第1讲 通信的基本概念、通信系统的组成ppt课件.ppt

通信原理电子教案 2012年9月 通信原理 电子教案 授课班级 通信1103班 通信1104班授课教师 广东海洋大学信息学院梁能 27 03 2020 3 第1章绪论本章主要介绍通信的基本概念 使学生对通信的基本概念 术语以及本课程所要研究的主要对象有一个初步了解 本章是通信原理与技术的基础 研究内容 1 1通信的基本概念1 2通信系统的组成1 3通信系统分类及通信方式1 4通信系统的主要性能指标 27 03 2020 4 1 1通信的基本概念 通信的定义 是指由一地向另一地进行消息的有效传递 古代 烽火台 驿站 近代 鸡毛信 消息树 现代 电话 广播 电视 通信的目的是传递消息 消息 message 具有不同的形式 例如 语言 文字 数据 图像 符号等等 27 03 2020 5 要素 一地 另一地 发信 收信方 消息 有待于传输的语音 图象 符号 数字 图片等 概率论意义上的 事件 消息带有需要送给收信者的信息 information 消息以信号的形式在系统中进行传输 系统 电子系统 语音系统 声光系统等 通信系统 完成通信这一过程的全部技术设备和传输媒介 通信 communication 是信号与系统的集合 27 03 2020 6 信号 是消息的载荷者 与消息一一对应的东西 在电信系统里 载荷者为 电 对应 消息被载荷在电信号的某参量上 如电压 电流或电波等物理量 进一步还可以是该物理量的幅度 相位或频率等 此时的信号为电信号 习惯上简称为信号 signal 模拟信号 数字信号 传输电信号的通信系统为电信通信系统 常简称之通信系统 27 03 2020 7 通信的再定义 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称为通信 27 03 2020 8 1 2通信系统的组成 图1 1通信系统的一般模型 信源 信息源 也称发终端 把待传输的消息转换成原始电信号 如电话系统中电话机可看成是信源 发送设备 将信源和信道匹配起来 即将信源产生的原始电信号 基带信号 变换成适合在信道中传输的信号 1 2 1通信系统的一般模型 27 03 2020 9 信道 信号传输的通道 可以是有线的 也可以是无线的 甚至还可以包含某些设备 噪声源 是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合 非人为加入 接收设备 任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来 信宿 受信者 收终端 将复原的原始电信号转换成相应的消息 27 03 2020 10 1 2 2模拟通信系统信道中传输模拟信号的系统 称为模拟通信系统 可由一般通信系统模型略加改变而成 1 研究的问题 1 模拟通信系统中两种重要变换 消息 原始电信号 基带信号 调制信号 基带信号 已调信号 频带信号 2 信号受噪声干扰的影响 噪声背景下的信号传输 27 03 2020 11 2 调制的功用 提高频率 便于辐射 频率分配 实现频分复用 改善系统性能 27 03 2020 12 已调信号有三个基本特性 1 携带有消息 2 适合在信道中传输 如辐射 天线尺寸 1 10波长 3 频谱具有带通形式 且中心频率远离零频 频带信号 如 卫星电视信号 中心频率6 4GHz 带宽36MHz 相应地 原始电信号的频谱具有低通形式 直流 低频分量丰富 基带信号 如 话音信号 300 3 4kHz 电视基带信号 0 8MHz 27 03 2020 13 1 2 3数字通信系统 1 定义 信道中传输数字信号的系统 称为数字通信系统 2 基本特征 消息或信号具有 数字 的特性 强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系 模拟 强调变换的线性特性 即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性 27 03 2020 14 3 数字通信的主要特点 抗干扰能力强 抗噪声性能好 消除噪声积累 信道噪声或干扰所造成的差错 原则上是可以控制的 差错可控 检错 纠错 易加密 进行人为的扰乱 易于与现代技术相结合 数字终端 计算机等 4 数字通信需要解决的问题 差错可控 通过差错控制编码即信道编码实现 加密 通过加密 解密实现 节拍一致 位同步 帧同步 5 分类 数字基带传输通信系统 数字频带传输通信系统 模拟信号的数字传输 27 03 2020 15 数字频带传输通信系统 数字通信系统的一般模型 图1 3数字频带传输通信系统的模型 注 加密 解密 编码 译码不为必须 但一旦存在 必须成对 关键 必需含调制 解调器 27 03 2020 16 注 基带信号形成器 