第1讲 通信的基本概念、通信系统的组成

通信原理电子教案，广东海洋大学信息学院2012年9月，通信原理电子教案，授课班级：通信1103班，通信1104班的授课教师：广东海洋大学信息学院梁能，03.06.2020，3，第1章绪论本章主要介绍通信的基本概念，使学生初步理解通信的基本概念，用语和本课程应该探讨的主要对象。 本章是通信原理和技术的基础。 研究内容：1.1通信的基本概念1.2通信系统的配置1.3通信系统的分类和通信方法1.4通信系统的主要性能指标，03.06.2020，4，1.1通信的基本概念，通信的定义：从一个到另一个的对消息的有效传输。 古代：烽火台，驿站。 近代：鸡毛信，消息树。 现代：电话、收音机、电视。 通信的目的是传递信息，信息具有不同的形式。 例如语言、文字、数据、图像、符号等。03.06.2020、5、要素、一地、另一地：发信、收信人。 新闻：要传输的语音、图像、符号、数字、图像等-概率论上的“事件”。 该消息包括需要向收件人传递的信息(information )。 消息作为信号在系统中发送。 系统：电子系统、语音系统、声光系统等。 通信系统：完成通信过程的所有技术设备和传输介质。 通信是信号和系统的集合。 03.06.2020、6、信号：消息的载体，与消息一一对应。 在电信系统中，负载者是“电”，对应的-消息负载于电信号的某个参数中，例如电压、电流或电波等物理量(还可以是其物理量的宽度、相位或频率等)。 此时的信号是电信号，有时简称为信号(signal )。 模拟信号，数字信号。 传输电信号的通信系统是电信系统，通称为通信系统。03.06.2020、7、通信重新定义：使用诸如电子之类的技术手段，通过电信号(包括光信号)从一端到另一端有效地传送消息称为通信。03.06.2020、8、1.2通信系统的结构、图1-1通信系统的一般模型、源(也称为信息源、发送终端):将传输的消息转换为原始电信号。 例如，在电话系统中电话机可视为源。 发射设备：使源和信道匹配。 即，将源生成的原始电信号(基带信号)转换成适合在信道上传输的信号。 此外，1.2.1通信系统的通用模型03.06.2020.9.信道：信号传输信道可以是有线的或无线的，并且可以包括若干设备。 噪声源是信道中的所有噪声以及分布于通信系统中其他地方的噪声的集合。 不人为加入。 接收设备：任务是从受干扰的接收信号中恢复对应的原始电信号。 宿(收件人、收件人):将恢复的原始电信号转换为相应的信息。 在(03.06.2020、10、1.2.2模拟通信系统中在信道上传送模拟信号的系统被称为模拟通信系统。 可以对一般的通信系统模型做一些改变。 (1)在正在研究的模拟通信系统中，消息原始电信号(基带信号)调制信号(基带信号)调制信号(带宽信号)调制信号(2)信号以受噪声影响的噪声背景进行信号传输。03.06.2020、11、(2)调制的作用提高频率，使发射变得容易实现频分复用改善系统性能。 (1)适合于(2)信道上的传输的(例如，辐射：天线大小的1/10波长)；(3)频谱具有带通形式，其中心频率远离零频带信号。 例如，卫星电视信号(中心频率6/4GHz，带宽36MHz )是具有相应的原始电信号的频谱或低通形式并且含有丰富的直流/低通分量的基带信号。 例如声音信号： 3003.4kHz； 电视基带信号：08MHz。03.06.2020、13、1.2.3数字通信系统(1)定义：通过信道传输数字信号的系统，称为数字通信系统。(2)基本特征消息和信号具有“数字”的特性强调调制参数和代表消息的数字信号的一对一对应关系(仿真：强调变换的线性特性，即强调调制参数和代表消息的基带信号的比例特性)。03.06.2020、14、(3)数字通信的主要特征抗噪声能力强：抗噪声性能好，消除噪声累积信道噪声或干扰引起的差错，原则上可以控制-差错控制：差错检测、纠错； 易于加密(人为干扰)易于与现代技术结合(数字终端、计算机等)。 (4)数字通信需要解决的问题：错误控制：通过作为错误控制码的信道代码实现加密：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、03.06.2020、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，注意：加密/解密、03.06.2020、16、注意：基带信号形成器：接收滤波器：解码器、解码器等，它们可能包括编码器、加密器和波形转换器。 