現代通信技術概論 教材 教材 現代通信技術概論第二版 崔健雙 機械工業出版社參考教材 現代通信導論 易波主編 國防科技大學出版社現代通信原理 曹志剛 錢亞生 清華大學出版社數字通信 沈普兵主編 國防科技大學出版社數字通信原理 董兆鑫 揚述明等編 國防科技大學出版社 2 學習重點 1 掌握基本概念2 掌握基本原理和結果 一般不要求數學推導的過程3 注意流程圖的掌握 3 第1章緒論 通信是人類文明發展史中永恒的話題 它是把消息從信源傳送到信宿的一個過程 本章將在簡要回顧國內外通信發展史的基礎上 對與通信系統技術相關的一些經典的基礎知識進行介紹 主要內容包括通信信號 系統模型與指標 系統的分類 系統傳輸方式 信道特性和調制解調等基本概念 通過本章的學習 將在整體上初步建立起關于通信的一些基本概念 4 5 第1章緒論 1 1通信發展簡史1 2信號與通信1 3通信系統的模型與指標1 4通信系統的分類1 5通信系統的傳輸方式1 6通信信道1 7調制與解調 6 1 1通信發展簡史 現代通信源于西方科技的發展與進步 通信發展史也是一部人類科技進步史 我國通信事業經歷了從早期非常落后到后來跨越式發展的變化歷程 目前已經處于世界先進國家行列 了解通信發展史將有助于我們更深入地認識過去 把握現狀 展望未來 7 1 1 1國際通信發展簡史 19世紀中葉以后 由于電報 電話的發明以及電磁波的發現 人類的通信手段發生了根本性的變革 開創了電氣通信新時代 隨著科技水平的不斷提高 相繼出現了無線電 固定電話 移動電話 互聯網等各種通信手段 真正讓神話傳說中的 千里眼 順風耳 變成了現實 我國古代最早的通信方式是烽火狼煙 文字發明后 利用驛站傳遞文書 克服距離上的障礙 迅速而準確的傳送信息是通信的主要任務 通信方式的演變 9 電 電報 電話機的發明 1831年 法拉第發現了磁生電現象 1837年 莫爾斯發明了電報機 1864年 麥克斯韋預言電磁波的存在 1875年 貝爾發明電話機 1906年德弗雷斯特發明了電子管 11 計算機 光通信和互聯網的發明 1946年 世界上第一臺電子計算機誕生 1947年 貝爾實驗室發明蜂窩移動通信 1966年 英籍華人高錕提出光通信的設想 1969年 arpa網形成互聯網雛形 1993年 美國政府提出了建設國家 信息高速公路 的建設計劃 從此進入互聯網時代 光通信 移動電話 互聯網是現代通信的重要標志 計算機技術在通信領域的廣泛應用使得二者密不可分 電子管 晶體管 集成電路 大規模可編程器件 移動通信 基站 基站 基站 15 衛星通信 微波通信 16 1 1 2 國內通信發展簡史 1980年代以前 國內通信水平十分落后 改革開放之后 隨著人們對通信需求的日益膨脹 我國通信業務以超常規 成倍數 跳躍式的發展速度和發展規模 取得了令世人矚目的成就 17 鼓勵引進 消化與吸收 1982年 福州開通了第一套萬門程控交換機 1984年 東方紅二號同步通信衛星發射成功 1986年 國家對通信技術設備進口減免10年關稅 1991年 以 巨大中華 巨龍通信 大唐電信 中興通訊 華為技術 為代表的民族通信制造業實現了群體突破 1993年 公用分組交換網 chinapac 開通 1994年 廣東開通gsm數字蜂窩移動電話網 1998年 td scdma標準成為第一個具有自主知識產權的無線通信國際標準 18 形成良性競爭 爭取自有知識產權 2002年 中國移動推出gprs 通用分組無線服務技術 generalpacketradioservice 邁入2 