现代通信技术基础第一单元课件.pptx

现代通信技术基础第一单元,教材,蒋青等，现代通信技术基础，北京：高等教育出版社，2008参考教材崔健双等, 现代通信技术概论，北京：机械工业出版社，2009王兴亮, 现代通信技术与系统，北京：电子工业出版社，2008,1、绪论2、通信传输技术3、信道与信道复用4、现代数字交换技术5、光纤传输网技术6、移动无线通信技术9、现代通信网,课程主要内容,第1章 绪论,1.1 通信技术的历史演进1.2 通信的基本概念1.3 通信网概述1.4 通信技术的社会作用和发展趋势,1.1通信技术的历史演进,古代：烽火狼烟、飞鸽传信、击鼓、旗语、邮驿等 驿站：快马一般300里/天，最快600里/天。 视觉通信：1793年，法国查佩兄弟在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路，每分钟能传270公里。,现代：电话、电视、广播、邮政、因特网等。,什么是通信？ 异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。,信息、信号的含义 语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷语言、文字、图像等信息，电信号经通信系统传送至接收端，收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。,通信的发展简史,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,最早的电通信设想,1832年，俄国外交家希林在当时著名物理学家奥斯特电磁感应理论的启发下，制作出了用电流计指针偏转来接收信息的电报机 .1837年6月，英国库克和惠斯通设计制造了第一个有线电报 。首先在铁路上获得应用。不过，这种方式很不方便和实用 。,最早的有线电报,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报,通信距离60km。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。 莫尔斯(1791-1972): 美国画家和发明家，擅长肖像画及历史绘画，18261842年任美国画家协会主席.,1746年，荷兰莱顿发明的莱顿瓶解决了电的存储问题。随后，英国威.华生用这些莱顿瓶使大约2公里长的导线通电.（发现电的传播速度非常快）1752年，富兰克林著名的风筝接收雷电实验.1800年伏打发明电池。,通信的发展简史,1871年，贝尔任波士顿大学声学生理学家和聋哑人语的教师。1876年2月14日，贝尔和沃森申请了那个著名的电话专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。1925年贝尔实验室成立。,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔（18471922）发明了电话,1871年，贝尔任波士顿大学声学生理学家和聋哑人语的教师。 1875年的一天，由于机件发生故障，贝尔的助手沃森看管的发报机上的一块铁片在电磁铁前不停地振动；这一振动产生了波动的电流沿着导线传播，使邻室的一块铁片产生了同样的振动，振动发出的微弱声音被贝尔听到了；由此启发他产生了新奇的联想和构思。1875年6月2日贝尔和沃森利用电磁感应原理，试制出世界上第一部传递声音的机器磁电电话机。于1876年2月14日向美国专利局递交了专利申请书。同一天另一个发明家格雷也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔发明了电话,通信的发展简史,贝尔电话机的原理是：对着话筒说话，使话筒底部的金属膜片随声音而振动，膜片的振动带动一根磁性簧片随之振动，在电磁线圈中便产生了感应电流，电流经导线传至受话一方，使受话器上的膜片相应的振动，将话音还原出来。,1820年奥斯特发现电流磁效应。1831年法拉第的发现了磁石在运动中可以使旁边的铜线产生电流。,意大利人，起初为舞台技工，后来研究电生理学 。1849年发现并开始研究电话。 1860年，向公众展示了这个系统，并发表了关于这项发明的介绍。1871年，梅乌奇交了一种需要一年一更新的专利权2002年6月15日，美国议会议定议案，认定安东尼奥.梅乌奇为电话的发明者。,安东尼奥.梅乌奇(1808-1889),贝尔的电话有剽窃嫌疑！,1854年，电话原理就已由法国人鲍萨尔设想出来了。6年之后德国人赖伊斯又重复了这个设想。原理是：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音时，金属片振动，变成电，传给对方。但这仅仅是一种设想，问题是送话器和受话器的构造，怎样才能把声音这种机械能转换成电能，并进行传送。 格雷的设计原理与贝尔有所不同，是利用送话器内部液体的电阻变化，而受话器则与贝尔的完全相同。 1877年，爱迪生又取得了发明碳粒送话器的专利。1881年电话传入中国。,其他人的发明电话的工作,电话的工作原理： 基本组成：话筒与听筒,）话筒结构：话筒里有一个金属盒，里面装满碳粒，上面盖有一个膜片. 对话筒讲话时，膜片时紧时松地压迫碳粒，使电阻时大时小，从而使流过碳粒的电流时小时大，这样，话筒把声信号变成电信号。 1877年，爱迪生取得了发明碳粒送话器的专利。