重要信息：没有调制解调器。图1-4数字基带传输系统模型、2 .数字基带传输通信系统、03.06.2020.17，3 .模拟信号数字传输通信系统解决了问题：模拟源、数字通信系统。 图1-5模拟信号数字化传输系统模型，重要：模拟信号数字化及其相反。 A/D转换器的结构：采样、量化、编码。 发送源需要将模拟信号数字化、即进行A/D变换的接收侧进行相反的变换、即D/A变换。03.06.2020、18、1.2.4数字通信的主要特征1 .数字通信的主要优点(1)抗噪声能力强(2)差错控制(3)易加密(4)易与现代技术相结合。 2 .要解决的问题(1)提高带宽利用率(2)简化系统的配置。03.06.2020、19、1.3通信系统的分类和通信方式、1.3.1通信的分类1 .按传输媒体：有线通信和无线通信； 所谓有线通信，其特征在于，传输介质是虚构的明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，能够看到介质。 无线通信是指无法看到传送信息的介质、不能接触的介质(例如电磁波)的通信形式。 有线通信可分为明线通信、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、红外线通信等，其形式多见。03.06.2020、20、2 .信道传输的信号的特征：模拟通信系统和数字通信系统； 3 .工作频带：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。 地面波、天线、反射波、瞄准波4 .按调制方式：基带传输和频带传输(AM、SSB、DSB、VSB； ASK、FSK、PSK、DPSK； PAM、PCM、m等； 5 .业务差异：流量通信和非流量通信电话业务一直占据电信领域的主导地位，是人与人之间的通信。 非流量通信主要包括数据传输、计算机通信、电子邮件、电报、传真、可视字符和会议电视、图像通信等。 电话通信最发达，其他通信多通过公共电话通信系统进行。 在将来的综合业务数字通信网中，各种用途的消息通过一个统一通信网传输。广义上，广播、电视、雷达、导航、遥控器、遥控器等也必须纳入通信范畴。 但是，从通信衍生出来，形成了独立的学科。03.06.2020、21、6 .视接收者是否运动而定：移动通信和固定通信。此外，通信可以是通过多址方法划分为频分多址通信(FDMA )、时分多址通信(TDMA )、码分多址(CDMA )、空分多址(SDMA )通信等等的其它分类方法。对于每种用户类型，通信可以是公共通信和专用通信。03.06.2020、22、1.3.2通信方式1 .消息传输的方向和时分通信方式分为单工通信、半双工通信、全双工通信这3种。 通过对数字信号进行排序(03.06.2020，23，2 .数字信号)，通信方案可以被分成串行传输和并行传输。 根据、03.06.2020、24、3 .通信网络形式进行通信的网络形式通常分为2点间直通方式、分支方式和交换方式这3种。图1-8各网络形式的通信方式(a)2点间直通方式(b )分支方式(c )交换方式、03.06.2020、25、分支方式和交换方式都属于网络通信的范畴。 与点和点的直通方式相比，有特殊的一面。 例如：在通信网中有具体的线路交换和消息交换的规定、协议等，在通信网中既有信息控制的问题，也有网同步的问题。 网络通信的基础是点与点之间的通信。 本课程仅研究ad hoc通信，不处理通信网的其他问题(移动通信、计算机通信、程序交换等)。 对、03.06.2020、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进行总结，具有：(1)的有效性。 (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。 (四)经济性：系统的成本问题。 (5)机密性：针对传输信号的系统加密措施。 对军事系统尤其重要。 (6)标准性：系统接口、各种结构和协议是否符合国家、国际标准。 (7)可维护性：系统维护是否方便。 (8)程序性：通信系统的各种程序要求。 通信任务是通过迅速、准确地传递信息，从研究消息传送的角度来看，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标。 