现代数字通信技术-第一章-概述ppt课件

.,1,现代数字通信技术,杨志yangzhi2698,.,2,本课的参考文献,1现代数字通信：高强等，高等教育出版社，2010年2数字通信原理：RobertG.Gallager，人民邮电出版社，2010年,.,3,本课的主要内容,绪论基带传输数字调制同步技术多址技术同步数字体系SDH交换技术,.,4,第一章绪论,通信系统的组成通信信道及其特征信道的数学模型衡量通信系统性能的质量指标数字通信发展的回顾与展望,.,5,1.1、通信系统组成及分类,1、通信系统组成,模型概括地反映了通信系统的共性，根据研究对象及所关心问题的不同将会使用不同形式的较具体的通信系统模型。,.,6,现代通信系统传输的消息是多种多样的，可以是符号、文字、话音、数据和图像等等，各种不同的消息分成两类：模拟消息：状态连续变化的消息：如语音、图像离散消息：消息的状态是有限的或离散的，如符号、文字、数据等。,.,7,根据传输介质有无可分为无线通信和有线通信。无线通信还可分为卫星通信、移动通信等。有线通信可分为载波通信、光纤通信等。根据基带信号(一般指未调制过的信号)是模拟信号还是数字信号，分为模拟通信系统和数字通信系统。,2通信系统分类,.,8,（1）模拟信号与模拟通信系统,模拟信号指基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态数无限，如正弦信号、语音信号、图像信号等；或已调信号(载波一般为正弦信号)的参数即幅度A、频率F、相位P状态数无限。模拟信号波形举例,.,9,原始的电信号通常具有很低的频率分量，由于多用户通信和信道特性的需要，模拟通信系统通常需要调制和解调技术。,经过调制的已调信号具有两个特点：携带有消息；适应在信道中传输；,.,10,（2）数字信号与数字通信系统,数字信号指基带信号的瞬时值状态数有限，如计算机、电报机等输出的信号；或已调信号的参数幅A.频F.相P状态数有限。数字信号波形举例：,.,11,数字通信特点：数字信号传输时，可通过差错控制编码来控制信道噪声或干扰所造成的差错。能实现保密通信便于大规模集成，计算机进行信息处理数字通信系统可以传输模拟信号处理各种综合信息（ISDN、宽带、多媒体）必须同步（码元同步、帧同步）占用频带较宽,.,12,第一章绪论,通信系统的组成数字通信系统及主要技术通信信道及其特征信道的数学模型衡量通信系统性能的质量指标数字通信发展的回顾与展望,.,13,1.2数字通信系统模型,数字通信的基本特征：传输离散的信号或数字，强调已调参量与基带信号之间的一一对应。,数字序列,.,14,数字通信主要技术,信源编解码技术数字信号基带传输调制解调技术纠错码（信道编码）复用、复接与多址同步技术数字传输技术数字交换技术,.,15,1.3通信信道及其特征,作用：在发送机与接收机之间提供了连接问题：加性噪声可用的信道带宽,.,16,信道是通信系统必不可少的组成部分。一般来说,实际信道都不是理想的。首先，这些信道具有非理想的频率响应特性，另外还有噪声和信号通过信道传输时搀杂进去的其他干扰。信道的频率特性及噪声和干扰将影响信息传输的有效性和可靠性。1、信道的定义a、狭义信道狭义信道是发送设备和接收设备之间用以传输信号的传输媒质。分为两大类:,.,17,b,.,18,2.信道分类,恒参信道随参信道,.,19,双绞线,作为一种传输介质它是由二根包着绝缘材料的细铜线按一定的比率相互缠绕而成。因为这种相互缠绕改变了电缆原有的电子特性。这样不但可以减少自身的串扰，也可以最大程度上防止其它电缆上的信号对这对线缆上的干扰。双绞线分类：(1）双绞线按其绞线对数可分为：2对，4对，25对。（如2对的用于电话，4对的用于网络传输，25对的用于电信通讯大对数线缆。(2)按频率和信噪比可分为：3类，4类，5类和超5类。现在很多地方已经用上了六类线甚至七类线。用在计算机网络通信方面至少是3类以上。以下列出各类线说明：,恒参信道,.,20,双绞线,一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4kps的数据传输，常见于使用4kps规范令牌传递协议的旧的令牌网。三类：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10kps的数据传输，主要用于10base-T四类：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16kps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T.