通信原理 第1章课件.ppt

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1、通 信 原 理,教材：通信原理(第六版)，樊昌信，国防工业出版社，2010,参考书：通信原理(第五版)，樊昌信，国防工业出版社，2004现代通信原理，沈保琐，国防工业出版社现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社 通信系统工程（第二版）（英文版），John G. Proakis, 电子工业出版社,第一章 绪 论,主要内容：通信系统的基本概念及模型通信网的基本概念通信系统的技术指标,重点：通信系统模型通信系统的任务评价通信系统的主要性能指标,1.1 引言,1.2 通信系统的组成,1.3 通信系统的分类及通信方式,1.4 信息及其度量,1.5 主要性能指标,1.6 通信的发展动态,信道,交 换 机,电

2、话网结构示意图: 为用户 （subscriber）,构成网的基本要素： （硬件）终端设备（Terminal Equipment） 传输链路(Transfer link) 交换设备(Switching Equipment),交 换 机,终端,终端,噪声,局间传输,局内传输,局内传输,1.1 引 言,1.1.1 基本概念,1、通信: 完成信息的转换和传输。,2、电信: 利用有线电、无线电、光和其他电磁系统，对消息、情 报、指令、文字、图像、声音或任何性质的消息进行传输。,3、通信系统（Communication System）：以电信号作为信息转换和传输的系统。它只能为两个用户之间提供单方向的信息

3、传递。（点对点的单向传输）,4、通信网（Communication Network）：多用户通信系统互联的通信体系。（多点中的任意两点间的双向传输） 包括电信网， CATV网，计算机网，移动通信 网，广播电视网等,5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型,6、网的组成: 以电话网(Telephony network)为例 框图,7、通信的发展原始通信 烽火台、书信和旗语1835 莫尔斯电码1837 莫尔斯电磁式电报机1866 利用大西洋海底电缆实现越洋电报通信1876 贝尔发明电话1896 马可尼发明无线电报1918 调幅无线电广播、超外差接收机问世1936 调频无线电广播开播1937

4、发明脉冲编码调制原理1938 电视广播开播19401945 二战刺激雷达和微波通信系统的发展1948 发明晶体管，香农提出信息论，通信统计理论开始 建立1950 时分多路通信应用于电话1957 发射第一颗人造卫星,1958 发射第一颗通信卫星1960 发明激光(Laser)1961 发明集成电路1962 发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段19601970 彩色电视问世，阿波罗宇宙飞船登月，数字传输的理论和技术得 到了迅速发展，出现了高速数字电子计算机19701980 大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展1980以后 超大规模集成电路、长波

5、长光纤通信系统广泛应用，促进微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信和计算机通信等各种现代通 信系统的竞相发展,通信的最终目标：任何时间、任何地点能实现与任何人进行任何形式的信息交换 全球个人通信,通信系统总模型：,各处的噪声之和,信号源,发送设备,信 道,接收设备,受信者,噪声源,发送端,接收端,模拟系统框图：,信号源,调制器,解调器,受信者,信 道,基 带 信 号,频 带 信 号,频带信号,基带信号,数字系统框图：,信道编码,噪 声 源,信 息 源,调 制 器,信 道,受 信 者,信源译码,解 调 器,注：缺省同步(synchronization)系统。,加密,信源编码,解密,信道译码,1.

6、2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统（Communication system）模型（总模型）,描述点对点的通信 框图,数字通信的突出特点： 1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。 2）需要保密时可对基带信号人为“扰乱”加密、解密，在信源编 码单元实现。 3）由于传输中是按节拍一个一个的传送脉冲单元信号，称之为码元。 收发必须同步同步控制包括：码元同步、帧同步、群同步等。,常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统,数字通信的优点： 1)数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生 而消除噪声(Noise)的积累 2)传输差错可以控制,从而改善了传输质

7、量 3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理 4)数字信息易于作高保密性的加密处理 5)数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强,其优点的实现是用占据更宽的系统频带(Band)而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。,数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同,1.3 通信系统的分类及通信方式,1、 按消息的物理特征分类（业务不同） 如电报、电话、数据、图像通信系统，其传送的消息类型各不相同,2、 按调制方式分类 根据是否采用了调制，分为基带传输和频带传输 针对频带传输信号而言（P6 表11）,信号数字：PCM 、 M 等 脉冲数字调制,AM、DSB、SSB、VSB,

8、FM、PM,模拟调制,信号数字：ASK、FSK、PSK、DPSK 数字调制,信号模拟,信号模拟：PAM、PDM、PPM 脉冲模拟调制,正弦波调制,脉冲调制,两大类,1.3.1 通信系统分类,3 按信号特征分类 最常用分为模拟与数字通信系统两大类,5 按传输媒介分类 最常用分为有线（包括光纤: optical）与无线(radio),6 按信号复用方式分类（多路通信）,频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围(频谱搬移)(Frequency Division Multiplex),时分复用：不同的信号占据不同的时间区间（抽样或脉冲调制）(Time Division Multiplex),码分复用：

9、用一组包含正交码字的码组携带多路信息(Code Division Multiplex),4按工作波段分类长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等。（P7 表1-2）,1.3.2 通信方式,半双工(half-duplex ) ：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时收发。如无线对讲机,单工(simplex )：单方向传输（一点发、一点收）。如遥控,全双工(duplex )：通信双方（两点）能同时收发信号。如电话,点对点通信，按消息传送的方向和时间关系,串序(serial )传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输,它占用一条通路。适合远距离,并序传输(parallel )：将数字信号码元序列

