通信原理樊昌信六版第1章.ppt

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1、第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能指标主要性能指标(识记识记)*通信发展趋势通信发展趋势第第 1 章绪论章绪论进入进入第一章第一章 绪论绪论从古到今，人类的社会活动总离不开消息的传递和交换1.1 引言引言古代的消息树、烽火台和驿马传令现代的电通信固定电话,手机,电报,传呼,电视本课程将介绍现代电信系统的基本理论知识!第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理

2、解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能指标主要性能指标(识记识记)*通信发展趋势通信发展趋势第第 1 章绪论章绪论第一章第一章 绪论绪论1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.2.1通信系统模型信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端图11通信系统的一般模型第一章第一章 绪论绪论信信息息源源把各种可能消息转换成原始电信号。语声、事件场景、数据记录麦克风、摄象机、光驱、软盘。发送设备发送设备将原始电信号变换成利于在信道传输的信号。广播电台、电视发射塔、计算机COM口。信道信道信号传输通道。空间、电

3、线。接收设备接收设备从接收信号恢复相应的原始信号。收音机、电视机、计算机COM口。受信者受信者将原始电信号转换成消息。喇叭、TV显象管、显示器。噪声源噪声源信道中噪声及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示。第一章第一章 绪论绪论模拟通信与数字通信模型信息可以分为:01001101uttu连续消息：连续变化的语音，图像等离散消息：符号，文字或数据等第一章第一章 绪论绪论按信道中传输的是模拟信号模拟通信系统是数字信号数字通信系统应当指出：也可将模拟信号变成数字信号传输。应当指出：也可将模拟信号变成数字信号传输。数字通信的优点抗干扰能力强传输差错可以控制可使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理可

4、以加密在同一个通信网里，可以传递各种消息第一章第一章 绪论绪论图14模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟通信系统模型:第一章第一章 绪论绪论模拟通信系统的一个例子例子是中波广播电台，发射频率为1450KHz。麦克风调制功放调谐放大解调对比课本上图14第一章第一章 绪论绪论图13数字通信系统模型(a)信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者噪声源数字通信系统模型数字通信系统模型:第一章第一章 绪论绪论图13数字通信系统模型(b)数字通信系统模型数字通信系统模型:信息源基带信号形成器信道接收滤波器受信者噪声源第一章第一章 绪论绪论其他数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统模型:第

5、一章第一章 绪论绪论电传机电缆FSK调制解调译码受信者数字通信系统的例子：第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能指标主要性能指标(识记识记)*现代通信发展趋势现代通信发展趋势第第 1 章绪论章绪论第一章第一章 绪论绪论1.3通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类通信系统的分类(1)按通信业务分电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等(2)按调制方式分基带（如RS232

6、（COM）、频带传输（调制传输）（如音频电话）第一章第一章 绪论绪论表表 1-1常见的调制方式常见的调制方式调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅 立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输第一章第一章 绪论绪论调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制

7、PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话续表续表（2）第一章第一章 绪论绪论（4）按传输媒体分有线通信：光缆、电缆（电线）。无线通信：微波、短波、移动、卫星、散射等。（3）按信号特征分，可以把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统（5）按工作波段分，分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等(6)按信号复用方式分频分复用：不同信号占据不同的频率范围时分复用：不同信号占据不同的时间区间码分复用：第一章第一章 绪论

8、绪论表表 1 2 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质频率范围波长符号传输媒质用途330Hz107108m极低频ELF长波无线电远程导航、水下通信30300Hz106107m超低频SLF有线、长波无线电水下通信3003kHz105106m特低频ULF有线、长波无线电远程通信3Hz30kHz104108m甚低频VLF有线、长波无线电远程导航、水下通信、声纳30300kHz103104m低频LF有线、长波无线电导航、水下通信、无线电信标300kHz3MHz102103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、海事通信、业余无线电330MHz10102m高频HF同轴电缆短波无线电远程广播、短波广

9、播定点军用通信、业余无线电30300MHz110m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航第一章第一章 绪论绪论续表（续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz3GHz10100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达、GPS、蜂窝网330GHz110cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30300GHz110mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学107108GHz31053104cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信第一章第一章 绪论绪论1.3.2通信方式通信方式对于点点通信：按消息传