,2）听筒结构：听筒里有一个永磁铁，它的两个磁极上套有螺线管，磁极前有薄铁片.,话筒传来的电流，通过电话线，传入听筒的电流流过电磁铁。电流时大时小，电磁铁对膜片的吸引力也时大时小，使膜片发生不同的振动，在空气中形成声波。这样，听筒把电信号变成声信号。,通信的发展简史,1887年3月21日，德国物理学家赫兹(18571894 ) 在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,1864年，麦克斯韦解决了电磁波的理论问题，预言电磁波的存在。,通信的发展简史,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,最早的无线通信,波波夫实验用的无线电接收机,通信的发展简史,1897年5月18日,意大利人马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,人类首次远距离无线电通信,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,福雷斯特发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机.1935年，英国的沃森.瓦特研制成功了世界上第一部雷达。1941年，冯.诺依曼发明第一台电子计算机。1947.12月，贝尔实验室肖克利等发明了取代电子管的晶体管。1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。,影响通信发展的重要发明或理论,1957年10月4日，第一颗人造地球卫星上天，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着卫星通信的时代即将到来。 1958年，基尔比和诺依斯分别发明了集成电路。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。70年代末至80年代中，美、欧、日本建立第一代蜂窝移动通信系统 1989年，美国卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。1993年，美国政府提出了建设国家“信息高速公路”的建设计划，从此进入互联网时代。,信息之路,微波通信,频率在30MHz3105MHz,卫星通信,用通信卫星转为微波中继站,光纤通信,激光在光导纤维中传播,网络通信,把计算机联在一起进行通信,1.2 通信的基本概念,1.2.1消息、信号和信息通信的目的：为了获取信息信息：是人类社会和自然界中需要传递、 交换、存储和提取的抽象内容消息：表示信息的语言、文字、图像和数据信号：运载消息的声、光、电等物理量,信号的分类及描述（1）确知信号与随机信号确知信号：指能够以确定的时间函数表示的信号，它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。 随机信号：具有随机性的信号。,（2）周期信号与非周期信号周期信号：满足下列条件,式中T为周期非周期信号：不具有重复性的信号。,（3）模拟信号与数字信号,模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号。数字信号是指它不仅在时间上离散，而且在幅度取值上也是离散的信号。,图1-20模拟信号,模拟信号,幅度在某一范围内可以连续取值的信号，称为模拟信号。典型的模拟信号如下：,数字信号,幅度仅能够取有限个离散值的信号称为数字信号。典型的数字信号如下：,数字信号or 模拟信号：信号弧度的取值是否离散.模拟信号数字化：抽样量化编码,信号的频域特性,信号的频域特性表达的是信号幅度和相位随频率变化的规律。,周期脉冲信号的频谱分析,根据傅立叶级数理论，任意周期函数u(t)均可分解为直流分量和无限多个正弦及余弦分量之和。,正弦信号谐波分量叠加逼近矩形波信号,基波,3次谐波,5次谐波,基波,3次谐波,5次谐波,7次谐波,(1+3+5),(1+3+9),(1+3+27),信号的带宽,一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，即为该信号的带宽。 例如，单一频率的正弦波带宽为0，而周期脉冲方波带宽是最高次谐波与最低次谐波之差。 数字通信传输近似周期方波信号，因此分析其带宽具有重要现实意义。,信号的衰耗与增益,信号在传输过程中若输出端功率小于输入端功率，则称信号受到了衰耗（减）；若输出端功率大于输入端功率，则称信号得到了增益，定义为：,例如，把10mW功率信号加到输入端并在输出端测得功率5mW，得衰耗约为3dB。,（分贝）,噪声与失真,叠加在有用信号之上并对其产生有害影响的成分，称为噪声。噪声是一种随机信号 经过传输后的信号，由于受到各种因素的影响可能会发生畸变，称为信号失真。,36,噪声叠加导致信号幅度失真,1.3、信息的度量,通信的目的在于信息的传递和交换。 信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。用数学语言来讲，不确定性就是随机性，具有不确定性的事件就是随机事件 。因此可运用研究随机事件的数学工具概率来测度不确定性的大小。我们把消息用随机事件表示，而发出这些消息的信源则用随机变量来表示。,我们把某个消息 出现的不确定性的大小定义为该消息 所携带的信息量，用 表示。