 010 111 61 49 多根光纤加工成光缆 62 49 三 光中继站 目的 放大传输中减弱的光信号 方法 弱光信号 弱电信号 强电信号 强光信号 接收 放大 发射 四 光接收 光信号转为电信号 63 49 第三节光纤通信的未来 孤子通信与全光通信 孤子通信 使光脉冲展宽程度最小 全光通信 使整个通信网络全光化 不再采用电 光和光 电转换 传输信号媒质只有光纤 64 49 第三章移动通信系统 一 移动通信的定义 通信双方至少有一方在移动中进行信号传输 65 49 二 移动通信的特点 1 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 1 通信中的用户可以在一定范围内自由活动 如何定位用户的位置 如何传递呼叫 划分小区 位置登记 位置更新 寻呼 鉴权 加密 提供业务信道 66 49 2 移动通信的运行环境十分复杂 会产生 多径效应 并且会受到地形 地物的遮蔽而发生 阴影效应 移动台接收N条路径信号 多谱勒效应 多径效应 67 49 3 移动通信常常在快速移动中进行 这会引起多普勒 Doppler 频移 多普勒效应 收发两端有相对速度 使通信电波频率发生变化 无线电波经多条路径到达接收端 由于各电波相位不一致会引起合成电场强度随机起伏 多径效应 地形 地物对信号的遮蔽引起信号大大衰减 阴影效应 68 49 3移动通信可以利用的频谱资源非常有限 而移动通信业务量的需求却与日俱增 2移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 外部干扰 如天电干扰 工业干扰和信道噪声外 系统本身和不同系统之间 还会产生这样或那样的干扰 开辟和启用新的频段 研究各种新技术和新措施 提高频谱利用率 69 49 4移动通信系统的网络结构多种多样 网络管理和控制必须有效 5移动通信设备 主要是移动台 必须适于在移动环境中使用 三移动通信市场状况 到2008年移动电话用户共计6 4亿户 其中中国移动上半年净利润549亿元 增长的原因 归结于用户快速增加以及增值业务收入水平的提高 话音业务短信手机音乐下载手机报飞信等 70 49 4 移动通信的发展 第三代移动通信系统 WCDMA欧洲CDMA2000美国高通公司TD SCDMA中国与美国高通公司合作 第一代移动通信系统 FDMA 频分多址 模拟移动通信系统 第二代移动通信系统 GSMTDMA 时分多址 数字移动通信系统IS 95窄带CDMA 码分多址 数字移动通信系统 71 49 第四代移动通信系统 最高数据传输速率可达10 20Mbit s 最高可达100Mbit s 72 49 5 中国3G发展状况 3G之前 移动 联通 电信 网通 GSM GPRS GSM CDMA 大灵通 TD SCDMA 小灵通 无线市话 移动业务 3G之后 移动 TD SCDMA 联通 合并 WCDMA CDMA EVDO 美国高通标准 电信 开