通信原理课件1

1、1通通 信信 原原 理理2教材l作者：作者： 樊昌信樊昌信，曹丽曹丽娜娜 l出出 版版 社：社： 国防工业出版国防工业出版社社 通信原理（第通信原理（第6 6版）版）3课程介绍课程介绍l通信原理通信原理旨在使大家系统地掌握通信系统旨在使大家系统地掌握通信系统基本原理及其性能的基本分析方法，了解现代基本原理及其性能的基本分析方法，了解现代通信技术和理论的发展状况。通信技术和理论的发展状况。l掌握通信系统的组成、分类、性能度量及所要掌握通信系统的组成、分类、性能度量及所要解决的基本问题解决的基本问题l系统掌握通信系统的基本原理及其性能的基本系统掌握通信系统的基本原理及其性能的基本分析方法分析方法l

2、了解现代通信技术和理论的发展状况及趋势了解现代通信技术和理论的发展状况及趋势l1.1 1.1 通信的基本概念通信的基本概念l1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成l1.3 1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式l1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量l1.5 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l1.6 1.6 小结小结4第第1 1章章 绪论绪论561.1 通信的基本概念l通信的基本概念通信的基本概念n通信：传递通信：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。n消息消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据

3、、图片或活动图像等。音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。n信息信息：是消息中包含的有效内容。：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：实现通信的方式和手段：u非电的：如烽火台、消息树、手势、说话非电的：如烽火台、消息树、手势、说话 u电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。遥测、因特网和计算机通信等。 7原始手段原始手段有线通信有线通信无线通信无线通信烽火、旗语烽火、旗语电报电报 （1837 Morse1837 Morse）电话电话 （1876 Bell1876 Bell）1.1 通信的基本概念电磁波的存在电磁波的存在

4、 Maxwell 理论理论Hertz 实践实践8l近代通信科学技术发展大事记（一）近代通信科学技术发展大事记（一）n1800 1800 1837 1837 基础开发研究：基础开发研究：uVolta Volta 电池电池uFourierFourier、CauchyCauchy和和Laplace Laplace 数学研究数学研究uOerstedOersted、AmpereAmpere、FaradayFaraday和和Henry Henry 电和磁实验电和磁实验uOhm Ohm 欧姆定律欧姆定律uGaussGauss、WeberWeber和和Wheatstone Wheatstone 早期的电报系统

5、早期的电报系统n1838 Morse 1838 Morse 有线电报有线电报n1845 Kirchhoff 1845 Kirchhoff 电路定律电路定律n1864 Maxwell 1864 Maxwell 电磁幅射理论电磁幅射理论n1876 Bell 1876 Bell 有线电话有线电话n1887 Hertz 1887 Hertz 电磁波发射，验证了麦克斯韦尔理论电磁波发射，验证了麦克斯韦尔理论1.1 通信的基本概念9l近代通信科学技术发展大事记（二）近代通信科学技术发展大事记（二）n1897 Marconi 1897 Marconi 无线电报无线电报n1904 Fleming 1904 F

6、leming 二极管二极管n1905 Fessenden 1905 Fessenden 无线电语音信号传输无线电语音信号传输n1906 De Forest 1906 De Forest 三极管放大器三极管放大器n1915 Bell System 1915 Bell System 横贯美国大陆的电话线路横贯美国大陆的电话线路n1918 B H Armstrong 1918 B H Armstrong 超外差无线电接收机超外差无线电接收机n1920 1920 1928 Carson 1928 Carson、NyquistNyquist、JohnsonJohnson和和HartleyHartley信

7、号传输和噪声理论信号传输和噪声理论n1931 1931 电传业务开通电传业务开通n1933 E Armstrong 1933 E Armstrong 调频无线电调频无线电n1937 Reeves 1937 Reeves 构想脉冲编码调制（构想脉冲编码调制（PCMPCM）1.1 通信的基本概念10l近代通信科学技术发展大事记（三）近代通信科学技术发展大事记（三）n1938 BBC 1938 BBC 电视广播电视广播n1938 1938 1945 1945（二战）雷达和微波系统（二战）雷达和微波系统n1944 1944 1947 Rice 1947 Rice和和WienerWiener等等 统计通

8、信理论统计通信理论n1948 Brattain1948 Brattain、BardeenBardeen和和Shockley Shockley 晶体管晶体管n1948 Shannon 1948 Shannon 信息论信息论n1948 1948 1950 Hamming 1950 Hamming和和Golay Golay 纠错编码纠错编码n1950 1950 电话系统中引入时分复用技术电话系统中引入时分复用技术n1953 1953 彩色电视彩色电视n1956 1956 越洋电话越洋电话n1960 Maiman 1960 Maiman 激光激光n1961 1961 集成电路集成电路1.1 通信的基本

9、概念11l近代通信科学技术发展大事记（四）近代通信科学技术发展大事记（四）n1962 1962 卫星通信卫星通信n1962 1962 1966 1966 高速数字通信理论高速数字通信理论n1965 1965 程控电话交换机程控电话交换机n1966 1966 1975 1975 宽带通信系统（包括光通信）宽带通信系统（包括光通信）n1969 ARPANET1969 ARPANET（InternetInternet的前身）的前身）n1971 Intel 1971 Intel 单片微处理器单片微处理器n1972 Motorola 1972 Motorola 蜂窝电话蜂窝电话n1972 1972 卫星

