通信原理ppt课件第一章.ppt

通 信 原 理,电子科技大学成都学院电子信息工程系,Communication Theory,王 珂Email：,课程任务及目的,本课程以数字通信原理为重点，讲述通信系统的组成、性能指标、工作原理性能分析和设计方法.通过本课程的学习，使大家掌握有关的通信技术及方法，了解通信技术在计算机、电子工程、自动控制、通信工程等信息科学技术领域的许多应用。,教材及参考文献,教材通信原理（第2版），樊昌信 等编著，（北京）电子工业出版社参考文献现代通信原理曹志刚、钱亚生 编著，清华大学出版社现代通信原理与技术张辉、曹丽娜 编著，西安电子科技 大学出版社通信原理（第五版），樊昌信 等编著,第1章 概论,1.1 通信的发展 1.2 消息、信息和信号 1.3 数字通信 1.4 信道 1.5 信道中的噪声 1.6 小结,1.1 通信的发展,我们所熟悉的通信,原始的光通信：利用有或无光信号表示有或无“敌情”；二进制数字通信,典故：周幽王烽火戏诸侯,古代：击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信、快马传书等等这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。,1.1 通信的发展,通信的定义：传递信息 通信方式：,运动通信（利用人力或机械的方式传递信息）,电通信（利用电传递信息）,1.1 通信的发展,早期电通信的发展1820年 安培(A.M.Ampere) 电报通信1838年 莫尔斯(seSamuel F.B.Morse) 电报通信的实用阶段1876年 贝尔(A.G.Bell) 电话,数字通信的开始,模拟通信的开始,1.1 通信的发展,近代电通信的发展,在20世纪前半叶，由于电话通信的实时性和交互式都比电报更便于使用，所以这种采用模拟通信技术的电话通信技术和电话通信网，比电报得到更加快速和广泛的发展。 20世纪60年代以后，随着半导体、计算机和激光技术的出现和发展，传输字符和计算机数据的数字通信技术进入高级发展阶段。,当今信息社会，通信与传感、计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”，从某种程度上，可以说通信技术的发达程度反映了一个社会的现代化程度。,1.2 消息、信息和信号,一、消息、信息和信号的定义消息：语音、文字、图形、图像等信息：消息中包含的有效内容（有意义的内容） 不同形式的消息可以载有相同内容的信息信号：消息的载体 通信系统中传输的是信号,1.2 消息、信息和信号,二、信息及其度量,信息量：是评价传输信息多少的一种度量。,在一切有意义的通信中，同样的消息包含的信息量可能不同。,例：“明天降雨量将有一毫米” - 信息量小 “明天降雨量将达到一米” - 信息量大 “明日太阳将从东方升起” - 信息量零,消息中确有可能包含不同的信息量，消息所表达的事件越不可能发生，越使人意外，则信息量越大。因此，我们可以从事件的不确定程度，即其发生的概率来描述信息量的大小。,事件的不确定程度可以用其出现的概率来表述。消息中所含的信息量I可以按如下方法定义：,消息中所含的信息量I是出现该消息的概率P(x)的函数，即I= IP(x)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P(x)=1时，I=0。若干个独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即IP(x1)P(x2) = IP(x1)+IP(x2)+,1.2 消息、信息和信号,若要满足上述定义，则I与P(x)间的关系式应当满足,I代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。上式中信息量单位的确定取决于对数底a的确定。若a=2，则信息量I的单位为比特（bit）；若a=e，则信息量I的单位为奈特（nit）；若a=10，则信息量 I的单位为哈特莱（hartley）。 通常广泛适用的单位是比特。,1.2 消息、信息和信号,若需要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，且认为每一消息的出现概率是相同的。,当M=2时， P(x)=1/2；则信息量为,对于M2时， P(x)=1/M；则信息量为,如果M是2的整次幂，即M=2K(K=1,2,3,),则信息量为,等概率出现的离散消息的信息含量,1.2 消息、信息和信号,设离散消息源是一个有n个符号组成的集合 ，符号集中的每一个符号 在消息中是按一定概率独立出现的 ，设符号集中各符号出现的概率为 ，并且有,不等概出现的离散消息的度量,1.2 消息、信息和信号,则 所包含的信息量分别是 则每个符号所包含信息量的统计平均值为,1.2 消息、信息和信号,平均信息量,显然，当信源中每个符号等概独立出现时， 此时有最大值。,1.3.1 基本概念,1.3 数字通信,1、信号的分类（按取值方式不同）连续信号（模拟信号）：是指取值连续的信号，如语音信号；离散信号（数字信号）：是指取值离散的信号，如代表文字的编码、计算机数据等。,区分模拟信号和数字信号的准绳，是看其取值是连续的还是离散的，而不是看时间。,1.3 数字通信,模拟信号,数字信号,图1.3.1 模拟信号和数字信号,按消息的物理特征分类, 随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都 可以在统一的综合业务通信网中传送。