文元美现代通信原理课件1.现代通信系统原理绪论.ppt

第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 通信系统原理 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 通信原理（Principle of Communication） 准备知识： 概率论、随机过程、信号与系统 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 第1章 绪 论 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信技术发展概况 1.4 数字通信系统的主要性能指标 1.5 数字通信的主要技术问题 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1 通信的基本概念 1.1.1 通信的定义 1、通信的目的是传递消息。 消息的表达形式：语言、文字、图像、数据等。 2、通信的一般概念（定义） 指由一地向另一地进行消息的有效传递。 实现通信的方式很多。目前使用最广泛的是电通信方式 ，即用“电”来传递消息的通信方法，称为“电信”（ telecommunication)。即用电信号携带所要传递的消息，然后 经过各种电信道进行传输，达到通信的目的。（广泛意义上 来讲，光通信也属于电通信，因为光也是一种电磁波）。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 把利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一 地向另一地进行消息的有效传递和交换称为“通信”。 有效而可靠地传递信息。 通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术， 它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要 在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 通信和电信概念（孙钰） （1）通信（Communication）： 通信是按照一致同意的协定传递消息。 通信是传递消息。 （2）电信（Telecommunication）： 电信是利用有线、无线、光或其它电磁系统 传递代表符号、书写件、影像、声音或其它 承载信息的媒体的信号。 电信是传递信号。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 （3）电信与通信的关系： 中国电信界一个被默认的基本概念混扰： 通信是传递消息；电信是传递信号。 中国电信界通常所说,其实是。 Telecommunication过去有人翻译成或。 电信 通信 讨论 书报 邮政 其他 文娱 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1.2 通信的分类 一、分类 1. 按传输媒质分 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分 为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。 2. 按信道中所传信号的不同分（按信号特征分） 信道是个抽象的概念。这里我们可理解成传输信号的通路 。通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，由此通 信亦可分为数字通信和模拟通信。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 3. 按工作频段分 通信使用的频段及主要用途 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 续表 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 通信中工作频率和工作波长可互换，公式为 式中，为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的 传播速度，通常认为C=3108 m/s 。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 4. 按调制方式分 根据消息在送到信道之前是否采用调制， 通信可分为基带传输和频 带传输。 按调制所用载波的不同，有不同的调制方式，即连续波调制以及脉 冲波调制（见下表）。 若载波为正弦波，正弦波有三要素：幅度A、频率F、相位P。 若载波为脉冲波，脉冲波有脉冲幅度A、宽度W、位置P三要素。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 常见的调制方式 调 制 方 式 用途 连 续 波 调 制 线性调制 常规双边带调 制 AM 广播 抑制载波双边带调 幅 DSB 立体声广播 单边带调 幅SSB 载波通信、无线电 台、数 传 残留边带调 幅VSB 电视 广播、 数传、 传真 非线性调 制 频率调制FM 微波中继、卫星通信、广 播 相位调制PM 中间调 制方式 数字调制 幅度键控ASK 数据传输 频率键控FSK数据传输 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 常见的调制方式(续表) 调 制 方 式 用途 数字调制相位键控PSK、 DPSK 、 QPSK等 数据传输 、 数字微波、 空间通信 其他高效数字调制 QAM、 MSK等 数字微波、 空间通信 脉 冲 波 调 制 脉冲模拟 调制 脉幅调制PAM 中间调 制方式、 遥测 脉宽调 制PDM(PWM) 中间调 制方式 脉位调制PPM 遥测、 光纤传输 脉冲数字 调制 脉码调 制PCM 市话、 卫星、 空间通信 增量调制DM 军用、 民用电话 差分脉码调 制DPCM 电视电话 、 图像编码 其他语言编码 方式 ADPCM、 APC、 LPC 中低速数字电话 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 5. 按业务的不同分 目前通信业务可分为电报、电话、 传真、 数据传输、 可视电话、 无线寻呼等。 另外从广义的角度来看，广播、 电视、 雷达、 导航、 遥控、 遥测等也应列入通信的范畴， 因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航 等的不断发展，目前它们已从通信中派生出来，形成了独立 的学科。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 6. 按收信者是否运动分 通信还可按收信者是否运动分为移动通信和固定通信。移 动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。移 动通信已被列为现代通信中的三大新兴通信方式之一。 另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可 分为频分多址(FDMA)通信、时分多址(TDMA)通信、码分多 址(CDMA)通信等。按用户类型可分为公用通信和专用通信等 。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 二、通信方式 前述通信系统是单向通信系统，但在多数场合下 ，信源兼为信宿，需要双向通信，电话就是一个最好 的例子，这时通信双方都要有发送和接收设备，并需 要各自的传输媒质，如果通信双方共用一个信道，就 必须用频率或时间分割的方法来共享信道。因此，通 信过程中涉及通信方式与信道共享问题。 下面介绍通 信方式。 1 按消息传递的方向与时间关系分 对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时 间关系， 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信 三种。 单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式 ， 因此只占用一个信道， 如图 (a)所示。广播、遥测 、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 单工、 半双工和全双工通信方式示意图 (a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 半双工通信，是指通信双方都能收发消息， 但不能同 时进行收和发的工作方式，如图 (b)所示。例如，使用同一 载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数 据通信都是半双工通信方式。 全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工 作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道，如 图 (c)所示。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式 ， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2 按数字信号排列顺序分 在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并 行传输和串行传输。 