现代通信原理及应用课件.ppt

通 信 原 理,天津理工大学 童峥嵘,内容提要,希望目标先修课程主要内容简介教材及参考书一些建议考核,希望目标,作为教师 认真备课、尽职尽责、任劳任怨； 教学相长，真诚交流，教的过程也是教师学的过程；作为同学们 快乐学习、自主学习、创新学习； 勤奋、刻苦、合作、探索；,希望目标,共同目标 互相尊重、求同存异； 互相理解、配合默契； 互相学习、共同提高； 分享人类创造的精神财富； 自由地从事创造性的活动；,先修课程,高等数学概率论与随机过程信号与系统随机信号分析模拟电子线路数字电子线路高频电子线路,考核,统考笔试：70%实验：10%出勤及作业:10%期中考试：10%,一些建议,上课时积极思考理解概念知道物理含义及其关系注意假设和条件阅读参考资料方法比结果更重要多做习题学会使用仿真工具（matlab, systemview）,上课规则,请关闭手机或其它发声的工具请按时出勤请保证课堂纪律请独立完成作业,主要内容,信号分析信道模拟调制系统模拟信号的数字化基带传输系统数字调制系统数字信号的接收信道复用和多址方式同步原理差错控制编码通信网,教材及参考书目,教材：苗长云等编著.现代通信原理及应用.北京：电子工业出版社参考书：沈保锁等编著.现代通信原理.北京：国防工业出版社樊昌信等编.通信原理.北京：国防工业出版社,1.1 通信的概念及系统模型1.2 通信的发展过程1.3 通信系统的分类及通信方式1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标 ,第 1 章 绪论,本章重点,平均信息量的计算 传码率、传信率、误码率、误信率的计算,一、通信的定义 1. 通信:,1.1.1 通信的概念,从一地向另一地传递消息，即消息的传递过程。 （是一种协议。）注：本书所讲的通信为电通信，简称“通信”,2.信道:,由于通信双方之间的距离客观存在,必须在两地之间建立信息传递的通道.这种有形或无形的用于传递信息的通道称为信道.,我们一方面要研究信道,同时还要寻找能适合在信道中传输的信息载体,也就是信号.,3. 信号:,1.1.1 通信的概念,1.1.2 通信系统模型,通信的目的是传输消息。实现消息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的一般模型可用下图来描述。,返回,通信系统的一般模型,定义产生消息的来源。作用把各种消息转换成原始电信号。举例电话机、摄像机、计算机等。分类模拟信源、数字信源,返回,信源,信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号使信源和信道匹配。发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。,返回,发送设备,信道是指传输信号的物理媒质。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。有线信道中，信道可以是明线、 电缆或光纤。第4章讨论信道。,返回,信道,功能是完成发送设备的反变换， 即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,返回,接收设备,信宿是传输信息的归宿点， 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,返回,信宿,干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。干扰的来源是多样的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。 ,返回,干扰源,1.1.3 模拟通信模型和数字通信模型,信源分为两大类： 连续信源、离散信源连续信源消息是通过模拟信号来传递的；离散信源消息是通过数字信号来传递的。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。,一、模拟通信系统模型,信源发出的是基带信号，具有频率很低的频谱分量， 一般不宜直接传输。把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换，是用调制器和解调器实现的。模拟通信系统模型中的发送设备和接收设备主要是调制器和解调器。,模拟信源,调制器,信道,解调器,模拟信宿,干扰源,一、模拟通信系统模型,二、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. 数字通信系统主要的三种通信模式: 1.数字基带传输通信系统 2.数字频带传输通信系统 3.模拟信号数字化传输通信系统,二、数字通信系统模型,数字信源,信道,发生器基带波形,接收滤波器,信宿,干扰源,1. 数字基带传输通信系统,取样判决,cp,数字信源,信道,干扰源,编码器,调制器,解调器,解密器,信宿,二、数字通信系统模型,2. 数字频带传输通信系统,加密器,译码器,二、数字通信系统模型,3. 模拟信号数字化传输通信系统,在日常生活中大部分信号为模拟信号,实现模拟信号在数字系统中的传输则必须发端进行A/D，收端进行D/A,1） 加密与解密, 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,返回,2) 信源编码与译码,信源编码的作用：设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。,返回,3） 信道编码与译码, 为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。,返回,4） 数字调制与解调,数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到载频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。数字调制是本课程的重点内容之一。,返回,5） 同步与数字复接,同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。,返回,说明,实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。 