通信原理-绪论.doc

通信原理-绪论.txt我们用一只眼睛看见现实的灰墙，却用另一只眼睛勇敢飞翔，接近梦想。男人喜欢听话的女人，但男人若是喜欢一个女人，就会不知不觉听她的话。 本文由多啊啊啊多贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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( 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” 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， 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。 的电通信与光通信。 作为一门科学、 一种技术， 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、 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、 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” 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。 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 19世纪初电通信技术问世以来， 的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新 100多年时间里， 月异。 千里眼 ” 月异 。“ 千里眼” 、“ 顺风耳” 等古人的梦 顺风耳 ” 想不但得以实现， 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。 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。 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、 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 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， 10项重大通 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。 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 摩尔斯发明有线电报。 类信息交流的新纪元。 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 马克尼发明无线电报。 信技术开辟了一个崭新的领域。 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 载波通信。载波通信的出现， 线路只能传送一路电话的局面， 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。 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 电视。电视极大地改变了人们的生活， 传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。 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 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。 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 集成电路。 高速、 微小 、 功能强大的“ 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。 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 光纤通信。光导纤维的发明， 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。 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 卫星通信。 时代。 时代。 (9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了 蜂窝移动通信。 一种前所未有、方便快捷的通信手段。 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 (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” 来，地球变成“地球村”。 通信发展现状和趋势 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：1G 2G 2.5G 3G 7) IP网络的演变：下一代Internet 1.2通信系统的组成 1.2通信系统的组成 1.2.1通用模型 1.2.1通用模型: 通用模型: 信息源 发送设备 发送端 噪声源 信道 接收设备 接收端 受信者 通信系统的模型 1.2.2基本概念 1.2.2基本概念 两类信号 模拟信号：取值连续， ? 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、 凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相 脉冲波的振幅、宽度、位置等) 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 数字信号：取值离散， 模拟信号与数字信号 码元 t t t t 模拟信号 数字信号 1.2.3两类通信系统 1.2.3两类通信系统 ? 模拟通信系统 要求 高保真度 信号噪声功率（电压） 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 信息源 调制器 信道 解调器 受信者 噪声源 模拟通信系统模型 B. 数字通信系统 1. 数字基带传输通信系统 信 息 源 基形 带成 信器 号 信 道 接 收 滤 波 器 取 样 判 决 受 信 者 cp 噪声源 数字基带传输通信系统模型 2. 数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统 信 息 源 加 密 器 编 码 器 调 制 器 信 道 解 调 器 译 码 器 解 密 器 受 信 者 噪声源 数字频带传输通信系统模型 信 缩 压 保 编 密 编 码 码 码 编 道 信 调 制 道 信 解 调 信 道 密 解 码 码 解 保 压 缩 解 码 源 信 宿 信源编码 噪 声 同 步 信源解码 发送端 接收端 扩展的数字通信系统模型 基带传输: 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， 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 3. 模拟信号数字化传输通信系统 模 拟 信息源 由抽样、量化、 编码组成的模 数转换器 数字通 信系统 数 模 转换器 受信者 模拟信号数字化传输通信系统模型 C. 数字通信的优点 取值有限，能正确接收。 取值有限，能正确接收。 (a) 失真的数字信号 (b) 恢复的数字信号 数字信号波形的失真和恢复 可采用纠错和检错技术，大大提高抗 可采用纠错和检错技术， 干扰性。 干扰性。 可采用高保密性能的数字加密技术。 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。 