现代通信原理(概述)26901.pptx

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1、一 概述现代通信原理Modern Communication Principles课程描述 通信是一个广义的概念，涉及包括雷达、导航、遥控遥测等军用尖端技术和包括数字电话、广播电视、综合信息网、多媒体宽带网等现代民用技术，通信在过去分为模拟通信和数字通信两个方面来研究。目前，随着数字技术和计算机技术日新月异的发展，数字通信方式在许多领域已逐步取带模拟通信方式，成为通信的主流，也成为我们今天研究的重点。通信系统的核心是信号设计。本课程以通信技术的发展、演变为线索，从模拟到数字，由浅入深，力求把握通信信号设计的发展脉络和指导思想，用工程数学提供的方法准确表达和推导了通信信号和通信系统。通信的回顾与

2、热点通信的回顾与热点一、通信的回顾通信发展经历了五个阶段，其标志性事件分别是1、语言的产生，使人类有了比较完整的表达和交流形式。2、文字的产生，增大了交流的距离和流传的范围。3、印刷术的发明，使文明得以保存，世代相传，信息得以扩张。4、电报、电话、无线电等技术的发展，形成了通信理论和技术，形成了现代的通信产业。5、计算机技术、多媒体技术、有线及无线网络技术的发展，使信息交流达到了一个新的高度。利用电磁波通信的历史可大致划分三个阶段：1838年电报开始的通信初级阶段；1948年香农提出信息论开始的近代通信阶段；80年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段。通信发展简史(1)1838

3、年,摩尔斯发明有线电报,开始了电通信阶段 1864年,麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明,促使了后来无线通信的出现 1876年,贝尔利用电磁感应原理发明了电话 1879年,第一个专用人工电话交换系统投入运行 1980年,第一个付费电话系统运营 1896年,马可尼发明无线电报 1907年,电子管问世,通信进入电子信息时代 1915年,横贯大陆电话开通;实现越洋语音连接 1918年,调幅无线电广播、超外差式接收机问世通信发展简史(2)1925年,开通三路明线载波电话,开始多路通信 1936年,调频无线电广播开播 1937年,雷沃斯发明脉冲编码调制,奠定了数字通信基础 1938年,电视广

4、播开播 20世纪40年代二战期间,雷达与微波通信得到发展 1946年,第一台数字电子计算机问世 1947年,晶体管在贝尔实验室问世,为通信器件的进步创造了条件通信发展简史(3)1948年,香农提出了信息论,建立了通信统计理论 1951年,直拨长途电话开通 1956年,敷设越洋通信电缆 1958年,发射第一颗通信卫星 1962年,发射第一颗同步通信卫星,开通国际卫星电话;脉冲编码调制进入实用阶段 20世纪60年代,彩色电视问世;阿波罗宇宙飞船登月;数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现通信发展简史(4)20世纪70年代,商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定

5、计算机网络体系结构 20世纪80年代,开通数字网络的公用业务;个人计算机和计算机局域网出现;网络体系结构国际标准陆续制定 20世纪90年代,蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现;光纤通信得到迅速普遍的应用;国际计算机互联网得到极大发展二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它二、当今通信的热点11、卫星通信、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它19821982年年 国际海事通信组织开通由四颗地球同步卫星国际海事通信组织开通由四颗地球同步卫星 组成的组成的INMARSATINMARSAT系统，实现全球移动通信。

6、系统，实现全球移动通信。19981998年年 中、低轨道的卫星系统得以研究成功并陆续中、低轨道的卫星系统得以研究成功并陆续 开通，其中有开通，其中有-美国美国MotoralaMotorala公司的铱星公司的铱星(Iridium)(Iridium)系统系统-美国美国LORALLORAL公司的全球星公司的全球星(Global Star)(Global Star)系统系统-国际海事通信组织的国际海事通信组织的ICOICO系统系统19991999年年 国际卫星组织发射电视直播卫星、应用于高国际卫星组织发射电视直播卫星、应用于高 速信息公路。速信息公路。卫星的种类参考材料 参考材料同步地球轨道卫星同步地

7、球轨道卫星(GEO-GeosynchronousEarthOrbiting(GEO-GeosynchronousEarthOrbitingsatellites)satellites)位于近赤道的轨道上，高度位于近赤道的轨道上，高度3585835858公里公里 最少三颗卫星可实现全球通信最少三颗卫星可实现全球通信近地轨道卫星近地轨道卫星（LEO-LowEarthOrbitingsatellites LEO-LowEarthOrbitingsatellites）中距地球轨道卫星中距地球轨道卫星（MEO-MiddleEarthOrbiting MEO-MiddleEarthOrbitingsatel