可能包括编码器 加密器以及波形变换等 接收滤波器 可能包括译码器 解密器等 关键 不含调制 解调器 图1 4数字基带传输系统模型 2 数字基带传输通信系统 27 03 2020 17 3 模拟信号数字化传输通信系统解决问题 模拟信源 数字通信系统 图1 5模拟信号数字化传输系统模型 关键 模拟信号数字化及其反之 A D转换器组成 抽样 量化 编码 发端将模拟信号数字化 即进行A D转换 接收端需进行相反的转换 即D A转换 27 03 2020 18 1 2 4数字通信的主要特点1 数字通信的主要优点 1 抗干扰能力强 2 差错可控 3 易加密 4 易于与现代技术相结合 2 亟待解决的问题 1 提高频带利用率 2 简化系统设备结构 27 03 2020 19 1 3通信系统分类及通信方式 1 3 1通信的分类1 按传输媒质分 有线通信和无线通信 有线通信是指传输媒质为架空明线 电缆 光缆 波导等形式的通信 其特点是媒质能看得见 摸得着 无线通信是指传输消息的媒质为看不见 摸不着的媒质 如电磁波 的一种通信形式 有线通信可进一步再分类 如明线通信 电缆通信 光缆通信等 无线通信常见的形式有微波通信 短波通信 移动通信 卫星通信 散射通信和激光通信 红外通信等 其形式较多 27 03 2020 20 2 按信道中所传信号特征分 模拟通信系统与数字通信系统 3 按工作频段分 长波通信 中波通信 短波通信 微波通信等 地波 天波 反射波 视距波4 按调制方式分 基带传输和频带传输 AM SSB DSB VSB ASK FSK PSK DPSK PAM PCM M等 5 按业务的不同分 话务通信和非话务通信 电话业务在电信领域中一直占主导地位 它属于人与人之间的通信 非话务通信主要包括数据传输 计算机通信 电子信箱 电报 传真 可视图文及会议电视 图像通信等 电话通信最为发达 其它通信常借助于公共的电话通信系统进行 未来的综合业务数字通信网中 各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输 另 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 但已从通信中派生出来 形成了独立的学科 27 03 2020 21 6 按收信者是否运动分 移动通信和固定通信 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通信 FDMA 时分多址通信 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 通信等 按用户类型可分为公用通信和专用通信等 27 03 2020 22 1 3 2通信方式1 按消息传送的方向与时间分通信方式可分为单工通信 半双工通信及全双工通信三种 27 03 2020 23 2 按数字信号排序分可将通信方式分为串序传输和并序传输 27 03 2020 24 3 按通信网络形式分通信的网络形式通常可分为三种 两点间直通方式 分支方式和交换方式 图1 8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 27 03 2020 25 注 分支方式及交换方式均属网通信的范畴 与点与点直通方式相比 有其特殊的一面 例 通信网中有一套具体的线路交换与消息交换的规定 协议等 通信网中既有信息控制问题 也有网同步问题等 网通信的基础仍是点与点之间的通信 本课程只研究 点对点通信 而不涉及通信网的其它问题 移动通信 计算机通信 程控交换等 27 03 2020 26 1 4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一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面 1 有效性 通信系统传输消息的 速率 问题 即快慢问题 2 可靠性 通信系统传输消息的 质量 问题 即好坏问题 3 适应性 通信系统对环境条件的适应性 4 经济性 系统的成本问题 5 保密性 系统对所传信号的加密措施 对军用系统尤为重要 6 标准性 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 系统是否维修方便 8 工艺性 通信系统各种工艺要求 通信的任务是快速 准确地传递信息 从研究消息传输的角度来说 有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标 27 03 2020 27 对于模拟通信来说 系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比 或均方误差 来衡量 对于数字通信系统而言 