通信原理韩庆文第一章 概述

,*,*,*,*,*,*,*,第,2,版,电子工业出版社,第一章,概述,1.1,通信的基本概念,1.2,通信发展简史,1.3,通信系统的基本组成,1.4,信源,1.5,通信信道,1.6,模拟通信与数字通信,1.7,信息的传输方式,1.8,数字通信系,统的主要性能指标,Chapter 1,Overview,1.1,通信的基本概念,通信的目的是将“信息”正确、无误地传送到目的地。通信的内容多种多样，通信的方式越来越多。,简介,人类,最初利用,声音,和,肢体语言,进行,交流,。,远距离,信息交流,:,驿马,烽火,电通信,1837,年，最早的电通信,莫尔斯电报系统,莫尔斯,给人类进步带来巨大的,影响,语言,数据,图像,文本,Network,Point to Point,通信原理,电子工业出版社,6,通信的定义,通信是传输消息的过程，其根本目的是把含有信息的消息传到指定的目的地。,通信的实现方法,把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就是消息的传载者。,信息、信号的含义,语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷语言、文字、图像等信息，电信号经通信系统传送至接收端，收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。,1.2,通信发展简史,自,1837,年有线电报系统出现至今，通信技术的发展已经经历了三个重要的历史时期。如今，通信系统已经全面进入数字化时代，信道拥挤与人类需求的矛盾催生了大批新技术。,简介,第,1,阶段：,初级通信,阶段,1837,年,莫尔斯,发明,有线电报,，开始,电通信,阶段,1864,年,麦克斯韦,创立,电磁辐射理论,，并被,赫兹,证明，促使,无线通信,的出现,1876,年,贝尔,利用电磁感应原理发明了,电话,1879,年,第一个专用,人工电话交换系统,投入运行,1896,年,马可尼,发明,无线电报,1924,年,奈奎斯特,提出,无码间干扰,数字传输技术,1942,年,维纳,提出,最佳线性滤波器,理论,第,2,阶段：,近代通信,阶段,1948,年,香农,提出了,信息论,，建立了通信统计理论,1950,年,时分多路通信,应用于电话系统,1951,年,直拨长途电话,开通,1962,年,第一颗,同步通信卫星,，开通,国际卫星电话,；,脉冲编码调制,进入实用阶段,70,年代,商用卫星通信,、,程控数字交换机,、,光纤通信,系统投入使用；一些公司制定,计算机网络,体系结构,1978,年,贝尔实验室,建立首个,蜂窝移动通信网,第,3,阶段：,现代通信,阶段,80,年代,数字网络,的公用业务；,个人计算机,和,计算机局域网,出现；,网络体系结构,国际,标准,陆续制定,1991,年,GSM,移动通信系统,投入商用,1995,年,互联网,开始普及,1997,年,68,个国家签定国际协定，互相,开放电信市场,1998,年,数字电视业务,在美国开通,1999,年,ITU,决定发展,第三代移动通信系统,1.3,通信系统的基本组成,通信系统一般包括信息源、发送设备、信道、接收设备、受信者和噪声源。按消息传送的方向与时间关系，信息的传输方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。,简介,本教材所讲的通信就是,电通信,，简称为,电信,。,信息源：,把消息转换成原始电信号,发送设备：,对原始信号完成某种变换，以适应信道传输,信道：,信号传输的通道,接收设备：,完成发送设备的反变换，恢复为原始电信号,受信者：,也称信宿或收终端，将复原的原始电信号转换成消息,噪声源：,信道的噪声，及通信系统其他各处的噪声的集中表示,单向,方式,双向,方式,单工通信,半双工通信,全双工通信,1.4,信源,信源是信息的来源。基于概率模型的度量方法，香农把信息定义为“不确定性的多少”。,简介,通信系统的任务是传递信息，每一消息信号中必定包含有接受者所需要知道的信息。对接收者来说，某些消息比另外一些消息含有更多的信息。,信息量的定义,一个消息信号中包含信息的多少，用,信息量,来进行定量的测度。,【例,1,】,消息,1:,地球绕着太阳转；,消息,2:,明天气温,10,度；,消息,1,众所周知，必然发生，不足为奇；消息,2,极难发生，使人惊奇。,可见，对接收者来说，事件越不可能，越使人感到意外和惊奇。,结论：消息中包含信息量的多少，与事件发生的概率有关。