10、电视直播卫星电视直播n1981 IBM 1981 IBM 个人计算机个人计算机n1991 GSM1991 GSM移动通信系统移动通信系统n1995 CDMA1995 CDMA移动通信系统移动通信系统1.1 通信的基本概念12n后面讲述中，后面讲述中，“通信通信”这一术语是指这一术语是指“电通电通信信”，包括光通信，因为光也是一种电磁，包括光通信，因为光也是一种电磁波。波。n在电通信系统中，消息的传递是通过电信在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。号来实现的。 1.1 通信的基本概念131.2 通信系统的组成l通信系统的一般模型通信系统的一般模型信信 源源发送设备发送设备信信 宿宿信道

11、信道接收设备接收设备发端发端收端收端 把各种把各种消息转换消息转换成原始电成原始电信号信号 对原始信对原始信号完成某种号完成某种变换，使之变换，使之适合在信道适合在信道中传输中传输 信号传输的通道，信号传输的通道，提供了信源与信宿之提供了信源与信宿之间在电气上的联系。间在电气上的联系。分为有线信道和无线分为有线信道和无线信道两大类信道两大类 把接收把接收到的信号到的信号反变换，反变换，转换成原转换成原始电信号始电信号 将复原将复原的原始电的原始电信号转换信号转换成相应的成相应的消息消息14n1.2.2 1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模模拟通信系统模型和数字通信系统模型型u模拟信号和

12、数字信号模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：续，例如麦克风输出电压：p数字信号：代表消息的信号参量取值为数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：出信号：1.2 通信系统的组成15l模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号Ot)(ts模拟信号Ot)(ts模拟信号Ot)(ts数字信号Ot)(ts数字信号1.2 通信系统的组成16l这是数字信号还是模拟信号？这是数字信号还是模拟信号？u通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数

13、字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。统和数字通信系统。1.2 通信系统的组成17模拟通信系统模型发端发端收端收端通常称为基带信号，基通常称为基带信号，基带的含义是指信号的频带的含义是指信号的频谱从零频附近开始。谱从零频附近开始。该信号有两个基本特征：一是该信号有两个基本特征：一是携带有信息；二是适应在信道携带有信息；二是适应在信道中传输。其频谱通常具有带通中传输。其频谱通常具有带通形式，也叫带通信号。形式，也叫带通信号。l实际通信系统中可能还有滤波、放大、实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射等过程，但这些过程不会使信天线辐射等过程

14、，但这些过程不会使信号发生质的变化，只是对信号进行放大号发生质的变化，只是对信号进行放大和改善信号特性等，在通信系统模型中和改善信号特性等，在通信系统模型中一般被认为是理想的而不予讨论。一般被认为是理想的而不予讨论。l重点：重点：调制与解调原理以及噪声对信号调制与解调原理以及噪声对信号传输的影响。传输的影响。18模拟通信系统模型19数字通信系统模型20数字通信系统模型p信源编码与译码目的信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性提高信息传输的有效性 完成模完成模/ /数数转换转换p信道编码与译码目的：信道编码与译码目的：增强抗干扰能力增强抗干扰能力p加密与解密目的：加密与解密目的：保证所传信息的

15、安全保证所传信息的安全p数字调制与解调目的：数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致使收发两端的信号在时间上保持步调一致 21l模拟通信模拟通信n通信方式：信号中某个参量连续变化通信方式：信号中某个参量连续变化n通信要求：高保真地复现信息通信要求：高保真地复现信息n质量准则：信噪比质量准则：信噪比)(ts)()(tntstt22l数字通信数字通信n通信方式：信号中某个参量离散取值通信方式：信号中某个参量离散取值n通信要求：正确判断离散值通信要求：正确判断离散值n质量准则：错误率质量准则：错误率)

16、(ts)()(tntstt1001123数字通信的特点数字通信的特点24l通信系统的分类：通信系统的分类：1.3 通信系统分类与通信方式25常见的调制方式及用途-1调调 制制 方方 式式 用途用途 连续连续波调波调制制线性调制线性调制常规双边带调制常规双边带调制广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB VSB 电视广播、电视广播、 数传、数传、 传真传真 非线性调制非线性调制频率调制频率调制FM FM 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播

17、 相位调制相位调制PM PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK ASK 数据传输数据传输 频移键控频移键控FSKFSK数据传输数据传输 26 调调 制制 方方 式式 用途用途 数字调制数字调制相移键控相移键控PSKPSK、 DPSKDPSK、 QPSKQPSK等等 数据传输、数据传输、 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 其他高效数字调制其他高效数字调制QAMQAM、 MSKMSK等等 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 脉脉冲冲调调制制脉冲模拟脉冲模拟调制调制脉幅调制脉幅调制PAM PAM 中间调制方式、中间调制方式、 遥测遥测 脉宽调制脉宽调制PDM

