1、现代通信理论与技术第1章 现代通信理论与技术概述 现代通信 信息与通信*“信息”的概念：1 日常生活中的“信息”概念：消息，情报，知识，情况2 信息科学中的“信息”概念：对客观事物运动状态和主观思维活动的状态或存在方式的不确定性的描述。*信息的某些特性：（1）信息表现媒体是携带信息的载体，信息隐含于信息的表现媒体中。数据，文字，符号，图像，语音，物理参量人们（或机器）通过记录和表现信息的媒体获取信息、识别信息、理解信息、使用信息。（2）信息表现媒体的内容并不都是信息，信息量（以比特为单位）是对信息表现媒体的新颖性，差别性，不确定性的程度的量度。（3）信息是资源，是财富，具有可用性。*获取信息的
2、手段之一就是通信。*通信：把信息从一个地方传送到另一个地方的过程叫做通信；通信的目的是由一个地方向另一个地方传递信息，以实现人与人之间、人与机器之间或机器与机器之间的信息交换。对“通信”概念的说明：（1）广义的通信概念。（2）信息的运载工具。（3）通信对象。 现代通信（1）现代通信的内涵：通信现代通信：A.电通信：用“电信号”运载信息的通信方式。B.光通信：用“光信号”运载信息的通信方式。（2）现代通信发展简史 ：（3）信息表现媒体的种类与通信方式 ：（4）现代通信的某些特征： 有线通信和无线通信、固定通信和移动通信高度有机结合在一起； 电通信与光通信高度有机结合在一起； 通信与计算机和微处理
3、器的高度有机结合，彻底改变了信息交换方式和通信设备的功能； 通信网络化，高度发达的现代通信网； 信息表示、传输数字化 ； 多媒体通信，话音业务与非话音业务的高度综合。 软件无线电技术与微电子技术和计算机技术的结合使通信终端高度集成、并依靠软件加载实现各种通信功能和智能。（5）支持二十一世纪通信的主要技术：现代通信基础技术：微电子技术，光子技术，计算机技术，软件技术，终端技术通信领域中的核心技术：下一代通信网络技术（NGN），光通信技术，未来的无线与移动通信技术（3G/4G移动通信、卫星通信、个人通信技术）1.2 通信系统与通信网*通信系统的概念：传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。
4、通信系统的一般模型（1）一般模型：（2）通信系统分类： 模拟通信系统模拟通信系统的组成及各部分的功能。 模拟通信系统的组成及各部分的功能。模拟通信：将基带模拟信号直接送往信道传输或经载波调制之后再送往信道传输的通信方式。模拟通信系统的优缺点。 通信网通信网是一种按照通信标准和协议，使用交换设备和传输设备，将地理位置分散的用户终端设备互连起来，实现任意用户之间的信息传输与交换的通信系统。 现代通信理论与技术通信系统的根本任务是有效和可靠地传输信息，而传输信息又总是以某种信号作为运载工具，因此信息传输主要表现为携带信息的信号的变换、处理、传输、交换和存储过程。通信系统中信息信号的变换、处理、传输、
5、交换和存储过程构成了全部通信理论与技术。 通信研究的基本问题数字通信系统的模型： 数字通信中的编码技术（1）信源编码：1）格式变换:目的是信源消息数字化、比特化，以适应后续的数据压缩、加密编码和信道编码等基于比特流的数字信号处理。包括：模拟信号数字化；数据格式变换。2 ）数据压缩:目的是提高通信的有效性。用尽可能少的比特数表述信源的输出信息，用比较简单的办法降低数码率，并且在信源译码器那里能准确地或以一定的质量损失为容限再现信源信息。（2）加密编码：目的是对信息进行保密，不让非授权者了解。（3）信道编码：信道编码的主要任务：是差错控制编码，亦称检错纠错编码。信道编码的目的：是为了使接收端能对接
6、收到的码元序列进行检错和纠错，以降低错误率，提高通信的可靠性。实现方法：在发送端利用信道编码器，按照一定的规则在信息码字中增加一些监督码元，接收端的信道译码器利用监督码元和信息码元之间的监督关系来检验接收到的码字，以发现错误或纠正错误。差错控制编码提高通信的可靠性是以降低通信的有效性为代价的。（3）信道编码：差错控制编码的类型：检错码，纠错码1）检错重发：在这种方式中，发送端发送的是具有一定检错能力的检错码，接收端在接收的码字中一旦检测出错误，就通过反馈信道通知发送端重发该码字，直到正确接收为止。2）前向纠错：又称自动纠错。在这种方式中，发送端发送的是具有一定纠错能力的纠错码，接收端对接收码字
