通信原理第一章教案.pptVIP

2020年3月 西南交通大学电气工程学院 1 主讲 向军教案编写 向军专业 电子信息工程 通信原理 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 2 教材和参考书目 1 黄葆华 通信原理 西安电子科技大学出版社 2007 教材 2 樊昌信等 通信原理 第5版 国防工业出版社 2001 3 南利平 通信原理简明教程 清华大学出版社 2000 4 陈生潭等 信号与系统 第二版 西安电子科技大学出版社 2001 5 高吉祥 广播电视技术概论 西南交通大学出版社 2011 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 3 目录 第一章绪论第二章确定信号的分析第三章随机信号的分析第五章模拟调制系统第六章模拟信号的数字传输第七章数字基带传输第八章数字调制技术 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 4 第1章绪论 主要内容通信及通信系统的基本概念模拟和数字通信的概念通信系统的基本组成通信系统的质量指标及其计算 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 5 1 1通信的概念及系统模型 通信 从广义上讲 通信就是将消息从一个地方传递到另一个地方 电通信 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 6 1 1通信的概念及系统模型 通信系统及其基本模型 实现消息传递所需的所有设备 传输媒质和通信协议的总和 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 7 1 1通信的概念及系统模型 信源即原始电信号的来源 其主要作用是将消息转换成相应的电信号 常见的信源设备有 电话机 摄像机 计算机等 这种直接由消息转换得到的电信号通常称做基带信号 也叫原始信号 它们有一个很重要的特点 就是信号的主要功率或能量大多集中在低频段 也就是说基带信号的频率比较低 如话音基带信号的频率范围一般在300 3400Hz之间 电视图像信号的频率在0 6MHz范围之内 由计算机等设备转换所得的原始数据信号的频率范围与码元传输速率有关 其最低频率也是非常低的 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 8 1 1通信的概念及系统模型 发送设备对信源所产生的原始电信号进行各种加工处理和变换 使它适合在信道中传输 不同通信系统中 发送设备对信源输出信号的处理方式不同 所以发送设备所包含的部件也不同 如在无线通信系统中 发送设备需要由调制器 振荡器 放大器 滤波器等部件组成 而在数字基带传输系统中 发送设备则由码型变换器和波形变换器组成 但不管进行什么样的处理 目的只有一个 使信源输出的信号适合在信道上传输 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 9 1 1通信的概念及系统模型 信道就是发送设备和接收设备之间用于传输信号的传输媒质 目前常用的信道有双绞线 电缆 光纤等有线信道 以及短波电离层反射信道 超短波无线电中继信道 卫星中继信道等无线信道 信号在信道中传输时 不可避免地会混入噪声 此外 通信系统的其它各部件也会产生噪声 噪声源模块是信道中的噪声和通信系统其它部件所产生噪声的集中表示 这样表示并不影响通信过程中主要问题的研究 而且可以给分析问题带来许多方便 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 10 1 1通信的概念及系统模型 由于经信道传送到接收端的信号是除有用信号外叠加有噪声的混合信号 因此接收设备的主要作用是从接收到的混合信号中 最大限度的提取有用信号 抑制噪声 以便恢复出原始信号 信宿即原始信号的最终接收者 它的作用是把接收设备恢复出来的原始电信号转换成相应的消息 如通过扬声器将话音信号转换成声音 通过荧光屏将电视信号转换成电视图像等 信宿可以是人 也可以是包括计算机在内的各种终端设备 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 11 1 1通信的概念及系统模型 模拟和数字通信 所有不同的消息 都可以被归结成两类 数字消息 离散消息 和模拟消息 连续消息 消息的状态是可数的或离散型的 比如符号 文字或数据等 称为数字消息 消息的状态是连续变化的 例如 强弱连续变化的语声 亮度连续变化的图像等 称为模拟消息 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 12 1 1通信的概念及系统模型 为了实现消息的传输与交换 消息通常被寄托在电信号的某一参量上 如电信号的幅度 频率和相位等 如果电信号的参量携带离散消息 则该参量必将取有限个数值 这样的信号称为数字信号 如果电信号的参量携带着连续消息 则该参量必将是连续取值的 这样的信号称为模拟信号或连续信号 根据通信系统中所传送信号的类型 把通信系统分成模拟通信系统与数字通信系统 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 13 1 1通信的概念及系统模型 模拟信号 AM信号 数字信号 ASK信号 数字通信 模拟通信 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 14 1 1通信的概念及系统模型 需要说明的是 