通信概論通信工程的全面講解

1、通信概論通信工程的全面講解2022/7/252課程介紹通信概論是高等教育自學(xué)考試計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)（獨立本科段）的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。設(shè)置本課程的目的是使考生在熟悉通信系統(tǒng)的基本概念、原理和技術(shù)的基礎(chǔ)上，對電話通信、移動通信、微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等實用通信技術(shù)有一個全面的了解和認(rèn)識，為其將來在通信領(lǐng)域中的工作，以及后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2022/7/253考試大綱說明13章是通信基礎(chǔ)知識和通信技術(shù)知識，這三章的考核內(nèi)容比例共占50%；48章是各種通信系統(tǒng)的介紹，主要考核基本概念，4（電話系統(tǒng)）、5（移動通信）、8（光纖通信系統(tǒng)）章的考核內(nèi)容比例各占12%；6（微波通信）、7章（衛(wèi)星通信）的

2、考核內(nèi)容比例各占7%。2022/7/254關(guān)于三個認(rèn)知層次確定及其考核要求識記（占30%）：要求考生能夠?qū)Υ缶V中的知識點，如定義、常用術(shù)語和專業(yè)名詞等有清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識，并能做出正確的回答、判斷和選擇。領(lǐng)會（占35%）：要求考試能夠?qū)Υ缶V中的基本概念、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、有關(guān)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、各種通信系統(tǒng)的主要特點等有一定的理解，清楚它與有關(guān)知識點的聯(lián)系與區(qū)別，并能做出正確的表達和解釋。應(yīng)用（占30%）：要求考生能夠運用本大綱中各部分的基本公式（尤其是例題）和有關(guān)知識點，解決簡單的計算和應(yīng)用問題，并會畫出有關(guān)的信號波形或原理框圖等。2022/7/255考試命題的主要題型單項選擇題（1分一題，共25分

3、）填空題（1分一空，共10分）名詞解釋（3分一個，共15分）簡答題（5分一題，共30分）應(yīng)用題（10分一題，共20分）1.1 基本概念1.2 通信系統(tǒng)的組成（重點）1.3 通信系統(tǒng)的分類1.4 通信方式1.5 信號與頻譜1.6 信道和噪聲 （難點）1.7 多路復(fù)用技術(shù)1.8 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)（重點）第1章 通信基礎(chǔ)通信的定義：通信就是信息的傳輸和交換。通信方式的演變：古代：靠手勢、動作和表情進行交流通信技術(shù)電子技術(shù)現(xiàn)代（信息時代）： 與多種高新技術(shù)緊密結(jié)合計算機技術(shù)自動控制技術(shù)人工智能1.1 基本概念消息、信息、信號有什么區(qū)別消息(Message)：信息的外在形式，如語言、文字、圖片和數(shù)據(jù)等

4、。信息(Information)：消息的內(nèi)涵。信號(Signal)：消息或信息的傳輸載體，如光、電、聲信息寄寓于消息之中消息以信號作為載體2022/7/259如今，在自然科學(xué)領(lǐng)域凡是涉及“通信”這一術(shù)語時，一般均指“電通信”（利用電傳遞信息）。廣義來講，光通信也屬于電通信，因為光也是一種電磁波。1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型（識記）通信系統(tǒng)的作用是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸?shù)囊磺屑夹g(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)（信道）的集合稱為通信系統(tǒng)。不管其具體的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)如何，任何一種通信系統(tǒng)的核心包括：信源、發(fā)送設(shè)備、傳輸媒質(zhì)（信道）、接收設(shè)備、信宿5部分。1.2 通信系統(tǒng)的組成202

5、2/7/2511各組成單元的主要功能（識記）信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿噪聲源消息的發(fā)源地。完成非電量-電量的轉(zhuǎn)換消息的目的地。功能與信源相反傳輸信號的通道將信源和信道匹配起來功能是放大和反變換,正確恢復(fù)出原始電信號。信道中的噪聲及各處的噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機的。1.2.2 模擬通信模擬通信系統(tǒng)框圖模擬信源發(fā)送器信道接收器信宿噪聲源調(diào)制器解調(diào)器解調(diào)器調(diào)制器信源信道信宿噪聲源1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型（識記）數(shù)字通信系統(tǒng)框圖信源信宿信源編碼信道編碼信源譯碼信道譯碼模擬信號功能一：模/數(shù)轉(zhuǎn)換；功能二：去除冗余信息，提高傳輸有效性。加入用于差錯檢測和控制的監(jiān)督碼，以提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性