,1.3 数字通信,2、通信系统的分类,按调制方式分类,1.3 数字通信,按传输媒介分类,按信号复用方式分类,按信号特征分类,1.3 数字通信,通信系统设计的基本问题之一就是解决噪声和干扰的影响。, 模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法, 数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论,对于点对点之间的通信，按照消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为,单工通信：消息只能单方向传输的工作方式；如遥测、遥控,半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式；如对讲机,全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式。如电话,1.3 数字通信,3、通信方式,在数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，有串行传输和并行传输之分。,串行传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个一个地在信道中传输；,并行传输：将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。,图1-6 串行和并行方式传输,1.3 数字通信,图1.3.2 数字信号波形的失真和恢复,1.3 数字通信,1.3.2 数字通信的优点,取值有限，在失真没有超过定值的情况下，能正确接收；,1.3.2 数字通信的优点,1.3 数字通信,可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性； 数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制。可采用高保密性能的数字加密技术； 数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。可综合传输各种模拟和数字输入信号；易于设计、制造，体积小、重量轻；可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率；输出信噪比随带宽按指数规律增长。,数字通信的缺点,1.占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。2.数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。不过，随着光纤等的采用、 窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。,1.3 数字通信,1 、通信系统模型,基站（MBS),移动用户（MSS),图1-1 通信系统的一般模型,1.3 数字通信,1.3.3 数字通信系统模型,信息源：把需要传输的消息转换为原始电信号；发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中传输，发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道；接收设备：接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信息；噪声源：是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。,1.3 数字通信,2 .数字通信系统模型,1.3 数字通信,各部分功能信源：把消息转换成电信号的设备；信源编码：减小数字信号的冗余，提高数字信号的有效性；信道编码：提高信号传输的可靠性；调制：使经过编码的信号特性与信道特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输；（区分基带信号与频带信号）信道：信号传输的通道，分为基带信道和带通信道；噪声：外来干扰以及系统内部各个元器件产生的总的噪声；同步：从发送信号中提取的同步信息，以便接收端准确知道接收的数字信号中每个符号（码元）的起止时刻。,1.3 数字通信,模拟通信系统模型,图1.3.4 模拟通信系统模型,发送端,接收端,噪 声,调 制,信 道,解 调,信 宿,1.3 数字通信,通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等等，但是，从研究消息的传输来说，通信的有效性与可靠性将是主要的矛盾所在。,有效性：是指消息传输的“速度”问题；可靠性：是指消息传输的“质量”问题。,在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者，在维持一定有效性下，使消息传送质量尽可能提高。,1.3 数字通信,1.3.4 数字通信系统的性能指标,传输速率(三种定义),数字通信系统的有效性指标用传输速率和差错率来表征。,1.码元速率RB，单位时间传输的码元数目，单位为波特(B)。2.信息速率Rb，单位时间传输的信息量，单位为比特/秒(b/s)。3.