通信原理_教学课件_1.ppt

1,通信原理,73401，1390849797675776箱：dongtangmagfkd.mtn,2,课程简介,主要内容：信息传输的基本理论和主要技术预修课程：电子线路、信号与系统、随机信号分析等后续课程：编码理论、通信系统、无线通信等考核方式：笔试（实验合格为前提）,3,课程简介,4,学时安排总学时56=44+4+8,5,教材,“通信原理”（第6版）樊昌信、曹丽娜编著，国防工业出版社,6,参考书,“现代通信原理”曹志刚、钱亚生，清华大学出版社,“现代通信系统”R.Block，电子工业出版社,“通信系统”S.Haykin，电子工业出版社,7,第一章绪论,年月日,8,第一章绪论,通信系统的根本任务：克服距离上的障碍实现有用信息的迅速准确传递。,通信系统的基本技术要求：功率利用率高频带利用率高接收信噪比高传输错误率低,9,第一章绪论,军事通信的能力要求:立体覆盖能力互联互通能力宽带传输、交换能力多业务综合能力多功能综合能力运动中通信能力保密与抗干扰能力,10,第一章绪论,本课程的学习要点：着眼系统学原理着眼信号学原理着眼随机性学原理,11,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,12,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,13,1.1通信的基本概念,烽火狼烟是中国古代一种重要的通信方式,利用驿站传递文书,1.1.1通信技术发展简史,通信技术是伴随着人类生产力的发展而不断进步的。,14,1.1通信的基本概念,1887年赫兹实验证实了电磁波的存在,1.1.1通信技术发展简史,15,1.1通信的基本概念,1896年无线电通信发明发明人：意大利人马可尼（博洛尼亚大学）、俄国人波波夫（圣彼得堡电子科技大学）,二战期间微波通信问世并得到广泛应用,二十世纪六十年代卫星通信出现,七十年代光纤通信发明，蜂窝移动通信出现,1.1.1通信技术发展简史,16,圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫实验室,1.1通信的基本概念,17,圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫实验室,1.1通信的基本概念,18,圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫实验室,1.1通信的基本概念,19,1.1通信的基本概念,1946年第一台计算机问世。,1969年APARNET问世，随之互联网技术及其应用迅速发展。,1.1.1通信技术发展简史,信息时代是由于通信技术的飞速发展和广泛应用而实现的，并将随着通信技术的进一步发展而发展。,20,一个半世纪以来人类通信能力增长示意图,公里每秒比特,1.1通信的基本概念,21,1.1通信的基本概念,1.1.2通信信息系统的层次结构,系统层次,逻辑层次,物理层次,传统意义上的通信负责完成低两层的工作，分别表现为点对点传输和网络化通信。,信号传输是通信的基础技术。,22,1.1通信的基本概念,1.1.2通信信息系统的层次结构,通信网络的三类主要设备：传输、交换、终端。,网络中所有设备按照通信协议的规定而协调工作。,名词辨析：通信系统与通信网络。,通信网络示意图,23,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,24,通信系统：传输信息所需技术设备的总和。,产生或发出消息的人或机器,接受消息的人或机器,将信源产生的消息信号变换成便于传送的形式,从带有干扰的接收信号中正确恢复出原始信号,1.2.1通信系统一般模型,1.2通信系统的组成,25,1.2通信系统的组成,信源信源即信息的发送源。信息通过信号承载。信源信号分为模拟信号和数字信号模拟信号：特征量取值连续的信号(幅度、频率或相位)数字信号：特征量取值离散的信号(幅度、频率或相位),1.2.1通信系统一般模型,26,1.2通信系统的组成,1.2.1通信系统一般模型,27,1.2通信系统的组成,发送设备发送设备的功能是将信源和传输媒介匹配起来，将信源产生的信号变换为便于发送的形式。发送包括基带传输和频带传输（带通传输）两种方式。频带传输不仅可用于无线通信，也大量用于有线通信。频带传输必须先经过调制。,1.2.1通信系统一般模型,28,1.2通信系统的组成,实际应用的重点：数字信号的频带传输。,1.2.1通信系统一般模型,基带传输与频带传输示意图,29,1.2通信系统的组成,信道从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。信道分为无线信道和有线信道。信道特性及其引入的噪声直接关系到通信质量。接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等等。