6、。數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)同步1.2.4 數(shù)字通信的優(yōu)缺點數(shù)字通信的優(yōu)點（識記）抗干擾能力強，且噪聲不積累。傳輸差錯可控。便于形成綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。易于集成化。易于加密處理，且保密強度高。通信方式從模擬通信向數(shù)字通信發(fā)展是通信技術(shù)發(fā)展的總趨勢。1.3 通信系統(tǒng)的分類（識記）2.按調(diào)制方式分類：基帶系統(tǒng)和調(diào)制（或帶通）系統(tǒng)。1.按通信業(yè)務(wù)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)、圖像通信系統(tǒng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)等。2022/7/2516消息的分類：連續(xù)消息(模擬消息)：狀態(tài)連續(xù)變化的消息；離散消息(數(shù)字消息)：狀態(tài)變化為可數(shù)或離散型的消息。信號的分類：模擬信號：幅度連續(xù)、時間連續(xù)或不連續(xù)的信號；數(shù)字信號

7、：幅度和時間都離散的信號。3.按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳輸?shù)氖悄M信號；數(shù)字通信系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳輸?shù)氖嵌M制或多進制數(shù)字信號。模擬信號f(t)數(shù)字信號f(t)tt4.按傳輸媒介分類：有線通信：利用各種導(dǎo)線作為信道來傳輸信號的通信方式無線通信：依靠自由空間來傳輸電磁波的通信方式。5.按工作波段分類各類通信使用的頻段，分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信、和光通信系統(tǒng)。= c / f 其中 c 3.0108m/s（光速）1.4 通信方式單工通信含義：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，即在通信設(shè)備的雙方中，一方只能設(shè)置發(fā)送設(shè)備，而另一方只能為接收設(shè)備。發(fā)送站接收站信息流向例如：廣播電視傳

8、送系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)。1.4.1 單工、半雙工、全雙工通信（領(lǐng)會）半雙工通信含義：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式，即在同一時間內(nèi)僅能使信息在一個方向上傳輸。發(fā)送接收例如：對講機。接收發(fā)送信息流向信息流向全雙工通信含義：通信雙方可同時進行收、發(fā)消息的工作方式。例如：電話或手機通信信息流向發(fā)送接收接收發(fā)送分類：二線全雙工：利用頻分復(fù)用、時分復(fù)用或回波抵消技術(shù)實現(xiàn)同時雙向通信；四線全雙工：發(fā)、收向信息分別使用一對導(dǎo)線。1.4.2 傳輸方式并行傳輸含義：將代表信息的數(shù)據(jù)代碼序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸。如計算機和打印機之間數(shù)據(jù)的傳輸。優(yōu)點：傳送速

9、率高，發(fā)收雙方不存在字符同步問題。缺點：需要多個并行信道，增加了設(shè)備成本；并行線路間的電平相互干擾會影響傳輸質(zhì)量。適用場合：短距離通信，如計算機內(nèi)部或在同一系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間的通信。串行傳輸含義：將數(shù)據(jù)代碼序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸。遠(yuǎn)距離數(shù)字傳輸常采用這種方式。優(yōu)點：只有一條信道，設(shè)備成本低，且易于實現(xiàn)。缺點：必須解決收發(fā)雙方如何保持碼組或字符同步的問題；比并行傳輸效率低。2022/7/2524按通信設(shè)備與傳輸線路之間的連接類型，可分為點與點之間通信、一點到多點和多點之間通信。按同步方式的不同，可分為同步通信和異步通信。1.5 信號與頻譜 研究信號最直觀的方法就是觀察它的時

10、域波形和頻域頻譜。1.5.1 信號的分類1. 確知信號和隨機信號 確知信號 可以預(yù)先知道其變化規(guī)律的信號，其在定義域的任何時刻都有確定的函數(shù)值?？梢杂脮r間函數(shù)來描述。隨機信號 為不確知信號，其在實際發(fā)生之前具有一定的不確定性。沒有確定的函數(shù)值。用概率統(tǒng)計的方法來描述。2.周期信號和非周期信號（識記特征）周期信號每隔一定的時間間隔按相同規(guī)律重復(fù)變化的信號。非周期信號是不具有重復(fù)性的信號。3.模擬信號和數(shù)字信號（識記區(qū)別）模擬信號是指信號參量的取值是連續(xù)的。數(shù)字信號是指信號的參量只可能取有限個、可數(shù)個值。4.基帶信號和帶通信號（識記關(guān)系）基帶傳輸含義：將編碼信號直接在電路中傳輸。特點：基帶信號的頻

