通信技术基础通信技术基础第一章通信技术概述第二章通信系统信号的传输和处理第三章数字基带传输技术第四章数字频带传输技术第五章典型通信系统 通信系统与通信网络通信系统与通信网络 提高信号传输效率的方法提高信号传输效率的方法学习目标学习目标 了解通信系统的组成。了解通信系统的组成。 了解通信系统的分类。了解通信系统的分类。 了解通信网络的转接与信号交换技术。了解通信网络的转接与信号交换技术。 了解通信标准。了解通信标准。 通信系统与通信网络通信系统的一般模型通信系统的一般模型如图所示。一、通信系统的组成一、通信系统的组成 信源信源信源是信息产生的 “ 源泉” 。在很多情况下信源都是将各种原始消息，如声音、图像等转换为电信号，这种原始的电信号又称为基带信号。常见的信源设备） 话筒） 数码摄像机） 数码相机） 计算机） 扫描仪） 摄像头 发送设备发送设备发送设备对信源发出的电信号进行适当的处理，使其方便在信道中传输。处理的方法很多，如对信号进行放大、调制等。在实际应用中，发送设备和接收设备组合在一起构成通信设备，典型的通信设备是调制解调器 （ Modem） 。 信道信道信道是信号传输的通道，又称传输媒介。电信号以电流、电磁波的形式在信道中传播，光信号以光波的形式在光纤中传输。（） 有线信道） 双绞线。所谓双绞线就是一对绞合在一起且相互绝缘的导线。双绞线） 实物图） 结构图为了使线路敷设方便，生产厂家将 6 3600对双绞线封装在一个护套内形成电缆。 电缆） 实心绝缘非填充型电缆） 实心绝缘填充型电缆） 高频屏蔽型电缆） 自承式电缆） 钢带铠装型电缆） 同轴电缆。同轴电缆 （ Coaxial Cable） 的带宽要比双绞线宽得多。同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和保护层组成。同轴电缆的结构） 实物图） 结构图） 光缆。光缆的主要组成部分是光纤，光纤是由高纯度的石英玻璃制成的，称为裸光纤，其直径约为 125。 光纤的结构） 实物图） 结构图（） 无线信道无线信道由无形的空间构成，信号以电磁波的形式在无线信道中传播。 信号的无线传输 接收设备接收设备接收设备的作用与发送设备的作用相反，通常是把接收到的信号经过放大、滤波选择、解调后恢复成原来的基带信号，也就是把经过信道传输的信号恢复成原来的信源产生的信号。 信宿信宿信宿，顾名思义是信息的归宿。信宿的作用是将来自于接收设备的基带信号恢复成原始信号。一般来说，信源的输出和信宿的输入是相同的，两个设备是对应的。在双向通信中，信源和信宿构成通信终端设备。在终端设备中既有信源又有信宿。 噪声噪声 干扰干扰在通信过程中，噪声和干扰是不可避免的。噪声是信道中的噪声以及分散在通信系统各组成部分中的噪声的集中表现。噪声主要来自信道。在无线通信中噪声往往是无法避免的，因此衡量一个通信信道的指标时通常考虑信噪比。信噪比就是有用信号与噪声的功率之比，通常用 SNR 表示。二、通信系统与通信网络二、通信系统与通信网络 通信系统通信系统通信是将信号从一个地方向另一个地方传输的过程。用于完成信号的传递与处理的系统称为通信系统（Communication system）。（） 按传输媒介不同分类按传输媒介不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。（） 按信道中所传递的信号不同分类按信道中所传递的信号不同，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。（） 按工作频段不同分类按工作频段不同，通信系统可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统等。（） 按调制方式不同分类按调制方式不同，通信系统可分为基带传输系统和频带传输系统。信道传输的是信源发出的没有经过调制 （ 即进行频谱搬移和变换） 的原始电信号，称为基带传输。频带传输就是将基带信号的频谱搬移到较高的频带再传输。（） 按业务不同分类按业务不同，通信系统可分为电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等系统。（） 按收信者是否运动分类按收信者是否运动来分，通信系统可分为移动通信系统和固定通信系统。 通信网络通信网络由多个通信系统互连而形成的通信体系称为通信网络 （ Communication Network） 。固定电话网的组成示意图三、通信网络的转接与信号的交换三、通信网络的转接与信号的交换信息转接的主要原理是将待传送的信息存储起来，等到信道一有空就发出去。只要存储的时间足够长，例如 24 小时，就可将一天之内信道的忙、空状态均匀化，大大压缩必需的信道容量和转接设备容量。为了进行通信，需要将通信双方的终端用传输信道连接起来。要使多个用户所使用的点对点通信系统构成通信网，必须在用户终端之间适当位置上设立交换局及相应的交换设备。将终端之间通过交换设备连接四、通信标准四、通信标准按照不同级别，标准可分为企业标准、行业标准、国家标准和国际标准。一般来说，企业标准的要求最高，国际标准要求最低。部分标准代号学习目标学习目标 了解通信系统的质量指标。了解通信系统的质量指标。 了解信道容量的概念。了解信道容量的概念。 了解通信的基本业务。了解通信的基本业务。 提高信号传输效率的方法一、通信系统的质量指标一、通信系统的质量指标 有效性指标有效性指标（） 信息传输速率 （ Rb ）信息传输速率又称为比特率、传信率，是指数字通信系统在单位时间内传输的比特数，用 Rb 表示，单位为 bit/s、b/s、bps （比特 秒），或 kbits、kb s、kbps（ 千比特 秒），或Mbits、Mbs、Mbps（兆比特 秒）。（） 符号传输速率 （ RB ）符号传输速率又称为码元速率，是指数字通信系统在单位时间内传输的码元数，用RB 表示，单位为 Baud或 Bd （ 波特） 。（） 频带利用率 （ ） 单位频带内的信息传输速率称为频带利用率 （ ） 。设 为信道所需的传输带宽，RB 为信道的信息传输速率，则频带利用率为 可靠性指标可靠性指标（） 误码率 （ Pe ）误码率是指在传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例，用 Pe 表示。（） 误比特率 （ Pb ）误比特率又称误信率、比特差错率，是指在传输中发生差错的比特数占传输总比特数的比例，用 Pb 表示。二、信道容量二、信道容量信道容量是指信道极限传输信息的能力，即信道无差错传输信息的最大信息速率，记为C。信道容量一般分为编码信道容量和调制信道容量，在实际通信中主要研究调制信道容量。在调制信道中，研究的是模拟信号的传输。在加性高斯白噪声背景下，调制信道的参量是调制信道的带宽、信号功率和高斯白噪声功率。三、通信的基本业务三、通信的基本业务通信的基本业务由传统的电话业务发展为下列业务： 传真、可视图文、电子邮件、智能用户电报、电缆电视、图文电视、可视电话、会议电视、多媒体图像通信、高清晰度电视 （ HDTV） 、移动通信等。 信号传输方式信号传输方式 将模拟信号转换为数字信号将模拟信号转换为数字信号 提高信号在信道中传输质量的方法提高信号在信道中传输质量的方法 提高线路传输效率的方法提高线路传输效率的方法学习目标学习目标 掌握模拟传输和数字传输的概念。掌握模拟传输和数字传输的概念。 掌握串行传输和并行传输的概念。掌握串行传输和并行传输的概念。 掌握信号发送和接收方式。掌握信号发送和接收方式。 信号传输方式一、模拟传输和数字传输一、模拟传输和数字传输 模拟传输模拟传输代表信息的信号及其参数 （ 幅度、频率或相位） 随信息连续变化的信号称为模拟信号。时间上连续的模拟信号称为连续信号，时间上不连续的信号称为离散信号。在通信系统中，往往将时间上不连续的模拟信号称为脉冲幅度调制 （ PAM） 信号。模拟信号） 时间上连续的模拟信号） 时间上不连续的模拟信号如果信道上传输的信号是模拟信号，则这种信号传输称为模拟传输。 模拟传输主要应用在模拟通信系统中，常见的模拟调制方式有调幅 （ AM） 、调频 （ FM） 和调相 （ PM） ，这三种模拟调制的波形如图所示。模拟传输波形 数字传输数字传输在时间上和幅度上均取有限离散数值的信号称为数字信号。数字信号幅度离散，在时间上也是离散的。如果信道上传输的信号是数字信号，则这种信号传输称为数字传输。数字信号） 二进制数字信号） 四进制数字信号模拟传输与数字传输之间是可以相互转换的，如图所示。模拟传输与数字传输之间的转换数字传输波形 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信根据信道传输信号的差异，通信系统的分类如图所示。 通信系统的分类与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术的要求。