8、lites satellites）各种建议方案中卫星数目从各种建议方案中卫星数目从1212颗到颗到840840颗，配置颗，配置成小型低功率卫星群，至少提供主要大陆地区成小型低功率卫星群，至少提供主要大陆地区的全方位覆盖的全方位覆盖 轨道平面不是近赤道的，卫星群像电子围绕原轨道平面不是近赤道的，卫星群像电子围绕原子核高速运转一样绕地球运行子核高速运转一样绕地球运行 近地轨道卫星高度近地轨道卫星高度64424156442415公里，中距地球轨公里，中距地球轨道卫星高度道卫星高度10062209491006220949公里公里 小系统卫星数目较少，运行频带小系统卫星数目较少，运行频带1GHz1GHz

9、以下，支以下，支持低数据速率业务持低数据速率业务卫星的种类（续）参考材料 参考材料 大系统卫星数目较多，运行频带大系统卫星数目较多，运行频带1GHz1GHz以上，支以上，支持高数据速率业务持高数据速率业务 相对于相对于GEOGEO静止卫星系统，静止卫星系统，LEOLEO和和MEOMEO被称为被称为MSS(MSS(移动卫星系统移动卫星系统)高距椭圆轨道卫星高距椭圆轨道卫星（HEO-HighlyEllipticOrbiting HEO-HighlyEllipticOrbitingsatellites satellites）该类卫星的原型为俄罗斯的该类卫星的原型为俄罗斯的MolniyaMolniya

10、系列卫星系列卫星 与赤道平面成与赤道平面成6565度夹角纵向运行，使用于北欧度夹角纵向运行，使用于北欧与北极地区。与北极地区。北半球远地点高度北半球远地点高度3996839968公里，南半球近地点高公里，南半球近地点高度度500500公里公里不同轨道的卫星三颗同步地球卫星基本上可覆盖全球参考材料 参考材料MEO不同轨道的卫星轨迹示意参考材料 参考材料铱星近地轨道卫星系统参考材料 参考材料原计划中星群由原计划中星群由7777颗卫星组成，化学元素周期表颗卫星组成，化学元素周期表中序号中序号7777的元素是的元素是Iridium(Iridium(铱铱)。IridiumIridium由希腊语由希腊语“

11、彩虹彩虹”一词转译而来。一词转译而来。后来星群减为后来星群减为6666颗，但序号颗，但序号6666的化学元素的化学元素Dysprosium(Dysprosium(镝镝)读来拗口，而且不愿放弃读来拗口，而且不愿放弃“彩虹彩虹”，故仍称铱星。，故仍称铱星。方案为方案为66+6(66+6(备用星备用星)，11目前目前11颗运行卫星和颗运行卫星和11颗备颗备用卫星已分别发射到用卫星已分别发射到66个轨道平面，高度约个轨道平面，高度约778778公公里。里。铱星话机使用甚小天线通过铱星话机使用甚小天线通过LL波段接入铱星，上行波段接入铱星，上行链路频率链路频率29.129.3GHz29.129.3GHz

12、，下行链路，下行链路23.1823.38GHz23.1823.38GHz。星际链路在星际链路在KaKa波段运行。上行频率波段运行。上行频率28.629.128.629.1，使，使用用FDMAFDMA，速率，速率2Mbps2Mbps；下行频率；下行频率18.819.318.819.3，使用，使用TDMATDMA，速率达到或超过，速率达到或超过64Mbps64Mbps。环路时延最大环路时延最大8.22ms8.22ms，最小，最小2.6ms2.6ms。语音通信话音质量与模拟蜂窝移动电话差不多。语音通信话音质量与模拟蜂窝移动电话差不多。铱星系统的接入和星际通信参考材料 参考材料IEEE卫星频段参考材料

13、 参考材料已运营的LEO和MEO卫星参考材料 参考材料二、当今通信的热点1、卫星通信22、移动通信、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它2020世纪世纪8080年代年代，基于，基于FDMAFDMA的第一代模拟系统的第一代模拟系统(G1)(G1)北美 北美AMPS AMPS、N-AMPS N-AMPS；英国；英国TACS TACS；日本；日本JTAC JTAC；北欧；北欧NMT NMT。2020世纪世纪9090年代年代，基于，基于TDMATDMA和和CDMACDMA的第二代数字系统的第二代数字系统 北美 北美D-AMPS(EIA/TIA IS-136)D-AMPS(EIA/T

