現(xiàn)代通信原理01通信系統(tǒng)的核心是信號設計。本課程以通信技術的發(fā)展、演變?yōu)榫€索，從模擬到數(shù)字，由淺入深，力求把握通信信號設計的發(fā)展脈絡和指導思想，用工程數(shù)學提供的方法準確表達和推導了通信信號和通信系統(tǒng)。1/13/20232第一章緒論

§1.1現(xiàn)代通信與信息社會現(xiàn)代通信與信息社會：克服距離障礙，迅速、準確傳遞信息，通信發(fā)展經(jīng)歷了五個階段，其標志性事件分別是：1、語言的產(chǎn)生，使人類有了比較完整的表達和交流形式。2、文字的產(chǎn)生，增大了交流的距離和流傳的范圍。3、印刷術的發(fā)明，使文明得以保存，世代相傳，信息得以擴張。4、電報、電話、無線電等技術的發(fā)展，形成了通信理論和技術，形成了現(xiàn)代的通信產(chǎn)業(yè)。5、計算機技術、多媒體技術、有線及無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使信息交流達到了一個新的高度。1/13/20233§1.2通信系統(tǒng)的組成信息化社會：通信信息技術服務行業(yè)在上世紀末已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)。

電話普及率（臺/100人）90年代初:發(fā)達國家50臺/百人。中國1臺/百人2000年11月:我國30.2臺/百人1/13/20234截止到2001年11月國內(nèi)固定電話用戶達到了一點七七億戶移動電話用戶一點四億戶網(wǎng)民近三千萬中國已經(jīng)成為世界上僅次于美國的第二大電信市場。1/13/20235截止到2011年08月電話用戶達到了11.3億戶，普及率83%移動電話用戶9億互聯(lián)網(wǎng)用戶4.2億，普及率31.8%中國已經(jīng)成為世界上第一大電信市場。1/13/20236發(fā)展趨勢A、寬帶化：單膜光纖WDM（波分復用）DWDM（密集波分復用）參鉺放大器全光網(wǎng)C波段KU波段KA波段多波束天線QPSKMSKQAMFDMATDMACDMASDMAB、綜合化：語音、圖像、數(shù)據(jù)等多業(yè)務。C、個人化：網(wǎng)絡化、個人信息編碼、數(shù)據(jù)移動通信、衛(wèi)星移動通信。1/13/20237二.通信系統(tǒng)模型信源發(fā)送設備傳輸媒介接收設備信宿噪聲源1、點對點通信系統(tǒng)的一般模型1/13/20238信源：信息的發(fā)出者，模擬信源和離散信源。發(fā)送設備：匹配信源與傳輸媒介，調(diào)制，功率放大，以及各種信號處理功能。噪聲源：信號傳輸時所受的干擾。接收設備：完成發(fā)送設備的反變換，小信號放大、解調(diào)。信宿：消息的接收者信道：信號傳輸媒介信息速率自信息量I(ai)=log2[1/p(ai)],單位為比特；一個二進制碼元包含的信息量為1比特。設一個英文打字機總共能產(chǎn)生32種離散符號，則需要5位二進制數(shù)字來表示。設此打字機每秒能產(chǎn)生10個符號,那么作一個離散信源來說,它產(chǎn)生的二進制信息速率為50比特/秒。（書中圖1－2）1/13/20239信源信源編碼信道編碼調(diào)制傳輸媒介信源譯碼信宿信道譯碼解調(diào)噪聲干擾2、模擬通信系統(tǒng)（模擬通信系統(tǒng)如圖中虛線外的部分）1/13/202310基帶信號：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號。比如語音、圖像、數(shù)據(jù)。有時也指經(jīng)過信源編或時分復用的信號，頻率較低?；鶐鬏敚夯鶐盘柌唤?jīng)過調(diào)制直接傳輸。調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機將基帶信號調(diào)制到較高頻率進行發(fā)送稱為調(diào)制。解調(diào)：接收端從高頻中取出基帶的過程稱為解調(diào)。是調(diào)制的逆過程1/13/2023113.數(shù)字通信系統(tǒng)信源信源編碼信道編碼調(diào)制傳輸媒介信源譯碼信宿信道譯碼解調(diào)噪聲干擾1/13/202312信源編碼：模擬信號要通過數(shù)字信道傳輸，首先要進行數(shù)字化處理，包括采樣、量化、編碼、壓縮等。信源編碼保證了信號能否進入有一定條件限制的數(shù)字信道里。信道編碼：為了在數(shù)字信道里有一定的傳輸質(zhì)量，還要進行信道編碼，包括加擾編碼、糾錯編碼和多址編碼等。信源解碼：信源編碼的逆過程。信道解碼：信道編碼的逆過程。1/13/2023134.數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)越性(1)抗干擾能力強數(shù)字信號可多次再生，噪聲不會累積?？梢宰詣訖z錯、糾錯。(2)具有良好的靈活性和通用性(3)便于加密。例:待傳送數(shù)字序列X，密碼數(shù)字序列Y。加密后數(shù)字序列Z=X⊕Y---模2加解密后Z⊕Y=X⊕Y⊕Y=X

