通信系统原理概述分解

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；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。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。6周幽王骄奢淫逸，自从得到褒国进献的美女褒姒后，封为宠妃，整天沉溺于佳丽之中，朝政荒废。褒姒美艳无比，但生性不笑，面对宫中玉宇琼楼，锦衣玉食，她毫无悦色。幽王欲睹褒姒笑容，大臣们想尽千方百计始终不得效果。一天幽王出游骊山，佞臣虢（guo）石父献出烽火戏诸葛侯拙劣计策，幽王决意一试，遂命点燃烽火。各路诸侯见烽火报警，以为京城出现敌情。迅速整装带兵而至。见君臣安然无恙，且游兴正浓，感到莫名其妙。问其原因，对方笑而不答。看到这种场面，褒姒忍不住开怀大笑。看到褒姒终于开了笑口，而且笑时姿态更美，昏君乐得忘乎所以。风尘仆仆的诸侯终于明白，烽火报警，调兵遣将，原本为博宠妃欢心。王命如山，无可奈何，只得怏怏离去。但事隔不久，犬戎果真来犯，虽然点起了烽火，却无援兵赶到。原来各诸侯以为周幽王又是故伎重演。结果都城被攻下，褒姒被抢走了，周幽王也被杀死了，从此西周灭亡了。《东周列国志》中有这样一段话来形容褒姒：“目秀眉清，唇红齿白，发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，倾国倾城之貌。”原来周王朝为了防备西部一个叫犬戎的少数民族部落的进攻，在骊山一带造了二十多座烽火台，每隔几里地就是一座。如果犬戒打过来，把守第一道关的士兵就把火烧起来；第二道关的士兵见到烟火，也把烽火烧起来。这样一个接一个烧着烽火，附近的诸侯见到了，就会发兵来救。7最原始的光通信、二进制数字通信有光信号---有敌情无光信号---无敌情81.1通信的发展烽火台91.1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。101.1通信的发展“上帝创造了何等的奇迹!”塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）111832年秋天，在大西洋中航行的一艘邮船上，美国医生杰克逊给旅客们讲电磁铁原理，旅客中41岁的美国画家莫尔斯被深深地吸引住了，并牢记住了这些。他联想起自己所看到的法国信号机体系，它每次只能凭视力所及传讯数英里而已；如果用电流传输电磁讯号，不是可以在瞬息之间把消息传送数千英里之遥吗？从这以后，他毅然改行投身于电学研究领域。莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实得到启发，“异想天开”地想，如果将电流截止片刻发出火花作为一种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字，文字就可以通过电流在电线中传到远处了。经过几年的琢磨，1837年，莫尔斯设计出了著名且简单的电码，称为莫尔斯电码，它是利用“点”、“划”和“间隔”（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号）的不同组合来表示字母、数字、标点和符号。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，一批科学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯，只见他亲手操纵着电报机，随着一连串的“点”、“划”信号的发出，远在64公里外的巴尔的摩城收到由“嘀”、“嗒”声组成的世界上第一份电报。第一封电报的内容是圣经的诗句：上帝创造了何等的奇迹。121.1通信的发展贝尔（1847-1922）美国电话发明者131.1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。14贝尔在做聋哑人用的“可视语言”实验时，发现了一个有趣的现象：在电流流通和截止时，螺旋线圈会发出噪声，就像电报机发送莫尔斯电码时发出的“嘀答”声一样。“电可以发出声音!”思维敏捷的贝尔马上想到，“如果能够使电流的强度变化，模拟出人在讲话时的声波变化，那么，电流将不仅可像电报机那样输送信号，还能输送人发出的声音，这也就是说，人类可以用电传送声音。”1875年5月，贝尔和沃特森研制出两台粗糙的样机。这两台样机是在一个圆筒底部蒙上一张薄膜，薄膜中央垂直连接一根炭杆，插在硫酸液里。这样，人对着它讲话时，薄膜受到振动，炭杆与硫酸接触的地方电阻发生变化，随之电流也发生变化；接收时，因电流变化，也就产生变化的声波。由此实现了声音的传送。1875年6月2日，他们又对带音箱的样机进行试验。贝尔在实验室里，沃特森在隔着几个房间的另一头。贝尔一面在调整机器，一面对着送话器呼唤起来。忽然，贝尔在操作时，不小心把硫酸溅到腿上，他情不自禁地喊道：“沃特森先生，快来呀，我需要你!”“我听到了，我听到了。”沃特森高兴地从那一头冲过来。他顾不上看贝尔受伤的地方，把贝尔紧紧拥抱住。贝尔此时也忘了疼痛，激动得热泪盈眶。151.1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16他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。171.1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。181886年，赫兹经过反复实验，发明了一种电波环，用这种电波环作了一系列的实验，终于在1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后，轰动了全世界的科学界，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论，至此取得了决定性的胜利。麦克斯韦的伟大遗愿终于实现了。191.1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，并很快投入实际使用。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。201.1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1.1通信的发展请总结通信的发展趋势特点，展望未来通信发展方向。模拟------数字单一媒体------多媒体有线-----无线窄带-----宽带。。。。。。？？？21221.2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信息231.2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。241.2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251.2消息、信息和信号如何度量信息？－－首先要解决的问题。运输货物-----货运量，衡量运输效率传递信息--------？？，衡量通信效率？261.2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271.2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281.2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：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()Pxx()px29221loglog1/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301.3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，取值连续。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，取值有限。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311.3数字通信模拟信号数字信号tttt码元321.3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331.3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。341.3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。35数字信号波形的失真和恢复(a)失真的数字信号(b)恢复的数字信号返回361.3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