第一章 通信原理 绪论课件.ppt

通 信 原 理,王锦毅,手机：13763870186QQ:93785077邮箱：,通信发展史,1819年 奥斯特发现电流的磁效应,1831年 英国物理学家法拉第发现电磁感应现象,1844年 美国人莫尔斯发明电报,1864年 麦克斯韦方程，预测电磁辐射的存在,1876年 贝尔发明电话,1888年 赫兹证明空间电磁波存在,1918年 出现调幅广播,192028年 建立信号传输理论 噪声原理,通信发展史,1936 出现调频广播，黑白电视,193845 出现雷达、微波中继,194550 信息论基础建立，出现纠错码,1953 出现彩色电视,1957 第一颗人造地球卫星升入太空(前苏联),1964 发明电子交换机,196675 出现电缆电视CATV、卫星中继、光纤通信、移动通信、计算机网络,197585 建立数字信号处理、数据压缩理论,三网融合,三网融合是指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。,三网融合时间表,2001年3月15日通过的十五计划纲要，第一次明确提出“三网融合”：“促进电信、电视、计算机三网融合。”2008年1月1日，国务院办公厅转发六部委关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知，提出“以有线电视数字化为切入点，加快推广和普及数字电视广播，加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进“三网融合”，形成较为完整的数字电视产业链，实现数字电视技术研发、产品制造、传输与接入、用户服务相关产业协调发展。” 2008年5月23日，运营商重组方案正式公布。中国联通的CDMA网与GSM网被拆分，联通的CDMA并入中国电信，组建为新电信，联通GSM吸纳中国网通成立新联通，铁通则并入中国移动成为其全资子公司，中国卫通的基础电信业务将并入中国电信。2009年1月，中国移动、中国电信、中国联通分别获得TD-SCDMA、CDMA2000和WCDMA的3张3G牌照，三家新运营商进入电信全业务竞争时代。,三网融合时间表,2009年8月11日，广电总局发出广电总局 的通知，和三网融合相关。2010年1月13日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。会议上明确了三网融合的时间表。,三网融合基本概念,三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议，在经营上互相竞争、互相合作，朝着向人类提供多样化、多媒体化、个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起，行业管制和政策方面也逐渐趋向统一。,1.1.3 通信基本概念,1.通信（communication)的目的是为了在信源点和信宿点之间通过传递消息的形式来交流信息。2.信息(information)是消息所包含的内容。比如每天的天气预报是一种消息、预报中告知某日某时的真实天气情况如何，就是该消息所包含的内容，也就是天气预报的“信息”。,通信术语与概念,3.消息（message)是信息的载体；是表达信息的形式;是通信系统中传输的具体对象。 消息的形式是多样的，它可以是符号，文字，语音，数据，图像，视频等。同一种信息的内容可用不同形式的消息来表达。例如天气预报可用文字消息，也可用话音消息来表达。,信息：内在东西消息：表面的东西,模拟消息（analog message)是指在时间上连续变化的消息。 例如由人嘴或扬声器发出的声波话音，由传感器指示出的温度、湿度等的连续变化，等等。,数字消息（digital message)是指用数码表达的、不连续变化（离散）形式的消息。 例如东西的数量个数，由键盘打出来的字母，由文字或数字记录的各种量值，等等。,4.信号(signal)是为消息的传播而用来表达消息的一种载体（例如一种随时间变化的波形）。 