（） 抗干扰能力强（） 便于加密处理（） 易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低（） 利于采用时分复用实现多路通信模拟通信与数字通信的抗干扰性能比较） 模拟通信） 数字通信二、串行传输和并行传输二、串行传输和并行传输 串行传输串行传输将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。 数据的串行传输和并行传输） 串行传输） 并行传输 并行传输并行传输用多条传输线路同时传送多位二进制码的传输方式称为并行传输方式。 串行传输与并行传输之间的比较串行传输接口技术也在不断发展变化，USB（ Universal Serial Bus，通用串行总线） 接口在许多领域得到了广泛的应用。串行接口标准及主要技术指标见表。 串行接口标准及主要技术指标三、信号发送和接收方式三、信号发送和接收方式 单工、半双工和全双工通信方式） 单工通信） 半双工通信） 全双工通信 单工通信单工通信信号只能单方向传送，在任何时候都不能进行反向传输的通信方式称为单工传输。 半双工通信半双工通信在半双工传输方式中，信号可以在两个方向上传输，但时间上不能重叠，即通信双方不能同时既发送信号又接收信号，而只能交替进行。 全双工通信全双工通信在全双工通信方式中，信号可以同时在两个方向上传输。学习目标学习目标掌握采样、量化、编码的概念和原理。掌握采样、量化、编码的概念和原理。 将模拟信号转换为数字信号PCM 系统中的信号转换和处理过程如图所示。 简单数字通信系统框图一、采样一、采样 采样的概念及电路模型采样的概念及电路模型采样也称取样、抽样，采样通常是以一定的时间间隔 T 提取信号的大小 （ 幅度） ，其工作过程如图所示。采样过程示意图实现采样的电路模型如图所示。采样电路实际上是一个电子开关，采样脉冲是一个周期性的矩形脉冲。采样电路模型及采样波形示意图 采样定理采样定理理论证明，若时间连续信号 f（t） 的最高频率为 fm ，只要采样频率 fs 大于或等于 fm 的 倍，即 fs fm ，就能够无失真地恢复原时间连续信号。这就是著名的奈奎斯特定理，也称为采样定理 （ 抽样定理或取样定理） 。 采样保持采样保持采样时，输入的模拟信号的值是连续变化的； 采样后，输出的脉冲顶部是变化的。为了获得近似不变的准确的采样值，要求采样脉冲的脉冲宽度尽可能窄。另外，在后面的量化过程中，为了满足量化、编码的要求，采样值必须保持一段时间，这一过程称为采样保持，然后再进行量化、编码。二、量化二、量化量化的过程就是将采样信号的幅度变化范围划分为若干个小间隔，每个小间隔称为一个量化级，每个量化级的电平称为一个量化电平。当采样信号的值处于某一量化级附近时，就用这个量化电平 （ 用 表示） 来代替实际的采样值。 量化过程示意图 均匀量化均匀量化均匀量化的量化级差在整个信号的电平范围内是均匀分布的，不管信号是大是小，量化级差都相同，见表。 均匀量化 非均匀量化非均匀量化非均匀量化对大小信号采用不同的量化级差，大信号时量化级差大一些，小信号时量化级差小一些，见表。非均匀量化实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术。压缩扩张技术的要点是在发送端对输入的信号进行压缩处理后再进行均匀量化，在接收端进行扩张处理，其原理如图所示。非均匀量化的原理压缩和扩张特性曲线） 压缩特性） 扩张特性 量化噪声量化噪声采样值一旦进行了量化，以后不管如何处理，只能恢复成量化电平，无法再精确地恢复到原信号的值，量化前的信号幅度与量化后的信号幅度出现了误差，这一差值在恢复信号时将会以噪声的形式表现出来，所以将此差值称为量化噪声。三、编码三、编码将每个量化电平用一组二进制代码表示的过程称为编码。脉冲编码调制是通信领域应用最广的波形编码方式，其标准是 ITU-T G.711。PCM编码器的组成框图如图所示。 逐次反馈比较型 PCM 编码器的组成框图 码型选择码型选择每一个采样值用 位二进制码表示。以 位码为例构成的各种码型的码组见表。 位码构成的码组与所表示数值的对应关系 律律 折线压缩特性曲线折线压缩特性曲线要进行编码就要求量化间隔能成为简单的整数倍关系。在二进制编码中，这种关系为n 倍，其中 n 为整数。压缩特性曲线 各段起始电平与量化台阶 单位： 1/2048 律 折线压缩特性曲线 编码过程编码过程编码的方法很多，可以通过查编码表的方法进行编码，也可以通过逐次反馈比较的方法进行编码，本书重点介绍通过逐次反馈比较的方法进行编码。段落码的编码规则段内码的编码原则 段落码的编码过程 解码过程解码过程译码输出信号经过同相或反相放大后变成 PAM 信号，由低通滤波器滤除高频分量后即得到恢复的模拟信号。 译码器原理框图学习目标学习目标 掌握信源编码的概念。掌握信源编码的概念。 掌握信道编码的概念。掌握信道编码的概念。 了解信道编码在了解信道编码在 （长期演进）（长期演进） 中的应用。中的应用。 提高信号在信道中传输质量的方法信息传输系统的编码、译码如图所示。信息传输系统的编码、译码示意图一、信源编码一、信源编码在数字通信系统中，为了提高数字信号传输的有效性而采取的编码称为信源编码。信源编码有两个作用： 一是模 数转换； 二是尽可能减少信号中的冗余度，使在单位时间内单位系统带宽上所传输的信息量最大。 波形编码波形编码 波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，再用代码来表示。 波形编码具有低复杂度、低时延的特点。波形编码在对信号带宽要求不太严的通信中得到广泛应用 （ 如有线通信） 。 声源编码声源编码声源编码又称为参量编码，它是指对信源信号在频域或其他正交变换域提取特征参量，并将特征参量转换为数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列转换后恢复成特征参量，再依据此特征参量产生发送端语音信号。 混合编码混合编码混合编码由波形编码和声源编码结合而成，以达到波形编码的高质量和声源编码的低速率等优点。混合编码数字语音信号中包括若干语音特征参量，又包括部分波形编码信息。二、信道编码二、信道编码为了提高数字通信的可靠性而采取的编码称为信道编码，信道编码又称为差错控制编码或纠错编码。提高系统传输的可靠性，降低误码率的常用方法有以下两类。 降低数字信道本身引起的误码降低数字信道本身引起的误码可采取的方法有选择高质量的传输线路、改善信道的传输特性、增加信号的发送能量、选择有较强抗干扰能力的调制解调方案等。 采用差错控制编码采用差错控制编码 （ 即信道编码）即信道编码）它的基本思想是通过对信息序列做某种变换，使原来彼此独立、相关性极小的信息码元产生某种相关性，在接收端可以利用这种规律性来检查并纠正信息码元在信息传输中所造成的差错。三种差错控制方式示意图） 检错重发 （ ） ） 前向纠错 （ ） ） 混合差错控制 （ ）三、信道编码在三、信道编码在 LTE 中的应用中的应用 CRC纠错编码纠错编码CRC 称为循环冗余码，它是在信息码右边加上几位校验码，以增加整个编码系统的码距和查错纠错能力。 咬尾卷积编码咬尾卷积编码LTE 系统的卷积码编码器采用了咬尾编码方法，LTE 中规定了使用的咬尾卷积编码的约束长度为 ，码率为 。 Turbo 码码 来自 MAC 层的传输块，经过 CRC 校验后，被分割成 LTE Turbo码能够编码的码块，并进行 Turbo 编码和速率匹配，然后进行比特加扰，最后进行调制和天线映射发射出去。信道编码的本质是增加通信的可靠性、提高数据传输效率、降低误码率。学习目标学习目标 掌握频分多路复用掌握频分多路复用 （）（） 的概念。的概念。 掌握时分多路复用掌握时分多路复用 （）（） 的概念。的概念。 掌握多址通信方式的原理。掌握多址通信方式的原理。 提高线路传输效率的方法拨号上网最常用的电话线就采取了多路复用技术，如图所示，这样在上网的同时也不影响电话的接入与拨出。模拟电话用户线的多路复用一、多路复用一、多路复用所谓信道复用是指在同一个信道上同时传输多路信号而互不干扰的一种技术，如图所示。最常用的信道复用方式是频分复用 （ FDM） 、时分复用 （ TDM） 、码分复用 （ CDM）和波分复用 （ WDM） 。传统的模拟通信中都采用频分复用。信道复用） 不使用复用技术） 使用复用技术 频分多路复用频分多路复用频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在时间上重叠，但在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。频分复用系统的主要缺点是设备庞大复杂，成本较高。 时分多路复用时分多路复用时分复用 （ TDM） 就是借助 “ 把时间帧划分成若干时隙和各路消息占有各自时隙”的方法来实现在同一条公共信道上传输多路信号。这种按照一定时间次序依次循环地传输各路消息以实现多路通信的方式称为时分多路通信。与频分复用相比， 时分复用具有以下优点：（） TDM 多路信号的合路和分路都是数字电路，比 FDM 的模拟滤波器分路简单可靠。