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现代通信技术复习 长安大学信息工程学院电子信息工程系荣玫rongmei 1 2 考试安排 2014 1 22 星期四 上午9 00 11 00题目类型 计算题 4 10 简答题 3 20 注意事项 考生持学生证进入考场 并按监考教师安排顺序就座 考生一律不准自带稿纸 桌面四周及抽屉必须保持清洁 严禁考生携带任何具有通讯功能的设备 手机等 进入考场 一旦带入 在考前交予监考人员保管者 不作处理 凡是在考试期间携带 摆放和使用通讯工具者将根据学校规定 按考试违纪或作弊处理 开考半小时内不准离开考场 离开考场者 一律按交卷处理 迟到半小时者不准参加考试 3 1 通信系统模型通信系统模型的组成 各部分的功能 图1 1点到点通信系统模型 4 2 通信信道与通信容量信道分类有线信道 电磁能量被约束在某种传输线上传输 包括平行导体传输线 同轴电缆传输线 微带传输线 波导传输线 光纤传输线等无线信道 包括地波 空间波 天波等 5 1 有线信道 平衡式 非平衡式 发出信号 返回信号 共模抑制 信号电位 地电位 6 图1 3通信中的常用传输媒质 明线电缆 b 双线电缆 c 双绞线电缆 d 屏蔽电缆对 e 空气填充型同轴电缆 f 固态柔韧型同轴电缆 g 微带线 h 矩形波导 7 波导最简单形式是一个空心导管 其横截面通常是矩形 圆形或椭圆形 管壁是导体 可以限定电磁波能量的边界在波导管内 通过波导管内的电介质传播能量 其电介质通常是干燥的空气 如果波导管壁是良导体且很薄 则壁内无电流流过 因此能量损耗很少 电磁波在波导管内以 Z 字形来回反射并不断向前传播 8 截止频率和截止波长不像传输线有最高频率的限制 波导受限于最低频率即称为截止频率 Cut offFrequency 即低于截止频率的信号将不能在波导中传播允许通过波导的最大波长称为截止波长 Cut offWavelength 截止波长定义为可在波导内传播的最大波长截止波长和截止频率由波导的横截面尺寸决定 若波导的横截面宽度尺寸为a 则其截止波长为 c 2a 9 2 无线信道 图1 4电磁波的三种传播模式 10 3 信息容量信息容量 在给定时间内 一个通信系统可以传输多少信息的一种度量信息论 是对有效利用带宽通过电子通信系统传输信息的理论研究 可用来确定通信系统的信息容量1920年贝尔实验室的哈特莱推导出了带宽 传输时间和信息容量之间的关系 即带宽愈宽 传输时间愈长 能够通过该系统传送的信息就愈多 数学上 哈特莱定律表达如下 C B t 11 一个重要的问题 增大带宽B 能否使信息容量C无限增长 香农公式 12 计算实例 标准话音频带通信信道信噪比 30dB 带宽 13 3 基带与频带传输 图1 7频带传输系统简化框图 14 通信系统中的信号传输方式 15 调制定义 通过改变一个更高频率信号的某些特征物理量或参数 如幅度 频率 相位等 的过程称为调制 分为模拟调制和数字调制 相应地 已调信号通过传输系统传送到接收机 在接收机中被放大 下变频 然后恢复原始信号的过程称为解调载波 调制信号 已调信号的定义 16 4 通信方式通信系统可以设计成只在一个方向上传输 或者在两个方向上但一次只能沿一个方向传输 或者同时在两个方向上传输 这些都称为传输方式 传输方式有四种 单工 半双工 全双工及全 全双工 1 单工 SX 发射机 接收机 传输只能在一个方向上出现 17 2 半双工 HDX 3 全双工 FDX 发射机接收机 接收机发射机 发射机接收机 接收机发射机 18 4 全 全双工 F FDX 发射机接收机 接收机发射机 发射机接收机 19 5 模拟与数字通信 图1 8数字通信简化框图 20 数字通信的特点 优点 抗干扰性强 便于处理 加密 存储和交换 由于数字通信设备中大部分电路都是采用数字逻辑电路 因此可用大规模和超大规模集成电路实现 设备便于集成化和微型化 功耗也较低 