微波通信和光纤通信

1、微波通信和光纤通信微波通信和光纤通信 华东师大电子系 2005内容：o微波通信o光纤通信目的：o了解微波通信系统的原理、组成、性能等o了解光纤通信系统的原理、组成、性能等使用教材：o微波通信和光纤通信微波通信和光纤通信 讲义（自编）教学参考书：o通信系统，洪福明，西安电子科大出版社o通信系统，王秉钧，西安电子科大出版社o现代电信技术概要，王静，北京邮电大学出版社o光纤通信，刘增基，西安电子科大出版社o光纤通信系统，顾畹仪，北京邮电大学出版社oSDH微波通信系统，傅海洋，人民邮电出版社o现代通信系统和信息网，陈永甫、谭秀华，电子工业出版社内容安排内容安排 o通信概论 主要介绍通信系统的基本概念，

2、包括系统的模型和分类，信号和载波，信道和信息量及现代通信的新技术和新特点。o微波中继通信系统 主要介绍微波中继通信的基本概念，天线的基本参量和工作特性，地面和空间对无线电波传播的影响，模拟和数字信号的调制方法和信道的分配。引入噪声分析的基本方法，明确载噪比和信噪比的相互关系。 o光纤通信系统 主要介绍光纤通信的基本原理，光纤的特性，发光器和光电检测器件、光网络通信技术以及光纤通信系统的设计要求。第一章 通信概论第一节 绪 论o通信的任务是有目的地进行信息的传递。信息可以是语言、文字、符号、音乐、图像和数据等。随着现代科学技术的发展，一方面通信的技术和手段日新月异；另一方面，人们对借助于通信工具

3、进行信息交流的需求也越来越迫切，因此通信已经成为社会经济发展的新的推动力量。 o从通信技术方面来看，随着数字通信技术的发展，大容量、高可靠性、高保密性大容量、高可靠性、高保密性和智能智能化化使得信息的传递更为方便和及时。大容量体现在工作频段的提升和多址技术及数字压扩技术等一系列数字信息处理技术的提高；高可靠性和保密性体现在新通信体制的建立、通信设备性能的提高以及编码和纠错编码能力的增强；智能化得益于计算机技术的飞速发展。 o从通信手段方面来看，人们已不再局限于短波通信、模拟微波中继通信、机电式电话交换机及长途同轴电缆载波通信，数字微波中继通信、卫星通信、光纤通信、移动通信、程控交换及计算机网络

4、通信已走进了人们的日常生活中，这些通信手段给社会编织了一个巨大的通信网，使得距离不再成为限制人们进行信息交流的障碍。 o从人们对通信的要求来看，人们对通信的需求越来越广泛，对通信质量的要求也越来越高，无论何人，在无论何地，在无论何时，都能与他（她）所想要通信的人进行任何信息交流，都能随时得到他（她）想了解的任何信息，将成为通信的最终目标。 第二节第二节 通信的发展通信的发展o通信发展的历史可追溯到远古，当时人类交往时，已开始用最原始而单一的声、光方式进行远距离示意和最原始的信息交流通信。但随着人们对自然界认识的不断加深，使通信发展为借助于电来实现信息交流。因此就有了现代通信和它的发展历史。一、

5、通信的发展基础一、通信的发展基础o电磁学的三大定律库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律构成了电磁学的理论基础，在此基础之上，麦克斯韦尔推导出著名的麦克斯韦尔方程，于1864年预言了电磁波的存在。历经了23年后，赫兹于1887年用他著名的实验证实了空间中电磁波的存在。而真正用电磁波来传送信息，是在1898年英国科学家马可尼成功地进行了穿越英吉利海峡的无线电通信试验，他的成功，标志着无线电通信的开始，即现代通信时代的开始。因此，现代通信的历史已超过100年。 二、通信技术的发展过程二、通信技术的发展过程 通信的发展从一开始就是和电子技术紧密相连的，电子科学技术的每一点突破都带动了通信从低层次向高

6、层次的发展，因此它的发展过程实际上就是电子技术发展的缩影。从通信发展的历史来看，下列的一些创造发明串联起来构成了现代通信由低级向高级的发展过程：o1876年Bell发明电话, 有线通信开始;o1898年成功进行了无线通信试验；o1906年制成了世界上第一个电子管；o1907年收音机制作成功，语音广播正式运转； o1936年电视机问世，电视广播出现；o1945年雷达出现；o1946年制作成功了世界上第一台计算机；o1947年出现了半导体晶体管；o1956年微波中继通信开通；o1962年成功地进行了卫星通信；o1969年出现计算机网络；o1976年光纤通信正式开通业务；o1978年出现卫星广播电视

7、；o1980年移动通信、可视电话相继出现;o1993年信息高速公路，宽带多媒体信息传送;o2000年第三代移动通信系统。 o到了二十世纪八十年代，现代通信进入了一个高速发展的时期，新的通信手段相继出现，通信已不再局限于电报、电话，而发展为大容量、高质量和高可靠性的数字和数据通信日益普及，各种通信手段相互融合，取长补短，使得通信更具灵活性和实时性，极大地提高了人们的生活质量。第三节第三节 通信的模型和分类通信的模型和分类o一、仙农模型一、仙农模型 信源(基带)信号 信道信号 信道信号 信源(基带)信号 信 源 调 制 发 送 信 道 接 收 解 调 信宿 噪 声 o1. 信源信源 需要传递的信息

