1、現代通信技術現代通信技術現代通信技術現代通信技術復習復習長安大學信息工程學院電子信息工程系榮玫現代通信技術現代通信技術2考試安排考試安排 2014.1.22 （星期四）上午 9:0011:00 題目類型：計算題（410）、簡答題（320） 注意事項： 考生持學生證進入考場，并按監考教師安排順序就座。 考生一律不準自帶稿紙，桌面四周及抽屜必須保持清潔。嚴禁考生攜帶任何具有通訊功能的設備（手機等）進入考場，一旦帶入，在考前交予監考人員保管者，不作處理。凡是在考試期間攜帶、擺放和使用通訊工具者將根據學校規定，按考試違紀或作弊處理。 開考半小時內不準離開考場，離開考場者，一律按交卷處理，遲到半小時者不

2、準參加考試。現代通信技術現代通信技術31.通信系統模型通信系統模型的組成；各部分的功能圖1.1 點到點通信系統模型信源變換器信道反變換器信宿噪聲源現代通信技術現代通信技術42. 通信信道與通信容量 信道分類 有線信道：電磁能量被約束在某種傳輸線上傳輸，包括平行導體傳輸線、同軸電纜傳輸線、微帶傳輸線、波導傳輸線、光纖傳輸線等 無線信道：包括地波、空間波、天波等現代通信技術現代通信技術51）有線信道 平衡式非平衡式發出信號返回信號共模抑制信號電位地電位現代通信技術現代通信技術6圖1.3 通信中的常用傳輸媒質 導體襯墊導體固定絕緣材料(a)(b)導體(c)(d)導體固定絕緣體編織物保護套中心導體環型

3、間隔器外部導體(e)編織導體中心導體絕緣體保護外套(f )平面導體接地板PC絕緣材料b(g)(h)a明線電纜；(b) 雙線電纜 (c) 雙絞線電纜；(d) 屏蔽電纜對；(e) 空氣填充型同軸電纜；(f) 固態柔韌型同軸電纜；(g) 微帶線；(h) 矩形波導現代通信技術現代通信技術7u波導最簡單形式是一個空心導管，其橫截面通常是矩形、圓形或橢圓形，管壁是導體，可以限定電磁波能量的邊界在波導管內，通過波導管內的電介質傳播能量，其電介質通常是干燥的空氣；如果波導管壁是良導體且很薄，則壁內無電流流過，因此能量損耗很少。電磁波在波導管內以“Z”字形來回反射并不斷向前傳播導體襯墊導體固定絕緣材料(a)(b

4、)導體(c)(d)導體固定絕緣體編織物保護套中心導體環型間隔器外部導體(e)編織導體中心導體絕緣體保護外套(f )平面導體接地板PC絕緣材料b(g)(h)a現代通信技術現代通信技術8u截止頻率和截止波長不像傳輸線有最高頻率的限制，波導受限于最低頻率即稱為截止頻率(Cut-off Frequency)，即低于截止頻率的信號將不能在波導中傳播允許通過波導的最大波長稱為截止波長(Cut-off Wavelength)。截止波長定義為可在波導內傳播的最大波長截止波長和截止頻率由波導的橫截面尺寸決定，若波導的橫截面寬度尺寸為a，則其截止波長為c=2a現代通信技術現代通信技術92）無線信道圖1.4 電磁波

5、的三種傳播模式電離層大地反射波直射波LOS 空間波天波發射天線接收天線地波現代通信技術現代通信技術103）信息容量u信息容量在給定時間內，一個通信系統可以傳輸多少信息的一種度量u信息論是對有效利用帶寬通過電子通信系統傳輸信息的理論研究，可用來確定通信系統的信息容量u1920年貝爾實驗室的哈特萊推導出了帶寬、傳輸時間和信息容量之間的關系，即帶寬愈寬，傳輸時間愈長，能夠通過該系統傳送的信息就愈多。數學上，哈特萊定律表達如下：C=Bt信息容量系統帶寬傳輸時間現代通信技術現代通信技術11u一個重要的問題增大帶寬B，能否使信息容量C無限增長？2log (1)SCBN香農公式：信噪比現代通信技術現代通信技