,1.2.1通信系统一般模型,30,通信系统根据所传信息的信号表示形式，可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统利用模拟信号传输信息的系统。数字通信系统利用数字信号传输信息的系统。,1.2通信系统的组成,1.2.1通信系统一般模型,名词辨析：模拟信号与数字信号。,模拟信号：特征量取值连续的信号(幅度、频率或相位)数字信号：特征量取值离散的信号(幅度、频率或相位),31,1.2通信系统的组成,1.2.2模拟通信系统模型,32,1.2通信系统的组成,1.2.3数字通信系统模型,33,1.2通信系统的组成,1.2.3数字通信系统模型,调制：用基带信号对载波信号特定参数进行控制，以实现有用信息的寄载，并将基带信号的频谱搬移到合适的频段以适应信道的传输。,信源编码：提高信息传输的有效性，压缩信源中的信息冗余度。对于模拟信源，还要先进行模数转换。,信道编码：提高信息传输的可靠性，发端按特定的规则加入保护码元，收端进行相应的译码，以纠正传输过程中引入的的错误。,名词辨析：传输调制与中间调制。,34,1.2通信系统的组成,数字通信的主要优点：1、抗干扰能力强，噪声不积累2、易于采用纠错编码控制传输差错3、易于加密处理，且保密度高4、便于处理、变换和存储5、易于集成，方便小型化数字通信的主要不足：、数据率高、同步要求高、实现复杂度高,1.2.3数字通信系统模型,35,1.2通信系统的组成,数字通信涉及的主要技术：信源编码与解码技术：预测编码，变换编码加密与解密技术：对称密钥体制，公钥体制信道编码与解码技术：BCH，TURBO，LDPC调制与解调技术：FSK，PSK，QAM多路复用技术：频分复用，时分复用定时与同步技术：载波同步，位同步，网同步,1.2.3数字通信系统模型,36,1.2通信系统的组成,1.2.4通信系统中的复接与同步,复接与分接复接是将多路（基带）信号集中为一路，以便于统一传输，又称为多路复用。分接是其逆过程。复接的对象可以是单路的信号，也可以是已经过复接的群路信号。,37,1.2通信系统的组成,1.2.4通信系统中的复接与同步,复接与分接,单路信号的复接主要有频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing)和时分复用(TimeDivisionMultiplexing)。,38,1.2通信系统的组成,1.2.4通信系统中的复接与同步,群路信号（数字）的复接包括同步数字系列（SDH）与准同步数字系列（PDH）两种形式。群路信号的复接主要用于光纤、微波等高速数字通信系统中。,复接与分接,39,1.2通信系统的组成,1.2.4通信系统中的复接与同步,同步,同步是通信系统特别是数字通信系统最重要的基础技术之一。同步包括载波同步、位同步、群同步和网同步等几种。,40,1.2通信系统的组成,1.2.4通信系统中的复接与同步,同步,载波同步是在接收端获得与发送载波同频同相的振荡信号，用于相干解调。位同步是从已解调信号中提取出码元时钟，用于恢复基带的数字码元。群同步用于从码元序列中正确地界定出特定的分帧。网同步用于为大规模数字通信网络提供统一的高精度码元时钟基准。,41,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,42,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类,按通信业务分有：电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统、多媒体通信系统。按是否采用调制分有：基带传输系统和频带传输（带通传输）系统。按传输媒质分有：有线通信系统和无线通信系统。目前有线通信以光纤通信为主；无线通信以无线电通信为主。,43,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类,按工作波段，无线电通信又可分为：长波通信、短波通信、超短波通信、微波通信等系统。按接入方式，无线电通信又可分为：频分多址、时分多址、码分多址等系统。（容量不同）按频带利用方式，无线电通信又可分为：定频窄带通信、跳频通信、扩频通信等系统。跳频通信与扩频通信具有较强的抗有意干扰的能力，是军事通信的重要手段。,44,慢速跳频通信即可对抗定频干扰,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类,跳频通信是收发双方按照伪随机的规律快速改变发射和接收频率以躲避敌方干扰的无线通信技术。,45,工作时间,工作频率,1.3通信系统分类与通信方式,快速跳频通信可对抗跟踪式干扰,46,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类,扩频（直扩）是用速率比信息码高得多的伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过相应的解扩处理恢复原始信息、同时抑制干扰信号的通信技术。