通信技术授课讲义.ppt

1 通信原理 国防科技大学电子科学与工程学院主讲 马东堂电话 75776mail dongtongma gfkd mtn 军网 网上课程 通信原理 合训 2 课程简介 课程性质和任务 通信原理 是电子 通信 计算机和信息处理等专业的一门重要的专业基础课 主要讲述信息传输的基本理论和技术 本课程通过课堂教学 习题练习和实验等教学环节 旨在给同学们奠定扎实的通信理论基础的同时 让大家学习和了解更多的现代通信技术和理论 授课对象 大三本科学员 3 课程简介 课程要求 1 掌握数字通信系统的基本组成 工作原理 常用的性能指标和分析方法 了解数字通信系统的特点 2 掌握脉冲编码调制 增量调制 差分脉码调制等常用的模拟信号数字化方法 3 掌握数字信号基带传输和频带传输的基本原理 掌握数字通信中常用的调制方式与解调方法 4 了解同步的原理 4 课程简介 前期课程 信号与系统 随机信号分析 电子线路等 后续课程 编码理论 无线通信系统 通信网络等 考核方式 笔试占85 实验占15 5 学时安排 6 教材 通信原理 通信原理教学组 7 参考书 现代通信原理 曹志刚 钱亚生清华大学出版社 通信原理 第6版 樊昌信 曹丽娜国防工业出版社 8 第一章绪论 9 学习目标 理解通信的基本概念和常用术语 区别模拟信号和数字信号 掌握数字通信系统的组成 分类和通信方式 了解数字通信系统的主要特点 理解信息的内涵 分析离散信源的平均信息量 理解码元速率 信息速率 频带利用率 误码率误比特率等通信系统性能指标 了解各种实际信道以及信道容量的概念 10 第1章绪论 1 1通信技术的发展与信息社会1 2通信系统的组成与分类1 3通信方式1 4信息及其度量1 5通信系统主要性能指标1 6信道 主要内容 11 1 1通信技术的发展与信息社会 通信的目的是传递消息中包含的信息 中国古代的一种重要通信方式是烽火狼烟 利用驿站传递文书 12 1 1通信技术的发展与信息社会 1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在 13 1 1通信技术的发展与信息社会 1895年 意大利的马可尼和俄国的波波夫把电磁波应用到无线电报通信中 1906年 26岁的美国青年德弗雷斯特发明了真空电子管并首先应用于通信 1918年 出现无线电广播 1948年 香农奠定了经典信息论基础 1958年 第一颗通信卫星上天 1960年 激光器问世 1961年 发明集成电路 1977年 第一个光纤通信系统投入使用 14 150年来人类通信能力增长示意图 公里 每秒比特 1 1通信技术的发展与信息社会 15 1 1通信技术的发展与信息社会 军事通信的能力要求 立体覆盖能力互连互通能力宽带传输 交换能力多业务综合能力多功能综合能力运动中通信能力保密与抗干扰能力 16 第1章绪论 1 1通信技术的发展与信息社会1 2通信系统的组成与分类1 3通信方式1 4信息及其度量1 5通信系统主要性能指标1 6信道 主要内容 17 1 2通信系统的组成与分类 1 2 1通信系统的基本构成 传输信息所需的一切技术设备和传输媒介的总和称为通信系统 产生或发出消息的人或机器 接收消息的人或机器 将信源产生的消息信号变换成便于传送的形式 从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号 18 1 2通信系统的组成与分类 信源和信宿模拟信源 输出模拟信号数字信源 输出数字信号如何区别数字信号和模拟信号 19 1 2通信系统的组成与分类 模拟信号波形 数字信号波形 模拟信号特征量取值连续的信号 数字信号特征量取值离散的信号 20 1 2通信系统的组成与分类 发送设备基本功能是将信源和传输媒介匹配起来 将信源产生的信号变换为便于发送的形式 调制是最常见的变换方式 还包括许多特殊的处理 如多路复用 保密处理 纠错编码处理等等 21 1 2通信系统的组成与分类 信道从发送设备到接收设备信号传递所经过的媒介 可以是无线的 也可以是有线的 信道特性及其引入的噪声直接关系到通信质量 接收设备完成发送设备的反变换 即从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号来 22 1 2通信系统的组成与分类 双向通信系统 23 1 2通信系统的组成与分类 1 2 2通信系统的分类 按照通信业务和用途分类常规通信话务通信非话务通信控制通信遥测 遥控 指令通信等 24 1 2通信系统的组成与分类 按调制方式分类根据是否采用调制 可分为基带传输和调制传输 基带传输 将未调制的信号直接传送 调制传输 将信号变换成适合信道传输的形式后传送 目的是便于信息的传送 提高系统的抗干扰能力 改善通信系统性能 25 1 2通信系统的组成与分类 26 1 2通信系统的组成与分类 27 1 2通信系统的组成与分类 28 1 2通信系统的组成与分类 按传输信号的特征分类模拟通信数字通信按传输媒介分类有线通信无线通信 29 1 2通信系统的组成与分类 按传送信号的复用方式分类频分复用时分复用码分复用波分复用 频分复用 时分复用 30 1 2通信系统的组成与分类 按传送信号的多址方式分类频分多址 FDMA FrequencyDivisionMultipleAccess 时分多址 TDMA TimeDivisionMultipleAccess 码分多址 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 31 1 2通信系统的组成与分类 按工作波段分类 