通信原理 第1章 概论课件.ppt

讲授内容,1、通信基本概念和模型2、预备知识（信道、噪声以及时频域变换）3、模拟线性调制4、模拟角调制5、PCM6、数字信号基带传输7、数字信号调制传输8、差错控制编码9、同步原理10、通信网,教材与参考书,1、南利平，通信原理简明教程2、樊昌信，通信原理，第六版3、曹志刚，现代通信原理4、王秉钧，通信原理及其应用,考核方式,考核方式：平时成绩（20%） 最终考试（80%）,总成绩（100%）,第1章 概论,6,目标要求,基本要求,了解通信的发展； 掌握消息、信息、信号的定义； 掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点； 掌握数字通信系统模型及其主要性能指标； 熟悉无线信道、有线信道；,7,目标要求,重点、难点,重点是： 信息的度量； 数字通信系统模型的理解与掌握。 难点是： 数字通信系统性能指标的理解与计算。,8,主要内容,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 思考题、习题,9,1.1 通信的发展,一、历史的通信方式,1.古代： 公元前800年(周朝)，周幽王烽火戏诸侯。 应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。2.近代： 1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的 开始。 1838年：莫尔斯将电报通信推向实用。 1876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。,10,1.1 通信的发展,烽火台,11,1.1 通信的发展,3.现代 20世纪60年代以后： 数字通信技术进入高级发展阶段。 近20多年： 数字通信迅猛发展； 光纤通信也携手同行。 两者都成为现代通行网的主要支柱。,12,1.1 通信的发展,“上帝创造了何等的奇迹!”,塞缪尔莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）,13,1.1 通信的发展,贝尔（1847-1922）美国电话发明者,14,1.1 通信的发展,1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第一部电话。,15,1.1 通信的发展,麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著电磁学通论，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的书，具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑 。,麦克斯韦(James Clerk Maxwel 18311879)英国物理学家,16,1.1 通信的发展,赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。,赫兹（1857-1894）德国物理学家,1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。,17,1.1 通信的发展,在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。,18,1.1 通信的发展,返回,19,1.2 消息、信息和信号,1. 通信的目的,传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。,2. 消息,天气预报“明天是晴天”,字幕“明天是晴天” 文字,播音员说“明天是晴天” 语言, 图形,、信息、消息和信号的定义与区别,20,1.2 消息、信息和信号,1. 通信的目的,传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。,2. 消息,、信息、消息和信号的定义与区别,是指信源所产生的信息的物理表现。 例如：语音、文字、图形、图像等。 消息必须转换成电信号（简称信号），才能在通信系统中传输。,21,1.2 消息、信息和信号,4. 信息,是指消息中所包含的对受信者有意义的内容 （或有效内容）。 不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。,3. 信号,是指消息的物理载体，是传输消息的手段。 可分为模拟信号和数字信号。,、信息、消息和信号的定义与区别,22,1.2 消息、信息和信号,如何度量信息？首先要解决的问题。,23,1.2 消息、信息和信号,1.要求 度量信息量的方法，必须满足：,能度量任何消息； 与消息的类型无关； 消息的重要程度无关。,二、消息中信息量的度量,24,香 农(Shannon),25,克劳德香农(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1916年4月30日诞生于美国密西根州的Petoskey。 1936年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进入MIT念研究生。 1938年香农在MIT获得电气工程硕士学位，硕士论文题目是A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits(继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性，即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基础。哈佛大学的Howard Gardner教授说，“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”,26,1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类遗传学的，题目是An Algebra for Theoretical Genetics(理论遗传学的代数学)。 1941年香农发表了Mathematical theory of the differential analyzer(微分分析器的数学理论)，他写道：“大多数结果通过证明的定理形式给出。最重要的是处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些注意事项，给出求函数的近似值(不能产生精确值)、求调整率的近似值以及自动控制速率的方法。” 