通信原理课件1.ppt
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1、第第1 1章章 概论概论通信原理课程组目标要求目标要求l 基本要求基本要求 了解了解通信的发展;通信的发展;掌握掌握消息、信息、信号的定义;消息、信息、信号的定义;掌握掌握数字通信的概念,理解数字通信的优点;数字通信的概念,理解数字通信的优点;掌握掌握数字通信系统模型及其主要性能指标;数字通信系统模型及其主要性能指标;熟悉熟悉无线信道、有线信道;无线信道、有线信道;掌握掌握信道模型,并会信道模型,并会分析分析信道特性对信号传输信道特性对信号传输 的影响;的影响;熟悉熟悉信道中的噪声。信道中的噪声。2目标要求目标要求l 重点、难点重点、难点 重点是:重点是:信息的度量;信息的度量;数字通信系统模
2、型的理解与掌握。数字通信系统模型的理解与掌握。难点是:难点是:数字通信系统性能指标的理解与计算;数字通信系统性能指标的理解与计算;变参信道对信号传输的影响。变参信道对信号传输的影响。3主要内容主要内容 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.3 1.3 数字通信数字通信 1.4 1.4 信道信道 1.5 1.5 信道中的噪声信道中的噪声 1.6 1.6 小结小结 思考题、习题思考题、习题41.1 1.1 通信的发展通信的发展一、一、历史的通信方式历史的通信方式1.1.古代:古代:公元前公元前800800年年(周朝周朝),周幽王烽火戏诸侯。,周
3、幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。2.2.近代:近代:18201820年:安培发明电报通信,年:安培发明电报通信,近代数字通信近代数字通信的的 开始开始。18381838年:莫尔斯将电报通信年:莫尔斯将电报通信推向实用推向实用。18761876年:贝尔发明电话,年:贝尔发明电话,模拟通信的开始模拟通信的开始。51.1 1.1 通信的发展通信的发展l 烽火台烽火台61.1 1.1 通信的发展通信的发展 3.3.现代现代 2020世纪世纪6060年代以后:年代以后:数字通信技术进入高级发展阶段。数字通信技术进入高级发展阶段。近近2020
4、多年:多年:数字通信迅猛发展;数字通信迅猛发展;光纤通信也携手同行。光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。两者都成为现代通行网的主要支柱。71.1 1.1 通信的发展通信的发展 “上帝创造上帝创造了何等的奇迹了何等的奇迹!”!”塞缪尔塞缪尔莫尔斯莫尔斯(Samuel Finley Breese Morse,1791-1872)81.1 1.1 通信的发展通信的发展贝尔贝尔(1847-19221847-1922)美国电话发明者美国电话发明者91.1 1.1 通信的发展通信的发展 1876年3月10日,美国发明家贝尔发明世界上第世界上第一部电话一部电话,并获美国专利局批准的电话专利。
5、这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实默里山贝尔实验室博物馆内验室博物馆内的世界第一部电话。101.1 1.1 通信的发展通信的发展 麦克斯韦在物理学中的最大麦克斯韦在物理学中的最大贡献是贡献是建立了统一的经典电磁建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论场理论和光的电磁理论,预言预言了电磁波的存在了电磁波的存在。18731873年,麦年,麦克斯韦完成巨著克斯韦完成巨著电磁学通论电磁学通论,这是一部可以同牛顿的,这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理相媲相媲美的书,美的书,具有划时代的意义具有划时代的意义,是牛顿以后科学史上的又一座是牛顿以后科学史上的又一座丰碑
6、丰碑 。麦克斯韦麦克斯韦(James(James Clerk Clerk MaxwelMaxwel 1831 18311879)1879)英国物理学家英国物理学家111.1 1.1 通信的发展通信的发展 赫兹对人类赫兹对人类最伟大的贡献最伟大的贡献是是用实用实验证实了电磁波的存在。验证实了电磁波的存在。赫兹赫兹(1857-18941857-1894)德国物理学家德国物理学家 18881888年,成了近代科学史上的一年,成了近代科学史上的一座里程碑。座里程碑。赫兹的发现具有划时代的赫兹的发现具有划时代的意义意义,它,它不仅证实了麦克斯韦发现的不仅证实了麦克斯韦发现的真理真理,更重要的是,更重要的
7、是开创了无线电电子开创了无线电电子技术的新纪元技术的新纪元。为了纪念他在电磁波。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献,后人将发现中的卓越贡献,后人将频率的单频率的单位命名为赫兹位命名为赫兹。121.1 1.1 通信的发展通信的发展 在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年,意大利的马可尼、俄年,意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播,并很快投人实际国的波波夫分别实现无线电传播,并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术,也像雨后春笋般相使用。其他利用电磁波的技术,也像雨后春笋般相继问世。无线电报(继问世。无线电报(18941894年)、无线电广播(年)、无线电广播(19061906年)、无
8、线电导航(年)、无线电导航(19111911年)、无线电话(年)、无线电话(19161916年)年)、短波通讯(、短波通讯(19211921年)、无线电传真(年)、无线电传真(19231923年)、年)、电视(电视(19291929年)、微波通讯(年)、微波通讯(19331933年)、雷达年)、雷达(19351935年),以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天年),以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。131.1 1.1 通信的发展通信的发展 1838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报1948晶体管晶体管 香农香农IT 通信统计理
