通信原理第1章概论.ppt
2023/11/17,湖南师范大学物信学院,1,第1章 概论,1.1 通信的发展及分类 1.2 消息、信息与信号 1.3 数字通信 1.4 信道 1.5 信道中的噪声 1.6 信道容量,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,2,学习目标通信的发展历史、现状及趋势；常用通信术语；信号、信息与消息的区别；通信系统的组成和分类，通信方式；数字通信系统的主要特点；离散消息的信息量；码元速率，信息速率，频带利用率，误码率；信道的分类；典型的信道噪声；,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,3,1.1 通信的发展及分类,一、通信发展经历了五个阶段，其标志性事件：1、语言的产生，使人类有了比较完整的表达和交流形式。2、文字的产生，增大了交流的距离和流传的范围。3、印刷术的发明，使文明得以保存，世代相传，信息得以扩张。4、电报、电话、无线电等技术的发展，形成了通信理论和技术，形成了现代的通信产业。5、计算机技术、多媒体技术、有线及无线网络技术的发展，使信息交流达到了一个新的高度（3C融合：Computer、Communication、Consumer Electronic)。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,4,二、50年代以来通信技术的发展：50年代出现了同轴电缆和微波系统，使通信的容量大幅度增加，成本大幅度下降，促进了长途通信的发展。60年代使用了海底电缆和卫星通信，使国际通信得到迅速发展。70年代以来，大规模集成电路、光纤通信系统得到应用，数字通信进入全盛时期，包括语言、文本、数据、图像等信息，传输的综合业务数字网崛起，标志世界开始进入“信息时代”。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,5,三、通信系统分类与通信方式,1 按通信业务分类 通信系统可分为话务通信和非话务通信。近年来，非话务通信发展迅速，未来的综合业务数字通信网中各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。2 按调制方式分类 通信系统分为基带传输和频带（调制）传输（见下表）。提示：重点理解“连续波调制”和“数字调制”的关系、“脉冲调制”和“模拟调制”的关系。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,6,常见的调制方式,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,7,续表（2）,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,8,3 按信号特征分类 通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。4 按传输媒质分类 通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。5 按工作波段分类 通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。6 按信号复用方式分类 主要有三种：频分复用、时分复用、码分复用。另外还有空分复用SDMA、波分复用WDMA、极化波分复用PWDMA,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,9,信息（或消息）的传输和交换。（研究的对象：信源与信道）信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像等。消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。P(x)1时，I0 P(x)0时，I是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。,通信:消息：信息：电通信：信号：,1.2 消息、信息与信号,一、常用术语,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,10,重点理解以下几组术语的内涵和区别：（1）消息与信息：“不确定度”或者“概率”例：“明天降雨量将有一毫米”-信息量小“明天降雨量将达到一米”-信息量大“明日太阳将从东方升起”-信息量为零（2）信号与信息：数字信息可以用模拟信号来传输。比如前面表格中提示“连续波调制”中的“数字调制”，“脉冲调制”和模拟调制”的关系。又如计算机数据，通过56Kbps的普通MODEM拨号上网，就是采用模拟传输的。但是ADSL则是采用数字信号方式传送，这取决于采用什么调制技术。（3）数字通信与数据通信：数字通信侧重于讲技术；而数据通信则侧重于和语言通信等区别；引申：图像与图象,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,11,二、信息量的计算,1.单个消息所含的信息量是它出现概率P(x)的函数：I=loga 1/P(x)=-logaP(x)这就是信息量的定义。当a=2时，信息量的单位为“bit”；当a=10时，信息量的单位为“hartley”；当a=e时，信息量的单位为“nat”；例1:假设明天天晴的概率为1/2，则“明天会天晴”这则消息的信息量为：I=-log2 1/21 bit例2：一个二进制的信号源（如电脑串口），等概率的发送0、1离散消息，求“0”和“1”所含的信息量。解析：0符号出现的概率是1/2，所以“0”所含的信息量为I=-log2 1/21 bit。同理，“1”所含的信息量也是I=-log2 1/21 bit。,回最近,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,12,2.信息量满足叠加性，前提是构成事件的消息互相独立例3：求例2中每个符号（在波形上讲就是“码元”）的信息量。解析1：因为每个符号不是等于0就是等于1，两者只能取其一，所以 I=符号“1”的信息量或者符号“0”的信息量1 bit思考：求M进制等概率离散信源每个码元的信息量。3.信源平均信息量 定义：每个符号所含信息量的统计平均值。对于数字波形传输的信号来讲，它的值也等于每个码元（符号）的信息量的统计平均值，即每个符号所含的平均信息量。H(x)因为H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号（注意单位的不同与内涵的一致！）.例4：求例2信源的平均信息量解析：H(x)1/2 log2 1/(1/2)1/2 log2 1/(1/2)=1/2+1/2=1bit/符号,回最近,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,13,例4：一离散信源由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2010201302130012032101003210100231 02002010312032100120210的信息量。,(2)每个符号的算术平均信息量为,(3)若用熵的概念来计算，由式（1.3-5）得,解析：(1)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，故该消息的信息量为,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,14,可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。【思考】模拟连续信号的信息量怎么计算？对于连续消息，抽样定理告诉我们：一个频带受限的连续信号，可以用每秒一定数目的抽样值代替。而每个抽样值可以用若干个二进制脉冲序列来表示。因此，以上信息量的定义和计算同样适用于连续信号。