5g時代 2006年 td scdma成為國家通信行業標準 2009年初 3g牌照正式發放 標志3g普及階段到來 2013年底 4g牌照發放 中國移動 中國電信和中國聯通均獲得td lte牌照 fdd lte未發放 截止2014年1月 移動和固話用戶總數合計突破15億 互聯網用戶總數超過超8億 19 1 2信號與通信 通信系統傳送的是消息 而消息只有附著在某種物理形式的 載體 上才能夠得以傳送 這類物理形式的 載體 通常表現為電信號或光信號的形式 通信過程可以理解為變化的消息信號對 載體 信號施加 影響 并讓接收端能夠 感知到 這個影響 從而檢測并獲得消息 20 1 2 1模擬信號與數字信號 信號的分類方法有很多種 按照信號的描述 確定信號和非確定信號 按照信號的幅值和能量 功率信號和能量信號 按照分析域 時域信號和頻域信號按照時間連續性 連續時間信號和離散時間信號按照信號的形成機理 光信號和電信號 按照幅度和時間上的連續性 模擬信號與數字信號 21 模擬信號 幅度在某一范圍內可以連續取值的信號 稱為模擬信號 典型的模擬信號如下 22 數字信號 幅度僅能夠取有限個離散值的信號稱為數字信號 典型的數字信號如下 23 1 2 2信號的時域和頻域特性 信號的時域特性和頻域特性是分別從時間和頻率兩個角度對同一個信號的描述 在頻域和變換域中 表示的信號是同一個信號 是一一對應的關系 只是表現的形式不同 傅里葉變換 ft拉普拉斯變換 ltz變換 zt離散傅里葉變換 dft離散沃爾什變換 dwt 24 周期正弦信號 周期正弦信號u t asin 2 ft 是一種頻率單一 幅值固定的模擬信號 三個參量a f 幅度 頻率 相位 常被用作 攜帶 載波 消息 25 周期脈沖信號 周期脈沖數字信號是一種幅度為a 周期為t 寬度為 的重復出現的矩形波 26 信號的時域特性 時域特性表達的是信號幅度和相位隨時間變化的規律 簡稱為幅時特性 27 信號的頻域特性 信號的頻域特性表達的是信號幅度和相位隨頻率變化的規律 高數里面的傅里葉級數展開 28 周期脈沖信號的頻譜分析 根據傅立葉級數理論 任意周期函數u t 均可分解為直流分量和無限多個正弦及余弦分量之和 正弦信號諧波分量疊加逼近矩形波信號 29 1 2 3信號的帶寬 把一個信號所包含諧波的最高頻率fh與最低頻率fl之差 即該信號所擁有的頻率范圍 定義為該信號的帶寬 例如 單一頻率的正弦波帶寬為0 而周期脈沖方波帶寬是最高次諧波與最低次諧波之差 數字通信傳輸近似周期方波信號 因此分析其帶寬具有重要現實意義 30 周期脈沖方波信號頻譜 x n t n f 31 周期脈沖方波帶寬分析 1 頻譜是離散的n次諧波分量的疊加 譜線間隔為 2 各次諧波分量正比于a和 反比于t 受包絡線sinx x的限制 3 當x 時 譜線擺動于正負值之間 0 4 隨諧波次數的增高 幅度越來越小 可近似認為信號絕大部分能量都集中在第一個過零點f 1 x 左側的頻率范圍內 32 周期脈沖方波信號帶寬分析 通常把第一個過零點左側的頻率范圍稱為有效帶寬 b 1 重要結論 信號帶寬與方波寬度成反比 即方波越窄所占用的帶寬就越寬 33 1 2 4信號的衰耗與增益 信號在傳輸過程中若輸出端功率小于輸入端功率 則稱信號受到了衰耗 減 若輸出端功率大于輸入端功率 則稱信號得到了增益 定義為 例如 把10mw功率信號加到輸入端并在輸出端測得功率5mw 得衰耗約為3db 分貝 34 1 2 5噪聲與失真 疊加在有用信號之上并對其產生有害影響的成分 稱為噪聲 