通信原理-第1章课件.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），John G.Proakis,电子工业出版社第一章 绪 论 主要内容主要内容：通信系统的基本概念及通信系统的基本概念及模型模型通信网的基本概念通信网的基本概念通信系统的技术指标通信系统的技术指标重点点：通信系统模型通信系统模型通信系统的任务通信系统的任务评价通信系统的评价通信系统的主要性能指标主要性能指标1.1 1.1 引言引言1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.3 1.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 主要性能指标主要性能指标 1.6 1.6 通信的发展动态通信的发展动态 1.1 1.1 引引 言言1.1.1 1.1.1 基本概念基本概念1 1、通信、通信:完成信息的转换和传输。完成信息的转换和传输。2 2、电信、电信:利用有线电、无线电、光和其他电磁系统，对消息、情利用有线电、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。报、指令、文字、图像、声音或任何性质的消息进行传输。3 3、通通信信系系统统（Communication Communication SystemSystem）：以以电电信信号号作作为为信信息息转转换换和和传传输输的的系系统统。它它只只能能为为两两个个用用户户之之间间提提供供单单方方向的信息传递。（点对点的单向传输）向的信息传递。（点对点的单向传输）4 4、通信网（、通信网（Communication NetworkCommunication Network）：多用户通信系统互联的通信）：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）体系。（多点中的任意两点间的双向传输）包括电信网，包括电信网，CATVCATV网，计算机网，计算机网网，移动通信，移动通信 网网，广播电视，广播电视网网等等5 5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型6 6、网的组成、网的组成:以电话网以电话网(Telephony network)(Telephony network)为例为例 框图框图7、通信的发展、通信的发展原始通信原始通信 烽火台、书信和旗语烽火台、书信和旗语1835 1835 莫尔斯电码莫尔斯电码1837 1837 莫尔斯电磁式电报机莫尔斯电磁式电报机1866 1866 利用大西洋海底电缆实现越洋电报通信利用大西洋海底电缆实现越洋电报通信1876 1876 贝尔发明电话贝尔发明电话1896 1896 马可尼发明无线电报马可尼发明无线电报1918 1918 调幅无线电广播、超外差接收机问世调幅无线电广播、超外差接收机问世1936 1936 调频无线电广播开播调频无线电广播开播1937 1937 发明脉冲编码调制原理发明脉冲编码调制原理1938 1938 电视广播开播电视广播开播194019401945 1945 二战刺激雷达和微波通信系统的发展二战刺激雷达和微波通信系统的发展1948 1948 发明晶体管，香农提出信息论，通信统计理论开始发明晶体管，香农提出信息论，通信统计理论开始 建立建立1950 1950 时分多路通信应用于电话时分多路通信应用于电话1957 1957 发射第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星1958 1958 发射第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星1960 1960 发明激光发明激光(Laser)(Laser)1961 1961 发明集成电路发明集成电路1962 1962 发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段196019601970 1970 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到了迅速发展，出现了高速数字电子计算机197019701980 1980 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、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微处理机等迅速发展19801980以后以后 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 信系统的竞相发展信系统的竞相发展通信的最终目标通信的最终目标：任何时间、任何地点能实现与任何人进行任何：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形式的信息交换 全球个人通信全球个人通信1.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.2.11.2.1 通信系统通信系统（Communication systemCommunication system）模型（总模型）模型（总模型）描述点对点的通信描述点对点的通信框图框图1.2.2 1.2.2 模拟通信与数字通信系统模型模拟通信与数字通信系统模型由信道中传输的信号形式而分类由信道中传输的信号形式而分类1 1、模拟系统模拟系统（框图框图）2 2、数字系统数字系统 (框图框图)因为它传输的信号是因为它传输的信号是“离散离散”(Discrete)的的所以所以强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。