《通信原理教程》(第3版) 樊昌信 编著 第一章 .ppt

通信原理教程 第3版 1 第1章概论1 1通信的发展古代通信的起源两类通信方式近代通信的发展 2 1 2消息 信息和信号消息 语音 文字 图形 图像 信息 消息的有效内容不同消息可有相同内容信号 消息的载体通信系统中传输的是信号 3 信息的度量 制定度量方法考虑的原则货物消息货运量信息量有多种有多种和种类无关和类型无关和贵重程度和重要程度无关无关总量是单件总量是单件独立货运量之和消息的信息量之和 4 制定度量信息的方法 消息 量 信息量 例 明天降雨量将有1mm 信息量小 明天降雨量将达到1m 信息量大 明日太阳将从东方升起 信息量零 信息量I I P x P x 发生概率 定义 I loga 1 P x logaP x 通常取a 2 此时单位为 比特 对于一个等概率 二进制码元 I log2 1 P x log2 1 1 2 1比特 5 对于一个等概率 M进制码元 I log2 1 P x log2 1 1 M log2M比特若M 2k 则I k比特 6 1 3数字通信1 3 1基本概念两类信号 模拟信号 取值连续 例如语音 数字信号 取值离散 例如数据 7 模拟信号 数字信号 数字信号 t t t t 模拟信号和数字信号 8 两类通信系统 模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率 电压 比手段 参量估值方法 数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论 9 1 3 2数字通信的优点取值有限 能正确接收 数字信号波形的失真和恢复 10 可采用纠错和检错技术 大大提高抗干扰性 可采用高保密性能的数字加密技术 可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计 制造 体积小 重量轻 可作信源编码 压缩冗余度 提高信道利用率 输出信噪比随带宽按指数规律增长 11 1 3 3数字通信系统模型 12 13 1 3 4数字通信系统的主要性能指标 有效性和可靠性的关系 速度 质量 传输速率 码元速率RB 波特 Baud 信息速率 Rb 比特 秒 b s 对M进制 Rb RBlog2M消息速率 RM 错误率 误码率Pe 错误接收码元数 传输码元总数误比特率Pb 错误接收比特数 传输总比特数 14 误字率Pw 错误接收字数 总传输字数误码率和误比特率的关系Pb PexM 2 M 1 Pe 2误字率和误比特率的关系对于二进制 若一个字由k比特组成 则Pw 1 1 Pe k频带利用率能量利用率 15 1 4信道信道的分类 无线信道有线信道信道中的干扰 有源干扰 噪声无源干扰 信道特性不良引起 16 1 4 1无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求频段 波长 划分 17 频段 波长 划分 频率范围名称典型应用 kHz 3 30甚低频 VLF 远程导航 水下通信 10 100km 声纳 授时30 300低频 LF 导航 水下通信 1 10km 无线电信标300 3000中频 MF 广播 海事通信 100 1000m 测向 遇险求救 海岸警卫 18 频段 波长 划分 频率范围名称典型应用 MHz 3 30高频 HF 远程广播 电报 电话 飞机 10 100m 与船只间通信 船 岸通信 业余无线电30 300甚高频 VHF 电视 调频广播 陆地交通 米波 空中交通管制 出租汽车 警察 导航 飞机通信300 3000特高频 UHF 电视 蜂窝网 微波链路 分米波 无线电探空仪 导航 卫星通信 GPS 监视雷达 无线电高度计 19 频段 波长 划分 频率范围名称典型应用 GHz 3 30超高频 HF 卫星通信 无线电高度计 厘米波 微波链路 机载雷达 气象雷达 公用陆地移动通信30 300极高频 VHF 铁路业务 雷达着陆系统 毫米波 实验用300 3000亚毫米波实验用 0 1 1mm 20 频段 波长 划分 频率范围名称典型应用 THz 43 430红外线光通信系统 7 0 