通信原理+第1章.ppt

通信原理,教材：通信原理(第六版)，樊昌信，国防工业出版社，2010,参考书：通信原理(第五版)，樊昌信，国防工业出版社，2004现代通信原理，沈保琐，国防工业出版社现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社通信系统工程（第二版）（英文版），JohnG.Proakis,电子工业出版社,第一章绪论,主要内容：通信系统的基本概念及模型通信网的基本概念通信系统的技术指标,重点：通信系统模型通信系统的任务评价通信系统的主要性能指标,1.1引言,1.2通信系统的组成,1.3通信系统的分类及通信方式,1.4信息及其度量,1.5主要性能指标,1.6通信的发展动态,信道,交换机,电话网结构示意图:为用户（subscriber）,构成网的基本要素：（硬件）终端设备（TerminalEquipment）传输链路(Transferlink)交换设备(SwitchingEquipment),交换机,终端,终端,噪声,局间传输,局内传输,局内传输,1.1引言,1.1.1基本概念,1、通信:完成信息的转换和传输。,2、电信:利用有线电、无线电、光和其他电磁系统，对消息、情报、指令、文字、图像、声音或任何性质的消息进行传输。,3、通信系统（CommunicationSystem）：以电信号作为信息转换和传输的系统。它只能为两个用户之间提供单方向的信息传递。（点对点的单向传输）,4、通信网（CommunicationNetwork）：多用户通信系统互联的通信体系。（多点中的任意两点间的双向传输）包括电信网，CATV网，计算机网，移动通信网，广播电视网等,5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型,6、网的组成:以电话网(Telephonynetwork)为例框图,7、通信的发展原始通信烽火台、书信和旗语1835莫尔斯电码1837莫尔斯电磁式电报机1866利用大西洋海底电缆实现越洋电报通信1876贝尔发明电话1896马可尼发明无线电报1918调幅无线电广播、超外差接收机问世1936调频无线电广播开播1937发明脉冲编码调制原理1938电视广播开播19401945二战刺激雷达和微波通信系统的发展1948发明晶体管，香农提出信息论，通信统计理论开始建立1950时分多路通信应用于电话1957发射第一颗人造卫星,1958发射第一颗通信卫星1960发明激光(Laser)1961发明集成电路1962发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段19601970彩色电视问世，阿波罗宇宙飞船登月，数字传输的理论和技术得到了迅速发展，出现了高速数字电子计算机19701980大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展1980以后超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用，促进微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信和计算机通信等各种现代通信系统的竞相发展,通信的最终目标：任何时间、任何地点能实现与任何人进行任何形式的信息交换全球个人通信,通信系统总模型：,各处的噪声之和,信号源,发送设备,信道,接收设备,受信者,噪声源,发送端,接收端,模拟系统框图：,信号源,调制器,解调器,受信者,信道,基带信号,频带信号,频带信号,基带信号,数字系统框图：,信道编码,噪声源,信息源,调制器,信道,受信者,信源译码,解调器,注：缺省同步(synchronization)系统。,加密,信源编码,解密,信道译码,1.2通信系统的组成,1.2.1通信系统（Communicationsystem）模型（总模型）,描述点对点的通信框图,数字通信的突出特点：1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。2）需要保密时可对基带信号人为“扰乱”加密、解密，在信源编码单元实现。3）由于传输中是按节拍一个一个的传送脉冲单元信号，称之为码元。收发必须同步同步控制包括：码元同步、帧同步、群同步等。,常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统,数字通信的优点：1)数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声(Noise)的积累2)传输差错可以控制,从而改善了传输质量3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理4)数字信息易于作高保密性的加密处理5)数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强,其优点的实现是用占据更宽的系统频带(Band)而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。,数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同,1.3通信系统的分类及通信方式,1、按消息的物理特征分类（业务不同）如电报、电话、数据、图像通信系统，其传送的消息类型各不相同,2、按调制方式分类根据是否采用了调制，分为基带传输和频带传输针对频带传输信号而言（P6表11）,信号数字：PCM、M等脉冲数字调制,AM、DSB、SSB、VSB,FM、PM,模拟调制,信号数字：ASK、FSK、PSK、DPSK数字调制,信号模拟,信号模拟：PAM、PDM、PPM脉冲模拟调制,正弦波调制,脉冲调制,两大类,1.3.1通信系统分类,3按信号特征分类最常用分为模拟与数字通信系统两大类,5按传输媒介分类最常用分为有线（包括光纤:optical）与无线(radio),6按信号复用方式分类（多路通信）,频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围(频谱搬移)(FrequencyDivisionMultiplex),时分复用：不同的信号占据不同的时间区间（抽样或脉冲调制）(TimeDivisionMultiplex),码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息(CodeDivisionMultiplex),4按工作波段分类长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等。（P7表1-2）,1.3.2通信方式,半双工(half-duplex)：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时收发。