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1、 白 勇 白 勇 通信原理通信原理 （1） 2012年2月22日 海南大学 信息学院 2012年2月22日 海南大学 信息学院 1 通信的概念 自从人类存在开始，通信就已经存在，通信的目的一直没有 发生过改变，变化的只是通信的方式。 通信的概念: 所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。 什么是信息（information）？ 信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种 普遍属性， 一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息（message）中 所描述事件的不定性减少。 2 什么是媒质？媒质（media）即“介质”，当一种物质存在于另一种物 质内部时，后者就是前者的介质。 在通信
2、中所指的媒质是能传输信息的渠道。 如有线介质（导线）、无线介质（空气、水）。 电话线双绞线同轴电缆光纤 3 通信媒质 古代通信 信鸽 烽火台 驿站 灯塔 4 近现代通信 电话(telephone) 电报(telegraph) 5 6 离不开的你离不开的你 从手机谈起从手机谈起 7 苹果 iPhone4 拆解苹果 iPhone4 拆解 世界上第一台使用电容屏的手机世界上第一台使用电容屏的手机 8 9 10 11 12 13 14 MSM8260 集成3G移动宽带连接 支持单模HSPA+网络，下载速度达14 Mbps，上传速度达5.6Mbps，支持GSM、GPRS和EDGE 内置第八代GPS引擎，
3、具有独立GPS和辅助GPS模式 支持Wi-Fi和蓝牙连接 通信技术概览 电话交换(Switch)技术 人工交换机 步进制交换机 纵横制交换机 16 电信网(Telecommunication Network) PBX: private branch exchange PSTN: public switched telephone network 17 程控交换机 光电话 红宝石激光器 光纤 1880年 贝尔 1960年 梅曼(Meiman) 1966年 高锟 光频率介质纤维表面波导 光纤通信 (Fiber-Optic Communication) 18 19 局域网（LAN) LAN: Loc
4、al Area Network 20 互联网(Internet) The Internet is a global entity - you could call it the largest machine on Earth. 分组交换(packet switching) 22 互联网 (Internet) router 23 互联网 (Internet) CHINANET CERNET 中国公用计算机互联网 中国教育和科研计算机网 有线信道媒质的 频率传输范围 24 25 无线通信 地球大气层的结构地球大气层的结构 对流层：地面上 0 - 10 km对流层：地面上 0 - 10 km 平流
5、层：约10 60 km平流层：约10 60 km 电离层：约60 400 km电离层：约60 400 km 地 面 对流层 平流层 电离层 10 km 60 km 0 km 传播路径 地 面 地波传播 地 面 信号传播路径 天波传播 无线信道的频率范围 与应用 26 27 长波通信 美国E-6A“水星”潜艇通讯中继机 长波天线 拖曳天线 蓝绿激光通信 28 微波通信(Microwave Communication) 蜂窝移动通信蜂窝移动通信 (Cellular Mobile Communication) (Cellular Mobile Communication) 29 30 AMPS TA
6、CS NMT 其它 GSM CDMA IS9 5 TDMA IS-136 PDC 第一代 80年代 模拟 第二代 90年代 数字 第三代 IMT-2000 UMTS WCDMA CDMA 2000 需求驱动需求驱动需求驱动需求驱动 模 拟 技 术 数 字 技 术 语 音 业 务 宽 带 业 务 TD- SCDMA 移动电话通信过程 移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、 基站子系统（BSS） 和移动台（MS） 31 32 GSM GSM (Global System for Mobile Communications) 33 扁平化架构；全IP化（语音和数据） LTE网络架构
7、核心网 接入网 核心网 接入网 LTE3G 简化网络，减少时延简化网络，减少时延 34 平流层通信 (Stratosphere Communication) High Altitude Platform Stations 35 短波通信 电离层电离层电离层电离层 330MHz 36 流星余迹通信 (Meteor Burst Communication) 常用的波段为30100MHz 37 卫星通信 (Satellite Communication) 38 深空通信(Deep Space Communication) 39 水声通信 (Underwater Acoustic Communicat
8、ion) 声波频率在4000赫兹左右为远距离传递的最佳频率 40 无线局域网(WLAN) WLAN: Wireless LAN WiFi 41 移动自组织网(MANET) MANET: Mobile Ad hoc NETwork VANET: Vehicle Ad hoc NETwork WMN: Wireless Mesh Network 42 100Mbps 1Gbps 3GPP2 3GPP 数据速率 移动性 数据速率 移动性 第一代 第二代 第三代 超三代 第四代 第一代 第二代 第三代 超三代 第四代 移动通信网的演进移动通信网的演进 RFID (Radio Frequency Ide