（） FDM 系统对信道的非线性失真要求很高，相反 TDM 系统对信道的非线性失真要求可适当降低。时分复用系统框图 （ 发送端） PCM30/32 路通信系统简介路通信系统简介为了提高信道利用率和适应不同介质的传输，数字通信中常将多路信源编码输出组合成不同数码率的群路 （ 集合） 信号。我国规定采用的是 PCM30/32路制式，即一帧共有 32 个时隙，可以传送 30路电话，复用的路数 n 32 路，其中话路数为 30。时分复用系统框图 （ 接收端）（） 帧与复帧结构 PCM30/32路通信系统的帧与复帧结构如图所示。 路通信系统的帧与复帧结构二、多址技术二、多址技术 频分多址频分多址 （ FDMA） 方式方式频分多址以频率作为用户信号的分割参量，它把系统可利用的无线频谱分成若干互不交叠的频段 （ 信道） ，这些信道按照一定的规则分配给系统用户，一般是分配给每个用户一个唯一的频段 （ 信道） 。在实际应用时，为了防止各用户信号相互干扰和因系统的频率漂移造成频段（ 信道） 之间的重叠，各用户频段 （ 信道） 之间通常都要留有一段间隔频段，称为保护频段。如果用频率 f、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 FDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。频分多址 （ ） 方式 时分多址时分多址 （ TDMA ） 方式方式时分多址 （ TDMA，Time Division Multiple Access/Address） 技术依靠极其微小的时差，把信道划分为若干不相重叠的时隙，再把每个时隙分配给各个用户专用，在接收端就可以根据发送各个用户信号的不同时间顺序来分别接收不同用户的信号。如果用频率 f、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 TDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。时分多址 （ ） 方式 码分多址码分多址 （ CDMA） 方式方式在码分多址 （ CDMA，Code Division Multiple Access） 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号，是用不同的编码序列来区分的，或者说靠信号的不同波形来区分。码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。系统的各用户使用互不相关的、相互 （ 准） 正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的 （ 准） 正交性，通过地址识别 （ 相关检测） ，从混合信号中选出相应的信号。如果用频率 f 、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 CDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。码分多址 （ ） 方式在图中，每个手机用户由不同的码型所区分，可以在同一时间、同一频段与基站进行通信。 系统的工作方式 数字基带信号数字基带信号 数字基带传输系统数字基带传输系统学习目标学习目标 掌握数字基带信号的波形和频谱。掌握数字基带信号的波形和频谱。 了解常用线路传输码型。了解常用线路传输码型。 数字基带信号一、数字基带信号的波形和频谱一、数字基带信号的波形和频谱 数字基带信号的基本概念数字基带信号的基本概念通常，将信号的转换用 个 （ 或 个、 个、 个，视进制而定） 不同振幅的电压来表示，其频谱从零开始未经变换处理的信号称为数字基带信号。对于实际的信号，波形与频谱这两个侧面相互制约，不能既选择一定形式的波形，又要求一定形状的频谱。所以，频谱有幅度谱和相位谱，如图所示。波形和频谱图） 时域波形） 对应的频谱图 基带传输对传输信号的要求基带传输对传输信号的要求基带传输对传输的基带信号的基本要求如下：（） 基带信号应有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带压缩。（） 基带信号应含有尽量少的直流、极低频及高频分量。基带信号中过多的高频分量则是引起线对间干扰的主要因素。（） 基带信号应含有足够大的可供提取同步信号的信号分量。（） 基带信号的码型基本上不受信源统计特性的影响。（） 基带信号的频谱能量要集中，所占的带宽要窄。（） 基带信号的码型对噪声和码间串扰应具有较强的抵抗力和自检能力。（） 基带信号的变换电路应简单、成本低、性能好，而且易于调整。 数字基带信号的波形数字基带信号的波形信号的波形反映信号的电压或电流随时间变化的关系。对于不同的基带传输系统，由于信道传输特性和要求的不同而需使用不同的基带信号波形。） 单极性归零码。单极性归零码的波形如图所示。单极性归零码的波形下面以矩形脉冲为例介绍常用的几种基带信号波形，并在给定代码的情况下，画出相应的二进制脉冲序列波形。） 单极性不归零码。单极性不归零码的波形如图所示。 单极性不归零码的波形） 双极性归零码。双极性归零码的波形如图所示。双极性归零码的波形） 双极性不归零码。双极性码的特点是数字信号用两个极性相反而幅度相等的脉冲表示。二进制的 “” 和 “” 分别与正、负电平相对应。 双极性不归零码的波形） 差分码。差分码的波形如图所示。差分码不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元电平的跳变和不变来表示消息代码。差分码的波形） 多值波形 （ 多电平波形） 。实际上还存在多个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多值波形或多电平波形，它的每一个值可用 个二进制码来表示。多值波形 （ 多电平波形）二、数字基带信号常用线路传输码型二、数字基带信号常用线路传输码型 常用线路传输码型常用线路传输码型（） 曼彻斯特码曼彻斯特 （ Manchester） 码又称为分相码、裂相码或双相码，其波形如图所示。曼彻斯特码的波形（） 传号交替反转码传号交替反转码简称 AMI （ Alternate Mark Inversion） 码。此方式是单极性方式的变形，即将单极性方式中的 码仍与 0 电平对应，而 1码对应发送极性交替的正、负电平。 码的波形（） HDB3（ High Density Bipolar3） 码它是 AMI 码的一种改进码，以克服 AMI 码出现连 “0” 时丢失同步信号的缺点。 码的波形【例 】 模拟信号经过 PVM 编码后得到单极性码 11010000110000100001，为了在基带信道上能够正常传输，试对其进行线路传输码型的变换，编写相应的 AMI码和HDB3码。AMI 码和 HDB3 码的编码过程见表。 码和 码的编码过程译码过程见表。 码的译码过程几种码的波形（） 传号反转 （ CMI ） 码传号反转码的波形如图所示。传号反转码是一种双极性二电平不归零码。在CMI 码中，“1” 码交替地用 “11” 和 “00” 两位码表示，而 “0” 则固定地用 “01” 表示。传号反转 （ ） 码的波形（） 密勒 （ Miller） 码密勒码又称为延迟调制码，可看成是曼彻斯特码的一种变形，其波形如图所示。密勒码的波形 基带传输码型的分析基带传输码型的分析在交流传输方式中，基带传输码型具有以下特点：） 曼彻斯特码、密勒码、AMI 码、HDB3码都不含有直流分量，可以作为线路码型。其中，密勒码、HDB3码更适合于速率低于 9600bps 的场合。） 从各种码型所占频带宽度来看，以二阶双极性码最窄，为 0 f0 2； 以曼彻斯特码最宽，为 0 2f0 ； 其他码型介于两者之间。） 不归零码、单极性归零码、密勒码和 AMI码在原始数据中出现连 “” 码时，将使提取定时同步信号变得困难，因而这几种码型不具有透明性，其他码型则是透明的。） 在传输过程中，如两根传输线对调接线位置，曼彻斯特码解码后易发生极性错误，其他码型则不会发生极性错误。） 在各种码型发送峰值相同的条件下，AMI 码和HDB3 码的发送功率低于其他码型的发送功率，故对邻道干扰最小。） 从抗干扰性能来看，以二电平码为最好，因为其可用限幅器消除叠加在信号电平上的噪声。） 密勒码、AMI 码和 HDB3码均有较好的检错能力，这是利用了相邻码元之间存在的某种相关性。学习目标学习目标 了解数字基带传输系统的组成。了解数字基带传输系统的组成。 了解数字基带传输的基本准则。了解数字基带传输的基本准则。 了解再生中继系统及了解再生中继系统及 标准。标准。 数字基带传输系统一、基带传输系统的组成一、基带传输系统的组成不使用调制和解调装置而直接传输基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输系统的组成框图 数字基带传输系统各点波形示意图 基带码型编码基带码型编码基带码型编码电路的输入是信源编码输出的二进制脉冲序列，它们一般是单极性不归零码，不适合信道传输。