經過傳輸后的信號 由于受到各種因素的影響可能會發生畸變 稱為信號失真 未導致系統產生新的諧波頻率的失真稱為線性失真 否則稱為非線性失真 35 噪聲疊加導致信號幅度失真 36 1 3通信系統的模型與指標 通信系統的一般模型 37 通信系統的指標 一個通信系統質量如何 通常由兩個指標來衡量 即系統的有效性和可靠性 有效性指的是單位時間內系統能夠傳輸消息量的多少 以信道帶寬 hz 或傳輸速率 bit s 為單位 在相同條件下 帶寬或傳輸速率越高越好 可靠性指的是消息傳輸的準確程度 以不出差錯或差錯越少越好 38 模擬通信系統的指標 在模擬通信系統中 系統的頻帶越寬其有效性越高 而其可靠性常用信噪比來衡量 信噪比越大其可靠性越高 通信系統中某點的信噪比定義為該點的信號功率ps與噪聲功率pn之比的對數 39 數字通信系統的指標 傳輸速率 衡量系統的有效性 碼元速率b 調制速率或符號速率 比特速率r 數據傳輸速率或信息傳輸速率 r blog2n bit s n進制差錯率 衡量系統的可靠性 頻帶利用率 衡量系統的利用率 40 1 4通信系統的分類 從不同的角度出發 可以把通信系統進行不同的分類 41 1 4 1按照傳輸媒介分 有線通信系統 利用傳導體對信號進行導向性傳輸 有較強的封閉性和安全性 信號傳輸質量好 容量可以無限制地增大 但敷設 維護成本較高 電話線 雙絞線 電纜 光纖 無線通信系統 利用非導向性傳輸媒體在自由空間傳播信號 具有優良的可移動性和低廉的擴張成本 但易受到外界的干擾 頻率資源有限 傳輸速率也受限 大氣 真空環境 水等 42 1 4 2按照傳輸信號的特性分 模擬通信系統 優點是簡單直觀 缺點是抗干擾能力弱 噪聲積累無法徹底消除 數字通信系統 抗干擾能力強 可消除噪聲累積現象 適于遠距離傳輸 易加密 對數字信號加密容易處理 便于集成化 智能化 采用計算機技術占用較寬頻帶 4khzvs64khz技術較復雜 43 1 4 3按照業務功能分 電話通信電報通信傳真通信數據通信衛星通信微波通信移動通信圖像通信多媒體通信 44 1 5通信系統的傳輸方式 通信系統的傳輸方式是指通信雙方所共同遵守的傳輸規則 從不同的角度觀察 可以有不同傳輸方式 45 1 5 1按照傳輸方向 單工與雙工傳輸方式 單工 半雙工 全雙工 46 1 5 2按照信息排列方式 串行與并行傳輸方式 47 1 5 3按照時鐘控制方式 同步與異步傳輸方式 異步傳輸方式 收發雙方的時鐘節拍各自獨立并允許有一定的誤差 為了達到雙方同步目的 需要在每個字符的頭 尾各附加一個比特的起始位和終止位 用來指示一個字符的開始和結束 同步傳輸方式 要求雙方時鐘嚴格一致 為求一致 發送方的編碼中隱含著供接收方提取的同步時鐘頻率 收發以數據幀為單位 幀頭包含幀同步碼 中間是信息碼 幀尾是幀結束碼 48 1 6通信信道 信道是信號傳輸的通路 其傳輸特性描述的是不同頻率的信號通過信道后能量幅度和相位變化的情況 信道帶寬用以衡量一個信道的傳輸能力 帶寬越大表明傳輸能力越強 信道容量則是用來衡量信道所能達到的最大傳輸能力的一個重要指標 信道復用是利用同一傳輸媒介同時傳送多路信號且相互之間不產生干擾的通信技術 49 1 6 1傳輸特性與帶寬 信道的傳輸特性即信道的頻率響應特性 包括幅頻特性和相頻特性 50 信號帶寬與信道帶寬的匹配 為了不失真地實現通信信號傳輸 信號的有效帶寬必須和信道帶寬相匹配 兩者匹配最主要考慮的是頻率范圍 或頻帶 的匹配 信號與信道的關系等價于車與馬路的關系 51 1 6 2傳輸媒介 