采用数字传输方式 可以实现传输和交换的综合 电话业务和非电话业务都可以实现数字化 以便组成综合业务数字网 ISDN 缺点 占用信道频带较宽 数字话音数码率64kb s 一个模拟话路所占频带宽度4kHz 21 6 通信系统性能与噪声1 通信系统性能 通信系统性能 性能指标 22 性能指标的对立统一 信源编码 信道编码 23 7 通信系统中的噪声 噪声 不相关噪声 相关噪声 外部噪声 内部噪声 噪声的存在与信号是否出现 常见噪声分别属于哪一类 热噪声 大气噪声 24 8 数字通信系统的主要性能指标1 信息传输速率信息传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量的 信息论中已定义信源发生信息量的度量单位是 比特 bit 一个二进制码元所含的信息量是一个 比特 即一个 1 或一个 0 就是一个比特 在多进制中 设为m进制 每个码元的信息量为Im 则Im为Im log2m m为进制数 24 25 2 码元 符号 传输速率码元 符号 传输速率是指单位时间 s 内传输的码元数目 其单位为波特 Bd Baud 这里的码元可以是二进制的 也可以是多进制的 一般用RB或fB来表示 信息传输速率和码元传输速率的关系为Rb RBlog2M式中 Rb表示信息传输速率 M为进制数 如果码元传输速率为600Bd 则在二进制时 信息传输速率为600b s 在四进制时 信息传输速率则为1200b s 对于二进制 由于log2M 1 在数值上波特率和比特率是相等的 但其意义是不同的 25 26 3 频带利用率频带利用率是指单位频带内的传输速率 传输的速率愈高 所占用的信道频带愈宽 通常用来表示数字信道频带的利用情况 即频带利用率为当传输速率是码元传输速率时 其单位为波特 赫兹 Bd Hz 当传输速率是信息传输速率时 其单位为比特 秒 赫兹 b s Hz 26 27 4 误码率数字信号在信道传输过程中 由于信道本身有关参数的影响和噪声干扰 以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误 这叫误码 误码的多少用误码率来衡量 一般用Pe来表示 这个指标是统计结果的平均值 所以这里指的是平均误码率 显然 误码率愈小 通信的质量愈高 27 28 9 脉冲编码调制 把时间连续 取值连续的模拟信号变换成时间离散 取值离散的数字信号 包括抽样 量化 编码三个过程 1 抽样 图1 10话音信号抽样过程 时间离散化 28 29 所谓抽样 就是每隔一定时间T 抽取话音信号m t 的一个瞬时幅度值 样值 可得到一系列样值信号 即样值序列信号S t S nT 或称为脉幅调制 PAM 信号 奈奎斯特抽样定理一个频带限于fm赫兹的连续信号m t 可以惟一地用时间上每隔时间T 1 2fm 的抽样值序列来确定 即抽样频率fs 2fm T 29 30 保护频带要获得原始信号的重建 必须使fm与fs fm之间有一定宽度的保护带 若抽样频率fs2fm 例如 话音信号的最高频率fm 3 4kHz 为了防止产生混叠噪声 取fs 2fm 这里按ITU T规定 话音信号的抽样频率fs 8000Hz 抽样周期R 1 8000 125 s 这样就留出了8000 2 3400 1200Hz的保护带 30 31 量化 图1 13均匀量化与非均匀量化 幅度离散化 31 32 1 均匀量化 用等间隔 称为量化间隔 去度量样值信号信号的幅度范围被限定在 U U之间 U为过载电压 样值的绝对值超过过载电压U的区域称为过载区 未超过U的区域称为量化区幅度范围内的离散值称为量化值或量化级数 用 量化间隔去度量样值 U U之间所得到的数值 用 来表示 量化误差 量化值与原样值之间的误差 如何衡量 32 33 量化信噪比均匀量化的缺陷 量化间隔是固定值 33 34 2 非均匀量化非均匀量化的特点 信号幅度小时 量化间隔小 其量化误差也小 信号幅度大时 量化间隔大 