文元美现代通信原理课件1.现代通信系统原理绪论.ppt

通信系统原理 通信原理 PrincipleofCommunication 准备知识 概率论 随机过程 信号与系统 第1章绪论 1 1通信的基本概念1 2通信系统的组成1 3通信技术发展概况1 4数字通信系统的主要性能指标1 5数字通信的主要技术问题 1 1通信的基本概念 1 1 1通信的定义 1 通信的目的是传递消息 消息的表达形式 语言 文字 图像 数据等 2 通信的一般概念 定义 指由一地向另一地进行消息的有效传递 实现通信的方式很多 目前使用最广泛的是电通信方式 即用 电 来传递消息的通信方法 称为 电信 telecommunication 即用电信号携带所要传递的消息 然后经过各种电信道进行传输 达到通信的目的 广泛意义上来讲 光通信也属于电通信 因为光也是一种电磁波 把利用电子等技术手段 借助电信号 含光信号 实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换称为 通信 有效而可靠地传递信息 通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术 它要将大量有用的信息无失真 高效率地进行传输 同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉 通信和电信概念 孙钰 1 通信 Communication 通信是按照一致同意的协定传递消息 通信是传递消息 2 电信 Telecommunication 电信是利用有线 无线 光或其它电磁系统传递代表符号 书写件 影像 声音或其它承载信息的媒体的信号 电信是传递信号 1 1 2通信的分类 一 分类1 按传输媒质分 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同 通信可分为两大类 一类称为有线通信 另一类称为无线通信 2 按信道中所传信号的不同分 按信号特征分 信道是个抽象的概念 这里我们可理解成传输信号的通路 通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号 由此通信亦可分为数字通信和模拟通信 3 按工作频段分 通信使用的频段及主要用途 续表 通信中工作频率和工作波长可互换 公式为 式中 为工作波长 f为工作频率 C为电波在自由空间中的传播速度 通常认为C 3 108m s 4 按调制方式分 根据消息在送到信道之前是否采用调制 通信可分为基带传输和频带传输 按调制所用载波的不同 有不同的调制方式 即连续波调制以及脉冲波调制 见下表 若载波为正弦波 正弦波有三要素 幅度A 频率F 相位P 若载波为脉冲波 脉冲波有脉冲幅度A 宽度W 位置P三要素 常见的调制方式 常见的调制方式 续表 5 按业务的不同分 目前通信业务可分为电报 电话 传真 数据传输 可视电话 无线寻呼等 另外从广义的角度来看 广播 电视 雷达 导航 遥控 遥测等也应列入通信的范畴 因为它们都满足通信的定义 由于广播 电视 雷达 导航等的不断发展 目前它们已从通信中派生出来 形成了独立的学科 6 按收信者是否运动分 通信还可按收信者是否运动分为移动通信和固定通信 移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换 移动通信已被列为现代通信中的三大新兴通信方式之一 另外 通信还有其它一些分类方法 如按多地址方式可分为频分多址 FDMA 通信 时分多址 TDMA 通信 码分多址 CDMA 通信等 按用户类型可分为公用通信和专用通信等 二 通信方式 前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 电话就是一个最好的例子 这时通信双方都要有发送和接收设备 并需要各自的传输媒质 如果通信双方共用一个信道 就必须用频率或时间分割的方法来共享信道 因此 通信过程中涉及通信方式与信道共享问题 下面介绍通信方式 1 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 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 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 单工 半双工和全双工通信方式示意图 a 单工 b 半双工 c 全双工 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 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 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 c 所示 普通电话 手机都是最常见的全双工通信方式 计算机之间的高速数据通信也是这种方式 2 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 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 如图 a 所示 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他高速数字系统 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 如图 b 所示 通常 一般的远距离数字通信都采用这种传输方式 此外 还可以按通信的网络形式划分 由于通信网的基础是点与点之间的通信 所以本课程的重点放在点与点之间的通信上 并行和串行通信方式示意图 a 并行传输 b 串行传输 1 2通信系统的组成 通信系统的模型 卫星通信系统组成 数字蜂窝移动通信系统组成 无线电语音广播原理图 无线电视广播系统原理方框图 1 2 1模拟通信系统 图1 5模拟通信系统模型 1 2 2数字通信系统 1 数字频带传输通信系统 图1 6数字频带传输通信系统模型 2 数字基带传输通信系统 图1 7数字基带传输通信系统模型 3 模拟信号数字化传输通信系统 图1 8模拟信号数字化传输通信系统模型 1 2 3数字通信的主要优缺点 1 数字通信的主要优点 抗干扰 抗噪声性能好 2 差错可控 3 易加密 4 易于与现代技术相结合 两类通信方式抗干扰性能比较 a 模拟信号 b 数字信号 2 数字通信的缺点 1 频带利用率不高 数字通信中 数字信号占用的频带宽 以电话为例 一路数字电话一般要占据约20 60kHz的带宽 而一路模拟电话仅占用约4kHz带宽 如果系统传输带宽一定的话 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的5 15倍 2 需要严格的同步系统 数字通信中 要准确地恢复信号 必须要求收端和发端保持严格同步 因此 数字通信系统及设备一般都比较复杂 体积较大 1 3通信技术发展概况 1 3 1通信发展简史 