10、输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图16.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端发端信信 道道收端收端(a)(a)单工单工第一章第一章 绪论绪论1.3.2通信方式通信方式对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图16.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端信 道收端发端收端(b)(b)半双工第一章第一章 绪论绪论1.3.2通信方式通信方式对于点点通信：按消息传输的方向与时间关系分：（见樊昌信书P9，图16.）方式单工半双工全双工通信例子BP、广播、电视对讲机电话、手机发端信 道收端发端收端信 道(c)(c)全双

11、工第一章第一章 绪论绪论在数字通信中，按数字信号码元序列排列，有串行、并行通信传输之说：（见樊昌信书P9，图17.）方式串序（串行）并序传输（并行）说明一条通道多条导线传输例子COM、RS232（计算机）打印机口（计算机）发送设备接收设备101(b)串行传输串行传输第一章第一章 绪论绪论发送设备接收设备并行传输第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能指标主要性能指标(识记识记)*通信发展趋势通信发展趋势第第 1 章

12、绪论章绪论第一章第一章 绪论绪论1.4信息及其度量信息及其度量信息具有随机性信息具有随机性信息含量信息含量就是对消息中这种不确定性不确定性的度量让我们从常识的角度来感觉几条消息：太阳从东方升起；太阳将从西方升起。第一条几乎没有带来任何信息，第二条带来了大量信息。第一章第一章 绪论绪论信号是消息的载体，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，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中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。“今年冬天更冷些!”“今年冬天和去年夏天一样热!”第一条几乎没有带来任何信息，第二条带来了大量信息。第二条的消息比第

13、一条的消息具有更小的概率！第一章第一章 绪论绪论根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概概率率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消消息息出出现现的的概概率率越越小小，消消息息中中包包含含的的信信息息量量就就越越大大。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，根据上面的认知，显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即第一章第一章 绪论绪论（3）若若干干个个互互相相独独立立事事件件构构成成的的消消息息，所所含含信信息息量量等等于于各各独独立立事事件件信信息息量量之之

14、和和，也也就就是是说说，信信息息具具有有相加性，相加性，即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+（2）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且 P(x)1时，时，I0 P(x)0时，时，I第一章第一章 绪论绪论综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为a=2单位为bit（常使用）a=e单位为奈特（nat）a=10单位为哈特莱(也称笛特（Det）)或称十进制单位第一章第一章 绪论绪论可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。同理，传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二

15、进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。下面举例说明信息量的对数度量是一种合理的度量方法。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=log22=1(bit)第一章第一章 绪论绪论综上所述，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=log2=log2M(bit)(1.33)式中，P为每一个波形出现的概率，M为传送的波形数。若M是2的整幂次，比如M=2K（K=1，2，3，），则式

16、(1.33)可改写为第一章第一章 绪论绪论式中,K是二进制脉冲数目，也就是说，传送每一个M（M=2K）进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K。？I=log22K=K(bit)(1.34)第一章第一章 绪论绪论H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(xn)=由由于于H同同热热力力学学中中的的熵熵形形式式一一样样，故故通通常常又又称它为信息源的熵，其单位为称它为信息源的熵，其单位为bit/符号符号如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有

17、P(xi)=1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，即平均信息量为第一章第一章 绪论绪论显然，当信源中每个符号等概独立出现每个符号等概独立出现时，式(1.35)即成为式(1.33)，此时信源的熵有最大值。H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(xn)=I=log2=log2=log2M(bit)(1.33)等概率第一章第一章 绪论绪论例12一离散信源由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

18、的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。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第一章第一章 绪论绪论每个符号的算术平均信息量为若用熵的概念来计算，由式（1.35）得可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的用熵的概念来计算比较方便。概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，而且随着消息序列长度的增加，两种计两种计算误差将趋于零。算误差将趋于零。第一章第一章

19、 绪论绪论信息论中有一个重要结论，就是任何形式的待传信息都可以用二进制形式表示而不失主要内容。抽样定理告诉我们：一个频带受限的连续信号，可以用每秒一定数目的抽样值代替。而每个抽样值可以用若干个二进制脉冲序列来表示。因此，以上信息量的定义和计算同样适用于连续信号。以上我们介绍了离散消息所含信息量的度量方法。对于连续消息呢？另外在理论推导中也使用积分的形式来计算连续信源的信息熵：第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能