数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如通过模拟电话线路传输数据，但这时要用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制。,三、数字通信的主要特点,1. 数字通信的主要优点抗噪声性能好:信号的取值只有两个,容易判别和处理; (2) 差错可控: 通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制;(3) 保密性好: 与模拟信号相比更容易加密和解密;(4) 易于与现代技术相结合；目前的终端接口均是数字信号;(5) 采用数字集成电路，体积小、可靠性高、调试方便。,2. 数字通信的主要缺点,占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。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。,返回,1.2 通信的发展过程,1.2.1 通信发展简史 1. 通信的萌芽 古代战场的“点烽火为号”可能是最原始的数字通信， 此外古代航海中使用的旗语也可以认为是数字通信的萌芽。 2. 通信发展的三个阶段 借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通信（电信）的历史可追溯到17世纪初期，从16001750年研究电磁现象开始到19世纪40年代，为通信理论基础准备阶段。 从19世纪40年代开始通信才进入实用阶段。 实用阶段大致可划分为三个阶段。 （1） 通信的初级阶段。 从1838年摩尔斯发明有线电报到1948年香农提出信息论共110年，主要是有线通信、无线通信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展，此阶段以模拟通信为主。,2022/12/9,39,可编辑,1.2.1 通信发展简史,（2）近代通信阶段。从1948年到20世纪80年代光纤通信系统等投入使用共30多年，主要是通信统计理论、数字传输理论及技术、彩色电视、卫星通信等方面的发展,此阶段模拟通信用于普通产品，数字通信用于高端产品。 （3）现代通信阶段。20世纪80年代商用通信卫星、程控数字交换机、光纤通信系统等陆续投入使用至今共20多年,主要是卫星通信、光纤通信、移动通信、多媒体通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。 3. 通信技术发展史上的重大事件 从1838年到20世纪80年代通信发展上的重大事件参考P4.,1.2.2 通信技术的现状和发展趋势,1. 光纤通信 光纤通信具有容量大、成本低、保密性好等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现 ，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100 km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。,1.2.2 通信技术的现状和发展趋势,2. 卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远， 覆盖面积广， 不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。目前，卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播， 它使全世界人与人之间的“距离”缩短。,1.2.2 通信技术的现状和发展趋势,3. 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。 近10年来， 在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、 无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。 移动通信经历了1G和2G，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向3G过渡和走向更远的4G，把移动通信从窄带推向宽带。,1.2.2 通信技术的现状和发展趋势,4. 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40 MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。,1.3 通信系统的分类及主要通信方式,1.3.1 通信系统的分类1. 按传输媒质分 有线通信 : 传输媒质为导线、电缆、光缆 无线通信: 电磁波 2. 按信道中所传信号的不同分 数字通信: 信道中传送的信号为数字信号 模拟通信: 信道中传送的信号为模拟信号,1.3.1 通信系统的分类,3. 按工作频段分 长波通信: 如 用于导航的 VLF通信 中波通信: 如 民用调频广播;业余无线电 短波通信: 如 短波广播通信 军用通信 微波通信: 如 移动通信 雷达 空间通信,1.3.1 通信系统的分类,4. 按调制方式分基带传输:基带传输是指信号没有经过调制而 直接送到信道中去传输的一种方式频带传输:频带传输是指信号经过调制后再送 到信道中传输，收端有相应解调措 施的通信系统。,1.3.2 通信方式,1.按消息传送的方向和时间划分的通信方式 (a) 单工方式 (b) 半双工方式 (c) 全双工方式,1.3.2 通信方式,2. 按数字信号排序分串行传输方式; (b) 并行传输方式,1.3.2 通信方式,3. 按通信网络形式分 两点间直通方式 (b) 分支方式 (c) 交换方式,1.4 信息及其度量,消息中包含的有意义的内容。注：不同形式的消息可以包含相同的内容,度量信息多少的量。注：它和信息的种类和重要程度无关，只和信息出现的概率有关。