《教学部-通信原理-绪论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《教学部-通信原理-绪论.ppt（82页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、通信系统概述,概 述通信系统组成通信系统分类系统工作方式信息及其度量主要性能指标,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高,通信的发展简史,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：第一阶段 语言 第二阶段 文字、邮政 第三阶段 印刷术、出版物 第四阶段 电报、电话、广播 第五阶段 通信与计算机的结合、网络,通信
2、的发展简史,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,最早的电通信设想,通信的发展简史,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创
3、造了何等奇迹!”一语。,莫尔斯发出第一封电报设备的复制品,最早的有线电报,通信的发展简史,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,最早的有线电话,贝尔获得电话的专利证书,通信的发展简史,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz
4、）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,电磁波的发现,通信的发展简史,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,最早的
5、无线通信,波波夫实验用的无线电接收机,通信的发展简史,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,人类首次远距离无线电通信,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，Claude E.S
6、hannon发表了信息论。1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。,影响通信发展的重要发明或理论,1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。1976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署。1995年，互联网（Int
7、ernet）及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。,通信系统一般模型,通信 是从一地向另一地传递和交换信息。通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。,通信系统一般模型,信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。发送设备将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。,通
8、信系统一般模型,信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。,通信系统一般模型,噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的不是人为加入的设备，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码
9、等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,通信系统一般模型,信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,通信系统一般模型,消息 消息的状态连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。,消息 的传递是通过它的物质载体 电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。,hello,通信系统一般模型,信号 信号参量的取值方式模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值
10、，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。,通信系统一般模型,t,f(t),0,时间连续、参量连续,时间离散、参量离散,抽样,量化,通信系统一般模型,信号 信道中传输的是模拟信号还是数字信号模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统。,模拟通信系统,数字通信系统模型,数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、
11、以及加/解密等,信源,信源编码,信道编码,加密,调制,信道,噪声,数字通信系统,模拟&数字通信系统,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,模拟&数字通信系统,数字通信的主要特点抗干扰能力强。差错可控。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化，从而使通信设备
12、微型化。易于加密处理，且保密强度高。数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信方式,按消息传递的方向与时间关系分：对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。,通信方式,发送,信道,接收,单
13、工：广播,发送,信道,接收,双工：手机,发送,信道,接收,半双工：对讲机,信息及其度量（重点）,信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。,信息及其度量,从常识的角度来感觉三条消息：太阳从东方升起；太阳比往日大两倍；太阳将从西方升起。,第一条几乎没有带来任何信息 第二条带来了大量信息第三条带来的信息多于第二条,第一事件是一个必然事件，人们不足为奇；第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，
14、也就是说，它带来更多的信息,信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。,信息及其度量,根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,信息及其度量,假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息根据上面的认知，显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，即 I=fP(x)（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且 P(x)1时，I0 P(x
15、)0时，I（3）若干个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，也就是说，信息具有相加性，即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,信息及其度量,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。【例】设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)=log22=1(bit),传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。传送
16、等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为,信息及其度量,信息及其度量,如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有P(xi)=1,则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1),-log2 P(x2)，-log2 P(xn)。于是，每
17、个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为 通常又称它为信息源的 熵，其单位为bit/符号。显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。,信息及其度量,【例】一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息的信息量。解 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 每个符号的算术平均信息量为,信息及其度量,若用熵的概念来计算 可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋
18、于零。,主要性能指标（重点）,通信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,主要性能指标,模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用差错率来衡量,主要性能指标,A,二进制0,T/2,T/3,符号,比特,码元宽度,码元宽度,码元宽度,
19、比特宽度,比特宽度,比特宽度,码元,码元,四进制0 1,八进制0 1 0,主要性能指标,传输速率：码元传输速率和信息传输速率 码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,主要性能指标,通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：RB2=RBM