数字通信的突出特点：数字通信的突出特点：1 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。）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 2）需要保密时可对基带信号人为）需要保密时可对基带信号人为“扰乱扰乱”加密、解密，在信源编加密、解密，在信源编 码单元实现。码单元实现。3 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。）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。收发必须同步收发必须同步同步控制包括：码元同步、帧同步、群同步等。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：数字通信的优点：1)1)数字传输的抗干扰能力强数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时尤其在中继时,数字信号可以再生数字信号可以再生 而消除噪声而消除噪声(Noise)(Noise)的积累的积累 2)2)传输差错可以控制传输差错可以控制,从而改善了传输质量从而改善了传输质量 3)3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理 4)4)数字信息易于作高保密性的加密处理数字信息易于作高保密性的加密处理 5)5)数字信息可以综合传递各种消息数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强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其优点的实现是用占据更宽的系统频带(Band)(Band)而换得的。在系统频而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。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 1.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 1 1、按消息的物理特征分类（业务不同）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 2、按调制方式分类按调制方式分类 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（针对频带传输信号而言（P6 P6 表表1 11 1）信号数字：信号数字：PCMPCM 、M M 等等 脉冲数字调制脉冲数字调制AMAM、DSBDSB、SSBSSB、VSBVSBFMFM、PMPM模拟调制模拟调制信号数字：信号数字：ASKASK、FSKFSK、PSKPSK、DPSKDPSK 数字调制数字调制信号模拟信号模拟信号模拟：信号模拟：PAMPAM、PDMPDM、PPM PPM 脉冲模拟调制脉冲模拟调制正弦波调制正弦波调制脉冲调制脉冲调制两大类两大类1.3.1 1.3.1 通信系统分类通信系统分类3 3 按信号特征分类按信号特征分类 最常用分为模拟与数字通信系统两大类最常用分为模拟与数字通信系统两大类5 5 按传输媒介分类按传输媒介分类 最常用分为有线（包括光纤最常用分为有线（包括光纤:optical:optical）与无线）与无线(radio)(radio)6 6 按信号复用方式分类（多路通信）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分复用：使不同的信号占据不同的频率范围(频谱搬移频谱搬移)(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）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码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息(CodeDivisionMultiplex)4 4 按工作波段分类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。（长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等。（P7 P7 表表1-21-2）1.3.2 1.3.2 通信方式通信方式半双工半双工(half-duplex)：通信双方（两点）均能收发消息但：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时不能同时收发。收发。如无线对讲机如无线对讲机单工单工(simplex)：单方向传输（一点发、一点收）。如遥控：单方向传输（一点发、一点收）。如遥控全双工全双工(duplex)：通信双方（两点）：通信双方（两点）能同时能同时收发信号。如电话收发信号。如电话点对点通信，按消息传送的方向和时间关系点对点通信，按消息传送的方向和时间关系串序串序(serial)传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输,它占用一条它占用一条通路。适合远距离通路。