6、術12u計算實例： 標準話音頻帶通信信道信噪比： (30 dB)帶寬1000SN2.7kHzB 22700 log1 100026.9 kb/sC 信息容量：現代通信技術現代通信技術133. 基帶與頻帶傳輸圖1.7 頻帶傳輸系統簡化框圖信道發射機接收機基帶信號調制器(上變頻器)載波振蕩器(高頻信號)解調器(下變頻器)基帶信號本地載波振蕩器現代通信技術現代通信技術14u通信系統中的信號傳輸方式基帶傳輸不經過調制而直接將原始基帶信號送到線路上進行傳輸信號傳輸頻帶傳輸原始電信號在發送端經過調制后送到線路上傳輸，接收端要進行相應解調才能恢復基帶信號現代通信技術現代通信技術15u調制定義：通過改變一個更

7、高頻率信號的某些特征物理量或參數(如幅度、頻率、相位等)的過程稱為調制，分為模擬調制和數字調制；相應地，已調信號通過傳輸系統傳送到接收機，在接收機中被放大、下變頻，然后恢復原始信號的過程稱為解調載波、調制信號、已調信號的定義現代通信技術現代通信技術164. 通信方式通信系統可以設計成只在一個方向上傳輸，或者在兩個方向上但一次只能沿一個方向傳輸，或者同時在兩個方向上傳輸，這些都稱為傳輸方式。傳輸方式有四種：單工、半雙工、全雙工及全/全雙工。 (1) 單工(SX)： 發射機接收機傳輸只能在一個方向上出現！現代通信技術現代通信技術17(2) 半雙工(HDX)：(3) 全雙工(FDX)：發射機接收機接

8、收機發射機發射機接收機接收機發射機現代通信技術現代通信技術18 (4) 全/全雙工(F/FDX)：發射機接收機接收機發射機發射機接收機現代通信技術現代通信技術195. 模擬與數字通信圖1.8 數字通信簡化框圖發射機再生器接收機1模擬通信系統模擬信號2數字通信系統數據通信3數字通信系統模擬信號數字化傳輸現代通信技術現代通信技術20u數字通信的特點：優點：抗干擾性強；便于處理、加密、存儲和交換；由于數字通信設備中大部分電路都是采用數字邏輯電路，因此可用大規模和超大規模集成電路實現，設備便于集成化和微型化，功耗也較低；采用數字傳輸方式，可以實現傳輸和交換的綜合，電話業務和非電話業務都可以實現數字化，

9、以便組成綜合業務數字網(ISDN)。缺點： 占用信道頻帶較寬。數字話音數碼率64kb/s，一個模擬話路所占頻帶寬度4 kHz現代通信技術現代通信技術216. 通信系統性能與噪聲1. 通信系統性能經濟性經濟性有效性有效性可靠性可靠性適應性適應性標準性標準性通信系統性能通信系統性能性能指標性能指標現代通信技術現代通信技術22經濟性經濟性可靠性可靠性/傳輸質量傳輸質量有效性有效性/傳輸速率傳輸速率適應性適應性u性能指標的對立統一信源編碼信道編碼現代通信技術現代通信技術237. 通信系統中的噪聲噪聲不相關噪聲相關噪聲外部噪聲內部噪聲噪聲的存在與信號是否出現常見噪聲分別屬于哪一類？熱噪聲、大氣噪聲現代通

10、信技術現代通信技術248. 數字通信系統的主要性能指標1）信息傳輸速率信息傳輸速率通常是以每秒所傳輸的信息量多少來衡量的。信息論中已定義信源發生信息量的度量單位是“比特”(bit)。一個二進制碼元所含的信息量是一個“比特”，即一個“1”或一個“0”就是一個比特。 在多進制中(設為m進制)，每個碼元的信息量為Im ，則Im為 Im =log2m (m為進制數)現代通信技術現代通信技術252）碼元(符號)傳輸速率碼元(符號)傳輸速率是指單位時間(s)內傳輸的碼元數目，其單位為波特(Bd, Baud)。這里的碼元可以是二進制的，也可以是多進制的，一般用RB或fB來表示。信息傳輸速率和碼元傳輸速率的關