1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年，从24岁到55岁，整整31年。1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。,27,香农与John Riordan一起工作，1942年发表了一篇关于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马洪(Percy A. MacMahon，1854-1929)1892年在Electrician上发表的论文理论。1948年则创立了信息论(information theory)。 1948年香农在Bell System Technical Journal（贝尔系统技术杂志）上发表了A Mathematical Theory of Communication 。论文由香农和威沃共同署名。前辈威沃(Warren Weaver，1894-1978)当时是洛克菲勒基金会自然科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句，该论文刚发表时，使用的是不定冠词A，收入论文集时改为定冠词The。 香农在进行信息的定量计算的时候，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：信息是确定性的增加 。,28,1.2 消息、信息和信号,2. 信息量的定义,信息量是消息出现概率的函数； 消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大； 若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。,二、消息中信息量的度量,29,1.2 消息、信息和信号,因此，若消息 出现的概率为 ，则所含信息量 I 可定义为：,信息量的单位：,，则为比特（bit），简记为b，最常用;,，则为奈特（nat）;,，则为哈特莱（hartley）。,30,当M = 2时，则I = 1b。 工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1b 。即通常把一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位混淆，应注意。,若采用一个M 进制的波形，来传送M 个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),1.2 消息、信息和信号,返回,31,1.2 消息、信息和信号,返回,通信的目的在于传输含有信息的消息。,解：信源在每个时刻发生的消息非0即1，则P(x)=1/2。,例1：设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，求信源每个输出的信息含量。,同理：如果消息是M进制，且等概率发生，则信源每个输出的信息量为：,32,1.2 消息、信息和信号,返回,信息熵 若信源所发生的消息是概率不等的，则各消息所含的信息量不等。 总体平均信息量用信息熵来反映 设信源的各个符号为Xi( i=1,2,N),其概率分别为P(Xi),则定义信息熵H(X)为,33,返回,例2：消息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。（1）求该信源的熵；（2）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量；（3）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。,34,返回,例2：消息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。（1）求该信源的熵；（2）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量；（3）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。,35,1.3 数字通信,1. 模拟信号和数字信号,模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语音信号。 数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信号。,注意：区分准绳为：考查取值是否连续， 而不是看时间。,一、 基本概念,36,1.3 数字通信,模拟信号,数字信号,码元,37,1.3 数字通信,2. 模拟通信和数字通信,（1）共性问题：总存在噪声和其他干扰，引起传输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题之一。,3. 模拟通信系统和数字通信系统,38,1.3 数字通信,模拟通信系统： 要求：高保真度复原。 度量准则：输出信噪比。 基本问题：连续波形的参量估值问题。,（2） 个性问题,数字通信系统： 要求：正确判决（或检测）。 度量准则：产生错判的概率。 理论基础：统计判决理论。,注意：都是针对接收端的。,39,1.3 数字通信,二、数字通信的特点 1.优点,取值有限，能正确接收。 可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。 可采用数字加密技术，提高保密度。 可综合传输各种模拟和数字输入消息。 便于存储和处理。 易于设计、制造，体积更小、重量更轻。 可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。,40,1.3 数字通信,占用带宽大压缩、光纤。 同步要求高。,3.应用实例,数字传输技术： 电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。 模拟传输技术： 有线电话环路、无线电广播、电视广播等。,二、数字通信的特点 2.缺点,41,1.3 数字通信,三、数字通信系统模型,42,1.3 数字通信,三、数字通信系统模型,43,1.3 数字通信数字通信系统模型,1. 信源：将消息转换为电信号的设备。,三、数字通信系统模型,44,1.3 数字通信数字通信系统模型,信源,信道编码,调制,发送端,三、数字通信系统模型,2. 