其量化误差也大采用非均匀量化后可做到在不增大量化级数N的条件下 使信号在较宽的动态范围达到所需的指标要求 其实质是提高了小信号的信噪比 降低了大信号的信噪比 使信噪比在较宽的动态范围内均匀 34 35 图1 1413折线压扩特性 对数 A 律 13折线 35 36 表1 113折线量化段电平 归一化值 以上是每段按16等分量化而得到的 并以最小段 第一段 为最小量化间隔 且此单位为归一化值的单位 36 37 逐次反馈编码话音信号变为数字信号的过程是经抽样 量化后还必须变为数码流 这个变为数码流的过程叫编码 A律与13折线通常采用量化级数N 256 每个段再16等分 即每个样值信号经量化后编成8位码 由8位码组成一个码字来近似表示 1 编码的码型在话音信号编码中通常采用三种码型 一般二进码 自然二进码 循环码 格雷码 和折叠二进码 在数字通信中按 律和13折线规律进行量化编码时一般采用折叠二进码 它与普通二进码的区别在于 幅值为负的幅度码是由幅值为正的幅度码 上半部 对折而成的 因此得名为折叠码 37 38 2 编码位安排我国数字通信设备 PCM30 32路基群 话音信号变为数字信号即A D变换 是按CCITT建议 采用13折线 A 87 6 规律进行量化 每个样值信号编8位码 A律与13折线的非均匀量化段是奇对称的上 下8个量化段 如图1 14所示 每个量化段又均匀等分为16个量化级 如采用折叠二进码进行编码 其码字的安排是 码位为8位 分别用a1 a a a a a a a 来表示 a1表示极性码 a1 1表示正极性 a1 0表示负极性 a a a 3位码为段落码 表示8个非均匀量化段 a a a a 4位码为段内码 表示每段均匀分为16等分 38 39 3 逐次反馈编码假设输入样值PAM信号Is 444 按A律和13折线编8位码 1 首先决定极性码为a1 第一次比较 比较判定值为0 则Is 444 0 信号为正 a1 1 以下是幅度编码a a 因为信号的极性已由a 确定 现只对样值信号的绝对值 Is 或 Us 进行幅度编码 编7位码 所以叫幅度编码 它由3位段落码和4位段内码组成 39 40 2 段落码的编码 a a 如图1 14所示 A律和13折线有8段 正半部分 由于23 8 因此用3位码来表示 第二次比较 a 码表示样值信号幅度在8段中的哪4段内 以第5段起始电平为对分点 因此 a 码的判定值应是第5段的起始电平IB5 128 即这时判定值Ig 128 则Is 444 128 a2 1 信号在上四段 即5 8段 第三次比较 a3码表示信号幅度在四段中的哪两段内 例中应以第7段的起始电平IB7 512 为对分点 a3码的判定值Ig 512 则 Is 444 512 a3 0 信号在上四段中下两段 即5 6段 40 41 第四次比较 a4码表示样值信号幅度在两段中的哪一段内 例中应以第6段的起始电平IB6 256 为对分点 a4码的判定值Ig 256 则 Is 444 256 a4 1 信号在两段中的上一段 即第6段 幅度码经以上二 三 四次比较 所得段落码a2a3a4码为 101 信号在第6段 起始电平IB6 256 第6段的量化间隔 6 16 即第6段平均16等分其每等分是第1段16等分的16倍 41 42 3 段内码的编码为a5 a8 段内码表示每段均匀等分16等分 16个量化级24 16 要编4位码 a5 a6 a7 a8 段内码判定值的提供 可用下式表示 每一量化段的起始电平为IBi 判定值为Ig 编下一位码一定要在上一位码已确定的情况下进行 从8 4 2 1来分析 是符合折叠对分规律的 即首先确定样值信号在哪8等分后再确定4等分 2等分 1等分 第五次比较 a5码表示信号在本段内16等分中哪8等分内 就应以此段第8等分为分界点 其判定值这里应为IB6 256 6 16 则Ig IB6 8 6 256 8 16 384 Is 444 384 a5 1 第6段的上8等分 42 43 第六次比较 a6码表示信号在上8等分中哪4等分内 