18、(PWM) PDM(PWM) 中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM PPM 遥测、遥测、 光纤传输光纤传输 脉冲数字脉冲数字调制调制脉码调制脉码调制PCM PCM 市话、市话、 卫星、卫星、 空间通信空间通信 增量调制增量调制DM DM 军用、军用、 民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM DPCM 电视电话、电视电话、 图像编码图像编码 其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCMADPCM、 APCAPC、 LPC LPC 中低速数字电话中低速数字电话 常见的调制方式及用途-227频段划分及典型应用-1频率范围频率范围 波长波长 符号符号 用途用途3 Hz30 kHz

19、 3 Hz30 kHz 10104 410108 8 m m 甚低频甚低频VLF VLF 音频、电话、数据终端长距音频、电话、数据终端长距离导航、时标离导航、时标 30k300 kHz 30k300 kHz 10103 310104 4 m m 低频低频LF LF 导航、导航、 信标、信标、 电力线通信电力线通信 300 kHz3 MHz 300 kHz3 MHz 10102 210103 3 m m 中频中频MF MF 调幅广播、移动陆地通信、调幅广播、移动陆地通信、业余无线电业余无线电 3M30 MHz 3M30 MHz 101010102 2 m m 高频高频HF HF 移动无线电话、移

20、动无线电话、 短波广播定短波广播定点军用通信、点军用通信、 业余无线电业余无线电 30M300 MHz 30M300 MHz 110 m 110 m 甚高频甚高频VHF VHF 电视、电视、 调频广播、调频广播、 空中管制、空中管制、 车辆、车辆、 通信、通信、 导航导航 28频率范围频率范围 波长波长 符号符号 用途用途300 MHz3 GHz 300 MHz3 GHz 10100 cm 10100 cm 特高频特高频UHF UHF 微波接力、微波接力、 卫星和卫星和空间通信、空间通信、 雷达雷达 3G30 GHz 3G30 GHz 110 cm 110 cm 超高频超高频SHF SHF 微

21、波接力、微波接力、 卫星和卫星和空间通信、空间通信、 雷达雷达 30G300 GHz 30G300 GHz 110 mm 110 mm 极高频极高频EHF EHF 雷达、雷达、 微波接力、微波接力、 射电天文学射电天文学 10107 7G10G108 8 GHz GHz 3 31010-5 -5 3 31010-4 -4 cm cm 紫外可见光紫外可见光红外红外 光通信光通信 频段划分及典型应用-2按消息传递按消息传递的方向与时的方向与时间关系分类间关系分类按数据代按数据代码排列的码排列的时序分类时序分类按系统结构分类按系统结构分类按同步方按同步方式分类式分类单工通信半双工通信全双工通信并行传

22、输串行传输点到点通信（专线通信）点到多点通信多点之间通信（网通信）同步通信异步通信29通信方式的分类n单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信p单工单工通信：消息只能单方向传输的工作方式通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式的工作方式p全双工全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 30通信方式广播、广播、遥控、遥控、无线寻呼无线寻呼使用同一使用同一载频的普载频的普通对讲机通对讲机电话、计电话、计算机间的算机间的高速数据高速数据通信通

23、信31n并行传输与串行传输并行传输与串行传输p并行并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 p优点优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施施 缺点缺点：需要需要 n n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 通信方式32p串行串行传输传输 优点优点：缺点缺点：u其他分类方式：其他分类方式：n同步通信和异步通信同步通信和异步通信n专线通信和网络通信专线通信和网络通信通信方式33通信发展趋势 目前数字通信在卫星通信、光纤通目前数

24、字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信、微波通信等领域有了新的信、移动通信、微波通信等领域有了新的进展。进展。 1 1 卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统是将通信卫星作为空卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。从而实现两个或多个地域之间的通信。34 卫星通信的卫星通信的特点特点是：通信距离是：通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制、远、覆盖地域广、不受地理条件限制、 通信容量大、可靠性高等。自从通信容量大、可靠性高等。自从

25、19571957年年1010月第一颗卫星发射成功以来，卫星通月第一颗卫星发射成功以来，卫星通信作为一种重要的通信手段被广泛用于信作为一种重要的通信手段被广泛用于国际、国内和区域通信。国际、国内和区域通信。2121世纪的卫星世纪的卫星通信将向更高频段、更大容量方向发展。通信将向更高频段、更大容量方向发展。（GPSGPS、北斗）、北斗）35 2 2、光纤通信系统、光纤通信系统 光纤通信是以光导纤维光纤通信是以光导纤维( (简称光纤简称光纤) )作为传输媒质、以光波为运载工具（载波）的作为传输媒质、以光波为运载工具（载波）的通信方式。光纤通信具有容量大、通信方式。光纤通信具有容量大、 频带宽、频带宽

26、、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点，且成本低。自从等优点，且成本低。自从19771977年世界上第一个年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信系统投入运营以来， 光纤通信发展光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。 36 3 3数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 数字蜂窝移动通信系统是将通数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠终端对基站的跟踪，使通信不中断。依靠终端对基站的跟踪，使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个移动用户还可以从一个城市漫游到另一个