11、帶從0頻到幾百MHz，甚至幾千MHz，要求信道有較寬（直流到高頻）的頻率特性；傳輸線路的電容對傳輸信號的波形影響很大，使傳輸距離受到限制，一般不大于；基帶傳輸方式簡單，設(shè)備費用少，適用于傳輸距離不長的場合。頻帶傳輸（載波傳輸）含義：將數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制以后轉(zhuǎn)換成可在長途信道上傳輸?shù)哪M信號，再進行傳輸。頻帶傳輸系統(tǒng)框圖數(shù)字基帶信號調(diào)制器信道解調(diào)器采樣判決器噪聲數(shù)字信號模擬信號數(shù)字基帶信號模擬信號數(shù)字信號調(diào)制與解調(diào)是頻帶傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)。1.5.2 信號舉例正弦波是一種最基本的周期信號。它可以用3個參量來描述：振幅、周期或頻率、相位。（應(yīng)用：其含義、關(guān)系和計算）振幅指信號的高度或強度。周期指信號完

12、成一個波形循環(huán)所要經(jīng)歷的時間。周期和頻率互為倒數(shù)。相位描述了波形相對于時間零點的位置。公式見P31研究正弦波的意義P32（應(yīng)用）1.5.3 時域和頻域從時域角度，描述的是信號隨時間變化的特性。從頻域角度，描述的是信號隨頻率變化的特性。在實際中，信號的時域特性可以通過示波器觀察其波形來分析研究；頻域特性可以通過頻譜儀觀察其頻譜來分析研究。1.5.4 頻譜和帶寬信號頻譜是指它包含的所有頻率分量的集合，并且通過頻域圖表示。換言之，頻譜是描述信號幅度（或相位）隨頻率變化的關(guān)系圖。信號帶寬是指信號占有的頻率范圍，信號帶寬是信號的振幅頻譜中正頻率部分的寬度。它等于信號的最高頻分量與最低頻分量的頻率差。一般

13、來說，對于模擬信號，其帶寬應(yīng)該小于它占用的信道帶寬，即信道帶寬必須大于信號帶寬；對于數(shù)字信號，它占用的信道帶寬可以小于信號帶寬。1.6 信道和噪聲1.6.1 信道定義與分類含義：通信媒體又稱傳輸媒介，是通信傳輸系統(tǒng)中發(fā)方與收方之間的物理路徑。常用通信媒體明線雙絞線同軸電纜波導(dǎo)光纖微波無線電衛(wèi)星通信1.6.2 有線信道有線信道可分為：明線、對稱電纜（或稱雙絞線電纜）、同軸電纜、光纖等。（識記）明線形式：由電桿支持、架設(shè)在地面上的一種裸線。應(yīng)用場合：早期的長途線路和市內(nèi)公用電話電報網(wǎng)。優(yōu)點：對話音信號衰耗小、施工技術(shù)簡單；缺點：易受氣候和外界磁場的影響，傳輸頻帶窄、話路少。雙絞線形式：將一對絕緣線

14、扭絞在一起，任意擰成螺旋形，以減少對外部干擾和串音的敏感。應(yīng)用場合：用戶與本地中心站間及中心站與中心站間的連線。優(yōu)點：價格便宜，使用方便，安裝容易。根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的不同，雙絞線又分為兩種：非屏蔽雙絞線（簡稱UTP）和屏蔽雙絞線（簡稱STP）。銅線聚氯乙烯 套層絕緣層非屏蔽雙絞線 UTP非屏蔽雙絞線（UTP）屏蔽雙絞線（STP）（1）非屏蔽雙絞線（UTP） 特性阻抗為100 由多對雙絞線和一層塑料封裝外皮組成 為了減少線對之間的串?dāng)_以及來自外界的電磁干擾，線對間的絞和度以及線對內(nèi)兩根導(dǎo)線的絞和度都要經(jīng)過精心設(shè)計。銅線聚氯乙烯 套層絕緣層非屏蔽雙絞線 UTP同軸電纜結(jié)構(gòu)：由對地不對稱的同軸管構(gòu)成。內(nèi)

15、層導(dǎo)體外層導(dǎo)體絕 緣 體包 層優(yōu)點：壽命長、通信容量大、質(zhì)量穩(wěn)定、外界干擾小、可靠性高和維護便利等。分類：50同軸電纜：適于傳輸基帶數(shù)字信號，常用于計算 機局域網(wǎng)或電話系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸；75同軸電纜：又稱寬帶同軸電纜主要用于模擬傳輸 系統(tǒng)，是CATV的標(biāo)準(zhǔn)傳輸電纜。光纖 由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲狀。 物理結(jié)構(gòu)和同軸電纜相似，但是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中 心是玻璃芯，稱為纖芯，芯外面包圍著一層折射率比 芯低的玻璃封套，稱為包層。再外面是一層薄的塑料 外套，用來保護玻璃封套。光纖結(jié)構(gòu)示意圖折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯高折射率(纖芯)低折