应以此等分为分界点 其判定值这里应为Ig IB6 8 6 a5 4 6 256 8 16 1 4 16 448 Is 444 448 a6 0 9 10 11 12等分 第七次比较 a7码表示信号在上4等分中哪2等分内 应以此为分界点 其判定值在这里应为Ig 416 a7 1 11 12等分 第八次比较 a8码表示信号在上2等分中哪1等分内 应以此为分界点 其判定值在这里应为Ig 432 a8 1 此段的12等分内 43 44 10 数字传输数字传输是指在通信系统中进行数字脉冲的直接传输 如电缆等有线信道的传输 属于基带传输 图1 17带限滤波器的典型脉冲响应 如何避免干扰 44 45 无码间干扰的条件 奈奎斯特第一准则 1924年 奈奎斯特 Nyquist 就推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式 理想低通信道下的最高码元传输速率 2WBaud其中W是理想低通信道的带宽 单位为赫兹 Baud是波特 即码元传输速率的单位 1波特为每秒传送1个码元 45 奈奎斯特频率与奈奎斯特速率奈奎斯特频率奈奎斯特速率 46 11 数据通信中异步通信的方法对每一个数据编码加上一些固定的特殊码 如起始位 奇偶校验位和停止位等 便组成一个数据帧 图1 32起始式异步通信数据的帧格式 47 47 12 复用与多址 复用 提高传输速率 多址 实现多点通信 48 48 多路复用的种类 如何区分信号 49 49 常用的多址方式 4 码分多址 5 混合多址 1 频分多址 2 时分多址 3 空分多址 频率 时间 空间和波形的分割 将不同地址的信号区分开来 50 50 13 光纤及其传输特性光纤实际上是一个圆柱形波导 具有传播高频电磁波的能力 光纤由具有高折射率的纤芯和具有低折射率的包层材料构成 具有高折射率的材料充当传播介质 类似于矩形金属波导中的空气介质 能够传导电磁波 具有低折射率的材料充当波导的管壁将电磁波的能量限定在波导内 51 51 按结构分类 阶跃光纤和渐变光纤 光纤的光学特性决定于它的折射率分布 因此光纤纤芯和包层折射率在制造阶段是沿径向加以控制的 用控制预制棒中掺杂剂的种类和数量的方法来使之产生一定形状的折射率分布 折射率分布的形状有 阶跃 突变 和渐变 高斯 图3 1光纤的折射率分布 a 阶跃分布 b 高斯分布 52 52 阶跃光纤在纤芯中折射率分布是均匀的 在纤芯和包层的界面上折射率发生突变 光纤横截面上的折射率 渐变光纤在纤芯中折射率的分布是高斯变化的 而包层中的折射率通常是常数 53 53 光纤的折射率分布n r 3 1 式中 g是折射率变化的参数 a是纤芯半径 r是光纤中任意一点到中心径向的距离 n1是光纤纤芯中心位置对应的折射率 是渐变折射率光纤的相对折射率差 即 g 2 称为抛物线分布 g 时 即为阶跃光纤 54 54 按光的传播模式分类 单模光纤和多模光纤 图3 2三种光纤的纤芯和包层折射率分布 55 55 常用的三种通信光纤常用的三种光纤为单模阶跃光纤 多模阶跃光纤和多模渐变光纤 下面对它们分别作介绍 1 单模阶跃光纤如图3 2 a 所示 图中n0 n1 n2分别为空气 纤芯和包层的折射率 由于只容许光以一条路径沿光纤传播 因而纤芯是极小的 光束实际上是沿光纤轴线方向向前传播 进入光纤的光几乎是以相同的时间通过相同的距离 56 56 2 多模阶跃型光纤如图3 2 b 所示 除了纤芯比较粗外 其结构与单模光纤相同 这种光纤的数值孔径较大 因此允许更多的光线进入光缆 入射角大于临界角的光线沿纤芯呈 之 字型传播 在纤芯与包层的界面上不断地发生全反射 入射角小于临界角的光线则折射进入包层 即被衰减 此时光纤中的光是沿着不同路径进行传播的 因而通过相同长度的光纤就需要不同的传输时间 57 57 3 多模渐变型光纤纤芯的折射率呈现非均匀分布 中心最大 沿截面半径向外逐渐减小光线在纤芯中不断地从光密介质到光疏介质或从光疏介质到光密界面中传播 