通信原理1章分析课件.ppt

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1、2023/4/2,1,通信原理,主讲：单江东,2023/4/2,2,基本要求,了解通信的基本概念及常用通信术语了解通信系统的组成、分类及通信方式了解模拟信号与数字信号的概念及特点了解数字通信系统的优缺点明确信息的概念及其度量方法了解通信系统的主要性能指标了解信道的概念、分类、模型及特点,第 一 章 概 论,2023/4/2,3,1.1 通信的发展古代通信的起源两类通信方式运动通信：利用人力或机械的方式传递信息电子通信：利用电（电流、无线电波或光波）传递信息 近代通信的发展1820年安培发明电报通信1838年莫尔斯将电报通信实用化1876年贝尔发明了电话模拟通信的开始1896年马可尼发明无线电报

2、1906年发明真空管,2023/4/2,4,近代通信的发展1918年调幅无线电广播、超外差接收机问世1925年采用三路明线载波电话、多路通信1936年调频无线电广播开播1937年发明脉冲编码调制原理1938年电视广播开播1940-1945年二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展1948年发明晶体管；香农提出了信息论1950年时分多路通信应用于电话1956年铺设了越洋电缆1957年发射第一颗人造卫星1958年发射第一颗通信卫星,2023/4/2,5,近代通信的发展1960年发明激光1961年发明集成电路1962年发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段1960-1970年彩色电视机问世；

3、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；出现高速数字电子计算机1970-1980年大规模集成电路、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年以后，超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用；综合业务数字网崛起,2023/4/2,6,1.2 消息、信息和信号通信：信息（或消息）的传输和交换。以语言、图像、数据为媒体，通过电或光信号将信息由一方传输到另一方；消息：信源所产生信息的物理表现形式；离散消息：消息状态为有限个，如文字、符号、数据等；连续消息：消息的状态连续变化，如语音、图像等。信息：消息的有效内容 不同消息可有相同内容信号：消息的物理载体通

4、信系统中传输的是信号,2023/4/2,7,制定度量方法考虑的原则货 物消 息货运量信息量有多种有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度 和重要程度 无关 无关 总量是单件 总量是单件独立 货运量之和消息的信息量之和,信息的度量：,2023/4/2,8,制定度量信息的方法（Information Content)#消息“量”信息量#例：“明天降雨量将有一毫米”-信息量小“明天降雨量将达到一米”-信息量大“明日太阳将从东方升起”-信息量零#信息量 I=I P(x)，P(x)-发生概率#定义：I=loga 1/P(x)=-logaP(x)#通常取 a=2,此时单位为“比特”或“b”。#对于一个等

5、概率、二进制码元：I=log2 1/P(x)=log2 1/(1/2)=1(b),2023/4/2,9,#对于一个等概率、M 进制码元：I=log2 1/P(x)=log2 1/(1/M)=log2 M(比特)若 M=2k，则 I=k(b),离散独立非等概消息的信息量,（1）平均信息量信息熵H(X)信源符号集中每个符号所包含的平均信息量，称为信源熵。设离散信源的概率为：,2023/4/2,10,则信源的熵为：,（2）总信息量若某符号集的熵为H(X),则当符号集发送m个符号（组成一则消息）时，所发送的总信息量为：,当信源中每个符号等概率独立出现时，信源的熵有最大值。此时，P(xi)=1/M，则,

6、（比特/符号）,2023/4/2,11,1.3数字通信1.3.1基本概念两类信号模拟信号：取值连续，其电压（或电流值）可用取值连续的时间函数表示。例如话筒送出的语音信号；数字信号：取值离散，其电压（或电流值）仅可能取有限个离散值。例如代表文字的编码和计算机数据信号。,2023/4/2,12,模拟信号与数字信号,模拟信号,数字信号,2023/4/2,13,两类通信系统模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论,2023/4/2,14,1.3.2 数字通信的优点取值有限，能正确接收。,数字信号波形的失真和恢复,(a)

7、失真的数字信号波形,(b)中继站整形后的数字信号波形,2023/4/2,15,可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。可采用高保密性能的数字加密技术。可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计、制造，体积小、重量轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。输出信噪比随带宽按指数规律增长。,2023/4/2,16,数字通信系统模型,1.3.3 数字通信系统模型,2023/4/2,17,信源：是指把消息转换成电信号的设备，例如话筒、键盘、磁带等。信源编码的基本部分是压缩编码，用以减小数字信号的冗余度，提高数字信号的有效性；如果是模拟信源，则它还包括模/数转换功能；在某些系统中，信源编码还包含加密功

8、能，即在压缩后还进行保密编码。信道编码是为了提高信号传输的可靠性。在信源编码的信号中增加一些多余的字符，以求自动发现或纠正传输中发生的错误。调制的主要目的是使经过编码的信号特性与信道的特性相适应，使调制后的信号能顺利通过信道传输。分为基带调制和带通调制。,2023/4/2,18,信道：有多种，双绞线、同轴电缆、无线电波、光缆等。按照信道的传输频率分为：基带信道和带通信道。双绞线是基带信道，无线电波是带通信道。信道对数字信号的影响：信道传输特性对数字信号的影响。信道传输特性包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率扩展和多径时延等；进入信道的外部加性噪声的影响。外部加性噪声包括起伏噪声、脉冲干扰、系

