通信原理课件第一章绪论.ppt

1,通信原理,袁伟娜电子与通信工程系华东理工大学,2,课程简介,性质 通信工程、信息工程专业的重要专业基础课。特点系统性强原理性强数学分析多预备知识付氏变换（信号与系统）随机过程（概率论）调制与解调（高频）,3,主要教学形式 授课（ppt教学和黑板板书）、指导、实验。学习方法掌握基本概念、原理、特点和分析思路会进行分析记住结论 课程成绩分配平时成绩：30%（出勤5、作业5、期中考试10、实验10）期末考试：70%,4,教材通信原理 樊昌信等编 国防工业出版社参考书数字通信 基础与应用（第二版，英文版）美Bernard Sklar 著 电子工业出版社通信原理，续大我等编，北京邮电大学出版社通信原理教程，樊昌信编 电子工业出版社通信原理学习指导与题解，王福昌，华中科技大学出版社。通信原理考研指导，郝建军等，北京邮电大学出版社。通信原理学习与考研指导，沙济彰等，科学出版社,5,第一章 绪论,1.1 引言1.2 通信系统组成1.3 通信系统分类及通信方式1.4 信息及其度量1.5 主要性能指标,6,1.1 引言,7,通信的定义,通信：信息的传输和交换。通信方式：运动通信；电通信运动通信：利用人力或机械的方式传递信息（邮政）电通信：利用有线电、无线电、光学或其它电磁系统对符号、信号、文字、影象、声音或任何信息的传输、发射或接收。通信系统：传递信息所需的一切技术设备的总和。,8,通信的随机性：通信的本质是随机的随机信源被发送的信号，在传输或接收端，会受到随机形式的干扰（随机噪声）,9,消息、信号、信息,消息（message)：通信系统要传送的内容，例如：语音、文字、图象等根据消息的状态可分为：离散消息：可数的消息状态(符号、文字、数据等)连续消息：连续的消息状态(语音、图像等)（电）信号（signal)：传输消息的手段，是消息的载体。在通信系统中是用电信号的某一个或多个参量(频率、幅值、相位等)来承载消息。按代表消息的参量的取值方式不同，可分为模拟信号和数字信号区分模拟信号和数字信号的准绳是看其取值是连续的还是离散的，而不是看时间。数字信号在时间上可以是连续的，模拟信号在时间上可能是离散的。信息(information)：消息中包含的新的，有意义的且可被理解的、不可压缩的东西，消息是信息的载体。,10,通信技术发展历史（1）,19世纪发展电通信以来，通信技术的发展很快，其发展简史如下：，Morse在华盛顿与巴尔的摩之间发送世界 上第一份电报（数字通信），Maxwell提出电磁辐射方程，Bell发明电话并获得专利（模拟通信），Marconi发明无线电报，AM广播，超外差接收机问世，BBC开始电视广播，Alex Reeves构想出PCM原理，Shannon提出信息论，发射第一颗同步通信卫星；PCM进入实用,11,通信技术发展历史（2）,，IEEE成立A.D.1960-1970 彩色电视机问世；数字传输理论与技术迅速发展；出现高速数字电子计算机，VLSI、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理器迅速发展，传真机普遍实用，Motorala引入便携式蜂窝移动电话A.D.1990至今：Internet、GSM与CDMA、ISDN、xDSL、HDTV、GPS 软件无线电、ATM与IP、蓝牙技术，SDH 3G 4G.,12,1.2 通信系统组成,13,通信系统的一般模型,信息源把消息转换成原始电信号（基带信号），即完成“非电量”到“电量”的变换。（如：话筒，摄像机等）发送设备将原始电信号变成适合在信道传输的形式（如：编码器、调制器等）信道信号传输的媒质，包括有线信道和无线信道接收设备将信道中送来的带有噪声和干扰的接收信号正确还原成原始电信号受信者将复原的原始电信号还原成消息。（如：扬声器、显象管等）噪声源：信道中或通信系统各噪声和干扰的等效集中表示，为了分析方便，我们把噪声和干扰理想化，并认为是从信道中引入的。,接收设备,14,模拟通信系统模型,模拟通信中强调已调信号参量与基带信号成比例,15,信息源模拟通信中的信息源是状态连续的模拟信号调制器进行频谱搬移，将原始的基带信号变换成适合在不同信道内传输的已调信号。（线性调制和非线性调制）解调器将已调信号还原成基带信号，解调是调制的反过程。（相干解调和非相干解调）基带：来自信源（和经过编码）的信号所占用的频带称为基本频带，简称基带。基带信号：来自信源（和经过编码）的信号，通常包含较低频率的分量，甚至包含直流分量频带信号：经过载波调制后的信号称为频带信号。,16,数字（调制）通信系统模型,基带信号,频带信号,基带信号,数字通信中强调已调频带信号参量与基带信号一一对应,17,信源编/译码器(Source Encoder/Decoder)：信源编码器的作用包括：提高消息传输的安全性、有效性，将模拟信号转换成为数字信号从而实现模拟信号的数字传输。