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1 49 通信工程 陽小明 2 49 第一章通信原理簡(jiǎn)介 一 消息 信號(hào)與信息 1 消息 通常把語言和聲音 音樂 文字 符號(hào) 數(shù)據(jù) 圖象等統(tǒng)稱為消息 是對(duì)事物物理狀態(tài)的變化進(jìn)行描述的一種具體形式 2 信號(hào) 由消息轉(zhuǎn)換而來 是消息的載體 第一節(jié)緒論 3 49 3 信息 消息中所給予收信者的新知識(shí)或消息中包含的有意義的內(nèi)容 如何度量信息 1 要求度量信息量的方法 必須滿足 能度量任何消息 與消息的類型無關(guān) 消息的重要程度無關(guān) 二 消息中信息量的度量 4 49 2 信息量的定義 信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù) 消息出現(xiàn)的概率越小 所包含的信息量就越大 若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成 則該消息所包含的信息量是每個(gè)獨(dú)立消息所含信息量之和 5 49 三 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào) 模擬信號(hào) 也稱連續(xù)信號(hào) 如 話筒送出的語音信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 也稱離散信號(hào) 如 代表文字的編碼和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào) 6 49 四 什么是通信 1 通信 通信的 信 指的是信息 information 信息的載體是二進(jìn)制的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)則是可以用來表達(dá)傳統(tǒng)媒體形式的信息 如聲音 圖像 動(dòng)畫等 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸 數(shù)字化 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化 7 49 五 個(gè)人通信的終極目標(biāo) 個(gè)人用戶能在任何時(shí)間 Whenever 任何地點(diǎn) Wherever 與任何人 Whoever 進(jìn)行各種通信 WWW 銥系統(tǒng)衛(wèi)星軌道示意圖 8 49 六 通信系統(tǒng) 基帶信號(hào)的特性 為什么要調(diào)制 如何保證數(shù)據(jù)正確 如何接收數(shù)據(jù) 9 49 第二節(jié)信號(hào) 一 信號(hào)的分類 1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào) 2 確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào) 二 確定信號(hào) 隨時(shí)間的變化為確定函數(shù)的信號(hào) 1 矩形脈沖函數(shù) 10 49 2 抽樣函數(shù) 確定信號(hào)的分析是隨機(jī)信號(hào)分析的基礎(chǔ) 三 隨機(jī)信號(hào) 信號(hào)的某個(gè)參數(shù)和幾個(gè)參數(shù)無法預(yù)知或無法完全預(yù)知叫隨機(jī)信號(hào) 通信系統(tǒng)中傳輸?shù)亩际请S機(jī)信號(hào) 11 49 第三節(jié)模擬調(diào)制系統(tǒng) 為什么要調(diào)制 由于低頻部分信道傳輸特性不理想 直接傳輸基帶信號(hào)會(huì)引起嚴(yán)重失真 通過對(duì)基帶信號(hào)的調(diào)制 將基帶信號(hào)的頻譜移到有利于信道傳輸?shù)母哳l段 從而提高信號(hào)傳輸質(zhì)量 問題 解決辦法 12 49 1 定義用來自信源的基帶模擬信號(hào)去調(diào)制某個(gè)載波 載波是一個(gè)確知的周期性波形 余弦波載波的表達(dá)式 式中 A為振幅 0為載波角頻率 0為初始相位 一 模擬調(diào)制的定義 基帶信號(hào) 要傳輸?shù)恼Z音 圖像信號(hào)往往處于低頻段 因此叫基帶信號(hào) 13 49 2 組成調(diào)制信號(hào)m t 自信源來的基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)s t 調(diào)制后的載波稱為已調(diào)信號(hào)調(diào)制器 進(jìn)行調(diào)制的部件 14 49 二 調(diào)制的目的 1 頻譜搬移 容易輻射實(shí)現(xiàn)頻率分配多路復(fù)用2 