7 m 430 750可见光光通信系统 0 7 0 4 m 750 3000紫外线光通信系统 0 4 0 1 m 注 kHz 103Hz MHz 106Hz GHz 109Hz THz 1012Hz mm 10 3m m 10 6m 21 电磁波传播 地波 天波 视线传播 22 地波 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 23 D层 高60 80kmE层 高100 120kmF层 高150 400kmF1层 140 200kmF2层 250 400km晚上 D层 F1层消失E层 F2层减弱 电离层的结构 24 天波电离层高度 60 300km单跳最大距离 4000km多跳可以环球频率 2 30MHz 25 视线传播 频率 30MHz传播距离 d2 r2 h r 2 或h D2 50 m 式中D km h r 地面 26 无线电中继 27 静止卫星中继通信 28 平流层中继通信 HAPS HighAltitudePlatformStation 29 大气对电磁波传播的影响 30 散射通信 电离层散射频率 30 60MHz对流层散射频率 100 4000MHz流星余迹散射频率 30 100MHz 31 蜂窝网 32 1 4 2有线信道明线 右图为19世纪80年代纽约市百老汇大街上架设的明线 可见大约有350条线 对称电缆 同轴电缆 图1 4 8同轴电缆截面示意图 33 有线电信道电气特性 34 光纤结构损耗 35 1 4 3信道模型 36 调制信道模型 对于单 端对 信道eo t f ei t n t 式中ei t 输入的已调信号 eo t 输出信号 n t 加性噪声 它与ei t 相互独立 f ei t 与输入有关的一个函数 表示信道对于信号的影响 37 通常 f ei t 可以表示为 k t ei t 此时 eo t k t ei t n t 其中k t 表示时变线性网络的特性 称为乘性干扰 k t 一个复杂的函数 反映信道的衰减 线性失真 非线性失真 延迟 等 最简单情况 k t 常数 表示衰减 当k t 常数 称为恒 定 参 量 信道例如 同轴电缆当k t 常数 称为随 机 参 量 信道例如 移动蜂窝网通信信道 38 编码信道模型 二进制信号 无记忆信道 其中 P 0 0 P 1 1 正确转移概率P 0 1 P 1 0 错误转移概率转移概率 决定于编码信道的特性P 0 0 1 P 1 0 P 1 1 1 P 0 1 39 四进制 40 1 4 4信道特性对信号传输的影响 恒参信道 非时变线性网络链路 一段物理线路 中间没有任何交换设备 振幅 频率特性 41 频率失真的补偿 42 相位 频率特性 理想特性 相位 k 群迟延 d d k畸变的影响 波形失真 相位失真 码间串扰 线性失真 频率失真和相位失真 属于线性失真可用 线性补偿网络 纠正 均衡 43 非线性失真 振幅特性非线性 频率偏移 相位抖动 非线性失真 难以消除 44 变参信道 变参信道的共性 衰落 衰减随机变化传输时延 随机变化多径效应 快衰落接收信号的特性 设发送信号为Acos 0t 则经过n条路径传播后的接收信号R t 可以表示为 式中ri t 第i条路径的接收信号振幅 i t 第i条路径的传输时延 i t 0 i t Xc t Xs t 45 式中V t 合成波R t 的包络 多径衰落 t 合成波R t 的相位 即有由于 相对于 而言 ri t 和 i t 变化缓慢 故Xc t Xs t 及V t t 也是缓慢变化的 所以 R t 可以视为一个窄带信号 随机过程 46 由下式可见 原发送信号Acos 0t 经过传输后 恒定振幅A 变成慢变振幅V t 恒定相位0 变成慢变相位 t 因而 频谱由单一频率变成窄带频谱 47 频率选择性衰落设 只有两条多径传播路径 且衰减相同 时延不同 发射信号为f t 接收信号为af t 0 和af t 0 发射信号的频谱为F 则有f t F af t 0 aF e j 0af t 0 aF e j 0 af t 0 af t 0 aF e j 0 1 e j H aF e j 0 1 e j F ae j 0