通信原理第1章.ppt

通信原理2008年 通信原理电子教案 通信原理教学组编写 通信原理2008年 课程介绍 明确 为什么要学 学什么 如何学 哪里可学 通信原理2008年 课程介绍 通信原理是通信工程专业一门重要的专业基础理论课程 本课程系统深入地阐述现代通信系统的基本原理 其中包括模拟通信和数字通信 并以数字通信为主 一 课程性质 本课程通过课堂教学 习题练习 实验与课程设计等教学环节 旨在使学生系统地掌握通信系统的基本原理及其性能的基本分析方法 了解现代通信技术与理论的发展状况 通信原理2008年 课程介绍 课程定位 电信类专业的一门重要专业基础课程 包括 通信工程 电子信息工程 无线电工程计算机通信 图像处理与传输等专业是必修课 核心主干课是一门专业的标志性课程是 信息与通信工程 学科研究生入学考试课程起着承前启后的作用占有重要的教学地位 通信原理2008年 二 与其它课程的关系 课程介绍 先修课程 后续课程 信号与线性系统移动通信系统概率论与随机过程光纤通信系统信息论基础SDH技术模拟电子技术卫星通信系统数字电子技术现代通信网高频电子线路接入网技术 通信原理2008年 三 教学内容 第一章绪论2学时第二章随机信号分析8学时第三章信道8学时第四章模拟调制系统6学时第五章数字基带传输系统10学时第六章数字调制系统10学时第七章模拟信号的数字传输10学时第八章数字信号的最佳接收6学时第九章差错控制编码0学时第十章正交编码与伪随机序列第十一章同步原理6学时 通信原理2008年 课程介绍 课程特点 具有理论性强 知识综合 难度大等特点 是一门理论性和实践性都很强的专业基础课学习时要注意数学分析方法 更要注意数学分析所得结论的物理意义 物理概念 学习时要注意用系统的观点 模型的观点 工程的观点 辩证的观点 思考问题 分析问题 解决问题 通信原理2008年 课程介绍 课程目标 使学生掌握通信系统的基本概念 基本理论 基本技术和系统性能分析方法 掌握基本的系统设计思想和方法 熟悉仿真工具的应用 了解现代通信技术的发展状况 使学生具备动手实践的能力 为本领域的进一步学习和研究奠定坚实基础 通信原理2008年 课程介绍 课程学习 课堂教学 70学时实验教学 10学时课程设计 4周 注意 充分利用课程网站 图书馆 数字图书馆资源 做好预习 复习 认真做作业 认真做实验 认真做设计 既要打好基础 又要提高能力 通信原理2008年 课程介绍 课程考核方式 最终总成绩包括 平时成绩 15 实验成绩 15 考试成绩 70 通信原理2008年 课程介绍 四 教材与参考资料 通信原理 第六版 樊昌信等编著 国防工业出版社2006 5 通信原理 上 下册 周炯槃等编著 北京邮电大学出版社2002 11 现代通信原理 曹志刚等编著 清华大学出版社 1992 通信原理教程 樊昌信等编著 电子工业出版社 2005 现代通信原理与技术 张辉编著 西安电子科技大学出版社 2006 数字通信系统的SystemView仿真与分析 青松等 北京航空航天大学出版社 2001 通信原理学习指导与题解 王福昌 华中科技大学出版社 2002 通信原理学习指导 张辉等编著 西安电子科技大学出版社 2003 通信原理学习与考研指导 沙济彰 科学出版社 2004 通信原理2008年 课程介绍 西安电子科技大学通信原理 通信原理2008年 通信原理电子教案 第一章通信原理绪论 通信原理2008年 第一章绪论 1 1通信技术发展简史 1 2通信系统的组成 1 3通信系统的分类及通信方式 1 4信息及其度量 1 5主要性能指标 通信原理2008年 本章学习目标 了解通信技术的发展 掌握消息 信息 信号的定义 掌握数字通信的概念 理解数字通信的优点 掌握通信系统模型及其主要性能指标 重点 1 信息的度量 2 数字通信系统模型的理解与掌握 难点 数字通信系统性能指标的理解与计算 通信原理2008年 1 1通信技术的发展简史 古代 公元前800年 周朝 周幽王烽火戏诸侯 光通信雏形 最简单的二进制数字通信 近20多年 移动通信 无线宽带网 光纤通信 卫星通信 通信信号处理 通信网与交换技术 NGN 近代 1838年 莫尔斯将有线电报推向实用 1876年 贝尔发明电话 模拟通信的开始1960年以后 数字通信技术发展迅速 通信原理2008年 1 1通信技术的发展简史 通信原理2008年 1 2通信系统的组成 1 2 1通信系统的基本概念 通信 信息 或消息 的传输和交换 要求准确 迅速 消息 信息的物理表现形式 如符号 文字 话音 数据或图像等 信息 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 通信原理2008年 1 2通信系统的组成 电通信 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 信号 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 通信系统 是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体 通信原理2008年 图1 1通信系统的一种简化模型 1 2通信系统的组成 1 2 2通信系统模型 把各种可能的消息转换成原始电信号 对原始电信号进行变换 使其适合在信道中传输 信号传输的通道 有无线和有线两种方式 与发送设备作用相反 从接收信号中恢复出相应的原始电信号 将恢复的原始电信号转换成相应的消息 包括信道中的噪声和分散在通信系统其他各处的噪声 基于点到点之间的通信 通信原理2008年 信源是消息的产生地 其作用是把各种消息转换成原始电信号 基带信号 1 2通信系统的组成 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号 如已调信号 