7、中不超过纠错能力范围的差错自动进行纠正。其优点是不需要反馈信道，但如果要纠正大量错误，必然要求编码时插入较多的监督码元，因此编码效率低，译码电路复杂。3）混合纠错：是检错重发与前向纠错的结合。 基带传输与调制传输（1）基带传输:基带传输是将未经调制的基带信息信号直接送往信道传输的信息传输方式（2）调制传输:调制传输是指用信息信号调制正弦载波或脉冲载波的参数形成已调信号后再送往信道传输的信息传输方式的总称。*为什么要进行调制传输调制是有效辐射电磁波的唯一手段；无相互干扰地同时传送多路信号的手段之一就是利用调制技术实现的频分多路复用；选择适当的调制形式可以抑制不希望的信号的影响，改善通信系统的性能
8、。*与调制有关的术语：Carrier：在调制理论中，通常把不含信息的高频信号，它可能是正弦波，也可能是脉冲序列，称之为载波；Modulating signal：携带信息并且需要传输的基带信号（或低频信号）称之为调制信号；Modulation：按调制信号的变化规律去改变载波的某个或某些参数的过程称之为调制；Modulated signal：用调制信号改变载波的某个或某些参数所形成的携带信息的带通信号称之为已调信号，多数情况下已调信号是一个窄带带通信号；Demodulation：将携带信息的带通信号变回到基带信息信号的过程称为解调。*连续波调制：用正弦波作载波的调制称为连续波调制。连续波调制的类型
9、： 有线通信和无线通信（1）有线通信： 光纤通信； 电缆通信（2）无线通信： 无线光通信：用自由空间传播的光波来传递信息的通信方式。 无线电通信：用自由空间传播的电磁波来传递信息的通信方式。（3）电波传播的方式：地面波：靠近地面传播， f 3MHz。天波：依靠距地面100公里的空间电离层的反射完成传播，3 f 30MHz。（4）无线电通信的主要方式：微波中继通信：微波是指波长为1m1mm，或频率为300MHz300GHz范围内的电磁波。微波中继通信是利用微波波段的电磁波在视距范围内以微波接力形式传输信息的通信方式，具有频带宽、容量大的优点。 卫星通信：卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无
10、线电信号，在多个地球站之间进行的通信。它实际是微波中继通信的一种特殊形式，将中继站搬到人造地球卫星上。它的特点是通信距离远，覆盖面积大，不受地形条件限制，传输容量大，可靠性高。卫星通信包括同步卫星通信、低轨道地球卫星移动通信和平流层天星通信。 移动通信：指通信双方至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。*移动通信组网技术的研究内容：1）多址技术；2）区域覆盖技术；3）网络结构；4）移动性管理；5）网络控制*实现第三代移动通信的三大主流技术标准： WCDMA 、 cdma2000 、 TD-SCDMA。中国提出的实现第三代移动通信的技术标准：TD-SCDMA 单向和双向、单工和双工通信按信息
11、信号传送的方向，通信的工作方式可分为单向通信和双向通信。按信息信号传送的时间，双向通信又分为单工、双工和半双工通信方式。（1）单向通信：在单向通信方式中，信息只能向一个方向传送，任何时侯都不能改变传输方向。（2）单工通信：信息可以双向传送，但通信双方中任何一方都不能同时收发信息，两个方向的传输只能交替进行的工作方式。（3）双工通信：通信双方都能同时收发信息，进行双向传输的工作方式。（4）半双工通信：一般指通信双方中有一方使用双工方式，另一方使用单工方式的通信方式。（5）双工通信的实现方式：双工通信的实现方式有：频分双工（FDD）；时分双工（TDD）。频分双工：用不同的发送频率和接收频率实现双工
12、通信的工作方式。收发频率之差称为双工频率间隔。在FDMA系统中，收发频段是分开的，所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，必须经过基站中转。*网络融合，三网合一：电信网，广播电视网，计算机网 通信组网技术通信网的网络结构：拓扑结构（物理连接），体系结构（通信功能的逻辑分布结构），无线网的区域覆盖方式 多路复用和多址接入技术（1）多路复用：通常表示在一个信道上传输多路信号或数据流的过程和技术。因为多路复用能够将多个低速信道整合到一个高速信道进行传输，从而有效地利用了高速信道。多个基带信息流用户复用一个宽带信道。（2）多址接入：是指通信网络具有多个用户通过公共的信
13、道接入到网络的能力。 多个射频用户复用一个射频信道（射频复用）。*无线多址通信和多路复用技术的关系：多址通信和多路复用技术的理论基础都是信号的正交分割原理。但无线多址通信是指多个电台或通信站的射频信号在射频频道上的复用，以达到各站、台之间同一时间、同一方向的用户间的多边通信；多路复用通信是指一个站内的多路低频信号在群频信道上的复用，以达到两个台、站之间双边点对点的多用户通信。*选址通信的方式 选址通信的方式：（1）有线选址；（2）无线选址（3）多路复用与多址接入的理论基础信号正交分割原理。（4）多路复用与多址接入的实现：发送端进行信号正交化设计：多路信号复合：接收端进行信号正交化分离：（5）多