模拟通信与数字通信是按照信道中所传送信号的差异来区分的 而不是根据信源输出的信号划分的 因为 数字通信系统也可以用来传送模拟信号 只不过在发送端需要先把模拟信号变换成数字信号 模 数转换 即A D转换 然后用数字通信方式进行传输 当然 在这种系统中 接收端需要把数字信号再变换成模拟信号 数 模转换 即D A转换 最后就可以还原成原始的模拟信号 这种通信方式通常称为模拟信号的数字化传输 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 15 1 1通信的概念及系统模型 模拟信息源 调制器 解调器 受信者 信道 噪声源 A D D A 模拟通信系统的基本组成 模拟信号的数字化传输 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 16 1 1通信的概念及系统模型 数字通信系统的特点 抗噪声性能好 数字通信传送的信号是数字信号 它的取值有限 因此 在有噪声的情况下 接收端易于识别 尤其在远距离传输过程中 各中继站可以对数字信号波形进行整形再生而消除噪声的积累 此外 还可以采用各种差错控制编码方法 使抗噪声性能进一步得到提高 便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 17 1 1通信的概念及系统模型 3 数字信号易于进行加密 有利于实现通信保密 4 数字通信系统通用 灵活 5 数字通信设备容易做到体积小 功耗低 制造简单 可靠性高 数字通信的主要缺点 占用的系统带宽要比模拟通信的宽 以电话为例 一路模拟电话通常占据4kHz带宽 而一路数字电话要占据20 60kHz的带宽 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 18 1 1通信的概念及系统模型 由上面的介绍可知 虽然数字通信与模拟通信相比具有一系列的优点 然而这是以占据较宽的信道频带为代价的 考虑到数字通信和模拟通信各自的优缺点 可以预计 在最近若干年内 模拟通信和数字通信这两种通信方式还会同时存在 当频带十分紧张而对通信质量没有特殊要求时 仍将沿用模拟通信 而当有待传输的数据量较多 传输可靠性和保密性要求较高时 往往宁可牺牲一些系统带宽而采用数字通信 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 19 1 2通信系统的分类 以信道传输的信号特征分类根据信道传输的信号种类的不同 通信系统可以分为两大类 模拟通信系统和数字通信系统 信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 如目前的民用广播系统 信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统 如数字电话系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 20 1 2通信系统的分类 以传输媒质分类按传输媒质的不同 通信可以分为两大类 有线通信和无线通信 有线通信使用导线作为传输媒质 市话系统 闭路电视 普通的计算机局域网等都是有线通信系统 无线通信则不需要架设导线 而是利用无线电波在空间的传播来传送消息 广播 移动电话 卫星通信等都是无线通信系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 21 1 2通信系统的分类 以传输的信号是否经过调制分类根据传输的信号是否经过调制 通信系统可分为基带通信系统和频带通信系统 信道中传输基带信号的通信系统称为基带通信系统 信道中传输已调制信号的通信系统称为频带通信系统 在基带系统中 将经过放大 滤波等处理后的基带信号直接送入信道传输 在频带系统中 需要对基带信号进行调制 变换成已调制的频带信号 再送入信道传输 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 22 1 2通信系统的分类 以调制方式分类常规的通信系统根据载波是正弦波还是周期脉冲信号分为连续波调制和脉冲调制 根据基带信号是模拟信号还是数字信号 可分为模拟调制系统 数字调制系统等 根据调制后信号的频谱结构是否发生变化 又可分为线性调制和非线性调制系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 23 1 2通信系统的分类 模拟通信系统 AM DSB SSB 模拟调制 线性调制 FM PM 模拟调制 非线性调制 数字通信系统 ASK FSK PSK 数字调制 线性调制QAM MSK QPSK 现代数字调制 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 24 通信系统举例 电视广播系统 分类 系统组成 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 25 通信系统举例 电视广播系统 节目制作与播出 节目制作 录音 录像 编辑 合成话筒 录音机 摄录像机 编辑制作设备 演播室 视频切换台节目播出 录播 直播 转播节目信号由总编室 播出部负责切换 并通过电缆 光缆等送到广播电视发射塔 卫星地面转播站 微波中继站等 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 26 通信系统举例 电视广播系统 发送与传输 地面无线传输 利用无线电波开路传输 发射塔 转播台 差转台 调幅中波广播 526 5 1605 5kHz 调幅短波广播 5 95 26 