14、IA IS-136)；欧洲；欧洲GSM GSM；日本；日本JDC JDC。(G2)(G2)欧洲 欧洲GSM/GSM/GPRS GPRS;基于 基于CDMA CDMA的北美 的北美PCS(IS-95)PCS(IS-95)。(G2+)(G2+)目前目前，基于，基于WCDMAWCDMA的数字第三代系统已经出现的数字第三代系统已经出现(G3)(G3)提供数据速率为 提供数据速率为2Mbps(2Mbps(静态环境 静态环境)的多媒体业务。的多媒体业务。ITU-T ITU-T正 正在制定 在制定IMT(IMT(国际移动通信 国际移动通信)建议标准，建议标准，IMT2000 IMT2000参考建议有：参考建

15、议有：欧洲根据 欧洲根据GSM/GPRS GSM/GPRS演进的 演进的UMTS(UMTS(通用移动通信系统 通用移动通信系统)建议；建议；北美根据 北美根据IS-95 IS-95演进的 演进的cdma2000 cdma2000建议；建议；北美根据 北美根据IS-136 IS-136演进的 演进的UWCC-136 UWCC-136建议 建议(TDMA)(TDMA)。蜂窝系统频带划分Cellular Bands第一代 单频模拟蜂窝系统 仅用于语音通信 覆盖区仅有宏小区 商业用户Continued.移动通信的演进代的演进参考材料 参考材料第二代 双频双模式数字系统 语音/低速数据通信 宏小区 Ma

16、cro Cells 微小区 Micro Cells 皮可小区 Pico Cells 与固定电话网互补 商业用户和消费者第三代 多频多模式数字系统 多媒体通信多业务 同固定电话结合在一 起，与IP网、VPN等 网络互补 个人通信移动通信的演进蜂窝系统中的通信覆盖小区参考材料 参考材料移动通信的演进标准的演进参考材料 参考材料NMT-450NMT-900AMPSN-AMPSTACSJTACD-AMPS(IS-136)GSMJDCGSM/GPRSCDMA(IS-95)UTRA(UMTS)UWCC-136cdma20001G 1G 3G(IMT-2000)3G(IMT-2000)2G+2G+2G 2G

17、Continued.移动通信的演进IMT-2000参考材料 参考材料 UTRA-UMTSTerrestrialRadioAccess UTRA-UMTSTerrestrialRadioAccess（通用移动通信系（通用移动通信系统微波无线电接入）统微波无线电接入）由 由ETSI ETSI（欧洲通信系统协会）提交（欧洲通信系统协会）提交 采用 采用WCDMA WCDMA（宽带码分多址接入）（宽带码分多址接入）cdma2000 cdma2000（码分多址接入（码分多址接入2000 2000）根据 根据IS-95 IS-95标准（标准（CDMA CDMA）演化而来）演化而来 由 由 美国 美国TIA

18、 TIA（电信业协会）提交（电信业协会）提交 采用 采用WCDMA WCDMA UWCC-136 UWCC-136 根据 根据IS-136 IS-136标准（标准（D-AMPS D-AMPS）演化而来 演化而来 由美国 由美国UWCC UWCC（通用无线通信合作组织）提交（通用无线通信合作组织）提交 采用 采用TDMA TDMAUMTS-UniversalMobileTelecommunicationsSystem UMTS-UniversalMobileTelecommunicationsSystemWCDMA-WidebandCodeDivisionMultipleAccess WCDMA

19、-WidebandCodeDivisionMultipleAccessUWCC-UniversalWirelessCommunicationsConsortium UWCC-UniversalWirelessCommunicationsConsortium移动通信的演进从GSM到UMTS的演变参考材料 参考材料 1990-本土GSM 数据速率9.6Kbps 1998-HSCSD 数据速率57.6Kbps 1999-GPRS 数据速率115Kbps 2000-GSM384 数据速率384Kbps 2002-UMTS 数据速率2MbpsHSCSD-High-SpeedCircuit-Switchi

20、ngDataHSCSD-High-SpeedCircuit-SwitchingData高速电路交高速电路交换数据换数据GPRS-GeneralPacketRadioServiceGPRS-GeneralPacketRadioService通用分组无线业务通用分组无线业务移动通信的演进专用术语参考材料 参考材料 GSM-GlobalSystemforMobileCommunications GSM-GlobalSystemforMobileCommunications全球移动 全球移动通信系统 通信系统 AMPS-AdvancedMobilePhoneSystem AMPS-AdvancedMo