14、路复用的类型：宽带信道的多路复用：（6）无线多址技术：多址方式主要有：频分多址（FDMA）；时分多址（TDMA）；码分多址（CDMA）；空分多址（SDMA）；极化分割多址（PDMA）。以及它们的组合方式。 频分多址（FDMA）频分多址是将给定的频率资源划分为若干个等间隔的频道供不同的用户使用。在FDMA中，信道指的是频道。频分多址系统通常采用频分双工方式实现双工通信。 时分多址（TDMA）时分多址是把时间分割成互不重叠的周期性的帧，每一帧再分割成若干个互不重叠的时隙，用户在指定的时隙内进行通信。在TDMA中，时隙就是信道。在TDMA系统中实现双工通信既可采用FDD方式，也可采用TDD方式。 码
15、分多址（CDMA）码分多址以扩频技术为基础，利用不同码型实现不同用户的信息传输。在CDMA系统中，码型代表信道。CDMA系统中多址方式有FH-CDMA和DS-CDMA。*Walsh序列在IS-95 CDMA系统中的应用：在IS-95 CDMA系统中，基站至移动台的下行链路中用64位的Walsh码序列区分信道。64位的Walsh码有64个正交序列，用W0， W1， W2， W63表示，这样就有64个逻辑信道。其中 W0用作导频信道， W32用作同步信道，W1 W7用作寻呼信道，其余55个信道用作业务信道。 空分多址（SDMA）空分多址是通过空间的分割来区分不同的用户。在移动通信中，能实现空间分割
16、的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束，不同的波束可采用相同的频率和相同的多址方式，也可采用不同的频率和不同的多址方式。在SDMA系统中，波束代表信道。 极化分割分多址（PDMA） 数字交换技术（1）信息交换方式：信息交换指信息在不同线路、终端或网路之间的切换过程或分发过程。信息交换主要有电路交换、报文交换、分组交换、异步转移模式（ATM）、IP交换、MPLS等基本方式。（2）交换设备： 交换设备在通信网中的地位：通信网由用户终端设备、传输设备、交换设备和通信软件与协议组成。它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与另一用户进行通信。 交换设备的发展方向：人工电话交换
17、机步进制交换机纵横制交换机程控数字交换机软交换光交换机（3）程控数字交换机：程控数字交换机就是用电子计算机存储程序控制的、采用脉冲编码调制(绝大多数情况下)时分多路复用技术进行时隙交换的全电子式自动交换机。在程控数字交换机中，交换的控制方式是计算机存储程序控制。预先编好的程序存储在计算机内，时刻不停地监视收集交换对象的企求动态，实时地作出响应，以存储程序的指令实行智能控制，完成通话接续、呼叫处理。此外，存储程序控制具有很高的智能，能提供多样化的用户服务性能、交换机运转维护性能和电话网的网路管理功能，增改性能也只需修改或输入新程序即可实现。（4） 光交换：现在还未有一种普遍认可的光交换技术，因而
18、相互竞争的技术种类繁多。光交换机、光交叉连接矩阵和光路由器等名词常常混用，但在业内人士看来自有差别。光交换是对链路中用户信道之间光信号作实时通断和换接处理，涉及大量用户信道且交换频繁；光交叉连接则实现通信网络中的光信号在不同链路间建立连接或切换路由。全光交换是通信发展历程上的必由之路，但只能是一个逐步演进的过程，交换节点将长期保持半透明，而在网络边缘仍将采用电的复用方案，或者说OXC和电域IP路由器相结合的方案。 通信同步技术（1）载波同步接收机中相干解调需要再生出一个与接收载波同频同相的本地相干载波。（2）码位同步接收端复制出来的码元序列与发送端发送的码元序列在重复频率和相位上保持一致。（3
19、）码字同步将接收端复制出来的码元序列区分为码字，对时分多路复用来说，指能将接收到的各路信息信号区分出来。（4）帧同步将接收端复制出来的每个码字的序号区分出来，多路通信中就是把第几路信号区分出来。（5）网同步在通信网中为了保证网内各用户之间的可靠通信，必须在网内建立起一个统一的时间标准。 通信对抗与抗干扰技术通信对抗是现代电子战的重要组成部分。它是在军事无线电通信中，对敌方无线电通信进行侦察，测定其技术参数，据此采用适当的无线电干扰手段，破坏和扰乱敌方的无线电通信，从而破坏敌方的指挥与控制系统的一种手段。通信对抗包括通信侦察和通信干扰两部分。通信对抗：（1）通信侦察通信侦察使用电子侦察测向设备，