因此总是在不停地发生折射 形成一条连续的曲线进入光纤的光线有不同的初始入射角 在传输一段的距离后 入射角度变大并且远离中心轴线的光线要比靠近中心轴线的光线所走的路程长 由于折射率随轴向距离的增大而减小 而速度与折射率成反比 故远离轴线处的光传播速度大于靠近轴线处的光传播速度 因此 全部光线会以几乎相同的轴向速度在光纤中传播 58 58 图3 3光纤的数值孔径的概念 数值孔径 NA 的定义从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射角 max为临界光锥的半角 称为光纤的数值孔径 NumericalAperture 它与纤芯和包层的折射率分布有关 而与光纤的直径无关 59 59 阶跃光纤NA的计算 式中 是光纤纤芯和包层的相对折射率差 数值孔径NA是光纤的一个极为重要的参数 它反映光纤捕捉光线能力的大小 NA越大 光纤捕捉光线的能力就越强 光纤与光源之间的耦合效率就越高 60 60 2 光纤的截止波长截止波长的定义光纤受限于最低频率称为截止频率 低于截止频率的电磁波将不能在波导中传播 相反允许通过波导的最长波长称为截止波长 定义为可在波导内传播的最大波长 截止波长可按下式计算 3 3 其中 C为截止波长 m 61 61 14 微波通信的传输损耗自由空间传播损耗假定收 发天线之间相距为d 且都采用无方向性天线 即电波在立体空间全方向性辐射 发射功率为PT 接收点功率为PR 则自由空间传播损耗的定义为 3 12 或 LbS 92 44 20lgd 20lgfdB 式中 d为收发两地之间的距离 单位为km f为工作频率 单位为GHz 62 62 例如 工作频率f 2GHz 站距d 50km 按式 3 12 可计算出其自由空间传播损耗为LbS 92 44 20lg50 20lg2 132dB由式 3 12 可以看出 自由空间传播损耗LbS只与工作频率和收发两地间距有关 若工作频率提高一倍 或传输距离增加一倍 则自由空间传播损耗将增加6dB 因此 对于发射频率很高的系统 或者传播条件比较恶劣的地区 适当地缩短站间距离是提高传输信道可靠性的有效途径 63 63 采用方向性天线的传播损耗微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线 设收发天线增益分别为GR dB GT dB 收发两端馈线系统损耗分别为LFR dB LFT dB 收发两端分路系统损耗分别为LBR dB LBT dB 所以 在自由空间传播条件下 接收机的输入功率为PRO dBm PT dBm GT GR LFT LFR LBR LBT LbS 3 14 64 64 例如 已知发信功率PT 1W 工作频率f 3 8GHz 两站相距45km GR GT 39dB LFR LFT 2dB LBR LBT 1dB 自由空间传播损耗为LbS 32 44 20lg45 20lg3800 137dBPT 1W 10lgl000mW 30dBm则接收机的输入功率为即 65 65 66 15 移动通信电波传播的特征 移动通信传播特征 66 67 多径效应引起的时延散布现象 67 68 16 分集接收的定义与分类接收端将接收到的衰落特性相互独立且携带同一信息的多路信号 按照一定的规则处理合并起来 使接收的有用信号能量最大 从而降低接收信号电平起伏 提高接收信号信噪比宏分集与微分集微分集 在空间 频率 极化 场分量 角度及时间等方面分离的无线信号 都呈现相互独立的衰落特性 用于减少快衰落的影响 68 69 17 功率控制 改变不同位置移动台的发射功率 69 70 18 大区制与小区制1 大区制由移动通信中电波传播特性可知 一个基站仅能为一定覆盖区内的移动用户提供服务 这样的覆盖区称为无线区 大区制移动通信网是指用一个或者用尽量少的基站来覆盖整个服务区 图3 32大区制结构 70 71 大区制移动通信网的特点希望用一个基站来覆盖整个服务区 