信源译码器是信源编码器的逆处理。信源编/译码器通过采用加密技术和数字压缩技术，提高数字信息传输的安全性，减少数字信息的冗余度，从而提高传输效率。通过采用模数(A/D)变换，可以将模拟信息源输出的模拟信号转换为数字信号，从而实现模拟信号的数字传输。(参见第7章)信道编/译器(Channel Encoder/Decoder)：信道编码器的目的是提高信号传输的可靠性按照一定的规则在数字信号中添加一些保护成分(冗余信息），从而提高数字信息对抗噪声和干扰的能力。信道译码器按照对应的规则进行解码，从解码的过程中发现和纠正错误，从而提高数字信息的传输可靠性。调制(Modulate)：使经过编码的信号特性与信道的特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输。,18,模拟信号数字化传输,模拟信号,A/D,数字通信系统,D/A,受信者,19,数字通信与模拟通信比较,数字通信系统的优点可再生更好的抗失真和干扰的能力信道编码技术信号传输质量好，可靠性高数字加解密技术保密性好数字信号处理技术的发展容易实现，成本低，更具灵活性更适合数字业务，容易实现多网合一,数字通信系统的缺点同步设备复杂位同步，帧同步占用带宽较宽例如一路模拟电话所需带宽为4KHz，而一路数字电话的带宽可以达到几十千赫(64KHz)。,20,1.3 通信系统分类及传输方式,21,通信系统的分类（1）,按消息的物理特征电话通信：传送消息是语音信号电报通信：传送的消息是文字、符号图象通信：静止图象（传真）和活动图象（视频）数据通信：一种总称，传送数据流（语音、图象、文字等）按调制方式基带传输：未经调制的信号直接传送频带（调制）传输连续波调制（载波为连续信号）模拟线性调制(AM、DSB、SSB、VSB）、模拟非线性调制(FM、PM）数字调制（FSK、PSK、ASK）脉冲调制（载波为矩形脉冲）脉冲模拟调制（PAM）、脉冲数字调制（PCM、DPCM）,22,常用调制方式及用途,23,24,通信系统的分类（2）,按传输信号特征模拟通信系统：传输模拟信号数字通信系统：传输数字信号按信号复用方式频分复用（FDM）时分复用（TDM）码分复用（CDM）波分复用（WDM）按传输媒介有线（电缆通信、光纤通信）无线（微波中继，卫星和移动通信）,25,通信系统的分类（3）,常用传输媒介及用途,26,通信系统的分类（4）,27,通信传输方式（1）,单 工,半双工,双 工,消息只能单方向传输的工作方式。,通信双方都能收发消息，但不能同时进行接收和发送消息的工作方式。,通信双方可以同时进行接收和发送消息的工作方式。,28,串行传输与并行传输串行：码组的各位被依次串行送出并行：码组的所有码元被并列同步传送，堪称“齐步走”,按照数字信号排列顺序分类,29,通信传输方式（2）,同步传输与异步传输并行传输中的各位必须同步串行传输则有同步与异步之分,码组,码组,传送方向,串行数据流,位同步脉冲,串行数据流的同步传输,30,串行传输的异步传输在异步方式下，一般在传送的同一个数据帧内各个码元是紧密排列，一位接一位，而各帧之间则可能有间隔，间隔大小不定。,通信传输方式（3）,31,1.4 信息及其度量,32,离散信源的度量直观经验消息出现的可能性越小，携带的信息量就越大；消息持续时间越长，携带的信息量越大；信息量的定义1）单个离散消息x所携带的信息量其中P(x)为消息x发生的概率，以2为底时，单位bit,a=10,哈特莱,a=e,奈特,信息及其度量（1）,33,信息及其度量（2）,例1已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现的概率为1/3，则出现“1”的信息量为 例2若用M进制波形之一来传送M个消息之一，且这M个消息出现的概率是相等的，则发送每一波形的信息量为若M=2，有,34,信息及其度量（3）,注意：用二进制信号传送二进制消息时，当消息出现的概率相等时，每一信号携带的信息量为1bit。,+1,-1,t,+1,t,+1/2,t,-1/2,t,-1,t,（二进制信号）,（4进制信号）,35,信息及其度量（4）,2）一串符号构成消息的信息量 离散信源X产生的由一串符号构成的消息中携带的信息量为:其中，ni、P(xi)分别为第i个符号出现的次数和概率，N为离散信源中符号的个数。,36,信息及其度量（5）,例3一信源由4个符号0,1,2,3组成,它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4和1/8,且每个符号的出现都是独立的.