通信原理课件1

第1章概论通信原理课程组2目标要求基本要求了解通信的发展；掌握消息、信息、信号的定义；掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；熟悉无线信道、有线信道；掌握信道模型，并会分析信道特性对信号传输的影响；熟悉信道中的噪声。3目标要求重点、难点重点是：信息的度量；数字通信系统模型的理解与掌握。难点是：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。4主要内容1.1通信的发展1.2消息、信息和信号1.3数字通信1.4信道1.5信道中的噪声1.6小结思考题、习题51.1通信的发展一、历史的通信方式1.古代：公元前800年(周朝)，周幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证－最简单的二进制数字通信。2.近代：1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的开始。1838年：莫尔斯将电报通信推向实用。1876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。61.1通信的发展烽火台71.1通信的发展3.现代20世纪60年代以后：数字通信技术进入高级发展阶段。近20多年：数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。81.1通信的发展“上帝创造了何等的奇迹!”塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）91.1通信的发展贝尔（1847-1922）美国电话发明者101.1通信的发展1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第一部电话。111.1通信的发展麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书，具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑。麦克斯韦(JamesClerkMaxwel1831～1879)英国物理学家121.1通信的发展赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。赫兹（1857-1894）德国物理学家1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。131.1通信的发展在发现电磁波不到6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（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。141.1通信的发展1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立1864麦克斯韦尔电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话1876贝尔电话1956越洋电话铺设1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电数字传输理论高速计算机1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通讯1940二战刺激雷达和微波系统发展1980SLSI长波光纤通信ISDN3G返回151.2消息、信息和信号1.通信的目的传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。2.消息天气预报“明天是晴天”字幕“明天是晴天”——文字播音员说“明天是晴天”——语言——图形一、信息、消息和信号的定义与区别161.2消息、信息和信号1.通信的目的传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。2.消息一、信息、消息和信号的定义与区别是指信源所产生的信息的物理表现。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），才能在通信系统中传输。171.2消息、信息和信号4.信息是指消息中所包含的对受信者有意义的内容（或有效内容）。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。3.信号是指消息的物理载体，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。一、信息、消息和信号的定义与区别181.2消息、信息和信号如何度量信息？－－首先要解决的问题。191.2消息、信息和信号1.要求度量信息量的方法，必须满足：能度量任何消息；与消息的类型无关；消息的重要程度无关。二、消息中信息量的度量201.2消息、信息和信号2.信息量的定义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；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个独立消息所含信息量之和。二、消息中信息量的度量211.2消息、信息和信号1loglog()()aaIPxpx因此，若消息出现的概率为，则所含信息量I可定义为：x信息量的单位：，则为比特（bit），简记为b，最常用;2a，则为奈特（nat）;，则为哈特莱（hartley）。ae10a()Px22221loglog1/IMM当M=2时，则I=1b。工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1b。即通常把一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位混淆，应注意。若采用一个M进制的波形，来传送M个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：(b)1.2消息、信息和信号返回231.3数字通信1.模拟信号和数字信号模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的语音信号。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。注意：区分准绳为：考查取值是否连续，而不是看时间。一、基本概念241.3数字通信模拟信号数字信号tttt码元251.3数字通信2.模拟通信和数字通信（1）共性问题：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。解决噪声和干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题之一。3.模拟通信系统和数字通信系统261.3数字通信模拟通信系统：要求：高保真度复原。度量准则：输出信噪比。基本问题：连续波形的参量估值问题。（2）个性问题数字通信系统：要求：正确判决（或检测）。度量准则：产生错判的概率。理论基础：统计判决理论。注意：都是针对接收端的。271.3数字通信二、数字通信的特点1.优点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。便于存储和处理。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。信噪比随带宽按指数规律增长。281.3数字通信占用带宽大－－压缩、光纤。同步要求高。3.应用实例数字传输技术：电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广播、电视广播等。二、数字通信的优点2.缺点291.3数字通信三、数字通信系统模型信源发送端接收端信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码301.3数字通信信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型311.3数字通信－数字通信系统模型1.信源：将消息转换为电信号的设备。信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型321.3数字通信－数字通信系统模型信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型2.信源编码：降低数字信号的冗余，提高数字信号的有效性。331.3数字通信－数字通信系统模型信道压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型3.信道编码：增加冗余字符，纠错编码，提高传输的可靠性。341.3数字通信－数字通信系统模型信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端4.调制：三、数字通信系统模型351.3数字通信－数字通信系统模型4.调制（1）目的使编码信号特性与信道特性相适应，以通过信道传输。（2）几个基本概念基带、基带信号、带通信号；基带调制、带通调制。（3）多路复用使多路信号合并，经过同一信道传输。361.3数字通信－数字通信系统模型5.信道基带信道－－可传输很低的频率分量。如双绞线。频带信道－－不能传输很低的频率分量。如无线电波。371.3数字通信－数字通信系统模型5.信道信道的影响：★信道传输特性对数字信号的影响。包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率扩展和多径时延。★进入信道的外部加性噪声的影响。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。381.3数字通信－数字通信系统模型6.同步★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－－使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。★位同步（或码元同步）、字同步391.3数字通信－数字通信系统模型信道发送端接收端信源调制解调信宿噪声模拟通信系统模型401.3数字通信1.衡量系统性能优劣的基本因素：有效性可靠性四、性能指标411.3数字通信-性能指标有效性可靠性注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。★提高有效性→提高传输速率→可靠性降低；提高可靠性→增加冗余的抗干扰编码码元→有效性降低。★降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。421.3数字通信-性能指标2.性能指标：（1）传输速率：三种定义。★码元速率（RB）：单位时间内传输码元数。“波特（Baud）”★信息速率（Rb）：单位时间内传输的信息量。“比特/秒(b/s)”★消息速率（RW）：单位时间内传输的消息数。“字/秒”431.3数字通信-性能指标（1）传输速率：信息量I：对于二进制系统而言，如果“0”和“1”等概率出现的话，每个码元所含的信息量I=1，此时，码元速率和信息速率在数值上相等。对于多（M）进制系统而言，每个码元所含的信息量是I=log2M，此时，二者的关系为Rb=RBlog2M。221loglog1/IMM2.性能指标：441.3数字通信-性能指标（2）错误率：三种定义。★误码率（Pe）：★误比特率（Pb）：★误字率（PW）：eP错误接收码元数传输码元总数=eP错误接收比特数传输总比特数=eP错误接收字数传输总字数=451.3数字通信-性能指标（3）频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。（4）能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量与占用频带间可交换。返回461.4信道一、信道分类（依传输媒体分）1.无线信道：利用电磁波来传播信号。如广播电台、移动电话。2.有线信道：利用人造传输媒体来传输信号。如传统的固定电话。注意：信道中的噪声－－有源干扰；信道传输特性不良－－无源干扰。471.4信道频率范围名称波长典型应用3～30Hz极低频ELF103～102km远程导航、水下通信30～300Hz超低频SLF104～103km海底通信、电报0.3～3kHz特低频ULF103～102km数据终端、有线通信3～30kHz甚低频VLF102～10km导航、电话、电报、水下通信30～300kHz低频LF10～1km导航、水下通信、无线电信标0．3～3MHz中频MF103～102m广播、业余无线电、海事通信3～30MHz高频HF102～10m国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、传真30～300MHz甚高频VHF10～1m电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制0.3～3GHz特高频UHF102～10cm电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、GPS3～30GHz超高频SHF10～1cm卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信30～300GHz极高频EHF10～1mm射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路