16、射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纖光纖傳輸原理按照傳輸?shù)哪?shù)區(qū)分，可以分為單模光纖和多模光纖在微米微米的波段中，光纖傳輸性能表現(xiàn)最佳，目前光纖的三個代表傳輸窗口分別為微米、微米和微米。光纖在實際使用時總是成對使用，一條發(fā)送，一條接收按照折射率分布區(qū)分，可以分為均勻光纖和非均勻光纖光纖光纖優(yōu)點：傳輸頻帶寬，通信容量大；傳輸損耗低，中繼距離長；抗雷電和電磁的干擾性好；體積小、重量輕。缺點：接續(xù)困難，光接口比較昂貴。 光纖是通信領(lǐng)域中重要的傳輸媒質(zhì)，為數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)距離通信、寬帶高速通信和海底傳輸系統(tǒng)提供了良好的傳輸環(huán)境。1.6.3 無

17、線信道微波無線電形式：將地球上的大氣作為電磁波的長距離傳送介質(zhì)。應(yīng)用場合：作為陸上無線電系統(tǒng)的傳送介質(zhì)。優(yōu)點：跨越自然障礙和阻隔的能力強，最適合于移動通信；成本低、中繼距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量比較穩(wěn)定。缺點：雨雪天氣易產(chǎn)生吸收損耗，不利地形或環(huán)境易造成衰落現(xiàn)象，引起較高的誤碼率；保密性差。2022/7/2543根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁波的傳播方式主要有3種：地（面）波傳播、天波傳播和視線傳播（識記）1）地波傳播：頻率較低（2MHz以下）的電磁波。地波是調(diào)幅廣播的傳播方式。2）天波傳播（或稱電離層反射）。高頻（230MHz）波段。反射高頻電磁波的主要是F層。這種利用電離層反射的傳播方式稱為天

18、波傳播。3）視線傳播。頻率高于30MHz的電磁波。 噪聲是一種不需要的、有害的電信號。它獨立于有用信號并始終存在。（領(lǐng)會其種類和危害）1.6.4 信道噪聲 按照來源分類： 人為噪聲：電火花、家用電器 自然噪聲：閃電、大氣噪聲、熱噪聲 按照性質(zhì)分類： 單頻噪聲/窄帶噪聲 脈沖噪聲 起伏噪聲 今后討論通信系統(tǒng)時主要涉及： 白噪聲 熱噪聲是一種典型白噪聲。單頻噪聲/窄帶噪聲是一種頻率單一或頻譜很窄的連續(xù)波干擾。脈沖噪聲是一種在時間上無規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。起伏噪聲是遍布在時域和頻域內(nèi)的隨機噪聲。1.6.5 信道容量 信道容量是指信道能夠無差錯傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省Ｐ诺廊萘康膯挝皇潜忍?秒(bids或

19、bps)。 一、有擾連續(xù)信道的信道容量 模擬信道的信道容量可以根據(jù)香農(nóng)(Shannon)公式（識記）計算。香農(nóng)公式指出:在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中,信道的極限信息傳輸速率(信道容量)為 其中,S/N 是平均信號噪聲功率比,噪聲為正態(tài)分布的加性白噪聲,B為信道帶寬,C為信道容量。 該信道容量為信道容量是在一定 S/N 下信道能達到的最大傳信速率,實際通信系統(tǒng)的傳信速率要低于信道容量,但隨著技術(shù)進步,可接近極限值。 舉例：P47第22小題 2022/7/25482.由香農(nóng)公式得到的重要結(jié)論：1）信道容量C受“三要素”，即B、S、N的限制。2）提高信噪比（S/N），可以增大信道容量。3）若

20、噪聲功率趨于零（或噪聲功率譜密度趨于零），則信道容量趨于無窮大。4）增大信道帶寬B可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。5）信道容量C一定時，信道帶寬B和信號噪聲功率比之間可以互換。香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達到的極限信息傳輸速率，達到極限信息速率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。1.7 多路復(fù)用技術(shù)（領(lǐng)會FDM和TDM的概念、特點和應(yīng)用）復(fù)用：含義：用一條信道同時傳輸多路信號的方法。目的：有效地利用帶寬，提高通信的有效性。典型方式：頻分多路復(fù)用時分多路復(fù)用固定時分復(fù)用統(tǒng)計時分復(fù)用1.7.1 頻分復(fù)用Frequency Division MultiplexingCH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用f原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶。適用于模擬信號傳輸，普遍應(yīng)用在長途多路載波電話系統(tǒng)、無線廣播中。 1.7.2 時分復(fù)用Time Division Multiplexing原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個通道（時隙） ，每個用戶占用一個通道傳輸數(shù)據(jù)。 A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)時隙1234D3D2D1適用于數(shù)字信號傳輸 時間片統(tǒng)計(異步)TDMSTDMABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期