通信原理 第1章绪论课件

2020 2 23 1 87 通信原理 任通菊 2 87 2020 2 23 上课学时 56学时 答疑地点 科B232 A 答疑时间 周二 周四下午2 30 4 00 3 87 2020 2 23 我命在我 不在天地 天助自助者 主动还是被动是成功与失败的关键 梅花香自苦寒来 上好每堂课 做好每次作业 学会读书 读专业书 读文学作品 修身养性 从现在做起 4 87 2020 2 23 参考书 通信原理教程 樊昌信等电子工业出版社 通信原理简明教程 南利平清华大学出版社 通信原理学习指导与题解 王福昌编著华中科技大学出版社 现代通信原理 曹志刚等清华大学出版社 通信原理 合订本 周炯槃等北京邮电大学出版社 数字与模拟通信系统 LeonW Couch著电子工业出版社 5 87 2020 2 23 第1章绪论 6 87 2020 2 23 现代信息社会中 充分利用与交流信息 通信通信原理 阐述通信及其系统的基础理论 技术与分析方法 1 1通信的基本概念1 2历史回顾1 3信源与常见的消息1 4信道1 5频带与电波传播1 6数字与模拟通信系统1 7通信网络 7 87 2020 2 23 1 1通信的基本概念 8 87 2020 2 23 1 几个术语通信 communication 通信就是沟通信息 信息 information 我们感兴趣的事物的状态和状态变化 消息 message 消息是信息的载体 信号 signal 信号是消息的载体 9 87 2020 2 23 信号波形的中心频率及其带宽 信号波形的功率和能量 信号波形的抗干扰能力如何 在发送端 产生该波形的代价如何 在接收端 检测该波形的代价又如何 信号波形设计取决于如下几个因素 10 87 2020 2 23 2 通信系统 communicationsystems Transmitter Receiver Channel 信源 一个换能器其他能量电能 信宿 一个换能器电能其他能量 原始信息信号 原始信息信号 通信系统 发送器 信道与接收器 11 87 2020 2 23 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来 即将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号 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信息信号来 信道是指传输信号的物理媒质 有线和无线信道均有多种物理媒质 12 87 2020 2 23 信道 要强调的是在通信中 信息是接收方所未知的 消息越感出乎意料 信息量就越大 通信系统中还存在噪声 噪声也是无法预知的 噪声限制了通信的能力 13 87 2020 2 23 摩尔斯电报系统 最古老的电信系统 传送文字消息 诞生于1837年 以不同长度的声音表示字符 电码信号 电子系统 通过电信号来实现信息的传递术语 通信 与 电信 communication telecommunication 14 87 2020 2 23 两种基本通信方式 广播方式 信息同时送到多个收信者点 点方式 一个信源对一个收信者 基于传输方向的特点 单工系统 只能沿一个固定方向传输信息 如 电视广播中 遥测 遥控 无线寻呼双工系统 能够同时沿两个方向传输信息 如 电话通信 半双工系统 任何时候只能沿一个方向传输信息 但可以切换传输方向 如 对讲机通信 15 87 2020 2 23 发端 收端 信道 1 单工系统 2 双工系统 收端 发端 信道 收端 发端 信道 3 半双工系统 收端 发端 信道 收端 发端 16 87 2020 2 23 1 2历史回顾 自学 17 87 2020 2 23 要求 了解到200多年来通信的发展历程 电报与电话通信的重要作用收音 电视广播 卫星通信 移动电话系统等重要的系统数字化与网络化过程信息论与通信理论的发展通信朝着数字化 宽带化 网络化 综合化 移动与个人化方向发展 18 87 2020 2 23 1 3信源与常见的消息 19 87 2020 2 23 数字信源 产生的消息的状态 取值 数是有限的如 计算机的输出模拟信源 产生的消息的状态 取值 是连续变化的 数目无限的 1 3 1数字与模拟信源 如 键盘 如 语音源 2 数字与模拟信源 1 信息 消息与信号 Digitalandanaloginformationsource 