提高抗干擾性3 還與傳輸效率有關(guān) 15 49 三 模擬調(diào)制的分類 1 線性調(diào)制 已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同 其頻譜是調(diào)制信號(hào)頻譜沿頻率軸平移的結(jié)果 包括 調(diào)幅 單邊帶 雙邊帶 殘留邊帶 2 非線性調(diào)制 已調(diào)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)有很大的不同 除了頻譜搬移外 還增加了許多新的頻率成分 包括 頻率調(diào)制 相位調(diào)制 16 49 四 振幅調(diào)制 AM 1 調(diào)制基本原理設(shè) m t 1 m t m t 1 m t max m 調(diào)幅度 1 m t 17 49 則有調(diào)幅信號(hào) s t 1 m t Acos 0t 式中 1 m t 0 即s t 的包絡(luò)是非負(fù)的 18 49 2 解調(diào)基本原理 如果從調(diào)制信號(hào)中還原出基帶信號(hào) 包絡(luò)檢波 除掉調(diào)制信號(hào)下面一半 濾除高頻載波 19 49 五 角度調(diào)制 1 調(diào)制基本原理 20 49 2 角度調(diào)制信號(hào)的接收 信道中衰落及噪聲對(duì)于信號(hào)角度 頻率和相位 的影響與振幅相比要小得多 其抗干擾能力較強(qiáng) 21 49 模擬調(diào)制 線性調(diào)制 非線性調(diào)制 角度調(diào)制 振幅調(diào)制AM 雙邊帶DSB調(diào)制 單邊帶SSB調(diào)制 殘留邊帶VSB調(diào)制 相位調(diào)制 頻率調(diào)制 小結(jié) 22 49 第四節(jié)模擬信號(hào)的數(shù)字化 一 兩類信源模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)二 模 數(shù)變換的三步驟抽樣 量化和編碼 1 抽樣 23 49 2 量化 24 49 量化的兩種方法 四舍五入截尾 如 3 14和3 6只能按整數(shù)量化 四舍五入截尾 3 4 3 3 3 編碼 數(shù)字信號(hào)都是二進(jìn)制表示 25 49 26 49 1 3 15 3 0112 3 96 4 1003 5 00 5 1014 6 38 6 1105 6 80 7 1116 6 42 6 110 27 49 第五節(jié)基帶數(shù)字信號(hào)的表示和傳輸 1 基帶數(shù)字信號(hào)的波形 28 49 29 49 2 基帶數(shù)字信號(hào)的傳輸 30 49 第六節(jié)數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 一 二進(jìn)制振幅鍵控 2ASK 1 表示式 31 49 1 表示式 二 二進(jìn)制頻移鍵控 2FSK 32 49 三 二進(jìn)制相移鍵控 2PSK 1 表示式 33 49 34 49 第7節(jié)同步 一 同步需要解決的問題 要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確傳輸 要求收 發(fā)之間要有協(xié)調(diào)的時(shí)間關(guān)系 載波同步數(shù)字信號(hào)同步 位同步幀同步 字同步 網(wǎng)同步 35 49 1 載波同步 在接收端提取出與發(fā)送端一樣的載波 用于相干解調(diào) 2 位同步 在接收端提取出時(shí)鐘 用于數(shù)據(jù)的判決 幀頭 時(shí)鐘 數(shù)據(jù) 1110 36 49 3 幀同步 在接收端提取出幀頭信號(hào) 用于確定數(shù)據(jù)塊的起始 37 49 當(dāng)通信是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間進(jìn)行時(shí) 必須在網(wǎng)內(nèi)建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 稱為網(wǎng)同步 4 網(wǎng)同步 通信網(wǎng)絡(luò) A B C D E F 網(wǎng)同步 載波同步 幀同步位同步 數(shù)字信號(hào) 38 49 第八節(jié)多路復(fù)用和多址技術(shù) 一 多路復(fù)用 目的 在一條鏈路上傳輸多路獨(dú)立信號(hào)3種多路復(fù)用基本方法 頻分復(fù)用 FDM 時(shí)分復(fù)用 TDM 碼分復(fù)用 CDM 39 49 方法 采用調(diào)制搬移頻譜 以節(jié)省頻帶 1頻分復(fù)用 40 49 41 49 2時(shí)分復(fù)用 42 49 3碼分復(fù)用 了解 1 基本原理 a 