8、，它包括连续信息和离散信息。连续信息，如语音、文字、图象等等；离散信息，如脉冲编码、电报、数据等等。 由信源输出的消息电信号通常称为基带信号。基带信号。 o2. 调制调制 为信源提供载体。由于信源输出的电信号通常是一些频率相对较低的基带信号，为了使得系统能够传送更多的信息和更远的距离，需要把信源信号调制到更高频率的载频上。调制的方式有多种：o 模拟信号的调制方式有： 调幅（AM）； 调频（FM）； 单边带（SSB）； 脉冲幅度调制（PAM）； 脉冲宽度调制（PWM）； 脉冲相位调制（PPM）等等。o数字信号或由模拟信号转换而成的数字信号的调制方式有： 幅度键控（ASK）； 移频键控（FSK）；

9、 相位键控（PSK，DPSK） 正交幅度调制（QAM）等等。 经调制后输出的信息通常称为信道信号信道信号。 o3. 发送发送 对调制后的信号进行进一步的频率提升，功率放大，直接向信道发送。当信道为无线空间时，功放信号通过天线将馈线中的射频电流或导波能量转换成无线的电磁波，向空中辐射。 o4. 信道信道 发送端和接收端之间信息传递的通道。它包括有线信道有线信道和无线信道无线信道。o有线信道包括电缆、波导、光纤、光缆等等，它们将发信机和收信机通过导线或波导连接起来，使信号在传输过程中不受外界的影响，它们的“窗口”是发送和接收端口的接头或插座，它们对信号造成的损耗或色散会随着通信距离的增加而增大。

10、o无线信道主要是自由空间。信号通过它们的“窗口”发射和接收天线进入自由空间或接收机，信号会在自由空间中不断发散，自由空间会对信号造成吸收、散射、反射，自由空间中物体（地物、大气等）的存在、运动和变化都会对信号造成一定的影响，从而形成信号的多径效应、相位起伏和空间衰落。 o5. 噪声噪声 噪声是掺入信号中的无用信号，它不含有接收端所需要的消息，它的存在，造成了接收信号的质量下降。从系统的角度来看，噪声可以分成以下三类：o（1）系统内部的热噪声，也称为加性噪声加性噪声。它是由于系统内部器件中分子热运动而产生的。 o（2）非线性交调噪声，也称为乘性噪声。它是由于器件的非线性使得电路中产生新的频率分量

11、叠加在信号上而形成的。o（3）外界干扰噪声。在接收机接收信号时，外界的各种无用信号也不可避免地被接收进来，这些无用信号包括：天电、天体、人为干扰、随机干扰和大气噪声等等。它们和有用信号叠加在一起，形成干扰噪声。o噪声的加入，使得接收信号接收信号成为确知（有用）信号和随机信号的复合体。 o6. 接收接收o接收是发射的逆过程，它直接接收（有线）或通过天线接收（无线）经过信道传来的载波信号，并对接收到的信号进行一定的预处理，包括信号的放大、滤波、频率变换等等。o对接收部分要求为：要有与载波信号相应的频响特性、高灵敏度、前置低噪声、一定的增益以及好的线性工作范围等等。 o7. 解调解调 解调是从载波中

12、取出所需要接收的基带信号。有模拟信号的解调和数字信号的解调。解调的方式对应于调制方式的逆过程。 o8. 恢复（信宿）恢复（信宿） 恢复是接收设备对基带信号处理的分系统，其功能是恢复原型信号。它将连续信号送到扬声器、监视器、录音机、录像机和记录仪等终端设备；将离散信号进行存盘、打印或进行网络转接等处理。二、通信的分类二、通信的分类 o现代通信是一个综合的信息交流途径，它的应用领域十分广泛，因此，按照不同的特征、手段和应用范围，通信可有多种不同的分类方式。 o1. 按通信信号的传输特点来分：按通信信号的传输特点来分： 通信可分为有线传输和无线传输两大类。o有线传输的载体是电缆、波导、光纤、光缆等等

13、；o无线传输的载体是自由空间、电离层、地表层、大气波导、中继站（有源或无源）、卫星转发等。 o2. 按信号本身的特点来分：按信号本身的特点来分： 通信可分为模拟通信、数字通信、数据通信模拟通信、数字通信、数据通信三类。o模拟通信模拟通信是将实际信号调制成电流、电压、相位或频率随时间而变化的模拟函数（即函数波形可模拟成基本与原信号波形相似），而不进行量化处理，调制后信号的波形大多数是连续的（如AM、FM、SSB等），也有少数是离散的（如PAM、PWM、PPM、PFM等）。噪声信号多数为模拟形态，易串入模拟信号中。 o数字通信数字通信是经过量化后的模拟信号并经数字编码调制成幅度、相位或频率随之变化

14、的数码函数（其函数波形与原信号波形相关，但绝对不相似），其信号的基本要素是0和1，调制的方式有PCM、ASK、FSK、PSK、QAM等等，数字通信相对于模拟通信而言，信息容量大、通信质量高、可靠性和保密性强。噪声信号呈数字形态极少，更不可能与消息码一致，故数字通信质量远优于模拟通信。 o数据通信数据通信是在数字通信的基础上，将大量的数字信号调制成实际的载波进行通信。数据通信通常是以智能化设备（如计算机、传真机等）作为信源或终端的。它本身也是一种数字通信，但相对于通常意义上的数字通信来说，它传送的信息量更大，速率更快，可靠性更高。 o3. 按信号在空间的传播的特点来分：按信号在空间的传播的特点来