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,15,1.3 数字通信,1.3.1基本概念 模拟信号：取值连续，例如语音 数字信号：取值离散，例如数据,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,16,两类通信系统 模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法 数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,17,1.3.2 数字通信的优点（1）抗干扰性强：一是采用整形技术；二是采用纠错检错等信道编码技术（2）保密性好：因为可采用高性能数字加密技术（3）便于处理、存储和处理（4）易于设备的集成化,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,18,1.3.3 通信模型,通信的基本目的通过信道由信源向信宿传送消息。,一、数字通信系统模型,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,19,信源：顾名思义，指信息产生的源头，可以是人或设备。其发出的信息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。,信源编码的基本部分是压缩编码和保密通信。分别是提高通信的有效性（即在相同的速率下传输更多有用的信息）和安全性。典型的有低速率语音通信技术，从64kbps的普通PCM、32kbps移动通信语音编码（线性激励预测编码）一直到只有1kbps的军事语音通信。通信安全性（详见第14章），主要有私钥和公钥两大类。（互联网上典型的PGP软件）,1,2,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,20,3,4,信道编码的是提高可靠性。方式是增加冗余信息（如奇偶校验位）。索引：微机原理课程中讲的串口通信中，每个字节最后一位是校验位，所以只有七位信息位。,调制。（1）目的是使信号特性与信道特性相适应(也包括复用)。（2）基带调制和带通调制(广义上的)，对应为基带传输和频带传输。典型的数字基带传输：串口通信 典型的数字频带传输：手机的蓝牙接口、红外接口,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,21,5,6,信道（1）有线和无线（2）基带信道（双绞线）和带通信道（无线电信道）,噪声（1）噪声的存在是绝对的。噪声的干扰实际存在于整个通信系统中，为便于分析，并考虑到信道上的干扰最为严重，故通信模型把噪声干扰集中在信道上表示为n(t)。（2）噪声的分类，重点是加性噪声（因为混频器等非线性的乘性噪声，一般不考虑）,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,22,7,解调在接收端将收到的数字频带信号还原成数字基带信号。,（1）信道解码（2）信源解码（3）信宿,同步。如：（1）电信业务语音交换机中的铯原子钟同步（2）时钟信号的提取,8-10,11,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,23,二、模拟通系统信模型,信,源,调 制,信,道,解调,信,宿,噪声源,模拟通信系统模型,n(t),该通信模型示意图是原理性的，表面上描述的是一个一对一的单向通信系统，但它却是适于各种通信系统的一个抽象模型，概括地反映了各种通信系统实际应用中的共性。实际应用中通信系统往往是双向的，而且可能是多个信源与多个信宿间的通信。如DCE到DCE，一般不是简单的点对点的关系，而是涉及比较复杂的网络结构，包含交换技术、路由选择等内容。另外对于同步，也只是一种时间上协调的会意性描述。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,24,1.3.4 主要性能指标,衡量一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定时间内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度的大小”或者“同等速度下有效信息的多少”问题；而可靠性是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常可以互换。一、模拟通信系统的衡量指标 提示：补充内容（1）有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。（2）可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。矛盾与统一：如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,25,二、数字通信系统的（1）有效性可用传输速率来衡量（2）可靠性可用差错率（错误率）来衡量。1.传输速率：核心是波特率和比特率(1)码元传输速率RB 简称传码率，又称符号速率、波特率等。定义：它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。注意：数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关（物理上的概念）:其它：串口通信等常用波特率来描述。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,26,例如码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。,或,(2)信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。定义：表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或 b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量。一般M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示。,回顾,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,27,（3）消息速率(RM)比如传送文字时“字/S”。但是一般要加奇偶校验位、起始位/结束位（异步通信）或者同步位(同步通信)。（4）频带利用率 真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率或者信息速率：,数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。,（5）能量利用率（略）,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,28,2.差错率 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误比特率表示。(1)误码率（码元差错率）Pe 是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即,(2)误比特率（误信率）Pb 是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例（错误接收的信息量在传输信息总量中所占的比例），即,显然，在二进制中有,（3）误字率Pw=错误接收字数/总传输字数,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,29,1.4 信 道 1.4.1 信道的定义信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：物理上的概念，信号传输媒质：无线信道和有线信道广义信道：不仅是传输媒质，而且包括通信系 统中的一些转换装置。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,30,有线信道，如电缆光纤等,无线信道，如中短波、微波信道等,恒参信道,随参信道,有记忆信道,无记忆信道,广义信道,狭义信道,调制信道,编码信道,信道,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,31,广义信道与通信系统有关的变换装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。