在信息论中， 与消息 出现的概率 的关系式为,信息量 同时也表示这个消息 所包含的信息量，也就是能够提供给收信者的最大信息量。,例 设英文字母E出现的概率为0.105，X出现的概率为0.002。试求E及X的信息量。,解：英文字母E出现的概率为 ， 其信息量为,字母X的信息量为,例：仍硬币，“正面”出现的概率为0.5，“反面”出现的概率为0.5。试求信息量。,例：某地明天“地震”的概率为0.0001,，“不地震” 的概率为0.9999，试求信息量。,事件发生的可能性越小，其发生时获得的信息就会越多.,如某一信源有多个符号组成，则每个符号所含的平均信息量为,当离散信源的每一符号等概率出现时，即,（1.2-11）,此时每个符号的平均信息量达到最大。,例：某“0”，“1”组成的符号集合，“0”出现的概率为0.5，“1”出现的概率为0.5。求该信息源“0”，”1”符号的平均信息量。,例：某地明天地震“1”的概率为0.0001，不地震“0” 的概率为0.9999，求该信息源“0”，”1”符号的平均信息量。,0.000144,0.0013,例1.2-4 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。,解：该信息源符号的平均信息量为,+0.5 +20.375 +0.4529 +0.5243,1、通信系统的一般模型,把实现消息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。,1.2.2 通信系统的组成,图1-26通信系统的一般模型,信源（信息源）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号。 发送设备的基本功能是将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。 信道是指信号传输的通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。 通信系统还要受到系统内外各种噪声干扰的影响。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号。 信宿（受信者）是将复原的原始电信号转换成相应的消息 。,1、模拟通信系统模型,模拟通信系统是指信源是模拟信号，信道中传输的也是模拟信号的系统。,按照信道中所传信号的形式不同，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。,模拟通信系统模型,语音通信过程,模拟通信系统，它主要包含两种重要变换： 第一种是在发送端将连续消息变换成原始电信号，或在接收端进行相反的变换，它是由信息源或受信者完成；经第一种变换得到的原始电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。 因此模拟通信系统常常需要第二种变换，即将基带信号转换成适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成。在收端同样需经相反的变换，将信道中传输的信号恢复成原始电信号，这一过程由解调器完成。,经过调制后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。 实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。 模拟通信系统在信道中传输的是模拟信号，其占有频带一般都比较窄，因此其频带利用率较高。缺点是抗干扰能力差，不易保密，设备元器件不易大规模集成，不能适应飞速发展的数字通信的要求。,3、数字通信系统模型,信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。 数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。,(没有调制/解调器),模拟通信系统：优点是简单直观；缺点是抗干扰能力弱，噪声积累无法彻底消除；不易集成。数字通信系统：抗干扰能力强：可消除噪声累积现象，适于远距离传输；易加密：对数字信号加密容易处理；便于集成化、智能化：采用计算机技术占用较宽频带： 4kHz VS 64kbit技术较复杂。,1.2.3 通信系统的分类,按照不同的分法，通信可分成许多类别。1、按传输媒质分类 可分为有线通信和无线通信两大类。 2、按信号的特征分类 按照携带信息的信号是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信分为模拟通信与数字通信。3、按工作频段分类 按通信设备的工作频段不同，通信可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。,4、按调制方式分类 根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信可分为基带传输和频带（调制）传输。5、按通信业务类型分类 根据通信业务类型的不同，通信可分为电报通信、电话通信、数据通信和图像通信等。6、按终端用户移动性分类 按终端用户是否移动分为移动通信和固定通信。 另外，还有其他一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。