15、分：o通信可分为地下波通信、地波（爬行波）地下波通信、地波（爬行波）通信、天波通信、空间波通信通信、天波通信、空间波通信等。o地下波通信地下波通信的频率范围为3k30kHz，它的电波传播空间为地表面以下1530km的区域，在此区域中的电波传播时受到的衰减很小，又不受地表环境的影响，因此，可传播的距离很远，保密性也比较强，可用于军事通信和地震预测预报。 o地波通信地波通信的频率范围是30k3MHz，它沿着地球表面爬行传播，可传播的距离远，广泛地应用于调幅语音广播（535K1605KHz）。o天波通信天波通信的频率范围是3M30MHz，信号通过离地面高度为100300km的电离层反射传播，因此可传

16、播的距离也非常远。可环球通信，在出现卫星通信前，全球通信就是利用天空波通信来实现的。这个频段通常也用来进行短波广播和业余无线电通信。 o空间波通信的频率范围是30M100GHz，它的显著特点是信号沿直线传播且能穿透电离层，也称为视距传播。由于信号频率比较高，信道容量大，因此雷达、广播电视、移动通信、微波通信、卫星通信等都是在这个频率范围。 o4. 按通信手段来分：按通信手段来分：o有线通信有线通信手段方面有：有线电话、有线电视、计算机网络通信和光纤通信等；无线通信无线通信手段有：卫星通信、移动通信、微波中继通信、短波通信、地波通信、地下波通信等等。o（1）有线通信的显著特点是发射和接收端通过导

17、线（电缆、波导等）直接相连，它的优点是通信线路稳定可靠，不易受到外界环境的影响，缺点是灵活性不够。 o计算机网络通信利用计算机作为终端，在互联网络上可进行数据和各种信息的交流，是社会经济、金融和生产力发展的支柱产业；o光纤通信把电信号调制在频率非常高的光信号上，通过光缆来传送信息，随着光调制和解调技术的不断提高，光纤通信传送信息的容量也越来越大，把光纤通信和计算机网络通信结合起来，用光纤作为传送计算机数据信息的通道，就构成了信息社会最具发展前景的通信手段信息高速公路。 o（2）无线通信无线通信与有线通信正好相互补充，它灵活机动，但易受外界环境的影响。o卫星通信是通过卫星来转发或中继信号，可传送

18、的距离远，覆盖面广，且费用与传送的距离无关，可广泛用于全球通信和全球计算机信息网、区域通信和国内通信，卫星广播电视具有大面积的覆盖能力，经济和社会效益巨大；o移动通信通过控制交换中心和基地站，把移动终端和其它通信终端连接起来，它的容量适中，便于区域性使用，发射接收方便，调频广播、无线电视、雷达等通信也在此频段； o微波中继通信主要用于长距离接力通信，容量较大，技术成熟；o短波通信是利用电离层对短波信号的反射来进行长距离、大范围的信息传递，用于SSB通信、短波广播、业余无线电通信等等；o地波通信使用的频率较低，作用距离远，主要用于调幅语音广播，它的覆盖范围大于移动通信；o地下波通信传输距离远，手

19、段较为隐蔽。5. 按频谱波段来分：按频谱波段来分：o按照载频频率的不同，通信信号可以划分成不同的频段： o频频 段段 英文缩写英文缩写 频率范围频率范围o超长波 VLF 3K30KHzo长 波 LF 30K300KHzo中 波 MF 300K3MHzo短 波 HF 3M30MHzo米 波 VHF 30M300MHzo分米波 UHF 300M3GHzo厘米波 SHF 3G30GHzo毫米波 EHF 30G300GHzo亚毫米波 300GHz3000GHzo光 波 SW(0.820.85) (353365.8)THzo LW(1.321.55)(193242.4)THz o上述的微波频段通常又可分

20、成以下几个波段波段名称波段名称 L S C X Ku K Ka频率范围频率范围12 24 48 812 1218 1827 2730（GHz）第四节第四节 信号及其载波信号及其载波一、信号的分类一、信号的分类 *信号的定义定义 通信的信号就是系统所传递的信息通信的信号就是系统所传递的信息。 *信号的分类 1. 按消息的载体分类：按消息的载体分类： （1）基带信号原型信号，是带有消息的最低频率的信号，如语音、图象、数据等； （2）载波信号载有基带的高频信号，又有主载波和副载波之分。 2. 按调制方式来分：按调制方式来分：（1）模拟信号基本是连续信号形式，如AM、FM、SSB等模拟调制的信号；（2

21、）数字信号基本是离散信号形式，如M、PCM（信源码）和ASK、FSK、PSK、QAM（信道码）等数字调制的信号。二、载波信号的数学模型二、载波信号的数学模型1. 模拟调制信号模拟调制信号（1）调幅信号的数学模型及其特点）调幅信号的数学模型及其特点 调幅信号的特点是基带信号调制载波的幅度，调幅信号的特点是基带信号调制载波的幅度，载波的频率不变。其数学模型为：载波的频率不变。其数学模型为： 其中，其中，Ka为转移因子，或称为为转移因子，或称为调幅因子调幅因子；M(t)为基带信号为基带信号, 如如 ； C为载波频率。为载波频率。S tAK m t Costac( )( )01m tA Costmm(

