第二章 通信原理---简介.ppt

第二章通信原理 简介 2 1引言2 2通信系统基本概念2 3通信系统组成2 4模拟调制系统2 5数字调制系统 2 1引言 古代的烽火台 驿站 现代的电报 电话 广播 电视 互联网等都是传递信息的手段 也是各个历史时期的通信方式 这些通信方式传递的是某个约定的事件 语音或二进制代码 通信中信息的传送是通过信号来进行的 如 电压 电流或电波信号等 信号是信息的载体 现代的无线通信也是移动计算技术的基础 电波是移动通信的基础 电波是指线缆中传输的电信号或自由空间 空气 真空 中传播的电磁波 电波可根据波段和功能划分 如表2 1所示 2 2通信系统基本概念 2 2 1电波 表2 1通信频段 常用传输媒质及主要用途 电波的应用甚低频 类似于声波 适于在水中传播 因此可用于潜艇的通信 但传输速率低 而高频电波不适于在水体中传播 雷达系统中 毫米波雷达分辨率高 穿透烟雾能力强 抗干扰 反隐身能力强 但毫米波设计困难 且在有雨条件下损失严重 电波的主要分析手段是频域分析法 也称为频谱分析 频谱就是频率的分布曲线 将不同的谐振的幅值按频率排列的图形叫做频谱 频谱分析广泛应用于声学 光学和无线电技术 2 2 2频谱分析 频谱 光学频谱 声学频谱 电波频谱 红橙黄绿蓝靛紫 低音 高音 光学频谱和声学频谱是我们器官最容易感知的频段 电波的主要分析手段是频域上的傅里叶变换 快速傅里叶变换 FFT 十分适于计算机计算 简单正弦信号的频谱分析 15Hz正弦信号时域与频域 40Hz正弦信号时域与频域 15Hz和40Hz正弦相加信号时域与频域 采样点增加到1024点 增加采样点可提高频率分辨率 噪声环境下正弦信号的频谱 信号中加入随机信号 注意噪声基底 采样对正弦信号频谱的影响 1 数据传输速率 是指单位时间内传输的信息量 是每秒传输二进制信息的位数 可用 比特率 波特率 bit s等表示 2 传输带宽 模拟系统和数字系统的定义不同 模拟系统的带宽表示线路允许通过的信号频带范围 数字系统的带宽是指每秒可以传输的最大字节数 2 2 2数据通信中的几个技术指标 3 时延 就是信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延 发送时延 传播时延 处理时延发送时延 数据长度 信道带宽 传播时延 信道长度 传播速度 处理时延是数据在交换节点为存储 转发而花费的时间 4 误码率 是指二进制数据位传输出错的概率 一般要求低于10 6 基本的点对点通信 是将发送端的消息通过某种信道 无线或通信电缆 传递到接收端 点对点的通信系统可概括为图2 1所示 2 3通信系统组成 2 3 1基本组成 图2 1通信系统基本框图 发送端将待发送信号转换成原始电信号 如语音信号通过麦克风转换为低频电信号 为使原始电信号适于在信道中传输 由发送设备对原始信号完成某种变换 然后送入信道 接收端设备功能与发送端相反 能从接收信号中恢复出相应的原始信号 噪声源是信道中收发设备各处噪声的集中表示 2 3 2模拟通信与数字通信系统模型 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 图2 2模拟通信系统框图 利用数字信号来传递信息的通信系统称为数字通信系统 可细分为数字频带传输系统 图2 3所示 和数字基带传输系统 图2 4所示 两者的区别是前者有调制解调器 后者没有 如电话 广播等为数字频带传输系统 RS485 RS232为数字基带传输系统 图2 3数字频带传输系统框图 图2 4数字基带传输系统框图 数字通信较模拟通信的优势 通过差错控制编码 防止噪声和干扰造成的差错 数字通信保密性好 数字系统体积小 一致性好 易与现代技术相结合 原始信号具有较低频率的频谱分量 不宜在信道中传输 因此 通信系统的发送端通常需要有调制过程 而在接收端需要反调制过程 即解调过程 调制在通信系统中具有重要的作用 通过调制进行频谱搬移 把被调信号的频谱搬移到所期望的位置上 从而将被调信号转换成适合于信道传输的已调信号 2 4模拟调制系统 常用的模拟调制方式分类 模拟调制 幅度调制 线性调制 角度调制 非线性调制 双边带DSB 残留边带VSB 单边带SSB 调幅AM 频率调制FM 相位调制PM 幅度调制是正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程 设正弦型载波为被调信号 基带信号 的频谱为基带信号的截止频率为那么幅度调制信号一般表示为 2 4 1幅度调制原理 幅度调制是一个频谱搬移的过程 Sm t 的频谱分布是 图2 5调制波形与频谱搬移 例 设定则 三角公式 幅度调制一般由一个乘法器和一个冲击响应为h t 的带通滤波器组成 组成框图如图2 6所示 图2 6幅度调制框图 带通滤波器选择不同便能得到各种不同的幅度调制信号 sm t h t cos ct m t 1 调幅信号AM 被调信号中带有直流分量 即 且满足 调制信号可表示为 其频谱可表示为 滤波器h t 为全通网络 图2 7AM信号的调制过程 AM信号的解调有两种方式 相干解调和包络检波 相干解调 图2 8AM信号的相干解调过程 包络检波 图2 9AM信号的包络检波过程 2 双边带信号DSB 被调信号中无直流分量 滤波器h t 为全通网络 已调信号的表达式 图2 10DSB信号的时 频域信号 讨论 DSB信号不能进行包络检波 只能相干解调 DSB信号带宽为基带信号带宽的两倍 3 单边带信号SSB 由于DSB信号的上 下两个边带是完全对称的 皆携带了调制信号的全部信息 因此 从信息传输的角度来考虑 仅传输其中一个边带就够了 滤波器h t 为带通滤波器或带阻滤波器 sm t h t cos ct m t 图2 11SSB信号频谱搬移 SSB信号的频域表达式 4 残留边带信号VSB 双边带占用频带过大 而单边带要求滤波器过渡带太陡 工程上不易实现 残留边带调制是介于边带和双边带调制之间的调制方式 除了传送一个边带外 还保留了另外一个边带的一部分 滤波器h t 的需满足条件 应从解调过程来推导这个条件 设定我们利用相干法解调频带信号 经过LPF 几何含义 残留边带滤波器的传输函数在载频附近必须具有互补对称性 图2 12VSB滤波器特性 满足互补对称特性的滚降形状可以有无穷多种 目前用的最多的是直线滚降和余弦滚降 2 4 2角度调制原理 线性调制 幅度调制 是通过改变载波的幅度来实现基带的频谱搬移 非线性调制 角度调制 不再保持原有基带频谱的结构 调制前后频谱存在非线性变换关系 角度调制是通过改变载波频率或相位来传输信号的 频率调制 FM相位调制 PM 图2 13频率调制波形 设 调制信号 m t A0cos 0t 载波信号 s t Acos ct 则根据频率调制的定义 已调信号应为 其中 调频信号的瞬时角频率为