如无线对讲机,单工(simplex)：单方向传输（一点发、一点收）。如遥控,全双工(duplex)：通信双方（两点）能同时收发信号。如电话,点对点通信，按消息传送的方向和时间关系,串序(serial)传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输,它占用一条通路。适合远距离,并序传输(parallel)：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近距离,数字通信中，按数字信号码元排列方法不同,实际通信系统，分为专线和网通信专线通信：专门为两点直接设立传输线的通信，也称点对点通信网通信：多点间的通信，以点对点通信为基础,1.4信息及其度量,1.4.1信息的描述,信息：消息中包含的有意义的内容传输信息的多少用信息量（informationcontent）衡量,对由若干个相互独立事件构成消息，有：Ip(x1)p(x2)=Ip(x1)+Ip(x2)+（2）,即消息所含信息量等于各独立事件信息量之和所以I与P(x)间的关系必满足（1）、（2）,1.4.2离散信息的度量,1、等概率,1）设有二进制，等概率出现的离散消息0，1消息p(x1)=p(x2)=1/2,定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为1bit,2）对M进制，等概率出现的离散消息0，1，2,M-1消息p(x1)=p(x2)=1/M,若M是2的整数次幂，M=2K,则该式表明：M进制的每一波形所包含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的K倍。,2、非等概率,设消息由n个相互独立的符号组成，称为符号集,每个符号包含的信息量均不相等所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量,每个符号包含的信息量为：,例子,定义信息源的熵H(X)反映统计平均值,1.4.3连续消息的信息量用概率密度来描述f(x),注意：不同离散信息源可能有不同的熵值，我们期望熵值越大越好当每一符号等概（P(X)=1/n）时，信息源的熵值最大，,解：方法一：,因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为I=I/57=108/57=1.89（bit/符号）,方法二：,总,总,1.5主要性能指标,接续质量：迅速性传输质量：清晰度稳定质量：可靠性涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用有效性的具体体现是消息传输的速度，可靠性则是体现质量问题,有效传输带宽：信号占据的有效频带宽度,1.5.1模拟系统性能指标：有效传输带宽和信噪比（或信息量和均方误差）,信噪比：信号平均功率和噪声平均功率的比值,信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的能力。,均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度,误差形式：1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起2）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。目前，我们仅研究加性干扰产生的误差，均方误差指标将转化为信噪比(SNR：SignalNoiseRatio)。,1.5.2数字通信系统性能指标：传输速率(频带利用率)和差错率,数字信号的描述：二进制：0、1两个状态N进制：0、1、2N-1N个状态,码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间隔称为码元长度。在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。同理N进制的每个码元时间上也等长。,进制之间的相互转换关系：例：N=4表示4进制的每个状态可用2位二进制状态描述；若为小数，则取大于此值的第一个整数。,推广,1）传输速率：码元传输速率。又称码元速率或传码率(coderate)定义：每秒钟传送码元的数目。单位：波特B,不同进制的码元速率转换关系已知N进制信号（），码元速率为，单位：符号/秒若将其转化为二进制信号，码元速率为，单位：波特则,例：2103120四进制10010011011000二进制四进制方式传输的码元速率：二进制方式传输的码元速率：,2）频带利用率:定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即,3）差错率：误码率、误信率(errorrate)误码率：码元在传输系统中被传错的概率。即接收的错误码元数在传送总码元数中所占的比例误信率：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。即接收中丢失信息量在传送信息总量中所占的比例一般，在二进制系统中：在多进制（M2）系统中：,例子,推广：,信息传输速率：又称信息速率或传信率(informationrate),定义:每秒钟传送的信息量。单位:比特/秒或bit/s或bps二进制（bit/s）N进制（bit/s）,八进制：每秒传送1200个码元，每个码元等概情况,则：,例：二进制：每秒钟传送1200个码元，每个码元具有1bit信息所以：,每个码元具有的信息量,例：,一个4进制的信息：3021021经信道传输后，发生误码2123012其误码率：,用比特表示：1100100100100110011011000110,则误比特率：,验证了多进制系统中：,1.6通信的发展动态,一、电话网的发展网络能力：建成了以光缆为主，微波、卫星综合利用，固定电话、移动通信、多媒体通信多网并存的大容量、高速度、安全可靠的电信网先进技术：SDH（10Gb/s），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用）光交换技术、全光网二、移动通信第一代：AMPS、TACS、NMT模拟第二代：GSM(GlobalSystemforMobile)、IS-95CDMA、PDC数字第三代：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA,3G关键技术,智能技术(IntelligentTechnology)同步技术新的高效信源编码和信道编译码技术越区切换技术(handover)RAKE接收技术功率控制技术(Powercontrol),三、计算机互联网（Internet）网络宽带化增加骨干网带宽IPoverATM(IPOverAsynchronousTransferMode)IPoverSDH/SONET(SynchronousOptic