自相關(guān)系數(shù)定義 b 互相關(guān)系數(shù)定義 43 49 b 碼組正交 兩組碼互相關(guān)為0 為正交充要條件 44 49 四路碼分復(fù)用原理方框圖 45 49 二 多址接入 目的 多個(gè)用戶共享信道 動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源 方法 頻分多址 時(shí)分多址 碼分多址 空分多址 極化多址以及其他利用信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性復(fù)用的多址技術(shù) 1 頻分多址 FDMA 頻分多址是指將給定的頻譜資源劃分為若干個(gè)等間隔的頻道 或稱信道 供不同的用戶使用 46 49 2 時(shí)分多址 TDMA 47 49 時(shí)分多址是指把時(shí)間分割成周期性的幀 每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙 無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的 48 49 3 碼分多址 CDMA 了解 4 空分多址 SDMA 空分多址是通過空間的分割來區(qū)別不同的用戶 在移動(dòng)通信中 能實(shí)現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線 在不同的用戶方向上形成不同的波束 49 49 50 49 第二章光纖通信系統(tǒng) 第一節(jié)光纖通信發(fā)展的歷史 一 光通信的啟蒙 烽火臺(tái) 51 49 目視光通信 旗語 航海 F1的旗語 白色旗表示跑道上有緩慢移動(dòng)的車輛紅色旗表示比賽已停止黑色旗表示指定的賽車下次通過修理站時(shí)要停車黃底紅道旗意思是告訴車手跑道較滑 52 49 光通信的三要素 光源 傳輸介質(zhì) 光檢測(cè) 缺點(diǎn) 大氣干擾 距離帶寬有限 通信兩點(diǎn)必須直線可見 光纖通信呼之欲出 二 現(xiàn)代光纖通信 1 光纖通信的關(guān)鍵問題 a 低損耗的光纖 b 高可靠 長(zhǎng)壽命的光源及高響應(yīng)的光檢測(cè)器件 c 光測(cè)量及光纖連接技術(shù) 53 49 2 傳輸介質(zhì) 光透過玻璃功率損耗一半 相當(dāng)于3分貝 的長(zhǎng)度 普通玻璃幾厘米 高級(jí)光學(xué)玻璃幾米 光纖 20dB Km 150米 1974年美國貝爾研究所使光纖損耗降低到1分貝 公里 實(shí)用化光纖 54 49 3 光源 1977年貝爾研究所和日本的電報(bào)電話公司幾乎同時(shí)研制出壽命達(dá)100萬小時(shí)的半導(dǎo)體激光器 從而有了真正實(shí)用的激光器 譜寬度窄 方向性極好 亮度極高 光纖通信已是各種通信網(wǎng)的主要傳輸方式 55 49 第二節(jié)光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 一 允許頻帶很寬 傳輸容量大 了解 C B Log2 1 S N B是信道頻帶寬度 簡(jiǎn)稱帶寬 S是信號(hào)功率譜密度N是信道噪聲功率譜密度C是信道容量 二 損耗很小 中繼距離很長(zhǎng) 三 重量輕 體積小 四 泄露小 保密性能好 S N一般是一個(gè)常量 用于決定信號(hào)的質(zhì)量 56 49 五 節(jié)約有色金屬 有利于資源合理使用 石英 主要成分是二氧化硅 砂子 六 抗電磁干擾性能好 第一是光纖是絕緣體 不怕雷電和高壓 不受電磁干擾 第二是光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波 而各種干擾的頻率一般都比較低 所以它不能干擾頻率比它高的多的光波 57 49 第三節(jié)光纖通信系統(tǒng)的基本組成 58 49 一 光發(fā)射端機(jī)的功能電 光或E O轉(zhuǎn)換光端機(jī)由光源 驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成 59 49 二 光纖 光纜 光纖的加工 光纖的傳導(dǎo) 利用全反射 60 49 影響光信號(hào)質(zhì)量的兩大因素 損耗和色散 損耗導(dǎo)致收不到光信號(hào) 色散 導(dǎo)致光脈沖展寬 產(chǎn)生誤碼 010 111 61 49 多根光纖加工成光纜 62 49 三 光中繼站 目的 放大傳輸中減弱的光信號(hào) 方法 弱光信號(hào) 弱電信號(hào) 強(qiáng)電信號(hào) 強(qiáng)光信號(hào) 接收 放大 發(fā)射 四 光接收 光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào) 63 49 第三節(jié)光纖通信的未來 孤子通信與全光通信 孤子通信 使光脈沖展寬程度最小 全光通信 