如 汉字集 20 87 2020 2 23 消息符号 messagesymbol 数字消息的每一种状态或者取值称为一种消息符号 消息符号集 数字消息源的所有状态或者取值的集合 如 具有N种取值的数字信源 数字消息源 消息符号 消息符号集 数字消息序列 数字信号 21 87 2020 2 23 数字消息序列 其中xm取中N个值之一 图1 3 1数字消息信号示例 22 87 2020 2 23 3 数字与模拟信源的基本指标 符号速率 M元数字信源 指数字信源具有M种符号 最基本的是二元数字信源 具有2种符号 可以用1位二进制编码表示 称为1bit 多元数字信源 如M元 可以用n位二进制编码表示 数字信源的基本指标 消息符号 数字信源的元数 一般 23 87 2020 2 23 例 假设计算机的终端键盘上有110字符 每个字符用二进制代码组来表示 问每个字符需要用几位二进制代码 解 故需要7bits代码来表示每个字符 24 87 2020 2 23 习题1 1考虑手机短消息通信 以你自己或其他某人的经验 试估计 1 按键速率 2 假定每个中文字符转换为2字节表示 短消息的二元符号速率是多少 解 1 经过多次试验 按键速率为2 03key s 2 短消息的二元符号速率为 25 87 2020 2 23 模拟信源的基本指标 频带的宽度 赫或赫兹 Hz 如 语音的音量电信号 电信号 26 87 2020 2 23 补充 数字波形与模拟波形 传输波形 对于数字信源 可以用二元 二进制 波形 信号 传输 也可以用多元 多进制 波形 信号 传输 数字波形 信号的传信息的参量只取有限个值 二进制 binary 信号 1bit二进制代码用一个脉冲传 故在一个Ts时隙内传两种不同的脉冲之一 Ts Timeslot 27 87 2020 2 23 例1 二进制波形 二电平波形 电平A和0抽象为符号和 两个符号称为二元 二进制 符号 符号周期或码元宽度 数字基带信号 信道符号 频谱在零频附近 28 87 2020 2 23 多进制 M ary 信号 nbit二进制代码用一个脉冲传 在一个Ts时隙内传M种不同的脉冲之一 一般 例2 4进制波形 4个电平抽象为符号 4个符号称为4元 4进制 符号 数字基带信号 符号周期或码元宽度 信道符号 29 87 2020 2 23 传输速率 比特率 Rb每秒传输的bit数单位 bits sb sbps符号速率 波特率 Rs每秒传输的脉冲数 符号数 单位 symbol sBaudBdRb和Rs的关系 信道符号 30 87 2020 2 23 对于模拟信源 模拟波形 信号的传信息的参量的取值是连续变化的 模拟波形在模拟通信系统中传输 模拟波形经过A D变换变成数字波形 也可以在数字通信系统中传输 31 87 2020 2 23 数字消息 用离散型随机变量描述 N元消息源 数字消息序列 随机序列 1 3 2随机信号与确定信号 随机性 信息对于接收者必须是新的 即事先未知的且无法预知的 数字信号 波形 随机波形 32 87 2020 2 23 模拟消息 用连续型随机变量描述模拟消息信号是随机过程x t 概率密度函数fx t x 通信系统中的确定信号 正弦波与矩形脉冲等 用于协助传送消息信号 通信系统中常常传送 33 87 2020 2 23 1 3 3信息的度量 单个消息的信息量设 离散信源X 蕴含的信息量为 消息携带的信息量的大小与消息出现的不确定程度有关 34 87 2020 2 23 以2为底时单位是 比特 bit binaryunit的缩写 以e为底时单位是 奈特 nat natureunit的缩写 以10为底时单位是 哈特 Hart Hartley的缩写 注意 对于单条消息 其pi越小 则Ii越大 Ii大小与消息的内容是否有实际意义无关 35 87 2020 2 23 3 信息速率 熵率 一个信源的信息速率为 其中 H为信源熵 T为发送一条消息的时间 R为每秒内发送的信息量 从信息的角度看 熵与熵率是信源的基本指标 2 信源熵H X 数字信源每个符号出现所带来的平均信息量 entropy 36 87 2020 2 23 例1 1二元消息源X1 X2与X3的取值概率为 解 37 87 2020 2 23 例1 2数字信源X 4元等概 Y 2元等概 求它们的熵 解 38 87 2020 2 23 例 计算信息速率 某电话键盘 0 1 9 其中P P 