系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量 27 03 2020 28 1 4 2信息及其度量 1 信息定义 消息中包含的有意义的内容 信息 一词在概念上与消息的意义相似 但它的含义却更具普遍性 抽象性 消息可以有各种各样的形式 但消息的内容可统一用信息来表述 2 信息量传输信息的多少可直观地使用 信息量 进行衡量 在一切有意义的通信中 虽然消息的传递意味着信息的传递 但对接收者而言 某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息 例 非常可能发生的事情 今年秋季比去年秋季冷 极不可能发生的事情 今年秋季比去年冬季冷 事件愈不可能发生 愈会使人感到意外和惊奇 信息量就愈大 27 03 2020 29 2 信息量 事件愈不可能发生 愈会使人感到意外和惊奇 信息量就愈大 度量消息中所含的信息量的方法 必须能够用来估计任何消息的信息量 且与消息种类无关 消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关 另 由概率论可知 事件的不确定程度 可用事件出现的概率来描述 事件出现 发生 的可能性愈小 则概率愈小 反之 概率愈大 基于这种认识 得 消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关 消息出现的概率愈小 则消息中包含的信息量就愈大 且概率为零时 不可能事件 信息量为无穷大 概率为1时 必然事件 信息量为0 27 03 2020 30 综上 信息量与消息出现的概率有关 具体可以描述为如下规律 1 消息中所含信息量是消息出现概率的函数 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 27 03 2020 31 信息量I和消息出现概率P x 的关系为 信息量的单位取决于对数底数a的取值 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单位为哈特莱 27 03 2020 32 例1 1设二进制离散信源 数字0或1以相等的概率出现 试计算每个符号的信息量 解 二进制等概率时 有 即二进制等概时 每个符号的信息量相等 为1bit 27 03 2020 33 式中 P 1 M为每一个符号出现的概率 一般情况下M 2K 则上式可改写成 例 对于M进制离散信源 若M个符号等概率出现 且每一个符号的出现是独立的 即信源是无记忆的 则每个符号的信息量相等 为 结论 独立等概情况下M进制的每一符号包含的信息量 是二进制每一符号包含信息量的K倍 K是每一个M进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目 27 03 2020 34 3 平均信息量当各个符号出现的概率不相等时 计算消息的信息量 常用到平均信息量的概念 平均信息量定义 每个符号所含信息的平均值 用符号表示 多进制时 设各符号出现的概率为 则平均信息量 信息源的熵 为 27 03 2020 35 显然 当信源中每个符号独立等概出现时 式 1 4 6 即成为 1 4 4 可以证明 此时信息源的熵为最大值 信息源的熵 27 03 2020 36 1 4 3有效性指标的具体表述数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量 传输速率越高 系统的有效性越好 有效性通常有两种表示方法 1 码元传输速率RB 数码率 传码率 码率 信号速率或波形速率 定义 单位时间内传输码元的数目 单位 波特 Baud 用符号 B 表示 数字信号一般有二进制与多进制之分 但码元速率与信号的进制数无关 只与码元宽度有关 其中 Tb为码元宽度 27 03 2020 37 2 信息传输速率Rb 传信率 比特率 定义 单位时间内传输的信息量 单位 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 也与N有关 3 Rb与RB之间的关系它们之间在数值上有如下关系 27 03 2020 38 4 多进制与二进制传输速率之间的关系 1 码元速率不变 二进制信息速率与多进制信息速率之间的关系 2 系统信息速率不变 多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系 结论 27 03 2020 39 1 4 4可靠性指标的具体表述数字通信系统可靠性的指标是利用差错率来衡量 差错率通常有两种表示方法 1 码元差错率 误码率 发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例 也就是说 误码率就是码元在传输系统中被传