第一章 通信原理概述课件.ppt

通 信 原 理Communication Principles,俞洋电子工程系,通 信 原 理一、课程教学目的与作用 电子信息类电子工程、通信工程专业学生开设的一门主干学科基础课。 理论：通信系统基础理论知识，典型通信系统的组成、工作原理、性能特点、基本分析方法、工程计算方法。 能力：掌握通信原理的基础知识和基本技能，掌握通信系统分析问题的一般方法。 桥梁作用：为理解、研究、设计各种通信系统奠定必要的基础。,二、参考文献 1.曹志刚. 现代通信原理. 清华大学出版社 2.沈振元. 通信系统原理. 西安电子科大出版社 3. John G.Proakis （ 普罗科斯）. 数字通信（第五版） 电子工业出版社,三、学习方法 及时复习、做习题、参考学习网站、追踪现代通信技术等。,先修知识：概率与数理统计、信号与线性系统、数字电路、通信电子线路。,第1章 绪论,【教学目标】 1.了解:通信系统一般组成; 2.了解:模拟通信系统、数字通信系统框图组成及特点; 3.了解:信息及其度量； 4.掌握:离散信息量的计算； 5.掌握:主要性能指标的概念。【重 点】信息量及离散信息量计算、通信系统性能指标【难 点】信息量【学时分配】34学时【教学过程】,第1章 绪论,1.1 通信系统的组成 1.2 通信系统的分类与通信方式 1.3 信息及其度量 1.4 通信系统主要性能指标,通信（信息传输）将含有信息的消息有效而可靠地由一地传输到另一地的过程。,信息(Message)：人们待知的消息的内容。消息(Information)：用以表达信息的某种物理形式。,什么是通信？,通信的要求 可靠:尽可能准确无误！ 有效:尽可能多而快！,宽泛意义的通信还包括信号变换、检测、处理、识别等。,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信 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。 我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信。 现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式,随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。,近代深空通信的一个成功范例,美国宇航局2005年1月12日发射了用来探测彗星的“深度撞击”号探测器，它的目标是“坦普尔一号”彗星的彗核。 “深度撞击”发射了一发“炮弹”于7月4日与彗星TEMPEL1在距地球1.32亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约74分钟）。,海上舰船通信,海上舰船通信,对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、图像）甲板话音通信,通信的发展简史,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段： 第一阶段 语言 第二阶段 文字、邮政 第三阶段 印刷术、出版物 第四阶段 电报、电话、广播 第五阶段 通信与计算机的结合、网络,最早的电通信设想,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。在这封信中，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。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。,莫尔斯发出第一封电报设备的复制品,最早的有线电话,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。 1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。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。,贝尔获得电话的专利证书,电磁波的发现,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）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。,最早的无线通信,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”。,波波夫实验用的无线电接收机,人类首次远距离无线电通信,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，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， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。,1976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。,我国通信的历史,1871年，英国、俄罗斯、丹麦敷设的香港至上海、长崎至上海的水线，全长2237海里。于1871年4月，违反清政府不得登陆的规定，由丹麦大北电报公司出面，秘密从海上将海缆引出，沿扬子江、黄浦江敷设到上海市内登陆，并在南京路12号设立报房。