(4)數(shù)字通信設備易于大規(guī)模集成1/13/202314§1.2通信系統(tǒng)的分類

一.按消息的物理特征分類

電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)多媒體通信系統(tǒng)1/13/202315二.按調(diào)制方式分類

(1)基帶傳輸---直接傳輸基帶信號。(2)調(diào)制傳輸---將基帶信號調(diào)制到載波后傳輸。①將消息變換為便于傳送的形式例1:天線長度≥工作波長λ/4(λ=c/f)，如果用低頻傳輸，天線尺寸太大。例2：放大器的相對帶寬決定了低頻傳輸?shù)挠行挷蛔恪＂诳蓪崿F(xiàn)頻分復用③可改善通信系統(tǒng)的性能：抗低頻干擾。

1/13/202316調(diào)制時消息攜帶在正弦波或脈沖序列的參量上,這些正弦波或脈沖序列就稱為載波；調(diào)制就是基帶信號控制載波的某些參數(shù)按照基帶信號的變化規(guī)律而變化。如：某已調(diào)信號s(t)=Acos(ωt+θ)根據(jù)載波的不同1/13/202317調(diào)制方式用途

連續(xù)波調(diào)制

線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)副AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB廣播電視、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式

數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信

脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、空間通信增量調(diào)制DM、CVSD、DVSD軍用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其它方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話1/13/202318三.按傳輸信號的特征模擬通信系統(tǒng):傳送在時間和幅度特性上都連續(xù)變化的消息。數(shù)字通信系統(tǒng):傳送在時間和幅度特性上都經(jīng)過離散的消息。1/13/202319四.按通信方式不同單工通信:通信雙方單向傳遞信息。雙工通信:通信雙方同時雙向傳遞信息。半雙工通信:通信雙方雙向傳遞信息但不同時。1/13/202320五.按傳送信號的復用方式

頻分復用:不同信號占用不同的頻率范圍。

時分復用:不同信號占用不同的時間區(qū)間。

碼分復用:用正交的脈沖序列攜帶不同信號。1/13/202321六.按傳輸媒介類型有線通信：雙絞線、雙平行線、同軸電纜、微帶、波導、多芯銅線、光纜等。無線通信：衛(wèi)星通信、移動通信、微波通信、雷達、聲納、遙控遙測、無線定位、無線接入等。1/13/202322頻率范圍波長符號媒介用途3Hz-30KHz108-104m甚低頻VLF有線線對、長波音頻、電話30KHz-300KHz104-103m低頻LF有線線對、長波導航信標300KHz-3MHz103-102m中頻MF同軸電纜、中波調(diào)幅中波廣播3MHz-30MHz102-10m高頻HF同軸電纜、短波調(diào)幅短波廣播30MHz-300MHz10-1m甚高頻VHF同軸電纜、米波電視、調(diào)頻廣播、空中管制、機場導航300MHz-3GHz100-10cm特高頻UHF同軸電纜、微帶、波導、分米波電視、移動通信、微波接力、警戒雷達3GHz-30GHz10-1cm超高頻SHF波導、厘米波通信衛(wèi)星、制導雷達、炮瞄雷達30GHz-300GHz10-1mm極高頻EHF波導、毫米波近距離高精度雷達、射電天文105-107GHz3*10(-4)-3*10(-6)cm光波段光纖、激光空間傳播光通信1/13/202323信道的定義及分類狹義信道：傳輸媒介。調(diào)制信道：包括傳輸媒介及收發(fā)轉(zhuǎn)換等模擬部分。廣義信道：還包括調(diào)制信道之外的編碼信道。按不同的分類方式，信道可分為有線信道和無線信道、調(diào)制信道和編碼信道、線性信道和非線性信道、記憶信道和不記憶信道、恒參信道和變參信道等。1/13/202324對于線性信道：線性網(wǎng)絡ei(t)Eo(t)h(t)K(t)eo(t)=k(t)ei(t)+h(t)其中：K(t)稱為乘性干擾，如畸變、衰落、交調(diào)和互調(diào)等。h(t)稱為加性干擾，如白燥聲、各種地面和空間的干擾等。1/13/202325對于編碼信道：“1”“0”P（1/0）P（0/1）P（1/1）P（0/0）“0”“1”其中：p（0/0）為收0發(fā)0的概率。p（1/0）為收1發(fā)0的概率。p（0/1）為收0發(fā)1的概率。p（1/1）為收1發(fā)1的概率。1/13/202326如果P（0/1）=P（1/0），則稱此信道為對稱信道。對于電話信道，基本上是對稱信道。對于INTERNET網(wǎng)，由于下行數(shù)據(jù)量遠遠大于上行數(shù)據(jù)量，稱為不對稱信道。1/13/202327對于變參信道：

