通信原理

通信原理通信原理(I)(I)电信工程学院通信网中心桑桑林林[e-mail]@bupt.edu.cn62282241622822412关于课程„先修课程：《信号与系统》、《概率论与随机过程》„学习方式：课堂教学/课后作业„考试方式：闭卷笔试„成绩评定：期末+平时+期中„通信原理:http:txyl.ste.bupt.cn3课程性质„现代通信系统的基本理论，是工科电子、信息、通信等专业的必修课。„专业基础课4研究的问题：„通信系统是如何工作的？„微积分运算及性质„富氏变换及性质„卷积变换及性质„通信系统在有噪声时的性能如何？„概率论，随机过程„特殊函数5主要参考书„樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社„周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社„曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社„DigitalandAnalogCommunicationSystemsEdition).清华大学出版社„SimonHaykin,CommunicationSystems,电子工业出版社„J.G.Proakis.DigitalCommunication(4rdEdition).电子工业出版社„通信原理习题集6课程的基本内容„通信基本概念„信息论基础„确定信号和随机信号分析„模拟调制系统„数字基带传输系统„正弦载波数字调制系统„数字信号的最佳接收„模拟信号的数字传输7第一章绪论„什么是通信？„通信的发展简史„通信系统的组成„通信系统的分类和通信方式„信息及其度量„通信系统的主要性能指标„Shannon公式81.什么是通信?„通信：交流，传递消息；信息的传输与交换„信息是要表示和传送的对象（本质）„消息是表示信息的媒体（形式）„消息：语言、文字、图象、符号、声音等。„同一信息可以用不同的消息表示。„信号常常由消息变换而来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，（电压，电流)。„„通信系统中传送的是信号通信系统中传送的是信号..„通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一方„通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应92.通信的发展简史(1)„18世纪，提出用电流进行通信的设想„1838年，F.B.Morse发明有线电报„1864年，J.C.Maxwell提出电磁辐射方程„1876年，A.G.Bell发明电话„1896年，G.Marconi发明无线电报„1901年，横跨大西洋的无线通信成功„1906年，LeedeForst发明真空管„1918年，E.H.Armstrong发明AM广播，超外差接收机„1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通信102.通信的发展简史(2)„1936年，E.H.Armstrong发明FM广播„1937年，A.Reeves发明PCM调制原理„1938年，电视广播开始„1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展„1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表《通信的数学理论》„1950年，时分多路通信应用于电话„1953年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路)„1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星112.通信的发展简史(3)„1958年，发明第一块集成电路„1961年，FM立体声广播开播„1964年，第一台全电子电话系统问世„1972年，Motorola发明蜂窝电话„1976年，个人PC问世„1989年，“便携式”蜂窝电话问世„1990－，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展123.通信系统的组成(1)„通信系统模型信息源发送设备传输媒介接收设备受信者噪声源133.通信系统的组成(2)„模拟通信和数字通信„模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据„模拟信号：载荷消息的电参量连续取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值„模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报14模拟信号15数字信号163.通信系统的组成(3)„模拟通信系统模型模拟信息源调制器信道解调器受信者噪声源基带信号已调信号已调信号基带信号„调制的作用„与信道相适配„更充分地利用信道„改善通信系统的性能173.通信系统的组成(4)„数字通信系统模型183.通信系统的组成(5)„基带数字通信系统模型数字信息源波形形成信道接收滤波受信者噪声源193.通信系统的组成(5)„数字通信的优点：„抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控)„便于处理和管理，便于传输和交换„便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；„便于集成化，微型化；„便于加密处理„数字通信的缺点：„频带利用率低：一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量的一路数字电话：20-60KHz。„对同步要求高，系统设备比较复杂。203.通信系统的组成(6)„两种应用„利用数字通信系统传送模拟消息„A/D，D/A变换，例如电话„利用模拟通信系统传送数字信号„加装数字终端，例如调制解调器电话网电话网因特网因特网214.1通信系统的分类(1)„根据信号特征„模拟通信系统„数字通信系统„根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等„根据调制方式„基带传输：„频带传输：„根据传输媒介„有线传输„无线传输224.1信道定义、分类(1)„影响系统可靠性能：„噪声和信道传输特性的不理想„信道：信号通道，必不可少„狭义信道：信号的传输媒质(物理通路)„导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播„金属导体：双绞线、同轴电缆„光纤„非导向媒体：自由空间„无线电(短波、微波、卫星)、红外线234.1信道定义、分类(2)双绞线双绞线电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆AMAM无线电无线电FMFM无线电和无线电和TVTV地面微波接力地面微波接力光纤光纤卫星卫星10102210103310104410105510106610107710108810109910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电红外线红外线紫外线紫外线可见光可见光微波微波HzHz海事无线电海事无线电244.1信道定义、分类(3)„无线电通信使用的频谱资源，最低可为3KHz，最高达3THz。