通信工程方向介紹.ppt

1 49 通信工程 陽小明 2 49 第一章通信原理簡介 一 消息 信號與信息 1 消息 通常把語言和聲音 音樂 文字 符號 數據 圖象等統(tǒng)稱為消息 是對事物物理狀態(tài)的變化進行描述的一種具體形式 2 信號 由消息轉換而來 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或消息中包含的有意義的內容 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 消息的重要程度無關 二 消息中信息量的度量 4 49 2 信息量的定義 信息量是消息出現概率的函數 消息出現的概率越小 所包含的信息量就越大 若某消息由若干個獨立消息所組成 則該消息所包含的信息量是每個獨立消息所含信息量之和 5 49 三 數字信號與模擬信號 模擬信號 也稱連續(xù)信號 如 話筒送出的語音信號 數字信號 也稱離散信號 如 代表文字的編碼和計算機數據信號 6 49 四 什么是通信 1 通信 通信的 信 指的是信息 information 信息的載體是二進制的數據 數據則是可以用來表達傳統(tǒng)媒體形式的信息 如聲音 圖像 動畫等 通過計算機網絡系統(tǒng)和數據通信系統(tǒng)實現數據的傳輸 數字化 計算機網絡化 7 49 五 個人通信的終極目標 個人用戶能在任何時間 Whenever 任何地點 Wherever 與任何人 Whoever 進行各種通信 WWW 銥系統(tǒng)衛(wèi)星軌道示意圖 8 49 六 通信系統(tǒng) 基帶信號的特性 為什么要調制 如何保證數據正確 如何接收數據 9 49 第二節(jié)信號 一 信號的分類 1 數字信號與模擬信號 2 確定信號與隨機信號 二 確定信號 隨時間的變化為確定函數的信號 1 矩形脈沖函數 10 49 2 抽樣函數 確定信號的分析是隨機信號分析的基礎 三 隨機信號 信號的某個參數和幾個參數無法預知或無法完全預知叫隨機信號 通信系統(tǒng)中傳輸的都是隨機信號 11 49 第三節(jié)模擬調制系統(tǒng) 為什么要調制 由于低頻部分信道傳輸特性不理想 直接傳輸基帶信號會引起嚴重失真 通過對基帶信號的調制 將基帶信號的頻譜移到有利于信道傳輸的高頻段 從而提高信號傳輸質量 問題 解決辦法 12 49 1 定義用來自信源的基帶模擬信號去調制某個載波 載波是一個確知的周期性波形 余弦波載波的表達式 式中 A為振幅 0為載波角頻率 0為初始相位 一 模擬調制的定義 基帶信號 要傳輸的語音 圖像信號往往處于低頻段 因此叫基帶信號 13 49 2 組成調制信號m t 自信源來的基帶信號已調信號s t 調制后的載波稱為已調信號調制器 進行調制的部件 14 49 二 調制的目的 1 頻譜搬移 容易輻射實現頻率分配多路復用2 提高抗干擾性3 還與傳輸效率有關 15 49 三 模擬調制的分類 1 線性調制 已調信號的頻譜結構和調制信號的頻譜結構相同 其頻譜是調制信號頻譜沿頻率軸平移的結果 包括 調幅 單邊帶 雙邊帶 殘留邊帶 2 非線性調制 已調信號的頻譜結構和調制信號的頻譜結構有很大的不同 除了頻譜搬移外 還增加了許多新的頻率成分 包括 頻率調制 相位調制 16 49 四 振幅調制 AM 1 調制基本原理設 m t 1 m t m t 1 m t max m 調幅度 1 m t 17 49 則有調幅信號 s t 1 m t Acos 0t 式中 1 m t 0 即s t 的包絡是非負的 18 49 2 解調基本原理 如果從調制信號中還原出基帶信號 包絡檢波 除掉調制信號下面一半 濾除高頻載波 19 49 五 角度調制 1 調制基本原理 20 49 2 角度調制信號的接收 信道中衰落及噪聲對于信號角度 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 21 49 模擬調制 線性調制 非線性調制 角度調制 振幅調制AM 雙邊帶DSB調制 單邊帶SSB調制 殘留邊帶VSB調制 相位調制 頻率調制 小結 22 49 第四節(jié)模擬信號的數字化 一 兩類信源模擬信號 數字信號二 模 數變換的三步驟抽樣 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只能按整數量化 四舍五入截尾 3 4 3 3 3 編碼 數字信號都是二進制表示 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)基帶數字信號的表示和傳輸 1 基帶數字信號的波形 28 49 29 49 2 基帶數字信號的傳輸 30 49 第六節(jié)數字調制系統(tǒng) 一 二進制振幅鍵控 2ASK 1 表示式 31 49 1 表示式 二 二進制頻移鍵控 2FSK 32 49 三 二進制相移鍵控 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 要實現信號的正確傳輸 要求收 發(fā)之間要有協(xié)調的時間關系 載波同步數字信號同步 位同步幀同步 字同步 網同步 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 2 位同步 在接收端提取出時鐘 用于數據的判決 幀頭 時鐘 數據 1110 36 49 3 幀同步 在接收端提取出幀頭信號 用于確定數據塊的起始 37 49 當通信是在點對點之間進行時 必須在網內建立一個統(tǒng)一的時間標準 稱為網同步 4 網同步 通信網絡 A B C D E F 網同步 載波同步 幀同步位同步 數字信號 38 49 第八節(jié)多路復用和多址技術 一 多路復用 目的 在一條鏈路上傳輸多路獨立信號3種多路復用基本方法 頻分復用 FDM 時分復用 TDM 碼分復用 CDM 39 49 方法 采用調制搬移頻譜 以節(jié)省頻帶 1頻分復用 40 49 41 49 2時分復用 42 49 3碼分復用 了解 1 基本原理 