基带码型编码电路的作用是将原始基带信号转换为适合于信道传输的各种码型，如 AMI 码、HDB3码等。 发送滤波器发送滤波器发送滤波器又叫信道信号形成网络。码型变换器输出的各种码型是以矩形为基础的，发送滤波器的作用就是将它转换为比较平滑的波形。 传输信道传输信道传输信道是允许基带信号通过的媒介，通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。信道可以是电缆等狭义信道，也可以是带调制器的广义信道。 接收滤波器接收滤波器接收滤波器的作用是滤除混在接收信号中的带外噪声和由信道引入的噪声，对失真波形进行尽可能地补偿 （ 均衡） ，使输出的基带波形有利于取样判决。 取样判决器取样判决器取样判决器是一个识别电路，在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻 （ 由位定时脉冲控制） 对接收滤波器的输出波形进行取样判决，再恢复或再生基带信号。 基带码型译码基带码型译码基带码型译码将取样判决器送出的信号还原成原始信码。二、数字基带传输的基本准则二、数字基带传输的基本准则 基带传输中的码间串扰基带传输中的码间串扰数字通信的主要质量指标是传输速率和误码率，当信道一定时，传输速率越高误码率越大。由于数字基带信号频谱很宽，在通过一个低通滤波器时，高频部分的分量会受到很大的衰减，信号的波形会发生变化，如图 所示。这是由于作为信道的滤波器的带宽不够而使信号中的高频分量丢失，从而使信号变得平滑。因信道频带有限而产生的基带信号的频率失真是导致基带传输系统产生码间串扰的主要原因。矩形脉冲传输波形失真示意图） 传输前的半占空比矩形脉冲） 传输后的失真脉冲波形码间串扰的程度与取样时刻、码元速率、基带码型和传输系统的频率特性等因素有关，码间串扰严重时将引起误码。在不考虑噪声影响时，码间串扰对误码的影响如图所示。码元发生误码的原因之一是信道加性噪声，原因之二是传输总特性 （ 包括收、发滤波器和信道的特性） 不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。 码间串扰对误码的影响 奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则当基带传输系统具有理想低通滤波器特性 （ 截止频率为 fc ） 时，以截止频率两倍的速率 RB 2 fc 传输数字信号，则信道输出响应将无码间串扰，这便是奈奎斯特第一准则，这个速率也称为奈奎斯特速率。奈奎斯特速率是信号传输的极限速率。实际的系统不具有理想的传输特性，因此信号传输速率都低于奈奎斯特速率。 码间串扰的衡量码间串扰的衡量眼图眼图一个实际的数字基带传输系统是不可能完全消除码间串扰的，尤其是在信道不可能完全确知的情况下，要计算误码率非常困难。评价系统性能的实用方法是分析眼图，即利用示波器观察接收信号波形的质量。基带信号波形及眼图 眼图能直观地表明数字信号传输系统出现码间串扰和噪声的影响，能评价一个基带系统的性能优劣，因此，可将眼图理想化，简化为一个模型，如图所示。掌握眼图的各个指标后，在利用均衡器对接收信号波形进行均衡处理时，只需观察眼图就可以判断均衡效果，确定信号传输的基本质量。 眼图模型三、再生中继系统三、再生中继系统 再生中继系统的特点及作用再生中继系统的特点及作用再生中继系统框图如图所示。再生中继的目的是： 当信噪比不太大的时候，对失真的波形及时识别判决 （ 识别出是 “” 码还是 “” 码） ，只要不误判，经过再生中继后的输出脉冲会完全恢复为原数字信号序列。基带传输的再生中继系统框图（） 再生中继系统的特点） 无噪声积累。在数字通信系统中，由于存在再生中继，噪声干扰可以通过对信号的均衡放大、再生判决后去掉，所以理想的再生中继系统是不存在噪声积累的。） 有误码积累。因为每个再生中继器都有可能误码，通信距离越长，中继站越多，误码积累越严重。消除误码积累是提高数字通信距离的关键。（） 再生中继系统的作用如图所示为三种电缆的衰减特性。三种电缆的衰减特性 脉冲信号经过不同长度的电缆后波形的变化情况如图所示为双极性半占空码序列经过信道传输后的失真波形。 双极性半占空码序列经过信道传输后的失真波形） 传输前的波形） 传输后的波形 再生中继器再生中继器（） 电路组成 再生中继器的电路组成） 均衡放大电路。均衡放大电路的主要功能是将接收到的失真信号均衡放大成易于取样判决的波形 （ 均衡波形） 。放大的目的是为了补偿线路对信号的衰减，为后级电路提供合适的信号幅度。） 时钟提取电路。时钟提取电路的主要功能是从输入信号中提取时钟信号，为判决再生电路提供与发送端同频同相的时钟脉冲。） 判决再生电路。判决再生电路又称为识别再生电路，其主要功能是从经过均衡放大后的均衡波中判决出 “” 码或 “” 码，然后再生出与发送端相同的脉冲波形。再生中继器电路中各点波形（） 大规模集成电路再生中继器 （ CD22301） CD22301 的引脚排列图） 电路组成。 CD22301的电路组成四、四、RS-232标准及相关标准简介标准及相关标准简介 RS-232标准简介标准简介 RS 是英文 “ 推荐标准”的缩写，232 为标识号。经过历年的使用和发展，RS-232C标准 （协议） 为 RS232的最新一次修改 （1969） 标准。RS-232C标准规定了 DTE （Data Terminal Equipment，数据终端设备） 和 DCE （Data Communication Equipement，数据通信设备） 之间的通信方法。 接口） 接口实物图） 和 连接器引脚的定义 其他相关标准简介其他相关标准简介（） RS-422 标准 RS-422 是传统 Apple 计算机的串口连接标准。它使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，相对于 RS-232 ，它有更好的抗噪性能和更远的传输距离。RS-422的最大传输距离为 4000 英尺 （ 约 1219） ，最大传输速率为 10Mbps。（） RS-485 标准RS-485是 RS-422 的改进，RS-485和 RS-422都支持多点通信能力，但 RS-485 可允许最多 32 个设备，而 RS-422 的限制为 10 个。RS-485 同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，可以使用单个 RS-485 串口建立设备网络。（） USB接口USB 是一个外部总线标准，用于规范计算机与外部设备的连接和通信。USB 接口可连接 127 种外设，如鼠标和键盘等。USB设备主要具有以下优点：） 可以热插拔。） 携带方便。） 标准统一。） 可以连接多个设备。 二进制数字调制二进制数字调制 多进制数字调制多进制数字调制 定时和同步原理定时和同步原理学习目标学习目标 掌握二进制幅移键控掌握二进制幅移键控 （）（） 的工作原理。的工作原理。 掌握二进制频移键控掌握二进制频移键控 （）（） 的工作原理。的工作原理。 掌握二进制相移键控掌握二进制相移键控 （ 和和 ） 的的工作原理。工作原理。 二进制数字调制一、一、 调制概述调制概述 基带信号调制的过程和作用基带信号调制的过程和作用下图说明了基带信号的特征，无论是模拟基带信号还是数字基带信号都有这样的特点： 其频谱是包括 （ 或不包括） 直流分量的低通频谱，最高频率和最低频率之比远大于 。 基带信号的特征如图所示是调制解调信号的变换过程，从中可以看出调制在通信中的作用主要有以下几个方面：（） 调制将基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求。（） 经过调制后的频带信号更容易辐射，从而满足无线通信的要求。（） 实现频率分配。（） 实现多路复用。（） 减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力。调制解调信号的变换过程 调制的类型调制的类型如图所示为调制的基本过程。根据输入信号 s （ t） 的不同，可以将调制分为模拟调制和数字调制。调制的基本过程如图所示，如果调制以后的频谱和原始信号频谱呈线性搬移关系，则这种调制为线性调制。 线性调制和非线性调制 数字调制的种类数字调制的种类数字调制用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，其过程类似于对高频载波信号进行开关控制的工作状态，所以数字调制通常称为数字键控。数字调制的种类二、二、 二进制幅移键控二进制幅移键控 2ASK（通断键控（通断键控 OOK）用数字基带信号对载波幅度进行调制的方式称为幅移键控。幅移键控 （ 也称振幅调制） 记作 ASK，或称其为开关键控 （ 通断键控） ，记作 OOK （ On Off Keying） 。二进制幅移键控通常记作 2ASK。 