《通信原理绪论》PPT课件.ppt

通信原理通信原理2023/1/211学时数：学时数：56学时，其中学时，其中40学时理论课、学时理论课、16学时实验课学时实验课课程性质：考试课程性质：考试相关课程：高频电路、信号与系统、电磁场与电磁波相关课程：高频电路、信号与系统、电磁场与电磁波参考书参考书曹志刚等，现代通信原理曹志刚等，现代通信原理樊昌信，通信原理樊昌信，通信原理与本课有关的几个问题与本课有关的几个问题2023/1/212通信发展简史通信发展简史1844年年,美国人摩尔斯用电报向远方传递一句话美国人摩尔斯用电报向远方传递一句话:上帝啊，你创造了上帝啊，你创造了何等的奇迹！何等的奇迹！1867年，贝尔发明了电话年，贝尔发明了电话1877年年,爱迪生发明了留声机爱迪生发明了留声机1895年年,法国的卢米埃尔兄弟在巴黎放映了第一部无声电影法国的卢米埃尔兄弟在巴黎放映了第一部无声电影1920年年,美国西屋公司用美国西屋公司用100瓦的发射机广播瓦的发射机广播11月月2日的美国总统大日的美国总统大选选1936年年,美国广播公司美国广播公司BBC在伦敦郊外转播了一场规模宏大的舞会在伦敦郊外转播了一场规模宏大的舞会1934年德国工程师左恩设计制造了全部以继电器为计位元件的全自年德国工程师左恩设计制造了全部以继电器为计位元件的全自动机电式计算机动机电式计算机1946年年,美国研制第一代计算机美国研制第一代计算机在过去几十年间，对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发在过去几十年间，对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展，促进了数字通信的发展。目前数字通信在下列领域有了新的进展，促进了数字通信的发展。目前数字通信在下列领域有了新的进展。展。卫星通信卫星通信光纤通信光纤通信移动通信移动通信微波通信微波通信2023/1/213 通信的发展目标通信的发展目标-个人通信个人通信目标是实现：个人通信系目标是实现：个人通信系统统(PCN)无论任何人无论任何人(Whoever)在任何时候在任何时候(Whenever)在任何地方在任何地方(Wherever)与另一个人与另一个人(Whomever)进行任何类型进行任何类型(Whatever)2023/1/214个人通信的发展基础个人通信的发展基础新一代集成电路新一代集成电路新一代信息处理新一代信息处理新一代卫星通信新一代移动通信新一代广播电视新一代无线接入新一代信息网络与服务新一代光纤通信2023/1/215课程描述课程描述 通通信信是是一一个个广广义义的的概概念念，涉涉及及包包括括雷雷达达、导导航航、遥遥控控遥遥测测等等军军用用尖尖端端技技术术和和包包括括数数字字电电话话、广广播播电电视视、综综合合信信息息网网、多多媒媒体体宽宽带带网网等等现现代代民民用用技技术术，通通信信在在过过去去分分为为模模拟拟通通信信和和数数字字通通信信两两个个方方面面来来研研究究。目目前前，随随着着数数字字技技术术和和计计算算机机技技术术日日新新月月异异的的发发展展，数数字字通通信信方方式式在在许许多多领领域域已已逐逐步步取取带带模模拟拟通通信信方方式式，成成为为通通信信的的主主流流，也也成成为为我我们们今今天天研研究究的的重重点。点。2023/1/216教学内容和重点教学内容和重点通信原理将以通信系统为背景，主要通信原理将以通信系统为背景，主要讲述通信系统的一般模型和通信技术的基讲述通信系统的一般模型和通信技术的基本原理。本原理。它不是它不是针对哪一种具体的通信方哪一种具体的通信方式，而是通式，而是通过对于各种通信方式的分析，于各种通信方式的分析，建立通信系建立通信系统的一般模型的一般模型。内容包括：通内容包括：通信系统基本概念、信息论初步、模拟信号信系统基本概念、信息论初步、模拟信号调制技术、语音编码、多路复用、数字信调制技术、语音编码、多路复用、数字信号的基带传输和频带传输、差错控制编码号的基带传输和频带传输、差错控制编码及多址传输原理及多址传输原理。重点以数字通信为主重点以数字通信为主。2023/1/217教学要求教学要求初步了解通信的发展史和发展现状初步了解通信的发展史和发展现状掌握模拟调制的原理和性能掌握模拟调制的原理和性能掌握脉冲编码调制和时分复用的原理掌握脉冲编码调制和时分复用的原理掌握数字信号传输的基本原理和性能比较掌握数字信号传输的基本原理和性能比较了解差错控制编码的基本原理了解差错控制编码的基本原理能够分析一般通信系统的构成和原理能够分析一般通信系统的构成和原理2023/1/218第第1 1章章 绪论绪论2023/1/219 通信的目的：传递消息通信的目的：传递消息 通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等 实现通信的方式：声、光、电、磁等实现通信的方式：声、光、电、磁等通信的定义：通信的定义：通信就是消息的传递通信就是消息的传递。（当今通信概念中也包含了通信。（当今通信概念中也包含了通信 信号的形成、变换、检测、处理、识别等）信号的形成、变换、检测、处理、识别等）1.1 通信和通信系统的一般概念通信和通信系统的一般概念2023/1/2110通信系统的一般模型通信系统的一般模型-以蜂窝移动通信系统为例以蜂窝移动通信系统为例2023/1/2111通信系统的一般模型通信系统的一般模型通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。