五类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。,.,21,光缆,以光导纤维为传输煤质，光波为载波的光纤信道，其损耗低、频带宽、重量轻。,.,22,对称电缆,在同一个保护套内有许多对相互绝缘的双导线的传输媒质。材料是铝或铜，直径为0.41.4mm，可传24路电话，频率范围12108KHz。,.,23,同轴电缆,由两个同轴的导体构成，外导体是一个圆柱形的空管，内导体是金属线，中间是塑料或空气。根据不同的电缆，可传输30010800路电话，可用频率范围是6060000KHz，可用频率非常宽。,.,24,卫星通信,卫星通信是微波通信的一种。它是利用人造地球卫星作为中继站，来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。具有通信容量大、覆盖面积广、传输损伤小、抗干扰能力强等优点。,.,25,相对于长波、中波、短波而言，微波通信是使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz-3THz）的电磁波进行的通信。它具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点。在空间沿直线传播是微波通信的重要特点。因为直线传播的特点，因为地球表面是个球形，因为空间多种因素的影响，所以“接力通信”是微波通信组网的主要方式。,.,26,短波电离层反射信道,电离层是由分子、原子、离子及自由电子组成。形成电离层的主要原因是太阳辐射的紫外线和x射线。离地面：60km600km,随参信道-,.,27,短波电离层反射信道,工作频率：满足两个条件：最高频率小于最高可用频率使电磁波的吸收较小最高可用频率：取决于：电离层电子密度的最大值以及电磁波投射到电离层的入射角。临界频率f0：当垂直入射时，能从电离层反射的最高频率为临界频率。最高可用频率MUF：以角入射时，能从电离层反射的最高频率。,.,28,对流层散射信道,在对流层中，由于大气湍流运动等原因产生了不均匀性，故引起电磁波散射。是一种超视距的传播信道，其一跳的传播距离约为100500km，可工作在超短波和微波波段。可提供12240个频分复用的话路。传播途径：离地面10km12km以下的大气层,.,29,主要特征衰落：信号电平是不断随时间变化的。快衰落：即信号振幅和相位的快速随机变化。慢衰落：取决气象条件传播损耗：无线电波经散射传播能量的总损耗。散射损耗自由空间的能量散射损耗信道的允许频带：多径传播造成的。,对流层散射信道,.,30,无线信道,特点：都存在多径传播（即由发射端发出的信号可能通过多条路径到达接收点）。每条路径的衰减及时延都是随时间变化的。对信号的衰减随时间而变化。引起衰落和频率弥散,.,31,瑞利分布：均匀分布：,.,32,_频率选择性衰落,可见，两径传播的结果将对不同的频率有不同的衰减，甚至出现了传输零点和极点，这就是所谓的频率选择性衰落。显然，当一个传输波形的频谱宽于1/(t)时(t)表示有时变的相对时延，传输波形的频谱将受到畸变。,.,33,水声信道,可以表征为：多径信道原因：海洋表面和底部对信号反射的缘故。信号多径分量的传播迟延是时变的，导致信号的衰落。,.,34,1.4数字通信系统性能指标,通信系统指标：可靠性、有效性、适应性、标准性、经济性以及维护费用等主要考虑的指标：有效性：代表“信息传输容量”问题可靠性：代表“信息传输质量”问题,.,35,数字通信系统性能指标,数字通信系统主要性能指标：有效性指标：传输速率：码元传输速率，信息传输速率。频带利用率：传输速率/信道带宽可靠性指标：差错率：误码率、误比特率。,.,36,一、传输速率(1/2),定义：每秒中传送的码元的数目二进制码元速率与多进制码元速率的区别：,*注意：在无特别声明的情况下，每个二进制码元规定含有1bit的信息量，信息速率与码元速率的关系为：,每个码元传输所占用的时间TB（秒，S）为码长,则RB=1/TB(波特,Baud),.,37,传输速率(2/2),RBRb，因为多进制码元要用多位二进制表示，所需传输时间长，传输速率降低。