基本原理及其产生方法基本原理及其产生方法（） 基本原理2ASK的原理是利用代表数字信息的 “0” 或 “1” 码的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出，有载波输出时表示发送 “1” 码，无载波输出时表示发送 “0” 码，如图所示。 信号波形示意图（） 产生方法） 模拟振幅调制法。通过乘法器直接将高频载波和二进制数字基带信号 （ 单极性不归零码波形） 相乘得到 2ASK 信号。） 数字键控法。由二进制数字基带信号去控制一个开关电路，当信码为 “1” 时，开关接通，有高频载波输出； 当信码为 “0” 时，开关断开，无高频载波输出。 波形的产生方法） 模拟振幅调制法） 数字键控法在实际应用中，2ASK信号的实现方法如图所示。 信号的实现方法 2ASK信号的解调方法信号的解调方法从已调信号中恢复基带信号的过程称为解调，它是调制的逆过程，有两种基本解调方法，即非相干解调 （ 包络检波法） 和相干解调 （ 同步检波法） 。简单来说，非相干解调是指接收端不需要恢复载波信号即可实现解调，而相干解调则是在接收端必须恢复与发送端一致的载波才能实现解调。（） 2ASK信号的非相干解调非相干解调又称包络检波法，其原理如图所示。低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号 （ 包络） 通过。 信号的非相干解调如图所示是2ASK信号的非相干解调的各点波形。 信号的非相干解调 （ 包络检波） 框图中各点波形） 通过带通滤波器后的波形） 全波整流后的波形） 包络检波器检出的包络） 取样判决后恢复的波形（） 2ASK信号的相干解调相干解调就是同步解调，如图所示。采用相干解调接收端必须提供一个与 2ASK信号载波保持同频、 同相的相干载波信号，可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波。 信号的相干解调 （ 同步解调） 信号的相干解调框图中各点波形三、三、 二进制频移键控二进制频移键控 （2FSK）用数字基带信号对载波频率进行调制的方式称为频移键控，频移键控 （ 也称为频率调制） 记作 FSK，二进制数字频移键控通常记作 2FSK。 基本原理及其产生方法基本原理及其产生方法（） 基本原理 2FSK的原理是用载波的频率变化传送数字信号，即用所传送的数字信号控制载波的频率变化，而载波的幅度则保持不变。如图所示为 2FSK信号波形示意图。 信号波形示意图（） 产生方法） 模拟调频法。所谓模拟调频法就是用输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡器频率的目的，其电路框图如图 所示。） 频率选择法。2FSK信号的另一种产生方法是频率选择法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，如图 所示。 波形的产生方法） 模拟调频法） 频率选择法 2FSK 信号的解调方法信号的解调方法2FSK信号同样有两种基本的解调方法，即相干解调 （ 相干接收法） 和非相干解调（包络检波法） 。频率选择法产生 信号的电路原理图及各点波形） 电路原理） 各点波形（） 相干解调相干解调法的电路原理框图如图所示。图中接收信号通过并联的两路带通滤波器滤波，与接收机电路产生的本地相干载波相乘并经过包络检波后，在本地的定时取样脉冲的控制下进行取样判决。这种方式设计出来的接收机都比较复杂。 相干解调电路原理框图（） 非相干调解分路滤波包络检波法分路滤波包络检波法的电路原理框图如图所示。分路滤波包络检波法的缺点是频带利用率低，但比较容易实现，主要用于解调相位不连续的 2FSK信号。 信号分路滤波包络检波法电路原理框图及各点波形） 电路原理） 各点波形（） 非相干解调过零检测法如图所示为过零检测法的电路原理框图。过零检测法的电路原理框图 过零检测法电路原理框图中各点波形如图所示。过零检测法各点波形 2FSK的应用的应用ITU-T的 V.21标准即是 2FSK技术在传真机上的应用，它描述了用于在电话网中进行数据传输的速率为 300bps的 Modem 的技术参数，其主呼频率为 1270Hz（ 1 码） 、1070 Hz （0 码） ，被呼频率为 2225Hz（1 码） 、 2025Hz（0 码） ，这样主叫和被叫各有一对频率的信号在同一条电话线上双向传输而互不干扰。四、四、 二进制相移键控二进制相移键控 （2PSK） 基本原理及其产生方法基本原理及其产生方法（） 绝对相移键控 （ PSK）绝对相移键控就是利用同一载波的不同相位去直接传送数字信号，而载波振幅和频率保持不变的一种方法。2PSK波形示意图如图所示，图中所有数字信号 “” 码对应载波信号的 相位，而 “” 码对应载波信号的 相位 （ 反之亦可） 。 波形示意图二进制相移键控信号的产生方法主要有两种： 模拟调相法和相移键控法 （ 见图 ） 。2PSK模拟调相法的框图如图 所示，2PSK 相移键控法的框图如图所示。 信号的产生方法） 模拟调相法） 相移键控法（） 相对相移键控 （ DPSK）相对相移键控也称差分相移键控，它用载波相位的相对变化来传送数字信号，即数字 和 信号的相位不是以某个固定的相位 （ 如载波的相位） 为基准，而是以相邻的前一码元的相位为基准。2DPSK波形示意图如图所示。 波形示意图2DPSK信号的产生方法有模拟调相法和相移键控法，如图所示，一般采用相移键控法，即先将绝对码转换为相对码，然后使用该相对码进行绝对调相。所谓绝对码是指每一脉冲只决定本身的值，与前后码元无关； 而相对码则是指用前后脉冲的差别来传输数字信息。 信号的产生方法） 模拟调相法） 相移键控法绝对码和相对码是可以互相转换的，实现的方法是使用模二加法器和延迟器 （ 延迟一个码元宽度 Tb ），如图所示。绝对码与相对码的互相转换电路） 绝对码转换为相对码） 相对码转换为绝对码如图所示为信码为00111001 的 2PSK和 2DPS 波形。 信码为 的 和 波形 相移键控矢量图相移键控矢量图为了便于理解相移键控，一般将每个码元用图所示的矢量图表示。根据 ITU-T建议，图 称为 方式，图 称为 方式。在 方式中，每个码元的载波相位相对基准相位可取 或 ； 在 方式中，每个码元的载波相位相对基准相位可取 。 矢量图） 方式） 方式 相移键控的解调相移键控的解调（） 绝对相移键控的解调绝对相移键控 （2PSK） 的解调原理框图如图所示。 的解调原理框图二进制绝对相移键控解调各点波形如图所示。2PSK信号相干解调的过程实际上是输入信号与本地载波信号进行极性比较的过程，这种解调方法通常称为极性比较法。 解调各点波形在 2PSK解调中，关键是恢复发送端的载波信号。通常的方法是倍频分频法，如图所示。 倍频分频法提取相干载波法框图（） 相对相移键控的解调） 极性比较法解调实际上是产生相对相移键控的反过程，即先按绝对相移键控接收，将 2DPSK信号解调为相对码基带信号，然后经过码型变换器将相对码变换为绝对码。极性比较法解调原理框图及各点波形如图所示。极性比较法解调原理框图及各点波形） 原理框图） 各点波形） 相位比较法解调直接使用相位比较器比较前、 后码元载波的相位差而实现解调，故又称为差分相干解调，如图所示。相位比较法解调 原理框图上图中取样判决器的判决原则如下： 取样值大于 0 时判 “0” ，取样值小于 0时判 “1” 。如图所示为相位比较法解调 DPSK 原理框图中各点波形。相位比较法解调 原理框图中各点波形相位比较法解调 原理框图中各点波形极性比较法解调与相位比较法解调这两种解调方案，都能进行 DPSK 解调，都不存在相位倒置问题。五、五、 二进制数字调制系统的性能比较二进制数字调制系统的性能比较 频带宽度频带宽度当码元宽度为 TS 时，2ASK系统、 2PSK 系统和 2DPSK系统的带宽均为 2 TS ，2FSK系统的带宽为 f f1 TS 。也就是说，当传输码率相同时，PSK、 DPSK、 ASK系统具有相同的带宽，而 FSK系统的频带利用率最低。 设备的复杂性设备的复杂性对于二进制幅移键控、 频移键控、 相移键控三种调制方式来说，发送端设备的复杂性相差不多。而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，采用相干解调的设备要比非相干解调时复杂，而同为非相干解调时，2DPSK的设备最复杂，2FSK次之，2ASK最简单。综上所述，在选择调制、 解调方式时，就系统的抗噪声性能而言，2PSK系统最好，但会出现倒相问题，所以 2DPSK 系统更实用。如果对数据传输率要求不高 （1200bps 或以下） ，特别是在衰落信道中传送数据，则 2FSK系统可作为首选。学习目标学习目标 掌握多进制幅移键控掌握多进制幅移键控 （）（） 的概念。的概念。 掌握多进制频移键控掌握多进制频移键控 （）（） 的概念。的概念。 掌握多进制相移键控掌握多进制相移键控 （）（） 的概念。的概念。 了解其他数字调制技术。了解其他数字调制技术。 多进制数字调制一、一、 多进制幅移键控多进制幅移键控 （MASK） 多进制幅移键控 （ MASK） 又称多电平调幅，使用多进制数字基带信号调制发送载波的幅度参数，产生多电平调幅信号。