,【例,2,】,消息,1:,一副打乱的扑克牌，第一张是,2,；,消息,2:,一副打乱的扑克牌，第一张是红桃,2,；,消息,1,出现的概率为,4/54,，消息,2,出现的概率为,1/54,；,消息,2,包含的信息量比消息,1,包含的信息量大；,结论：概率越小，信息量也就越大。,【例,3,】,消息,1:,我们现在正在上数字通信原理课程；,对于在座的绝大多数同学来说，消息,1,不包含任何信息量，因为这是已知的显而易见的事实；,消息,1,出现的概率为,1,；,结论：消息的概率为,1,时，信息量等于,0,。,【例,4,】,消息,1:,明天下午会下雨，下个月共有,15,个晴天；,消息,1,中两个事件是不相关的独立事件，消息,1,中包含的信息量是两个事件信息量之和；,结论：由多个独立事件构成的消息，其信息量等于各独立事件所含信息量之和。,我们可以定义信息量,经验证，该函数能够满足上述结论。,log,对数函数是递增函数，随着,p(x),增大，,减小，,I,减小。,p(x)=1,时，,I=0,。,n,个事件同时发生的概率为,则信息量,香农,提出了,基于概率模型,的度量方法，即把,信息,定义为,“,不确定性多少,”,。,（随机变量,X,，概率分布,P,）,n,种取值：,x,1,，,x,2,，,，,x,n,对应概率：,第,i,个,可能值,x,i,蕴含的,信息量,：,a=2,，,单位为,比特,(,Bit,),a=e,，,单位为奈特,(Nat),a=10,，单位为哈特莱,(Haitely),已知,二元离散信源,只有,“,0,”,、,“,1,”,两种符号，若,“,0,”,出现概率为,1,3,，求出现,“,1,”,的,信息量,。,例,5,“,0,”,出现概率为,1,3,“,1,”,出现概率为,2,3,“,1,”,的信息量为,：,【,例,6,】,设英文字母,E,出现的概率为,0.105,，,x,出现的概率为,0.002,，试求,E,和,x,的信息量。,解：,离散信息源的熵,若,：,1,）,n,个符号,组成的符号集，每符号的出现,概率,为,2,）,符号数为,N,的消息中，每符号的,出现次数,为,X,i,求,：,每个符号所含信息量的统计平均值（,平均信息量,）,?,例,7,离散信息源由,0,1,2,3,四个符号组成，出现概率分别为,3/8,，,1/4,，,1/4,，,1/8,，每个符号出现都是独立的。,求消息,201020130213001203210100321010023102002010312032100120210,的信息量。,解：,分析消息,该消息的信息量：,每个符号的算术平均信息量为：,无记忆信源,：各消息的出现相互独立,平均自信息量：,信源,X,的,熵,信源的,熵率,：（信源每隔时间,T,产生一个熵为,H(X),的符号）,离散信息源的熵,独立等概：,M,进制波形，每种波形出现的概率为,1/M,则,如：,M=2,， 即,0,、,1,每符号包含信息量为,1,bit,如,M=2,k,， 每符号（波形）包含的信息量为,k,bit,通信原理,电子工业出版社,32,【,例,8】,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,可见,传送等概率的二进制波形之一（,P=1/2,）的信息量为,1,比特,传送等概率的四进制波形之一（,P=1/4,）的信息量为,2,比特。,信息论基础,离散信息源的熵,独立非等概：,设离散信息源是一个由几个符号组成的集合，每个符号,x,i,按一定概率,p(x,i,),独立出现。,每个符号信息量为,通信原理,电子工业出版社,34,离散信息源的熵,独立非等概：,该离散信息源的平均信息量为各符号信息量的概率加权平均值,(,统计平均值,),称为信息源的,熵,，单位,bit/,符号,最大熵发生在每一符号等概出现时。,通信原理,电子工业出版社,35,例,7,中，该消息的信息量也可以用熵的概念来计算，则有：,信息量：,通信原理,电子工业出版社,37,例,9,通信原理,电子工业出版社,38,例,1,0,通信原理,电子工业出版社,39,L1,复习,通信原理,电子工业出版社,40,通信的定义,通信发展简史,通信系统的基本组成,信源,信息量,离散信息源的熵,1.5,通信信道,通信信道连接发送设备和接收设备，它可以是有线的，也可以是无线的。信号信道中会遭受诸多不良的影响,。,简介,1.5.1,常用通信信道,1),有线,信道,:,同轴电缆、双绞线、架空明线等等。,导向电磁信道的频率范围,，,含光纤和波导,电子工业出版社,通信原理,明线,明线导线通常采用铜线、铝线或钢线（铁线），线径为,3mm,左右。,对铜、铝线来说，长距传输的最高允许频率为,150kHz,左右，可复用,16,个话路；短距传输时，有时传输频率可达,300kHz,左右，可再增开,12,个话路。,明线信道易受天气变化和外界电磁干扰，通信质量不够稳定，信道容量较小，不能传输视频信号和高速数字信号。