0 005 P 0 P 1 P 9 0 099 如果按键速率为2keys s 计算该信源的信息速率 解 作业 1 21 41 6 39 87 2020 2 23 自学 要求 了解各种消息源的特点及基本指标 40 87 2020 2 23 模拟消息 41 87 2020 2 23 模拟消息 42 87 2020 2 23 模拟消息 43 87 2020 2 23 数字消息 44 87 2020 2 23 1 4信道 45 87 2020 2 23 信道 介于发信者与收信者之间 供消息信号经过的通道 是传输电 电磁波或光信号的物理媒质 两大类 1 有线信道 普通导线 电话线 电缆 波导与光纤 2 无线信道 大气 真空与海水等 46 87 2020 2 23 引入乘性噪声 1 4 1信道的影响 1 加性噪声 以相加的形式混入的噪声 噪声是随机的 典型的为热噪声 其他干扰 1 自然界的干扰 如雷电等 2 人为干扰 2 信道的传输特性可能引起信号的畸变 使信号发生某种形式的失真 变参信道 参数特性是时变的 甚至是随机变化的 47 87 2020 2 23 1 4 2加性噪声信道模型 加性信道一般模型 加性高斯白噪声信道 AWGN 通常n t 为热噪声 具有高斯白噪声特性 功率谱密度值 反映的是每Hz频带内噪声的平均功率 48 87 2020 2 23 全通滤波器 带通滤波器 低通滤波器 理想信道模型 线性时不变系统 49 87 2020 2 23 自学 要求 了解各种信道的特点及基本指标 带宽 50 87 2020 2 23 51 87 2020 2 23 光纤有以下的一些独特的优点 频带宽 容量大 潜在带宽可达Hz 2 传输损耗低 无中继传输几百公里 3 光信号不受电磁干扰 抗噪声好 保密性强 4 体积小 质量轻 易于使用 材料丰富 价格低廉 长途电话网与互联网中常用光纤作为其传输媒质 52 87 2020 2 23 53 87 2020 2 23 54 87 2020 2 23 55 87 2020 2 23 1 5频带与电波传播 56 87 2020 2 23 1 5 1频带的名称 频带 某个频率范围 频率与波长关系 信号的频带 带宽 信号的绝大部分能量或功率集中的频率范围 信道的频带 带宽 信道能传送信号的频率范围 57 87 2020 2 23 海底通信等 调幅广播等 短波广播等 频带的位置 常用名称与典型的通信用途 58 87 2020 2 23 频带的位置 常用名称与典型的通信用途 调频广播 电视广播等 微波通信 电视广播 个人通信系统等 光通信 59 87 2020 2 23 几千赫以上的信号可以用于无线电通信 电波传播特性主要由其频率值决定 要有效地辐射电磁能量 天线的物理尺寸必须大于电磁波波长的1 10 中频 低频 甚低频 3MHz以下 1 5 2无线电波的传播 地波模式 电波沿地表面弯曲传播的方式 较低频率电波的主要传播方式 如 MF的调幅 AM 广播 60 87 2020 2 23 天波模式 电波经天空中的电离层反射而折回地面的传播方式 HF 3 30MHz 电波主要以天波模式传播 位于地面上方60 400km处 D E F1 F2层 61 87 2020 2 23 电离层 大气层中环绕地球的离子层 基本规律 白天由于太阳充足 D层浓度高 能大量吸收2MHz以下的电波 夜晚D层浓度低 电波可达F层 30MHz以下的电波反射回来 常见问题是多径传播 造成频率选择性衰落 62 87 2020 2 23 2 也可以用于地面的视距传播 1 30M以上的电磁波向上传播时会穿过电离层而不被反射回来 可以用于卫星通信和外太空通信 视线传播模式 电波像光波作直线传播的方式 是VHF及更高的频率 30MHz以上 电波的主要工作模式 可用于卫星和外太空通信 63 87 2020 2 23 视距的计算 在地面应用时 地球表面的弯曲限制了传播的距离 64 87 2020 2 23 自学 1 5 3无线频谱及其管理 无线信道是人类共有的自由空间 开放给所有发送与接收用户的共享资源 为了维护秩序 协调通信应用 减少干扰 各个国家都建立了有关政府部门进行管理 国际机构为国际电信联盟 ITU 负责 其前身是 国际电话与电报咨询委员会 CCITT 和国际无线电咨询委员会 CCIR 65 87 2020 2 23 FrequencyDivisionMultiplexing 管理无线频带的基本方法 1 5 