22、 ) o调幅信号的解调采用包络检波的方式，串联检波二极管后，并联高频滤波电容和负载，即可恢复基带信号。*载噪比载噪比C/N与信噪比与信噪比S/N 若调幅信号的调制度为，解调前载波功率和噪声功率之比（载噪比）为C/N，解调后，信号功率和噪声功率之比（信噪比）为S/N，则有： 对于调幅信号来说，解调后输出的信噪比总解调后输出的信噪比总是小于输入的载噪比。是小于输入的载噪比。SNCNAMAM222（2）调频信号的数学模型及其特点o调频信号的特点是基带信号调制载波的频率，载波的幅度不变，其数学模型为： Kf为调频因子。 S tA CostKm t dtcft( )( )002调频信号的解调调频信号的解

23、调过程可分为以下三个步骤：限幅、鉴频、包络检波。调频信号 等幅调频波 调频调幅波 基带 限 幅 鉴 频包络检波 o在限幅过程中，削去了大量以幅度形式叠加在信号上的噪声电平，而调频信号本身是等幅的，因此不受影响。这是调频信号能够获得调频改善因子的原因。 o鉴频电路实际上是一个频偏和幅度的转换装置，它的典型工作特性可用S曲线来表示。以fC为中心，在频率范围内，和A之间基本上是线性关系，因此如果调频信号的最大频偏 ，就能得到较好的鉴频效果。 Afc 2ff22Ff o若基带信号的最高频率为，则调频信号的调制度为 ，通常情况下，的取值范围在 18之间。设输入信号的载噪比为C/N，解调后的输出信噪比为S

24、/N，有 其中IM为调频改善因子，总是大于总是大于1。SNCNICNFMFMMFM322Ffm 调频信号的载波工作带宽 ，而载波频率 ，因此，调频信号的载波频率不得低于调频信号的载波频率不得低于3倍的基带信号最高频倍的基带信号最高频率，率，这就是著名的的卡松定则卡松定则。BFfffmmm2213()()fBc （3）单边带信号的数学模型及其特点单边带信号的数学模型及其特点o单边带信号的特点是载波中不包含载频信号，且只含有一个基带信号的频率分量。 “”表示为上边带的单边带信号， “”表示为下边带的单边带信号； 表示一对正交函数，例如若 ，则，S tft Costft Sintmcmc( )( )

25、( )ffmm,fA Costmm0fA Sintmm0 o基带信号和载频调制以后，得到的载波信号在载频的高端和低端各有一个包含基带信号的频谱，单边带只取其中的一个频谱进行传输，而另一个频谱和载频被滤掉。单边带信号的解调需要加恢复载频，单边带信号的解调需要加恢复载频，和载波差频（解调）后，得到基带信号。单边带信和载波差频（解调）后，得到基带信号。单边带信号解调前后的号解调前后的C/N和和S/N基本相同基本相同，SNCNSSBSSBAM、FM和SSB信号的解调质量比较 dB FM SSB AM 12.8dB(=3) 4.8dB(=1) 输入(/)C Ni dB 60 20 60 20 0 2.

26、数字调制信号数字调制信号（1）脉冲编码调制（PCM） PCM实际上是一种信源码，是将模拟信号脉冲量化后编码的一种数字化的最基本的方法。亦可将PCM称为数字信号的基带信号 T为采样周期，V(mT)表示在mT时刻的信号电压 StV mTtmTTmN( )()()0 o模拟信号量化后是一串间隔为T的离散信号序列，其包络仍具有模拟基带信号的形状。o若要将量化信号转变成一个完整的数字序列，则还要将V(mT)数字编码，变成一串二进制符号，即构成PCM信号。上述过程为模数变换，故PCM又称A/D变换。 （2）幅度键控（ASK) ASK也可称为数字信号调幅，它通过改变载频的幅度来表示传送不同量值的数字基带信号

27、。其数学模型： 式中，IK为数字信号的量值，如对于二进制，它可取0和1，对于m进制，它可取m种不同的数值；g(t)为码元视频脉冲的波形，它决定了某一量值载频的脉冲宽度。StI g tkT CostTkckN( )()()00 o从频域上看，ASK的作用是将基带信号的频谱搬到以载频为中心的频带内，产生上下两个边带，每个边带的频谱结构和各个频率分量的相对关系没有发生实质的变化，因此，这种调制叫做线性调制线性调制。oASK的解调通常采用包络检波包络检波的方法，对信号的幅度进行判决，然后再生基带数字信号。 o非相干ASK的误码率为： o若用同步检波，相干Coh-ASK的误码率： erfc(x)为误差函

28、数，即PeeCN 1214PerfcCNe1212()erfc xedyyx( ) 1220 o从信号质量上看，相对于AM来说，由于在解调过程中进行判决再生，消除了一部分噪声的影响，因此，信号质量优于AM，但是，在信号较弱时，由于大量噪声的叠加，容易造成误码，使通信质量受到影响。（3）移频键控移频键控（FSK） 移频键控也叫数字调频，它通过改变载频的频率来表示传送不同量值的数字基带信号。 其中， 为数字信号量值，取1或0，且有； M为数字信号进制，若M2 ，则为二进制。假设码元为 “0” 时，S T (t) 的瞬时频率为fc1，码元为“1”时， S T (t)的瞬时频率为fc2 NkMicii