因此基站一般都采用较大的发信功率 如30 50W或更高基站天线一般架设在服务区的中心 高度往往很高 以有效接收移动台的微弱信号 尽可能扩大服务区域 其覆盖半径最大可达30 50km为解决因移动台的发射功率小 天线低矮而造成的移动台能收到基站信号 下行信号 而基站收不到移动台信号 上行信号 的问题 可在适当地点设立若干个分集接收台 以保证服务区内的双向通信质量网络结构简单 建网成本低 控制简单 系统容量有限 覆盖有限 频率利用率低 71 72 72 73 2 小区制 图3 33小区制结构 73 74 频率再用若干相邻的小区按一定的数目划分成区群 Cluster 并把可供使用的无线频道分成若干个 等于区群中的小区数 频率组 区群内各小区均使用不同的频率组 而任一小区所使用的频率组 在其它区群相应的小区中还可以再用 74 75 小区制的特点频率利用率高 用户容量大单个基站的服务半径不大 基站和移动台都可以用较小的功率发信 有利于减小电台之间的相互干扰 延长移动台电池的持续工作时间越区切换会引起通话中断系统控制交换复杂 建网成本高宏小区 1km 微小区 200 300m 微微小区 100mGSM系统 市区0 6 3km 郊区3 6km 75 76 区域覆盖 图3 34带状网 面状网 76 77 19 中心激励与顶点激励 图3 37无线区的激励方式 a 中心激励 b 顶点激励 77 78 图3 38定向小区的干扰 顶点激励和定向天线由于 顶点激励 方式采用定向天线 对来自120 主瓣以外的同信道干扰信号而言 天线的方向性能提供一定的隔离度 降低了同信道的干扰同频干扰的降低 可以降低同频复用的距离 增加频率复用的次数 所以顶点激励能进一步提高频谱的利用率 78 20 GSM蜂窝移动电话系统 图6 2GSM蜂窝移动电话系统结构示意图 79 79 归属位置寄存器 HLR 这是GSM系统的中央数据库 存储着该HLR控制区内所有移动用户的管理信息 其中包括用户的注册信息和有关各用户当前所处位置的信息等 每一个用户都应在入网所在地的HLR中登记注册 访问位置寄存器 VLR 这是一个动态数据库 记录着当前进入其服务区内已登记的移动用户的相关信息 如用户号码 所处位置区域信息等 一旦移动用户离开该VLR服务区而在另一个VLR中重新登记时 该移动用户的相关信息即被删除 80 80 21 扩频通信 时域 频域 功率 频率 Bw Bs 100 扩频信号带宽 原始信号带宽 81 81 扩频通信原理 图6 14扩频通信的基本原理 82 82 扩频码序列定义 一种具有近似于随机信号的性能的周期性脉冲信号 亦即具有近似于白噪声的性能 83 信号 PN1 宽带信号1 宽带信号1 PN1 信号 PN1 PN1 原始窄带信号 宽带信号2 PN1 信号 PN2 PN1 宽带干扰信号 发射端 接收端 自相关函数为脉冲函数 互相关函数为0 83 扩频码的作用当收到的信号与本地码相匹配时 所需要的有用数字信号才能恢复到其扩展前的原始带宽 还原成原始信号任何不匹配的输入信号则被本地码扩展为宽带信号 其功率谱密度大为减小 形成远小于信号幅度的干扰经过解扩后无用信号具有宽带谱 而有用信号则呈原始的窄带谱 这样利用窄带滤波器便可以滤除有用信号带外的干扰 使得带内信号电平高于干扰电平 从而使输出带内信噪比大大改善 这就提高了系统的抗干扰能力 84 84 扩频技术的分类 直接序列扩频 跳频 跳时 85 软切换 图6 17软切换与硬切换示意图 a 软切换 b 硬切换 86 86 软容量 用户1 用户2 用户3 用户4 TDMA FDMA 时隙或频段 无法接入 用户1 2 3 4 5 CDMA 信噪比下降 通话质量降低 87 87 22 最后一公里 接入问题 最后一公里 是个比喻 是指将家庭和办公室连接到运营商网络和Internet的任何通信连接 88 运营商网络 88 存在的困难 骨干网络通常使用的单模光纤非常昂贵 家庭及个人用户或小型商业用户等处于网络终端地位的用户难以使用 且大