通信原理____.ppt

1 通信原理 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院通信工程系郭黎利guolili CommunicationTheory 2 学时数 48学时 其中40学时理论课 8学时实验课课程性质 必修课 考试 相关课程 高频电路 信号与系统 电磁场与电磁波随机信号分析 信息论移动通信 卫星通信 高频通信 光纤通信等教材 通信原理 哈尔滨工程大学出版社 与本课有关的几个问题 3 参考书 樊昌信等编著 通信原理 国防工业出版社南利平编著 通信原理简明教程 清华大学出版社罗新民等译 数字与模拟通信系统 电子工业出版社其他教材 教学指导书及习题解答网络资源 我校 通信原理 http 202 118 176 122 8082西北工业大学http 202 117 80 9 jp2004 16 基本要求 与本课有关的几个问题 4 课程目的和任务 本课程通过讲述通信基本模型 通信信道 模拟通信系统 数字基带传输系统 数字频带传输系统 同步等内容 使学生了解各种通信系统的基本组成 掌握通信系统的基础理论和工作原理 希望学生通过学习 具有进行现代通信技术研究 开发和通信工程设计与调测能力 本课程以讲授数字通信为主 并通过实践环节提高学生的实际操作能力 与本课有关的几个问题 5 第一章绪论 引言通信系统的组成通信系统的分类与通信方式信息及其度量通信系统的主要性能指标小结 6 我们所知道的通信 古代 烽火狼烟 击鼓鸣金 摇旗呐喊 飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题 我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信 现代 电话 电视 广播 邮政 因特网 其他方式 目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知 并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分 随着科学技术与社会的发展 对通信的要求也越来越高 7 近代深空通信的一个成功范例 美国宇航局2005年1月12日发射了用来探测彗星的 深度撞击 号探测器 它的目标是 坦普尔一号 彗星的彗核 深度撞击 发射了一发 炮弹 于7月4日与彗星TEMPEL1在距地球1 32亿公里处相撞 并将观测到的宝贵图像和数据传回地球 延时大约74分钟 8 海上舰船通信 9 海上舰船通信 对空通信 卫星通信编队通信 对岸通信对潜通信 水声 通信侦察 通信对抗内部通信 语音 数据 图像 甲板话音通信 10 通信的目的 传递消息通信的表达形式 语言 文字 图象 数据等实现通信的方式 声 光 电 磁等 1 1引言 通信的定义 通信就是消息的传递 当今通信概念中也包含了通信信号的形成 变换 检测 处理 识别等 11 通信的发展简史 按照人类交流方式与技术的不同 可以把通信历史划分以下几个阶段 第一阶段语言第二阶段文字 邮政第三阶段印刷术 出版物第四阶段电报 电话 广播第五阶段通信与计算机的结合 网络 12 最早的电通信设想 1753年2月17日 苏格兰人 杂志上发表了一封署名C M的书信 在这封信中 作者提出了用电流进行通信的大胆设想 他建议 把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点 每根金属线与一个字母相对应 在一端发报时 便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接 使它们依次通过电流 电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来 从而起到远距离传递信息的作用 13 最早的有线电报 1844年5月24日 莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报 在座无虚席的国会大厦里 莫尔斯用激动得有些颤抖的双手 操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机 发出了 上帝创造了何等奇迹 一语 莫尔斯发出第一封电报设备的复制品 14 最早的有线电话 1875年6月2日 美国人亚力山大 格雷厄姆 贝尔 Bell AlekanderGraham 发明了电话 至今美国波士顿法院路109号的门口 仍钉着块镌有 1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌 1876年2月14日 贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置 电话的专利 同一天另一个发明家格雷 1835 1901 也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书 只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权 贝尔获得电话的专利证书 15 电磁波的发现 1887年3月21日 德国物理学家赫兹 Hertz 在实验中发现 