9、统内部各个元器件噪声和人为的其它信号干扰等。同步：包括载波同步、位同步、群同步、网同步等，是通信系统不可缺少的组成部分。,2023/4/2,19,2023/4/2,20,1.3.4 数字通信系统的主要性能指标,有效性和可靠性的关系（速度-质量）传输速率：码元速率RB:波特(Baud),单位时间内传输的码元数目信息速率Rb:比特/秒(b/s),单位时间内传输的信息量 对M 进制：每个码元所含的信息量IM log2 M（等概时）则 Rb=RB log2 M消息速率RM：单位时间内传输的消息数目。传输文字时单位是“字/s”。在不同的系统中消息速率与码元速率的关系是不同的。,2023/4/2,21,错

10、误率：误码率Pe=错误接收码元数/传输码元总数误比特率Pb=错误接收比特数/传输总比特数误字率Pw=错误接收字数/总传输字数误码率和误比特率的关系 对于二进制，误码率和误比特率相等，对于M进制，则 Pb=Pe x M/2(M-1)Pe/2（M较大时）误字率和误比特率的关系 若一个字由k比特组成，每比特用一码元传输，则Pw1(1 Pe)k 频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率，与所采用的调制及编码方式有关。能量利用率：传输一比特所需的信号能量。,2023/4/2,22,1.4 信 道,信道：连接发送端和接收端得通信设备，即信号的传输通道。,有线信道：利用人造的传输媒体来传输信号。例如传统的固

11、定电话就是利用电话线作为传输媒体。包括明线、对称电缆、同轴电缆和光纤。无线信道：利用电磁波在空间的传播来传输信号。例如广播电台就是利用电磁波传输节目给收音机。包括微波中继、卫星中继、短波电离层反射及超短波/微波对流层散射。,2023/4/2,23,1.4.1 无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求 为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。频段（波长）划分,2023/4/2,24,频段（波长）划分,2023/4/2,25,频段（波长）划分（续）,2023/4/2,26,频段（波长）划分（续）,注：KHz=103 Hz,MHz=106 Hz,GHz=109 H

12、z,THz=1012 Hz,mm=10-3 m,m=10-6 m,2023/4/2,27,微波频段的划分,注：此表引用的是IEEE的规定,2023/4/2,28,电磁波传播：地波、天波、视线传播,2023/4/2,29,地 波,频率：2MHz 以下绕射：发生在波长-障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百-数千 km,2023/4/2,30,天 波电离层高度：60 300 km单跳最大距离：4000 km（F层反射）多跳可以环球频率：2 30 MHz,2023/4/2,31,D层：高60 80 kmE层：高100 120 kmF层：高150 400 kmF1层：140 200 kmF2层：250 4

13、00 km晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱,电离层的结构,2023/4/2,32,视线传播,频率：30 MHz传播距离:d 2+r 2=(h+r)2,或h D 2/50(m)式中 D km，r按6370Km计,2023/4/2,33,无线电中继,2023/4/2,34,静止卫星中继通信,2023/4/2,35,平流层中继通信,HAPS(High Altitude Platform Station),2023/4/2,36,大气对电磁波传播的影响,水蒸气,氧气,降雨率,图1.4.5 大气衰减,2023/4/2,37,散射通信,电离层散射 频率:3060 MHz对流层散射 频率:100 40

14、00 MHz流星余迹散射 频率:30 100 MHz,2023/4/2,38,蜂窝网,2023/4/2,39,1.4.2 有线信道明线对称电缆同轴电缆,图1.4.8 同轴电缆截面示意图,2023/4/2,40,有线电信道电气特性,2023/4/2,41,光纤结构：阶跃和梯度模式：多模和单模损耗：1.31m和1.51 m损耗小单模光纤传输系统的传输速率10Gb/s;传输损耗0.2dB/km,2023/4/2,42,1.4.3 信道模型,2023/4/2,43,调制信道模型:对于单“端对”信道 eo(t)=f ei(t)+n(t)式中 ei(t)输入的已调信号；eo(t)输出信号；n(t)加性噪声

15、，它与ei(t)相互独立。f ei(t)与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,2023/4/2,44,通常，f ei(t)可以表示为：k(t)ei(t)，此时，eo(t)=k(t)ei(t)+n(t)其中k(t)表示时变线性网络的特性，称为乘性干扰。k(t)一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟 等。最简单情况：k(t)=常数，表示衰减。当k(t)=常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道,2023/4/2,45,编码信道模型:二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0),P(1/1)正确转移概率

