通信原理新讲稿第1章-绪论.ppt

通信原理通信原理Communication System Principles5/28/20231n n1.1 通信的基本概念通信的基本概念n n1.2 通信系统的组成通信系统的组成n n1.3 通信系统分类通信系统分类n n1.4 信息及其度量信息及其度量n n1.5 主要性能指标主要性能指标n n本课程的学习要领本课程的学习要领第第 1 章章 绪绪 论论5/28/202321.1 通信的基本概念通信的基本概念5/28/20233n n 通信的目的通信的目的：传递传递传递传递消息中包含的消息中包含的消息中包含的消息中包含的信息信息信息信息。本课程主要研究本课程主要研究本课程主要研究本课程主要研究传输传输传输传输。n n 消息消息(Message)：是指信源所产生的是指信源所产生的是指信源所产生的是指信源所产生的信息的物理表现信息的物理表现信息的物理表现信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号（简称信号），才能消息必须转换成电信号（简称信号），才能消息必须转换成电信号（简称信号），才能消息必须转换成电信号（简称信号），才能 在通信系统中传输。在通信系统中传输。在通信系统中传输。在通信系统中传输。消息、信息和信号消息、信息和信号5/28/20234消息、信息和信号消息、信息和信号n n 信息信息(Information)：是指消息中所包含的对受信者是指消息中所包含的对受信者有意义的内容有意义的内容有意义的内容有意义的内容 （或有效内容）（或有效内容）（或有效内容）（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。n n 信号信号(Signal)：是指是指消息的物理载体消息的物理载体消息的物理载体消息的物理载体，是传输消息的手段。，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。可分为模拟信号和数字信号。5/28/202351.2 通信系统的组成模型通信系统的组成模型5/28/20236通信系统的通信系统的一般模型一般模型n n通信的目的是传输消息传输消息。n n实现消息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统(包括传输、交换、终端)。n n基于点点与点点之间的通信系统的一般模型可用图1-1来描述。5/28/20237信源发送设备信道接收设备信宿干扰源前进通信系统的通信系统的一般模型一般模型5/28/20238定义定义产生消息的来源来源。作用作用把各种消息转换成原始电信号电信号。实例实例电话机、摄像机、电传机、计算机等。分类分类模拟模拟信源、数字数字信源返回信源信源5/28/20239照相机（图形数据）照相机（图形数据）摄象机（图像、语音）摄象机（图像、语音）电话（语音、数据）电话（语音、数据）传真（图形数据）传真（图形数据）计算机机（数据）计算机机（数据）信源信源返回5/28/202310变变换换成成适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号，使使信信源源和和信信 道道 匹配匹配匹配匹配。变换方式是多样的：变换方式是多样的：调制调制调制调制是最常见的是最常见的频谱搬移频谱搬移频谱搬移频谱搬移变换方式。变换方式。数字通信系统，发送设备包括数字通信系统，发送设备包括编码器编码器编码器编码器与与调制器调制器调制器调制器。返回发送设备发送设备5/28/202311标准调幅信号频谱示意图标准调幅信号频谱示意图返回5/28/202312n n信道是指传输信号的物理媒质物理媒质。n n无线信道无线信道中，信道可以是大气（自由空间）n n有线信道有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。n n第3章讨论信道信道信道返回5/28/202313无线信道无线信道移动移动交换交换中心中心电话电话交换交换中心中心 蜂蜂窝窝网网5/28/202314无线信道无线信道 通通信信系系统统多多层层次次覆覆盖盖返回5/28/202315有线信道有线信道明线明线5/28/202316有线信道有线信道n n 对称电缆：双绞线5/28/202317有线信道有线信道n n 同轴电缆基站用射频同轴电缆基站用射频同轴电缆(50同轴电缆同轴电缆)射频同轴电缆射频同轴电缆5/28/202318有线信道有线信道光纤返回5/28/202319功功能能 是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。任任务务 是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号；对于多路复用信号，还包括解多路复用，实现正确分路。返回接收设备接收设备5/28/202320信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。返回信宿5/28/202321n n干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有固有的，并且是人们所不希望的。n n可分为内部干扰内部干扰和外部干扰外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。返回干扰源5/28/202322模拟通信模型和数字通信模型模拟通信模型和数字通信模型n n信源分为两大类：连续信源连续信源；离散信源离散信源。n n连续信源连续信源消息是通过模拟信号模拟信号来传递的。离散信源离散信源消息是通过数字信号数字信号来传递的。n n传输模拟信号的通信系统称模拟通信系统模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称数字通信系统数字通信系统。5/28/202323连续信号及其抽样连续信号及其抽样5/28/202324离散信号及其连续载波调制离散信号及其连续载波调制5/28/202325模拟通信系统模型模拟通信系统模型信信信信源源源源发发出出的的是是基基基基带带带带信信信信号号号号，具具有有频频率率很很低低的的频频谱谱分分量量，一一般般不不宜宜直直接接传传输输。把把基基带带信信号号变变换换成成其其频频带带适适合合在在信信道道中中传传输输的的信信号号，并并可可在在接接收收端端进进行行反变换，是用调制器和解调器实现的。反变换，是用调制器和解调器实现的。模模拟拟通通信信系系统统模模型型中中的的发发送送设设备备和和接接收收设设备备主主要要是是调调调调制器制器制器制器和和解调器解调器解调器解调器。5/28/202326图1-4模拟通信系统模型模拟模拟信源信源调制器调制器信道信道解调器解调器模拟模拟信宿信宿干扰源干扰源模拟通信系统模型模拟通信系统模型5/28/202327数字通信系统模型数字通信系统模型n n数字通信系统是利用数字通信系统是利用数字信号数字信号数字信号数字信号来传递信息的通信来传递信息的通信系统，系统，如图如图1-51-5所示。