电通信、光通信、声通信中，为传递消息，必须将它转换成电信号、光信号、声信号形式以后才能进行传递和识别。 电信号一般是指随时间变化的电流或电压，也可以是电容的电荷，线圈的磁通以及空间的电磁波等。,模拟信号和数字信号,模拟信号时间上可以是连续的或离散的，但幅度是连续的。 时间连续、幅值是连续的，则为连续信号。 时间离散、幅值是连续的，则为抽样信号。数字信号时间上可以是连续的或离散的，但幅度是离散的。,模拟信号,数字信号,通信目的：信息的传递和交换 ，即将消息从一个地方传递到另一个地方，其传送方式多种多样：烽火台鸡毛信信鸽电报电话传真Mobile Telephone Email 本书主要研究利用“电”来传递“信息”的方式称为电通信简称通信。,通信与通信系统模型,通信系统：传递信息所需的一切技术设备和传输媒质的总和。 包括信息源、发送设备、信道(传输媒质)、接收设备和信宿(受信者) 。通信系统的形式也是多种多样，例如在我国 TelephonePSTN（Public-Service Telephone Network 公共交换电话网）Mobile Telephone 中国移动；中国联通；中国电信Email/ftp/telnet/www 计算机网络（因特网）/教育网（.edu）/科研网（.ac）,通信系统模型,通信系统基本模型：尽管各种通信系统具体设备和业务功能各不相同，但基本模型一样：,通信系统基本模型,通信系统模型,信息源：产生/形成消息，消息的形式有多种。如：符号、文字、语音、数据、图像、视频等，发送设备：也叫发送器，将消息转换成为适合在信道中传输的信号（又分为模拟信号和数字信号）；如电压、电流等信号；,通信系统模型,消息转换一般经历二个步骤：信源编码和信道编码。信源编码：将原始的消息形式转换成用代码表示的过程。一般有压缩数据功能。信道编码：通过差错控制编码来实现差错控制，以提高传输的可靠性 。,通信系统模型,信道（channel)：信号的传输媒介/通道，将信号由发信机传输到收信机，它的传输特性对通信质量有着直接影响。接收设备：也叫接收器，与发送器相反，把接收到的电信号转换成传递的消息。举例,Mobile Telephone System：,信 源：发送设备：信 道：接收设备：受信者（信宿）：,打电话的人（消息：人的语言）,Mobile Tel 中送话系统和无线发射系统（microphone：电信号声信号）,传输媒介即大气（无线信道）,对方Mobile Tel 中无线接收机和扬声器（电信号声信号）,接电话的人,Email Communication System :,信源：用户/计算机/邮件程序（消息：邮件数据字符）（webmail, pop3等）发送设备：计算机网络适配器（Internet Adapter）/Modem（PSTN）中调制器信道：计算机通信网络Internet/PSTN接收设备：对方计算机网络适配器/Modem受信者（信宿）：邮件程序/计算机/用户,通信系统,通信根据研究的对象和关心的内容不同，又分为：模拟通信系统数字通信系统,1.2.2 模拟通信系统,模拟通信系统:是指利用模拟信号传递消息的系统信源发出的是模拟信号信道上传输的也是模拟信号信宿收到的仍然是模拟信号,模拟通信系统,信源：产生状态连续的原始模拟消息（基带信号） 基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz， 图像信号为06MHz。这种信号具有频率很低的频谱分量 。,模拟通信系统,调制器(Modulator )： 将基带信号已调信号（频带信号） 调制：为让模拟信号与模拟信道匹配，通常采用调制的方法时域上表现为模拟信号与载波信号相乘频域上是把模拟信号在频谱上进行搬移，以适应信道的频谱特性（调制本质：频谱搬移）,模拟通信系统,信道:已调模拟信号传输的通道解调器：将已调信号基带信号,与调制器作用相反,为什么信号需要调制解调？,调制解调原因,天线长度问题： 天线发射电磁波的频率越低，达到相同效果时，天线高度越长。频率复用问题 只有将基带信号经过调制，搬移到不同频带上，才能在一起传输，不会互相干扰。