现代数字通信技术

1 2020 2 12 现代数字通信技术 2020 2 12 2 1概述 1 1通信系统的组成和分类 1 2数字通信及主要技术 1 3数字通信的主要特点 l 4数字通信系统的主要性能指标 1 5数字通信的发展趋势本课程的主要内容参考书目 2020 2 12 3 1 1通信系统的组成和分类 通信的最终目的是为了有效和可靠地获取 传递和交换信息 信息可以有多种多样表现形式 如语音 文字 数据 图像等 传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统 2020 2 12 4 通信系统组成 2020 2 12 5 1 信源和收信者 信宿 信源是发出信息的源 信宿是传输信息的归宿点 信源可以是离散的数字信源 也可以是连续的模拟信源 2020 2 12 6 2 发送设备 发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来 即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式 送往传输媒介 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 发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种处理 如多路复用 保密处理 纠错编码处理等等 2020 2 12 7 3 信道 信道是指传输信号的通道 从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介 可以是无线的 也可以是有线的 有线和无线均有多种传输媒介 信道既给信号以通路 也要对信号产生各种干扰和噪声 传输媒介的固有特性和干扰直接关系到通信的质量 2020 2 12 8 4 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 解码等等 它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始消息来 对于多路复用信号 还包括解除多路复用 实现正确分路 2020 2 12 9 多数情况下 信源兼为信宿 通信的双方需要随时交流信息 因而要求双向通信 通信双方都要有发送设备和接收设备 如果两个方向有各自的传输媒介 则双方都可独立进行发送和接收 但若共用一个传输媒介 则用频率或时间分割的办法来共享 此外通信系统除了完成信息传递之外 还必须进行信息的交换 传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统 乃至通信网络 2020 2 12 10 通信系统的分类 按通信的业务和用途分类常规通信 话务通信 非话务通信控制通信按调制方式分类基带传输 调制传输按传输信号的特征分类模拟通信系统 数字通信系统按传送信号的复用方式分类频分复用 时分复用 码分复用按传输媒介分类有线 明线 电缆 光缆信道无线 短波电离层传播 微波视距传播 卫星中继 2020 2 12 11 1 2数字通信及其主要技术 2020 2 12 12 1 信源编码与解码 将信源的模拟信号转变成数字信号 即模 数变换 降低数字信号的数码率 即数据压缩 2020 2 12 13 2 加密与解密 数字信号比起模拟信号来易于加密 且效果也好 加密器可以产生密码 人为地将输人明文数字序列进行扰乱 编码可以采用周期非常长的伪随机序列 甚至采用完全无规律的噪声码 在接收端对接收到的数字序列进行解密 恢复明文 2020 2 12 14 3 信道编码与解码 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 信道编码的目的就是提高通信抗干扰能力 尽可能地控制差错 波形编码 改善波形检测性能 双极性波形 正交波形 多元波形 双正交波形等 差错控制编码 对传输的原始信息按一定编码规则进行编码 在接收端按一定的规则进行解码 看其编码规则是否遭到破坏 从解码过程中发现错误或纠正错误 线性分组码 循环码 汉明码 格雷码 BCH码 RS码等卷积码 主要特点是有记忆特性 卷积码的著名译码算法有 序列译码 Viterbi最大似然译码 2020 2 12 15 4 调制与解调 调制是把各种数字信息脉冲转换成适于信道传输的调制信号波形 解调是对收到的信号转换成原始数字信息脉冲 数字调制技术可分为幅度键控 ASK 频移键控 FSK 相移键控 PSK 连续相位调制 CPM 以及它们的各种组合 