有線傳輸媒介 52 無線傳輸媒介 表1 3無線電不同頻段的劃分及用途 53 光纖通信介質的三個可用窗口 54 1 6 3信道容量 信道容量是指信息在信道中無差錯傳輸的最大速率 在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中 用香農公式計算信道容量 比特 秒 其中 b為信道帶寬 s為信號平均功率 n為噪聲平均功率 c是該信道理論最大傳輸速率 55 香農公式的意義 香農公式表明 當信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率s與n給定時 在具有一定頻帶寬度b的信道上 單位時間內可傳輸的信息量c是有限的 當且僅當傳輸速率 c時 總可以找到一種信道編碼方式 實現無差錯傳輸 換句話說 在允許存在一定的差錯率前提下 實際傳輸速率可以大于信道容量c 但此時不能保證無差錯傳輸 56 香農公式與擴頻通信 按照香農公式 1 b一定時 s 或n 可令c 即通過提高信噪比可提高信道容量 2 s n一定時 若b 則c 結論 c b和s n可以通過相互提升或降低取得平衡 在擴頻通信技術中 令b 很大 s n可以很小 例如 信道帶寬3khz 最大信息速率為10000bit s 為了保證這些信息能夠無誤傳輸 要求至少s n 9 若10000bit s不變 但信道帶寬變為10khz 信噪比s n就可降低為1左右 57 1 6 4信道的復用 在發送端將若干個獨立無關的分支信號合并為一個復合信號 然后送入同一個信道內傳輸 接收端再將復合信號分解開來 恢復原來的各分支信號 稱為多路復用 多路復用目的是提高線路利用率 常用的多路復用技術 頻分 fdm 時分 tdm 碼分 cdm 58 多路復用原理示意圖 59 fdm原理示意圖 60 tdm原理示意圖 頻分多址 時分多址 碼分多址的比較 61 62 1 7調制與解調 調制解調是通信技術最重要的概念之一 攜帶 消息的信號稱為載波信號 而被 攜帶 的消息稱為調制信號 調制就是讓消息被載波信號 攜帶 解調就是從載波信號中檢測出消息 正弦周期信號和脈沖周期信號常被用作載波信號 63 1 7 1調制的目的 把消息信號調制成適合在信道中傳輸的信號例如 話音頻率是300 3400hz 而信道頻帶在10khz 100khz之間 利用頻率為11khz的載波調制到11 3khz 14 4khz之間 就可通過信道進行傳輸 信道的多路復用例如 信道在10khz 100khz之間 帶寬是90khz 按每路話音信號4000hz計算至少可以同時傳輸22路話音信號 64 調制器的模型 調制器 m t c t sm t m t 調制信號c t 載波sm t 已調信號 調制的定義 是按原始電信號 調制信號 的變化規律去改變載波某些參量的過程 調制的實質 進行頻譜搬移 把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上 從而提高系統信息傳輸的有效性和可靠性 65 1 7 2調制的分類 表1 4調制類型說明 66 1 7 3模擬信號調制正弦波 用模擬信號對正弦載波信號進行調制稱為模擬調制 根據調制參數的不同分別有模擬振幅調制 am 頻率調制 fm 和相位調制 pm 三種形式 后兩種形式又稱為角度調制 2020 4 13 67 常規雙邊帶調幅 am am信號的表達式 頻譜及帶寬若假設濾波器為全通網絡 為了保證包絡檢波時不發生失真 必須滿足 2020 4 13 68 