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通信原理 Principles of Communications,哈工大（威海）通信工程系,第一章 绪论,2,课程简介,教材及参考书樊昌信等，通信原理，国防工业出版社周炯磐等,通信原理，北京邮电大学出版社 课程内容点对点物理层算法级,第一章 绪论,3,学习基础及方法熟悉信号与系统中傅立叶变换及性质熟悉随机过程中的基本概念熟悉各种常用模块的信号变换关系基于系统模型掌握各种通信系统实验教学硬件实验软件仿真SystemView matlab,第一章 绪论,1.1 通信的基本概念1.2 通信系统的组成1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量1.5 通信系统的主要性能指标,第一章 绪论,5,1.1 通信的基本概念,在人类社会历史的长河中，人际之间进行思想情感的交流离不开信息的传递。古代的烽火台、驿站；现代的电报、电话、传真、电子信箱、广播、电视等都是传递信息的手段和方式。自然界中，人们听到、观察到的现象，可用语言、文字、图像等信息来表达、存储或传递。信息被认为是人类社会重要资源之一，在政治、军事、生产乃至人们日常生活中起着十分重要的作用。,第一章 绪论,6,语言、数据、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷这些信息。电（光）信号经通信系统传送至接收端，收端将电（光）信号还原成语言、数据、图像等信息。通信就是传输信息，以语言、图像、数据为媒体，通过电（或光）信号将信息由一方传输到另一方。,第一章 绪论,7,1.2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统的一般模型 我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型如图1-1所示。,第一章 绪论,8,图1-1 通信系统的一般模型,第一章 绪论,9,发送端:信息源的作用是把信息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号；发送设备将原始电信号处理成适合在信道中传输的信号。它所要完成的功能很多，例如调制、放大、滤波和发射等，在数字通信系统中发送设备又常包含信源编码和信道编码等。信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。,第一章 绪论,10,接收端：接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号；受信者将复原电信号转换成相应的信息。,第一章 绪论,11,1.2.2 模拟通信系统模型 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。,图1-2 模拟通信系统模型,第一章 绪论,12,以语音信号为例来说明下图模拟通信系统模型各部分的作用。,第一章 绪论,13,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。,第一章 绪论,14,1.2.3 数字通信系统一般模型,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。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。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。,第一章 绪论,15,图1-3 数字通信系统模型,第一章 绪论,16,信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。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。,第一章 绪论,17,二、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,第一章 绪论,18,数字通信与模拟通信比较,模拟信号与数字信号 根据电信号参量是否离散进行判断 二进制与多进制模拟通信系统与数字通信系统模拟系统接收机必须处理无穷多个波形数字系统接收机处理已知波形集中有限个波形之一数字通信系统的优点更好的抗失真和干扰的能力,第一章 绪论,19,容易实现，成本低，更具灵活性差错控制编码容易实现保密通信更适合数字业务，容易实现多网合一数字通信系统的缺点数字信号具有更宽的频带同步设备复杂,第一章 绪论,20,1834年，高斯与韦伯制造出电磁式电报机；1837年，莫尔斯发明有线电报；1842年，实现莫尔斯电报通信；1864年，马克斯韦尔提出电磁辐射方程；1876年，贝尔发明电话；1896年，马可尼发明无线电报；1918年，调幅无线电广播、超外差接收机问世；1925年，开始采用三路明线载波电话、多路通信；1936年，调频无线电广播开播；,通信发展概况,第一章 绪论,21,1937年，发明脉冲编码调制原理；1938年，电视广播开播；19401945年，“二次大战”刺激了雷达和微波通信系统的发展；1948年，发明晶体管，香农提出了信息论；1950年，时分多路通信应用于电话；1957年，发射第一颗人造卫星；1958年，发射第一颗通信卫星；1960年，发明激光；1961年，发明集成电路；,第一章 绪论,22,1962年，发射第一颗同步通信卫星，脉冲编码调制进入实用阶段；1960一1970年，彩色电视问世、阿波罗宇宙飞船登月、数字传遥的理论和技术得到了迅速发展，出现高速数字电子计算机；1970一1980年，大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理 机等迅速发展；1980年以后，超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用，互联网崛起；1990年以后，卫星通信、移动通信、光纤通信等进一步发展，DTV(清晰度电视)，HDTV(高清晰度电视)不断成熟，GPS(全球定位系统)广泛应用。