发送信道是指传输信号的物理媒质 在无线信道中 信道可以是大气 自由空间 在有线信道中 信道可以是明线 电缆 光纤 通信原理2008年 电梯用综合电缆 75 射频同轴电缆 室外非金属光缆 金属光缆 通信原理2008年 噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来 信宿是传输信息的归宿点 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息 1 2通信系统的组成 通信原理2008年 1 2 3模拟通信与数字通信 1 2通信系统的组成 通信传输的消息类型多种多样 即有不同的业务需求 连续消息 模拟消息 是指消息的状态连续变化或是不可数的 如语音 图像等 离散消息 数字消息 是指消息的状态是可数的或离散的 如符号 数据 文字等 为传递消息 必须将各种消息转换成 电 信号消息与信号之间必须建立单一的对应关系 通信原理2008年 模拟信号 凡信号的某一参量可以取无限多个值 并且该参量直接反映消息的状态变化 如电话机送出的语音信号 电视摄像机输出的图像信号等 连续是指信号中携带消息的参量可以连续变化或取无穷多个值 而不一定在时间上也连续 如图1 2 b 所示的脉冲振幅调制抽样信号就属于模拟信号 1 2通信系统的组成 按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号 通信原理2008年 图1 2模拟信号波形 a 连续信号 b 抽样信号 1 2通信系统的组成 连续信号 抽样信号 通信原理2008年 数字信号信号中携带消息的参量只能取有限个值 如电报信号 计算机输入 输出信号等 1 2通信系统的组成 并不是模拟信号只能在模拟通信系统传输 数字信号只能在数字通信系统传输 如Modem 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号 可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 通信原理2008年 1 2通信系统的组成 图1 3数字信号波形 a 二进制波形 b 2PSK波形 通信原理2008年 模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统 信源发出的原始电信号是基带信号 基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始 如语音信号为300 3400Hz 图像信号为0 6MHz 模拟信号具有频率很低的频谱分量 一般不宜直接传输 需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的频带信号 并可在接收端进行反变换 完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器 1 模拟通信系统模型 1 2通信系统的组成 通信原理2008年 携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频 因而已调信号又称频带信号 1 2通信系统的组成 已调信号有三个基本特征 模拟通信系统模型可由图1 1略加演变而成 如图1 3所示 通信原理2008年 图中的调制器和解调器就代表图1 1中的发送设备和接收设备 图1 3模拟通信系统模型 1 2通信系统的组成 通信原理2008年 2 数字通信系统模型 图1 4数字通信系统模型 1 2通信系统的组成 数字通信涉及的技术问题很多 其中主要有信源编码 译码 信道编码 译码 数字调制 解调 数字复接 同步以及加密等 通信原理2008年 一 将模拟信号转换成数字信号 即模 数转换二 设法减少码元数目和减少冗余信息 即数据压缩 1 信源编码与译码 1 2通信系统的组成 码元 数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元 信源译码是信源编码的逆过程 信源编码的作用 通信原理2008年 数字信号在信道传输时 由于噪声 衰落以及人为干扰等 将会引起差错 为了减少差错 信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分 监督元 组成所谓 抗干扰编码 接收端的信道译码器按一定规则进行解码 从解码过程中发现错误或纠正错误 从而提高通信系统抗干扰能力 实现可靠通信 2 信道编码与译码 1 2通信系统的组成 通信原理2008年 在需要实现保密通信的场合 为了保证所传信息的安全 人为将被传输的数字序列扰乱 即加上密码 这种处理过程叫加密 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密 恢复原来信息 叫解密 3 加密与解密 1 2通信系统的组成 4 数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处 形成适合在信道中传输的频带信号 信源载波信号已调信号S t Acos t S t Acos t 通信原理2008年 同步是保证数字通信系统有序 准确 可靠工作的不可缺少的前提条件 同步是使收 发两端的信号在时间上保持步调一致 按照同步的功用不同 可分为载波同步 位同步 群同步和网同步 5 同步 1 2通信系统的组成 图1 5是数字通信系统的一般化模型 实际的数字通信系统不一定包括图1 1中的所有环节 如在某些有线信道中 若传输距离不太远且通信容量不太大时 数字基带信号无需调制 可以直接传送 称之为数字信号的基带传输 其模型中就不包括调制与解调环节 通信原理2008年 抗干扰能力强 通过再生 可消除噪声积累 采用信道编码技术可使误码率降低 提高传输的可靠性 即差错可控 