9、ntification) 射频标识；电子标签 RFID (Radio Frequency Identification) 射频标识；电子标签 RFID tag 标签标签RFID reader 读写器读写器 43 无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) 无线传感器网络 WSN (Wireless Sensor Network) 44 物联网 (Internet of Things) 45 46 多网络互连 三网融合 47 网络体系 48 TCP/IP协议栈 数据在网络中的传输 49 50 51 通信原理 通信系统中各种通信信号的产生、传输和解调的基 本理论和方
10、法； 着重在物理层； “管”。 52 信源信宿变换器 信道反变换器 噪声源 发出信息的信息源发出信息的信息源 把信源发出的消息变 换成适合在信道传输 的信号 把信源发出的消息变 换成适合在信道传输 的信号 信号的传输媒介，分为有线 信道和无线信道 信号的传输媒介，分为有线 信道和无线信道 把经信道传来的信号按与变换器的相 反过程变成原信息 把经信道传来的信号按与变换器的相 反过程变成原信息 信息接收者信息接收者 把发端、收端、传输信道三方面的干 扰折合到信道中，合成为一个总的噪 声源 把发端、收端、传输信道三方面的干 扰折合到信道中，合成为一个总的噪 声源 通信系统模型 53 模拟通信和数字通
11、信 模拟信号：指代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着消息连续变化的信号。 数字信号：不仅在时间上是离散的而且在幅度上也是离散的信号。 发信者信宿非电/电转换器 信道电/非电转换器 噪声源 调制器 解调器 原始信号具有频率很低的频谱 分量，不适合直接传输，需将 其变换成其频带适合信道传输 的信号 原始信号具有频率很低的频谱 分量，不适合直接传输，需将 其变换成其频带适合信道传输 的信号 54 模拟通信系统模型 55 中短波段AM(Amplitude Modulation)广播 FM(Frequency Modulation)调频广播 模拟通信举例 56 过程 模拟(Analog)信号转
12、化为数字(Digital)信号又称为A/D变换; 传输到接收端再转换为模拟信号称为D/A变换。 数字通信系统传输可靠、是发展方向； 自然界的许多信号都是模拟的，将模拟信号转化为数字信号 传输可以利用数字传输的的优点。 模拟信息源模拟信息源模拟信息源模拟信息源 信源编码信源编码信源编码信源编码 （A/DA/DA/DA/D） 数字通信数字通信数字通信数字通信 系统系统系统系统 信源译码信源译码信源译码信源译码 (D/A)(D/A)(D/A)(D/A) 收终端收终端收终端收终端 数字通信系统数字通信系统 通信系统的问题 通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。 有效性: 指在给定信道内所传输的信息内
13、容的多少，或者说是传输 的“速度”。 可靠性: 指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。 57 有效性 衡量系统有效性的主要指标是信息传输速率和频带利用率。 信息传输速率：以每秒钟所传输的信息量来衡量的，单位是比特 每秒。 频带利用率是指单位频带内的传输速率。每赫兹的波特数 （Bd/Hz）或每赫兹每秒的比特数（bit/s/Hz）。 58 差错率 衡量数据通信系统可靠性的指标是传输的差错率。 常用的有误码（bit）率、误符号(symbol)率 和误码组(packet) 率等。 差错率是一个统计平均值，因此在测试或统计时总的发送比特 （符号、码组）数应达到一定数量，否则得出的结果将失去意义。
14、59 两者关系 有效性与可靠性的关系：一对矛盾。 有效性越高，可靠性越差；可靠性越高，有效性越差。 60 61 A Brief History of Communication 62 Communication has a long history Smoke signals, telegraph, telephone 1895: invention of the radio by Marconi 1901: trans-atlantic communication 达到三千五百四十公里 63 State of affairs: Early 20th century Most communic
15、ation systems are analog. Engineering designs are ad-hoc, tailored for each specific application. 64 Big Questions Is there a general methodology for designing communication systems? Is there a limit to how fast one can communicate? 65 Harry Nyquist (1928) Analog signals of bandwidth W can be repres
16、ented by 2W samples/s (Sampling) Channels of bandwidth W support transmission of 2W symbols/s or Baud/s or pulses/s (Nyquist Rate) 66 From CT to DT Nyquist converted the continuous-time (CT) problem to a discrete-time (DT) problem. But has he really solved the communication problem? No. You can communicate in
