通信原理第1章.ppt

通信原理 中北大学通信工程系 第一章概论1 1引言例子 古代的烽火报警 就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们 类似的例子还有抗日战争时期的 消息树 舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话 通信 Communication 是把消息从一地有效地传递到另一地 即消息传递的全过程 在这里我们所讨论的通信不是广义上的通信 而是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信 作为一门科学 一种技术 现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地 快速地 准确地 广泛地 方便地 经济地 安全地从信源通过传输介质传送到信宿 通信原理 就是介绍支撑各种通信技术的通信基本概念和数学理论基础 通信技术发展史 自19世纪初电通信技术问世以来 短短的100多年时间里 通信技术的发展可谓日新月异 千里眼 顺风耳 等古人的梦想不但得以实现 而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术 回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识 下面我们给出通信技术发展历史简表 通信技术发展历史简表 通信技术发展历史简表 续 根据各种通信技术在通信发展史上的地位 作用以及对人类社会的影响 对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结 有10项重大通信技术值得人们纪念 1 摩尔斯发明有线电报 有线电报开创了人类信息交流的新纪元 2 马克尼发明无线电报 无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域 3 载波通信 载波通信的出现 改变了一条线路只能传送一路电话的局面 使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能 4 电视 电视极大地改变了人们的生活 使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像 5 电子计算机 计算机被公认为是20世纪最伟大的发明 它加快了各类科学技术的发展进程 6 集成电路 集成电路为各种电子设备提供了高速 微小 功能强大的 心 使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度 7 光纤通信 光导纤维的发明 使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质 8 卫星通信 卫星通信将人类带入了太空通信时代 9 蜂窝移动通信 蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有 方便快捷的通信手段 10 因特网 因特网的出现意味着信息时代的到来 地球变成 地球村 1 融合趋势 PSTN CATV 计算机网络三网业务融合 语音和数据融合 电域与光域融合 移动与WLAN融合2 交换技术 电路交换分组交换快速分组交换3 传输手段 电缆微波中继光纤卫星移动4 传输技术 点到点网络光网络5 接入技术 宽带 XDSL 光网络 无线宽带6 移动通信 1G2G2 5G3G7 IP网络的演变 下一代Internet 通信发展现状和趋势 通信系统的模型 1 2通信系统的组成 1 2 1通用模型 1 2 2基本概念两类信号 模拟信号 取值连续 例如语音凡信号的某一参量 如连续波的振幅 频率 相位 脉冲波的振幅 宽度 位置等 可以取无限多个数值 且直接与消息相对应的 称为模拟信号 数字信号 取值离散 例如数据 模拟信号与数字信号 1 2 3两类通信系统 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 A 模拟通信系统 模拟通信系统模型 1 数字基带传输通信系统 数字基带传输通信系统模型 B 数字通信系统 2 数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统模型 3 模拟信号数字化传输通信系统 模拟信号数字化传输通信系统模型 基带传输 是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式 频带传输 是指信号经过调制后再送到信道中传输 收端有相应解调措施的通信方式 C 数字通信的优点取值有限 能正确接收 可采用纠错和检错技术 大大提高抗干扰性 可采用高保密性能的数字加密技术 可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计 制造 体积小 重量轻 可作信源编码 压缩冗余度 提高信道利用率 信噪比随带宽按指数规律增长 1 3通信的分类及通信方式 按传输媒质分 有线通信无线通信2 按信道中所传信号的不同分 模拟信号数字信号3 按工作频段分 低 中 高频等4 按调制方式分 连续波调制与脉冲调制5 按业务的不同分 电报 电话 数据 图象等6 按收信者是否运动分 固定与移动7 按信号复用方式分 TDM FDM CDM 1 3 1通信系统分类 1 3 2通信方式 1 按消息传送的方向与时间分 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 a 单工方式 b 半双工方式 c 全双工方式 2 按数字信号排序分 按数字信号排序划分的通信方式 a 串序传输方式 b 并序传输方式 3 按通信网络形式分 按网络形式划分的通信方式 a 两点间直通方式 b 分支方式 c 交换方式 1 4 1消息 信息和信号消息 随机状态的描述 有不同的形式 语音 文字 图形 图像 信息 消息的有效内容不同消息可有相同内容信号 传输消息的手段 媒介 通信系统中传输的是信号 