29、TtCoskTtgtItS01)()()(I ti( )IiiM11 o这时， S T (t)是频率为fc1和fc2的两个载频振荡按照基带信号的不同取值而交替出现的随机信号序列。 fc1和fc2可以是相关的，也可以是不相关的。若载频振荡相关，转换点相位连续，这种移频键控称为连连续相位移频键控。续相位移频键控。oFSK信号的解调可根据调制采用相干相干或非相干解调非相干解调的方法。相干解调是在解调器中采用与输入载波信号相关的参考信号进行解调；非相干解调只需采用鉴频器。 o从信号质量上来看，FSK由于只有几个载波点频，因此受到噪声的影响较小，具有较强的抗干扰能力。其误码率为： 非相干FSK： 相干C

30、oh-FSK： erfc(x)为误差函数，可查数学手册取值。PeeCN 1212PerfcCNe1212 o若式（110）与式（113）的相等时，则ASK的C/N必须是FSK的一倍，说明FSK的灵敏度比的灵敏度比ASK高高3dB。 （4）移相键控（PSK） 移相键控也叫数字调相，它是用基带数字信号对载频的相位进行控制，从而实现了对载波的调制。依据载波相位变化规律的不同，移相键控又可分为绝对调相绝对调相和相对调相相对调相两种。o绝对调相是用载频的相位作为基准进行调相，有二相移相键控（2PSK）、四相移相键控（4PSK）等等。如2PSK，设码元“0”取已调波与未调波的相位相同，而码元“1”则取两者

31、相差。 o相对调相又叫差分调相，记为DPSK，其调制规律是每个码元的载波相位不是以固定的载频相位为基准的，而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准来确定其相位的取值，有相对二相移相键控（2DPSK）和相对四相移相键控（4DPSK）等等。如2DPSK，假设码元取“0”时，载波相位与前一码元的载波相位相同，而码元取“1”时，载波相位与前一码元的载波相位相差。 o移相键控的数学模型： 式中，M为移相键控的相位数；0为载波的初相位；Ik为第k位码元的数字信息，Ik0，1，2，M1。o从信号质量上来看，一个码元等概率分布的二相移相键控信号相当于一个抑制载波的双边带数字调幅信号，而载波本身并不携带信息，因此

32、PSK的性能优于ASK。Stg tkT eeTjIMkNjtkc( )()()200移相键控的误码率移相键控的误码率PSK： 2DPSK： 4DPSK： o移相键控移相键控传输数字信号的误码率最低，因此可实现最佳传输最佳传输。PerfcCNe12()PeeCN12perfcCNe()第五节第五节 信道与空间信道信道与空间信道一、信道一、信道1. 定义定义 信道就是电波传播（传输）的媒介，可分为有信道就是电波传播（传输）的媒介，可分为有线信道和无线信道线信道和无线信道，有线信道主要包括电缆、光缆、波导等等；无线信道主要是由自由空间及其环境中的物质构成。发射机发出的载波信号经过信道的传输，到达接收

33、机，从而实现了通信。信道对载波的作用和影响决定了通信的质量和距离。o信道具有频响特性、变极化特性和衰减等特性，它对载波的作用体现在信号的损耗、偏振、色散和衰落。2. 参量参量o信道，它对载波信号的作用相当于是电路中的一个网络对信号的作用，因此信道参量就可以用网络函数来表示。对应于不同的分析手段，在时域里，信道参量可以用时间响应函数h(t)来表示；在频域中，信道参量又可以用频率响应函数（又称传递函数）来表示。o信道参量不随时间的变化而变化（相对而言）的信道称为恒参信道恒参信道，如有线信道、地波、正常的空间波等等；信道参量随时间的变化而变化的信道称为变参信道变参信道，如散射传播、天空波等等 3.

34、信道容量信道容量（1）信息量o信息量是指信号中包含未知信息的多少信息量是指信号中包含未知信息的多少。它与某事件出现的概率有关，同时，从某种意义上来说它也与接收者对信息的提取能力和关注程度有关。比如说某一条体育新闻，对爱好体育的人来说，信息量很大，而对于体育不感兴趣的人来说，它的信息量几乎等于零 o如果某一事件A出现的概率为PA，则关于A事件的信息量可表达为： o如果传输n个等概率事件，则每个事件发生的概率为1/n，此时，某一事件的信息量为： bit IPAA log21Ini log2 （2）信息传输速率信息传输速率 信息传输速率是指单位时间内通过某一信道信息传输速率是指单位时间内通过某一信道

35、的信息量的信息量。若某信息量I在信道中的传输时间为T，则此信道的信息传输速率为： bit/s RIT （3）信道容量信道容量 信道容量是指通过实际信道传输信息的极限速率，即。它与信道的频带宽度有关，也和接收设备所要求的信号质量有关。它们之间的相互关系可表达如下： bit/s 其中B为信道带宽。CBSNlog201 o例例1. 黑白电视图象每帧信号由约个象素组成，每个象素由10个可分辨的亮度等级，且都是等概率的。NTSC制电视信号要求每秒钟传输30帧图象，信噪比要求达到30dB以上，求NTSC制电视信号需要的最小频带宽度。 o分析：要求频带宽度必须先求出信道容量，而信道容量可从单位时间内要求传输