通过超大规模集成电路和现代数字信号处理技术 设备易于集成化 微型化 低功耗化 易于加密处理 且保密强度高 易于与各种数字终端接口 用现代计算技术对信号进行处理 变换 存储 从而形成智能网 数字通信的主要优点 1 2通信系统的组成 通信原理2008年 数字通信的主要不足 占用带宽大 一路模拟电话4KHz 一路数字电话64KHz系统同步要求高 1 2通信系统的组成 随着光纤 数字微波等宽带信道的使用以及数字频带压缩技术的发展 第一个缺点的影响已减小 通信原理2008年 1 按通信业务分类 按通信业务 可分为话务通信和非话务通信 非话务通信主要是分组数据业务 计算机通信及图像通信 会议电视等 1 3通信系统分类及通信方式 2 按调制方式分类 根据是否采用调制 可将通信系统分为 基带传输是将未经调制的信号直接传送 如音频市内电话 频带 调制 传输是对各种信号调制后传输的总称 一 通信系统分类 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 通信原理2008年 3 按信号特征分类按照信道中所传输的是模拟信号还是数字相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统 1 3通信系统分类及通信方式 4 按传输媒质分类 有线通信是用导线 如架空明线 同轴电缆 光导纤维 波导等 作为传输媒质完成通信的 如市内电话 有线电视 海底电缆通信等 无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的 如短波电离层传播 微波视距传播 卫星中继等 通信原理2008年 按通信设备的工作频率不同可分为长波通信 中波通信 短波通信 微波通信 远红外线通信等 工作波长和频率的换算公式为 5 按工作波段分类 1 3通信系统分类及通信方式 为工作波长 f为工作频率 c为光速 通信原理2008年 表1 2通信波段与常用传输媒质 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 通信原理2008年 频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围 时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间 6 按信号复用方式分类 1 3通信系统分类及通信方式 常见传输多路信号有两种复用方式 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 二 通信方式 上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 下面只对通信方式作一简单介绍 a 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 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 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1 6 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 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1 6 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 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 a 单工 b 半双工 c 全双工 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 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1 6 c 所示 普通电话 手机都是最常见的全双工通信方式 b 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 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 a 串行传输 b 并行传输图1 7并行和串行通信方式示意图 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 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 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它高速数字系统 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 通常 一般的远距离数字通信都采用这种传输方式 通信原理2008年 1 3通信系统分类及通信方式 c 按通信对象数量的不同 可分为点到点通信 点到多点通信和多点到多点通信三种 多个对象和多个对象之间的通信 d 按同步方式的不同又分为同步通信和异步通信 e 按通信终端之间的连接方式可划分为两点间直通方式和交换方式 直通方式是通信双方直接用专线连接 而交换式的通信双方必须经过交换机才能连接起来 如电话系统 通信原理2008年 1 什么是模拟通信 什么是数字通信 2 数字通信有哪些优点 3 数字通信系统模型 作业 通信原理2008年 1 4信息及其度量 任何信源产生的输出都是随机的 信息含量就是对消息中这种不确定性的度量 信息量与事件发生的概率有关 事件出现的概率越小 信息量就越大 必然事件的概率为1 则它传递的信息量就为0 假设是消息发生的概率 则 信息量是概率的函数 即越小 