11、系為Rb=RB log2M式中，Rb表示信息傳輸速率，M為進制數。如果碼元傳輸速率為600 Bd，則在二進制時，信息傳輸速率為600 b/s；在四進制時，信息傳輸速率則為1200 b/s。對于二進制，由于log2M=1，在數值上波特率和比特率是相等的，但其意義是不同的。 現代通信技術現代通信技術263）頻帶利用率頻帶利用率是指單位頻帶內的傳輸速率。傳輸的速率愈高，所占用的信道頻帶愈寬。通常用 來表示數字信道頻帶的利用情況，即頻帶利用率為當傳輸速率是碼元傳輸速率時，其單位為波特/赫茲(Bd/Hz)；當傳輸速率是信息傳輸速率時，其單位為比特/秒/赫茲(b/s/Hz)。 頻帶寬度傳輸速率現代通信技術

12、現代通信技術274）誤碼率數字信號在信道傳輸過程中，由于信道本身有關參數的影響和噪聲干擾，以致在接收端判決再生后的碼元可能出現錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量，一般用Pe來表示。這個指標是統計結果的平均值，所以這里指的是平均誤碼率。顯然，誤碼率愈小，通信的質量愈高。 limeNP發生誤碼個數傳輸總碼元數現代通信技術現代通信技術289. 脈沖編碼調制把時間連續、取值連續的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數字信號，包括抽樣、量化、編碼三個過程。1. 抽樣s(t)r(t)m(t)抽樣周期原始模擬信號抽樣值抽樣器抽樣信號抽樣脈沖tt0T2T3T4T5T6Tt0T2T3T4T5T6T)()(n

13、Tmts0圖1.10 話音信號抽樣過程時 間 離 散 化現代通信技術現代通信技術29u所謂抽樣，就是每隔一定時間T，抽取話音信號m(t)的一個瞬時幅度值(樣值)，可得到一系列樣值信號，即樣值序列信號S(t)=S(nT)或稱為脈幅調制(PAM)信號。u奈奎斯特抽樣定理一個頻帶限于fm赫茲的連續信號m(t)可以惟一地用時間上每隔時間T(1/2fm)的抽樣值序列來確定，即抽樣頻率fs2fm。T = ？現代通信技術現代通信技術30u保護頻帶 要獲得原始信號的重建，必須使fm與fs - fm之間有一定寬度的保護帶。若抽樣頻率fs 2 fm 。 例如：話音信號的最高頻率fm=3.4kHz，為了防止產生混疊

14、噪聲，取fs 2fm ，這里按ITU-T規定，話音信號的抽樣頻率fs 8000 Hz，抽樣周期R1/8000125s，這樣就留出了8000-23400=1200 Hz的保護帶。 現代通信技術現代通信技術31 量化圖1.13 均勻量化與非均勻量化/ 2過載區44321量化誤差 U過載區量化區4321量化誤差均勻量化量化區非均勻量化321432143210 12341234 UUU12344/ 23210123 4/ 2/ 24 3210123 4幅 度 離 散 化現代通信技術現代通信技術321) 均勻量化用等間隔(稱為量化間隔)去度量樣值信號 信號的幅度范圍被限定在-UU之間(U為過載電壓)，樣

15、值的絕對值超過過載電壓U的區域稱為過載區；未超過U的區域稱為量化區 幅度范圍內的離散值稱為量化值或量化級數(用量化間隔去度量樣值-UU之間所得到的數值)，用來表示： 量化誤差量化值與原樣值之間的誤差 UN2如何衡量？現代通信技術現代通信技術33u量化信噪比u均勻量化的缺陷有用信號功率量化信噪比量化噪聲功率量化間隔是固定值大功率信號信噪比大小功率信號信噪比小信噪比不均勻，話音嚴重失真現代通信技術現代通信技術342) 非均勻量化u非均勻量化的特點：信號幅度小時，量化間隔小，其量化誤差也??；信號幅度大時，量化間隔大，其量化誤差也大u采用非均勻量化后可做到在不增大量化級數N的條件下，使信號在較寬的動態