1MHz 调频广播 87 108MHz VHF频段电视广播 48 223MHz 共12个频道 UHF频段电视广播 470MHz 960MHz 共56个频道 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 27 通信系统举例 电视广播系统 有线传输 利用同轴电缆 光缆等封闭传输 CATV CableTV 特点 不受外界电磁波干扰 信号稳定 收视质量高 采用邻频传输 频道之间无频率间隔 节目容量大 可方便地划分出专用频段实现上行传输 以实现交互 视频会议 视频点播 电视购物等 频段划分 VHF UHF频段 标准频道 DS1 68 增补频道 Z1 42 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 28 通信系统举例 电视广播系统 CATV增补频道 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 29 通信系统举例 电视广播系统 卫星传输 利用地球同步卫星上的卫星转发器实现传输 中央电视台通过亚洲2号卫星Ku频段转发器传送到全国各地有线电视收视系统 各地有线电视网卫星地面接收站 接收解扰 再通过有线或无线传输送至收视用户 我国卫星广播频段 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 30 通信系统举例 电视广播系统 接收与重现 接收信号 处理变换 音像重现地面接收天线 解调 放大 驱动卫星接收天线 下变频 解调 放大 驱动 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 31 通信系统举例 电视广播系统 电视调制技术 电视射频信号的频谱 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 32 通信系统举例 电视广播系统 地面电视广播系统 制作 播出的电视节目由电视播控中心传送到发射机 发射机 发射塔 发射机房 发射天线 对电视及伴音信号进行射频调制 再由天线辐射出去 在电磁波覆盖区域 利用接收天线接收射频信号 再通过接收机进行解调 放大 变换 还原为视频和音频信号 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 33 通信系统举例 电视广播系统 发送端 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 34 通信系统举例 电视广播系统 接收端 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 35 通信系统举例 电视广播系统 卫星电视广播系统 星载转换器 卫星转发器 上行 下行 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 36 通信系统举例 电视广播系统 上行地球站发射机 基带处理部分将输入的视频和调频之后的音频信号相加 形成基带信号 再经预加重和视频放大后送入中频调制器 中频调制器对基带信号进行70MHz调频 射频处理部分将中频信号上变频到指定的C频段或Ku频段 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 37 通信系统举例 电视广播系统 地球站接收机 地球接收站 第二中频510MHz VHF UHF频段 第一中频950 1450MHz 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 38 通信系统举例 电视广播系统 数字卫星电视 上行通道 接收机 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 39 通信系统举例 电视广播系统 有线电视广播系统 信号源 接收机接收到的卫星电视信号 当地地面开路电视信号 本地电视节目信号等 前端 对信号进行变换 交互 复用 调制 混合处理 并各路信号和变为一路宽带复合信号 传输系统 躯干 将宽带复合信号可靠高效低传送到用户分配网 包括干线放大器 光发射机 光接收机 干线光缆或同轴电缆 微波中继站等 用户分配网 肢体 按技术标准将信号合理地分配到用户终端 星形放射状分布 分支分配器 同轴电缆等 终端 终端用户盒 数字机顶盒 调制器解调器 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 40 通信系统举例 电视广播系统 模拟前端 卫星接收机将接收到的信号变换为视音频信号再送到调制器 调制到VHF UHF频段的某一设定频道 再送入混合器 自办节目也送到调制器 调制器与模拟地面电视相同 地面VHF和UHF信号由天线接收后经BPF将带外信号滤波 再由信号处理器下变频到中频 再上变频到设定频道 调频广播经BPF后送入FM信号处理器进行相应处理 也送到混合器 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 41 通信系统举例 电视广播系统 数字有线电视系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 42 通信系统举例 电视广播系统 数字前端 模拟电视信号转换为数字电视信号 对数字电视信号及相关数据进行信源压缩编码 对压缩后的码流进行复用 对复用后的数据流进行信道编码和QAM调制 调制后的信号上变频到设定频道再送入混合器 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 