am信號是帶有載波的雙邊帶信號 它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍 即 2020 4 13 69 3 am信號的解調調制的逆過程叫做解調 am信號的解調方法有兩種 相干解調和包絡檢波解調 1 相干解調用一個低通濾波器 就無失真的恢復出原始的調制信號 2020 4 13 70 2 包絡檢波法電路由二極管d 電阻r和電容c組成 rc滿足條件 這時 包絡檢波器的輸出與輸入信號的包絡十分相近 即 2020 4 13 71 抑制載波的雙邊帶調幅 dsb sc dsb信號的表達式 頻譜及帶寬 2020 4 13 72 dsb信號的解調dsb信號只能采用相干解調 則乘法器輸出為 經低通濾波器濾除高次項 得 73 dsb信號不能進行包絡檢波 需采用相干解調 除不含有載頻分量離散譜外 dsb信號的頻譜由上下對稱的兩個邊帶組成 故dsb信號是不帶載波的雙邊帶信號 它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍 2020 4 13 74 單邊帶調制 ssb 由于dsb信號的上 下兩個邊帶是完全對稱的 皆攜帶了調制信號的全部信息 因此 從信息傳輸的角度來考慮 僅傳輸其中一個邊帶就夠了 2020 4 13 75 76 模擬頻率調制 調頻 載波頻率fc隨調制信號的瞬時幅值呈線性變化 即載波的幅度保持不變 調頻與解調示意圖 77 模擬相位調制 調相 載波瞬時相位 t 隨調制信號瞬時幅值呈線性變化 把平面化的正弦載波立體化 即在三維空間中觀察其變化過程 當一個振幅為a 頻率為fc 初始相位為 的正弦載波asin 2 fct 隨時間變化時 其x軸代表時間 y軸代表幅度 z軸代表的就是相位 載波信號的幅度和相位隨時都在變化 利用每一個周期的初始相位不同可以實現對相位的調制 2020 4 13 78 如果將調制信號先微分 再進行調頻 則可得到調相信號 如果將調制信號先積分 再進行調相 則可得到調頻信號 可見 調頻與調相并無本質區別 兩者之間可以互換 79 調頻信號的解調 1 非相干解調最簡單的解調器是具有頻率 電壓轉換作用的鑒頻器 理想鑒頻器可看成是微分器與包絡檢波器的級聯 則微分器輸出用包絡檢波器取出其包絡 并濾去直流后輸出 kd稱為鑒頻器靈敏度 2 相干解調 81 設窄帶調頻信號為 相干載波 則乘法器輸出為 經低通濾波器濾除高頻分量 得再經微分 得輸出信號 82 1 7 4數字信號調制正弦波 用數字信號調制正弦載波信號稱為載波鍵控 包括幅移鍵控 頻移鍵控和相移鍵控 83 二進制幅移鍵控 2ask 通斷鍵控 利用二進制數字信號來控制載波振幅 84 2ask信號的產生方法 模擬法鍵控法 二進制振幅鍵控信號調制器原理框圖 2020 4 13 85 二進制振幅鍵控信號解調器原理框圖 a 非相干解調原理圖 b 相干解調原理圖 86 2ask信號非相干解調過程的時間波形 87 二進制頻移鍵控 2fsk 利用二進制數字信號來控制載波頻率 2020 4 13 88 數字鍵控法實現二進制移頻鍵控信號的原理圖 2fsk信號的產生方法 模擬法鍵控法 89 1 包絡檢波法 2020 4 13 90 2fsk包絡檢波過程的時間波形 2020 4 13 91 2 相干檢測法 2020 4 13 92 3 過零檢測法 2fsk信號的過零點數隨載頻的變化而不同 因此 檢測出過零點數就可以得到載頻的差異 從而進一步得到調制信號的信息 2020 4 13 93 2fsk信