a 自相關系數定義 b 互相關系數定義 43 49 b 碼組正交 兩組碼互相關為0 為正交充要條件 44 49 四路碼分復用原理方框圖 45 49 二 多址接入 目的 多個用戶共享信道 動態(tài)分配網絡資源 方法 頻分多址 時分多址 碼分多址 空分多址 極化多址以及其他利用信號統(tǒng)計特性復用的多址技術 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等間隔的頻道 或稱信道 供不同的用戶使用 46 49 2 時分多址 TDMA 47 49 時分多址是指把時間分割成周期性的幀 每一幀再分割成若干個時隙 無論幀或時隙都是互不重疊的 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 在移動通信中 能實現空間分割的基本技術就是采用自適應陣列天線 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 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 光檢測 缺點 大氣干擾 距離帶寬有限 通信兩點必須直線可見 光纖通信呼之欲出 二 現代光纖通信 1 光纖通信的關鍵問題 a 低損耗的光纖 b 高可靠 長壽命的光源及高響應的光檢測器件 c 光測量及光纖連接技術 53 49 2 傳輸介質 光透過玻璃功率損耗一半 相當于3分貝 的長度 普通玻璃幾厘米 高級光學玻璃幾米 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 實用化光纖 54 49 3 光源 1977年貝爾研究所和日本的電報電話公司幾乎同時研制出壽命達100萬小時的半導體激光器 從而有了真正實用的激光器 譜寬度窄 方向性極好 亮度極高 光纖通信已是各種通信網的主要傳輸方式 55 49 第二節(jié)光纖通信的優(yōu)點 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 簡稱帶寬 S是信號功率譜密度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 三 重量輕 體積小 四 泄露小 保密性能好 S N一般是一個常量 用于決定信號的質量 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 第二是光纖中傳輸的是頻率很高的光波 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)射端機的功能電 光或E O轉換光端機由光源 驅動器和調制器組成 59 49 二 光纖 光纜 光纖的加工 光纖的傳導 利用全反射 60 49 影響光信號質量的兩大因素 損耗和色散 損耗導致收不到光信號 色散 導致光脈沖展寬 產生誤碼 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 方法 弱光信號 弱電信號 強電信號 強光信號 接收 放大 發(fā)射 四 光接收 光信號轉為電信號 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 使整個通信網絡全光化 不再采用電 光和光 電轉換 傳輸信號媒質只有光纖 64 49 第三章移動通信系統(tǒng) 一 移動通信的定義 通信雙方至少有一方在移動中進行信號傳輸 65 49 二 移動通信的特點 1 移動通信必須利用無線電波進行信息傳輸 1 通信中的用戶可以在一定范圍內自由活動 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 加密 提供業(yè)務信道 66 49 2 移動通信的運行環(huán)境十分復雜 會產生 多徑效應 并且會受到地形 地物的遮蔽而發(fā)生 陰影效應 移動臺接收N條路徑信號 多譜勒效應 多徑效應 67 49 3 移動通信常常在快速移動中進行 這會引起多普勒 Doppler 頻移 多普勒效應 收發(fā)兩端有相對速度 使通信電波頻率發(fā)生變化 無線電波經多條路徑到達接收端 由于各電波相位不一致會引起合成電場強度隨機起伏 多徑效應 地形 地物對信號的遮蔽引起信號大大衰減 陰影效應 68 49 3移動通信可以利用的頻譜資源非常有限 而移動通信業(yè)務量的需求卻與日俱增 2移動通信是在復雜的干擾環(huán)境中運行的 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 還會產生這樣或那樣的干擾 開辟和啟用新的頻段 研究各種新技術和新措施 提高頻譜利用率 69 49 4移動通信系統(tǒng)的網絡結構多種多樣 網絡管理和控制必須有效 5移動通信設備 主要是移動臺 必須適于在移動環(huán)境中使用 三移動通信市場狀況 到2008年移動電話用戶共計6 4億戶 其中中國移動上半年凈利潤549億元 增長的原因 歸結于用戶快速增加以及增值業(yè)務收入水平的提高 話音業(yè)務短信手機音樂下載手機報飛信等 70 49 4 移動通信的發(fā)展 第三代移動通信系統(tǒng) WCDMA歐洲CDMA2000美國高通公司TD SCDMA中國與美國高通公司合作 第一代移動通信系統(tǒng) FDMA 頻分多址 模擬移動通信系統(tǒng) 第二代移動通信系統(tǒng) GSMTDMA 時分多址 數字移動通信系統(tǒng)IS 95窄帶CDMA 碼分多址 數字移動通信系統(tǒng) 71 49 第四代移動通信系統(tǒng) 最高數據傳輸速率可達10 20Mbit s 最高可達100Mbit s 72 49 5 中國3G發(fā)展狀況 3G之前 移動 聯通 電信 網通 GSM GPRS GSM CDMA 大靈通 TD SCDMA 小靈通 無線市話 移動業(yè)務 3G之后 移動 TD SCDMA 聯通 合并 WCDMA CDMA EVDO 美國高通標準 電信 開