20、 log2 M(B),主要性能指标,信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或 b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RBH(b/s)式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时，熵有最大值log2 M，信息速率也达到最大，即Rb=RB log2 M(b/s),主要性能指标,【例】码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在
21、数量上相等，有时简称它们为数码率,主要性能指标,频带利用率比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率，RB而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为,差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即 误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在
22、传输总比特数中所占的比例，即,主要性能指标,b,信道与噪声,信道定义与数学模型恒参信道及其传输特性随参信道及其传输特性加性噪声信道容量的概念,信道定义,信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：信号的传输媒质。广义信道：不仅是传输媒质，而且包括通信系 统中的一些转换装置。,信道定义,狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道明线、双绞线、同轴电缆及光纤等无线信道地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。广义信道与通信系统有关的变换装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道按照它包括的功能，调制信道编码信道,信道定义,明线(
23、即平行绝缘线)优点：传输损耗低 缺点：噪声干扰敏感,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,同轴电缆 优点：外导体接地、屏蔽干扰 LAN用基带：50、93 CATV：75,信道定义,双绞线(拧成扭绞状的电缆)优点：较稳定 缺点：损耗较大,屏蔽双绞线(STP),非屏蔽双绞线(UTP),常用的双绞线为3类(16Mbit/s)和5类(155Mbit/s)两种,以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,双绞线外无任何屏蔽层,信道定义,只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（Multimode Fiber）,无线视距中
24、继信道超短波、微波,地面微波接力,卫星中继通信,使用微波频段使用转发器接收和转发,编码信道,调制信道,信道定义,编码器,调制器,发转换器,媒质,译码器,解调器,收转换器,输入,输出,调制信道和编码信道,调制信道数学模型,调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道，它具有如下共性：（1）有一对（或多对）输入端和一对（或多对）输出端（2）绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；（3）信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；（4）信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；（5）即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出（噪声）,调制信道数学模型,可用一个二端
25、对（或多端对）的时变线性网络去代替调制信道，这个网络称作调制信道模型,二端对网络,多端对网络,调制信道数学模型,寻找到这种函数关系是,表示信道对信号的影响（变换）的某种函数关系,信道对信号影响有两点,加性干扰,乘性干扰,调制信道数学模型,编码信道数学模型,编码信道包括调制信道、调制器和解调器，是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。,二进制编码信道模型,对于多进制无记忆编码信道：,对于二进制无记忆编码信道：,输出的总的错误概率：,M元输入符号：,N元输出符号：,转移概率：,编码信道数学模型,编
26、码信道数学模型,一个多进制无记忆编码信道模型,恒参信道的特性及对信号的影响,理想恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的迟延。这种情况也称信号是 无失真传输,恒参信道是指乘性干扰基本不随时间变化的信道,恒参信道的特性及对信号的影响,传输特性,幅-频特性,相-频特性,经过信道后不产生失真，则希望H(w)满足不失真条件,为一条直线,呈线性关系,恒参信道的特性及对信号的影响,理想信道的幅频特性、相频特性,恒参信道的特性及对信号的影响,幅度-频率失真 幅度-频率失真是 由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为 频率失真，属于线性失真
27、。信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，若传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。,相位-频率失真也是属于线性失真。它对模拟话音传输影响不明显。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰。,相位-频率失真,恒参信道的特性及对信号的影响,随参信道及其传输特性,随参信道的传输媒质具有以下三个特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。,多径衰落与频率弥散(Multi-path fading and frequency dispersal),频率选择性衰落与相关带宽(Frequency-selec
28、tive fading and coherence bandwidth),多径衰落与频率弥散(Multi-path fading and frequency dispersal),输入信号,输出信号,h,b,d,2,d,d,1,q,q,h,m,多径衰落与频率弥散(Multi-path fading and frequency dispersal),r(t)的包络和相位形式,均匀分布,瑞利分布(Rayleigh),多径衰落与频率弥散(Multi-path fading and frequency dispersal),相对于载波来说V(t)和j(t)是慢变化随机过程，于是r(t)可以看成是一个窄
29、带随机过程。两个结论:(1)多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；(2)从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。,多径衰落与频率弥散(Multi-path fading and frequency dispersal),两条路径信道模型,频率选择性衰落与相关带宽(Frequency-selective fading and coherence bandwidth),信道幅频特性,它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相关带宽宽，则将产生严重的频率选择性衰落。为了
30、减小频率选择性衰落，就应使信号的频谱小于相关带宽。在工程设计中，为了保证接收信号质量，通常选择信号带宽为相关带宽的1/51/3,相关带宽,信号的频谱,当在多径信道中传输数字信号时，特别是传输高速数字信号，频率选择性衰落将会引起严重的码间干扰。为了减小码间干扰的影响，就必须限制数字信号传输速率。,频率选择性衰落与相关带宽(Frequency-selective fading and coherence bandwidth),加性噪声(Added noise),加性噪声与信号相互独立，并且始终存在。实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而不能彻底消除加性噪声。,加性噪声来源 分类,人为噪声：外台信
31、号、电气开关合断、点火系统自然噪声：天电噪声来源于雷电、磁暴、宇宙射 线、太阳黑子内部噪声：系统设备内部本身产生的各种噪声，电阻器 热噪声、电子管、半导体管中的电子起伏（散弹噪声）,起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声,双边功率谱密度,自相关函数,如果线性网络具有窄带特性，则输出噪声为窄带噪声,加性噪声(Added noise),带通性噪声的等效带宽,加性噪声(Added noise),面积相等,P,n,(,f,),P,n,(,f,c,),O,B,n,f,f,c,信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。这里只讨论连续信道的信道容量。香农公式(Shannons channel coding t
32、heorem),信道容量的概念(Channel capacity),信道容量,香农公式分析信号与信道,加性,高斯噪声,香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。若噪声n(t)的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽B内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式为,信道容量的概念(Channel capacity),：,信道容量的概念(Channel capacity),由香农公式可得以下结论,香农公式的应用 由香农公式可以看出：对于一定的信道容量C来说，信道带宽B、信号噪声功率比S/N及传输时间三者之间可以互相转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，等等。如果信道容量C给定，互换前的带宽和信号噪声功率比分别为B1和S1/N1，互换后的带宽和信号噪声功率比分别为B2和S2/N2，则有,给定n0时,信道容量的概念(Channel capacity),