,模拟通信系统,模拟通信系统优缺点：优点：信号频谱较窄，频谱利用率高 （因为相同B可以传更多路信号）缺点： 1. 抗干扰能力差；（语音） 2. 体积大，设备不易大规模集成化；不适应飞速发展的计算机通信要求,1.2.3 数字通信系统,数字通信系统:传输和处理数字信号的通信系统。 基带传输方式：无调制解调，应用于近距离数字传输，信号衰减不大的环境。 频带传输方式：有调制解调，应用于远距离数字传输，信号衰减大的环境。其基本模型为：,数字通信系统,数字通信系统模型,模拟信号数字化传输通信系统,数字通信系统,数字通信系统的优点：数字通信抗干扰能力强，可靠性高；,信号传输一般采用二进制编码易于使用计算机处理（因而易于构建计算机通信系统）；,能传输各种信号（A/D），系统灵活性高，能够进行加密处理，数字通信保密强；,系统设备易于集成,数字通信系统,数字通信系统的缺点：数字通信虽然比模拟通信有很多优点，但是用牺牲频带换取的，它占用的频带比模拟通信宽的多。频带利用率不高。 （频带利用率：单位频带传送的信息量 b/s /Hz）数字通信系统成本比较高对同步要求高（收发同频同相）,标准,标准：由标准化委员会、以及政府机构共同合作制定的。制定出来的标准有的是官方认可的法定标准，有的虽不是官方认可，但实际中约定俗成，成为事实上的标准。每个行业都有自己的标准。,通信协议标准的拟定组织,ISO：国际标准化组织OSI七层模型ITU-T：国际电信联盟电信标准化部CCITT（V Series；X Series）宽带W-ISDNANSI：美国国家标准化协会ASCII码IEEE：电子电气工程师协会802项目（局域网通信标准）1394 USB 通信接口标准EIA:电子工业联合会EIA-232-D, EIA-449,1.3.1 通信系统的分类,按通信业务分类 语音通信；非语音通信按调制方式分类基带传输是将基带信号直接在信道中传输。 频带传输是把基带信号调制成不同频率的信号，再进行传输的方法称为频带传输。 按信号特征分类 模拟通信系统 数字通信系统,1.3.1 通信系统的分类,按传输媒介分类 有线通信系统 无线通信系统按工作波段分类 长波 中波 短波 红外等按复用方式分类 FDMA TDMA CDMA,1.3.2 通信方式,根据消息在通信线路上的传输方向及其与时间的关系，通信方式可分为三种方式：单工/半双工/全双工方式。1.单工通信:消息只能单方向传输的工作方式，因此只需要一个信道 。 数据始终只能在一个方向上传输，任何时间不能进行反向传输。 举例：遥控器；无线电广播电视、键盘等,2.半双工传输：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式。数据允许在设备间两个方向上传输，但在任何时刻数据只允许在一个方向传输，即设备间只有一条传输通道，所以信号只能分时传输。 举例：对讲机；电报。,3.全双工传输：通信双方可以同时收发消息的工作方式。克服半双工通讯发送方式和接收方式之间切换所花费的时间提高传输速率，为此在此基础上增加一条传输通道，允许数据同时在两个方向上传输，称为全双工。 例子：电话系统、移动手机、计算机网络等大多数通信系统都是全双工方式。,按数字信号码元排列顺序分,并行传输是将代表信息的数字信号码元分在多条的并行信道上同时传输 串行传输是数字信号码元以串行方式一个接一个地在一条信道上传输,1.并行传输：对一个编码字符多个数据位同时在通信设备间的多条通道上传输，并且每个bit都占用一条专用的传输通道。 特点：传输速率快 应用：短距离设备间的通信、设备内部通信方式 例子：计算机的并行口、数据线、地址线。,并行传输,2.串行传输：编码字符的各个数据位按一位一位顺序的在通信设备之间的一条通道上传输； 特点：传输速率慢、设备简单、节省IO 口 应用：远距离设备间的通讯。 例子：电脑串口（Computer与mouse和keyboard间）；I2C,SPI。