16、范圍達到所需的指標要求。其實質是提高了小信號的信噪比，降低了大信號的信噪比，使信噪比在較寬的動態范圍內均勻。 現代通信技術現代通信技術35圖1.14 13折線壓擴特性 y17/86/85/84/83/82/81/801/1281/641/321/161/81/41/2x161 21(8)(7)(6)(5)16等分對數A/律13折線現代通信技術現代通信技術36表1.1 13折線量化段電平(歸一化值) 以上是每段按16等分量化而得到的，并以最小段(第一段)為最小量化間隔，且此單位為歸一化值的單位。 量化段序號 1 2 3 4 5 6 7 8量化段電平范圍016 32 64 128 256 512

17、1024 2048起始電平() 0 16 32 64 128 256 512 1024量化間隔i 2 4 8 16 32 64現代通信技術現代通信技術37 逐次反饋編碼話音信號變為數字信號的過程是經抽樣、量化后還必須變為數碼流，這個變為數碼流的過程叫編碼。A律與13折線通常采用量化級數N256(每個段再16等分)，即每個樣值信號經量化后編成8位碼，由8位碼組成一個碼字來近似表示。1) 編碼的碼型在話音信號編碼中通常采用三種碼型：一般二進碼(自然二進碼)、循環碼(格雷碼)和折疊二進碼。在數字通信中按律和13折線規律進行量化編碼時一般采用折疊二進碼。它與普通二進碼的區別在于，幅值為負的幅度碼是由幅

18、值為正的幅度碼(上半部)對折而成的，因此得名為折疊碼。 現代通信技術現代通信技術382) 編碼位安排我國數字通信設備(PCM30/32路基群)話音信號變為數字信號即A/D變換，是按CCITT建議，采用13折線(A=87.6)規律進行量化，每個樣值信號編8位碼。A律與13折線的非均勻量化段是奇對稱的上、下8個量化段，如圖1.14所示，每個量化段又均勻等分為16個量化級。如采用折疊二進碼進行編碼，其碼字的安排是：碼位為8位，分別用a1、a、a、a、a、a、a、a來表示；a1表示極性碼(a11表示正極性，a10表示負極性)；a、a、a 3位碼為段落碼，表示8個非均勻量化段；a、a、a、a 4位碼為段

19、內碼，表示每段均勻分為16等分。 現代通信技術現代通信技術393) 逐次反饋編碼假設輸入樣值PAM信號Is=444按A律和13折線編8位碼。 (1) 首先決定極性碼為a1。第一次比較：比較判定值為0，則Is=4440(信號為正)a1“1”以下是幅度編碼aa。因為信號的極性已由a確定，現只對樣值信號的絕對值|Is|或|Us|進行幅度編碼(編7位碼)，所以叫幅度編碼，它由3位段落碼和4位段內碼組成?，F代通信技術現代通信技術40(2) 段落碼的編碼：aa。如圖1.14所示，A律和13折線有8段(正半部分)，由于23=8，因此用3位碼來表示。第二次比較：a碼表示樣值信號幅度在8段中的哪4段內，以第5段

20、起始電平為對分點。因此，a碼的判定值應是第5段的起始電平IB5=128，即這時判定值Ig=128，則Is=444128 a2“1”(信號在上四段，即58段)第三次比較：a3碼表示信號幅度在四段中的哪兩段內，例中應以第7段的起始電平IB7=512為對分點。a3碼的判定值Ig=512，則|Is|=444256 a4=“1”(信號在兩段中的上一段，即第6段)幅度碼經以上二、三、四次比較，所得段落碼a2a3a4碼為“101”，信號在第6段，起始電平IB6=256，第6段的量化間隔6=16(即第6段平均16等分其每等分是第1段16等分的16倍)。 現代通信技術現代通信技術42(3) 段內碼的編碼為a5a

21、8。段內碼表示每段均勻等分16等分(16個量化級24=16)要編4位碼(a5、a6、a7、a8)。段內碼判定值的提供，可用下式表示(每一量化段的起始電平為IBi，判定值為Ig)： 編下一位碼一定要在上一位碼已確定的情況下進行。從8、4、2、1來分析，是符合折疊對分規律的，即首先確定樣值信號在哪8等分后再確定4等分、2等分、1等分。第五次比較：a5碼表示信號在本段內16等分中哪8等分內，就應以此段第8等分為分界點，其判定值這里應為IB6=256，6=16，則Ig=IB6 + 86=256 + 816=384 |Is|=444 384 a5=“1”(第6段的上8等分) 現代通信技術現代通信技術43

