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1、现代通信技术概论,2,第1章 绪论,通信是人类文明发展史中永恒的话题，它是把消息从信源传送到信宿的一个过程。 本章将在简要回顾国内外通信发展史的基础上，对与通信系统技术相关的一些经典的基础知识进行介绍。主要内容包括通信信号、系统模型与指标、系统的分类、系统传输方式、信道特性和调制解调等基本概念。通过本章的学习，将在整体上初步建立起关于通信的一些基本概念。,3,第1章 绪论,1.1 通信发展简史 1.2 信号与通信 1.3 通信系统的模型与指标 1.4 通信系统的分类 1.5 通信系统的传输方式 1.6 通信信道 1.7 调制与解调,4,1.1 通信发展简史,现代通信源于西方科技的发展与进步，通
2、信发展史也是一部人类科技进步史。 我国通信事业经历了从早期非常落后到后来跨越式发展的变化历程，目前已经处于世界先进国家行列。 了解通信发展史将有助于我们更深入地认识过去、把握现状、展望未来。,5,1.1.1 国际通信发展简史,19世纪中叶以后，由于电报、电话的发明以及电磁波的发现，人类的通信手段发生了根本性的变革，开创了电气通信新时代。随着科技水平的不断提高，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网等各种通信手段，真正让神话传说中的“千里眼”、“顺风耳”变成了现实。,6,电、电报、电话机的发明,1831年，法拉第发现了磁生电现象。 1837年，莫尔斯发明了电报机。 1864年，麦克斯韦预言
3、电磁波的存在。 1875年，贝尔发明电话机。,7,计算机、光通信和互联网的发明,1946年，世界上第一台电子计算机诞生。 1947年，贝尔实验室发明蜂窝移动通信。 1966年，英籍华人高锟提出光通信的设想。 1969年，ARPA网形成互联网雏形。 1993年，美国政府提出了建设国家“信息高速公路”的建设计划，从此进入互联网时代。 2008年，第一部运行Android操作系统的手机诞生，手机通信实现智能化。 光通信、移动电话、互联网是现代通信的重要标志，计算机技术在通信领域的广泛应用使得二者密不可分。,8,1.1.2.国内通信发展简史,1980年代以前，国内通信水平十分落后。 改革开放之后，随着
4、人们对通信需求的日益膨胀，我国通信业务以超常规、成倍数、跳跃式的发展速度和发展规模，取得了令世人瞩目的成就。,9,鼓励引进、消化与吸收,1982年，福州开通了第一套万门程控交换机。 1984年，东方红二号同步通信卫星发射成功。 1986年，国家对通信技术设备进口减免10年关税。 1991年，以大唐、中兴、华为等为代表的民族通信制造业实现了群体突破。 1993年，公用分组交换网（CHINAPAC）开通。 1994年，广东开通GSM数字蜂窝移动电话网。 1998年，TDSCDMA标准成为第一个具有自主知识产权的无线通信国际标准,10,形成良性竞争，争取自有知识产权,2002年，中国移动迈入2.5G
5、时代。 2006年，TDSCDMA成为国家通信行业标准。 2009年初，3G牌照正式发放，标志3G普及阶段到来。 2010年，全球首个具有4G特征的TD-LTE演示网在上海世博园建成开通。 2012年进入TD-LTE技术成熟期。 目前我国通信行业已形成中国移动、联通、电信等几大运营商互相竞争互相合作的格局。中国移动用户总数世界第一，移动和固话用户总数合计接近10亿。互联网用户总数超过3亿，我国成为世界上名副其实的通信大国。,11,1.2 信号与通信,通信系统传送的是消息，而消息只有附着在某种物理形式的“载体”上才能够得以传送。这类物理形式的“载体”，通常表现为电或光信号的形式。 通信过程可以理