10、分割成多路同时传输，适合近 距离,数字通信中，按数字信号码元排列方法不同,实际通信系统，分为专线和网通信 专线通信：专门为两点直接设立传输线的通信，也称点对点通信 网通信： 多点间的通信，以点对点通信为基础,1.4 信息及其度量,1.4.1 信息的描述,信息：消息中包含的有意义的内容传输信息的多少用信息量（information content）衡量,对由若干个相互独立事件构成消息，有： I p(x1 ) p(x2 ) =I p(x1 ) + I p(x2 ) + （2 ）,即消息所含信息量等于各独立事件信息量之和 所以 I 与 P(x ) 间的关系必满足（1）、（2 ）,1.4.2 离散信息

11、的度量,1、等概率,1） 设有二进制，等概率出现的离散消息0，1 消息 p (x1 )=p (x2 )= 1/2,定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bit,2） 对M进制，等概率出现的离散消息 0，1，2 , , M-1 消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M,若M是2的整数次幂，M=2K,则该式表明：M进制的每一波形所包含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的K倍。,2、非等概率,设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集,每个符号包含的信息量均不相等所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量,每个符号包含的信息量为：,例子,定义信息源的熵 H(X )

12、反映统计平均值,1.4.3 连续消息的信息量 用概率密度来描述 f (x),注意：不同离散信息源可能有不同的熵值，我们期望熵值越大越好当每一符号等概（P(X)=1/n）时，信息源的熵值最大，,解：方法一：,因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为 I = I/57=108/57=1.89（bit/符号）,方法二：,总,总,1.5 主要性能指标,接续质量：迅速性 传输质量：清晰度 稳定质量：可靠性涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用有效性的具体体现是消息传输的速度，可靠性则是体现质量问题,有效传输带宽：信号占据的有效频带宽度,1.5.1模拟系统性能指标：有效传输带宽

13、和信噪比（或信息量和均方误差）,信噪比：信号平均功率和噪声平均功率的比值,信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的能力。,均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度,误差形式：1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起 2）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。目前，我们仅研究加性干扰产生的误差，均方误差指标将转化为信噪比(SNR：Signal Noise Ratio)。,1.5.2 数字通信系统性能指标：传输速率(频带利用率)和差错率,数字信号的描述：二进制：0、1 两个状态 N 进制：0、1、2 N-1 N个状态,码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间

14、隔称为码元长度。 在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。 同理 N 进制的每个码元时间上也等长。,进制之间的相互转换关系： 例：N = 4 表示4 进制的每个状态可用2 位二进制状态描述； 若为小数，则取大于此值的第一个整数。,推广,1）传输速率 ：码元传输速率。又称码元速率或传码率(code rate) 定义：每秒钟传送码元的数目。单位：波特 B,不同进制的码元速率转换关系 已知 N 进制信号（ ），码元速率为 ，单位：符号/秒 若将其转化为二进制信号，码元速率为 ，单位：波特 则,例：2 1 0 3 1 2 0 四进制 10 01 00 11 01 10 00

15、二进制 四进制方式传输的码元速率： 二进制方式传输的码元速率： ,2）频带利用率 :定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即,3）差错率：误码率、误信率(error rate) 误码率 ：码元在传输系统中被传错的概率。即接收的错误码元数在传送总码元数中所占的比例 误信率 ：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。即接收中丢失信息量在传送信息总量中所占的比例一般，在二进制系统中： 在多进制（M2）系统中：,例子,推广：,信息传输速率 ：又称信息速率或传信率(information rate),定义:每秒钟传送的信息量。 单位:比特/秒 或 bit/s 或 bps 二进制 （bit/s） N 进制

16、（bit/s）,八进制： 每秒传送1200个码元，每个码元等概情况,则：,例： 二进制： 每秒钟传送1200个码元，每个码元具有 1 bit信息 所以：,每个码元具有的信息量,例：,一个4进制的信息： 3 0 2 1 0 2 1经信道传输后，发生误码 2 1 2 3 0 1 2其误码率：,用比特表示： 11 00 10 01 00 10 01 10 01 10 11 00 01 10,则误比特率：,验证了多进制系统中：,1.6 通信的发展动态,一、电话网的发展网络能力：建成了以光缆为主，微波、卫星综合利用，固定电话、移动通信、 多媒体通信多网并存的大容量、高速度、安全可靠的电信网先进技术：SD

17、H（10Gb/s），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用） 光交换技术、全光网二、移动通信 第一代：AMPS、TACS、NMT模拟 第二代：GSM (Global System for Mobile)、IS-95 CDMA、PDC数字 第三代：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA,3G关键技术,智能技术(Intelligent Technology)同步技术新的高效信源编码和信道编译码技术越区切换技术(handover)RAKE接收技术功率控制技术(Power control),三、计算机互联网（Internet）网络宽带化增加骨干网带宽IP over ATM(IP Over A

18、synchronous Transfer Mode)IP over SDH/SONET (Synchronous Optical Network)Internet接入速率提高,2、协议不断改进 IPV4 IPV6,3、应用与电信业务结合发展 （1）Internet与电话结合Internet电话 （2） Internet与传真结合Internet传真 （3） Internet与电子商务结合Internet电子商务 （4） Internet与寻呼系统结合Internet寻呼 （5） Internet与会议电视结合Internet会议电视,四、三网融合 三网：电信网、有线电视网、计算机网 三网融合的技术基础：数字技术、光通信技术、软件技术、TCP/IP协议,