,串行传输,通信的网络形式,直通方式：终端A与终端B之间的线路是专用的 分支方式：终端之间不能直通信息，必须经过转接站转接 交换方式：终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换 通过交换设备先把发方来的消息贮存起来，然后再转发至收方,传输方式,异步传输：字符可以一个一个独立地传同步传输：一次同时传多个字符,起始位 字符代码 校验位 停止位 1 58 1 1,1.5,21）以一个编码字符为单位进行传输，可以连续或随机发送多个字符2）起始位表示字符传输的开始，接收端只有检测到起始电平才判断出有新字符到达；停止位表示字符传输的结束。3）线路空闲时为高电平,1.异步传输：起止式传输，它是利用在字符中增加起始位、停止位来保持收发双方同步的。,应用：低速传输系统，传输效率较低。 例子：如传输一个ASC码，数据代码7位，1位起始位，2位停止位，1位校验位，计算传输效率： 传输效率=7/(7+1+1+2)64且不包括字符之间还可能有的空隙,异步传输,2.同步传输：不是以字符而是以数据块（帧）为传输单位，一个数据块（帧）由多个字符组成，传输速率较高。每次以帧为单位传输。帧内字符间没间隙，字符内无起始位，停止位。 问题：容易积累时钟误差，引起漂移。 解决：在收发双方建立同步。,同步传输,面向比特：以比特为单位，帧被视为一个比特序列，以比特组合01111110为标志序列（同步比特），可放头部或尾部，数据段长度不固定（HDLC高级链路控制规程）面向字符：以字符为单位，帧被视为一个字符序列，每个帧以一个或多个同步字符（SYN）作为开始标志（二进制同步通信规程）,高级数据链路控制 帧格式（HDLC）-面向比特,SYN-同步符SOH-报文头开始STX-正文开始ETX-正文结束BCC-校验 二进制同步通信规程面向字符,同步传输,一个字符紧跟一个字符，无间隙,信息(information)是消息所包含的内容消息（message)是信息的载体；是表达信息的形式;消息的形式是多样的，它可以是符号，文字，语音，数据，图像，视频等,1.4 信息及其度量,消息有可能包含甚为丰富的信息，但也可能信息甚少，若这种信息并未给人们带来新的知识的话，那么这种消息所包含的信息量实际等于零。,1.4 信息及其度量,信息量与概率关系,从公式中看出，消息出现概率越小，包含的信息量越大；反之信息量越小（ P(x)1 ）P(x)=1 时，信息量单位与a有关 a=2 信息量单位：比特bit a=e 信息量单位：奈特 nit a=10 信息量单位：哈特莱,消息中含的信息量,消息出现的概率1,信息量与概率关系,传送两个等概率出现的二进制波形之一的信息量多少？,为方便计算，定义a=2，信息量单位比特,多个独立事件信息总量,若干个互相独立事件构成的消息所含的信息量应等于各独立事件信息量之和,当相互独立的若干个事件具有相同的概率,=,n表示构成消息的事件的总数。,1.4.2 平均信息量-H,信源发送多个字符，每个符号所含信息量的统计平均值，即等于各个符号所包含的信息量乘以各自出现的概率再相加。又称为信息源的熵。,信源发出字符总信息量=字符总数 * H,例 1.4.3-4 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。试求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。 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,利用平均信息量（熵）来计算的总信息量为,1.5 通信系统性能指标,衡量通信系统的可靠性 模拟系统： 数字系统：衡量通信系统的有效性：,信噪比,差错率,传输速率,传输速率,传输速率就是指在单位时间内传输的信息量，即信息速率；它是评价通信系统好坏优劣的重要标准；在数据传输经常用到的指标有码元传输速率和信息传输速率。,码元传输速率:又称波特率、传码率或调制速率，记作RB 。指单位时间所传送的码元（符号）数目，单位为波特(Baud)。信息传输速率：即比特传输速率, Rb 。它表示单位时间内传递的信息量，单位是比特/秒，可记为bit/s 或 b/s 或bps。,例 若以若以异步方式传输字符，数据信号速率为2400bps，且起始位长度1位，数据位8位，停止位的长度是2位，试求数据传输速率(字符/分)。