通信技术授课讲义

1通信原理国防科技大学电子科学与工程学院主讲：马东堂电话：75776，13319601215Email:[e-mail](军网)网上课程：通信原理_合训2课程简介课程性质和任务：《通信原理》是电子、通信、计算机和信息处理等专业的一门重要的专业基础课，主要讲述信息传输的基本理论和技术，本课程通过课堂教学、习题练习和实验等教学环节，旨在给同学们奠定扎实的通信理论基础的同时，让大家学习和了解更多的现代通信技术和理论。授课对象：大三本科学员3课程简介课程要求：1、掌握数字通信系统的基本组成、工作原理、常用的性能指标和分析方法；了解数字通信系统的特点；2、掌握脉冲编码调制、增量调制、差分脉码调制等常用的模拟信号数字化方法；3、掌握数字信号基带传输和频带传输的基本原理，掌握数字通信中常用的调制方式与解调方法。4、了解同步的原理。4课程简介前期课程：信号与系统、随机信号分析、电子线路等。后续课程：编码理论、无线通信系统、通信网络等。考核方式：笔试占85%，实验占15%。5学时安排讲授内容安排讲授学时实验内容实验学时第1章绪论4第2章模拟调制技术4第3章模拟信源数字化与编码8抽样定理与ADPCM2第4章数字基带传输8AMI与HDB3码2第5章数字频带传输12DPSK、串行通信和FSK2第6章同步与数字复接4位同步2习题课2合计4286教材“通信原理”通信原理教学组7参考书“现代通信原理”曹志刚、钱亚生清华大学出版社“通信原理”（第6版）樊昌信、曹丽娜国防工业出版社8第一章绪论9学习目标理解通信的基本概念和常用术语；区别模拟信号和数字信号；掌握数字通信系统的组成、分类和通信方式，了解数字通信系统的主要特点；理解信息的内涵，分析离散信源的平均信息量；理解码元速率、信息速率、频带利用率、误码率误比特率等通信系统性能指标；了解各种实际信道以及信道容量的概念。10第1章绪论1.1通信技术的发展与信息社会1.2通信系统的组成与分类1.3通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6信道主要内容111.1通信技术的发展与信息社会通信的目的是传递消息中包含的信息。中国古代的一种重要通信方式是烽火狼烟利用驿站传递文书1837年莫尔斯电报发报收报传输线121.1通信技术的发展与信息社会话筒耳机1876年贝尔电话1864年麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在131.1通信技术的发展与信息社会1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫把电磁波应用到无线电报通信中；1906年，26岁的美国青年德弗雷斯特发明了真空电子管并首先应用于通信；1918年，出现无线电广播；1948年，香农奠定了经典信息论基础；1958年，第一颗通信卫星上天；1960年，激光器问世；1961年，发明集成电路；1977年，第一个光纤通信系统投入使用。14150年来人类通信能力增长示意图公里Ｘ每秒比特1.1通信技术的发展与信息社会151.1通信技术的发展与信息社会军事通信的能力要求:立体覆盖能力互连互通能力宽带传输、交换能力多业务综合能力多功能综合能力运动中通信能力保密与抗干扰能力16第1章绪论1.1通信技术的发展与信息社会1.2通信系统的组成与分类1.3通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6信道主要内容171.2通信系统的组成与分类1.2.1通信系统的基本构成传输信息所需的一切技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。噪声信道信源信宿传输媒介发送设备接收设备通信系统一般模型产生或发出消息的人或机器接收消息的人或机器将信源产生的消息信号变换成便于传送的形式从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号181.2通信系统的组成与分类信源和信宿模拟信源：输出模拟信号数字信源：输出数字信号如何区别数字信号和模拟信号？191.2通信系统的组成与分类连续信号tf(t)tf(nt)抽样信号模拟信号波形数字信号波形f(t)031231多进制码t3210模拟信号特征量取值连续的信号数字信号特征量取值离散的信号110010二进制码tf(t)10231.2通信系统的组成与分类1.2.2通信系统的分类按照通信业务和用途分类常规通信话务通信非话务通信控制通信遥测、遥控、指令通信等。241.2通信系统的组成与分类按调制方式分类根据是否采用调制，可分为基带传输和调制传输。基带传输：将未调制的信号直接传送。调制传输：将信号变换成适合信道传输的形式后传送，目的是便于信息的传送、提高系统的抗干扰能力、改善通信系统性能。251.2通信系统的组成与分类调制方式用途常规双边带调幅AM中波广播、抑制载波双边带调幅DSB-SC立体声广播单边带调幅SSB载波通信，无线电台模拟调制残留边带调幅VSB电视广播，数传，传真频率调制FM卫星通信，调频广播连续波调制相位调制PM中间调制方式短波广播261.2通信系统的组成与分类调制方式用途幅度键控ASK数据传输频率键控FSK数据传输相位键控PSK，DPSK，QPSK等数据传输，数字微波，卫星通信，移动通信连续波调制数字调制其他数字调制QAM，MSK等数字微波，空间通信，移动通信271.2通信系统的组成与分类调制方式用途脉幅调制PAM中间调制方式，遥测脉宽调制PDM（PWM）中间调制方式脉冲模拟调制脉位调制PPM遥测，光纤传输脉码调制PCM程控数字交换，卫星，空间通信增量调制DM军用，民用话音编码差分脉码调制DPCM话音、图像编码脉冲调制脉冲数字调制其它语音编码方式ADPCM、LPC等中低速率话音压缩编码281.2通信系统的组成与分类按传输信号的特征分类模拟通信数字通信按传输媒介分类有线通信无线通信291.2通信系统的组成与分类按传送信号的复用方式分类频分复用时分复用码分复用波分复用ft频分复用ft时分复用301.2通信系统的组成与分类按传送信号的多址方式分类频分多址：FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