易于设计、制造，体积小、重量轻。 可作信源编码，压缩冗余度， 可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。 道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。 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 1.3通信的分类 1.3.1通信系统分类 1.3.1通信系统分类 1. 按传输媒质分: 有线通信 按传输媒质分: 无线通信 2. 按信道中所传信号的不同分: 模拟信号 按信道中所传信号的不同分: 数字信号 3. 按工作频段分：低、中、高频等 按工作频段分： 4. 按调制方式分：连续波调制与脉冲调制 按调制方式分： 5. 按业务的不同分:电报、电话、数据、图 按业务的不同分:电报、电话、数据、 象等 6. 按收信者是否运动分:固定与移动 按收信者是否运动分: 7. 按信号复用方式分：TDM、FDM、CDM 按信号复用方式分：TDM、FDM、 1.3.2 通信方式 1. 按消息传送的方向与时间分 A 信道 (a) B A 信道 (b) B A 信道 (c) B 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 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 单工方式； 半双工方式； 2. 按数字信号排序分 1 发 送 设 备 0 1 接 收 设 备 发 送 设 备 接 收 设 备 (b) (a) 按数字信号排序划分的通信方式 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 终端A (a) 终端B 终端 A 终端 B 终端 C 终端 A 终端 B (b) 图1-3 终端 C 终端 N (c) 终端 N 交换设备 转接站 按网络形式划分的通信方式 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 两点间直通方式； 分支方式； 1.4 信息及其量度 1.4.1 消息、信息和信号 消息、 消息：随机状态的描述，有不同的形式： 消息：随机状态的描述，有不同的形式： 语音、文字、图形、图像 语音、文字、图形、图像 信息： 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） 信号：传输消息的手段（媒介） 通信系统中传输的是信号 1.4.2信息的度量： 1.4.2信息的度量： 信息的度量 *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 *制定度量信息的方法 # 消息“量” 信息量 消息“ # 例： 明天降雨量将有一毫米” “明天降雨量将有一毫米” - 信息量小 明天降雨量将达到一米” “明天降雨量将达到一米” - 信息量大 明日太阳将从东方升起” “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 事件的不确定度， 述： 可能性小概率小 可能性小概率小信息量大 可能性大概率大 可能性大概率大信息量小 必然发生的概率为1 必然发生的概率为1信息量零 不会发生的概率为0 不会发生的概率为0信息量无穷 可得如下的结论： 可得如下的结论： (1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的 函数，即 函数， I = I P ( x ) # 信息量 I = I P(x) ，P(x) - 发生概率 ， (2) 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大； 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大； 反之信息量愈小。 反之信息量愈小。 且 P = 1时 I = 0 P = 0时 I = (3) 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息 若干个互相独立事件构成的消息， 量等于各独立事件信息量的和， 即 量等于各独立事件信息量的和， I P ( x) ? P2 ( x)L = I P ( x) + I P2 ( x) 1 1 可以看出I P(x)间应满足以上三点 可以看出I与P(x)间应满足以上三点， 则它们 间应满足以上三点， 有如下关系式： 有如下关系式： 1 I = loga = ? loga P ( x ) P( x ) # 定义：I = loga 1/P(x) = -logaP(x) 定义： 信息量I的单位与对数的底数a有关： 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=2 单位为比特 bit，简写为b 比特( a=e单位为奈特(nat，简写为n a=e单位为奈特(nat，简写为n)； 单位为奈特 a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位； a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位； 单位为笛特 a=r单位称为 进制单位。 a=r单位称为r进制单位。 单位称为r # 通常取 a = 2, 此时单位为“比特”。 此时单位为“比特” # 对于一个等概率、二进制码元： 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： 对于一个等概率、 进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/M) = log2 M 比特 若 M = 2k ，则 I = k 比特 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制 进制)等概率 例 1-1 试计算二进制符号等概率和多进制 进制 等概率 时每个符号的信息量。 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)。 试计算二进制符号不等概率时的信息量( P(1)=P)。 例 1-3 设由5个符号组成的信息源，相应概率为 设由5个符号组成的信息源， 例 1-4 一信息源由4个符号A、 B、 C、 D组成，它们出 一信息源由4个符号A 组成， 现的概率为3 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 试求信息源输出为CABACABDACBDAABCAD 的 。 试求信息源输出为 CABACABDACBDAABCAD- CBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACB A的信息量。 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， 信源输出的信息序列中， 出现23次 出现14次 C出现13次，D出现7次，共有57个。 出现13次 出现7 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） 有效性和可靠性的关系（速度质量） 模拟通信系统性能指标： 模拟通信系统性能指标： 有效性指标： 有效性指标：单位时间内传送的信息量 可靠性指标： 可靠性指标：均方误差 数字通信系统性能指标： 数字通信系统性能指标： 有效性指标： 有效性指标：传输速率 可靠性指标： 可靠性指标：差错率 1.5.1 数字通信系统有效性指标的具体表述 *码元传输速率通常又可称为码元速率、数 码元传输速率通常又可称为码元速率、 码率、传码率、码率、信号速率或波形速率。 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 指单位时间(每秒钟) 元的数目，用符号R 来表示。 