36、的信息量着手。o每个象素所包含的信息量： 每帧图象所包含的信息量：o信息传输速率为： o信道容量为： o信道带宽为：Ibitelog.210332IIbitve3 109961055.RITbit sv996 101 30299 1056./.(/ )CRbit s299106.(/ )BCSNMHzlog.log20621299101 10003 o例例2. 数字电话每路信号的传输速率为64kbit/s。若某一信道的频带宽度为30MHz，接收端收到信号的信噪比为30dB，求：oa. 此信道的信道容量C为多少？ob. 可传输多少路数字电话；oc. 若此信道用来传输模拟电话（一路带宽为 4kHz

37、），则最多可传输多少路？od. 若用来发送调频电视信号（全电视基带信号带宽为8MHz），可发送多少路？ b. 数字电话的路(ch.)数为： （chs） c. 用SSB方式传送模拟电话时的频谱利用率最高，此时可传输模拟电话的路(ch.)数为 CBSNbit sloglog/20628130 101 10003 10Dbit sbit s3 1064104710833/.a. 依据公式（122）可得：ABfHzHzB301041075 10633. d. 由卡松定则，调频信号的频带宽度必须大于或等于基带信号最高频率的3倍。因此，发送调频电视的信道宽度必须大于24MHz，而通常调频电视的带宽为25M

38、Hz。所以，此信道只能传送一路调频电视。4. 信道容量的分类信道容量的分类 当信道同时传送多路信号时，各路信号必须用一定的方式共用信道，即基带信号的调制体制，通常人们用“群群”来划分信号的路数。 （1）模拟信道容量 模拟信号多路调制时，是将各路信号以频分的方式排列在载波的频带上，构成了模拟信号群。根据信号的路数，模拟信号群可作如下分类：模拟信道容量 名名 称称 容容 量量 基带频率范围基带频率范围基群基群 12路模拟电话 12K60KHz超群超群 60路模拟电话 12K252KHz主群主群 600路模拟电话 12K2412KHz巨群巨群 3600路模拟电话 12K14412KHz特群特群 10

39、800路模拟电话 12K43212KHz （2）数字信道容量 数字信号多路调制时，以时分方式排列各路信号，从而构成了数字信号群。数字信号群按同步方式不同可分为准同步数字序列（PDH）和同步数字序列（SDH）。 PDH序列分类（30路系列）：名 称 容 量 传输速率一次群 30路数字电话 2.048Mbit/s二次群 120路数字电话 8.448Mbit/s三次群 480路数字电话 34.368Mbit/s四次群 1920路数字电话 139.264Mbit/s五次群 8000路数字电话以上 560840Mbit/sSDH 序列以同步传输模块(STM)为单元，与同步光网络（SONET）相对应，有如

40、下分类：SDH SONET 速率(Mbit/s) OC-1 51.84STM-1 OC-3 155.52STM-4 OC-12 622.08STM-16 OC-48 2488.32STM-64 OC-192 9953.28二、空间信道二、空间信道 空间信道是无线电波的主要传播媒介，如地波传播、天空波传播、空间波传播等传播方式都是在空间信道中进行，因此，空间信道的特性（如介电特性、损耗特性、偏振特性、窗口特性等）直接影响着无线电波的传播。 以下着重介绍电离层的“反射”机理以及“大气波导”效应。 1. 电离层的电离层的“反射反射”机理机理 o电离层的结构，电离层可分为D层、E层和F层，它的游离电子

41、浓度（Ne）随高度（H）的变化如图所示。o随着高度的升高，电离层中游离电子数越来越多。而电离层中对某一无线电波频率（f）的空间折射率（n）与游离电子浓度的关系为：nNfe1812 o在电离层中，随着高度的增加，折射率下降。当无线电波由地面向空间发射进入电离层，随着高度的增加，而折射率变小，因此不断被折射，而且折射率是越来越小，所以折射角是越来越大，最终当满足折射角大于等于90时，无线电波就被等效“反射”回地面，从而形成了电离层的“反射”机理 电离层对无线电波的“反射” 示意 o在电离层中离子浓度分布一定的情况下，空间折射率与无线电波的频率有关。若81Ne/f2 1，则n基本上随高度不变，无线电

42、波不会形成全反射，而是能够穿透穿透电离层电离层，进行直线传播，满足此条件的无线电信号频率为微波微波；若81Ne/f2 1，则表明无线电信号达不到电离层所处的高度就被反射回来了。 o利用电离层的反射机理，可进行远距离的电波传播。电离层使电波一次返回地面称为“单跳”，可传播4000km，电离层使电波二次返回地面称为“多跳”。短波无线电广播和业余无线电通信都是利用电离层的反射进行传播的。o虽然微波能够穿越电离层,但是电离层会使微波信号的线极化面稍有偏转,这种影响在实际的通信中可以通过采取一定的措施克服.2. “大气波导大气波导”效应效应 在离地面比较低的空间，空气的电导率很低，随着高度的增加，空气的