2000年以后，GSM，CDMA等移动通信迅速增长，通信飞跃发展。,第一章 绪论,23,1.3 通信系统的分类及通信方式,1.3.1 通信系统的分类按照媒质的类型划分有线通信系统 用导线或导引体作为传输媒质完成通信。如架空明线、同轴电缆、海底电缆、光导纤维、波导等。无线通信系统 依靠电磁波在空间传播达到传递信息的目的。如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。,第一章 绪论,24,按照信道传输信号类型划分模拟通信系统数字通信系统按照调制方式划分基带传输系统 是将没有经过调制的信号直接传送。如音频 市内电话。频带（调制）传输系统 是对基带信号调制后再送到信道中传输。,第一章 绪论,25,按照信号复用方式划分频分复用时分复用码分复用按照消息的物理特征划分电报通信系统电话通信系统数据通信系统,第一章 绪论,26,1.3.2 通信方式,按消息传送的方向与时间关系划分单工通信半双工通信全双工通信 单工通信是指信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图1-5（a）所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里信号只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和BP机上。,第一章 绪论,27,半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图1-5（b）所示。例如无线对讲机、收发报机等都是这种通信方式。全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式，如图1-5（c）所示。例如普通电话、计算机通信网络等采用的就是全双工通信方式。,第一章 绪论,28,图1-5 通信方式示意图,第一章 绪论,29,按数字信号码元排列方法划分并行通信 将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输通信方式，如图1-6（a）所示。并行传输的优点是速度快、节省传输时间，但需占用频带宽，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。,第一章 绪论,30,串行通信 将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，如图1-6（b）所示。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,图1-6 并行和串行通信方式,第一章 绪论,31,按照通信设备与传输线路连接划分 专门为两点之间设立传输线的通信称为点对点通信（专线通信）。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。本书重点讨论点对点通信。,第一章 绪论,32,通信系统举例计算机网络,集线器,第一章 绪论,33,通信系统举例-电话网络,移动业务交换中心,市话局,中继线,Modem,第一章 绪论,34,1.4 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。信息可理解为消息中所含有的特定内容。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。,第一章 绪论,35,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。,第一章 绪论,36,在信息论中，单个消息所含信息量I与消息x出现概率p(x)的关系式为 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。a=2,比特（bit binary unit的缩写）；a=10,哈特莱（natnature unit的缩写）；a=e,奈特（Hart Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。,第一章 绪论,37,离散信源等概M个消息之一M进制波形之一，且概率相等,每个波形携带信息量若M=2k,I=k(bit)非等概,第一章 绪论,38,最大信源熵发生在信源的每个符号等概独立出现时，最大信源熵为,第一章 绪论,39,第一章 绪论,40,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 式中,f(x)是连续消息出现的概率密度。有兴趣的同学，可参考信息论有关专著。,第一章 绪论,41,1.5 通信系统的主要性能指标,通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。有效性：消息传输的“速度”问题；可靠性：消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中，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。,第一章 绪论,42,模拟系统性能衡量指标有效性指标有效传输带宽 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。可靠性指标均方误差、信噪比 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。,第一章 绪论,43,数字通信系统性能指标有效性指标传输速率码元传输速率RB：每秒传送码元(符号)的数目RB=1/TB(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),第一章 绪论,44,RB与Rb关系：频带利用率可靠性指标传输差错率误码率Pe：误比特率Pb：,第一章 绪论,45,