元的数目，用符号RB来表示。 码元速率： 波特(B) 码元速率：RB 波特(B) 码元速率R 与信号的进制数无关， 码元速率RB与信号的进制数无关，只与 码元宽度Tb有关 有关： 码元宽度Tb有关： 1 RB = Tb 通常在给出系统码元速率时， 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 明码元的进制 ， 多进制 (N)码元速率 R BN 与二 码元速率R 进制码元速率R 之间， 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， 不变的情况下，相互可转换，转换关系式为 : RB 2 = RBN ? log2 N ( B ) N应为2k , k = 2,3,4 L *信息传输速率简称信息速率，又可称为传 信息传输速率简称信息速率， 信率、比特率等。 信率、比特率等。 比特率：指单位时间(每秒钟)内送的信息 指单位时间(每秒钟) 用符号R 来表示。 量，用符号Rb来表示。 比特率： 比特 比特率：Rb 比特秒(bit/s,bps,b/s) 有关，因此， 因为信息量与信号进制数有关，因此， Rb也与有关： 也与有关： 进制： 对M进制：Rb = RB log2 M 例: 若某信源在1秒钟内传送1 200个符号， 且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信 源的Rb=1 200b/s或1 200 bps。 *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 单位时间(每秒钟) 息数， Rm表示 表示。 息数，用Rm表示。 消息速率： 特定） 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 因消息的衡量单位不同， 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 在二进制中，码元速率R 同信息速率R 的关系在数值上相等，但单位不同。 的关系在数值上相等，但单位不同。 在多进制中， 之间数值不同， 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同， 单位亦不同。 单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系 式： RbN = RBN ? log2 N *在码元速率保持不变条件下，二进制信 在码元速率保持不变条件下， 息速率R 与多进制信息速率R 息速率Rb2与多进制信息速率RbN之间的关系 为： Rb2=RbN/log2N f (t) 11 3V 1V 0 1 V 00 t 01 10 3 V 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72 000个码 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 问其码元速率和信息速率各为多少? 不变(即码元速率不变) 但改为八进制数字信号， 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? 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 60s内传送了72 000个码元 RB2=72 000/(260)=600 (B) 000/(2 60)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s) (b/s (2) 若改为8进制 若改为8进制 则 RB8=72 000/(260)=600 (B) 000/(2 60)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) (b/s) 1.5.2 数字通信系统可靠性指标的具体表述 * 码元差错率Pe ： 码元差错率Pe 简称误码率， 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， 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。 传输系统中被传错的概率。 用表达式可表示成： 用表达式可表示成： 误码率Pe 错误接收码元数/ 误码率Pe = 错误接收码元数/传输码元总数 *信息差错率Peb： 信息差错率P 简称误信率， 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， 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。 量在传输系统中被丢失的概率。 用表达式可表示成： 用表达式可表示成： 误比特率P 误比特率Peb = 错误接收比特数/传输总比特数 错误接收比特数/ *误字率Pw = 错误接收字数/总传输字 误字率P 错误接收字数/ 数 *误码率和误比特率的关系 Peb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2 2(M*误字率和误比特率的关系 对于二进制， 对于二进制， 若一个字由k比特组成， 若一个字由k比特组成，则 Pw1 (1 Pe)k 例 1 -6 的误码率。 的误码率。 解： 已知某八进制数字通信系统的信息速率为12 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 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 个错误码元， Rb8 = 12 000b / s RB 8 = Rb8 / log2 8 = 4 000 B 216 ?5 Re = = 3 10 4 000 30 60 1.6 数字通信的主要技术问题 1.6.1 数字调制/解调 数字调制/解调 调制与解调是数字通信系统的核心， 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( 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。 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 振幅键控(ASK) 、 频移键控(FSK) 、 制方式有振幅键控 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 (PSK)、 相对(差分)相移键控(DPSK)等四种。 (第6章) 等四种。 1.6.2 信源编码/译码 信源编码/ 信源编码的主要任务： 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 即模拟信号数字化问题) 第二是实现数据压缩( 已超出我们的大纲范围) 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， 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 一是脉冲编码调制 脉冲编码调制(PCM)，另一种是增量调制 增量调制(?M)。 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 章中不仅要讨论其编码/译码的基本组成及实现方法， 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 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 片和?M编译码芯片的实际知识。 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 纠错编码/译码又称差错控制编码/译码， 纠错编码/译码又称差错控制编码