43、电导率增加很快， 在电离层下边界处的电导率比地球表面附近的电导率大几百万倍， 这样大的电导率梯度表明，可以认为低层大气是以两个良导体（地球表面和电离层）为边界的稀薄电介质。于是在低电离层和地面之间就构成了一个球形波导。在电波传播中，超长波和极长波的波长可以同电离层的高度相比，于是这一波段的电磁能量可在地球表面和低电离层之间的空心腔内导行，这就是波导模传播波导模传播。在对流层中，超短波和微波也会出现类似的波导模传播情况，从而形成“大气波导大气波导”。odn/dh 0，说明折射率随着高度的增加而增加，折射角越来越小，称为负折射负折射；odn/dh 0，说明空间对信号的传播方向没有影响，称为无折射无

44、折射；o dn/dh 0，说明信号受到折射率的影响而使得折射角越来越大，但不会形成全反射，称为大气标准折射大气标准折射；o若dn/dh ，此时信号沿着对流层传播，称为临界折射临界折射；o若dn/dh ，此时信号将被对流层反射回地面，称为超折射超折射 1 57107./ m157107./ m157107./ m在对流层中，对超短波和微波的空间折射率随高度的变化而变化的，在对流层中，对超短波和微波的空间折射率随高度的变化而变化的，可用可用dn/dh来表示。来表示。 o对流层“大气波导”常在超短波和微波波段出现，并有“地面波导”和“悬空波导”等形式，经常出现在接近地面的高度，从几十米到几百米不等，

45、在海面上，“大气波导”出现的概率最大，下午高热时其典型厚度为15米，晚上其典型的厚度为25米。o由于大气本身性质的不稳定，因此“大气波导”通常也是不稳定的，它的出现往往会造成传播信号的多径效应。三、信道干扰三、信道干扰o由于信道中的环境复杂，因此载波信号在信道中传播时，必然会受到各种各样的干扰，统称为信道干扰。这些干扰对信号来说，是不包含所需要的信息的，都可以把它们当作噪声。o按照干扰和载波信号的叠加方式的不同，信道干扰可分为加性干扰加性干扰和乘性干扰乘性干扰。o加性干扰加性干扰是指噪声和载波信号呈线性叠加线性叠加，使载波信号的幅度受到影响，而对载波的波形、频率、极化、相位等等的影响较小；o乘

46、性干扰乘性干扰是指噪声和载波信号在信道中呈非线性叠加非线性叠加，引起载波的波形、频率、极化、相位等等参量失真。第六节第六节 通信的标准和热点技术通信的标准和热点技术一、通信的标准一、通信的标准 随着现代通信技术的发展，各种通信手段日益丰富，这就必然要求要有一定的标准来规范和约束各种通信手段和它们的应用范围，以避免或尽量减小相互干扰，同时又可以很方便地进行相互交流。为此，国国际电报电话咨询委员会（际电报电话咨询委员会（CCITT）和国际无线电咨国际无线电咨询委员会（询委员会（CCIR）已制定了为各国通信部门所公认的众多建议作为国际标准，比如工作频段的划分（地区、用途），载波的分类、制式，各通信手

47、段的系统标准等等。当然，这些标准还需要不断地修改、补充和完善，因为新的通信体制和手段正在不断出现。 o我国的通信事业正处在一个迅猛发展的阶段，在发展过程中，必须严格遵循国际标准，和国际先进的通信技术和手段接轨，同时，又要根据我国的具体情况，制定相应的实施细则，另外，我们也要积极参与新的通信体制和标准的制定，使得我国的通信事业在规范化的基础上得到大力发展。二、热点技术二、热点技术 现代科学技术的发展，为通信技术提供了动力，各种通信手段在更大的容量、更高的可靠性、更远的传输距离、更快的传输速率等方面不断得到提高的同时，在相互渗透，发挥各自优势方面取得了很大的进展。比如计算机网络通信和光纤通信的结合

48、，构成了信息高速公路的框架；而卫星通信和移动通信技术的交叉使用，为全球化的个人移动通信网提供了条件。1. 光纤通信光纤通信 主要研究方向是提高光源的频响特性、光检测器件的灵敏度、集成光器件、减少光纤的色散，全光通信以及光交换阵列等的研究。 （1）光孤子技术光孤子即传输在光纤中不变形的超短光脉冲,它是利用光纤和器件材料本身的非线性特性和可补偿的光纤色散来确保光孤子不变形.用它作为信息载体可大大地提高光纤传输线的带宽，使得光纤能传输更高调制频率的信号和更远的距离. （2）相干光通信也叫光外差，它是利用相干光作为载波直接进行调频、调相或高速脉冲调制，在接收端有同步本机激光和接收到的载波光信号进行差频

49、，从而得到可比微波频段还要高很多的中频信号。它可以大大提高通信容量和光接收机的灵敏度。 （3）集成光器件把许多光器件制作在一块很小的等材料的衬底上，构成具有比较复杂功能的光波导集成光路，由于光波长为微米量级，所以集成光器件体积小、速度快、容量大，可实现真正意义上的全光通信。 （4）光波分复用也叫光频分制。它是在同一根光纤内同时传送几个不同波长的光信号，传到终端时,通过光纤波分复用器(WDM),再将各波长分割出来,实现光波长划分复用通信。它可以节约光缆，扩大通信容量，是重点发展的通信手段。 （5）激光器和光放大器多量子阱激光器可提高调制宽度,实现更高的微波副载波调制；而掺铒激光放大器则可使光通信

