电气控制与plc教学资料第1章绪论.ppt
通信原理,任课教师：费娟联系电话：Email：,Chapter 1 绪论,1.1 课程概述,1.2 通信系统的组成,1.3 通信系统分类及通信方式,1.5 通信系统的主要性能指标,1.4 信息及其度量,1.1 课程概述,通信发展简史,原始手段,有线通信,无线通信,烽火、旗语,电报（1837 Morse）电话（1876 Bell）,电磁波的存在,Maxwell 理论,Hertz 实践,考研重要课程之一！,通信原理是电子，通信专业的一门专业基础课，是核心课程。内容包括模拟通信和数字通信，但侧重数字通信，它对信息传输所需的现代化通信的基本理论和基本技术给予了较详细和较系统的讨论。通过此门课的学习，使学生很好地掌握信息传输的基本概念，掌握传输的基本原理及通信系统的理论分析方法。使学生在以后的深入学习之前打下良好的基础。,课程内容及要求：,课程的特点：,1、电子信息与通信专业学生必须掌握 的一门专业基础课程。2、它是非线性电子线路、信号与系统、概率论与数理统计等课程的后继课程。3、该课程主要介绍信号在信道中可靠有效传输的基本理论，主要包括模拟调制，数字基带传输，数字调制系统，模数转换，最佳接收，信道编码等内容。,主要参考资料：,现代通信系统原理王秉均等编，天津大学出版社；现代通信原理曹志刚等，清华大学出版社；通信系统原理张树京主编，铁道出版社；通信系统原理教程王兴亮编，西安电子科技大学出版社；,1.2 通信系统的组成,1.2-1 通信系统组成框图1.2-2 无线电信号的发射1.2-3 无线电信号的接收,1.2-1 通信系统原理框图,信号源,发送设备,传输信道,收信装置,接收设备,信号源,在实际的通信电子线路中传输的是各种电信号，为此，就需要将各种形式的信息转变成电信号。常见的信号源有：话筒 摄像机 各种传感器件,发送设备,发送设备的作用：将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。对基带信号进行变换的原因：由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。,传输信道,信号从发送到接收中间要经过传输信道，又称传输媒质。不同的传输信道有不同的传输特性。根据传输媒质的不同，可以分为两大类：有线信道和无线信道。,有线信道：双线对电缆、同轴电缆、光缆,无线信道：自由空间,接收设备,接收设备的作用：接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。,收信装置,收信装置是指接收设备输出的电信号变换成原来形式的信号的装置。例如：还原声音的喇叭 恢复图象的显象管,我们以语音信号为例来说明图1-2模拟通信系统模型各部分的作用。发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。,1.2.3 数字通信系统模型,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。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。一、数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统如图1-3 所示。图1-3中，变换器的作用是把信息转换成数字基带信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性。信源编码器的输出就是信息码元,此外，话音和图像压缩编码等都是在信源编码器内完成。接收端信源译码则是信源编码的逆过程,图1-3 数字通信系统模型,信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。其基本做法是在信息码组中按一定的规则附加一些监督码元，以使接收端根据相应的规则进行检错和纠错，信道编码也称纠错编码。接收端信道译码是其相反的过程。数字通信系统还有一个非常重要的控制单元，即同步系统（图1-3没有画出）。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。,二、数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图 1-4 所示。图1-4中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。,图1-4 数字基带传输系统模型,三、数字通信的主要特点 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，它有如下优点：,1、有较强的抗干扰能力。数字通信系统中，传输的信号是数字信号。以二进制为例，信号的取值只有两个，若“1”码时取值为A，“0”码时取值为0，传输过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真，在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决，才能确定是“1”码还是“0”码，并再生“1”，“0”码的波形。因此只要不影响判决的正确性，即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。,2、差错可控 数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制。3、易加密数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计和制造更容易，体积更小，重量更轻。5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。6、易于与现代技术相结合。,数字通信的缺点：数字信号占据频带较宽，频带利用率低，但目前采用了一些新的数字调制技术，不断增大通信容量，提高频率利用率，所以数字通信的发展前景广阔。,1.3.1 通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用,1.3 通信系统分类及通信方式,1.3.2 通信方式单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式,并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要 n 条通信线路，成本高,串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信,1.4 信息及其度量,通信的目的在于信息的传递和交换。人们常将语言、文字、图像和数据等信息的传递俗称消息的传递。信息与消息在概念上相近，但信息一词对通信来说，更贴切、更具普遍性，信息可理解为消息中所含有的特定内容。各种各样的消息，其中有意义的特定内容，均可用信息一词来表述。如铁路系统运送货物量多少采用“货运量”（不管运送什么货物）来度量，通信系统中传输信息的多少采用“信息量”来度量。当人们在通信中获得消息之前，对它的特定内容有一种“不确定性”，事件的不确定程度只能就其出现的概率来描述。,信息量与消息的种类、特定内容及重要程度无关，它仅与消息中包含的不确定度有关。也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈小，愈使人感到意外和惊奇，则此消息所含的信息量愈大。例如，一方告诉另一方一件几乎不可能发生的消息包含的信息量比可能发生的消息包含的信息量大。如果消息发生的概率趋于零（不可能事件），则它的信息量趋于无穷大；如果消息发生的概率为1（必然事件），则此消息所含的信息量为零。在信息论中，消息所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)的关系式为,（1.4-1）,I代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特”（natnature unit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。,【例1.4.1】设一个二进制离散信源，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 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特,平均信息量 平均信息量等于各信息量乘以各自出现的概率之和。即：,【例】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，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为,若用熵的概念来计算：则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。,以上我们讨论了离散消息的度量。类似，关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（相对熵）为,（1.4-7）,式中,f(x)是连续消息出现的概率密度。有兴趣者，可参考信息论有关专著。,1.5 通信系统的主要性能指标,设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但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。所谓有效性，是指消息传输的“速度”问题，而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。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。,模拟通信系统的主要性能指标 模拟通信系统的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。模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统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。输出信噪比一方面与信道内噪声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很大关系。例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统，但是调频系统的可靠性往往比调幅系统好。,数字通信系统的主要性能指标,一、有效性指标数字通信系统的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RB和信息传输速率Rb。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。信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。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。,解：依题意,则,由式（1.5-6）得系统的误码率,