9、论建立通信统计理论建立1864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程1950时分多路通信时分多路通信 应用于电话应用于电话1876贝尔贝尔 电话电话1956越洋电话铺设越洋电话铺设1896马克尼马克尼 无线电报无线电报1957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射1906真空管真空管1958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射1918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外差接收机1960发明激光发明激光1925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信1961发明集成电路发明集成电路1936调频广播调频广播1962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCM进入实进入实用用1937脉
10、冲编码调制脉冲编码调制1960彩电彩电 数字传输理论数字传输理论 高速计算机高速计算机1938电视广播电视广播1970LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯1940二战刺激二战刺激 雷达和微波系统发雷达和微波系统发展展1980SLSI 长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3G返回返回141.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究传输传输。2.2.消息消息 天气预报天气预报“明天是晴天明天是晴天”字幕字幕“明天是晴天明天是晴天”文字文字播音员说播音员说“明天是晴天明天是
11、晴天”语言语言 图形图形1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别151.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究传输传输。2.2.消息消息1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别 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。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),才能在通信系统中传输。在通信系统中传输。161.2 1.2 消息、信息和信
12、号消息、信息和信号4.4.信息信息 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 (或(或有效内容有效内容)。)。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。3.3.信号信号 是指是指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。1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别171.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 如何度量信息?如何度量信息?首先要解决的问题首先要解决的问题。18
13、1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.要求要求 度量信息量的方法,必须满足:度量信息量的方法,必须满足:能度量任何消息;能度量任何消息;与消息的类型无关;与消息的类型无关;消息的重要程度无关。消息的重要程度无关。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量191.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号2.2.信息量的定义信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数;信息量是消息出现概率的函数;消息出现的概率越小,所包含的信息量就越大;消息出现的概率越小,所包含的信息量就越大;若某消息由若干个独立消息所组成,则该消息所若某消息由若干个独立消息所组成,则该消息所包含的信息量是每
14、个独立消息所含信息量之和。包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量201.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 因此,若消息因此,若消息 出现的概率为出现的概率为 ,则,则所含所含信息量信息量 I I 可定义可定义为:为:信息量的信息量的单位单位:,则为则为比特比特(bitbit),简记为),简记为b b,最常用最常用;,则为奈特(则为奈特(natnat);,则为哈特莱(,则为哈特莱(hartleyhartley)。)。21 当当M M=2=2时,则时,则I I=1b=1b。工程上工程上,常常不考虑是否为等概率的消息,常常不考虑是否为等概率
15、的消息,总认为一个二进制波形(或码元)等于总认为一个二进制波形(或码元)等于1b 1b。即通。即通常把常把一个二进制码元称做一个二进制码元称做1b1b。易与信息量的单位易与信息量的单位混淆混淆,应注意应注意。若采用一个若采用一个M M 进制的波形,来传送进制的波形,来传送M M 个独立的个独立的等等概概离散消息之一,则每一码元的信息量为:离散消息之一,则每一码元的信息量为:(b)1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号返回返回221.3 1.3 数字通信数字通信1.1.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号,也称连续信号。如:话筒送出的模拟信号,也称连续信号。如:话筒送出的 语
16、音信号。语音信号。数字信号,也称离散信号。如:代表文字的数字信号,也称离散信号。如:代表文字的 编码和计算机数据信号。编码和计算机数据信号。注意注意:区分准绳区分准绳为:考查为:考查取值是否连续取值是否连续,而不是看时间。而不是看时间。一、一、基本概念基本概念231.3 1.3 数字通信数字通信模拟信号模拟信号数字信号数字信号t tt tt tt t码元码元241.3 1.3 数字通信数字通信2.2.模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 (1 1)共性问题)共性问题:总存在噪声和其他干扰,:总存在噪声和其他干扰,引起传输信号的失真,影响传输质量。引起传输信号的失真,影响传输质量。解解决噪声和干
17、扰的影响决噪声和干扰的影响,就是,就是通信系统设计通信系统设计的基本问题之一的基本问题之一。3.3.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251.3 1.3 数字通信数字通信 模拟通信系统:模拟通信系统:要求:要求:高保真度复原高保真度复原。度量准则:度量准则:输出信噪比输出信噪比。基本问题:连续波形的基本问题:连续波形的参量估值问题参量估值问题。(2 2)个性问题个性问题 数字数字通信系统通信系统:要求:要求:正确判决正确判决(或检测)。(或检测)。度量准则:产生度量准则:产生错判的概率错判的概率。理论基础:理论基础:统计判决理论统计判决理论。注意注意:都是针对:都是针对接收端