3KHz30KHz300KHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz 105m104m103m102m101m1m10 1m10 2m10 3m 频率 波长 32 1 2通信系统的组成与分类 国际通用的频段名称 33 1 2通信系统的组成与分类 按频带利用方式 无线电通信可分为定频窄带通信 跳频通信 扩频通信等系统 跳频通信与扩频通信具有较强的抗有意干扰的能力 是军事通信的重要手段 34 慢速跳频通信即可对抗定频干扰 1 2通信系统的组成与分类 跳频通信是收发双方按照伪随机的规律快速改变发射和接收频率以躲避敌方干扰的无线通信技术 35 工作时间 工作频率 1 2通信系统的组成与分类 快速跳频通信可对抗瞄准式干扰 36 1 2通信系统的组成与分类 扩频 直扩 是用速率比信息码高得多的伪随机扩频码改造发送信号 使发射信号频谱大大展宽 在接收端经过相应的解扩处理恢复原始信息 同时抑制干扰信号的通信技术 普通窄带系统 窄带信号频谱 扩频通信系统 扩频处理 解扩处理 恢复发送端窄带信号 存在窄带干扰时的扩频系统 窄带信号频谱 扩频处理 解扩处理 叠加干扰 干扰信号频谱 39 通信系统根据所传信息的信号表示形式不同 可分为模拟通信系统和数字通信系统 模拟通信系统 利用模拟信号传输信息的系统 数字通信系统 利用数字信号传输信息的系统 1 2通信系统的组成与分类 1 2 3模拟通信系统 40 信源 发送设备 接收设备 信宿 噪声 模拟通信系统的组成 调制 解调 传输媒介 信道 混频放大 混频放大 调幅 调频 调相 1 2通信系统的组成与分类 41 1 2通信系统的组成与分类 1 2 4数字通信系统 数字通信系统的组成 发送设备 接收设备 42 1 2通信系统的组成与分类 数字通信的主要优点 抗干扰能力强 噪声不积累 接收端抽样判决 远距离传输时 如数字微波中继 可以消除噪声积累 传输差错可控 纠错编码 易于加密处理 且保密性好 便于利用现代信号处理技术进行处理 变换和存储 易于集成 有利于实现通信设备的小型化 1 2 5数字通信的特点 43 1 2通信系统的组成与分类 数字通信的缺点一般比模拟通信占据的系统频带宽 需要严格的同步 实现较复杂 44 1 2通信系统的组成与分类 数字通信涉及的主要技术 信源编码与解码技术 预测编码 变换编码加密与解密技术 对称密钥体制 公钥体制信道编码与解码技术 TURBO LDPC调制与解调技术 PSK QAM OFDM多路复用技术 频分复用 时分复用定时与同步技术 载波同步 位同步 网同步 45 第1章绪论 1 1通信技术的发展与信息社会1 2通信系统的组成与分类1 3通信方式1 4信息及其度量1 5通信系统主要性能指标1 6信道 主要内容 46 1 3通信方式 按消息传送的方向与时间分单工通信消息只能单向传输的通信工作方式 如 广播 遥控 无线寻呼等 半双工通信 通信双方都能收发 但不能同时收和发 全双工通信 FullDuplex 收发双方可同时进行双向消息传输的方式双向信道 47 1 3通信方式 按数据代码排列的方式分并行传输 速度快 但多个并行信道成本高 串行传输 速度慢 但只需单个信道 48 第1章绪论 1 1通信技术的发展与信息社会1 2通信系统的组成与分类1 3通信方式1 4信息及其度量1 5通信系统主要性能指标1 6信道 主要内容 49 消息是一组有序符号序列 如文字 语音 图像 信号是消息的具体表现形式 电信号 声信号 光信号 信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西 内涵 消息 信号和信息 1 4信息及其度量 50 消息中包含的信息量与消息出现的概率之间的关系式当反映如下规律 消息中所含的信息量是出现该消息的概率的函数 即 消息出现的概率越小 它所含的信息量越大 反之信息量越小 且当时 若干个互相独立的事件构成的消息 所含的信息量等于各独立事件信息量的和 即 1 4信息及其度量 信息的度量 51 1 4信息及其度量 基于上述考虑 哈特莱 Hartley 首先提出采用消息出现概率的对数作为该消息携带的信息量 信息量的单位 对数底为2 比特 bit 对数底为e 奈特 nit 对数底为10 哈特莱 Hartley 52 1 4信息及其度量 假如一个离散信源是由n个符号组成的集合 符号集中的每一个符号在消息中是以一定的概率出现的 即 每个符号所包含的信息量分别为 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 2 求 1 的信息量 53 1 4信息及其度量 每个符号所包含信息量的统计平均值 即平均信息量为 由于与热力学中的熵的形式相似 故通常又称之为信息源的熵 单位为bit 符号 54 1 4信息及其度量 例2某离散信源由4种符号0 1 2 3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相互独立的 试求消息201020130213001203210100321010023102002010321001202101320的信息量 55 1 4信息及其度量 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 消息共有57个符号 其中出现0的信息量为23log28 3 33bits 出现1的信息量为14log24 28bits 出现2的信息量为13log24 26bits 出现3的信息量为23log28 21bits 故该消息的信息量为 I 33 28 26 21