通信原理 ppt课件

通信原理 关于本课程 通信原理为学科理论基础课程 要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法 以及信息传输的基本原理 熟悉各种通信技术的基本特点以及性能 在此基础上 研究通信系统的设计 了解通信发展方向 先修课程 信号与系统 概率论与随机过程 等学习方式 课堂教学 课后作业 实验 上世纪60年代末期 欧美国家通信专业研究生课程 上世纪70年代 欧美国家通信专业研究生和本科生课程 上世纪80年代初 我国通信专业研究生和本科生课程 上世纪90年代 我国通信专业 电子类专业本科生也开设本课程 教材与参考书 教材 现代通信原理教程 北京邮电大学出版社主要参考书 樊昌信等 通信原理 第6版 国防工业出版社周炯槃等 通信原理 北邮出版社冯玉珉等 通信系统原理 清华 北京交大曹金玉等 通信系统原理 吉林大学出版社杨鸿文桑林 通信原理习题集 北邮出版社 教学内容 第一章绪论第二章确知信号分析 已学 第三章随机过程第四章模拟调制系统第五章数字基带传输系统第六章数字调制系统第七章模拟信号的数字传输第九章数字信号的最佳接收 教学安排 共72学时 4 5学分 其中 理论教学60学时实验教学12学时考核方式 考试 闭卷 第1章绪论 主要内容 1 5通信系统的主要性能指标 1 4信息及其度量 1 3通信系统的分类与通信方式 1 2通信系统的组成 1 1通信的基本概念与发展简史 1 6常用的通信信道及频带划分 1 1通信的基本概念 一 通信的基本概念 信源 信道 信宿 通信就是以语言 图像 数据为媒体 通过电 光 信号将信息由一方传输到另一方 通信的一般概念 信息的传输与交换 信源 信道 信宿称通信的三要素 重点 通信系统的模型 二 通信发展简史 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 1 最初的电报与电话 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 1820年 奥斯特通过实验得出了重要的结论 变化的电场能够产生变化的磁场 变化的磁场也能产生变化的电场 1837年 莫尔斯 SamuelMorse 制成了世界上第一台比较完善的电报机 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 上帝创造了何等的奇迹 莫尔斯发出第一封电报设备的复制品 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 电话交换技术 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 这里 交换 switching 的含义就是转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 清朝时北京的电话局 人工交换 2 无线通信的产生 1863年 麦克斯韦 Maxwell 提出了电磁场理论 建立了麦克斯韦方程 1887年 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 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 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 3 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 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 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 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 1 2 1通信系统模型 1 2通信系统的组成 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 信号的分类模拟信号 连续信号 是指消息的状态是连续的 如连续变化的语音 图象等 1 2 2模拟通信系统和数字通信系统模型 数字信号 离散信号 是指信号的幅度是离散取值的 如文字 符号 数据等 1 模拟通信系统模型 概念 利用模拟信号来传递信息的通信系统 模拟信息源 调制 解调器的作用 频谱搬移 调制解调原理 信道特性 噪声特性对传输信号的影响 噪声条件下系统的性能 模拟通信系统研究的主要问题 2 数字通信系统的模型 概念 利用数字信号来传递信息的通信系统 一般数字通信系统的收端要有同步的功能 各部分功能 信源 输出的是待传送的信号 它可以是模拟信号 也可以是数字信号 信源编码 信源输出为模拟信号时 完成模 数变换 信源输出为数字信号时 完成压缩编码等功能 加密 用于需要保密通信的系统 信道编码 作用是提高可靠性 进行差错控制编码 调制器 将待传输的数字信号适当变化 以适于信道传输 信道 信号在媒质中传输的通路 噪声源 信号在信道传输过程中受到的加性干扰 解调器 将调制信号还原成基带信号 信道解码 对信号完成纠检错功能解密 加密的反变换 信源解码 完成数 模变换或解压缩编码等功能信宿 受信者同步系统 因分散未画出 但它却是数字通信系统中必不可少的组成部分 数字通信特点 抗干扰能力强 无噪声积累 传输差错可控 便于使用现代数字信号处理技术进行处理 易于集成 使设备微型化 重量轻 易于加密 所需的传输带宽宽 缺点 数字通信系统研究的基本问题 1 A D D A变换 数字基带信号的特性 2 数字调制 解调原理 3 信道 噪声特性对数字系统的影响 4 信道编码 译码 5 加密 6 同步 通信系统的组成 两种应用利用数字通信系统传送模拟消息A D D A变换 例如电话利用模拟通信系统传送数字信号加装数字终端 例如调制解调器 1 3通信系统的分类与通信方式 1 按通信业务分类 