MASK是一种高效率的传输方式，它在单位频带内的信息传输速率较高。但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用，比如常见的明线、 对称电缆和同轴电缆等有线信道。在 M 进制幅移键控信号中，载波幅度有 M 种。当 M 时，MASK 信号的波形如图所示。 波形示意图） 多进制基带信号） 的已调波形二、二、 多进制频移键控多进制频移键控 （ MFSK ）多进制频移键控 （ MFSK） 简称多频调制，它用 M 个不同频率的载波代表 种数字信号，是 2FSK的直接推广。MFSK 是无线通信中广泛采用的一种调制方式，它的主要缺点是信号频带宽、 频带利用率低。因此，MFSK多用于调制速率较低及多径延时比较严重的信道，如无线短波信道。三、三、 多进制相移键控多进制相移键控 （MPSK）多进制相移键控又称多相制，是二进制相移键控的推广。它是利用载波的多种不同的相位状态来表征数字信息的调制方法。多进制相移键控的基本规则是用多进制数字脉冲信号作为调制信号，控制同一频率载波的相位，产生多种不同相位的同频多相信号。MPSK 信号还可以用矢量图来描述，在矢量图中通常以未调制载波相位作为参考矢量。如图中分别画出了 M 、 M 、M 三种情况下的矢量图。二相、 四相、 八相数字调制矢量图） 方式相移系统） 方式相移系统二进制数字调制相位逻辑见表，四进制数字调制相位逻辑见，八进制数字调制相位逻辑见表。二进制数字调制相位逻辑 四进制数字调制相位逻辑八进制数字调制相位逻辑 四相相移键控四相相移键控 （4PSK、 QPSK）四相相移键控 （ 4PSK ） 可以由一个正交调制而得到，因此又称它为正交相移键控（ QPSK ） 。如图所示为用模拟调相法产生 方式 4PSK信号的原理框图。用模拟调相法产生 方式 信号的原理框图用相移键控法产生 4PSK信号的原理框图如图所示。 用相移键控法产生 信号的原理框图由于四相绝对相移信号可以看成两个正交 2PSK信号的合成，对应图中 方式的 4PSK信号的解调，可以采用与 2PSK 信号类似的解调方法进行解调。 方式 信号相干解调的原理框图 四相相对相移键控四相相对相移键控 （ QDPSK） 所谓四相相对相移键控是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息的。四、四、 其他数字调制技术简介其他数字调制技术简介 多进制正交幅度调制多进制正交幅度调制 （ QAM）正交幅度调制 （ QAM） 是幅度与相位相结合的调制方式，这种方式属于数字复合调制方式，一般称为幅相键控 （ APK） 调制。它是利用两个独立的基带波形对两个相互正交的载波进行抑制载波的双边带调制，即利用已调信号在相同带宽内的频谱正交来实现两路数字信号的传输。 调制和解调的原理框图） 调制） 解调 最小频移键控最小频移键控 （MSK ） 调制和高斯滤波最小频移调制和高斯滤波最小频移键控键控 （ GMSK）（） MSK调制MSK是 FSK 的一种改进形式。由于 MSK 的频偏量小，并且在两个相邻码元的频率跳变处的相位是连续的，所以 MSK信号的谐波分量小，对邻道干扰小，占用的频带窄。（） GMSK 调制尽管 MSK具有包络恒定、 带宽相对较窄和能相干解调等优点，但它不能满足诸如移动通信中对带外辐射的严格要求，所以还必须对 MSK 做进一步的改进。高斯滤波最小频移键控 （ GMSK ） 就是在 MSK调制器之前，用高斯低通滤波器对输入数据进行处理。 正交频分复用正交频分复用 （ OFDM）正交频分复用 （ OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 是一种特殊的多载波调制技术，它利用载波间的正交性进一步提高频谱利用率，而且可以抗窄带干扰和抗多径衰落。（） OFDM的基本原理OFDM 的基本原理如图所示。OFDM 的基本思想是将一个宽频信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换为并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。 的基本原理（） OFDM与传统 FDM 的区别） 传统 FDM ： 为避免载波间干扰，需要在相邻的载波间保留一定的保护间隔，如图所示，大大降低了频谱效率。 载波排列） OFDM： 各 （子） 载波重叠排列，同时保持 （子） 载波的正交性 （通过 FFT 实现），如图所示，从而在相同带宽内容纳数量更多的 （子） 载波，提升频谱效率。 载波排列学习目标学习目标 了解定时系统的作用及种类。了解定时系统的作用及种类。 了解同步系统的作用及种类。了解同步系统的作用及种类。 定时和同步原理一、一、 定时系统定时系统定时就是提供严格的定时脉冲控制数字通信系统各部分功能部件始终按规定的节拍工作。定时系统提供取样、 分路、 编码、 译码、 标志信号系统以及汇总、 分离等部件的指令脉冲，以使整体各部分都能在规定的时间内准确、 协调地工作。这些定时脉冲主要有三类： 供取样与分路用的取样脉冲； 供编码与解码用的位脉冲； 供标志信号用的复帧脉冲。二、二、 同步系统同步系统 载波同步载波同步当采用同步解调或相干检测时，接收端必须提供一个与发送载波同频、 同相的相干载波，而这个相干载波的获取就称为载波提取或载波同步。载波同步的作用是产生本地参考载波信号，相干载波信息通常是从接收到的信号中提取。 位同步位同步在数字通信系统中，为了恢复出原始数字基带信号，就要进行取样判决，因此需要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时脉冲序列的重复频率和相位（位置） 要与接收码元一致，以保证：接收端的定时脉冲重复频率与发送端的码元速率相同；取样判决时刻对准最佳取样判决位置。一般将在接收端产生与接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为位同步或码元同步，而将位同步脉冲的提取称为位同步提取。实现位同步的方法有直接法（ 自同步法） 和插入导频法 （ 外同步法） 两种。 帧同步帧同步 （ 群同步）群同步）位同步的目的是确定数字通信中的各个码元的取样时刻，即将每个码元加以区分，使接收端得到一连串的码元序列，这一连串的码元序列代表一定的信息。通常由若干个码元代表一个字母 （ 符号、 数字） ，而由若干个字母组成一个字，若干个字组成一个句。在传输数据时则通常将若干个码元组成一个个码组，即一个个的 “ 字” 或 “ 句” ，称为帧或群。帧同步的任务就是在位同步的基础上，识别出数字信息群 （ “ 字” 或 “ 句” ） 的起、止时刻，即给出每个帧的 “ 开头” 和 “ 末尾” 时刻，从而保证收、 发对应的话路在时间上保持一致。帧同步又称群同步。 网同步网同步载波同步、 位同步、 帧同步主要解决的是点对点之间的通信问题，但实际通信往往需要在许多通信节点之间实现互接和数字信息的相互交换，这就有必要在通信网内建立一个网同步系统，以保证通信网正常、 可靠地运行。网同步实际上是在网内建立一个统一的时间标准。网同步的功能是使不同数码率的信息码在同一通信网中正确传输、 交换和接收，实现全数字网的网路同步。方法是使通信网中各转接点的时钟频率和相位保持协调一致。 数字移动通信系统数字移动通信系统 数字光纤通信系统数字光纤通信系统 数字卫星通信系统数字卫星通信系统学习目标学习目标 了解移动通信系统的定义、组成、特点及工作方式。了解移动通信系统的定义、组成、特点及工作方式。 了解移动通信系统的组网技术。了解移动通信系统的组网技术。 了解了解 移动通信系统的概念及其网络接口知识。移动通信系统的概念及其网络接口知识。 了解了解 、 标准及技术的基本知识。标准及技术的基本知识。 数字移动通信系统 一、移动通信系统一、移动通信系统 移动通信系统的组成和特点移动通信系统的组成和特点所谓移动通信，就是指通信的双方至少有一方是在移动 （ 或暂时静止） 中进行信息交换的通信，它包括移动台 （ 汽车、火车、飞机、船舰等） 与固定台之间通信、移动台与移动台之间通信。（） 移动通信系统的组成移动通信系统一般由移动台 （ MS） 、基站 （ BS） 、移动业务交换中心 （ BSC） 、传输线等组成，如图所示。基站是以多信道共用方式在移动通信中提供通信服务的关键设备，主要由收发信道盘等组成。每一个基站都有一个可靠的通信服务范围，称为无线小区。移动通信系统的组成（） 移动通信系统的特点） 电波传播条件复杂。在移动通信系统中，由于移动台的不断移动，到达接收点的信号由直射波和各种反射波叠加而成，如图所示。其接收信号合成的强度也是不同的，最大可相差 30dB 以上，这就是所谓的衰落现象，它严重影响通信质量。 电波的多径传播） 远近效应。移动通信是在运动中进行的，移动台之间会出现近处移动台干扰远处移动台的现象。） 噪声和干扰严重。