1 4信息及其量度 制定度量方法考虑的原则货物消息货运量信息量有多种有多种和种类无关和类型无关和贵重程度和重要程度无关无关总量是单件总量是单件独立货运量之和消息的信息量之和 1 4 2信息的度量 制定度量信息的方法 消息 量 信息量 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 信息量零 事件的不确定度 可用其出现的概率来描述 可能性小 概率小 信息量大可能性大 概率大 信息量小必然发生的 概率为1 信息量零不会发生的 概率为0 信息量无穷 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 信息量I I P x P x 发生概率 可得如下的结论 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 定义 I loga 1 P x logaP x 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 通常取a 2 此时单位为 比特 对于一个等概率 二进制码元 I log2 1 P x log2 1 1 2 1比特 对于一个等概率 M进制码元 I log2 1 P x log2 1 1 M log2M比特若M 2k 则I k比特 例1 1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 例1 2试计算二进制符号不等概率时的信息量 设P 1 P 例1 3设由5个符号组成的信息源 相应概率为 例1 4一信息源由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 该信息源总的信息量为 1 5通信系统的主要性能指标 有效性和可靠性的关系 速度 质量 模拟通信系统性能指标 有效性指标 单位时间内传送的信息量可靠性指标 均方误差数字通信系统性能指标 有效性指标 传输速率可靠性指标 差错率 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 码元速率 指单位时间 每秒钟 内传输码元的数目 用符号RB来表示 码元速率 RB 波特 B 码元速率RB与信号的进制数无关 只与码元宽度Tb有关 1 5 1数字通信系统有效性指标的具体表述 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 信息传输速率简称信息速率 又可称为传信率 比特率等 比特率 指单位时间 每秒钟 内送的信息量 用符号Rb来表示 比特率 Rb 比特 秒 bit s bps b s 因为信息量与信号进制数 有关 因此 Rb也与 有关 对M进制 Rb RBlog2M例 若某信源在1秒钟内传送1200个符号 且每一个符号的平均信息量为1 bit 则该信源的Rb 1200b s或1200bps 消息传输速率亦称消息速率消息速率 单位时间 每秒钟 内传输的消息数 用Rm表示 消息速率 Rm 字 秒 特定 因消息的衡量单位不同 有各种不同的含义 消息速率在实际中应用不多 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 Rb2 RbN log2N 四进制信号示意图 例1 5已知二进制数字信号在2min内共传送了72000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2 60s内传送了72000个码元RB2 72000 2 60 600 B Rb2 RB2 600 b s 2 若改为8进制 则RB8 72000 2 60 600 B Rb8 RB8 log28 1800 b s 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 误码率Pe 错误接收码元数 传输码元总数 1 5 2数字通信系统可靠性指标的具体表述 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 误比特率Peb 错误接收比特数 传输总比特数 误字率Pw 错误接收字数 总传输字数 误码率和误比特率的关系Peb PexM 2 M 1 Pe 2 误字率和误比特率的关系对于二进制 若一个字由k比特组成 则Pw 1 1 Pe k 例1 6已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000b 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 1 6数字通信的主要技术问题 1 6 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6章 1 6 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7章将主要讨论模拟信号数字化问题 从实现方法上看 模拟信号数字化主要有两种基本形式 一是脉冲编码调制 PCM 另一种是增量调制 M 在第7章中不仅要讨论其编码 译码的基本组成及实现方法 而且要介绍一些其它改进型的实现方法以及目前出现的PCM芯片和 M编译码芯片的实际知识 1 6 3纠错编码 译码 纠错编码 译码又称差错控制编码 译码 属信道编码之范畴 信道编码技术主要研究检错 纠错码概念及基本实现方法 编码器是根据输入的信息码元产生相应的监督码元来实现对差错进行控制的 而译码器主要是进行检错与纠错的 第9章 1 6 4基带传输 基带传输和频带传输是通信系统中信号传送的两种基本方式 基带传输系统涉及一系列技术问题 如信号类型 传输码型 码间串扰 实现无串扰传输的理想条件及如何具体克服和减少码间串扰的措施等 第5章 1 6 5同步同步是数字通信系统的基本组成部分 数字通信离不开同步 同步系统性能的好坏 直接影响着通信系统性能的优劣 所谓同步就是要使系统的收发两端在时间上保持步调一致 同步的主要内容有载波同步 位同步 帧同步以及网同步 第11章将介绍各种