电话 电报 数据 图象等2 根据调制方式分类连续波调制脉冲调制3 根据消息的物理特征 模拟通信系统数字通信系统4 根据传输媒介有线通信系统 双绞线 同轴电缆 光纤无线通信系统 1 3 1通信系统的分类 5 根据信号复用方式分类 频分复用 FDM 时分复用 TDM 码分复用 CDM 单工通信 Simplex 半双工通信 HalfDuplex Two way alternate On one way 6 按通信方式分类 按消息传送方向与时间关系 单工 半双工 全双工 全双工通信 FullDuplex Two way simultaneous 1 4信息及其度量 1 信息 消息中包含的有效内容信息的度量 信息量与消息的种类及重要程度无关事件的不确定程度越大 信息量越大消息x中所含信息量I与消息出现概率P x 成反比P x 1 I 0 P x 0 I 信息及其度量 2 信息量I a 2 信息量的单位为比特 bit a e 信息量的单位为奈特 nat a 10 信息量的单位为哈特莱 Hartley 离散信源的信息熵 每个符号所含平均信息量 信息量的统计平均值 设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集 且 各符号x1x2 xn所包含的信息量分别为 信息及其度量 3 信息及其度量 4 信息及其度量 5 例1 2 离散信息源由0 1 2 3四个符号组成 出现概率分别为3 8 1 4 1 4 1 8 每个符号出现都是独立的 求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量 解 分析消息0 23次1 14次 2 13次3 7次 共57个符号 该消息的信息量 用熵的概念计算 信息量 可见两种算法结果有误差随着消息序列长度的增加 两种计算误差将趋于零 当消息很长时 用熵的概念来计算比较方便 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 最重要的是 有效性 是指传输一定信息量时所占用的信道资源 带宽或时间 可靠性 是指接收信息的准确程度 1 5通信系统的主要性能指标 速度 问题 质量 问题 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输出信噪比来衡量 信噪比越大 通信质量越高 一 模拟通信系统的质量指标 信噪比 S N 信号功率 噪声功率 S N dB 10log S N 以分贝为单位 有效性 数字通信系统的有效性用传输速率和频带利用率衡量 1 传输速率码元传输速率RB 单位时间传送码元的数目 单位 波特 Baud 信息速率Rb 单位时间传输的信息量 单位 比特 秒 bit s 或bps为单位 二 数字通信系统的质量指标 码元速率与信息速率的关系 在二进制下 码元速率与信息速率在数值上相等 即 单位不同 在M进制下 2 频带利用率 单位带宽内的传输速率 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 差错率越小 通信的可靠性越高 可靠性 用差错率衡量 1 6常用通信信道及通信频带的划分 1 6 1几种常用信道的特征 有线信道 双绞线 同轴电缆 光纤无线信道 可以传输无线电波和光波的空间或大气 有线信道举例 双绞线 既可用于模拟传输 也可用于数据传输带宽依赖于线的粗细和传输距离无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 以箔屏蔽来减少干扰 明线对称电缆 对称电缆截面示意图 有线信道举例 有线信道举例 同轴电缆基带同轴电缆 50 为数据通信传输基带数字信号 局域网中广泛使用10Mb s 1km宽带同轴电缆 75 多用于CATV系统 传送频分复用的模拟信号6MHz 300 400MHz 100km单向放大器 有线信道举例 光纤纤芯和包层构成的双层通信圆柱体 依靠光波承载信息光纤传输系统 光源 光纤线路和光电探测器 光纤的传送模式 输入电信号 波长 1300 1550nm 波长 850 1300nm 纤芯 包层特性 输出电信号 有线信道举例 光纤的特点传送速率高 通信容量大 25 30THz带宽 波段 目前 在试验室中光纤带宽超过50Tbps 8 2 5Gbps 8 10Gbps 32 10Gbps系统已经实用传输损耗小 0 2dB km 适合长距离传输抗干扰性能好 保密性好轻便连接困难 有线信道举例 无线信道 利用电磁波在空间的传播实现 电磁波传播方式 1 地波传播 2 天波传播 3 视距传播 4 散射传播 5 对流层电波传播 6 电离层电波传播 无线信道举例 1 地波传播 频率 2MHz以下绕射 发生在波长 障碍物尺寸可比时 通信距离 可达数百 数千km 传播路径 无线信道举例 2 天波传播 借助于电离层的一次反射或多次反射 传输距离 10000km以上 由发射点出发的电波可能经多条路径到达接收点 多径传播 无线信道举例 3 无线电视距中继传输 30MHz以上 两个地面站之间传送 点到点 距离 50 100km 频率 2G 40GHz依赖于天气和频率应用 长距离传输话音和电视信号 大厦之间LAN互连 无线信道举例 4 使用微波使用转发器接收和转发优点 传输距离远 覆盖地域广 传输稳定可靠 传输容量大应用 传输电视信号 远距离话音传输 组建专用网可支持点到多点传送C波段4 6GHz上行5 925 6 425GHz下行3 7 4 2GHzKU波段12 14GHz上行14 14 5GHz下行11 7 12 2GHz 地球 地面站 地面站 通信卫星中继信道 无线信道举例 5 地球同步 GEO 卫星 低轨道 LEO 卫星发射功率小 用于移动通信和个人通信系统 铱 系统 765km高 66颗星Globalstar 1389km高 48颗星 中轨道 MEO 卫星GPS 17723km高 24颗星伽利略计划 30颗星 距地面约35860km 相对于地面站来说 同步卫星在空中的位置是静止的使用3个卫星 赤道