输媒质构成的总体。2023/1/2112通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能信信源源：顾顾名名思思义义，指指信信息息产产生生的的源源头头，可可以以是是人人或或设设备备。其其发发出出的的信信息息也也可可以以是是多多种种多多样样的的，如如语语音音、文文字字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。2023/1/2113通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能 发发送送设设备备：种种类类及及其其功功能能多多样样化化，如如编编码码、调调制制、放放大大、滤滤波波、发发射射等等。发发送送器器含含有有与与传传输输线线路路匹匹配配的的接接口口，其其基基本本作作用用是是将将信信源源发发出出的的信信息息转转换换成成便便于于传传输输的的某某种种信信号号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。2023/1/2114通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能 信信道道：即即信信息息传传输输通通道道，也也是是传传递递物物质质信信号号的的媒媒介介。信信道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等。2023/1/2115通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能 噪噪声声源源：是是整整个个系系统统噪噪声声与与干干扰扰的的总总折折合合，用用以以表表征征信信息息在在信信道道中中传传输输时时遭遭受受的的干干扰扰情情况况。在在任任何何通通信信系系统统中中，干干扰扰的的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。2023/1/2116通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能 接接收收器器：其其作作用用主主要要是是接接收收信信道道中中的的信信号号，并并转转换换成成发发送送前前相相同同表表示示形形式式的的信信息息传传递递给给信信宿宿，与与发发送送器器功功能能正正好好相相反反。对对接接收收器器的的要要求求是是尽尽可可能能地地从从受受干干扰扰的的信信号号中中精精确确地提取和还原来自信源的信息。地提取和还原来自信源的信息。2023/1/2117通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能通信模型组成部分及功能信宿：信宿：信息传输的目的地，即接收消息的人或机器。信息传输的目的地，即接收消息的人或机器。2023/1/21181 1、消息的分类消息的分类连续消息（模拟消息）：连续消息（模拟消息）：是指消息的状态是连续的，是指消息的状态是连续的，如连续变化的语音、图象如连续变化的语音、图象等；等；1.2 模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信离散消息（数字消息）：离散消息（数字消息）：是指消息的状态是离散取是指消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数值的，如文字、符号、数据等。据等。2023/1/2119 与消息的分类相对应，通信系统也分为两类：与消息的分类相对应，通信系统也分为两类：模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统 这是以信道传输信号的差异为标准的进行的这是以信道传输信号的差异为标准的进行的分类，模拟信号和数字信号通常都要通过调制分类，模拟信号和数字信号通常都要通过调制形成模拟调制信号和数字信号，以适应信道的形成模拟调制信号和数字信号，以适应信道的传输特性。传输特性。2 2、通信系统的分类、通信系统的分类2023/1/2120通信系统分类2023/1/21213 3、通信系统模型、通信系统模型模拟通信系统模型模拟通信系统模型 调制调制/解调器的作用：频谱搬移解调器的作用：频谱搬移2023/1/2122 数字通信系统模型 一般数字通信系统的收端要有同步的功能一般数字通信系统的收端要有同步的功能2023/1/2123 按消息的物理特征分类4 4、通信系统的其它分类方式、通信系统的其它分类方式 随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都 可以在统一的综合业务通信网中传送。可以在统一的综合业务通信网中传送。2023/1/2124连续波调制连续波调制 按调制方式分类按调制方式分类2023/1/2125 脉冲调制脉冲调制 2023/1/2126按信号特征分类按信号特征分类按传输媒介分类按传输媒介分类按信号复用方式分类按信号复用方式分类2023/1/2127点对点之间的通信点对点之间的通信，如常用的电话、对讲机等；，如常用的电话、对讲机等；点对面的通信点对面的通信，如广播、电视等；，如广播、电视等；网络中用户间的通信网络中用户间的通信，如计算机网、电话交换网，如计算机网、电话交换网络等。