于1871年6月3日开始通报。这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海租界设立的电报局。1875年，福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报。1875年在福建船政学堂附设了电报学堂，培训电报技术人员。这是中国第一所电报学堂。,我国通信的历史,1899年，我国最早使用无线电通信的地区是广州。早在1899年，就在广州督署、马口、前山、威远等要塞以及广海、宝壁、龙骧、江大、江巩等江防军舰上设立无线电机。1908年，英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线电台，与海上船舶通报。后由清政府收买，移装到上海电报总局内，这是上海地区最早的无线电台。1921年1月7日，中国加入国际电报公约,我国通信的历史,1933年,中国电报通信首次使用打字电报机1950年12月12日，我国第一条有线国际电话电路-北京至莫斯科的电话电路开通。经由苏联转接通往东欧各国的国际电话电路也陆续开通。1958年，上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机 ，第一套国产明线12路载波电话机研制成功 1970年，我国第一颗人造卫星（东方红1号）发射成功。,我国通信的历史,1984年5月1日，广州用150MHz频段开通了我国第一个数字寻呼系统。程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用。首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机（HJ09型）研制成功。1987年11月，广州开通了我国第一个移动电话局，首批用户有700个。 -我国第一个160人工信息台在上海投入使用。1993年9月19日,我国第一个数字移动电话通信网于在浙江省嘉兴市首先开通。1998年5月15日，北京电信长城CDMA网商用试验网-133网，在北京、上海、广州、西安投入试验。,近年来移动通信的发展,一、通信系统一般模型,1.1 通信系统组成,Source of information,Transmitter,Channel,Receiver,User of information,Noisesource,将基带信号转变为发送信号,噪声集中表示,在背景噪声中提取有用信号,基带信号变换为原始消息,有线信道无线信道,将原始消息转变为基带信号,二、模拟通信与数字通信系统模型,1.模拟通信系统模型 （1）模型组成,1.1 通信系统组成,两个重要变换,连续消息 基带信号（低通型）,基带信号 频带信号（高通型）,信源,信宿,调制,解调, 基带信号特性 调制、解调原理 信道与噪声统计特性及其对信号传输影响 各类调制方式系统的抗干扰性能,（2）模拟通信系统主要讨论的问题,1.1 通信系统组成,2. 数字通信系统模型 （1）数字频带通信系统模型,作用:降低信号多余度的编码, 降低码元速率，以提高信息传输的有效性. 如：压缩编码或PCM，ADPCM，M。,由于信道噪声造成数字信号出现差错, 通过信道编码来实现纠错，提高信息传输的可靠性. 如：线性分组码、循环码、卷积码等。,1.1 通信系统组成,各类数字调制方式。如：ASK、FSK、PSK、QPSK、QAM、MSK等。,（2）数字基带通信系统模型,（3）数字通信研究的几个特殊问题 差错控制编码 保密通信 收、发系统的同步,1.1 通信系统组成,码型、波形变换,最佳接收、均衡器,（4）数字通信特点 优点抗干扰能力强（中继、再生） 差错可控制（采用纠错编码） 易存储及加工处理易加密（保密通信） 可综合传递各种消息（综合业务数字网） 缺点设备较复杂信号带宽较宽例如:一路模拟电话：4KHz,一路数字电话：约2064KHz,1.1 通信系统组成,1.2 通信系统的分类与通信方式,1.按信号特征,2.按传输媒质,一、通信系统分类,连续波调制,3.按调制方式分类,1.2 通信系统的分类与通信方式,脉冲波调制,1.2 通信系统的分类与通信方式,4.按复用方式,频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）时分复用（TDM）码分复用（CDM）,5.按工作频率,6.按通信业务,1.2 通信系统的分类及通信方式,二、通信方式,1.单工、半双工和全双工,2.串序传输与并序传输,1.3 信息及其度量,消息（Message）：人能够感知的描述。 比如：声音、文字、图像等。,信息（Information）：是消息中包含的有效内容。,信号（Signal）：是消息传输的物理形式。 （特指电信号）,信息量含义举例： “今年冬天比去年冷” “今年冬天和去年夏天一样热” 可能性越小，信息量越大！ 用概率描述（概率信息量，P=0时信息量为 ）.,1.3 信息及其度量,哈特莱（Hartley）和香农(C.E.Shannon)从消息的统计特性出发，从信息的不确定性和概率测度的角度定义了通信中信息量的概念，并给出了信息度量的方法。,1948年，美国数学家克芬特仙农(Claude Elwood Shannon )研究密码通信，发表了他的著名论文通信的数学理论，奠定了信息论的基础，第一次把信息通信领域的概念确切化了，而且从概率论的观点，提出了信息量的概念。