通信原理教程1.ppt

1、1,通信原理教程（第3版）,2,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,3,1.2 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,4,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,5,*制定度量信息的方法 # 消息“量” 信息量 # 例：“明天降雨量将有 1 mm” - 信息量小 “明天降雨量将达到1 m” - 信息

2、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,6,# 对于一个等概率、M进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/M) = log2 M比特 若 M = 2k ，则 I = k 比特,7,1.3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

3、据,8,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,9,两类通信系统 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,10,1.3.2 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,11,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。,12,1.3.3 数字通信系统模型,13,14,1.3

4、.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 = RB log2 M 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,15,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 = Pe x M / 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 Pw1 (1 Pe)k 频带利用率 能量利用率,16,1.4 信 道 信道的分类： 无线信道 有线信道

5、 信道中的干扰： 有源干扰 - 噪声 无源干扰 - 信道特性不良引起,17,1.4.1 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,18,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 (10-100 km)声纳、授时 30 300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10 km)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,19,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

6、-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,20,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

7、用 （0.1 1 mm）,21,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 = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m, m = 10-6 m,22,电磁波传播：地波、天波、视线传播,23,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,24,D层：高60 80 km

8、E层：高100 120 km F层：高150 400 km F1层：140 200 km F2层：250 400 km 晚上：D层、F1层消失 E层、F2层减弱,电离层的结构,25,天 波 电离层高度：60 300 km 单跳最大距离：4000 km 多跳可以环球 频率：2 30 MHz,26,视线传播,频率： 30 MHz 传播距离: d 2 + r 2 =(h+r)2, 或 h D 2/50 (m) 式中 D km,h,r,地面,27,无线电中继,28,静止卫星中继通信,29,平流层中继通信,HAPS(High Altitude Platform Station),30,大气对电磁波传播的

9、影响,31,散射通信,电离层散射 频率: 30 60 MHz 对流层散射 频率: 100 4000 MHz 流星余迹散射 频率: 30 100 MHz,32,蜂窝网,33,1.4.2 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,34,有线电信道电气特性,35,光纤 结构 损耗,1.4.3 信道模型,36,37,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

10、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。,38,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,39,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

11、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),40,四进制,41,1.4.4 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,42,频率失真的补偿,43,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”,非线性失真: 振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动

12、 非线性失真 难以消除,44,45,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A cos 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) X c (t)X s (t),46,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，

13、R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。,47,由下式可见， 原发送信号A cos 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。,48,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) a F() e-j0 af(t - 0 - ) a F() e-j(0 + ) af(t - 0) + af(t - 0 - ) a F() e-j0 (1+e-j) H() = a F() e-j0 (1+e-j)/F() =