,电子工业出版社,通信原理,双绞线,古老但又是常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线。,模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。,双绞线的价格便宜，性能良好，使用广泛。双绞线采用的导线越粗，通信距离就越远，但导线的价格也越高。,为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，这种加屏蔽层的双绞线称为屏蔽双绞线，相对于无屏蔽双绞线来说，价格要贵一些。,非屏蔽双绞线,电子工业出版社,通信原理,屏蔽双绞线,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,同轴电缆,同轴电缆由内导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成,50,同轴电缆，用于传送基带数字信号,75,同轴电缆，用于模拟传输系统,同轴电缆,一条普通（,RG-59,）的同轴电缆,A,：电线外皮,B,：网状导电层,C,：塑胶绝缘体,D,：中心的铜线,电子工业出版社,通信原理,1.5.1,常用通信信道,2),光纤,信道,:,能承载大容量数据业务，传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰,光纤通信,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,光缆,光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于,1,，没有相当于,0,，由于可见光的频率非常高，约为每秒,10,8,量级，因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,电子工业出版社,通信原理,光缆,光纤的优点：,传输频带非常宽，通信容量大。,传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。,抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。,无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。,体积小，重量轻。 这在现有电缆管道已拥挤不堪的情况下特别有利。,光纤的缺点,两根光纤要精确的连接比较困难，一般的网络技术人员难以掌握这项技术,光电接口价格也比较昂贵。,1.5.1,常用通信信道,3),无线电磁,信道,:,利用电磁场传播信号,并通过天线将电磁耦合到无线媒质中。,导向电磁信道频率,视距传播,天波传播,地波传播,卫星中继通信,电子工业出版社,通信原理,地面微波视距传播,微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此传输距离受到限制，一般只有,50,公里左右，若采用,100,米高的天线塔，可增大到,100,公里。,为实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为,“,接力,”,电子工业出版社,通信原理,地面微波视距传播,微波接力通信的主要优点,微波波段频率高，频段范围宽，信道容量大。,因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。,微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的地区（如高山、水面），故有较大的机动灵活性，抗自然灾害的能力也较强，因而可靠性较高。,微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比，建设投资少，见效快。,微波接力通信的缺点,相邻站之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接受天线，因而造成失真。,微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。,与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。,平时对大量的中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力，生产高可靠性的无人中继站并不容易。