信源编码：降低数字信号的冗余， 提高数字信号的有效性。,45,1.3 数字通信数字通信系统模型,三、数字通信系统模型,3. 信道编码：增加冗余字符，纠错编码， 提高传输的可靠性。,46,1.3 数字通信数字通信系统模型,4. 调制：,三、数字通信系统模型,47,1.3 数字通信数字通信系统模型,4.调制 （1）目的 使编码信号特性与信道特性相适应， 以通过信道传输。 （2）几个基本概念 基带、基带信号、带通信号； 基带调制、带通调制。 （3）多路复用 使多路信号合并，经过同一信道传输。,48,1.3 数字通信数字通信系统模型,5. 信道 基带信道可传输很低的频率分量。 如双绞线。 频带信道不能传输很低的频率分量。 如无线电波。,49,1.3 数字通信数字通信系统模型,5. 信道 信道的影响： 信道传输特性对数字信号的影响。 包括幅频特性、相频特性、频率偏 移、频率扩展和多径时延。 进入信道的外部加性噪声的影响。 包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干 扰。,50,1.3 数字通信数字通信系统模型,6. 同步 数字通信系统中不可缺少的组成部分。 发端、收端间需共同的时间标准使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。 位同步（或码元同步）、字同步,51,1.3 数字通信数字通信系统模型,模拟通信系统模型,52,1.3 数字通信,1. 衡量系统性能优劣的基本因素：,有效性 可靠性,四、性能指标,53,1.3 数字通信 - 性能指标,有效性 可靠性,注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。 提高有效性提高传输速率可靠性降低； 提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。 降低有效性，以提高可靠性； 降低可靠性，以提高有效性。,54,1.3 数字通信 - 性能指标,2. 性能指标：,（1）传输速率：三种定义。 码元速率（RB）： 单位时间内传输码元数。“波特（Baud）” 信息速率（Rb）： 单位时间内传输的信息量。“比特/秒(b/s)” 消息速率（RW）： 单位时间内传输的消息数。“字/秒”,55,1.3 数字通信 - 性能指标,（1） 传输速率： 信息量I： 对于二进制系统而言，如果“0”和“1”等概率出现的话，每个码元所含的信息量 I = 1，此时，码元速率和信息速率在数值上相等。 对于多（M）进制系统而言，每个码元所含的信息量是I=log2 M，此时，二者的关系为Rb=RBlog2 M。,2. 性能指标：,56,1.3 数字通信 - 性能指标,（2） 错误率：三种定义。 误码率（Pe）： 误比特率（Pb）： 误字率（PW）：,57,1.3 数字通信 - 性能指标,（3）频带利用率： 单位频带内所能达到的信息速率。 通常与采用的调制及编码方式有关。 （4）能量利用率： 传输每一比特所需的信号能量。 该能量大小与系统带宽有直接关系。 该能量与占用频带间可交换。,返回,58,1.3 数字通信 - 性能指标,（3）频带利用率： 单位频带内所能达到的信息速率。 通常与采用的调制及编码方式有关。 （4）能量利用率： 传输每一比特所需的信号能量。 该能量大小与系统带宽有直接关系。 该能量与占用频带间可交换。,返回,59,通信系统的主要性能指标(小结),有效性：指在给定信道内单位时间内传输的信息量 的多少； 可靠性：指接收信息的准确程度。 这两者是相互有联系又有矛盾的。,通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性。,60,有效性：用有效传输带宽来度量。频带宽度越窄，则 有效性越好。 可靠性：用接收端的输出信噪比来度量。,有效性的主要性能指标是传输速率、频带利用率。 可靠性主要是差错率。,一、模拟通信系统,二、数字通信系统,61,1、码元传输速率（RB） （1）单位时间内传输码元的数目，单位为波特，记为B。 （2）码元可以是多进制的也可以是二进制的。 （3）M进制的码元速率与二进制的码元速率之间的关系：,传输速率,62,2、 信息传输速率（Rb） 单位时间内传递的信息量（bit数），单位是b/s 它由码元速率和每个码元的平均信息量H决定:,(3) 码元速率不变时，通过增加进制数M，可以增加信息速率；(4) 信息速率不变时，通过增加进制数M，可以降低码元速率；,(1) M进制各个符号等概率出现时： RbM= RBM log2M(2) 对于二进制来说： Rb2= RB2 log22 RB2,63,一种是单位带宽中的传码率，即: 一种是单位带宽内的传信率，即： 其中， f为系统带宽。,频带利用率,64,数字通信系统的可靠性指标是差错率，常用误码率和误信率表示。(1)误码率:接收码元错误的概率，可表示为： (2)误信率:接收信息比特错误的概率，可表示为： 显然，对于二进制有：Pb = Pe,差错率,65,例1：国际摩尔斯电码由点和划组成，点出现的概率是划的3倍，设点的长度为5ms，划的长度为15ms，问：平均信息速率是多少？,解：,66,例2：消息由符号A、B、C、D组成，传输每一个字母用两位二进制脉冲编码，00代替A ，01代替B ，10代替C ，11代替D，每个脉冲的宽度为5ms。 （1）字母等概率出现，计算传输的平均信息速率？ （2）若字母出现的概率分别为：1/5、1/4、1/4、3/10，计算传输的平均信息速率？ 解：,一个字母对应两个二进制脉冲，属于四进制符号，一个字母的持续时间是2*5ms ，故,67,68,例3：已知某八进制数字传输系统的码元速率为1200B，接收端在半个小时内共收到324bit的错误信息，试求系统的误信率解：,69,1.4 信道,一、信道分类（依传输媒体分）,1. 无线信道： 利用电磁波来传播信号。 如广播电台、移动电话。2.有线信道： 利用人造传输媒体来传输信号。 如传统的固定电话。,注意：信道中的噪声有源干扰； 信道传输特性不良无源干扰。,70,1.4 信道,71,1.4 信道,二、无线信道 1.电磁波的发射和接收,均要用天线 因天线尺寸的要求，通信频率都较高。 频率使用规划和管理 国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会WRC（The World Radio communication Conference），制定频率使用国际协议。 我国：信息产业部无线电管理局。