)时分多址：TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)码分多址：CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)311.2通信系统的组成与分类按工作波段分类VLF甚低频LF低频MF中频HF高频VHF甚高频UHF超高频SHF特高频EHF极高频VLW甚长波LW长波MW中波SW短波VSW甚短波分米波厘米波毫米波3KHz30KHz300KHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz105m104m103m102m101m1m10-1m10-2m10-3m频率波长321.2通信系统的组成与分类国际通用的频段名称频段名称VHFUHFLSCXKuKKaFEV频段(GHz)0.03~0.30.3~1.01.0~2.02.0~4.04.0~8.08.0~12.512.5~18.018.0~26.526.5~40.040.0~60.060.0~90.090.0~140.331.2通信系统的组成与分类按频带利用方式，无线电通信可分为定频窄带通信、跳频通信、扩频通信等系统。跳频通信与扩频通信具有较强的抗有意干扰的能力，是军事通信的重要手段。34fLfH慢速跳频通信即可对抗定频干扰跳频信号干扰信号1.2通信系统的组成与分类跳频通信是收发双方按照伪随机的规律快速改变发射和接收频率以躲避敌方干扰的无线通信技术。35fLfH工作时间工作频率1.2通信系统的组成与分类跳频信号干扰信号快速跳频通信可对抗瞄准式干扰361.2通信系统的组成与分类扩频（直扩）是用速率比信息码高得多的伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过相应的解扩处理恢复原始信息、同时抑制干扰信号的通信技术。普通窄带系统频率幅度fc频率幅度fc扩频通信系统频率幅度fc扩频处理频率幅度fc解扩处理频率幅度fc频率幅度fc存在窄带干扰时的扩频系统频率幅度fc频率幅度fc扩频处理解扩处理频率幅度fc叠加干扰频率幅度fc经滤波可滤除大部分干扰能量而保留有用信号能量，使系统在强干扰存在时仍能正常工作。39通信系统根据所传信息的信号表示形式不同，可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统——利用模拟信号传输信息的系统。数字通信系统——利用数字信号传输信息的系统。1.2通信系统的组成与分类1.2.3模拟通信系统40信源发送设备接收设备信宿噪声模拟通信系统的组成调制解调传输媒介信道混频放大混频放大调幅、调频、调相1.2通信系统的组成与分类411.2通信系统的组成与分类1.2.4数字通信系统信源信源编码传输信道信宿噪声加密信道编码调制解调信道译码解密信源解码同步数字通信系统的组成发送设备接收设备421.2通信系统的组成与分类数字通信的主要优点：抗干扰能力强，噪声不积累。接收端抽样判决；远距离传输时，如数字微波中继，可以消除噪声积累。传输差错可控：纠错编码。易于加密处理，且保密性好。便于利用现代信号处理技术进行处理、变换和存储。易于集成，有利于实现通信设备的小型化。1.2.5数字通信的特点431.2通信系统的组成与分类数字通信的缺点一般比模拟通信占据的系统频带宽；需要严格的同步，实现较复杂。441.2通信系统的组成与分类数字通信涉及的主要技术：信源编码与解码技术：预测编码，变换编码加密与解密技术：对称密钥体制，公钥体制信道编码与解码技术：TURBO，LDPC调制与解调技术：PSK，QAM，OFDM多路复用技术：频分复用，时分复用定时与同步技术：载波同步，位同步，网同步45第1章绪论1.1通信技术的发展与信息社会1.2通信系统的组成与分类1.3通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6信道主要内容461.3通信方式按消息传送的方向与时间分单工通信消息只能单向传输的通信工作方式，如，广播、遥控、无线寻呼等。半双工通信：通信双方都能收发，但不能同时收和发。全双工通信（FullDuplex）收发双方可同时进行双向消息传输的方式双向信道471.3通信方式按数据代码排列的方式分并行传输：速度快，但多个并行信道成本高；串行传输：速度慢，但只需单个信道。48第1章绪论1.1通信技术的发展与信息社会1.2通信系统的组成与分类1.3通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6信道主要内容49消息是一组有序符号序列（如文字、语音、图像...）信号是消息的具体表现形式（电信号、声信号、光信号...）信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西。载体载体内涵消息、信号和信息1.4信息及其度量50消息中包含的信息量与消息出现的概率之间的关系式当反映如下规律：消息中所含的信息量是出现该消息的概率的函数，即：消息出现的概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当时，;若干个互相独立的事件构成的消息，所含的信息量等于各独立事件信息量的和，即：)(xPII1)(xP0I)()()()(2121xPIxPIxPxPI1.4信息及其度量信息的度量511.4信息及其度量基于上述考虑，哈特莱（Hartley）首先提出采用消息出现概率的对数作为该消息携带的信息量。信息量的单位：对数底为2→比特(bit)对数底为e→奈特(nit)对数底为10→哈特莱(Hartley)xPxPIaaloglog1I为消息x所携带的信息量P(x)为该消息发生的概率52)bit()/(log)(12112I1.4信息及其度量假如一个离散信源是由n个符号组成的集合，符号集中的每一个符号在消息中是以一定的概率出现的，即:每个符号所包含的信息量分别为,)(,)()(,,,MMxPxPxPxxx212111MiixP)()(log....,),(log),(logMxPxPxP22212例1已知二元离散信源只有“0”、