,1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。,信息论知识结构组成,1.3 信息及其度量,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。 （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， I3） 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)+,一、信息量（I）与概率（P(x)）的关系,二、 信息量单位,a=2，信息量的单位为比特(bit) a=e，信息量的单位为奈特(nat) a=10，信息量的单位为哈特莱,1.3 信息及其度量,三、等概率离散消息的信息量计算,(1) 二进制波形,(2) M进制波形,若 M=2k ,则,1.3 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P=1/4的信息量为2比特P=1/8的信息量为3比特P=1/M的信息量为log2 M(bit) 若M是2的整幂次，则,四、非等概离散消息的信息量计算,且,1.平均信息量（热力学中的熵形式一样：熵）,1.3 信息及其度量,2.最大熵 Hm (等概传输),最大熵采取的原则就是：保留全部的不确定性，将风险降到最小。,通信的主要任务是传递信息（消息）。 通信系统的性能指标有：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。 从信息传输的角度来说：最主要的性能指标是信息传输的有效性指标和可靠性指标。,通信系统的性能度量,1.4 通信系统主要性能指标,一、主要指标,1.有效性: 信息传输的速度。2.可靠性: 信息传输的质量，即抗加性干扰能力。,加性干扰：信号传输时叠加的噪声（自然噪声、内部噪声、人为噪声）。 乘性干扰：信道传输特性不理想产生的误差。,2.可靠性：用信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)表示。 信噪比越高，信息传输的准确性就越高，信号波形的保真度越高，通信质量就越好。,1.4 通信系统的主要性能指标,二、模拟通信系统主要指标,1.有效性：有效传输带宽（B） 传输给定的信号所需要的有效传输频带越窄，或者说，在给定传输带宽的信道中，能同时传输的信号路数越多，则系统的传输有效性就越高。即信号的复用程度越高，有效性越好。,三、 数字通信系统的主要指标,1. 有效性,（1）码元速率（传码率）RB,RB:每秒钟传输的码元数。单位：Baud(波特)，B,（2）信息速率（传信率，比特率）Rb,Rb:每秒钟传输的比特量。单位：bit/s， 或 b/s ，或bps,1.4 通信系统的主要性能指标,Exp2、已知二进制数字信号在2分钟内共传送了72000个码元。（1）问其码元速率和信息速率各为多少？（2）若码元宽度不变（即码元速率不变），但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少？信息速率又为多少？,二进制: Rb2=RB2 （bit/s）M进制: RbM=RBMlog2M （bit/s）,（3）频带利用率：单位带宽内的传输速率。,或,1.4 通信系统的主要性能指标,比较不同数字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。,2.可靠性,（1） 误码率（误符号率） Pe,（2）误信率（误比特率）Pb,1.4 通信系统的主要性能指标,举例,3.对RB、Pe的要求,1.4 通信系统的主要性能指标,RB越大，有效性越高，但占用传输带宽太宽，抗干扰能力变差，Pe越大。,Pe越小，可靠性越高。对Pe要求视具体情况而定：数字电话Pe10-3，数据信号Pe10-5-10-6，光纤通信Pe10-11-10-9。,结论：数字通信系统中，有效性和可靠性是一对相互矛盾的指标。其理论依据由香农公式揭示。实际系统设计要根据实际需求在两者之间取舍。,1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：,C 信道容量B 信号带宽S/N 信号与噪声的功率之比,在香农容量定律里，香农容量，也就是最大可能的数字传输速度，和另外三个参量有关。一个是信道带宽，一个是接收到的信号强度，还有一个就是噪声。,扩频通信,本 章 小 结,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符号信息量 。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。对模拟通信系统，为有效传输带宽和输出信噪比；对数字通信系统，为码元速率或信息速率和误码率。,【作业】P15 4、6、8 P85 7,误码率例题：一个二进制数字通信系统，码元速率为104Baud，连续发送1小时后，接收到的错码为10个，求误码率Pe？,（1）I =IP(x)（2）当P(x)=1时,I=0; P(x)越小,I愈大（3）IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,一、信息量（I）与概率（P(x)）的关系,1.3 信息及其度量,