通信原理-第1章课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,通 信 原 理教材：参考书：,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,第一章 绪 论 主要内容：重点：,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,1.1 引言1.2 通信系统的组成1.3 通信系统的分,信道,交 换 机,电话网结构示意图,:,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,信道 交 换 机电话网结构示意图: ,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,1.1 引 言1.1.1 基本概念1、通信: 完,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,发明脉冲编码调制原理,1938,电视广播开播,1940,1945,二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,7、通信的发展,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,1960,1970,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,1970,1980,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,1958 发射第一颗通信卫星通信的最终,通信系统总模型：,通信系统由四部分组成。,通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的,根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应,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,通信系统总模型：通信系统由四部分组成。 各处的噪声之和,模拟系统框图：,信号源,调制器,解调器,受信者,噪声源,信 道,基 带 信 号,频 带 信 号,模拟系统框图： 信号源调制器解调器受信者噪声源信,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,频带信号基带信号数字系统框图： 信道编码 噪 声 源,1.2,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,1.2.2,模拟通信与数字通信系统模型,由信道中传输的信号形式而分类,1,、 模拟系统,（,框图,）,2,、 数字系统,(,框图,),因为它传输的信号是,“,离散,”,(,Discrete,),的,所以,强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。,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。,1.2 通信系统的组成1.2.1 通信系统（Comm,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,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,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,1,1,）,信号数字：,PCM,、 ,M,等,脉冲数字调制,AM,、,DSB,、,SSB,、,VSB,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,1.3 通信系统的分类及通信方式 1、 按消息的,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：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,）,3 按信号特征分类5 按传输媒介分类6 按信号复用方式,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,1.3.2 通信方式半双工(half-duplex ),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,(,x,1,),p,(,x,2,),=,I,p,(,x,1,),+ I,p,(,x,2,),+ ,（,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,）,取,a,=2,I,：,bit,比特,取,a,=e,I,：,net,奈特,取,a,=10,I,：,十进制 哈特莱,由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大,（,1,）,定义：信息量为,I,，消息出现的概率,(probility),为,p(,x,),则,I,=,I,p,(,x,),I,是,p,(,x,),函数,),(,log,),(,log,x,p,x,p,1,I,a,a,-,=,=,所以取,1.4 信息及其度量 1.4.1 信息的描述信息,1.4.2,离散信息的度量,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,(,x,1,)=,p,(,x,2,)=,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,(,x,1,)=,p,(,x,2,),= =1/M,若,M,是,2,的整数次幂，,M=2,K,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。,1.4.2 离散信息的度量 1、等概率1）,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：,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,例子,定义信息源的熵,H,(,X,),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，,例子定义信息源的熵 H(X ) 反映统计平均值1.4.,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,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,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,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 主要性能指标 接续质量：迅速性,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。,1.5.2 数字通信系统性能指标：传输速率(频带利用率),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 00,二进制,四进制方式传输的码元速率：,二进制方式传输的码元速率：,推广1）传输速率 ：码元传输速率。又称码元速率或传,2,）,频带利用率,:,定义为单位带宽（,1,赫兹）内的传输速率，即,2）频带利用率 :定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，,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,3）差错率：误码率、误信率(error rate)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 （,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,推广： 信息传输速率 ：又称信息速率或传信率(in,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：,例：一个4进制的信息： 3 0 2,1.6,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：,SDH,（,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,1.6 通信的发展动态一、电话网的发展,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 Asynchronous Transfer Mode),IP over SDH/SONET (Synchronous Optical Network),Internet,接入速率提高,3G关键技术智能技术(Intelligent Technol,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,2、协议不断改进3、应用与电信业务结合发展四、三网融合,