,72,1.4 信道,根据通信距离、频率和位置的不同： 地波传播 天波传播 视线传播,二、无线信道 2.电磁波的传播,73,1.4 信道,（1） 地波传播 频率：2MHz 以下，有一定的绕射能力 绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具 有的能力 通信距离：可达数百数千 km,返回,74,1.4 信道,（2）天波传播 频率：230MHz 电离层反射： 通信距离：单次可达4000km，多次可达10000km,75,1.4 信道, 电离层：60-400 km D层：高60 - 80 km E层：高100 - 120 km F层：高150 -400 km F1层：140 - 200 km F2层：250 - 400 km 晚上：D层、F1层消失； E层、F2层减弱 反射高频电磁波的主要是F层,返回,76,1.4 信道,（3） 视线传播 频率：30MHz以上 类似光波做视线传播（将穿透电离层） 天线高度h与传播距离D(=2d)的关系： D 2=8rh50h （r为地球的等效半径）,77,1.4 信道, 采用无线电中继，实现远程通信。 若天线架设高度为50m，则视线距离约为 50km。即视距传输距离有限，需中继。,（3） 视线传播,78,1.4 信道,转发站（基站）： 人造卫星：3颗静止卫星 （卫星通信系统），目前广泛应用。,79,1.4 信道, 高空平台电台HAPS(High Altitude Platform Station) ： 250个充氦气艇（平流层通信系统），很有发展前途。,80,1.4 信道, 高空飞行器间的电磁波传播、太空中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传播，都符合视线传播规律，且不受或少受大气层的影响。,电磁波在大气层内传播会衰减： 频率越高，衰减越严重； 且存在谐振点，应避开。,81,1.4 信道,82,1.4 信道无线信道,（4） 散射传播 电离层散射：30 60 MHz 对流层散射: 100 4000 MHz 通信流星余迹: 30 100 MHz,83,1.4 信道无线信道,84,1.4 信道无线信道,注意：目前民用无线电通信中，应用最广的是蜂窝网和卫星通信。,85,1.4 信道无线信道,移动交换中心,电话交换中心,蜂窝网,86,1.4 信道,明线 对称电缆 同轴电缆,二、有线信道 1. 传输电信号,87,1.4 信道有线信道,（1）明线,88,1.4 信道有线信道,（2）对称电缆：双绞线,89,1.4 信道有线信道,（2）对称电缆：双绞线,90,1.4 信道有线信道,双绞线（Twisted Pairwire）由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，把两根导线按一定密度互相缠绕在一起,可降低信号干扰的程度。 双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两大类。 其中屏蔽双绞线分别有3类和5类二种，非屏蔽双绞线又分别有3类、4类、5类、超5类四种。,（2）对称电缆：双绞线,91,1.4 信道有线信道,（3）同轴电缆,同轴电缆截面示意图,双同轴电缆及6芯接头,92,1.4 信道有线信道,（3）同轴电缆,基站用射频同轴电缆(50同轴电缆),射频同轴电缆,93,1.4 信道有线信道,解释：同轴电缆是一种通讯电缆，电缆结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又再覆盖一层保护性材料。 常用的同轴电缆有两类：50和75同轴电缆。,（3）同轴电缆,94,1.4 信道有线信道,有线信道电气特征,95,1.4 信道有线信道,2.传输光信号光纤,表面涂层,包层,芯区,96,1.4 信道有线信道,2. 光纤,97,几个基本概念,基带：来自信源（或经过编码）的信号所占用的频带。这种信号也称为基带信号。 带通信号：经过载波调制后的信号。 基带调制：改变信号的波形，使之适于在基带信道中传输，调制后仍为基带信号。 带通调制：进行了频谱搬移，调制后为带通信号。,返回,98,总结,1.通信系统、模拟通信系统和数字通信系统模型；2.数字通信系统的特点；3.通信系统的分类；4.信号、消息和信息；5.信息量与熵；6.通信系统的性能指标及其计算；,返回,99,返回,补充：通信系统分类,二、按照消息的物理特征分类 消息的物理形式有语音、图像、文字、符号等，直接对这些物理量实现通信的系统有电话通信系统、图像通信系统、数据通信系统等。,一、按照传输信号的特征分类 按照通信信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。,100,返回,四、按照调制方式分类 从是否采用调制、是否搬移数据信号的频带角度出发，可以将通信传输系统分为调制传输和基带传输。,三、按照传输媒介分类 按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。,101,返回,102,返回,五、按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。,103,返回,1、串行传输： 所谓串行传输，是码组中的码元按时间顺序一个一个地在信道中传输。 这种方式只需占用一条通路。 一般的远距离数字通信大都采用串行传输方式。,2、并行传输： 在并行传输方式中，码组中的码元被并列同步传输。 并行传送时每个码元必须有一条单独的通道。 一般在计算机内部或近距离数字通信中采用。,104,返回,多路复用 发送方将若干路独立的信号合并成一路，在一条信道上传输，待信号到达接收方后再进行分离，恢复出原始的各路信号。 目前常使用的复用方式有以下二种： 频分复用（FDM）：对信道进行频域分割。 时分复用（TDM）：对信道进行时域分割。 码分服用,105,例题,1. 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、l/8、l/8/、3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。,106,例题,2. 设一信息源的输出由128个不同符号组成，其中16个符号出现的概率为l/32，其余112个出现概率为1/224。信息源每秒发出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。,107,作业,108,例题,