络等。本课程中主要讨论本课程中主要讨论点对点之间的通信，因为这是其他点对点之间的通信，因为这是其他 通信方式的基础通信方式的基础。按通信方式分类按通信方式分类2023/1/2128单工通信：单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式，指消息只能单方向传输的工作方式，如广播、遥控等；如广播、遥控等；半双工通信：半双工通信：指通信双方都能收发消息，但不能指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发，只能分时工作，如使用同一载频同时进行收发，只能分时工作，如使用同一载频工作的无线电对讲机；工作的无线电对讲机；全双工通信：全双工通信：指通信双方可同时进行收发消息的指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，如普通电话。工作方式，如普通电话。点对点之间的通信又可分为：点对点之间的通信又可分为：2023/1/2129一、概念一、概念 信信息息：在在概概念念上上与与消消息息的的意意义义相相似似，但但它它的的含含义义更更抽抽象象化化。信信息息可可以以理理解解为为消消息息中中包包含含有有意义的容。意义的容。信息量：信息量：是评价传输信息多少的一种度量是评价传输信息多少的一种度量。1.3 1.3 信息及其度量信息及其度量2023/1/2130信号是消息的载体，而信息是其内涵。信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中对接收者来说，只有消息中不确定的内容不确定的内容才构成才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量性的度量.根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。的概率来描述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。大。2023/1/21311 1、信息量、信息量设消息中所含的信息量为设消息中所含的信息量为I I，消息出现的概率为，消息出现的概率为 ，则，则它们之间的关系为它们之间的关系为二、信息的度量二、信息的度量2 2、若若干干个个独独立立事事件件构构成成的的消消息息，总总信信息息量量就就是是若若干个独立事件的信息量的总和。干个独立事件的信息量的总和。IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+其中对数底其中对数底a决定信息量的单位，若决定信息量的单位，若a=2，I的单位为比特的单位为比特（bit）；若）；若a=e，I的单位为奈特（的单位为奈特（nit）；若）；若a=10，I的单位为的单位为十进制单位。十进制单位。2023/1/2132M=2M=2时，且两种状态出现的概率相等（等概率），即时，且两种状态出现的概率相等（等概率），即 ，则，则信息量为信息量为 M2M2时，即时，即M M个状态等概率出现，个状态等概率出现，则信息量为，则信息量为如果如果M M是是2 2的幂次，即的幂次，即 ，则，则3 3、等概率出现的离散消息的度量、等概率出现的离散消息的度量2023/1/21334 4、平均信息量、平均信息量设离散信源是一个由设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，个符号组成的符号集，其其中每个符号中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为出现的概率为P(xi)，1(xi)niP=1xi所包含的所包含的信息量信息量平均信息量为平均信息量为H(x)由于由于H同热力学中的熵形式一样，同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为故通常又称它为信息源的熵，其单位为信息源的熵，其单位为bit/符号。符号。2023/1/21341.4通信系统的性能指标通信系统的性能指标有效性：有效性：在给定信道内能传输的信息内容的多少在给定信道内能传输的信息内容的多少 资源的利用资源的利用(频率，时间和功率频率，时间和功率)可靠性：可靠性：指接收信息的准确程度指接收信息的准确程度 模拟系统：信噪比模拟系统：信噪比 (dB，分贝分贝)语音：语音：20dB 图像：图像：40dB(4级级)数字系统：误比特率：数字系统：误比特率：Pe=PCM语音：语音：Pe10-3 Data信息：信息：Pe10-6错误比特数传输总比特数2023/1/2135有效性：有效性：模拟通信系统的有效性用有效传输带宽模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来衡量。同样的消息采用不同的调制方式，则需来衡量。同样的消息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带越窄，有效性越好。要不同的频带宽度。频带越窄，有效性越好。