,解：若以字符/分为单位，则数据传输速率为 2400X60/(1+8+2)=13091（字符/分）分母中的“1”和“2”分别是附加在字符代码前后的起始位和停止位的长度。,频带利用率,单位频带内的信息速率,差错率,差错率是衡量数字通信系统正常工作时传输消息可靠程度的重要性能指标。差错率有两种表述方法： 1、误码率（即码元差错率）是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例。即码元传错的概率。 2、误信率（即信息差错率）又称误比特率是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例。 即信息量传错的概率。,1.5.3 有效性与可靠性的矛盾,若要提高系统的可靠性，可能引起有效性的下降；（要减少差错，降低系统速率）若要提高系统的有效性，则有可能引起可靠性的下降。 （传输速率越快，越容易出错）互相兼顾达到矛盾的统一。如在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者，在维持一定有效性指标下，尽量提高消息的传输质量,有效性-传输速率 可靠性-差错率,1.6 带宽,带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围。,信道带宽:信道能够传输的信号的最高频率和最低频率的差值。（信道能不失真传输信号的频率范围）,系统带宽:通常是指系统的频率响应（幅频特性）曲线的幅度保持在其频带中心的幅度取值的1/倍（即70%）以内的频率区间。,信号带宽：信号谐波的最高频率 f h 与最低频率 f l 之差（ f h - f l ）叫做信号的频带宽度，简称带宽。,区别,信道带宽针对信号传输的通道系统带宽针对处理信号的系统信号带宽针对信号本身,.带宽,一般而言，任何一个有限时间的信号之频谱宽度是无限的即信号频谱中各分量的频率理论上可扩展至无限。然而，信号的大部分功率实际上只集中在某个有限的频谱宽度内。信号的有效带宽: 就是指包含信号大部分功率的这部分频谱的宽度。,实际频谱与有效频谱（有效带宽）,为了减小系统失真，要求系统有足够的带宽，而且信号带宽越宽，系统的带宽相应地也要越宽。(系统带宽要能容纳信号的带宽),信号带宽,由于信道带宽不足导致数字信号失真,带宽,对于模拟信号，带宽又称为频宽数字信号，信道带宽指该信道的传输速率数字带宽的定义是约定俗成的,比如:ISDN某个信道的传输速率64Kbps,我们称该信道的带宽64Kbps,或简单称为64K,虽然不是很科学,但约定俗成。,1.7 传输衰损,衰损原因：信号在传输介质（比如大气、电缆、光纤）中传输时将会有部分能量转化为热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱。特别是在远距离通信时不可忽视。在适当位置设立放大器/转发器/中继器来放大信号、增加强度。,衰损用分贝来描述，它是衡量两个功率电平之间差别的度量。D=10lg(p1/p2) D单位：dB,例：假设在传输系统上传输的信号具有12mW的功率，而在一定距离远的某处测得功率为7mW，试求出这段线路上信号的衰损。解：根据公式（2.4）可得D=10 lg(p1/p2)= 10 lg(7/12)=-2.34 （dB） 说明衰减了2.34个dB,为什么用分贝功率表示实际功率？,将倍数关系转化为加减关系，容易计算实际功率值不易表达,1.8 失真,失真：信号不同频率的分量在传输过程中受到不同程度的衰减和延迟的影响，最终使到达接收端的信号与发送端送出的初始信号在波形上有所差异，这种传输过程中信号波形的变化称为失真。,1.8 失真,根据产生的原因不同分为振幅失真，延迟失真。振幅失真：由各个频率分量振幅值发生不同变化而引起的失真，是由传输设备和线路引起的衰损造成的延迟失真：由各频率分量的传播速度不一致所造成的失真，容易造成码间串扰码间串扰：数字信号前后两个码波形部分重叠在一起。,图2.9 失真的信号波形,作业,第一次作业 （不用抄题目）,