电火花的能量能够越过空间传到远处 这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在 但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性 他认为如要利用电磁波进行通信的话 需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜 16 最早的无线通信 1895年5月7日 36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上 宣读了关于 金属屑与电振荡的关系 的论文 并当众展示了他发明的无线电接收机 当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时 波波夫的无线电接收机便响起铃来 断开电波发生器 铃声立即中止 几十年后 为了纪念波波夫在这一天的划时代创举 当时的苏联政府便把5月7日定为 无线电发明日 波波夫实验用的无线电接收机 17 人类首次远距离无线电通信 1897年5月18日 马可尼进行横跨布里斯托尔 Bristol 海峡的无线电通信取得成功 通信距离为14公里 18 影响通信发展的重要发明或理论 1906年 LeeDeforest发明了真空三极管放大器 1925年 英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机 1941年 JohnV Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机 1947年 贝尔实验室的SteveO Rice给出了噪声的统计描述 19 1948年 贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管 1948年 ClaudeE Shannon发表了信息论 著名的香农公式 C 信道容量B 信号带宽S N 信号与噪声的功率之比 20 1957年10月4日 原苏联发射了第一颗人造地球卫星 地球上第一次收到了来自人造卫星的电波 它不仅标志着航天时代的开始 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来 1958年 发明了集成电路 1964年 电子电话交换机投入使用 1972年 摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统 21 1976年 出现个人计算机 1979年 64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成 VLSI 电路时代的到来 1980年 贝尔公司推出FT3光纤通信系统 1985年 传真机 FAX 广泛使用 1989年 卫星全球定位系统 GPS 完成部署 1995年 互联网 Internet 及WWW浏览广泛流行 2000年至今 进入基于微处理器的数字信号处理 高速个人计算机 扩频通信系统 数字卫星系统 数字电视 数字广播以及个人通信系统时代 22 我国通信的历史 1871年 英国 俄罗斯 丹麦敷设的香港至上海 长崎至上海的水线 全长2237海里 于1871年4月 违反清政府不得登陆的规定 由丹麦大北电报公司出面 秘密从海上将海缆引出 沿扬子江 黄浦江敷设到上海市内登陆 并在南京路12号设立报房 于1871年6月3日开始通报 这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海租界设立的电报局 1875年 福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报 1875年在福建船政学堂附设了电报学堂 培训电报技术人员 这是中国第一所电报学堂 23 我国通信的历史 1899年 我国最早使用无线电通信的地区是广州 早在1899年 就在广州督署 马口 前山 威远等要塞以及广海 宝壁 龙骧 江大 江巩等江防军舰上设立无线电机 1908年 英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线电台 与海上船舶通报 后由清政府收买 移装到上海电报总局内 这是上海地区最早的无线电台 1921年1月7日 中国加入国际电报公约 24 我国通信的历史 1933年 中国电报通信首次使用打字电报机1950年12月12日 我国第一条有线国际电话电路 北京至莫斯科的电话电路开通 经由苏联转接通往东欧各国的国际电话电路也陆续开通 1958年 上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机 第一套国产明线12路载波电话机研制成功1970年 我国第一颗人造卫星 东方红1号 发射成功 25 我国通信的历史 1984年5月1日 广州用150MHz频段开通了我国第一个数字寻呼系统 程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用 首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机 HJ09型 研制成功 1987年11月 