6、解为变化的消息信号对“载体”信号施加“影响”并让接收端能够“感知到”这个影响，从而检测并获得消息。,12,1.2.1 模拟信号与数字信号,信号的分类方法有很多种，例如，按照信号的形成机理分为光信号和电信号；按照形状分为正弦波、方波、锯齿波等；按照幅度上的离散性分为模拟信号与数字信号。,13,模拟信号,幅度在某一范围内可以连续取值的信号，称为模拟信号。典型的模拟信号如下：,14,数字信号,幅度仅能够取有限个离散值的信号称为数字信号。典型的数字信号如下：,15,1.2.2 信号的时域和频域特性,信号的时域特性和频域特性是分别从时间和频率两个角度对同一个信号的描述。,16,周期正弦信号,周期正弦信号
7、u(t)=A sin（2ft+）是一种频率单一、幅值固定的模拟信号，三个参量A、f、常被用作“携带”（载波）消息。,17,周期脉冲信号,周期脉冲数字信号是一种幅度为A、周期为T、宽度为的重复出现的矩形波。,18,信号的时域特性,时域特性表达的是信号幅度和相位随时间变化的规律，简称为幅时特性。,19,信号的频域特性,信号的频域特性表达的是信号幅度和相位随频率变化的规律。,20,周期脉冲信号的频谱分析,根据傅立叶级数理论，任意周期函数u(t)均可分解为直流分量和无限多个正弦及余弦分量之和。,正弦信号谐波分量叠加逼近矩形波信号,21,1.2.3 信号的带宽,把一个信号所包含谐波的最高频率fh与最低频
8、率fl之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。 例如，单一频率的正弦波带宽为0，而周期脉冲方波带宽是最高次谐波与最低次谐波之差。 数字通信传输近似周期方波信号，因此分析其带宽具有重要现实意义。,22,周期脉冲方波信号频谱,x=n/T= nf,23,周期脉冲方波带宽分析,1）频谱是离散的 n次谐波分量的叠加，谱线间隔为；2）各次谐波分量正比于A和，反比于T，受包络线 sinx/x的限制；3）当x时，谱线摆动于正负值之间0；4）随谐波次数的增高，幅度越来越小，可近似认为信号绝大部分能量都集中在第一个过零点f=1/（x=）左侧的频率范围内。,24,周期脉冲方波信号带宽分析,通常把第一个过
9、零点左侧的频率范围称为有效带宽：B=1/ 重要结论：信号带宽与方波宽度成反比。即方波越窄（越小）所占用的带宽就越宽。,25,1.2.4 信号的衰耗与增益,信号在传输过程中若输出端功率小于输入端功率，则称信号受到了衰耗（减）；若输出端功率大于输入端功率，则称信号得到了增益，定义为：,例如，把10mW功率信号加到输入端并在输出端测得功率5mW，得衰耗约为3dB。,（分贝）,26,1.2.5 噪声与失真,叠加在有用信号之上并对其产生有害影响的成分，称为噪声。 经过传输后的信号，由于受到各种因素的影响可能会发生畸变，称为信号失真。,未导致系统产生新的谐波频率的失真称为线性失真，否则称为非线性失真。,2
10、7,噪声叠加导致信号幅度失真,28,1.3 通信系统的模型与指标,通信系统的一般模型：,29,通信系统的指标,一个通信系统质量如何，通常由两个指标来衡量，即系统的有效性和可靠性。 有效性指的是单位时间内系统能够传输消息量的多少，以信道带宽（Hz）或传输速率（bit/s）为单位。在相同条件下，带宽或传输速率越高越好。 可靠性指的是消息传输的准确程度，以不出差错或差错越少越好。,30,模拟通信系统的指标,在模拟通信系统中，系统的频带越宽其有效性越高，而其可靠性常用信噪比来衡量，信噪比越大其可靠性越高。通信系统中某点的信噪比定义为该点的信号功率Ps与噪声功率PN之比的对数：,31,数字通信系统的指标
11、,传输速率（衡量系统的有效性） 码元速率B（调制速率或符号速率） 比特速率R（数据传输速率或信息传输速率） R=B log2 N （bit/s），N进制 差错率（衡量系统的可靠性） 频带利用率（衡量系统的利用率）,32,1.4 通信系统的分类,从不同的角度出发，可以把通信系统进行不同的分类。,33,1.4.1按照传输媒介分,有线通信系统：利用传导体对信号进行导向性传输，有较强的封闭性和安全性，信号传输质量好，容量可以无限制地增大。但敷设、维护成本较高。 无线通信系统：利用非导向性传输媒体在自由空间传播信号，具有优良的可移动性和低廉的扩张成本，但易受到外界的干扰，频率资源有限，传输速率也受限。,