消息速率RM ，单位时间传输的消息数目，传输文字时单位为字/s。,1.3 数字通信,在二进制下，码元速率与信息速率在数值上相等，即 Rb = RB2 ，但两者单位不同。 在M进制下有 Rb = RBlog2M (bit/s) RB= Rb /log2M (B),码元速率与信息速率的关系（等概情况下）,1.3 数字通信,差错率(三种定义),1.误码率(Pe )：指错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比例。Pe = 错误接收码元 / 传输的码元总数；2.误比特率(Pb ) ：指错误接收比特数在传输总比特数中所占的比例。Pb = 错误接收比特数 / 传输总比特数；3.误字率(Pw ) ：指错误接收字数在传输总字数中所占的比例。,1.3 数字通信,误码率和误比特率的关系在传输二进制码时有：Pb = Pe当M大时，Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2误字率和误比特率的关系对于二进制，若一个字由k比特组成，则Pw1 (1 Pe)k,误码率与误比特率、误字率的关系,1.3 数字通信,频道利用率：单位频带内所能达到的信息速率；能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。,研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，它突出了影响通信质量的关键部件。在这里强调了调制和解调在通信系统中的重要作用，对数字通信来说，编码和解码也是很重要的。M个等概率出现的离散消息的信息量 ；非等概率出现的离散消息的每个符号所含的平均信息量 。通常从信号传输的有效性和可靠性两方面来衡量通信质量的好坏。对数字通信系统为传输速率和误码率。,1.3 数字通信,例题,例1-1.某数字通信系统用正弦载波的四个相位0、/2 、 3/2 来传输信息，这四个相位是互相独立的。(1)每秒钟内这四个相位出现的次数都为250，求此通信系统的码速率和信息速率。(2)每秒钟内0、/2 、 3/2出现的次数分别为500、125、125、250，求此通信系统的码速率和信息速率；,例题,解: (1)此时四个符号出现的概率相等，每秒钟共传输1000个相位 故 RB=1000 BRb=(10002)bit/s=2000 bit/s (2)每秒钟传输1000个相位，故 RB=1000 B，每个符号出现的概率分别为P(0)=1/2; P (/2)=1/8; P()=1/8; P(3/2)=1/4 。,信息速率 Rb=(10001,)bit/s=1750 bit/s,例1-2. 125 S内传输256个四进制码元，传信率为多少？若2S产生3个误码，误码率为多少？,例题,例题,RB=256/125 S = 2.048106 ( B) Rb=RB log24=4.096106( bit/s)Pe =3/ (2.048106 2)=0.7310-6,1.4 信道,信道1.定义 连接发送端和接收端的通信设备，并将信号从发送端传送到接收端。2.分类（按照传输媒体）无线信道：利用电磁波在空间传播来传输信号；有线信道：需利用人造的传输媒体来传输信号。,3.信道中的干扰 有源干扰：信道中的噪声； 无源干扰：信道本身传输特性不良。,1.4 信道,1.4.1 无线信道,电磁波发射和接收对天线的要求 为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。 因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。所以，通常用于通信中的电磁波频率都比较高。实用中，频段（波长）被划分为若干波段。,1.4 信道,1.根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播分为地波、天波和视线传播。,1.4 信道,1.4 信道,图1.4.3 视线传播,1.4 信道,为了达到远程通信的目的，视线传播可采用无线电中继的方法,1.4 信道,静止卫星中继通信,特点：传输距离远、覆盖区域广、传播稳定可靠、传输容量大等。用途：传输多路电话、电报、数据和电视。,1.4 信道,频率(GHz)(a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减,频率(GHz)(b) 降雨的衰减,衰减,(dB/km),水蒸气,氧气,降雨率,图1.4.5 大气衰减,大气对电磁波传播的影响,衰减,(dB/km),注：在大气通信中应尽量避免使用衰减严重的频率,1.4 信道,2.电磁波的散射传播,电离层散射 频率: 30 60 MHz对流层散射 频率: 100 4000 MHz流星余迹散射 频率: 30 100 MHz,1.4 信道,民用无线电通信,蜂窝网地波传播,卫星通信视线传播,3.民用无线通信,1.4 信道,1.4.2 有线信道,明线：平行架设在电线杆上的架空线路。（传输损耗低、易受天气和环境的影响、对外界噪声干扰敏感）对称电缆：若干对叫做芯线的双导线放在一根保护套内制成的。（损耗较明线大，但是性能较稳定）同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成。,图1.4.8 同轴电缆截面示意图,1.4 信道,图1.4.9 多模光纤结构示意图,光纤：传输光信号的有线信道。