所示。n n数字通信涉及的技术问题很多，主要有数字通信涉及的技术问题很多，主要有信源编码信源编码信源编码信源编码/译码译码译码译码、信道编码信道编码信道编码信道编码/译码译码译码译码、数字调制数字调制数字调制数字调制/解调解调解调解调、数字复数字复数字复数字复接接接接、同步同步同步同步以及以及加密加密加密加密等。等。5/28/202328数数数数字字字字信信信信源源源源信道信道信道信道噪声源噪声源噪声源噪声源数字通信系统模型数字通信系统模型数数字字信信源源信道信道发发生生器器基基带带波波形形译译码码器器信信宿宿干扰源干扰源信信信信源源源源编编编编码码码码加加加加密密密密数数数数字字字字调调调调制制制制信信信信道道道道编编编编码码码码数数数数字字字字解解解解调调调调信信信信道道道道解解解解码码码码解解解解密密密密受受受受信信信信者者者者信信信信源源源源解解解解码码码码特点5/28/202329 1)信源编码与译码信源编码与译码信源编码的作用：减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性有效性。返回5/28/2023302）信道编码与译码信道编码与译码减少差错发送端对信息码元加入保保护护成成分分（监督元），组成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”；接收端按一定规则进行解码，从解码过程中发发现现错错误误或纠纠正正错错误误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。目的目的：方法：方法：返回5/28/2023313）加密与解密加密与解密目的目的：保证所传信息的安全。方方法法：人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密加密；在接收端利用与发送端相同的密密码码复复制制品品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密解密。返回5/28/2023324）数字调制与解调数字调制与解调数数字字调调制制 就是数字基带信号的频谱搬移，形成适合在信道中传输的频带信号频带信号。基本的数字调制方式有振振幅幅键键控控 ASK、频频移移键键控控 FSK、绝绝对对相相移移键键控控 PSK、相相对（差分）相移键控对（差分）相移键控 DPSK。采用相相干干解解调调或非非相相干干解解调调还原为数字基带信号。数字调制是本课程的重点内容之一。返回5/28/2023335）同步与数字复接同步与数字复接同同步步是使收、发两端的信号在时时间间上保持步调一致。按按功功用用可可分分为为：载载载载波波波波同同同同步步步步、位位位位同同同同步步步步、群群群群同同同同步步步步和和网同步网同步网同步网同步。数数字字复复接接 是依据时时分分复复用用把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。返回5/28/202334说明说明实实际际的的数数字字通通信信系系统统不不一一定定包包括括图图中的中的所有环节所有环节。模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，例如数字电话系统数字电话系统。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如通过模拟电话线路传输数据，但这时要用调调制制解解调调器器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制。返回5/28/202335数字电话系统数字电话系统数字电话系统数字电话系统调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器返回5/28/202336数字通信的主要特点数字通信的主要特点n n 抗干扰抗干扰能力强。n n远距离传输可消除噪声积累噪声积累。n n采用信道编码技术可控制差错控制差错。降低误码率，提高传输的可靠性。n n易于与各种数字终端接口各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。n n易于集成化集成化，从而使通信设备微型化。n n易于加密加密处理，且保密强度高。5/28/202337数字通信的缺点数字通信的缺点占据系统频带较宽，频带利用率频带利用率不高。对同步要求高，系统设备系统设备比较复杂。随着光光纤纤等的采用、窄窄带带调调制制技技术术和超超大大规规模模集集成成电电路路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。5/28/2023381.3通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式5/28/202339 按消息的按消息的按消息的按消息的物理特征物理特征物理特征物理特征：话音：话音：话音：话音、数据、可视图文、图像通信等。、数据、可视图文、图像通信等。按按按按调制方式调制方式调制方式调制方式分类：分类：分类：分类：详见表详见表 1111 按按按按信号特征信号特征信号特征信号特征分类：分类：分类：分类：模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统和数字通信系统。按按按按传输媒质传输媒质传输媒质传输媒质分类分类分类分类：有线通信系统和无线通信系统。：有线通信系统和无线通信系统。有线通信有线通信-导线、架空明线、同轴电缆、光纤、波导导线、架空明线、同轴电缆、光纤、波导 无线通信无线通信-短波电离层、微波视距传播、卫星中继短波电离层、微波视距传播、卫星中继按信号按信号按信号按信号复用方式复用方式复用方式复用方式分类：分类：分类：分类：频分复用、时分复用和码分复用。频分复用、时分复用和码分复用。通信系统的通信系统的分类分类5/28/202340通信方式通信方式n n对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为时间关系，通信方式可分为单工单工、半双工半双工及及全全双工双工通信三种。通信三种。n n按数字信号排列顺序，可分为按数字信号排列顺序，可分为并行传输并行传输并行传输并行传输和和串行串行串行串行传输传输传输传输。n n按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是点与点点与点点与点点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。与点之间的通信上。5/28/202341返回5/28/2023421.4 信息及其度量信息及其度量n n信号是消息的载体载体，而信息是其内涵内涵。n n任何信源产生的输出都是随机随机的。