试求消息的信息量.0 23次,114次,213次,37次每符号“0”携带的信息量为:log2(8/3)=1.415每符号“1”携带的信息量为:log2(4)=2每符号“2”携带的信息量为:log2(4)=2每符号“3”携带的信息量为:log2(8)=3,37,信息及其度量（6）,消息的信息量为每符号的算术平均信息量为,38,信息及其度量（7）,3）离散信源平均信息量(熵)离散信源X每个符号xi所含信息量的统计平均值其中P(xi)为第i个符号出现概率，N为离散信源中符号的个数。在例3中,离散信源的平均信息量为,39,信息及其度量（8）,4）离散信源最大熵 当离散信源中每个符号等概出现且各符号出现为统计独立时,该信源有最大平均信息量:,40,信息及其度量（9）,连续信源的信息度量连续信息的平均信息量（相对）为,41,1.5 主要性能指标,42,有效性指标:有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源数(频率范围或时间间隔)(模拟通信系统和数字通信系统有不同的有效性评估指标!)模拟通信系统的有效性指标：有效传输频带宽度(带宽)在传输的信息量不变的条件下，模拟通信系统所占用地有效带宽越小，系统的有效性越好。数字通信系统的有效性指标：传输速率和频带利用率传输速率和频带利用率分别反映了传输一定信息量时数字通信系统所占用的信道时间间隔和频带宽度。传输速率：码元(消息符号)传输速率和信息传输速率。码元传输速率：每秒钟传送的码元个数(又称码元速率、传码率、波特率)，常用符号RB表示，单位为波特(Baud=Symbol/s)。,43,传输速率(续)：码元(消息符号)传输速率和信息传输速率。若信道上传输一个码元符号所需的时间间隔为Ts秒，则 注：码元速率与进制数无关，仅与传输一个码元符号所需的时间间隔Ts有关!规定：每个二进制码元含有1bit信息量。信息传输速率：每秒钟传送的信息量(又称传信率、比特率)，常用符号Rb表示，单位为比特/秒(bit/s)。信息传输速率Rb和码元传输速率RB的关系 H为数字信息源的平均信息量(单位：比特/符号)。二进制和M进制数字信号的比较：若二进制和M进制数字信号均满足等概率取值的假设条件，则两者的平均信息量H2和HM满足 若码元传输速率RB保持不变的前提下，多进制数字信号的信息传输速率比二进制数字信号高。,44,频带利用率：单位频带内的码元传输速率或信息传输速率(又称为带宽效率)。若数字通信系统在给定的码元传输速率RB或信息传输速率Rb下所占用的信道频率带宽为B(Hz)，则数字通信系统的频带利用率为在数字通信系统的码元传输速率RB一定时，在等概取值条件下，多进制数字信号具有更高的频带利用率，因而多进制数字信号具有更好的传输有效性。其中，为M进制数字信号的频带利用率，为二进制数字信号的频带利用率。注：比较不同的数字通信系统的有效性时，不能单看它们的传输速率，还应比较它们的频带利用率!,45,可靠性指标:可靠性是指接收消息的准确程度(模拟通信系统和数字通信系统有不同的可靠性评估指标!)模拟通信系统的可靠性指标包括：信噪比(signal-to-noise ratio)百分比失真度(percent distortion)发送端波形和接收波形的期望均方误差等。数字通信系统的可靠性指标为差错率包括：误码率Pe：码元(消息符号)在传输过程中被传错(码元丢失)的概率。误信率Pb：码元(消息符号)在传输过程中，其信息量被传错(丢失)的概率。通常，在同等条件下，二进制数字信号的可靠性能要优于多进制数字信号!,46,通信系统的有效性和可靠性之间的矛盾是通信系统所面临的一对主要矛盾从可靠性能来看，二进制数字信号要优于多进制数字信号从有效性能来看，多进制数字信号要优于二进制数字信号,在给定系统条件(信噪比、占用频带宽度)下，保证通信系统可靠性能的条件下，尽可能提高通信系统的有效性是通信系统所面临的主要任务和挑战。,47,数字通信系统性能指标（1）,有效性指标传输速率码元传输速率rs：每秒传送码元的数目rs=1/Ts(Baud、B、波特）信息传输速率rb：每秒传送比特个数 rb=1/Tb(bit/s,bps)rs与rb关系：频带利用率,48,数字通信系统性能指标（2）,可靠性指标传输差错率码元差错率Pe（误码率）：发生错误的码元数在传送总码元数中所占比例，或码元在传输中发生错误的概率信息差错率Pb（误信率）：错误接收的信息量在传送信息总量中所占比例，或码元信息量在传输中丢失的概率有效性与可靠性 有效性和可靠性是可以互换的，而其极限性能遵从香农公式。,49,模拟系统性能衡量指标,信噪比、百分比失真度、发送端波形和接收波形的期望均方误差等。,50,作业,1-71-8补充：已知二进制数字信号在2min内共传送72000个码元，且0、1等概，问：1）码元速率和信息速率各为多少？2）如果码元宽度不变，改为16进制数字信号，码元速率与信息速率分别为多少？3）在2）的条件下，如果误码率为10-3，两分钟内错误的符号个数为多少；如果错误的比特数为54，误比特率为多少？,