适合远距离并序传输并序传输(parallel)：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近近 距离距离 数字通信中，按数字信号码元排列方法不同数字通信中，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：网通信：多点间的通信，以点对点通信为基础多点间的通信，以点对点通信为基础 1.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 1.4.1 1.4.1 信息的描述信息的描述信息：消息中包含的有意义的内容信息：消息中包含的有意义的内容传输信息的多少用传输信息的多少用信息量（信息量（information contentinformation content）衡量衡量 对由若干个相互独立事件构成消息，有：对由若干个相互独立事件构成消息，有：I I p p(x1 1)p p(x2 2)=I I p p(x1 1)+I +I p p(x2 2)+（2 2）即消息所含信息量等于各独立事件信息量之和即消息所含信息量等于各独立事件信息量之和 所以所以 I I 与与 P(P(x)间的关系必满足间的关系必满足（1 1）、（）、（2 2）取取 a=2=2 I I：bitbit 比特比特取取 a=e=e I I：netnet 奈特奈特取取 a=10=10 I I：十进制十进制 哈特莱哈特莱由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大 （1 1）定义：信息量为定义：信息量为 I I，消息出现的概率，消息出现的概率(probility)(probility)为为 p(p(x)则则 I I =I I p p(x )I I 是是 p p(x)函数函数)(log)(logxpxp1Iaa-=所以取所以取1.4.2 1.4.2 离散信息的度量离散信息的度量 1 1、等概率等概率1 1）设设有有二二进进制制，等等概概率率出出现现的的离离散散消消息息0 0，1 1 消消息息 p p(x1 1)=)=p p(x2 2)=)=1/21/2 定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bit1 bit2 2）对对MM进制，等概率出现的离散消息进制，等概率出现的离散消息 0 0，1 1，2,M-1 2,M-1 消息消息 p p(x1 1)=)=p p(x2 2)=1/M=1/M若若MM是是2 2的整数次幂，的整数次幂，M=2M=2K K,则则该式表明：该式表明：MM进制的每一波形所包含的信息量，恰好是二进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制每一波形包含信息量的K K倍。倍。2 2、非等概率、非等概率设消息由设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集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：每个符号包含的信息量为：例子例子定义信息源的熵定义信息源的熵 H(X)反映统计平均值反映统计平均值1.4.31.4.3 连续消息的信息量连续消息的信息量 用概率密度来描述用概率密度来描述 f(x)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（当每一符号等概（P(X)=1/nP(X)=1/n）时，信息源的熵值最大，）时，信息源的熵值最大，解：解：方法一方法一：因消息共因消息共5757个符号，一个符号含有算术平均信息量为个符号，一个符号含有算术平均信息量为 I=I/57=108/57=1.89（bitbit/符号）符号）方法二方法二：总总总总1.5 1.5 主要性能指标主要性能指标 接续质量接续质量：迅速性：迅速性 传输质量传输质量：清晰度：清晰度 稳定质量稳定质量：可靠性：可靠性涉及系统的涉及系统的有效性有效性、可靠性可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用、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有效传输带宽：信号占据的有效频带宽度1.5.11.5.1 模拟系统性能指标：模拟系统性能指标：有效传输带宽有效传输带宽和和信噪比（信噪比（或或信息量信息量和和均方误差）均方误差）信噪比：信号平均功率和噪声平均功率的比值信噪比：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。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均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度误差形式：误差形式：1 1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起）加性干扰产生的误差通常由噪声引起 2 2）乘乘性性干干扰扰产产生生的的误误差差通通常常由由信信道道传传输输特特性性不不理理想想引引起起。目目前前，我我们们仅仅研研究究加加性性干干扰扰产产生生的的误误差差，均均方方误误差差指指标标将将转转化化为信噪比为信噪比(SNR(SNR：Signal Noise Ratio)Signal Noise Ratio)。