例如移動通信，由于信號在傳輸過程中經(jīng)過多種路徑到達移動臺，形成多徑衰落，使信道參數(shù)隨距離而變化。以舉兩徑為例：1/13/202328

發(fā)射波接收波時域f(t)

r(t)=vof(t-to)+vof(t-to-τ)

頻域

F(ω)R(ω)=VoF(ω)e-jωto+VoF(ω)e-jω(to+τ)

=VoF(ω)e-jωto(1+e-jwτ)幅頻特性：〡R(ω)〡=R(ω)e-jωto〡1+e-jwτ〡=R(ω)e-jωto*2cos(ωτ/2)

1/13/202329兩徑衰落的結果相當與在單徑接收信號的基礎上調(diào)制了一個τ（時延，與位置有關）的余弦函數(shù)，造成接收信號的幅度忽大忽小，接收效果時好時壞。1/13/202330§1.3通信系統(tǒng)的性能度量一.通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標

有效性:信道一定時,系統(tǒng)能夠傳輸信息內(nèi)容的多少。

可靠性:系統(tǒng)接收端恢復信息的準確程度。1/13/202331二.對于模擬通信系統(tǒng)有效性---在給定信道帶寬內(nèi),能容納多少的通信路數(shù);也可用傳單路信號的有效帶寬來衡量。可靠性---通信系統(tǒng)接收端的輸出信號噪聲功率比(SNR,SignalNoiseRatio)1/13/202332三.數(shù)字通信系統(tǒng)有效性—用信號的傳輸速率來衡量；碼元傳輸速率(RB)：單位時間能夠傳送的碼元數(shù)。（波特率)每個碼元傳輸所占用的時間TB為碼長,則RB=1/TB

(波特,Baud)。若碼元為二進制--RB2,若為M進制—RBM，RB2=RBM·log2M信息傳輸速率(Rb):單位時間能夠傳送的信息量(bits/s)。(比特率)Rb=RBM·log2M比特/秒RBM=Rb/log2M波特1/13/202333可靠性—傳輸產(chǎn)生的錯誤概率；誤碼率PB=接收的錯誤碼元數(shù)/發(fā)出的總碼元數(shù)；誤比特率Pb=接收的錯誤比特數(shù)/發(fā)出的總比特數(shù)；1/13/202334