,电子工业出版社,通信原理,电子工业出版社,通信原理,卫星中继通信,卫星通信是在地球站之间利用位于,3,万,6,千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。,卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站。,卫星通信的主要优缺点和地面微波通信差不多。,电子工业出版社,通信原理,卫星中继通信,卫星中继通信的优点,通信距离远，且通信费用与通信距离无关,卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰也小，通信比较稳定,卫星中继通信的缺点,卫星通信有较大的传播时延,1.5.1,常用通信信道,4),存储,信道,:,磁带、光盘、磁盘等数据存储媒质。,1.5.2,通信信道基本模型,最简单的数学模型：,加性噪声,信道模型,发送信号,s,(,t,),信道中随机,加性噪声,n(t),接收,信号,r,(,t,)=,s,(,t,)+,n,(,t,),引入信道衰减（,衰减因子,a,），,则接收信号,r,(,t,)=,as,(,t,)+,n,(,t,),1.6,模拟通信与数字通信,根据系统传递信号的不同，可将通信系统分为传输模拟信号的模拟通信系统、与传递数字信号的数字通信系统两大类。后者在性能上，明显优于前者。,简介,1.6.1,模拟通信与数字通信的概念,连续,消息：,消息的,状态,是连续的。,离散,消息：,消息的,状态,是离散可数的。,消息,寄托在,电信号,的,某一参量,上。,连续,信号,离散,信号,数字信号,：,时间,和,状态,都是,离散,的。,如：电报、数字、数据、遥控指令,模拟信号,：,寄托消息的,参量,都是,连续,的。,如：模拟话音信号,数字通信系统,模拟通信系统,数字通信,的,优点,1,）,占带,过宽,缺点,1,）,压缩编码,技术,2,）,调制,方式,改进措施,1,）,抗干扰能力,强，并通过码再生，避免噪声积累,2,）,可靠性,高，差错可设法控制,3,）易于,加密,，且保密性强,4,）,通用性,、,灵活性,好,shortcoming,improvement,1.6.2,模拟通信系统模型,调制器,：,将,基带信号,调整为适合信道传输的,频带信号,。,根据,调制,/,解调器,的有无，可分为,基带传输,和,频带传输,。,常用调制方式,连续波,调制,线性调制,非线性调制,双边带调幅,AM,单边带调制,SSB,双边带调制,DSB,残余边带调制,VSB,频率调制,FM,相位调制,PM,数字调制,振幅键控,ASK,移频键控,FSK,移相键控,PSK,QAM,、,MSK,等,脉冲模拟调制,脉幅调制,PAM,脉宽调制,PDM,（,PWM,）,脉位调制,PPM,脉冲数字调制,脉冲编码调制,PCM,增量调制,M,CVSD,DVSD,等,差分脉冲编码调制,DPCM,ADPCM,，,APC,，,LPC,等,脉,冲,调制,1.6.3,数字通信系统模型,信源编,/,译码器,：,使信源送出的信号变成,合适,的数字编码信号。,模拟信号,数字化,压缩,信号，去掉冗余,加,/,解密器,：,对数字信号进行加密、解密。用于,保密通信,系统。,信道编,/,译码器,：,对信号进行,差错控制编码,(,简称,纠错编码,),，提高通信可靠性。,同步系统,：,位,/,字同步、,句,/,帧同步、,群,/,网同步、,载波同步,1.7,信息的传递方式,数字通信有多种传输方式，如：单路数据串行传输、多路数据并行传输、数据与时钟同步或异步传输等。,简介,串行传输,分为：,同步传输,：,要求收发双方,位同步,脉冲和,帧同步,脉冲，,同频同相,。,异步传输,：,不要求同频同相，只需使接收方准确,确定,数据帧的,开始,和,结束时间,。,1.8,数字通信系统的主要性能指标,数字通信系统最主要的性能指标有有效性和可靠性两种，即希望它传得快，传得准。,简介,1,）,传输速率,：,是衡量数字通信系统,有效性,的指标。,码元传输速率,：码元速率或传码率，每秒传送的码元数。,信息传输速率,：传信率，每秒钟传送的信息量。,M,进制系统，,消息传输速率,：每秒钟所传送的消息数。,通信原理,电子工业出版社,76,传输速率,码元传输速率,码元传输速率,(,码元速率或传码率,):,每秒传送的码元,(,波形,),数，即码元,(,波形,),数,/,秒,单位：波特,(Baud,）记作,B,用,r,d,表示,码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度,T,有关,码元传输速率只表征单位时间内的码元数目。,同一通信系统的各个点上可能采用不同进制。在给出码元速率时，必须同时说明码元的进制和在通信系统中所处的位置。