21、bilePhoneSystem高级移动电话系统 高级移动电话系统 N-AMPS-NarrowbandAMPS N-AMPS-NarrowbandAMPS窄带高级移动电话系统 窄带高级移动电话系统 D-AMPS-DigitalAMPS D-AMPS-DigitalAMPS数字高级移动电话系统 数字高级移动电话系统 TACS-TotalAccessCommunicationSystem TACS-TotalAccessCommunicationSystem全向通信系统 全向通信系统 JTAC-JapanTotalAccessCommunications JTAC-JapanTotalAccessC

22、ommunications日本全向通信系 日本全向通信系统 统 NMT-North-EuropeMobileTelephony NMT-North-EuropeMobileTelephony北欧移动电话 北欧移动电话 JDC/PDC-Japan/PersonalDigitalCellular JDC/PDC-Japan/PersonalDigitalCellular日本 日本(个人 个人)数字 数字蜂窝系统 蜂窝系统 PCS-PesonalCommunicationSystem PCS-PesonalCommunicationSystem个人通信系统 个人通信系统 IMT-Internatio

23、nalMobileTelecommunications IMT-InternationalMobileTelecommunications国际移动通 国际移动通信 信二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信33、多媒体通信、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它 多媒体通信传媒信息量大多媒体通信传媒信息量大 适应现代社会许多应用需求，诸如适应现代社会许多应用需求，诸如-可视电话 可视电话-电视会议 电视会议-虚拟现实 虚拟现实-视频点播 视频点播-语音邮件 语音邮件-多媒体检索 多媒体检索-远程教学 远程教学二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信44、用户数据接入、用

24、户数据接入5、全光网6、其它 基于铜缆的接入技术 基于铜缆的接入技术。例如，能传输。例如，能传输2Mbps 2Mbps以上的数据 以上的数据“高比特率数字用户线 高比特率数字用户线”，可把图像等视频信号引入用户家庭，可把图像等视频信号引入用户家庭。基于光缆的接入技术 基于光缆的接入技术。光缆频带宽、容量大、干扰小。光缆频带宽、容量大、干扰小。光纤同轴混合接入技术 光纤同轴混合接入技术。利用有线电视系统的方法，可以。利用有线电视系统的方法，可以额外提供视频点播，交互式数据业务及电话业务。额外提供视频点播，交互式数据业务及电话业务。无线接入技术 无线接入技术。具有建设速度快，方便灵活、造价低廉等。

25、具有建设速度快，方便灵活、造价低廉等特点。特点。各种无线通信系统参考材料 参考材料交换式交换式/中继移动无线电（中继移动无线电（SMR/TMRSMR/TMR）无线寻呼网（无线寻呼网（BPBP）无绳电话与无线办公电信系统（无绳电话与无线办公电信系统（WOTSWOTS）蜂窝无线电与蜂窝数据通信蜂窝无线电与蜂窝数据通信 数字分组数据（数字分组数据（CDPD CDPD）通用分组无线业务（通用分组无线业务（GPRS GPRS）无线数据网络：分组无线电无线数据网络：分组无线电无线局域网（无线局域网（WLANWLAN）无线本地环路（无线本地环路（WLLWLL）本地多点分布业务（本地多点分布业务（LMDS L

26、MDS）多信道多点分布业务（多信道多点分布业务（MMDS MMDS）注册许可的微波系统 注册许可的微波系统 个人通信业务（个人通信业务（PCS PCS）二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入55、全光网、全光网6、其它1995 1995年美国和欧洲分别开始研究全光网。全光网在服务质量、年美国和欧洲分别开始研究全光网。全光网在服务质量、带宽需求、业务内容、网络的可重构性和可扩展性等方面，都是 带宽需求、业务内容、网络的可重构性和可扩展性等方面，都是当今现有网络所远远不能比拟的。当今现有网络所远远不能比拟的。在传输系统（包括交换机）中，全程不需要光 在传输系统（包

27、括交换机）中，全程不需要光/电和电 电和电/光的 光的转换，完全靠光波沿光纤传输。转换，完全靠光波沿光纤传输。用户端机之间不少电信号的处理功能也由光技术实现，如出 用户端机之间不少电信号的处理功能也由光技术实现，如出网 网/进网，储存、交换等。进网，储存、交换等。二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网66、其它、其它 ATM(ATM(异异步步传传送送模模式式)、IPIPPhone(Phone(网网络络电电话话)、光光纤纤ADMADM分插点复用等等。分插点复用等等。通信模型通信模型一、通信模型一、通信模型通信的基本目的是由信源向信宿传送消息。通信的基本