结构：由折射率不同的两种玻璃介质纤维制成；由纤芯和包层构成。,只在边界处发生反射,传输路径逐渐弯曲,1.4 信道,按照光纤中光波的传输模式划分。多模光纤：光波在光纤中不止一条传输路线，不同频率的光波的传输时延也不同，因此会造成信号的失真。单模光纤：光波在光纤中只有一条传输路线，但是其直径较小，两端光纤不易对接。,1.4 信道,光波波长（nm）,1.55 m,1.31 m,0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7,图1.4.10 光纤损耗与波长的关系,损耗：尽量将光波波长选择在光纤传输损耗最小的波长上。,相当于两个损耗波谷,1.4 信道,1.4.3 信道模型,信道模型的分类,编码信道：编码器输出端至解码器输入端之间的部分。（便于研究数字通信系统中利用纠错编码对数字信号进行差错控制的效果）,调制信道：发送端调制器输出端至接收端解调器输入端之间的部分。（便于研究各种调制制度的性能）,图 3 1 调制信道和编码信道,1.4 信道,1.4 信道,1.编码信道模型,其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率P(0/1), P(1/0) 错误转移概率 P(0/0) = 1 - P(1/0) P(1/1) = 1 - P(0/1),编码信道对信号的影响是使传输的数字序列发生变化，即序列中的数字发生错误。所以可以用错误概率来描述编码信道的特性。这种错误概率通常称为转移概率。,1.4.3 信道模型,1.4 信道,2.调制信道模型 最基本的调制信道有一对输入端和一对输出端。,eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 输入的已调信号； eo(t) 输出信号； n(t) 噪声电压，它与ei(t)相互独立； f ei(t) 信道输入与输出电压之间的函数关系,表示信道对于信号的影响。,1.4 信道,为了便于数学分析，通常 f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t)， 此时， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t)其中的n (t)是始终存在的，与信号成相加的关系，称为加性干扰；k(t)是一个反映信道特性的函数，反映了信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟等，因与信号成相乘的关系，称为乘性干扰。 当k(t) =常数，称为恒(定)参(量)信道（不随时间变化或随时间变化很小） 例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道,调制信道对信号的影响是k(t)、n(t)使信号的波形发生变化。,1.4 信道,1.4.4 信道特性对信号传输的影响,1.恒参信道：各种有线信道和部分无线信道（卫星链路、某些视距传输链路）；恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。传输特性的表征：振幅频率特性、相位频率特性,理想恒参信道对信号传输的影响是： (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减； (2) 对信号在时间上产生固定的迟延。 这种情况也称信号是无失真传输。 ,无失真传输条件,(a) 振幅特性,(b) 频率特性,一条水平直线,一条过原点的直线,1.4 信道,在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生失真(或称为畸变)。如果信道的幅度-频率特性在信号频带范围之内不是常数，则会使信号产生幅度-频率失真；如果信道的相位-频率特性在信号频带范围之内不是的线性函数， 则会使信号产生相位-频率失真。,1.4 信道,幅度-频率失真：信道的振幅-频率特性不理想，引发的信号失真。影响：信号波形畸变、码间串扰等特点：线性失真补偿：寻求一个线性网络，使其频率特性与信道的频率特性之和，在信号占用的频带内为一条水平直线。,图1.4.13 频率失真的补偿,1.4 信道,相位失真：信道的相位-频率特性不理想，引发的信号失真。影响：引起码间串扰，使误码率增大；特点：线性失真；补偿：线性网络。,1.4 信道,恒参信道中可能存在的其他失真因素：非线性失真: 信道输入信号和输出信号的振幅关系不是直线关系，由信道中元器件特性不理想造成.会引起谐波失真。频率偏移：信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。由振荡器的频率误差引起。相位抖动：会对信号产生附加调制，振荡器频率不稳定产生。,0,输出电压,输入电压,1.4 信道,2.随参信道对信号传输的影响随参信道：大部分无线信道1)传输衰减：随时间变化2)传输时延: 随时间变化 3) 存在多径传播现象,多径传播的影响: 在存在多径传播的随参信道中，就每条路径的信号而言，它的衰耗和时延都是随机变化的。因此，多径传播后的接收信号将是衰减和时延都将随时间变化的各路径的合成。 设发送信号为Acos0t，则经过n条路径传播后的接收信号R (t)可以表示为：,式中 ri (t) 第 i 条路径的接收信号振幅； i (t) 第 i 条路径的传输时延； i (t) = - 0 i (t)。