使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)全光化 不再采用電 光和光 電轉(zhuǎn)換 傳輸信號(hào)媒質(zhì)只有光纖 64 49 第三章移動(dòng)通信系統(tǒng) 一 移動(dòng)通信的定義 通信雙方至少有一方在移動(dòng)中進(jìn)行信號(hào)傳輸 65 49 二 移動(dòng)通信的特點(diǎn) 1 移動(dòng)通信必須利用無線電波進(jìn)行信息傳輸 1 通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng) 如何定位用戶的位置 如何傳遞呼叫 劃分小區(qū) 位置登記 位置更新 尋呼 鑒權(quán) 加密 提供業(yè)務(wù)信道 66 49 2 移動(dòng)通信的運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜 會(huì)產(chǎn)生 多徑效應(yīng) 并且會(huì)受到地形 地物的遮蔽而發(fā)生 陰影效應(yīng) 移動(dòng)臺(tái)接收N條路徑信號(hào) 多譜勒效應(yīng) 多徑效應(yīng) 67 49 3 移動(dòng)通信常常在快速移動(dòng)中進(jìn)行 這會(huì)引起多普勒 Doppler 頻移 多普勒效應(yīng) 收發(fā)兩端有相對(duì)速度 使通信電波頻率發(fā)生變化 無線電波經(jīng)多條路徑到達(dá)接收端 由于各電波相位不一致會(huì)引起合成電場(chǎng)強(qiáng)度隨機(jī)起伏 多徑效應(yīng) 地形 地物對(duì)信號(hào)的遮蔽引起信號(hào)大大衰減 陰影效應(yīng) 68 49 3移動(dòng)通信可以利用的頻譜資源非常有限 而移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱增 2移動(dòng)通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運(yùn)行的 外部干擾 如天電干擾 工業(yè)干擾和信道噪聲外 系統(tǒng)本身和不同系統(tǒng)之間 還會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的干擾 開辟和啟用新的頻段 研究各種新技術(shù)和新措施 提高頻譜利用率 69 49 4移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣 網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效 5移動(dòng)通信設(shè)備 主要是移動(dòng)臺(tái) 必須適于在移動(dòng)環(huán)境中使用 三移動(dòng)通信市場(chǎng)狀況 到2008年移動(dòng)電話用戶共計(jì)6 4億戶 其中中國移動(dòng)上半年凈利潤(rùn)549億元 增長(zhǎng)的原因 歸結(jié)于用戶快速增加以及增值業(yè)務(wù)收入水平的提高 話音業(yè)務(wù)短信手機(jī)音樂下載手機(jī)報(bào)飛信等 70 49 4 移動(dòng)通信的發(fā)展 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) WCDMA歐洲CDMA2000美國高通公司TD SCDMA中國與美國高通公司合作 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng) FDMA 頻分多址 模擬移動(dòng)通信系統(tǒng) 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng) GSMTDMA 時(shí)分多址 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)IS 95窄帶CDMA 碼分多址 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) 71 49 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng) 最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 20Mbit s 最高可達(dá)100Mbit s 72 49 5 中國3G發(fā)展?fàn)顩r 3G之前 移動(dòng) 聯(lián)通 電信 網(wǎng)通 GSM GPRS GSM CDMA 大靈通 TD SCDMA 小靈通 無線市話 移動(dòng)業(yè)務(wù) 3G之后 移動(dòng) TD SCDMA 聯(lián)通 合并 WCDMA CDMA EVDO 美國高通標(biāo)準(zhǔn) 電信 開