為了獲得通信中所需的有效性和可靠性，產(chǎn)生了信息處理技術。信息處理技術是現(xiàn)代信息工程的核心技術。信息處理的目的是為了提高系統(tǒng)對某一方面的要求、優(yōu)化系統(tǒng)某一方面的性能指標。信息處理的主要手段是編、譯碼。比如：1、為了提高系統(tǒng)的有效性，可以通過信源編碼來完成。2、為了提高系統(tǒng)的安全性，可以通過加密來完成。3、為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以通過信道編碼來完成。1/13/202335通信標準及制定機構1/13/202336通信涉及到雙方或多方，其中包括點與點、點與端、端與端的信息交互，沒有相應的標準顯然是不行的統(tǒng)一的標準也有利于系統(tǒng)的異構組成，也給用戶提供了選擇使用的靈活性標準化的程度是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要質(zhì)量指標之一標準的制定，除了技術的因素之外，還有經(jīng)濟，乃至政治的因素標準的制定有利于技術的發(fā)展，但有時各方喋喋不休的爭執(zhí)對新技術的推廣應用反而產(chǎn)生牽制作用通信技術標準及其制定機構1/13/202337國際標準化組織InternationalStandardsOrganizationISO世界上從事國際標準化的最大的綜合性非官方機構，由各參與國的國家標準化組織選派代表組成，成立于1947年ISO的標準制定過程要經(jīng)過四個階段，即工作草案、建議草案、國際標準草案和國際標準ISO下設近200個TC（技術委員會），其中TC97負責IT技術有關標準的制定。TC97又下轄16個SC（分委會）和一個直屬組1/13/202338國際標準化組織InternationalStandardsOrganizationISOSC6為數(shù)據(jù)通信分委會，制定了HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程）SC16致力于OSI/RM（開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型），后被改組為SC21負責解決“開放系統(tǒng)互聯(lián)的信息檢索、傳輸與管理”等問題TC97與國際電工委員會（IEC-InternationalElectrotechnicalCommissions）的TC83于1987年成立了一個新的JTC（聯(lián)合技術委員會）來替代TC97，該機構名稱是ISO/IECJTC1,下屬各SC仍沿用TC97中的序號。1/13/202339ITU成立于1932年，后成為聯(lián)合國下屬機構。其前身為始建于1865年的國際電報聯(lián)合會（UTI）ITU的宗旨維護與發(fā)展成員國之間的國際合作以改進和共享各種電信技術幫助發(fā)展中國家大力發(fā)展電信事業(yè)；通過各種手段促進電信技術設施和電信網(wǎng)的改進與服務管理無線電頻帶的分配與注冊，避免各國電臺的相互干擾。國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion1/13/202340ITUITU曾下轄總秘書處、國際頻率注冊委員會（IFRB）、國際無線電咨詢委員會（CCIR）、國際電報電話咨詢委員會（CCITT）和電信發(fā)展局（BDT）五個常設機構CCITT是國際電報電話咨詢委員會的法文名稱ComitConsulatifInternationalTelegraphigueetTelephonique的縮寫，它主要由聯(lián)合國各成員國的郵政、電報和電話管理機構的代表組成，是一個開發(fā)全球電信技術標準的國際組織該機構已經(jīng)為國際通信使用的各種通信設備及規(guī)程的標準化提出了一系列建議國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion1/13/202341ITUCCITT的建議標準系列F系列：有關電報、數(shù)據(jù)傳輸和遠程信息通信業(yè)務（傳真、可視圖文等）的定義、操作和服務質(zhì)量標準的建議；I系列：有關數(shù)字網(wǎng)的建議，包括ISDN的若干建議；T系列：有關終端設備的若干建議；V系列：有關在電話網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)通信的若干建議；X系列：有關數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的若干建議。國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion1/13/202342ITU1993年3月起，ITU下屬的IFBR改稱無線通信部（RS），BDT改稱電信發(fā)展部（TDS）CCITT與CCIR合并為電信標準化部（TSS），簡稱ITU-TITU-T由一個常設職能部門TSB（電信標準局）和許多SG（研究小組）構成ITU-T目前正與ISO合作，共同制定數(shù)據(jù)通信標準國際電信聯(lián)盟InternationalTelecommunicationUnion1/13/202343IEEE國際標準化工作還有美國的一個重要組織IEEE的參與，它是全球最大的專業(yè)學術團體，開發(fā)通信和網(wǎng)絡標準也是該組織的主要工作其研究領域主要涉及ISO的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。例如，IEEE的802委員會制定的系列標準已成為當今主流的局域網(wǎng)標準除開發(fā)標準標準外，IEEE每年還召開各種會議，出版許多刊物，因此它在世界上具有很高的知名度電氣與電子工程師學會InstituteofElectricalandElectronicsEngineers1/13/202344EIA另一個與制定電氣標準有關的組織是美國的EIA該協(xié)會主要制定過許多電子傳輸標準，包括ISO的物理層標準它頒布的RS-232和ES-449已經(jīng)成為全球廣泛采用的DTE和DCE之間串行接口標準電子工業(yè)協(xié)會ElectronicIndustriesAssociations1/13/202345美國國家標準學會AmericanNationalStandardInstituteANSI美國國家標準學會雖然只是一個非官方非贏利的民間組織，但實際上卻是全美技術情報交換中心，并負責協(xié)調(diào)美國的標準化工作其研究范圍與ISO相對應，它是ISO中美國指定的代表IEEE和EIA都是ANSI的成員1/13/202346歐洲計算機制造商協(xié)會EuropeanComputerManufacturesAssociationECMA歐洲計算機制造商協(xié)會是由歐洲一些計算機廠商組成的標準化與技術評議機構，成立于1961年，總部在日內(nèi)瓦其宗旨在于促進國家和國際機構間的合作，致力于計算機與通信技術標準的協(xié)調(diào)與開發(fā)，主要活動包括OSI協(xié)議、數(shù)據(jù)網(wǎng)、文本準備與交換等ECMA是ISO和ITU-T的無表決權成員，同時也頒布自己的標準。1/13/202347歐洲電信標準