,随机变化,1.4 信道,1.4 信道,Xc(t)Xs(t),式中 V(t) 合成波R(t)的包络; (t) 合成波R(t)的相位。即有,由于，相对于0而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t), Xs(t)及V(t), (t) 也是缓慢变化的。 所以，R(t)可以视为一个窄带信号。,1.4 信道,由下式可见，,原发送信号A cos 0t，经过传输后： * 恒定振幅A，变成慢变振幅V(t); * 恒定相位0，变成慢变相位(t)； * 因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。,1.4 信道,衰落：信号包络因传播有了起伏的现象。根据衰落时间的长短分为：快衰落：多径效应所引起慢衰落：仅有一条无线电路径传播时产生,1.4 信道,设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同； 发射信号为f(t)，接收信号为af(t - 0)和af(t - 0 - )； 发射信号的频谱为F()。 则有 f(t) F() af(t - 0) a F() e-j0 af(t - 0 - ) a F() e-j(0 + ) af(t - 0) + af(t - 0 - ) a F() e-j0 (1+e-j) H() = a F() e-j0 (1+e-j)/F() = ae-j0 (1+e-j)|1+e-j| = |1+cos-jsin|=|(1+cos)2+sin21/2| =2|cos(/2)|,快衰落,表示此多径信道的传输衰减与信号频率有关,延时特性,线性特性,1.4 信道,三类数字信号,*确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号；（理想情况）*随相信号：信号的相位由于传输时延的不确定而带有随机性，使接收码元的相位随机变化；（恒参信道传输）*起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变化。（多径信道传输）,1.5 信道中的噪声,按照来源分类：人为噪声：电火花、家用电器自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声按照性质分类：脉冲噪声窄带噪声起伏噪声（无处不在）今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声 起伏噪声中的热噪声是一种典型白噪声。 频谱在整个通信系统的工作频段是均匀分布的。,1-1.在英文字母中E的出现概率最大，等于0.105，试求其信息量。,课后习题及答案,题解：这里用的是信息量的定义公式,注：1、a的取值：a2时，信息量的单位为bit ae时，信息量的单位为nit a10时，信息量的单位为哈特莱 2、在一般的情况下，信息量都用bit为单位，所以a2,课后习题及答案,1-2. 某个信息源由A，B，C和D4个符号组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/4，3/16和5/16。试求该信息源每个符号的信息量。,题解：同上题，利用：,课后习题及答案,1-3、某个信息源由A，B，C和D4个符号组成。这些符号分别用二进制码组00、01、10、11表示。若每个二进制码元用宽度为5ms的脉冲传输，试分别求出在下列条件下的平均信息速率。(1)这4个符号等概率出现；(2)这4个符号的出现概率如上题所示。,题解：在不等概情况下要通过计算码流中每个符号的平均信息量来计算出平均信息速率的。,课后习题及答案,(1)由于每个二进制码元的宽度为5ms，且每个符号由两个码元组成所以每个符号的持续时间为2 5ms=10ms，所以符号传输速率为,4个符号等概出现，则平均信息速率为,(2)在不等概情况下，应先计算每个符号的平均信息量,所以平均信息速率为,课后习题及答案,1-4、试问上题中的码元速率等于多少？,题解：码元速率为单位时间内传送的码元数目。,由于每个二进制码元的宽度为5ms，所以码元速率为,课后习题及答案,1-5. 设一信息源由64个不同符号组成。其中16个符号出现的概率为1/32，其余48个出现概率为1/96。若此信息源每秒发出1000个独立符号。试求该信息源的平均信息速率。,解：每个符号的平均信息量为 已知码元速率RB=1000 Baud ,故该信息源的平均信息速率为 Rb= RBI=5792.5 bit/s,题解：符号出现的概率不等，须求出每个符号的平均信息量后再根据码元速率计算出平均信息速率。,课后习题及答案,1-6. 设一个信息源输出四进制等概率信号，其码元宽度为125us。试求其码元速率和信息速率。,题解：码元速率为单位时间内传送的码元数目。,由于每个二进制码元的宽度为125us，所以码元速率为,信号为4进制等概出现的，则平均信息速率为,课后习题及答案,1-7. 设一个接收机输入电路的等效电阻等于600欧姆，输入电路的带宽等于6 MHz，环境温度为23摄氏度，试求该电路产生的热噪声电压有效值。,题解：代入公式 即得。,由于 ； ； ；,所以电路产生的热噪声电压有效值为,课后习题及答案,1-8. 设一条无线链路用视距传播方式通信，其收发天线的架设高度为80m，试求其最远通信距离。,题解：按地球半径为 ，代入公式 (1.4-3) 即得。,由 得到最远通信距离为,