在接收端可以进行相干解调或非相干解调 前者需要知道载波的相位才能检测 后者则不需要 对高斯噪声下信号的检测 一般用相关接收机或匹配滤波器 各种不同的调制方式具有不同的检测性能 标志各种调制方式的性能指标为比特差错概率 它是比特能量与噪声功率谱密度之比的函数 2020 2 12 16 5 多路与多址 为了充分利用通信资源和增加总的数据通信量 可以采用多路技术 使多用户能够固定分配通信资源 采用多址技术可以远程或动态变化地共享通信资源 基本的方法有频分 时分 码分 空分和极化波分 2020 2 12 17 6 信道与噪声 通常数字信号可以在数字信道传输 也可以经过调制变成频带信号通过模拟信道传输 信道既给传输数字信号以通路 又给传输的数字信号以限制和影响 当数字信号通过信道时 信号的功率也由于信道的损耗而下降 而且信号还会受到信道噪声的损害 信道中的噪声归纳起来可分为两种 一种是高斯噪声 另一种是脉冲噪声 数字通信系统设计的目标 一方面是设法消除或补偿信道引起的信号失真 另一方面是尽可能地抑制和减小噪声的不良影响 2020 2 12 18 7 同步与数字复接 位 比特 同步载波同步帧同步网同步数字复接是依据时分复用原理完成数码流合并的技术 2020 2 12 19 1 3数字通信的主要特点 1 抗干扰能力强 无噪声积累 保证较高的通信质量2 便于加密处理 且保密强度高3 数字信号便于直接与计算机接口 形成智能网4 高度的灵活性和通用性5 设备便于集成化 微型化 2020 2 12 20 但是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 数字通信的频带利用率不高同步要求高 系统设备比较复杂然而 随着社会生产力的发展 信息越来越宝贵和重要 保密要求也越来越高 因而实际中往往宁可牺牲系统频带而采用保密数字通信 至于在系统频带富裕的场合 如毫米波通信 光通信等场合 数字通信几乎成了唯一的选择 2020 2 12 21 l 4数字通信系统的主要性能指标 有效性 在给定信道内能传输的信息内容的多少 主要性能指标是传输速率 频带利用率 可靠性 接收信息的准确程度 主要指标是误码率 2020 2 12 22 1 传输速率 l 码元传输速率 简称传码率 表示单位时间 每秒 内传输的码元 符号 个数 单位为波特 2 信息传输速率 简称传信率 表示单位时间 每秒 内传送数据信息的比特数 单位为比特 秒 二进制传输时 传输速率和信息速率一致 对N进制传输时 其传输速率和信息速率可以通过下述公式来换算 2020 2 12 23 2频带利用率 B Hz 对二进制传输时可表示为 B Hz 2020 2 12 24 3 可靠性指标衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率 在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比 2020 2 12 25 4 性能极限Shannon定理指出 如果信息源的信息速率小于或者等于一个所谓的信道容量C 那么 在理论上存在一种方法可使信息源能够以任意小的差错率通过信道传输 如果 C 则没有任何办法传输这样的信息 或者说传输二进制信息的差错率为1 2 信道容量C是信道的极限传输能力 2020 2 12 26 可以证明 在被高斯白噪声干扰的信道中 传送的最大信息速率C 由Shannon公式确定 bit s 另一形式 2020 2 12 27 l 信道容量极限可见 0或S 均能使C 0意味着无噪声 S 意味着发送功率要达到无穷大 若要提高信道容量C 则应减小噪声或者提高发射功率 信道容量C还与带宽B有关 带宽对信道容量有何影响呢 2020 2 12 28 B 0 显然无法传输信息 C 0上式表明 即使信道带宽B趋于无穷大 信道容量C也是一个定值 称为信道容量极限 2020 2 12 29 2 频带利用率的极限当 C时 由Shannon公式得 上式为系统可能的最高频带利用率 即频带利用率极限 2020 2 12 30 3 带宽与信噪比的互换由式可见 当信道容量C保持不变时 带宽B与信噪比可以进行互换 带宽较小的改变将会导致信号功率较大的改变 带宽和信号功率的互换 通常可由编码和调制来实现 2020 2 12 31 1 5数字通信的发展趋势 短波通信微波通信移动通信卫星通信光纤通信 2020 2 12 32 l 数字短波通信 未来战争中通信卫星易于被击毁 短波通信经过被冷落一段时间后又出现了 复苏 现象 重新引起各方面的重视 为了克服严重的码间干扰 