,有线信道-明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。,狭义信道按照传输媒质的特性可分为：,无线信道-地波传播、短波电离层反射、超短波 或微波视距中继、人造卫星中继、散 射及移动无线电信道等。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,32,1.4.2 无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求频段（波长）划分电磁波传播：地波、天波、视线传播,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,33,-微波中继通信 在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，特别是通信距离很远，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信。无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz300GHz。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,34,-卫星通信 短波通信容量小，不稳定，微波中继通信不能越洋，海底电缆费用太高。如在远离地球35800公里的赤道上空的同步卫星上设置一个“微波中继站”，则通信距离可长达18000公里，范围覆盖地球表面的三分之一以上。在地球赤道上空均匀地分布三颗卫星，基本上可实现全球范围的通信。卫星通信最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信的缺点是：传播时延较长。其发展方向也是数字调制、时分多路及向更高频段发展。地面系统的发展趋势是小型化。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,35,-红外线和激光通信 红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。-移动通信 公用移动通信（移动电话、无线寻呼）和专用移动通信（导航、卫星定位等）近几年发展迅速。移动通信发展方向是数字化、微型化和标准化。人类对新技术的追求是无止境的，对新的通信系统和通信技术的研究仍在不断进行，新的通信系统和通信技术也将会不断服务于人类。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,36,1.4.3 有线信道明线对称电缆同轴电缆,架空明线、对称电缆工作频率：3Hz300KHz同轴电缆工作频率：300KHz60MHz 与架空明线相比同轴电缆抗干扰能力强，容量大，（能传送数千乃致万路载波），是长途干线的主要通信手段。同轴电缆有逐渐被光纤电缆取代的趋势。典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图所示。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,37,-光纤通信 光纤通信70年代开始发展，工作频率：105 107 GHz。容量大，成本低，不受电磁干扰。每路光纤通话路数可达百万路，且由于其低损耗性，中继距离将超过100公里。发展方向是长波长光纤通信，大容量数字传输技术和相干光通信。只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（Multimode Fiber），如图所示。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,38,广义上的信道有调制信道模型和编码信道模型两种。1.调制信道模型 分为随参信道（变参）和恒参信道两种。调制信道模型:对于单“端对”信道eo(t)=f ei(t)+n(t)式中 ei(t)输入的已调信号；eo(t)输出信号；n(t)加性噪声，它与ei(t)相互独立。f ei(t)与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,1.4.4 信道模型,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,39,f ei(t)一般为乘积项。具体表达式为：eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示时变线性网络的特性，称为乘性干扰。k(t)一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟 等。最简单情况：k(t)=常数，表示衰减。当k(t)=常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,40,编码信道模型:编码信道包括调制信道、调制器和解调器，是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0),P(1/1)正确转移概率 P(0/1),P(1/0)错误转移概率 转移概率 决定于编码信道的特性 P(0/0)=1-P(1/0)P(1/1)=1-P(0/1),2023/11/17,湖南师范大学物信学院,41,1.4.5 信道特性对信号传输的影响,1.恒参信道:(1)是一个非时变线性网络(2)主要传输特性可以幅频和相频特性描述(3)线性失真(可以均衡)和非线性失真2.随参信道(1)3个共同特点:传输衰减随时间而变；传输时延随时间而变；传输路径多条，且每条长度和衰减都随时间而变，即存在多径传播现象；(2)典型：移动通信中的瑞利衰减、多普勒频率调制等,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,42,1.5 信道中的噪声,一、两大类：加性噪声：绝大多数都是的，如热噪声等(Added noise)乘性噪声：一般是非线性畸变二、按照来源分类（加性噪声）：人为噪声：电火花、家用电器自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声（注意：有些书中也把“热噪声”等“内部噪声”归为一类）按照性质分类（加性噪声）：脉冲噪声窄带噪声（有些叫做单频噪声）起伏噪声（通常被认为是近似高斯白噪声，如热噪声等）今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声 热噪声是一种典型白噪声。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,43,信道容量(Channel capacity)是指信道中信息无差错传输的最大速率。这里只讨论连续信道的信道容量。香农公式(Shannons channel coding theorem)假设信道的带宽为B（Hz）,信道的输出功率为S（W）及输出加性带限高斯白噪声功率为N（W），则该信道的信道容量（理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值）为,1.6 信道容量,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,44,香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,45,由香农公式可得以下结论：,(2),(1),(3),2023/11/17,湖南师范大学物信学院,46,2.香农公式的应用 由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N之间可以互相转换。如果信道容量C给定，互换前的带宽和信号噪声功率比分别为B1和S1/N1，互换后的带宽和信号噪声功率比分别为B2和S2/N2，则有,给定n0时,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,47,例：某信道的频率范围处于3MHz 4MHz之间，信噪比为24dB，求该信道的信息传输速率。,分析：实际信道一般达不到香农公式计算出来的C值，因为每条信道中都有许多没有考虑的衰减因素，该公式只是提供了信道信息传输速率的理论上限。,2023/11/17,湖南师范大学物信学院,48,本章作业,
