通信原理与通信技术课件

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1、通信原理与通信技术,主讲： 李敏 Email：,Principles & Technology of Communications,计算机专业的学生为何要学习通信原理？,1. 计算机网络的发展，使通信与计算机广 泛地融合，单一的计算机应用系统早已不能 满足社会的需要。 2. 通信原理是学习和掌握任何一个通信系 统的基础和核心。,所选教材：,通信原理与通信技术 西安电子科技大学出版社。 是专为计算机专业学习通信技术的最新 最全面的教材。 包括三个部分： 1.通信原理 2.数据通信 3.现代通讯技术,第一篇 通信原理讨论的主要问题,1.信号的概念； 2.信号如何从信源传输到信宿； 3.如何提高信号

2、的抗干扰能力（质量）； 4.如何在一定的频带内传输更多的信息 （效率）。,第二篇 数据通信讨论的主要问题,数据通信； 如何更可靠地传输数据； 通信网与计算机网络； 数据通信设备； 数据交换技术。,各种通信系统中所涉及的技术： 接入网技术 无线个人区域网技术 IP电话技术 光纤通信技术 卫星通信技术 移动通信技术 微波中继通信技术 智能运输系统中的通信技术,第三篇 现代通信技术讨论的主要问题,本课程只讲述第一篇 通信原理,第1章 通信与通信系统的基本概念（12学时） 第2章 模拟调制（8学时） 第3章 脉冲编码调制(PCM) （4学时） 第4章 增量调制（2学时） 第5章 数字复接与SDH （3

3、学时） 第6章 数字信号的基带传输（5学时） 第7章 数字信号的频带传输（4学时） 第8章 差错控制编码（6学时）,如何学好通信原理？,通信原理是步入通信领域的一门重要课程； 计算机专业的学生缺乏通信原理的预备知 识：信号与系统、信号分析等。 本课程涉及的内容较多、较广，所学内容一 环扣一环，需要大家多点耐心，不懂就问，不 要积压问题。,考试:,闭卷考试 平时成绩占20分（课堂作业）,主要内容：,通信的基本概念与基本方式 通信系统及其一般模型 信道与传输介质 信号与噪声 信号频谱的概念 信息量与香农公式 多路复用的基本概念 常用的通信手段 通信系统的性能指标,第1章 通信与通信系统的基本概念,

4、一、通信的概念,例1：打电话，发短信，发Email等等。 1、定义：所谓通信就是信息的传递，是指将信息 从源传到目的。 所以本课程的研究内容：如何把信息大量地、 快速地、准确地、广泛的、方便的、经济的、安全 的从信源通过传输介质传送到信宿。 2、分类： 广义通信通过各种方式进行的通信； 狭义通信特指利用电信号和光信号作为通 信信号的电通信和光通信。,二、通信系统,1、定义：进行通信的设备硬件、软件和传输介 质的集合。 2、组成：硬件上由信源、信宿、传输介质和收 信、发信五部分组成。 3、通信系统的一般模型：,4、模型中各组成部分的作用：,信源：把待传输的消息转换成原始电信号； 发送设备：对基带

5、信号进行某种变换或处理，使之适应信道的传输特性要求； 信道：信号的传输介质； 接收设备：作用正好相反于发送设备，它从收到的信号中恢复出相应的原始基带信号； 信宿：将复原的原始基带信号转换成相应的消息。,三、通信系统的分类,1. 按信号特征分： 模拟通信系统和数字通信系统；,区别：多了信源编码和信源解码,信源编码：进行模/数转换； 信源解码：信源编码的逆过程。,区别：多了信道编码和信道解码,信道编码：将信源编码输出的数字信号变成适合于信道传输的码型。 其目的是提高通信系统的抗干扰能力，尽量控制差错，保证通信质量。 信道解码：信道编码的反变换。,实际上：只需查看信道中传输的是什么信号？ 模拟通信系