16、P(0/1),P(1/0)错误转移概率 转移概率决定于编码信道的特性，实际编码信道转移概率的数值需要由大量的实验统计数据分析得出。P(0/0)=1-P(1/0)P(1/1)=1-P(0/1),2023/4/2,46,四进制,0,1,2,3,3,2,1,0,接收端,发送端,编码信道的范围包括调制信道在内，编码信道中产生错码的原因以及转移概率的大小主要是由于调制信道不理想造成的。,2023/4/2,47,1.4.4 信道特性对信号传输的影响,恒参信道:非时变线性网络各种有线信道和部分无线信道（包括卫星链路和某些视距传输链路）链路：一段物理线路，中间没有任何交换设备。振幅频率特性,2023/4/2,

17、48,频率失真的补偿,2023/4/2,49,相位频率特性:理想特性:相位()=k;群迟延()=d()/d=k畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真:频率失真和相位失真：属于线性失真 可用“线性补偿网络”纠正，“均衡”非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真难以消除,2023/4/2,50,变参信道:（多数无线信道）变参信道的共性衰落:衰减随机变化 传输时延:随机变化 多径效应:快衰落接收信号的特性:设发送信号为Acos0t，则经过n条路径传播后的接收信号 R(t)可以表示为：式中 ri(t)第 i 条路径的接收信号振幅；i(t)第 i 条路径的传输时延 i(t

18、)=-0i(t)Xc(t)Xs(t),2023/4/2,51,式中：V(t)合成波R(t)的包络;多径衰落(t)合成波R(t)的相位。即有 由于，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是缓慢变化的。所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。,2023/4/2,52,由下式可见，原发送信号Acos0t，经过传输后：*恒定振幅A，变成慢变振幅V(t)；*恒定相位0，变成慢变相位(t)；*因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。,2023/4/2,53,频率选择性衰落设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为f(t)，接收信号为af(t

19、-0)和af(t-0-)；发射信号的频谱为F()。则有f(t)F()af(t-0)aF()e-j0 af(t-0-)aF()e-j(0+)af(t-0)+af(t-0-)aF()e-j0(1+e-j)H()=aF()e-j0(1+e-j)/F()=ae-j0(1+e-j)|1+e-j|=|1+cosjsin|=|(1+cos)2+sin21/2|=2|cos(/2)|三类信号：*确知信号*随相信号*起伏信号,2023/4/2,54,1.5 信道中的噪声,按照来源分类：人为噪声：电火花、家用电器自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声按照性质分类：脉冲噪声：电火花窄带噪声：来自邻台或其它电子设备的单一频

20、率正弦波起伏噪声：热噪声、宇宙噪声等今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声热噪声是一种典型白噪声。其电压有效值：,式中：k=1.3810-23（波耳兹曼常数）；T热力学温度；R阻值；B带宽,2023/4/2,55,1.6 小结,基本概念的理解和掌握数字通信系统的模型贯穿全书的纲目数字通信系统的优点,2023/4/2,56,习题：,1、某信息源符号集由A，B，C，D，E，F组成，设每个符号独立出现，其概率分别为1/4,1/4,1/16,1/8,1/16,1/4,试求该信息源输出符号的平均信息量。,解：该信源的平均信息量（信息熵）为,2023/4/2,57,习题：,2、某离散信源由0，1，2，3四个符

21、号组成，它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8,且每个符号的信息量是独立的,试求下信息的信息量。102010230213001203210100321010023102002013120321001202100,解法一：用实际出现的次数来计算。此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为,则每个符号的算术平均信息量为,2023/4/2,58,习题：,解法二：用熵计算,结论1：一条由m个符号构成的消息，其总信息量I=mH b结论2：两种解法出现差异，这是由于解法一是针对一个实际消息的运算，它仅包含有限（57）个数据；解法二用了熵的

22、概念，而熵是一种统计平均的结果，需要用到无穷多个数据。当信息较长时，用熵的概念比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算的误差将趋于零。,2023/4/2,59,习题：,3、某系统采用脉冲组方式传送信息。每个脉冲组包含4个信息脉冲和一个休止脉冲。每个信息脉冲和休止脉冲的宽带均为1mS，且四个信息脉冲等概出现。求：（1）码元速率；（2）平均信息速率。,思路：休止脉冲不包含信息，因此在计算信息速率时应去掉。解：（1）每个脉冲宽度，则码元速率为：,（2）在一组5个脉冲中，仅4个包含信息，又等概出现，则每个信息脉冲包含2比特信息，因此信息速率为：,2023/4/2,60,习题：,4、某消息以二进制

23、码方式传输，信息速率为2Mb/s。(1)若在接收机输出端平均每小时出现72比特差错，求误比特率；(2)若已知信道的误比特率Pb=5109，求平均相隔多长时间会出现1b差错。,解：（1）误比特率,（2）设每秒出现的差错比特数为Ne，则,即平均每隔100s出现1b差错,2023/4/2,61,1933年11月4日出生在上海金山，住在法租界。父亲是律师，弟弟高铻。祖父高吹万是晚清著名诗人，革命家，南社的重要成员。拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”。曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。1966年，高锟发表了一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。随着第一个光纤系统于1981年成功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。,返回,