20、对敌无线电通信信号进行搜索截获，测量分析和测向定位，以获取信号频率、电平、通信方式、调制制式和电台位置等参数，对其截听判别，以确定信号的属性。通信侦察是通信干扰的支援措施，用以保障通信干扰的有效进行。一般包括信号搜索截获、信号测向定位、信号测量分析、信号侦听、信号识别判断等侦察过程。（2）通信干扰通信干扰根据通信侦察获得的敌方通信有关情况，运用电子干扰设备发射适当的干扰信号，破坏和扰乱敌方的无线电通信。通信干扰可分为欺骗性干扰和破坏性干扰两类。欺骗性干扰的干扰与敌方通信信号的特征吻合，使通信接收方误认为干扰为信号。破坏性干扰在敌方通信时使用干扰发射机发出干扰电磁波破坏敌方通信联络，使其获得的有
21、用信息量减少，甚至全遭破坏而无法通信。按干扰的频谱宽度，通信干扰可分为瞄准式干扰和阻塞式干扰。瞄准式干扰是压制敌方一个确定信道的通信干扰，干扰频谱宽度仅占一个信道频宽，准确地与信号频谱重合，干扰能量可全部用于压制这一信道，干扰利用率高，且不影响己方的通信和侦察。阻塞式干扰是压制敌方在某频段范围内工作的所有信道的通信干扰，干扰应有宽阔的干扰频段、均匀的干扰频谱和足够的干扰功率。优点是只要在干扰频段内，敌方通信采用改频或跳频措施也无法避开干扰，但这也会影响己方在此频段内的通信。*通信对抗：通信对抗系统由多种侦察、测向和干扰等电子设备合理组合成统一协调的整体，能在通信信号密集环境下对敌方通信全面实施
22、侦察、测向定位和干扰。 信息安全与通信保密技术 信息安全理论*信息安全： 信息安全管理体系要求标准（BS7799） 信息安全是使信息避免一系列威胁，保障商务的连续性，最大限度地减少商务的损失，最大限度地获取投资和商务的回报。涉及的是机密性、完整性、可用性。 教科书 信息安全就是对信息的机密性、完整性、可用性的保护。 美国信息安全重点实验室 信息安全涉及到信息的保密性、完整性、可用性、可控性。综合起来说，就是要保障电子信息的有效性。*信息安全的概念：信息的保密性 信息的保密性（保证信息不泄漏给XX的人）；信息的完整性 信息的完整性（防止信息被XX的篡改，保证真实的信息从真实的信源无失真地到达真实
23、的信宿）；信息的可用性 信息的可用性（保证信息及信息系统确实为授权使用者所用，防止由于计算机病毒或其它人为因素造成的系统拒绝服务，或为敌手可用）；信息的可控性 信息的可控性（对信息及信息系统实施安全监控管理）；信息的不可否认性 信息的不可否认性（保证信息行为人不能否认自己的行为）。*信息安全的两种主要观点：信息安全分层结构面向应用信息安全框架：内容安全，数据安全，运行安全，实体安全信息安全金三角结构面向属性信息安全框架：完整性，机密性，可用性 保密通信技术（1）通信、保密与保密通信通信：用某种方法通过媒体将信息从一地传到另一地，是信息的扩散和传递。保密：要求信息不让非授权者了解，即消息的封锁和
24、隐蔽。保密通信：既要求把信息扩散传送出去，又要使信息不让第三者收到，或者解不出来。通信和保密是对立的，但又是相依并存的，没有信息，没有信息的传输，即通信，就谈不上保密。（2）保密通信技术通信保密技术 信息隐藏技术信息隐藏技术是研究如何将某一信息隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递隐藏的信息。*信息隐藏一般模型：*信息隐藏与密码技术的关系：一方面，信息隐藏技术不同于传统的信息加密技术。加密技术是将保密信息进行特殊的编码，形成不可识别的密文进行传递；而信息隐藏则是将保密信息秘密隐藏于另一公开载体，然后通过公开载体的传输来达到传递机密信息的目的。信息加密技术仅仅隐藏了信息的内容，而信
25、息隐藏技术不但隐藏了信息内容而且隐藏了信息的存在。另一方面，信息隐藏技术与信息加密技术并不矛盾，而是相辅相成、互为补充的。在实际应用中，信息加密技术和信息隐藏技术常常需要结合运用，通常是先对待嵌入的保密信息进行加密得到密文，再把密文隐藏到公开的载体对象中。*信息隐藏的优点：对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文进行破译而影响到机密信息的安全性；对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是否存在，因而难以截获机密信息，从而能更好地保护机密信息的安全。*信息隐藏技术的分类： 数字水印技术将具有特定意义的标记（称为水印），利用数字嵌入的方法隐藏在图像、声音、