6、统中传输的是模拟信号； 数字通信系统中传输的是数字信号。,说明： 数字通信系统是在模拟通信系统的基础上发展起来的，目的是为了提高模拟通信的质量。,抗干扰能力强，无噪声积累； 便于进行信号加工和处理； 传输中出现的误码可以设法控制； 易于加密，且保密性强； 能够传输语音、数据、视频图像等多种 信息。,相比于模拟通信系统，数字通信系统具有以下优点：,模拟信号与数字信号的比较：,1）定义： 模拟信号：参量的取值是连续变化的信号 数字信号：参量的取值是离散的信号 例：,为什么数字通信系统会有这些优点呢？,2. 通信系统按传输介质分类,有线通信系统 用导线（电缆、光缆、波导等）作为介质的 通信系统； 无

7、线通信系统 利用无线电波、红外线、超声波、激光进行 通信的系统。,说明，数字通信优点是以： 信号占频带宽频带利用率低，为代价的。,3. 通信系统按是否调制分类,基带通信系统 传输的是基带信号（没有经过任何调制的信号）； 调制通信系统 传输的是已调信号。,4. 通信系统按通信业务分类,电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。,5. 通信系统按工作波段分类,长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、 微波通信系统、光通信系统。,1.3 通信方式,1、定义： 通信双方之间的工作形式和信号传输方式。 2、分类：按通信对象数量的不同； 按信号传输方向与传输时间的不同； 按

8、通信终端之间的连接方式的不同； 按数字信号传输顺序的不同； 按同步方式的不同。,1.4 信道和传输介质,一、信道 1.概念：信号传输的途径。,从狭义上理解：传输介质； 从广义上理解：信号经过的途径，所以还包括对信号进行处理的各种通信设备。 2.分类：把广义信道分为调制信道和编码信道。 调制信道（模拟信道）从调制器输出到解调 器输入之间的信号传输途径。 模拟信道传输模拟信号的信道。,编码信道（数字信道）从编码器输出到解码器 输入之间的信号传输途径。 数字信道传输数字信号的信道。 调制信道包含在编码信道之中。,二、传输介质（分为两种）,1、有线介质各种线缆和光缆。 双绞线(Twisted Pair

9、) 同轴电缆(Coaxial Cable) 光纤(Optical Fiber),双绞线(Twisted Pair),分为两种： 屏蔽双绞线(STP：Shield Twisted Pair) 非屏蔽双绞线(UTP：UnShield Twisted Pair),双绞线(Twisted Pair),非屏蔽双绞线(UTP：UnShield Twisted Pair)：1995年“商用建筑物电信布线标准”EIA/TIA-586-A公布的5种UTP标准： 一类UTP：即普通电话线，适于语言传输； 二类UTP：适于语音与数据传输。4Mb/s； 三类UTP： 10Mb/s，用于局域网； 四类UTP： 16Mb

10、/s，用于令牌环网； 五类UTP： 100Mb/s，超五类UTP：155Mb/s。用于光 纤分布数据接口FDDI、快速以太网、ATM。 五类比三类UTP：绞合得更紧密，设计得更精密，抗干扰能力增强，传输特性大大提高,屏蔽双绞线(STP：Shield Twisted Pair),同轴电缆（ Coaxial Cable ）,1、同轴电缆的结构 同轴电缆由：内导线铜质芯线（单股或多股绞合）、 内部绝缘层、 网状编织的外导体屏蔽层、 和保护塑料外层组成。,3、同轴电缆的分类：,50欧姆基带同轴电缆：带宽20Mb/s，能以10Mb/s的速率将基带数字信号传输11.2km。 基带数字信号：数字信号不经调制

11、，直接以信号位流的形式进行的传输。 75欧姆宽带同轴电缆：带宽300450Mb/s，可将宽带数字信号传输100km。 宽带数字信号：利用多路复用技术将多路信号同时进行的传输。,2、同轴电缆的特点：高带宽、 抗干扰能力强。,光纤（Optical Fiber）,1、光导纤维的结构 纤维芯包层(封套)：将光波保持在芯线内； 绝缘层外套：防潮、防止磨损和挤压。,光纤结构示意图,两种光纤传输示意图,2、光纤的分类,多模光纤： 一条光纤中可以有 多条不同角度入射 的光线同时传播。 单模光纤： 光在光纤中的传播 没有反射，沿直线 传播。（光纤直径 降至一个光波波长）,3、多模光纤与单模光纤的比较,4、光纤的