4频分复用 FDM 频分复用 多个信号错开频率位置共用频带的方法 FDM这种思想也大量用在有线信道内 从FDM可见 带宽是信道本质上的资源 66 87 2020 2 23 1 6数字与模拟通信系统 67 87 2020 2 23 1 6 1模拟通信系统 模拟通信系统 信道中传输模拟波形的通信系统 系统的核心 调制与解调单元 基带信号 基带信号 68 87 2020 2 23 调制 借助于正弦载波形成频带信号 R t 或 t 或两者同时 随信息m t 变化 modulation 依据变化方式的不同 调制有各种制式 相应的带宽与抗噪声能力也不同 解调 调制的逆过程 解调 频带信号基带信号 demodulation 调制解调器 modem 69 87 2020 2 23 1 6 2数字通信系统 数字通信系统 信道中传输数字波形的通信系统 一个较为完善的现代数字通信系统 基本的 白色实线框 可选的 灰色虚线框 70 87 2020 2 23 收发两端结构基本对称 相应的单元彼此互逆 71 87 2020 2 23 信道 噪声 接收设备 信源 信宿 格式化 脉冲基带调制 发送设备 信源编码 信道编码 加密 频带调制 发射机 格式化 脉冲基带检测 信源译码 信道译码 解密 频带解调 接收机 数字通信系统简化模型 信号处理 信号处理 基带信号 基带信号 72 87 2020 2 23 发格式化 把来自信源的消息信号整理为二进制序列 收格式化 把收到的二进制序列还原为原始消息信号 格式化 对于模拟信源 格式化还包括A D和D A变换 脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制 把二进制序列变换成二元或多元传输波形基带检测 把二元或多元传输波形还原为二进制序列 通过对基带波形进行抽样和判决实现 同步单元为整个数字传输系统提供各种定时时钟 使各个单元能够正确 有序地工作 73 87 2020 2 23 信源编码和信源译码信源编码 为了改善传输效率 压缩编码 信源译码 为了恢复原始信号 作相反的变换 信道编码和信道译码信道编码 为了改善传输的可靠性 信道纠错编码 信道译码 为了恢复原始信号 作相反的变换 加密和解密加密 为信息传输提供保密性解密 作相反的变换 74 87 2020 2 23 数字通信系统 相比模拟系统 突出的优点 1 信号状态有限 抗干扰能力强 可实现低误码率 中继再生可以避免噪声积累 利于长距离传输 2 由信道纠错编码技术可进一步降低误码率 3 易于进行加密处理 4 易于进行压缩 以减少冗余度 提高信道利用率 5 易于不同种类的信源数据 共用数字通信系统 6 便于计算机与网络通信 缺点 1 通常需要更多的带宽 2 复杂的同步系统 75 87 2020 2 23 characteristicsmeasure 1 6 3通信系统的基本性能指标 通信系统的基本性能指标 有效性 给定的时间内能传输的信息内容的多少 可靠性 接收到的信息的准确程度 76 87 2020 2 23 数字通信系统 比特率 Rb每秒传输的bit数单位 bits sb sbps符号速率 波特率 Rs每秒传输的脉冲 信道符号 数单位 symbol sBaudBd 频带利用率 平均每赫兹所能提供的传输速率 bps Hz B 数字波形的带宽 Rb 数字波形的bit率 1 数字通信系统的有效性 传输速率 码元速率 77 87 2020 2 23 2 数字通信系统的可靠性 误比特率 BER 模拟通信系统 模拟通信系统的有效性 传输带宽 模拟通信系统的可靠性 接收端输出信号的信噪比 SNR 78 87 2020 2 23 6 4信道的容量 1 信道容量C 即能通无误过信道的最大信息速率 香农指出 信道有一个传输信息的 能力 称为信道容量 是无差错传输的速率上界 channelcapacity 79 87 2020 2 23 2 香农公式 设 信道H w 1 BW B 信道带宽为BHz AGWN N 信号带宽内的噪声功率 则 揭示了通信系统的容量与带宽 信号功率和噪声功率之间的关联 shannonformula 80 87 2020 2 23 3 香农公式的意义 其中 为信道三要素 1 当给定B S N时 信道的极限传输能力C 信道容量 即确定 如果信道实际的信息传输速率R小于或等于C时 此时能做到无差错传输 差错率可任意小 如果R大于C 那么无差错传输在理论上是不可能的 81