可靠性：可靠性：模拟通信系统的可靠性用接收端最终的模拟通信系统的可靠性用接收端最终的信噪比来衡量。信噪比越大，通信质量越高。信噪比来衡量。信噪比越大，通信质量越高。模拟通信系统的质量指标模拟通信系统的质量指标信噪比信噪比:S/N=S/N=信号功率信号功率/噪声功率噪声功率对数形式（对数形式（S/NS/N）dBdB=10log(S/N)=10log(S/N)2023/1/2136数字通信系统的质量指标数字通信系统的质量指标-传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率Rs：它表示单位时间内传输码元它表示单位时间内传输码元的数目，与进制数无关，只与传输的码元长度的数目，与进制数无关，只与传输的码元长度T有关。单位是波特（有关。单位是波特（Baud）例如，若例如，若1秒内传秒内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。信息传输速率信息传输速率Rb：它表示单位时间内传递的平它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数。单位是比特均信息量或比特数。单位是比特/秒，可记为秒，可记为bit/s，或，或 b/s，或，或bps。2023/1/2137码元速率与信息速率的关系码元速率与信息速率的关系每个码元或符号通常都含有一定每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即因此码元速率和信息速率有确定的关系，即 式中，式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时，熵有最大值等概传输时，熵有最大值 ，信息速率也达到最大，信息速率也达到最大，即即二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。时简称它们为数码率。2023/1/2138一个由字母一个由字母A、B、C、D组成的字，对于传组成的字，对于传输的每个字母用二进制脉冲编码，分别用输的每个字母用二进制脉冲编码，分别用00、01、10、11表示，每个脉冲宽度为表示，每个脉冲宽度为5ms。(1)当不同字母等概出现时，试计算传输的平均当不同字母等概出现时，试计算传输的平均信息速率。信息速率。(2)当出现概率分别为当出现概率分别为1/4、1/8、1/8、1/2时，试时，试计算传输的平均信息速率。计算传输的平均信息速率。2023/1/2139设一数字传输系统传送二进制码元速率设一数字传输系统传送二进制码元速率为为1200B/s，试求该系统的信息速率；若，试求该系统的信息速率；若改为改为16进制传送，码元速率为进制传送，码元速率为2400B/s，则这时系统的信息速率为多少？则这时系统的信息速率为多少？2023/1/2140数字通信系统质量指标数字通信系统质量指标-差错率差错率衡量数字通信系统可靠性的指标衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，是差错率，常用常用误码率误码率和和误信率误信率表示。表示。误码率误码率（码元差错率）（码元差错率）Pe是指发是指发生差错的码元数在传输总码元数生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错码率是码元在传输系统中被传错的概率，即的概率，即误信率误信率（信息差错率）（信息差错率）Pb是指发是指发生差错的比特数在传输总比特数生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，中所占的比例，即即在二进制中有在二进制中有 Pb=Pe2023/1/21411.51.5通信的发展简史通信的发展简史 按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：划分以下几个阶段：第一阶段第一阶段 语言语言 第二阶段第二阶段 文字、邮政文字、邮政 第三阶段第三阶段 印刷术、出版物印刷术、出版物 第四阶段第四阶段 电报、电话、广播电报、电话、广播 第五阶段第五阶段 通信与计算机的结合、网络通信与计算机的结合、网络2023/1/2142本本 章章 小小 结结研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，它突出了研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，它突出了影响通信质量的关键部件。在这里强调了影响通信质量的关键部件。在这里强调了调制和解调调制和解调在通在通信系统中的重要作用，对数字通信来说，信系统中的重要作用，对数字通信来说，编码和解码编码和解码也是也是很重要的。很重要的。M M个等概率出现的离散消息的信息量个等概率出现的离散消息的信息量；非等概率出现的离；非等概率出现的离散消息的每符号信息量散消息的每符号信息量。通常从信号传输的通常从信号传输的有效性和可靠性有效性和可靠性两方面来衡量通信质量两方面来衡量通信质量的好坏。对模拟通信系统，为的好坏。对模拟通信系统，为有效传输带宽有效传输带宽和和输出信噪比输出信噪比；对数字通信系统，为对数字通信系统，为信息传输速率信息传输速率和和误码率误码率。2023/1/2143