并行传输是将代表信息的数字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，如图（a）所示。并 行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多， 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。 串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条 信道上传输， 如图 (b)所示。通常，一般的远距离数字通信 都采用这种传输方式。 此外，还可以按通信的网络形式划分。由于通信网的 基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点 之间的通信上。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 并行和串行通信方式示意图 (a) 并行传输； (b) 串行传输 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.2 通信系统的组成 通信系统的模型 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 卫星通信系统组成 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 数字蜂窝移动通信系统组成 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 无线电语音广播原理图 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 无线电视广播系统原理方框图 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.2.1 模拟通信系统 图 1-5 模拟通信系统模型 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.2.2 数字通信系统 1. 数字频带传输通信系统 图 1-6 数字频带传输通信系统模型 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2. 数字基带传输通信系统 图 1-7 数字基带传输通信系统模型 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 3. 模拟信号数字化传输通信系统 图 1-8 模拟信号数字化传输通信系统模型 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.2.3 数字通信的主要优缺点 1. 数字通信的主要优点 (1) 抗干扰、 抗噪声性能好。 (2) 差错可控。 (3) 易加密。 (4) 易于与现代技术相结合。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号；(b)数字信号 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2. 数字通信的缺点 (1) 频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带 宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060kHz的带 宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽。如果系统传输带宽 一定的话， 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍 。 (2) 需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信 号，必须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系 统及设备一般都比较复杂，体积较大。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.3 通信技术发展概况 1.3.1 通信发展简史 表 1-2 通信重大事件表 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 表 1-2 通信重大事件表 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.3.2 通信技术的现状和发展趋势 1. 光纤通信 光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰， 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977 年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通 信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日 臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现 ，使每芯光纤通 话路数可高达百万路，中继距离将达到100 km，市话中继光纤 成本也连续大幅度下降。 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度 累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部 采用光纤通信新技术。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2. 卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远， 覆盖面积广， 不受地理 条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自 1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。 目前， 卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组 织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大 活动能及时得以实况转播， 它使全世界人与人之间的“距离”缩 短。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 3. 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它 是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展 起来的。 近10年来， 在微电子技术和计算机技术的推动下， 移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有 线、 无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至 全球范围的通信系统。 移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。20世纪 90年代将是蜂窝电话迅速普及的年代。但目前世界上存在八种 不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。数字 化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。微型化的 目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 4. 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有 易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一， 主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用 SSB/FM/FDM等方式。 微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增 加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前 采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、 1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40 MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话 。