50、的距离得到延伸而附加的噪声很小。 （6）光交换阵列各路光信号可在光纤通信网络模块上直接进行光子自由交换，从而消除光电转换过程中容易出现的严重串话、信号畸变、瓶颈效应、延时效应和高功耗等缺陷，实现高速、宽带和超大容量的信息交换。2. 卫星通信卫星通信 卫星广播电视由于其覆盖面广阔而日益普及，数字和数据卫星通信越来越受到人们的重视。甚小口径卫星通信系统（VSAT）、卫星全球定位系统（GPS）以及和移动通信系统相结合的卫星移动通信系统（MSS）成为卫星通信的新热点。 （1）甚小口径(VSAT)卫星通信系统主要进行电话和数据通信，有两种类型：一种称为星形结构星形结构，地球站有中心站和边缘站之分，中心站

51、天线直径较大，可通过卫星和边缘站进行通信，边缘站天线直径较小，两个边缘站之间的通信必须经过中心站的转接；另一种称为网格形结构网格形结构，在此结构中的每一个地球站都可直接与卫星进行通信，类似于移动卫星通信车, 此种类型目前使用较多；除此之外，VSAT系统也可以是以上两种类型的混合型。 （2）卫星全球定位系统多个卫星在近地轨道上发射各自含有时间信息和轨道信息的编码信号，地球上任何地方的接收设备接收到这些编码信号后，可确定所在地的纬度和经度，其定位精度通常可达到十米数量级甚至更高. 所以，系统可应用于航海、军事、城市交通和野外等许多领域的导航和定位。 （3）卫星移动通信系统近地或同步轨道卫星绕地球飞

52、行，它们的波束在任何时刻都能够覆盖地球上的所有地方，而移动用户用手机直接或通过关口站与卫星进行通信，信号经过卫星的传递后，到达通信的对方用户，这种通信的建立与通信双方在地球上所处的位置无关，从而建立了全球卫星移动通信网。3. 计算机通信计算机通信 网络通信正以超常规的速度发展，Internet网已经不再是一种仅仅用来传递E-mail的通信手段，而是正在成为现代商品社会的信息和服务中心。也许数年以后，广播、电视、电话、报纸、邮电等等通信手段和媒介都将因计算机网络的普及而显得多余。其核心是建立在信息高速公路上的宽带综合业务数字网（BISDN），它采用多媒体技术，将各种信息进行数据压缩，利用异步转移

53、模式(ATM)交换传递信息，其终端设备为高性能的计算机。 （1）信息高速公路是一种用异步转移模式设置交换传递信息，通过大容量的光纤作为主干媒介，将经过压缩的信息传递给用户的超大型综合信息服务数字网络通信方式。其特点是信息量大、通信速度快、智能型强，是立体通信模式, 通信区域广阔而效率高。 （2）数据压扩技术是提高传送数字信息速率和效率的一种有效手段。它主要是通过减少重复传送信息或者利用所传信息的前后相关特性来减少所传信息的数据量，从而达到在信息不失真或少失真的情况下，大幅度提高传送效率。此技术研究和应用最典型的是对图象信息的处理。 （3）异步转移模式相对于同步转移模式而言，是一种智能化程度更高

54、的网络信息传递方式。它对每一条信息都按照统一的格式编排，排队发送，一次完成，从而减少了瓶颈效应和网络的拥阻。4. 移动通信移动通信 发展方向是多功能、高可靠性、大容量和减少通信盲区。 （1）无线寻呼系统简化并缩短通信时间, 扩大寻呼范围、容量和多功能化, 如码型的改变、语音呼叫功能和双向寻呼等等； （2）无线个人通信系统（蜂窝系统、集群系统、无绳电话）主要是数字化通信、频段的提升和信道的扩展, GSM900/DCS1800和CDMA是数字化蜂窝系统的发展主流, 而DECT和PHS无绳电话则在普及性和通信价格方面与蜂窝系统展开竞争； （3）全球移动通信网与卫星通信系统相结合，实现全球范围内的漫游

55、、寻呼以及人与人之间的信息传递。相应的移动通信卫星系统有有同步轨道、中高轨道和低轨道卫星移动通信系统之分, 各有其优缺点. 如国际海事通信组织的Inmarsat系统是最早实现全球卫星移动通信的系统； Globalstar用48颗中低轨道卫星覆盖整个地球, 实现真正意义上的全球个人通信；而Teledesk系统将用288颗低轨道Ka波段的卫星实现宽带业务移动通信，目标是把Internet搬到天上去，从而将Place to Place的通信模式改变成为Person to Person的通信模式. （4）第三代移动通信系统（3G） ITU在1986年提出，当时称未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）

56、，后考虑该系统将在2000年商用，工作在2000MHz频段，于1996年更名为IMT2000。 3G特点：o使用同一部手机实现全球漫游。o具有高速传输速率，高速移动条件下，FDD：500km/h,TDD:120km/h时可达64144kb/s；室外步行，30km/h可达384kb/s；室内固定用户，移动3km/h达到2Mb/s。o提供各种标准通信业务：高质量话音、电路交换与包交换以及高质量传输（BER10-6），增值业务和智能网业务和第二代移动通信系统兼容。第三代与第二代在技术上的主要差别 o a第三代移动通信是第二代移动通信的变化和发展，不是重新建设一个新移动通信网；o b全球无缝覆盖、全球漫游的可提供前两代系统所不能提供的各种宽带信息业务，速率达2Mbits，带宽在5MHz以上；o c具有有多媒体功能，不仅能接收和发送话音、数