43 1 3通信系统的质量指标 通信系统的性能指标归纳起来有以下几个 1 有效性 指信息的传输速度或传输信息所占用的信道带宽 2 可靠性 指接收信息的准确程度 3 适应性 指使用时对环境的要求 4 标准性 指使用的元部件及接口等的标准化程度 5 经济性 指成本的高低 6 可维护性 使用维护是否方便等 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 44 1 3通信系统的质量指标 从信息传输的角度来看 通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性 因为 对通信的最基本要求就是高效 准确地传递信息 有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的 即系统有效性的提高往往会导致可靠性的下降 反之亦然 因此只能根据需要和技术发展水平尽可能取得统一 例如 在一定可靠性指标下 尽量提高消息的传输速度 或者在一定有效性条件下 使传输质量尽可能高 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 45 1 3通信系统的质量指标 模拟通信系统的有效性与可靠性1 有效性在模拟通信系统中 系统的传输有效性通常用每路信号的有效传输带宽来衡量 当信道带宽给定后 每路信号的有效传输带宽越窄 信道内允许同时传送的信号路数越多 这种系统的传输有效性就越好 而信号的有效传输带宽与调制方式有关 例如 在传输一个消息 或节目 时 调频波的带宽要比调幅波的带宽宽许多 因此 调频通信系统的传输有效性不如调幅通信系统 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 46 1 3通信系统的质量指标 2 可靠性模拟通信系统的传输可靠性通常用通信系统的输出信噪比来衡量 由于系统内存在噪声 因而接收到的波形实际上是信号和噪声的混合物 它们经过解调器解调后同时在通信系统的输出端出现 噪声对模拟通信系统的影响一般用输出端的有用信号功率与噪声功率之比来衡量 这就是输出信噪比 显然 一个系统输出信噪比越高 收到消息的准确性越高 通信质量就越好 如普通电话要求信噪比在26dB以上 电视图像要求信噪比在40dB以上 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 47 1 3通信系统的质量指标 输出信噪比一方面与接收的信号功率和系统的噪声功率有关 另一方面又和采用的调制解调方式有很大关系 这是因为 对于不同的调制方式 接收端采用不同的解调器 而各种解调器抑制噪声的能力大不相同 例如 调频通信系统的传输可靠性一般比调幅通信系统的好 调频通信系统传输可靠性高是牺牲有效性换取的 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 48 1 3通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性与可靠性在数字通信系统中传输的是数字信号 数字信号实际上可以看成是代表消息的一组脉冲序列 每一个脉冲称为一个码元 码元也称为符号 若码元 符号 能取两个不同的值 则称为二进制码元 相应的数字信号称为二进制信号 同样的道理 若码元 符号 能取M个不同的值 则称为M进制码元 相应的数字信号称为M进制信号 图1 4 1所示为二进制和四进制数字信号的码元序列 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 49 1 3通信系统的质量指标 101101 Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Tst 001101101100 Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Tst 二进制信号 四进制信号 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 50 1 3通信系统的质量指标 1 有效性数字通信系统的有效性可以用码元传输速率或信息传输速率来衡量 码元传输速率又称码元速率或符号速率 简称传码率 它被定义为单位时间所传送的码元数目 用Rs表示 单位为波特 Baud 有时简写为B 波特就是符号 秒或码元 秒 例如 某系统每秒传送1000个码元 则该系统的传码率就是1000波特 传码率越高 单位时间内传送的码元数目越多 系统的传输有效性就越好 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 51 1 3通信系统的质量指标 传码率Rs和码元间隔 码元持续时间 Ts之间有着十分简单的关系 信息传输速率或传信率用Rb表示 定义为单位时间内所传送的信息量 单位为bit s 比特 秒 简化为bps 一个M进制码元携带的信息量 各码元等概率出现时 有 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 52 1 3通信系统的质量指标 说明 1 不同进制的码元所携带的信息量是不同的 例如一个四进制码元可以表示四种不同的数字信息 而一个二进制码元则只能表示两种不同的数字信息 因此 即使两个系统的传码率相同 如果它们所传送的码元的进制不同 则相同时间内所传送的信息量也不同 2020年3月 西南交通大学电气工程学院 53 1 3通信系统的质量指标 2 传信率Rb和传码率Rs之间的关系为Rb Rslog2M 1 4 1