移动通信的质量不仅取决于设备本身的性能，还与外界的干扰和噪声 （ 如城市环境中的汽车、火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等） 有关。由于移动台经常处于移动状态，外界环境变化很大，移动台很可能进入强干扰区进行通信。） 多普勒效应。所谓多普勒效应指的是当移动台 （MS） 具有一定速度 （ v） 的时候，接收端接收到移动台的载波频率将随 v 的不同，产生不同的频移。如图所示，移动速度 （ v ） 越快，入射角 （ ） 越小，则多普勒效应就越严重。 多普勒效应） 频带利用率要求高。移动通信，特别是陆地移动通信的用户数量很大。） 移动台的移动性强。由于移动台的移动是在广大区域内的不规则运动，而且大部分移动台都会有关闭不用的时候，它与通信系统中的交换中心没有固定的联系。） 通信设备的性能要好。） 系统和网络结构复杂。移动通信系统是一个多用户的通信系统，必须使用户之间互不干扰，能够协调一致地工作。（） 移动通信的工作方式按通话状态和频率使用方法可将移动通信的工作方式分为单工制、半双工制和双工制三类。 移动通信系统的组网技术移动通信系统的组网技术（） 频率管理与有效利用技术无线通信是利用无线电波在空间传递信息的，所有用户共用同一个空间，因此不能在同一时间、同一场所、同一方向上使用相同频率的无线电波。当前移动通信发展所遇到的最突出问题就是如何把有限的可用频率有效地提供给越来越多的用户使用，并且不产生相互干扰。） 频率管理。我国三大运营商的频率分配情况如图所示。 我国三大运营商的频率分配情况） 无线信道。信道是对无线通信中发送端与接收端之间通路的一种形象比喻。为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，可以想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。） 频率有效利用技术信道的窄带化。这样可以得到更多的载波信道，可选的一种信道配置方法如图所示。复用技术。复用技术是指一种在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。多址技术。应用宽带多址技术，可在一个载波信道上传输多个用户信息，从而增加系统容量。无线信道的配置方法（） 区域覆盖与网络结构一个基站能在其天线高度的视距范围内为移动用户提供服务，这样的覆盖区称为一个无线电区，或简称小区。通信网的服务范围若很大，或者地形很复杂，则需用几个小区才能覆盖整个服务区。带状网络） 大区制。所谓大区制是指在一个比较大的区域 （ 如一个城市） 中，只设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制，如图所示。大区制） 小区制。采用小区制组网方式，可以在有限的频谱条件下，达到大容量的目的，如图所示。小区制蜂窝网二、二、GSM 移动通信系统移动通信系统 GSM 系统概述系统概述GSM 移动通信系统属于第二代移动通信系统，采用频分复用和时分复用相结合的方式扩大系统容量，我国参照 GSM 标准制定了自己的技术要求，使用 900MHz 和 1800MHz频段，收发间隔 45MHz，载频间隔 200kHz，共 124 个载波，每载波信道数为 8 个 （ 可扩展到 16个） ，基站最大功率为 300W，小区半径为 0.5 35km，调制方式采用 GMSK ，传输速率为 270.833kbps。（） TDMA 的基本概念TDMA 的基本思想是小区中各移动台占用同一频带，但使用不同的时隙。通常各移动台只在规定的时隙内以突发的形式发射它的信号，这些信号通过基站的控制在时间上依次排列、互不重叠； 同样，各移动台只要在指定的时隙内接收信号，就能从合路信号中把发给它的信号区别出来。（） 系统结构GSM系统总体结构如图所示。 移动通信系统的结构 GSM 网络接口网络接口在实际的通信网中，各个功能实体的连接都必须严格符合规定的接口标准。GSM 系统遵循ITU-T 建议的公用陆地移动通信网 （ PLMN） 接口标准，采用 7 号信令支持 PLMN 接口进行所需的数据传输。公用陆地移动通信网 （ PLMN ） 接口如图所示。公用陆地移动通信网 （ ） 接口 GSM系统的无线接口系统的无线接口 （ Um 接口）接口）GSM 系统的无线接口就是移动台与基站子系统 （ BSS） 之间的接口，即 Um 接口，也称为空中接口。（） 频率配置在 GSM 时代，中国移动开通了 GSM900 和 DCS1800 系统，中国联通开通了 GSM900和 GMS1800系统。（） 业务类型） 话音业务。） 数据业务。三、第三代移动通信技术三、第三代移动通信技术CDMA 是第三代移动通信系统的技术基础。第三代移动通信致力于为用户提供更好的语音、文本和数据服务。3G与 2G 的主要区别是在传输语音和数据速率上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无限漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也考虑与已有第二代系统的良好兼容性。 的三种基础技术指标四、第四代移动通信技术四、第四代移动通信技术. 的特点的特点 LTE 作为 4G无线标准称为第四代移动通信技术，简称 4G。该技术包括 TD-LTE和 FDD-LTE 两种制式。（） 通信速度快第四代移动通信系统传输速率可达 20Mbps，最高可达100Mbps ，速度相当于 2009 年最新手机传输速度的 1 万倍左右，或者第三代手机传输速度的 50 倍左右。（） 网络频谱宽4G 通信如达到 100Mbps的传输速率，它相当于 WCDMA3G 网络的 20 倍。（） 通信灵活4G 通信使人们不仅可以随时随地通信，还可以双向下载传递资料、图画、影像，网上联线打游戏等。（） 智能性高4G手机可以被看作是一台手提电视，用来观看体育比赛之类的各种现场直播。（） 兼容性好4G 通信不仅功能强大，而且具备全球漫游，接口开放，能与多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。（） 提供增值服务4G 移动通信系统技术以正交多任务分频技术 （ OFDM） 备受瞩目，利用这种技术可以实现无线区域环路 （ WLL） 、数字音频广播 （ DAB） 等方面的无线通信增值服务。（） 频率效率高与第三代移动通信技术相比，第四代移动通信技术引入许多功能强大的突破性技术，所以无线频率的使用比第二代和第三代有效得多。（） 费用便宜 LTE 的关键技术的关键技术（） 双工方式LTE 支持 FDD、TDD 两种双工方式。在 3G 的三大国际标准中，WCDMA 和 CDMA2000 系统也采用了 FDD 双工方式，而 TD-SCDMA系统采用的是 TDD 双工方式。（） 多址方式多址接入技术 （Multiple Access Techniques ） 是用于基站与多个用户之间通过公共传输媒质建立多条无线信道连接的技术。（） MIMO 天线技术MIMO （ Multiple Input Multiple Output） 天线技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术。（） 链路自适应AMC 链路自适应技术能够根据信道状态信息确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式，以便最大限度地发送信息，提高系统资源的利用率。（） 混合自动重传请求 （ HARQ）在移动通信系统中，由于无线信道时变特性和多径衰落对信号传输带来的影响以及一些不可预测的干扰导致信号传输失败，需要在接收端检测并纠正错误，即差错控制技术。在数字通信系统中，差错控制机制基本分为两种： 前向纠错 （ FEC，Forward Error Correction） 方式和自动重传请求 （ ARQ，Automatic Request） 方式。结合 FEC、ARQ 两种差错控制技术各自的特点，将 FEC 和 ARQ 两种差错控制方式结合起来使用，即混合自动重传请求 （ HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request） 机制。（） 小区干扰抑制和协调 在 LTE 中，小区间干扰抑制技术非常重要。3GPP提出了多种解决干扰的方案，包括干扰随机化、干扰消除和干扰协调技术。其中，干扰随机化利用干扰的统计特性对干扰进行抑制，误差较大。干扰消除技术可以明显改善小区边缘的系统性能，获得较高的频谱效率，但是它对带宽较小的业务不太适用，系统实现比较复杂。干扰协调技术最为简单，能很好地抑制干扰，可以应用于各种带宽的业务中。学习目标学习目标 了解光纤、光缆的有关知识。了解光纤、光缆的有关知识。 了解光纤通信系统的组成和工作原理。了解光纤通信系统的组成和工作原理。 数字光纤通信系统光纤的全称为光导纤维，它是一种能够导光的、直径很细的透明玻璃丝，是一种新的传输介质。