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信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。n n信息量信息量就是对消息中不确定性不确定性的度量度量。5/28/202343事件的不确定性可用事件出现概率概率描述。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息，I与P(x)之间的关系反映为如下规律：5/28/202344（1）信息量是概率的函数，即I=fP(x)（2）P(x)越小，I 越大；反之，I 越小，且P(x)1时，I0P(x)0时，I5/28/202345（3）若干个互互相相独独立立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性信息具有相加性，即IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+5/28/202346综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为I=loga1/P(x)=-logaP(x)信息量的单位与对数底数a 有关。a=2时，信息量的单位为比特比特(bit)广泛使用；a=e时，信息量的单位为奈特奈特(nat)；a=10时，信息量单位为十进制，叫哈特莱哈特莱。5/28/202347例例 11设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为I(0)=I(1)=-log2(1/2)=log22=1(bit)传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。由此，通常把一个二进制脉冲波形称为一个比特。由此可见，比特的定义的含义。5/28/202348对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为I=-log2(1/M)=log2M(bit)5/28/202349如果是是非非等等概概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有,则x1,x2,xn所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为5/28/202350H(x)=P(x1)log2P(x1)+P(x2)log2P(x2)+P(xn)log2P(xn)=显然，当信源中每个符号等概独立等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。5/28/202351例例 1-2一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。5/28/202352解解此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为每个符号的算术平均信息量算术平均信息量为5/28/202353若用熵熵的概念来计算，由式（1.4-6）得5/28/2023541.5主要性能指标主要性能指标通信系统的主要性能指标是有有效效性性和可可靠性靠性。有有效效性性:指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度速度”。可可靠靠性性:指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”。5/28/202355模拟通信系统模拟通信系统的有效性和可靠性的有效性和可靠性n n有效性有效性可用有效传输频带有效传输频带来度量。n n可靠性可靠性用接收端最终输出信噪比输出信噪比来度量。n n不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅需传输频带却宽于调幅。5/28/202356数字通信系统数字通信系统的有效性和可靠性的有效性和可靠性n n有效性可用传输速率传输速率来衡量。n n码元码元传输速率传输速率n n信息码元信息码元传输速率传输速率n n可靠性可用差错率差错率来衡量。n n误码率误码率（码元差错率）（码元差错率）n n误信率误信率（信息差错率）（信息差错率）5/28/202357n n码元传输速率码元传输速率RB简称传码率传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。n n数字信号有多进制多进制和二进制二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度 T 有关:5/28/202358n n通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制进制的一个码元可以用log2 M个二进制码元二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M 进制的码元速率RBM 与二进制的码元速率RB2 之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2 M (B)5/28/202359n n信息传输速率信息传输速率Rb 简称传信率传信率，又称比特比特率率。表示单位时间内传递的平均信息量平均信息量或比特数比特数，单位比特比特/秒秒，可记为bit/s或b/s或bps。码元速率和信息速率关系为 Rb=RBH(b/s)H为信源中每符号含平均信息量(熵),等概传输时，最大熵为log2M，则Rb=RBlog2M(b/s)5/28/202360频带利用率频带利用率比较不同通信系统的有有效效性性，只看传传输输速速率率是不够的，还应看在同传输速率下所占的信道的频频带带宽度宽度。所以，单位频带内的码元传输速率，即或5/28/2023612.差错率n n衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常常用用误码率误码率误码率误码率和和误信率误信率误信率误信率表示。表示。n n误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）PePe是指码元在传输系统是指码元在传输系统中被传错的概率，即中被传错的概率，即 n n误信率（信息差错率）误信率（信息差错率）P Pb b是指发生差错的比特是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，数在传输总比特数中所占的比例，即即5/28/202362学习建议学习建议n n认真听课n n作好复习和预习n n独立完成作业n n讨论n n相关课程：概率论、信号与系统返回5/28/202363答疑安排答疑安排n n时间：周一，9、10节n n地点：信息馆2045/28/202364