18、接收端的。的。261.3 1.3 数字通信数字通信二、二、数字通信的特点数字通信的特点 1.1.优点优点 取值有限,能正确接收。取值有限,能正确接收。可采用纠错和检错技术,提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术,提高抗干扰性。可采用数字加密技术,提高保密度。可采用数字加密技术,提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。便于存储和处理。易于设计、制造,体积更小、重量更轻。易于设计、制造,体积更小、重量更轻。可作信源编码,压缩冗余度,提高信道利用率。可作信源编码,压缩冗余度,提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。2
19、71.3 1.3 数字通信数字通信 占用带宽大压缩、光纤占用带宽大压缩、光纤。同步要求高同步要求高。3.3.应用实例应用实例 数字传输技术:电话、电视、计算机数据数字传输技术:电话、电视、计算机数据 等信号的远距离传输。等信号的远距离传输。模拟传输技术:有线电话环路、无线电广模拟传输技术:有线电话环路、无线电广 播、电视广播等播、电视广播等。二、二、数字通信的优点数字通信的优点 2.2.缺点缺点281.3 1.3 数字通信数字通信三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型信信 源源发送端发送端接收端接收端信信道道编编码码调调 制制信信 道道压压缩缩编编码码解解 调调信信 宿宿保保密密解解码码信信
20、道道解解码码压压缩缩解解码码保保密密编编码码噪声噪声同步同步信信 源源编编 码码信信 源源解解 码码291.3 1.3 数字通信数字通信信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型301.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型1.1.信源:信源:将消息转换为电信号的设备。将消息转换为电信号的设备。信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型311.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型
21、系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型2.2.信源编码信源编码:降低降低数字信号的冗余,数字信号的冗余,提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。321.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型信信道道压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型3.3.信道编码信道编码:增加增加冗余字符,纠错编码,冗余字符,纠错编码,提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。331.3 1.3 数字通信数字通信数字
22、通信数字通信系统模型系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端4.4.调制:调制:三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型341.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型4.4.调制调制 (1 1)目的)目的 使编码信号特性与信道特性相适应,使编码信号特性与信道特性相适应,以通过信道传输。以通过信道传输。(2 2)几个)几个基本概念基本概念 基带、基带信号、带通信号;基带、基带信号、带通信号;基带调制、带通调制。基带调制、带通调制。(3 3)多路复用)多路复用 使多路信号合并,经过同一信道传输。使多路信号合并,经过同
23、一信道传输。351.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型5.5.信道信道 基带信道基带信道可传输很低的频率分量。可传输很低的频率分量。如双绞线。如双绞线。频带信道频带信道不能传输很低的频率分量。不能传输很低的频率分量。如无线电波。如无线电波。361.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型5.5.信道信道 信道的影响:信道的影响:信道传输特性对数字信号的影响。信道传输特性对数字信号的影响。包括包括幅频特性幅频特性、相频特性相频特性、频率偏频率偏 移移、频率扩展频率扩展和和多径时延多径时延。进入信道的进入信道的外部加性噪声外部加性噪声的影响。的影响。包
24、括起伏噪声、脉冲干扰、人为干包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干 扰。扰。371.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型6.6.同步同步 数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。发端、收端间需共同的时间标准发端、收端间需共同的时间标准使收端准确知道每个符号的起止时刻,实现使收端准确知道每个符号的起止时刻,实现同步接收。同步接收。位同步(或码元同步)、字同步位同步(或码元同步)、字同步381.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型信信 道道发送端发送端接收端接收端信信 源源调调 制制解解 调调信信 宿宿噪声噪声模拟通信系统模型模拟
25、通信系统模型391.3 1.3 数字通信数字通信1.1.衡量系统性能优劣的基本因素:衡量系统性能优劣的基本因素:有效性有效性 可靠性可靠性四、性能指标四、性能指标401.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标 有效性有效性 可靠性可靠性 注意注意:两者是:两者是互相矛盾互相矛盾的,也是的,也是可互换可互换的。的。提高有效性提高有效性提高传输速率提高传输速率可靠性降低;可靠性降低;提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。有效性降低。降低有效性,以提高可靠性;降低有效性,以提高可靠性;降低可靠性,以提高有效性。降低可靠性,以提高有效性。411.3
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