26、文档、视频等数字作品中，用来证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的依据，同时通过对水印的检测和分析来鉴别数字作品内容的完整性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。*数字水印的性能特点：稳健性 (鲁棒性 )，不可感知特性 (逼真度)，水印容量，安全性，盲检测与非盲检测 现代通信新概念、新理论、新技术和新方法 对未来通信的展望（1）通信工作者的理想通信方式：从技术、服务及人性化三方面来看理想的通信方式。For Technique 5W，For Service 5A，For People 5H（2）二十一世纪通信发展的主要方向为 VI & P。三个方面的通信业务将成为二十
27、一世纪的发展重点：高清晰度或三维图象通信业务；具有理解、判别、综合和推理能力的智能通信业务；移动性、灵活性更强的移动通信业务。（3）多媒体通信多媒体通信将多媒体计算机技术与网络通信技术相结合，使计算机的交互性、通信的分布性和视频信号的真实性融为一体。由于多学科的不断融合、相互渗透，计算机技术、网络通信技术、大众传播技术的相互促进和发展，逐步产生了多媒体技术，并汇集到多媒体信息系统和国家信息基础设施的旗帜之下。通信网、计算机网和电视网三网合一。多媒体系统的特征：数字化、宽带化、智能化、个人化；业务的综合化；系统的集成化；交互性（4）个人通信它以个人为对象，通信到人而不是设备。其主要特征是通信者随
28、身携带袖珍式微型终端或手持机，只要按个人专用的身份识别码进行呼叫，即可与地球上任一个人建立通信，而不受通信双方的位置、距离、环境和传输设备的限制。个人通信必须以数字化移动通信作基础。（5）现代通信技术的发展方向数字化;综合化;个人化;宽带化;网络化;智能化。 发展面向未来的无线与移动通信技术 3G的演进*3G这种无线技术，给我们提供了：（1）信道带宽：5MHz；（2）小区半径，分别小于、1km、20km；（3）数据速率：2Mbps (WCDMA R99)、 ( HSDPA R5);（4）时延：不大于100 ms.*3G 的演进路线*宽带无线接入WiMax技术移动通信宽带化，宽带接入移动化。宽带
29、无线接入WiMax技术标准：WiMax ；WiMax 。 通信系统分析、设计与仿真 信息的度量问题通信的根本目的是传输消息中所包含的信息。消息是信息的物理表现形式，信息是起内涵。信息：对客观事物运动状态和主观思维活动的状态或存在方式的不定性的描述。*不确定性，信息，熵：Suppose an discrete memoryless source： （）Probabilities：P(S=,k=0,1,K-1 （）They satisfies the condition：*Definition of the Amount of Information（信息量）：*Properties of Amo
30、unt of Information：1. for If we are absolutely certain of the outcome of an event, there is no information gained.2. for No negative information.3. for The less probable an event is, the more information we gain when it occurs.4. if they are independent*信息的单位： for k=0,1,K-1对数底为2，则信息量的单位为比特(bit)；对数底取
31、e，则信息量的单位为奈特(nat)；对数底取10，则信息量的单位为哈特莱(Hartley)*信源熵：每个信源符号的平均信息量就是信源的熵。M进制： 信源符号 0， 1， M 概率P 1/M， 1/M， 1/M 信息量(bit) log2M, log2M log2M 通信系统的主要性能指标通信的任务是传递信息，传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的性能指标。所谓有效性（efficiency），是指在给定的信道内传输的信息内容的多少，表征通信系统传输信息的数量指标。所谓可靠性（reliability），是指接收信息的准确程度，表征通信系统传输信息的质量指标。有效性和可靠性两者相互矛盾而又相互联系，通常也是可以互换的。*有效