光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输媒介的通信技术。光纤通信具有频带极宽、通信容量极大、传输损耗小、保密性好、抗电磁干扰、体积小、重量轻等一系列优点。一、光纤一、光纤光纤通信中采用的传输媒介是光纤，光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。光缆根据实际需要采用不同的加工工艺做成，外形和性能也各不相同。光纤复合架空地线 （ ）普通光缆 光信号是利用光的全反射原理在光纤中传播的。纤芯的折射率为n ，包层的折射率为 n2 ，当 n2 n时，光信号以一定的入射角进入光纤，按照光学的全反射原理，光信号在光纤中传播，经过弯曲的路径也不会射出光纤之外。光信号在光纤中的传播原理光纤一般以光波的传播模式分类，主要有两类： 多模光纤和单模光纤。光纤的结构 多模光纤多模光纤多模光纤即能承受多个模式的光纤。 单模光纤单模光纤单模光纤即只能传送单一基模的光纤。 裸光纤结构示意图） 阶跃型多模光纤 （ ） ） 渐变型多模光纤 （ ） ） 单模光纤目前，光纤通信所使用的波长范围是在近红外区，即波长为 0.8 1.8 ，其中0.8 0.9 称为短波长，1.0 1.8 称为长波长。光纤的工作波长也称光纤的工作窗口。 光纤的工作窗口二、光缆二、光缆 光缆的结构光缆的结构为了使光纤能在工程中实用化，能承受工程中拉伸、侧压和各种外力作用，并具有一定的机械强度以使性能稳定，需将光纤制成不同结构、不同形状和不同种类的光缆。根据不同的用途和条件，制成的光缆种类很多，但其基本结构是相同的，主要由缆芯、加强构件和护层组成。（） 缆芯缆芯是由光纤芯组成的，可分为单芯型和多芯型两种。单芯型由单根二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，又可分为带状结构和单位式结构。） 紧套结构。如图 所示，在光纤与二次涂覆层之间有一个缓冲层，缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆层采用尼龙。这种光纤的优点是结构简单、使用方便。） 松套结构。如图 所示，将一次涂覆后的光纤放在一个管子中，管中充入油膏，形成松套结构。这种光纤的优点是力学性能好、防水性好，便于成缆。紧套和松套光纤结构示意图） 紧套光纤） 松套光纤 光缆的种类光缆的种类光缆的分类方法很多，按光缆的用途不同，可将光缆分为普通光缆和特种光缆； 按光缆的结构不同，可将光缆分为层绞式光缆、单位式光缆、骨架式光缆和带状式光缆等。光缆的种类） 层绞式光缆） 单位式光缆） 骨架式光缆） 带状式光缆 普通光缆型号普通光缆型号（） 普通光缆型号的组成普通光缆型号由五个部分组成，各部分均用代号表示，如图所示。 普通光缆的型号 光纤的连接光纤的连接（） 光纤连接的要求） 插入损耗要小。一般要求接头的插入损耗小于 0.3dB。） 接头要保证有足够的机械强度。） 密封。用于防水和防潮。） 操作方便。在大多数情况下，光纤的连接在施工现场进行，操作条件比较差，连接头的使用必须简单方便。（） 连接类型） 永久连接。永久连接是光缆工程中使用最普遍的一种，其特点是光纤一次性连接后不能拆卸。光纤的熔接是通过加热的方法使已制备好的光纤端面连接在一起。光纤的熔接） 活动连接。活动连接器是光纤传输系统中光通路的基础部件，是光纤通信系统中必不可少的光无源器件。它能实现光纤通信系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间以及光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统接续、测试与维护。 如图所示是几种常见的光纤活动连接器。光纤活动连接器的类型三、光纤通信系统的基本组成三、光纤通信系统的基本组成光纤通信系统主要由光发射机、光纤、光接收机三个基本部分组成，如果进行远距离传输，还应在线路中间插入光中继器，如图所示。光纤通信系统的组成框图实用光纤通信系统一般都是双向的，因此其系统包含了正反两个方向的基本组成，并且每一端的光发射机和光接收机做在一起，称为光端机。 双向数字光纤通信传输系统组成框图 光源光源光源的作用是产生作为光载波的光信号。 光发射机光发射机光发射机的作用是进行电 光转换，并将转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。 光中继器光中继器光中继器大体兼有光发射机和光接收机的功能，它将接收到的光信号转变为电信号，再经过放大处理又去驱动另个光源产生光信号，然后送往线路继续传输。 光接收机光接收机光接收机的作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变、微弱的光信号转换为电信号，并对电信号进行放大、整形，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。四、光波分复用四、光波分复用 （）（） 系统系统 光波分复用系统的基本概念光波分复用系统的基本概念光波分复用 （ WDM，Wavelength Division Multplexing） 技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术，其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来 （ 复用） ，并耦合到光缆线路上同一根光纤中进行传输，在接收端再将组合波长的光信号分离（ 解复用） ，进行处理后恢复出原来的信号。（） 光波分复用系统传输原理光波分复用 （ ） 系统传输原理图） 单向传输） 双向传输 光波分复用系统的结构光波分复用系统的结构光波分复用系统主要由光发射机、光接收机、光放大器、光纤 （ 光缆） 、光监控信道和网络管理系统六大部分组成，其结构如图所示。 系统的结构示意图 光波分复用系统的主要设备光波分复用系统的主要设备（） 光转发器光转发器即为波长转换器，其功能是实现将非标准的波长转换为 ITU-T 所规定的标准波长，即符合 G.692 的要求。（） 光波分复用器和解复用器光波分复用器和解复用器就是合波器和分波器。能将不同光源波长的光信号合在一起，经一根光纤输出传输的器件叫合波器，又称复用器； 反之，将经一根光纤送来的多波长光信号分解为不同波长光信号分别输出的器件叫分波器，又称解复用器。（） 光纤放大器在光波分复用系统中，光纤放大器是关键设备，它是将光波信号直接放大的一种器件，如在光纤中掺铒 （ 三阶稀土元素） 而形成的掺铒光纤放大器，还有掺镨、掺镓等元素的光纤放大器。学习目标学习目标 了解数字卫星通信系统的组成。了解数字卫星通信系统的组成。 了解数字卫星通信系统的分类及特点。了解数字卫星通信系统的分类及特点。 数字卫星通信系统一、数字卫星通信系统概述一、数字卫星通信系统概述 系统组成系统组成数字卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即将地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站。卫星星体又包括两大子系统： 星载设备和卫星母体。数字卫星通信系统的组成 卫星通信网络的结构卫星通信网络的结构（） 点对点： 点对点卫星通信网络的结构如图所示。 点对点卫星通信网络的结构 星状网、网状网、混合网） 星状网） 网状网） 混合网二、卫星通信系统的分类、特点及发展趋势二、卫星通信系统的分类、特点及发展趋势 卫星通信系统的分类卫星通信系统的分类（） 低轨道卫星通信系统 （ LEO）距地面 500 2000，传输时延和功耗都比较小，每颗卫星的覆盖范围也比较小，典型系统有 Motorola 的铱星系统。（） 中轨道卫星通信系统 （ MEO）距地面 2000 20000，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际海事卫星系统。（） 高轨道卫星通信系统 （ GEO）高轨道卫星通信系统如图所示。距地面 35800，即同步静止轨道。理论上，用 3 颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。高轨道卫星通信系统 卫星通信系统的特点卫星通信系统的特点（） 卫星通信系统的优点） 卫星通信覆盖区域大，通信距离远。卫星通信是目前远距离越洋电话和电视广播的主要手段。） 卫星通信具有多址连接功能。卫星所覆盖区域内的所有地面站都能利用同一卫星进行相互间的通信，即多址连接。） 卫星通信频段宽、容量大。） 卫星通信机动灵活。） 卫星通信质量好、可靠性高。） 卫星通信的成本与距离无关。（） 卫星通信系统的缺点） 传输时延大。） 回声效应。在卫星通信中，由于电波来回转播需要 0.54，因此产生了讲话之后的 “ 回声效应” 。 ） 存在通信盲区。） 存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。