对于模拟通信、03.06.2020.27.27.以及系统的有效性和可靠性，特别是通过系统带宽利用率和输出信噪比(或平均误差)来测量。 对于数字通信系统，特别是错误率和传输速率可以测量该系统的可靠性和有效性。03.06.2020、28、1.4.2信息及其度量(1)信息定义：消息中包含的含义的内容。 “信息”一词在概念上类似于信息的含义，但其含义更加普遍和抽象。 消息有多种形式，但消息的内容可以集中表示为信息。 (2)信息量传输信息量可以直观地用“信息量”来测量。 在所有意义的通信中，信息的传达都是指信息的传达，但对于收件人来说，一部分信息比其他信息的传达更多。 例：容易发生“今年的秋天比去年的秋天冷”。 “今年的秋天比去年的冬天冷”。 事件发生得越不可能，意外的惊人，信息量就越大。03.06.2020、29、(2)信息量事件发生得越是意外，信息量越大。 测量信息中包含的信息量的方法，与信息的种类无关，必须能够推测哪个信息的信息量。 信息中包含的信息量与信息的重要性无关。 另外，从概论可以看出，事件的不确定度可以用事件发生的概率来记述。 事件发生的可能性越低，概率越小，相反，概率越高。 基于这一认识，信息中的信息量与信息发生的概率密切相关。 消息出现的概率越低，消息中包含的信息量越大。 并且概率为零时(不可能的事件)的信息量为无限大的概率为1时(必然的事件)，信息量为0。(1)消息所包含的信息量是消息出现的概率的函数；(2)消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大并且： (3)由几个相互独立的事件构成的消息()中包含的信息量分别等于独立事件的信息量之和。03.06.2020，31，信息量I和消息出现概率P(x )的关系是，信息量的单位依赖于对数基底a的可能值： a=2单位为比特(简称bit，b )； a=e单位为夜晚(简称为nat，a=10单位为心形光线。03.06.2020、32、例1.1二进制离散源、数字0或1以相等的概率出现，试图计算各符号的信息量。 解：二进制数等概率时，有，即二进制数等概况时，每个符号的信息量相等，为1bit。 在表达式03.06.2020，33，中，P=1/M是每个符号出现的概率。 一般而言，如果M=2K，则上述式可以改写为如下。 例如，对于m进制离散源，如果出现了m个符号的概率并且每个符号的出现是独立的，即，没有源符号已经存储了，则每个符号的信息量相等。结论，按照独立的概率，在m进制符号中包含的信息量是二进制符号中包含的信息量的k倍(其中，k表示每个m进制符号通过二进制符号进行表示) 03.06.2020，34，(3)如果每个符号的平均信息量出现的概率不相等，则计算消息的信息量并经常被用于平均信息量的概念。 平均信息量定义：每个符号包含的信息的平均值。 用符号表示。 在多进制方法的情况下，如果将出现各符号的概率设为：则平均信息量(信息源的熵)为：03.06.2020，35，很明显，如果在源中出现按照每个符号独立的等，则式(1.4-6)为(1.4-4)。 这时，证明了信息源的熵是最大值。 信息源熵：03.06.2020、36、1.4.3有效性指标的具体表示数字通信系统的有效性可以按传输率来测量，传输率越高，该系统的有效性越好。 有效性通常有两种表达方式。 1 .码元传输率RB (数字速率、传输率、码元速率、信号率或波形速率)定义：单位时间内传输的码元的数量单位： poter (字节)、符号“b”表示的数字信号通常有二进制和二进制之间的区别，但码元速率与信号的二进制数有关03.06.2020、37、2 .信息传输率Rb (传输率、比特率)定义：在单位时间内要传输的信息量单元为比特/秒(bit/s )、b/s或bps，因为这与信号的进制数n有关，所以信息量为n也是相关的。 3.RB与Rb的关系在数值上具有以下关系：03.06.2020、38、4 .多进制与二进制传输速率的关系(1)码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率的关系：(2)系统信息速率不变。 多进制符号率与二进制符号率的关系：结论：03.06.2020、39、1.4.4置信指标的特定表示错误率通常有两种表示方法。 1 .符号错误率(错误率)出现错误的符