表1 2通信重大事件表 表1 2通信重大事件表 1 3 2通信技术的现状和发展趋势 1 光纤通信 光纤通信具有容量大 成本低等优点 且不怕电磁干扰 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源 因此 自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来 光纤通信发展极为迅速 新器件 新工艺 新技术不断涌现 性能日臻完善 由于长波长激光器和单模光纤的出现 使每芯光纤通话路数可高达百万路 中继距离将达到100km 市话中继光纤成本也连续大幅度下降 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展 目前光缆长度累计近几十万km 我国已不再敷设同轴电缆 新的工程将全部采用光纤通信新技术 2 卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远 覆盖面积广 不受地理条件限制 可以大容量传输 建设周期短 可靠性高等 自1960年第一颗卫星发射成功以来 卫星通信发展特别迅猛 目前 卫星通信的使用范围已遍及全球 仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路 卫星通信的广泛应用 使国际间重大活动能及时得以实况转播 它使全世界人与人之间的 距离 缩短 3 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段 它是随着汽车 飞机 轮船 火车等交通工具的发展而同步发展起来的 近10年来 在微电子技术和计算机技术的推动下 移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线 无线融为一体 固定 移动相互连通的全国规模 甚至全球范围的通信系统 移动通信的发展方向是数字化 微型化和标准化 20世纪90年代将是蜂窝电话迅速普及的年代 但目前世界上存在八种不同的技术体制 互不兼容 因此标准化成为当务之急 数字化的关键是调制 纠错编码和话音编码方式的确定 微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机 4 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代 它较一般电缆通信具有易架设 建设周期短等优点 它是目前通信的主要手段之一 主要用来传输长途电话和电视节目 其调制主要采用SSB FM FDM等方式 微波中继通信的主要发展方向是数字微波 同时要不断增加系统容量 增加容量的途径是向多电平调制技术发展 目前采用的调制方式有16QAM和64QAM 并已出现256QAM 1024QAM等超多电平调制的方式 采用多电平调制 在40MHz的标准频道间隔内 可传送1920至7680路PCM数字电话 1 4数字通信系统的主要性能指标 1 4 1一般通信系统的性能指标 1 有效性 指通信系统传输消息的 速率 问题 即快慢 2 可靠性 通信系统传输消息的 质量 问题 即好坏 3 适应性 指通信系统使用时的环境条件 4 经济性 指系统的成本问题 5 保密性 指系统对所传信号的加密措施 6 标准性 指系统的接口 各种结构及协议是否合乎国家 国际标准 7 维修性 指系统是否维修方便 8 工艺性 指通信系统各种工艺要求 信号是消息的载体 而信息是其内涵 任何信源产生的输出都是随机的 也就是说 信源输出是用统计方法来定性的 对接收者来说 只有消息中不确定的内容才构成信息 因此 信息含量就是对消息中不确定性的度量 消息出现的概率越小 消息中包含的信息量就越大 假设P x 是一个消息发生的概率 I是从该消息获悉的信息 根据上面的认知 显然I与P x 之间的关系反映为如下规律 1 4 2信息及其量度 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 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 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 通常使用的单位为比特 例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 由以上分析可以看出 若传送等概出现的两个消息之一时 至少要一位二进制脉冲 若传送等概出现的N个消息之一时 至少需要位二进制脉冲 当消息的信息量用比特表示时 它所含的信息量可以用传送它所需要的最少的二进制脉冲数来表示 例试计算二进制符号不等概率时的信息量 设P 1 P 例设由5个符号组成的信息源 相应概率为 例一信息源由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 4 3有效性指标的具体表述 1 码元传输速率 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 用符号RB来表示 码元速率是指单位时间 每秒钟 内传输码元的数目 单位为波特 Baud 常用符号 B 表示 数字信号一般有二进制与多进制之分 但码元速率RB与信号的进制数无关 只与码元宽度Tb有关 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 2 信息传输速率 信息传输速率简称信息速率 又可称为传信率 比特率等 信息传输速率用符号Rb表示 Rb是指单位时间 每秒钟 内传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 简记为b s或bps 因为信息量与信号进制数N有关 因此 Rb也与N有关 3 Rb与RB之间的互换 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 例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 1 4 4可靠性指标的具体表述 1 码元差错率Pe 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 2 信息差错率Peb 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 例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 5数字通信的主要技术问题 1 5 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 1 5 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3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3章中不仅要讨论其编码 译码的基