,在数字通信中常用时间间隔相同的信号来表示一位二进制数字。,这个间隔被称为码元长度。,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。,等长的,N,进制信号又称为,N,进制码元。,通信原理,电子工业出版社,77,通信原理,电子工业出版社,78,传输速率,信息传输速率,信息传输速率（传信率或比特率）：,单位时间传送的信息量,。,单位,:,比特,/,秒,(b/s),表示为,r,e,信息量：,在数字通信中：,取,a=2,，,I,的单位为比特,(bit),。,数字信号的取值常为,2,的幂指数，即,M=2n,。当,M=2,，且等概出现即：,P(x)=1/2,， 则：,对数底数,消息出现概率,通信原理,电子工业出版社,79,例,1,1,通信原理,电子工业出版社,80,例,12,通信原理,电子工业出版社,81,通信原理,电子工业出版社,82,码元传输速率与信息传输速率的关系,传送等概的一个二进制波特即传送,1,比特信息，所以，这时信息传输速率的数值等于码元传输速率的数值。（数值相等单位不同）,当,M=2,k,，且,k,不等于,1,时，码元传输速率的数值不等于信息传输速率数值。其关系为：,通信原理,电子工业出版社,83,码元传输速率与信息传输速率的关系,【,例,13】,四进制系统的码元传输速率,r,d,=2400,波特，则信息传输速率,通信原理,电子工业出版社,84,例,1,4,通信原理,电子工业出版社,85,例,1,5,通信原理,电子工业出版社,86,传输速率,消息传输速率,消息传输速率,=,传送的消息数,/,单位时间,2,）,差错概率,：,是衡量数字通信系统,可靠性,的指标。,误码率,：,错误接收的码元在传送总码元数中所占的比例。,误信率,：,误比特率错误接收的信息量在传送总信息量中所占的比例。,码组差错率,：,出现差错的码组数在传输码组总数中所占的比例。,第一章 绪论,88,第一章学习目标,常用通信术语,模拟信号与数字信号的区别,通信系统的组成、通信方式,数字通信系统的主要特点,离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）,通信系统的主要性能指标,1,、,4,进制离散信源，如以等概率传送四进制波形之一，则每个波形出现的概率为（ ），传送等概率四进制波形之一的信息量为（ ）。,2,、当信源中每个符号概率（ ）时，信源的（ ）有最大值,3,、模拟信号是信号参量取值（ ）的信号，,PCM,信号是（ ）信号。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,4,、在数字通信中，（ ）是表示其可靠性的量,A,、码元速率,B,、信息速率,C,、误码率,D,、信道容量,5,、,16,进制系统，如以等概率传送码元，则每个码元出现的概率为（ ），每个码元携带的信息量为（ ）。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,6,、二进制码元速率为,4800,波特，则八进制码元速率为（）。,7,、,8,进制系统，如以等概率传送码元，则,8,每个码元携带的信息量为（,D,）。,（,A,）,2bit,（,B,）,4bit,（,C,）,1bit,（,D,）,3bit,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,9,、八进制系统码元传输速率,r,d,=1200,波特，其信息传输速率为（,A,）。,(A) 3600bps (B)9600bps,(C) 1200bps (D)4800bps,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,10,、衡量通信系统的质量指标主要有有效性和可靠性，对数字通信系统而言，有效性常用,来衡量，而可靠性常用,来衡量。,11,、数字通信系统的码元传输速率定义为,，信息传输速率定为,。,12,、某系统采用,16,进制信号，码元的位定时频率为,64kHz,，这时的信息传输速率是,，码元传输速率是,。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13,、某数字传输系统，采用,64QAM,方式，其信息传输速率为,41.4Mbit/s,，这时的码元传输速率是,。,A,、,41.4M,波特,B,、,34.5M,波特,C,、,6.9M,波特,D,、,5.175,波特,14,、简述数字通信的主要特点。,15,、描述数字通信系统模型。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,