1.5.21.5.2 数字通信系统性能指标：数字通信系统性能指标：传输速率传输速率(频带利用率频带利用率)和和差错率差错率数字信号的描述：二进制：数字信号的描述：二进制：0 0、1 1 两个状态两个状态 N N 进制：进制：0 0、1 1、2 2 N-1 NN-1 N个状态个状态 码码元元的的概概念念：在在二二进进制制中中，用用相相同同的的时时间间间间隔隔表表示示一一位位二二进进制制数数字字，这个时间间隔称为码元长度。这个时间间隔称为码元长度。在在码码元元长长度度内内的的信信号号称称为为二二进进制制码码元元。所所以以二二进进制制的的每每个个码码元元时间上等长。时间上等长。同理同理 N N 进制的每个码元时间上也等长。进制的每个码元时间上也等长。进制之间的相互转换关系：进制之间的相互转换关系：例：例：N=4N=4 表示表示4 4 进制的每个状态可用进制的每个状态可用2 2 位二进制状态描述；位二进制状态描述；若为小数，则取大于此值的第一个整数。若为小数，则取大于此值的第一个整数。推广推广1 1）传输速率传输速率 ：码元传输速率。又称码元速率或传码率：码元传输速率。又称码元速率或传码率(code rate)(code rate)定义：每秒钟传送码元的数目。单位：波特定义：每秒钟传送码元的数目。单位：波特 B B 不同进制的码元速率转换关系不同进制的码元速率转换关系 已知已知 N N 进制信号（进制信号（），码元速率为），码元速率为 ，单位：符号，单位：符号/秒秒 若将其转化为二进制信号，码元速率为若将其转化为二进制信号，码元速率为 ，单位：波特，单位：波特 则则 例：例：2 1 0 3 1 2 0 2 1 0 3 1 2 0 四进制四进制 10 01 00 11 01 10 00 10 01 00 11 01 10 00 二进制二进制 四进制方式传输的码元速率：四进制方式传输的码元速率：二进制方式传输的码元速率：二进制方式传输的码元速率：2 2）频带利用率频带利用率 :定义为单位带宽（定义为单位带宽（1 1赫兹）内的传输速率，即赫兹）内的传输速率，即3 3）差错率差错率：误码率、误信率：误码率、误信率(errorrate)误误码码率率 ：码码元元在在传传输输系系统统中中被被传传错错的的概概率率。即即接接收收的的错错误误码码元元数数在在传送总码元数中所占的比例传送总码元数中所占的比例 误误信信率率 ：码码元元的的信信息息量量在在传传输输系系统统中中被被丢丢失失的的概概率率。即即接接收收中中丢丢失失信息量在传送信息总量中所占的比例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：一般，在二进制系统中：在多进制（在多进制（M2M2）系统中：）系统中：例子例：一个一个4 4进制的信息：进制的信息：3 0 2 1 0 2 13 0 2 1 0 2 1经信道传输后，发生误码经信道传输后，发生误码 2 1 2 3 0 1 22 1 2 3 0 1 2其其误码率误码率：用比特表示：用比特表示：11 00 10 01 00 10 0111 00 10 01 00 10 01 10 01 10 11 00 01 10 10 01 10 11 00 01 10则则误比特率误比特率：验证了多进制系统中：验证了多进制系统中：1.6 通信的发展动态通信的发展动态一、电话网的发展一、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、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：先进技术：SDH（10Gb/s），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用）光交换技术、全光网光交换技术、全光网二、移动通信二、移动通信第一代：第一代：AMPS、TACS、NMT模拟模拟第二代：第二代：GSM(GlobalSystemforMobile)、IS-95CDMA、PDC数字数字第三代：第三代：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA3G关键技术关键技术智能技术智能技术(Intelligent Technology)(Intelligent Technology)同步技术同步技术新的高效信源编码和信道编译码技术新的高效信源编码和信道编译码技术越区切换越区切换技术技术(handover)RAKERAKE接收技术接收技术功率控制技术功率控制技术(Powercontrol)三、计算机互联网（三、计算机互联网（Internet）1.网络宽带化网络宽带化增加骨干网带宽增加骨干网带宽IPoverATM(IPOverAsynchronousTransferMode)IPoverSDH/SONET(SynchronousOpticalNetwork)Internet接入速率提高接入速率提高2、协议不断改进、协议不断改进IPV4IPV63、应用与电信业务结合发展、应用与电信业务结合发展（1）Internet与电话结合与电话结合Internet电话电话（2）Internet与传真结合与传真结合Internet传真传真（3）Internet与电子商务结合与电子商务结合Internet电子商务电子商务（4）Internet与寻呼系统结合与寻呼系统结合Internet寻呼寻呼（5）Internet与会议电视结合与会议电视结合Internet会议电视会议电视四、三网融合四、三网融合三网：电信网、有线电视网、计算机网三网：电信网、有线电视网、计算机网三网融合的技术基础：数字技术、光通信技术、软件技术、三网融合的技术基础：数字技术、光通信技术、软件技术、TCP/IP协议协议