,1.2.4 通信系统的主要性能指标,从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。1 有效性：是指消息传输的“速度”问题。2 可靠性：主要是指消息传输的“质量”问题。 在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。,一、模拟通信系统的主要性能指标 有效性指标：用所传信号的有效传输带宽来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就越好。 信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。同样的信号用不同的方法调制得到的有效传输带宽是不一样的。 可靠性指标：用通信系统接收端的输出信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。,二 、数字通信系统的主要性能指标1、有效性指标 用传输速率和频带利用率来表征。 （1）传输速率 传输速率有两种表示方法：码元传输速率和信息传输速率。 码元传输速率(码元速率RBN)，简称传码率，它是指系统每秒钟传送码元的数目，单位是波特(Baud)。 信息传输速率(信息速率Rb)，简称传信率，它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。,（2）频带利用率 频带利用率有两种表示方式：码元频带利用率和信息频带利用率。 码元频带利用率是指单位频带内的码元传输速率，即 信息频带利用率是指每秒钟在单位频带上传输的信息量，即,2、可靠性指标 （1）误码率：指接收到的错误码元数和总的传输码元个数之比，即在传输中出现错误码元的概率，记为 （1.2-18） （2）误信率：又叫误比特率，是指接收到的错误比特数和总的传输比特数之比，即在传输中出现错误信息量的概率，记为 （1.2-19）,例1.2-6 已知某八进制数字通信系统的信息速率为 3000bit/s ，在收端10分钟内共测得出现18个错误码元，试求该系统的误码率。 解： 依题意 则由式（1.2-18）得系统的误码率,1.3 通信网概述,1.3.1 通信网的概念 所谓通信网是指由一定数量的节点（包括终端设备和交换设备）和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。,1、通信网的组成 现代通信网一般由用户终端设备、传输系统、交换设备三大部分组成。 终端设备是通信网中的源点和终点。其主要功能是将输入信息变换为适合在信道中传送的信号，并参与控制通信系统工作。 传输系统是网络节点的连接媒体，也是信息与信号的传输通路。它由传输介质和各种通信装置组成。 交换设备是通信网的核心。其功能有交换、控制、管理及执行等。 此外还必须有一套软件，如信令、协议和各种标准等。,(1)信息传输。这是通信网的基本功能 。(2)差错控制。现实的通信线路可能会受到这样或那样的干扰，因此误码是不可能完全避免的。所以采用差错控制措施，将误码率控制在一定的范围内是通信网必备的功能。(3)寻址和路由。在通信网中，信源的信息到达信宿一般不能直接完成，而要经过中间节点的转发。在转发时通常都有多种可能的选择，这时通信网必须具备选择最佳路由的功能。 (4)网络管理。通信网是由软件和硬件按一定方式组织起来的一个复杂的通信系统。网络管理负责网络的运营管理、维护管理和资源管理，使通信网在各种情况下都能提供良好的服务质量，或为查找和排除故障提供帮助。,2、通信网的基本功能,1.3.2 通信网的组网结构 通信网的基本组网结构主要有网状型网、星型网、复合型网、环型网、总线型网和树型网等。,1.3.3 通信网的质量要求 为了使通信网能快速、有效、可靠地传递信息，通常对通信网提出接通的任意性与快速性、信号传输的透明性与传输质量的一致性、网络的可靠性与经济合理性这3项要求。 1、接通的任意性与快速性 接通的任意性与快速性是指网内的一个用户应能快速地接通网内任一其他用户。,2、信号传输的透明性与传输质量的一致性 信号传输的透明性是指在规定业务范围内对用户信息不加任何限制，都可以在网内传输；传输质量的一致性是指网内任何两个用户通信时，应具有相同或相仿的传输质量，而与用户之间的距离无关。3、网络的可靠性与经济合理性 可靠性是使通信网平均故障间隔时间（两个相邻故障间隔时间的平均值）达到要求。提高可靠性往往要影响其经济合理性，因此应根据实际需要在可靠性与经济性之间取得折衷和平衡。4、能适应通信新技术和通信新技术的发展,1.4 通信技术的社会作用和发展趋势,1.4.1 通信技术的社会作用 通信技术被公认为国民经济发展的“加速器”和社会效益的“倍增器”，现代通信技术是改变人们生活方式的“催化剂”，是信息时代和信息社会的生命线。其作用可表现为以下几方面： 1、通信的“诱发”效应 据统计，对通信技术和通信事业的适度投资会产生显著的社会经济效益。 2、通信发展能够缩短时间和空间的跨度，加快资金周转。,3、通信技术的发展可以明显地缓和交通运输的 压力，大大减少人员的流动及实物的流通总量，节约能源的消耗。 4、通信可以实现数据库等资源的共享，为发展经济提供更多的成功机会。5、通信可以促进劳动生产率和工作效率的提高6、通信技术与计算机技术的结合，使现代战争变成了“电子信息战争”。7、通信技术的发展正在改变着人类以往的生活方式。8、现代通信技术为政府机关、企事业单位提供了快速高效、灵活便捷的工作平台。,