28、目的是由信源向信宿传送消息。通信的最基本要求是迅速和可靠。通信的最基本要求是迅速和可靠。二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能(1)(1)信 信源 源。顾名思义，指信息产生的源头，可以是人或设备。其发出的信息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能(2)(2)发 发送 送器 器。种类及其功能多样化，如编码、调制、放大、滤波、发射等。发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用是将信源发出的信息转换成便于传输的某种信号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。二、通信模型组成部分及

29、功能二、通信模型组成部分及功能(3)(3)信 信道 道。即信息传输通道，也是传递物质信号的媒介。信道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等。二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能(4)(4)噪 噪声 声源 源。是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的干扰情况。在任何通信系统中，干扰的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能(5)(5)接 接收 收器 器。其作用主要是接收信道中的信号，并转换成发送前相同表示形式的信息传递给信宿，与发送器功能正好相反。对接收器的要求是尽可能地从受干扰的信号中精确地提取和还原来自

30、信源的信息。二、通信模型组成部分及功能二、通信模型组成部分及功能(6)(6)信宿 信宿。信息传输的目的地，即接收消息的人或机器。三、通信模型工作原理三、通信模型工作原理(1)(1)信源产生的发送信息可表示为随时间变化的输入信号g(t)，它通常不适于直接在信道上传输。g(t)需由发送设备进行某种变换，变为信号s(t)，既载有信源的信息，同时又便于在信道上传输。三、通信模型工作原理三、通信模型工作原理(2)(2)通过信道后的信号为r(t)，接收设备对其进行相对于发送的逆变换。由于信号在传输中受到了噪声n(t)的干扰，逆变换后的信号g(t)仅是信号g(t)的近似值或估计值。三、通信模型工作原理三、通

31、信模型工作原理(3)(3)噪声的干扰实际存在于整个通信系统中，为便于分析，并考虑到信道上的干扰最为严重，故通信模型把噪声干扰集中在信道上表示为n(t)。四、四、DTEDTE与与DCEDCE数据通信系统中，发送端信源和接收端的信宿称为DTE(数据终端设备,Data Terminal Equipment)，如计算机之类的终端设备。发送和接收设备称为DCE(数据电路端接设备,Data Circuit Terminating Equipment)。DCE有时也称作数据通信设备(Data Communication Equipment)。DTE DTE DCE DCE五、通信模型的说明五、通信模型的说明

32、 该通信模型示意图是原理性的，表面上描述的是一个一对一的单向通信系统，但它却是适于各种通信系统的一个抽象模型，概括地反映了各种通信系统实际应用中的共性。实际应用中通信系统往往是双向的，而且可能是多个信源与多个信宿间的通信。如DCE到DCE，一般不是简单的点对点的关系，而是涉及比较复杂的网络结构，包含交换技术、路由选择等内容；图中的同步也只是一种时间上协调的会意性描述。DCE DCE通信种类的划分通信种类的划分 通信的种类可有多种划分的形式，如从通信内容上、传输信号的性质上、信道上等进行划分。从通信内容上可有：语音通信(电话)图象通信 多媒体通信从传输信号形式有：模拟信号通信 数字信号通信从信道

33、划分大致可有：还有其它一些分类方法，如窄带通信和宽带通信之分。语言、低速数据属窄带通信，而图像、多媒体、高速数据属宽带通信。一、按传输信号形式分类 依据用来传递消息的电信号有模拟信号与数字信号之分 通信系统可分为模拟通信与数字通信两大类 目前的多数电话与电视通信系统是模拟通信系统典型的应用实例 计算机系统中主机把资料输出到打印机是数字通信系统的一个实例 数据通信是指信源产生的数据流，无论是通过模拟传输信道还是数字传输信道，按一定通信协议，传送到信宿的过程。模拟通信 模拟通信是指在通信系统中所传输的是模拟信号 模拟通信系统的示意简框图 图中，信源传出的是模拟信号，其状态变化为连续图形。信源 调制器 解调器 信道 信宿噪声模拟通信 发送器被被简化为调制器，接收器被简化为解调器。事实上还应包括放大、滤波、变频等处理过程，图中将这些功能都合并到信道中去，以强调调制解调功能在模拟通信中的重要作用。信源 调制器 解调器 信道 信宿噪声