„更高的电磁频谱当然不是以3THz为限的，使用3THz以上电磁频谱的电信系统也在研究探索之中，但最大不能超过可见光的范围。„受到技术上和可提供能够操作使用的无线电设备方面的限制，ITU当前只划分了9KHz~400GHz范围，目前实用的较高的频段只是在几十GHz。„微波：300MHz~300GHz„3G:2GHz左右的频段，带宽1.25MHz~5MHz•GSM网络带宽~200KHz.频段：900MHz,1800MHz,1900MHz254.1恒参信道举例(1)„双绞线„既可用于模拟传输，也可用于数据传输„带宽依赖于线的粗细和传输距离„无屏蔽双绞线(UTP)„屏蔽双绞线(STP):以箔屏蔽来减少干扰264.1恒参信道举例(2)„同轴电缆„基带同轴电缆：50Ω，为数据通信传输基带数字信号，局域网中广泛使用„10Mb/s,1km„宽带同轴电缆：75Ω，多用于CATV系统，传送频分复用的模拟信号„6MHz/300~400MHz，100km„单向放大器铜芯绝缘层外导体保护套274.1恒参信道举例(3)„光纤„纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，依靠光波承载信息„光纤传输系统：光源、光纤线路和光电探测器光调制器光纤线路光源调制电信号调制电信号基带处理光探测器解调电信号解调电信号基带处理284.1恒参信道举例(4)„无线电视距中继„两个地面站之间传送(点到点)„距离：50-100km；频率：2G-40GHz„依赖于天气和频率„应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地球地球微波传送塔微波传送塔294.1恒参信道举例(5)„通信卫星中继信道„使用微波„使用转发器接收和转发„优点：传输距离远，覆盖地域广，传输稳定可靠，传输容量大„应用：传输电视信号、远距离话音传输、组建专用网„可支持点到多点传送C波段4/6GHz上行5.925-6.425GHz下行3.7-4.2GHzKU波段12/14GHz上行14-14.5GHz下行11.7-12.2GHz地球地球地面站地面站地面站地面站304.1恒参信道举例(6)„地球同步(GEO)卫星„距地面约35860km。相对于地面站来说，同步卫星在空中的位置是静止的„使用3个卫星(赤道上空)覆盖全球„INMARSAT36,00036,000公里公里地球地球„低轨道(LEO)卫星„发射功率小，用于移动通信和个人通信系统„“铱”系统：765km高，66颗星„Globalstar：1389km高，48颗星„中轨道(MEO)卫星„GPS：17723km高，24颗星„伽利略计划：30颗星314.1随参信道举例„短波电离层反射信道„电离层：离地面高60~600km的大气层„短波：3~30MHz(100~10m)„传输无盲区，设备简单，灵活„传输可靠性差，需经常更换工作频率„短波广播，应急通信，抗灾通信，军事通信324.2通信系统的分类(2)„根据信号复用方式„频分复用(FDM)„时分复用(TDM)11时间时间频率频率22334411时间时间频率频率2233441111223344时间时间频率频率„码分复用(CDM)334.3点到点的通信方式(1)„按消息传送方向与时间关系„单工：遥测、遥控、寻呼„半双工：无线电对讲机(同一载频)„全双工通信：电话发送端信道接收端发送端信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道344.3点到点的通信方式(2)„按数字信号的码元排列方法„串行传输：远距离数字通信„并行传输：近距离数字通信发送设备接收设备...发送设备接收设备101„实际通信系统：专线和通信网354.4实际通信系统„通信网和专线TTTT365信息及其度量(1)„信息：消息中包含的有意义的内容„信息的度量：信息量„与消息的种类及重要程度无关„事件的不确定程度越大，信息量越大„消息x中所含信息量I与消息出现概率P(x)„I(x)=I[P(x)]„P(x)=1,I=0;P(x)=0,I=∞„若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和I(x1,x2,…,xn)=I(x1)+I(x2)+…+I(xn)375信息及其度量(2)„信息量I的定义()()1logaIxPx=()logaPx=−„a=2:比特(bit)()()()121loganPxPxPx=()1lognaiiPx==−∑()12,,,nIxxx()121log,,,anPxxx=()1bitIx=()12Px=时，„a=e:奈特(nit)„a=10:哈特莱385信息及其度量(3)„离散消息的度量„各符号x1x2…xn所包含的信息量分别为()()()()121211nnnxxxiPxPxPxiPx⎡⎤⎢⎥⎣⎦==∑,且设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且()()()21222loglog,,lognPxPxPx−−−…，„每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)为信息源的熵信息源的熵()()()()()()1212222logloglognnPxPxPxPxPxPx⎡⎤=−+⎣⎦⎡⎤⎡⎤−+−⎣⎦⎣⎦…()()()21log/niiiPxPxbit=⎡⎤=−⎣⎦∑符号()Hx()EIx⎡⎤=⎣⎦395信息及其度量(4)„信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时如果各符号x1x2…xn等概出现，即P(xi)=1/n，则有()()()()12221loglog/IxIxHxnbitn===−=…符号()()22,log2/kknHxkbit===例如符号„用平均信息量计算消息的信息量若消息传送的符号总数为m，例信息源由独立等概的符号0,1组成，n=2则I=mH(x)(bit)H(x)=log2n=1bit/符号此时符号