22、第六次比較：a6碼表示信號在上8等分中哪4等分內，應以此等分為分界點，其判定值這里應為Ig=IB6+86a5+46=256 + 8161+416=448|Is|=4441km；微小區： 200300 m；微微小區：100擴頻信號帶寬原始信號帶寬81現代通信技術現代通信技術u擴頻通信原理圖6.14 擴頻通信的基本原理PN碼產生器LNAD/C擴頻解調信息解調同步PN碼產生器信息調制擴頻調制U/CPAak(t)bk(t)Sk(t)ck(t)S(t)bm(t)am(t)cm(t)PA:功率放大LNA：低噪聲放大bk(t)0 RsRs Rc0RcSk(t)S(t) Rcf0Rc干擾 Rc Rsf0RsR

23、cbm(t)數字信號無用信號干擾數字信號82現代通信技術現代通信技術u擴頻碼序列定義：一種具有近似于隨機信號的性能的周期性脈沖信號，亦即具有近似于白噪聲的性能。83信號PN1=寬帶信號1寬帶信號1PN1=信號PN1PN1=原始窄帶信號寬帶信號2PN1=信號PN2PN1= 寬帶干擾信號發射端接收端自相關函數為脈沖函數，互相關函數為自相關函數為脈沖函數，互相關函數為0現代通信技術現代通信技術擴頻碼的作用l當收到的信號與本地碼相匹配時，所需要的有用數字信號才能恢復到其擴展前的原始帶寬，還原成原始信號l任何不匹配的輸入信號則被本地碼擴展為寬帶信號，其功率譜密度大為減小，形成遠小于信號幅度的干擾l經過解

24、擴后無用信號具有寬帶譜，而有用信號則呈原始的窄帶譜，這樣利用窄帶濾波器便可以濾除有用信號帶外的干擾，使得帶內信號電平高于干擾電平，從而使輸出帶內信噪比大大改善，這就提高了系統的抗干擾能力。84現代通信技術現代通信技術u擴頻技術的分類直接序列擴頻跳頻跳時現代通信技術現代通信技術u軟切換圖6.17 軟切換與硬切換示意圖(a) 軟切換；(b) 硬切換切換前(a)(b)切換中切換后86現代通信技術現代通信技術u軟容量用戶1用戶2用戶3用戶4TDMA/FDMA（時隙或頻段）無法接入用戶1、2、3、4、5 CDMA信噪比下降（通話質量降低）87現代通信技術現代通信技術22. “最后一公里”接入問題最后一公

25、里”是個比喻，是指將家庭和辦公室連接到運營商網絡和Internet的任何通信連接。88運營商網絡現代通信技術現代通信技術u存在的困難： 骨干網絡通常使用的單模光纖非常昂貴，家庭及個人用戶或小型商業用戶等處于網絡終端地位的用戶難以使用，且大帶寬和高速率會造成浪費 靈活性問題：每個用戶的房間都有差別，通信服務提供商，房地產開發商和用戶三方面都需要根據實際情況考慮如何將用戶設備連入網絡、如何遷移到其他地點以及如何注銷用戶服務89現代通信技術現代通信技術23. xDSL DSL(Digital Subscriber Line)，意即數字用戶線路，它是以雙絞線銅纜即電話線為傳輸介質的點對點傳輸技術。HD

26、SLADSLVDSL充分利用現有的銅纜資源，通過銅質雙絞線實現高速接入90現代通信技術現代通信技術 ADSL的特點91上下行速率不對稱上下行速率不對稱自適應速率調節自適應速率調節利用電話線，安裝方便利用電話線，安裝方便與有線電話互不影響與有線電話互不影響提供多種業務提供多種業務現代通信技術現代通信技術 xDSL技術的比較92覆蓋范圍覆蓋范圍傳輸速率傳輸速率對稱性對稱性業務范圍業務范圍HDSL3.6km2.048Mb/s對稱商業應用ADSL35km16k1Mb/s1.59Mb/s非對稱視頻點播VDSL0.31.5km多種上行速率1355Mb/s非對稱視頻交互現代通信技術現代通信技術24.無線局域網u無線局域網的組成構成無線局域網基礎的三種主要連接設備分別是WLAN適配器、