,普通窄带系统,窄带信号频谱,扩频通信系统,扩频处理,解扩处理,恢复发送端窄带信号,存在窄带干扰时的扩频系统,窄带信号频谱,扩频处理,解扩处理,叠加干扰,干扰信号频谱,49,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类,扩频（直扩）是用速率比信息码高得多的伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过相应的解扩处理恢复原始信息、同时抑制干扰信号的通信技术。,广义地讲，跳频也属于扩频通信范畴。,50,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.2主要通信方式,按消息传送的方向与时间分单工通信消息只能单向传输的通信工作方式广播、遥控、无线寻呼等半双工通信通信双方都具备收发能力，但收发不能同时工作单条信道全双工通信（FullDuplex）收发双方可同时进行双向消息传输的方式需双向信道TD-SCDMA（TD：Time-divisionDuplex）,51,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.2主要通信方式,按数据代码排列的方式分并行传输：速度快，但多个并行信道成本高；串行传输：速度慢，但只需单个信道。,并行传输不仅可用于基带传输系统，还可用于频带传输系统中，如多载波调制（）。其中最重要的技术是正交频分复用。,52,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.2主要通信方式,特点：以增加处理运算量为代价，采用多个信道传输，大大降低了每个子信道的码元传输速率，可有效抵抗信道干扰，降低传输差错率。,53,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.2主要通信方式,当满足一定的条件，各子载波相互正交，在接收端能完全区分，从而可正确解调。系统具有很高的频带利用率。,54,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.2主要通信方式,系统框图：,55,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,56,内涵的载体,载体的载体,传输的内涵,1.4信息及其度量,1.3.2消息、信号和信息,57,消息中包含的信息量与消息出现概率之间的关系应反映如下规律：消息中所含的信息量是出现该消息的概率的函数，即：消息出现的概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当时，;“废话少说！”若干个互相独立的事件构成的消息，所含的信息量等于各独立事件信息量的和，即：,1.4信息及其度量,1.3.2信息的度量,58,1.4信息及其度量,基于上述考虑，哈莱特首先提出采用消息出现概率的对数作为该消息携带的信息量。,信息量的单位：对数底为2比特(bit)对数底为e奈特(nat)对数底为10哈特(十进制单位),59,例已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现的概率为1/2，求信源输出“1”的信息量。,1.4信息及其度量,假如一个离散信源是由n个符号组成的集合，符号集中的每一个符号在消息中是以一定的概率出现的，即:每个符号所包含的信息量分别为,60,1.4信息及其度量,信源X中每个符号所包含信息量的统计平均值即平均信息量为：与热力学中的熵的形式相似，故通常又称之为信息源的熵，记作H(x)，单位为bit/符号。,对于离散信源，当各信源符号等概分布时，信源的熵最大。,61,1.4信息及其度量,例：一个信息源由4个符号0，1，2，3组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是相互独立的。试求某个消息20102013021300120321010032101002310200201032100120210的信息量。解：此消息共57个符号，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。其中：出现0的信息量为23log28/3=33bits出现1的信息量为14log24=28bits出现2的信息量为13log24=26bits出现3的信息量为7log28=21bits故该消息的总信息量为：I=33+28+26+21=108bits该信源的平均信息量为：,62,第一章绪论,1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标,63,数字通信系统有效性-传输速率、频带利用率可靠性-误码率,模拟通信系统有效性-有效传输频带可靠性-接收端最终的输出信噪比,1.5通信系统主要性能指标,64,码元传输速率(RB