,信息量：,信息:,消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息，I与P(x)之间的关系反映为如下规律： ,1.4 信息及其度量,（1） 信息量是概率的函数， 即 I=fP(x)（2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1时， I0 P(x)0时， I,1.4 信息及其度量, （3） 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,1.4 信息及其度量,综上所述， 信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 ,信息量的单位与对数底数a有关: a=2时， 信息量的单位为比特(bit)； a=e时，信息量的单位为奈特(nit)； a=10时， 信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。,I=log a 1/P(x) = -log a P(x),1.4 信息及其度量,例 1 1 设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)= - log2 (1/2) =log22=1 (bit) 可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。由此，通常把一个二进制脉冲波形称为一个比特。由此可见，比特的定义的含义。,1.4 信息及其度量,综上所述，对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为,I=-log2 (1/M ) =log2 M (bit),1.4 信息及其度量,如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)， 且有 , 则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为,1.4 信息及其度量,显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。,1.4 信息及其度量,例 1 - 2一离散信源由0， 1， 2， 3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130012032101003210100 23102002010312032100120210的信息量。,1.4 信息及其度量,解: 此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为,每个符号的算术平均信息量为,1.4 信息及其度量,若用熵的概念来计算， 由式（1.3 - 5）得,1.4 信息及其度量,1.4 信息及其度量,上述介绍的离散消息的分析方法也可用于对连续消息的分析。因为抽样定理告诉我们对于一个频带有限的连续信号，可用每秒一定数目的离散抽样值代替。这就是说一个连续消息经抽样后成为离散消息。这样我们就可以利用分析离散消息的方法来处理连续消息。 另外，连续消息的信息量还可以用概率密度来描述。经证明，连续消息的平均信息量为：,1.4 信息及其度量,上式中f（x）为连续消息出现的概率密度。为了积分方便，对数的底取e，平均信息量H1(x)的单位为奈特。,（奈特）,1.5 通信系统的主要性能指标,通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”。可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。,模拟通信系统的有效性和可靠性,有效传输频带宽,不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。 如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,可靠性用,来度量；,接收端最终输出信噪比,来度量；,有效性用,数字通信系统的有效性和可靠性,有效性可用传输速率来衡量。码元速率信息速率系统频率利用率可靠性可用差错率来衡量。误码率（码元差错率）误信率（信息差错率）,码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,1. 码元速率,通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系： RB2=RBMlog2 M,1. 码元速率,信息传输速率Rb简称传信率。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即 Rb=RBH (b/s) 等概传输时，有最大熵log2M，于是 Rb=RB log2 M (b/s),2. 信息速率,3. 频带利用率,比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即 或,4. 差错率,衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）Pe是指码元在传输系统中被传错的概率，即 误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例， 即,例题,1.某系统传输4进制码元，4秒传输4800个码元，另一个系统传输8进制码元，6秒传输6000个码元，问那个系统有效性好？2.如果一个二进制独立等概信号，其码元宽度为0.5ms，求RB和Rb。有另一四进制信号，码元宽度为0.5ms，求RB4和Rb。,例题,3.一个由字母A，B，C，D组成的字，对于传输的每一个字母都用二进制脉冲编码来表示：00表示A，01表示B，10表示C，11表示D，每个脉冲的宽度为5ms。 (1)不同字母等概出现时，求平均信息速率； (2)若PA=1/5， PB=1/4， PC=1/4， PD=3/10时，求平均信息速率。,例题,4.设英文字母C出现的概率为0.023，E出现的概率为0.105，求C与E的信息量。5.已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400bit/s，接收端在半小时内共接收到216个错误码元，求该系统的误码率。,例题,6.设一信息源的输出由128个不同符号组成，其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的概率为1/224。消息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率。7.见书1.5， 1.7，1.8，1.11。,2022/12/9,77,可编辑,