20、指标主要性能指标(识记识记)*通信发展趋势通信发展趋势第第 1 章绪论章绪论第一章第一章 绪论绪论1.5主要性能指标主要性能指标模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。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，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性有效性和可靠性可靠性。有效性是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”问题；而可靠性是指接收信息的准确程

21、度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。第一章第一章 绪论绪论数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。1.传输速率码元传输速率码元传输速率RB简称传码率，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（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:第一章第一章 绪论绪论通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元

22、速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2M(B)信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。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/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。第一章第一章 绪论绪论每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RBH(b/s)式中，H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log2M，信息速率也达到最大，即Rb=RBlog2M(b/s)第一章第一章 绪论绪论或例如：码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M

23、=2）时，信息速率为1200b/s，可见，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。式中，M为符号的进制数。第一章第一章 绪论绪论2频带利用率比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为第一章第一章 绪论绪论3.差错率差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误误信信率率（信信息息差差错错率率）P

24、b是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）Pe是指发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，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即第一章第一章 绪论绪论显然，在二进制中有Pb=Pe第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言(了解了解)1.2 通信系统的组成通信系统的组成(理解理解)1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式(识记识记)1.4 信息及其度量信息及其度量(理解理解)1.5 主要性能指标主要性能指标(识记识记)*通信发展趋势通信发展趋势第第 1 章绪论章绪论第一章第一章 绪论绪论*通信发展趋势通信发展趋势1 卫星

25、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，从而实现两个或多个地域之间的通信。根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止通信卫星(或同步通信卫星)和移动通信卫星。静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星，它离地面高度为35780km，采用三个相差120的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)。在过去三四十年间，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。目前数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信、微波通信等领域有了新的进展。下面我们就从这几个方面来了解通信的现状和未来发展趋势

26、。第一章第一章 绪论绪论卫星通信系统由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路组成。上行线路和下行线路是地球站至通信卫星及通信卫星至地球站的无线电传播路径，通信设备集中于地球站和通信卫星中。卫星通信的特点是：通信距离远、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1957年10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国际、国内和区域通信。21世纪的卫星通信将向更高频段、更大容量方向发展。卫星间的通信将采用速度快、频带宽、保密性强的激光通信。预计到2010年前，星间激光通信的传输速率将达到40Gb/s，地面终端设备将日益小型化，甚小天线卫星地球站(VSAT)将

27、会继续发展。第一章第一章 绪论绪论2 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信是以光导纤维(简称光纤)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、频带宽、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，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。目前，单波长光通信系统速率已达10Gb/s，其潜力已不大，采用密集波分复用（DWDM）技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术。近年来，DWDM技术取得了较大的进展，美国AT&T实验室等机构已成功地完成了Tb/s的传输实

28、验。第一章第一章 绪论绪论光传送网是通信网未来的发展方向，它可以处理高速率的光信号，摆脱电子瓶颈，实现灵活、动态的光层联网，透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复。因此，世界上许多国家纷纷进行研究、试验，验证由波分复用、光交叉连接设备及色散位移光纤组成的高容量通信网今后的可行性。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，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城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。第一章第一章 绪论绪论数字蜂窝移动通信系统主要由三

29、部分组成：控制交换中心、若干基地台、诸多移动终端。通过控制交换中心进入公用有线电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一，覆盖了大中小城市，为人们的信息交流提供了极大的便利。随着移动通信终端的普及，移动用户数量成倍地增长，第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现，如全球漫游问题、系统容量问题、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。

30、第一章第一章 绪论绪论为此，从20世纪90年代中期开始，各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究，它包括地面系统和卫星系统，移动终端既可以连接到地面的网络，也可以连接到卫星的网络。第三代移动通信系统工作在2000MHz频段，预期在2002年左右投入商用，为此国际电信联盟正式将其命名为IMT2000。IMT2000的目标和要求是：统一频段，统一标准，达到全球无缝隙覆盖，提供多媒体业务，传输速率最高应达到2Mb/s，其中车载为144kb/s、步行为384kb/s、室内为2Mb/s；频谱利用率高，服务质量高，保密性能好；易于向第二代系统过渡和演进；终端价格低。第一章第一章 绪论绪论目前第三代移动通信系统有多个标准，我国所提出的TDSCDMA标准也是其中之一。这充分体现了我国在移动通信领域的研究已达到国际领先水平。人类对新技术的追求是无止境的，对新的通信系统和通信技术的研究仍在不断进行，新的通信系统和通信技术也将会不断服务于人类。