12、34,1.4.2 按照传输信号的特性分,模拟通信系统：优点是简单直观；缺点是抗干扰能力弱，噪声积累无法彻底消除。 数字通信系统： 抗干扰能力强：可消除噪声累积现象，适于远距离传输； 易加密：对数字信号加密容易处理； 便于集成化、智能化：采用计算机技术 占用较宽频带： 4kHz VS 64kHz 技术较复杂,35,1.4.3 按照业务功能分,电话通信 电报通信 传真通信 数据通信 卫星通信 微波通信 移动通信 图像通信 多媒体通信 计算机网络通信系统,36,1.5 通信系统的传输方式,通信系统的传输方式是指通信双方所共同遵守的传输规则。从不同的角度观察，可以有不同传输方式。,37,1.5.1 单
13、工与双工传输方式,单工： 半双工： 全双工：,38,1.5.2 串行与并行传输方式,39,1.5.3 同步与异步传输方式,异步传输方式：收发双方的时钟节拍各自独立并允许有一定的误差。为了达到双方同步目的，需要在每个字符的头、尾各附加一个比特的起始位和终止位，用来指示一个字符的开始和结束。 同步传输方式：要求双方时钟严格一致。为求一致，发送方的编码中隐含着供接收方提取的同步时钟频率。收发以数据帧为单位，帧头包含帧同步码，中间是信息码，帧尾是帧结束码。,40,1.6 通信信道,信道是信号传输的通路，其传输特性描述的是不同频率的信号通过信道后能量幅度和相位变化的情况。 信道带宽用以衡量一个信道的传输
14、能力，带宽越大表明传输能力越强。 信道容量则是用来衡量信道所能达到的最大传输能力的一个重要指标。 信道复用是利用同一传输媒介同时传送多路信号且相互之间不产生干扰的通信技术。,41,1.6.1 传输特性与带宽,信道的传输特性即信道的频率响应特性，包括幅频特性和相频特性。,42,信号带宽与信道带宽的匹配,为了不失真地实现通信信号传输，信号的有效带宽必须和信道带宽相匹配。两者匹配最主要考虑的是频率范围（或频带）的匹配。 信号与信道的关系等价于车与马路的关系。,43,1.6.2 传输媒介,有线传输媒介：,44,光纤通信介质的三个可用窗口,45,无线传输媒介,表1-3 无线电不同频段的划分及用途,46,
15、1.6.3 信道容量,信道容量是指信息在信道中无差错传输的最大速率。在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，用香农公式计算信道容量 （比特/秒） 其中，B为信道带宽，S为信号平均功率，N为噪声平均功率，C是该信道理论最大传输速率。,47,香农公式的意义,香农公式表明：当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率S与N给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，单位时间内可传输的信息量C是有限的。 当且仅当传输速率C时，总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输。换句话说，在允许存在一定的差错率前提下，实际传输速率可以大于信道容量C，但此时不能保证无差错传输。,48,香农公式与扩频通信,按照香浓公式：1）B一定
16、时，S或N可令C，即通过提高信噪比可提高信道容量；2）S/N一定时，若B则C。 结论：C、B和S/N可以通过相互提升或降低取得平衡。在扩频通信技术中，令B （很大），S/N可以很小，而C变化不大。 例如，信道带宽3KHz，最大信息速率为10000bit/s。为了保证这些信息能够无误传输，要求至少S/N9。 若10000bit/s不变，但信道带宽变为10kHz，信噪比S/N就可降低为1左右。 。,49,1.6.4 信道的复用,在发送端将若干个独立无关的分支信号合并为一个复合信号，然后送入同一个信道内传输，接收端再将复合信号分解开来，恢复原来的各分支信号，称为多路复用。 多路复用目的是提高线路利用率。 常用的多路复用技术： 频分（FDM） 时分（TDM） 码分（CDM）,50,多路复用原理示意图,51,FDM原理示意图,52,TDM原理示意图,53,1.7 调制与解调,调制解调是通