广州开通了我国第一个移动电话局 首批用户有700个 我国第一个160人工信息台在上海投入使用 1993年9月19日 我国第一个数字移动电话通信网于在浙江省嘉兴市首先开通 1998年5月15日 北京电信长城CDMA网商用试验网 133网 在北京 上海 广州 西安投入试验 26 一 通信系统模型 1 2通信系统的组成 基站 MBS 移动用户 MSS 27 信息源 把需要传输的消息转换为原始电信号 发送设备 为了使这个原始信号适合在信道中传输 发送设备对原始信号完成某种变换 然后再送入信道 接收设备 接收设备的功能与发送设备的相反 它能从接收信号中恢复出相应的原始信息 噪声源 是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现 各部分功能 28 1 消息的分类连续消息 模拟消息 是指消息的状态是连续的 如连续变化的语音 图象等 二 模拟通信与数字通信系统模型 离散消息 数字消息 是指消息的状态是离散取值的 如文字 符号 数据等 29 与消息的分类相对应 通信系统也分为两类 模拟通信系统数字通信系统这是以信道传输信号的差异为标准的进行的分类 模拟信号和数字信号通常都要通过调制形成模拟调制信号和数字信号 以适应信道的传输特性 2 通信系统的分类 30 通信系统分类 31 3 通信系统模型模拟通信系统模型 调制 解调器的作用 频谱搬移 32 数字通信系统模型 一般数字通信系统的收端要有同步的功能 33 按消息的物理特征分类 1 3通信系统的分类与通信方式 一 通信系统的分类 随着信息与网络技术的发展 以上各种信息都可以在统一的综合业务通信网中传送 34 连续波调制 按调制方式分类 35 脉冲调制 36 按信号特征分类 按传输媒介分类 按信号复用方式分类 37 点对点之间的通信 如常用的电话 对讲机等 点对面的通信 如广播 电视等 网络中用户间的通信 如计算机网 电话交换网络等 二 通信方式 本课程中主要讨论点对点之间的通信 因为这是其他通信方式的基础 网络通信 38 单工通信 指消息只能单方向传输的工作方式 如广播 遥控等 半双工通信 指通信双方都能收发消息 但不能同时进行收发 只能分时工作 如使用同一载频工作的无线电对讲机 全双工通信 指通信双方可同时进行收发消息的工作方式 如普通电话 点对点之间的通信又可分为 39 40 串序传输 是将数字信号码元序列按时间顺序一个一个地在信道中传输 串序传输与并序传输 并序传输 是将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输 41 一 概念信息 在概念上与消息的意义相似 但它的含义更抽象化 信息可以理解为消息中包含有意义的容 信息量 是评价传输信息多少的一种度量 1 4信息及其度量 42 1 度量设消息中所含的信息量为I 消息出现的概率为 则它们之间的关系为 二 信息的度量 其中对数底a决定信息量的单位 若a 2 I的单位为比特 bit 若a e I的单位为奈特 nit 若a 10 I的单位为十进制单位 2 若干个独立事件构成的消息 总信息量就是若干个独立事件的信息量的总和 43 M 2时 且两种状态出现的概率相等 等概率 即 则信息量为M 2时 即M个状态等概率出现 则信息量为如果M是2的幂次 即 则 3 等概率出现的离散消息的度量 44 设离散消息源是一个有n个符号组成的集合 符号集中的每一个符号在消息中是按一定概率独立出现的 设符号集中各符号出现的概率为 并且有 4 非等概率情况下的离散消息的度量 45 则所包含的信息量分别是则每个符号所包含信息量的统计平均值为 46 一 概述评价通信系统性能的指标有很多 包括有效性 可靠性 适应性 标准性 保密性 经济性及可维护性等等 有效性 是指传输一定的信息量所占用的信道资源 带宽或时间 可靠性 是指接收信息的准确程度 1 5主要性能指标 47 有效性 模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来衡量 同样的消息采用不同的调制方式 则需要不同的频带宽度 频带越窄 有效性越好 可靠性 模拟通信系统的可靠性用接收端最终的信噪比来衡量 信噪比越大 通信质量越高 二 模拟通信系统的质量指标 信噪比 S N 信号功率 噪声功率对数形式 S N dB 10log S N 48 1 传输速率定义单位时间传输的码元数为码元速率RB 单位波特 Baud 设二进制码元速率为RB2 N进制码元速率为RBN 且有2k N k 1 2 3 则二进制与N进制码元速率的关系为RB2 RBNlog2N 定义单位时间传输的信息量为信息速率Rb 以比特 秒 bit s 或bps为单位 三 数字通信系统的质量指标 49 在二进制下 码元速率与信息速率在数值上相等 即Rb RB2 只是单位不同 在N进制下有Rb RBNlog2N bit s RBN Rb log2N Baud 码元速率与信息速率的关系 50 误码率 指码元在传输系统中被传错的概率 Pe 错误码元 传输的码元总数 误信率 误比特率 指码元所携带的信息量在传输过程中被丢失的概率 Pb 错误比特数 传输总比特数 在传输二进制码时有 Pb Pe 差错率越小 通信的可靠性越高 2 差错率 51 本章小结 研究通信系统模型是本