越大 反之 越小 且时 时 通信原理2008年 若干个互相独立事件构成的消息 所含信息量具有相加性 1 4信息及其度量 综合以上三条规律 根据概率论知识 信息量与消息出现的概率之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关 a 2时 信息量的单位为比特 bit 最常用 a e时 信息量的单位为奈特 nit a 10时 信息量的单位为哈特莱 Hartly 通信原理2008年 例1 1 设二进制离散信源 以相等的概率发送数字0或1 则信源每个输出的信息含量为多少 1 4信息及其度量 可见 传送等概率的二进制波形之一的信息量为1比特 同理 传送等概率的四进制波形之一的信息量为2比特 通信原理2008年 传送等概率四进制波形之一的信息量为2比特 每个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示 传送等概率八进制波形之一的信息量为3比特 每个八进制波形需要用3个二进制脉冲表示 综上所述 式中K是二进制脉冲数目 1 4信息及其度量 式中P为每一个波形出现的概率 M为传送的波形数 若M是2的整幂次 比如 K 1 2 则式 1 3 3 可改写为 式 1 4 5 通信原理2008年 设离散信息源是一个由n个符号组成的集合 按独立出现 记 2 非等概情况的信息量的计算 1 4信息及其度量 通信原理2008年 1 4信息及其度量 由于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 当信源中每个符号等概独立出现时 式 1 4 9 即成为式 1 4 5 可以证明 此时信源的熵有最大值 通信原理2008年 例1 2 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 201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量 解 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 故该消息的总信息量为 1 4信息及其度量 通信原理2008年 每个符号的算术平均信息量为 1 4信息及其度量 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 若用熵的概念来计算 由式 1 4 5 得 通信原理2008年 解 A出现6次 B出现3次 C出现2次 D出现2次 共13个符号 故该消息的信息量及熵分别为 算术平均信息量为24 13 1 85bit 符号 一离散信源由A B C D四个符号组成 它们出现的概率分别为1 2 1 4 1 8 1 8 且每符号的出现都是独立的 试求消息 AAAAABBACCDDB 的信息量及熵 通信原理2008年 1 设有四个消息A B C D分别以概率为1 4 1 8 1 8 和1 2传送 每一消息的出现是相互独立的 试计算其平均信息量 2 某信息源的符号集由息A B C D和E组成 每符号独立出现 其出现概率分别为1 4 1 8 1 8 3 16和5 16 试计算其平均信息量 作业 通信原理2008年 1 5通信系统的主要性能指标 通信的任务是快速 准确地传递信息 评价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 问题 可靠性是指接收信息的准确程度 也就是传输的 质量 问题 这两个问题相互矛盾而又相对统一 通常还可以进行互换 通信原理2008年 一 模拟通信系统 有效性指标 用单位时间传送的信息量或有效传输频带来衡量 频带相同时 单位时间内传送信息量越大 有效性越好 单位时间传送的信息量相同时 占用频带越窄 有效性越好 1 5通信系统的主要性能指标 通信原理2008年 有效性用传输速率来衡量 可靠性用差错率来衡量 二 数字通信系统 1 5通信系统的主要性能指标 通信原理2008年 在数字通信中 一个码元 符号 在时间轴上的长度被称为码元长度 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TB有关 1 5通信系统的主要性能指标 信息传输速率Rb简称传信率 又称比特率等 它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 通信原理2008年 式中 H是信源中每个符号所含的平均信息量 熵 1 5通信系统的主要性能指标 码元速率和信息速率有确定的关系 即 等概传输时 熵有最大值 信息速率也达到最大 即 式中 M为符号的进制数 二进制的码元速率和信息速率在数量上相等 有时简称为数码率 通信原理2008年 例如 码元速率为1200B 采用八进制 M 8 时 信息速率为3600bps 采用二进制 M 2 时 信息速率为1200bps 1 5通信系统的主要性能指标 通信原理2008年 例题 某信息源的符号集由A B C D和E组成 设每一个符号独立出现 其出现概率分别为1 4 1 8 1 8 3 16和5 16 如果信息源以1000B速率传送信息 则传送1小时的信息量为多少 传送1小时可能达到的最大信息量为多少 1 5通信系统的主要性能指标 信息速率 通信原理2008年 传送1小时的信息量I T Rb 3600 2230 8 028 106bit 2 等概率时 其信息量最大 传送1小时的最大信息量 I T Rb 3600 2320 8 352 106bit 1 5通信系统的主要性能指标 通信原理2008年 频带利用率 是单位频带内的码元传输速率 它真正衡量数字通信系统的传输效率 即系统有效性 数字信号的传输带宽B不仅与码元速率RB有关 而且与数字信号的调制方式有关 1 5通信系统的主要性能指标 码元传输速率RB与信息传