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.4 数字通信系统的主要性能指标 1.4.1 一般通信系统的性能指标 (1) 有效性指通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢。 (2) 可靠性通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏。 (3) 适应性。 指通信系统使用时的环境条件。 (4) 经济性。 指系统的成本问题。 (5) 保密性。 指系统对所传信号的加密措施. (6) 标准性。 指系统的接口、 各种结构及协议是否合乎国家、 国际标准。 (7) 维修性。 指系统是否维修方便。 (8) 工艺性。 指通信系统各种工艺要求。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产 生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方 法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容 才构成信息；因此，信息含量就是对消息中不确定性的 度量。 消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大 。 假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉 的信息，根据上面的认知， 显然I与P(x)之间的关系反映 为如下规律： 1.4.2 信息及其量度 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 (1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即 (2) 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大； 反之信 息量愈小。 且 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 (3) 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于各 独立事件信息量的和， 即 可以看出I与P(x)间应满足以上三点， 则它们有如下关系式： 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 信息量I的单位与对数的底数a有关： a=2 单位为比特(bit，简写为b)； a=e单位为奈特(nat，简写为n)； a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位； a=r单位称为r进制单位。 通常使用的单位为比特。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每 个符号的信息量。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 由以上分析可以看出： 若传送等概出现的两个消息之一时，至少要一位二 进制脉冲。 若传送等概出现的N个消息之一时，至少需要 位二进制脉冲。 当消息的信息量用比特表示时，它所含的信息量可 以用传送它所需要的最少的二进制脉冲数来表示。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 设由5个符号组成的信息源，相应概率为 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 一信息源由4个符号A、 B、 C、 D组成，它们出现的 概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试 求信息源输出为CABACABDACBDAABCAD- CBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA 的信息量。 解： 信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C 出现13次，D出现7次，共有57个。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 该信息源总的信息量为 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.4.3 有效性指标的具体表述 1. 码元传输速率 码元传输速率通常又可称为码元速率、数码率、传码率、 码率、信号速率或波形速率，用符号RB来表示。码元速率是指 单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波特(Baud)，常 用符号“B”表示。 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信 号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制， 多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间，在保证系 统信息速率不变的情况下，相互可转换，转换关系式为 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2. 信息传输速率 信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率 等。信息传输速率用符号Rb表示。Rb是指单位时间(每秒钟)内 传送的信息量。单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。 因为信息量与信号进制数N有关，因此，Rb也与N有关。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 3. Rb与RB之间的互换 在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2的关系在数值上 相等，但单位不同。 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它 们之间在数值上有如下关系式 在码元速率保持不变条件下，二进制信息速率Rb2与多进 制信息速率RbN之间的关系为 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 已知二进制数字信号在2min内共传送了72 000个码元 ，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不 变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速 率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在260s内传送了72 000个码元 RB2=72 000/(260)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s ) (2) 若改为8进制 则 RB8=72 000/(260)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.4.4 可靠性指标的具体表述 1. 码元差错率Pe 码元差错率Pe简称误码率，它是指接收错误的码元数在传 送总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率就是码元在传 输系统中被传错的概率。用表达式可表示成 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 2. 信息差错率Peb 信息差错率Peb简称误信率，或误比特率，它是指接收错误 的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的 信息量在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示成 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 例 已知某八进制数字通信系统的信息速率为12 000 b/s， 在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误 码率。 解 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.5 数字通信的主要技术问题 1.5.1 数字调制/解调 调制与解调是数字通信系统的核心，是最基本的也是最 重要的技术之一。调制的作用是将输入的数字信号(基带数字 信号)变换为适合于信道传输的频带信号。常见的基本数字调 制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、 绝对相移键控 (PSK)、 相对(差分)相移键控(DPSK)等四种。 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.5.2 信源编码/译码 信源编码的主要任务：第一是将模拟信号转换成数字信 号(即模拟信号数字化问题)，第二是实现数据压缩(数据压缩 已超出我们的大纲范围)。 第 3 章将