12、优缺点,光纤的优点： 高带宽(108MHz量级)、长距离、高保密性； 不受电磁干扰； 轻、细； 对湿气等环境有很强的适应力。 光纤的缺点: 费用； 安装维护比较困难； 脆弱。,一、信号 1、定义：信号是信息的载体，通常以某种客观的物 理量、客观现象或语言文字等形式表现出来。 信号必须具有可观测性、可变化性、可实现性。,1.5 信号与噪声,2、分类（从七个方面进行） 按信号的特征分为：模拟信号和数字信号。 a、模拟信号：分为简单信号和复杂信号； 简单模拟信号是正弦波，它不能再被分解为更简单的模拟信号。 正弦波的三个要素：振幅、周期（或频率）和相位。,振幅：波上任一点的值，反映了信号的高度； 最大

13、振幅？ 周期：信号完成一次波形循环所要经历的时间； 频率：周期的倒数，即波形相对时间的变化率； 高频率？低频率？ 相位：波形相对时间零点的位置。 例：正弦波相对时间轴零点偏移1/6周期，相位？,最大振幅,模拟信号时间上连续，取值也连续的信号。 取值离散？数字信号？ 离散信号时间上离散，取值连续抽样信号； 取值离散数字信号； 数字信号时间上离散，取值也离散的信号。幻灯片 35 准确定义： 自变量取离散值，参量取有限个经过量化的离散值 的信号。 真正使用的数字信号：只有“0”和“1”两个取值的脉 冲序列。幻灯片 36,幻灯片 34,数字信号的两要素： 比特间隔：发送一比特所需 要的时间； 比特率：

14、比特间隔的倒数， 指每秒发送的比特数；常以bps（比特/秒）为单位。 提醒：比特间隔和周期是两个不同的概念； 比特率和频率也是两个不同的概念。,按信号的变化特点分为：周期信号和非周期信号。已经证明：可以利用“傅立叶变化”将非周期信号分解为无数个周期信号的叠加。,一、频谱的概念,1、信号的描述方式：时域图和频域图 a、时域图也称波形图，自变量是时间，描述信号 参量与时间的关系；f(t)称为时间函数； b、频域图也称频谱图，自变量是频率，描述信号 参量与频率的关系；F(f)或F(w)称为频谱函数。 以最大振幅频率图为例：,1.6 信号频谱与信道通频带,1、傅里叶级数 高数中学过：任意一个周期信号f

15、(t)f(t+nT0)， 如果满足狄里赫利条件，则f(t)可表示为三角函数的 线性组合：,二、周期信号的频谱,其中 是常数，表示直流分量， 其频率为0。,n1时，a1cosw0t+b1sinw0t称为基波，或一次谐波，它是以基本角频率w0为频率的正弦波； n2时，a2cos2w0t+b2sin2w0t称为二次谐波，它是以基波角频率的2倍，2w0为频率的正弦波； 以此类推， ancosnw0t+bnsinnw0t称为n次谐波。 结论：一个周期信号可近似用一直流分量和以其频率为基频的各次谐波的线性叠加表示。,对称方波的谐波逼近示意图,傅里叶级数进一步可表示为：,最大振幅频率图表示：,引入欧拉公式：

16、,例1：求典型周期矩形脉冲信号的频谱函数,解：,Sa(x)与周期矩形脉冲信号频谱示意图,结果:,从例1得出，周期信号频谱的特点:,离散、谐波、收敛 谱线只出现在基波频率的整数倍处离散谱； 谱线的大小随谐波次数的增加而逐渐减小逐 渐收敛； 谐波振幅随频率的衰减速度与时域波形有关。,三、非周期信号的频谱：,非周期信号f(t)可以看作是一个周期T0 的周期 信号，即：,这个连续的函数F(w)，为f(t)单位频率上的频谱函数，即频谱密度函数，简称频谱函数。,(1)(2)共同被称为傅立叶变换对：F(w) =? 正变换 f(t) =? 逆变换,非周期信号的频谱傅立叶变换,四、非周期信号的带宽B,根据频谱宽度， 非周期信号分为： 1）频带有限信号 低通信号 带通信号 2）频带无限信号,五、总结信号频谱的特点,1）频谱关