例如：四进制有-3，-1，1，3四个代码，每个代码含有2bit信息量，码元周期为2倍,.,38,二、差错率,误码率：误信率：或称为误比特率，指码元的信息量在传输系统中被丢失的概率,.,39,4数字通信发展的回顾与展望-有线通信的历史,1799年Volta发明电池；1837年S.Morse发明电报（变长度信源码）；1844年华盛顿巴尔的摩电报演示；1858年第一条横跨大西洋的越洋电报电缆建成；1875年E.Baudet发明定长信源码；1876年Bell申请电话专利；1877年建立Bell电话公司；,.,40,1906年DeForest发明电子三极管放大；1915年实现横跨美洲大陆的电话；二次大战和经济大萧条推迟了越洋电话业务；1953年建立第一条横越大西洋电话电缆；1897年Strowger发明步进制自动交换；1960年Bell实验室发明数字交换；1966年英籍华裔科学家高锟发表了关于通信用光纤的划时代的第一篇论文，1970年康宁公司拉制出了世界上第一根低损耗光纤。在过去50年中电话有极大发展，长途光缆代替铜缆；,.,41,4数字通信发展的回顾与展望无线通信的历史,1820年Oersted发现电流产生磁场；1831年Faraday发现导线作切割磁力线运动产生感应电流；1864年Maxwell提出电磁场方程，预言电磁波存在；,1894年O.Lodge发明粉末检波器，在牛津检测到150码远发出的无线信号；,.,42,1895年Marconi发明的无线电报，传输2公里；1897年Marconi申请无线电报专利，建立无线电报公司；1901年12月12日Marconi在加拿大纽芬兰岛收到从英国Cornwall发出的无线信号，传输距离1700mile.1900年专利调谐电话获得批准，专利号为No.7777；同年公司改名为Marconi公司；1907年获诺贝尔物理奖,1904年Flemin发明电子二极管；1906年DeForest发明电子三极管放大；1920年AM广播在美国Pittsburgh开通；,.,43,在一次大战中E.Armstrong发明超外差AM接收机；1933年E.Armstrong发明FM；1929年美国人Zworykin发明电视；1933年英国BBC广播电视开通；近50年来通信的发展1947年Brattain,Bardeen,Shockley发明晶体管；,W.SHOCKLEY(1910-1989),J.BARDEEN(1908-1991),W.H.BRATTAIN(1902-1987),.,44,1955年Bell实验室皮尔斯（Pirece）提出卫星通信；1962年TelstarI卫星发射，转播欧、美之间电视广播；1965年发射商用通信卫星；1958年Townes,Schawlow发明激光；1966年英国学者高锟（K.C.Kao）与霍克汗姆（G.A.Hockham）发明了通信用光纤；1958年Kilby发明集成电路；,.,45,70年代末Bell实验室提出蜂窝式无线公众移动通信网；目前2G3G4G；,Clinton总统給R.Frenkiel授奖,.,46,通信系统理论1924年奈奎斯特（Nyquist）研究表明带宽为W的信道最多可以支持每秒2W个符号的无码间干扰传输，现代数字通信的开端。1928年维纳（Wiener）提出滤波理论和预测理论，奠定了控制论；1943年诺斯（D.O.North）提出了匹配滤波器理论；1947年苏联学者卡捷尔尼可夫（Kotelnikov）发展了信号的几何表示理论，并建立了信号的潜在抗干扰理论；上世纪40年代，赖斯（O.Rice）关于随机噪声的数学研究；1948年Shannon建立信息论（通信的数学理论）1950年Hamming提出纠错编码；之后在Shannon理论指导下，各种信道纠错编码，信源压缩编码，调制方式，多用户通信理论，网络理论，扩谱理论，多天线理论，合作通信理论等蓬勃发展起来；,.,47,C.Shannon(1916-2001),.,48,4数字通信发展的回顾与展望（1）,1837年电报最早的数字通信系统S莫尔斯（SamuelMorse)1875年电报码E博多，等长码，传号和空号（EmileBaudot)1924年奈奎斯特（Nyquist）在数字通信中起重要作用指出：最大脉冲速率是2脉冲/秒，：表示带宽采样脉冲：1948香农（Shannon)带宽为的信号可以由它以Nyquist速率2样值/秒抽样的样值。通过下列插值公式重构：,.,49,4数字通信发展的回顾与展望（2）,1928哈特莱（Hartly)存在一个能在带限信道上可靠通信的最大数据速率1942维纳（Winer)线性维纳滤波用来观测估计期望的信号波形可以得到最好的均方近似哈特莱和Nyquist关于数字信息最大传输速率的研究成果是香农研究工作的先导，是通信中的数学理论，他对信源的信息含量采用了对数