采用了系列自适应技术 包括 自适应实时选频 自适应信道均衡 自适应干扰对消 以及由它们组合而成的自适应通信系统 此外尚有功率自适应 速率自适应 天线调谐自适应和自组织自适应通信网等 此外 在短波数字通信中采用扩频跳频技术 自适应接收和瞬时快速通信技术等研究都在进行中 2020 2 12 33 2 数字移动通信 近十年来 各国已研制出多种新的系统 如宽带或窄带TDMA制式 及在此基础上制定的泛欧GSM系统标准等 数字移动通信的新技术特点是 采用智能网络的原理 与ISDN相结合 部件高度集成化 这些特点使数字移动通信系统成为高技术密集的产品 移动通信的发展方向是数字化 微型化和标准化 第三代移动通信系统正是向这个方向努力 目前世界上有多种技术体制 互不兼容 标准化成为当务之急 数字化的关键是调制 纠错编码和话音编码方式的确定和实现 微型化的目标是研制重量非常轻的手机 2020 2 12 34 3 数字微波通信 大容量数字微波的发展遭遇到数字短波通信同样的技术难题 即微波在地面传播也存在多径效应和衰落现象 数字微波也需要采用一整套自适应技术来抗多径衰落引起的码间干扰 第三代数字微波设备的研制 其技术特点为 采用256QAM或1024QAM调制 自适应均衡 有效的分集接收合成技术等先进的自适应抗多径衰落技术措施 采用双重极化等频率重用技术 并开辟10GHZ以上新的频段 以及新的电路和工艺 2020 2 12 35 4 数字卫星通信 早期的时分多址卫星系统就是数字式的 从体制上看 目前已有单路单载波 SCPC 的SPADE系统 时分多路频分多址系统 时分多址数字卫星通信系统 近年来甚小口径终端 VSAT 数据卫星通信系统取得了很大的进展和广泛的应用 大量的个人计算机通过卫星通信连接成卫星数据网 其造价低廉 安装容易 使用灵活 受到广大用户的欢迎 近年来 我国已引进VSAT技术 并在许多部门建立了VSAT通信网 我国卫星通信的发展也将以数字卫星通信为主 2020 2 12 36 5 数字光纤通信 光纤通信具有频带极宽 通信容量极大 传输损耗小 保密性好 不易被窃听 以及能抗电磁干扰 且体积小 重量轻等一系列优点 已在国内外得到极大发展和应用 光纤通信的宽频带特性 为实现宽带ISDN创造了十分有利的条件 当前的主要矛盾是应大力研制和开发数字通信终端及交换设备 以便与光纤传输系统相连接 否则将阻碍光纤通信的应用和发展 2020 2 12 37 数字通信的发展趋势是 小型化 集成化 智能化 网络化 并在此基础上实现综合化 数字通信技术的组合优化与整体综合优化信源编码与信道编码的结合 纠错与加密相结合 均衡与分集相结合 数字通信的综合服务通信的数字化与传输媒介的拓宽 给语音 数据 传真 图像的综合服务提供了实现的基础 窄带ISDN的研究与实施 异步传输模式 ATM 的实现 促进了宽带ISDN的发展 多媒介的无线数字移动综合通信网数字式蜂窝移动通信 卫星移动通信 无绳电话和寻呼无线通信 建筑物内无线通信等在数字通信基础的结合 将构成三维空间广阔的无线通信网 2020 2 12 38 本课程的主要内容 现代数字调制技术扩频通信技术现代通信网 2020 2 12 39 第一部分 现代数字调制技术 在现代通信中 随着大容量和远距离数字通信技术的发展 出现了一些新的问题 主要是信道的带限和非线性对传输信号的影响 传统的数字调制方式受到了威胁 需要采用新的数字调制方式以减小信道对传输信号的影响 新的技术主要是围绕充分节省频谱和高效率地利用频带展开的 多进制调制 是提高频谱利用率的有效方法 恒包络技术能适应信道的非线性 保持较小的频谱占用率 这一部分讨论几种新的调制方式 2020 2 12 40 第二部分 扩频通信技术 扩频通信是指发送端将待传送数据用扩频码调制实现频谱扩展 再进行传输的通信方式 接收端采用同样的扩频码进行相关处理及解调 恢复原始数据信号 这种通信方式与常见的窄带通信方式相反 它是扩展频谱后进行宽带通信 再经相关处理恢复成窄带信号解调出数据 扩频通信方式具有许多突出优点 如低发射功率谱密度 可在低信噪比环境下工作 抗杂波干扰和信号衰落 可多址复用 有保密性等 扩频通信正越来越被人们重视 近年推出的基于码分多址的个人通信系统和移动通信需要采用扩频技术 这一部分将介绍几类基本的扩频方法 在此基础上介绍扩频序列的选择 扩频序列的捕捉与跟踪 扩频接收技术等 2020 2 12 41 第三部分 现代通信网 通信的最基本形式是在信源和信宿之间建立起一条传输信息的通道 当信源和信宿的数量有限时 这完全是可能的 但当信源和信宿的数量较多时 若在信源和信