通信原理教程1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,第一章 概论,1.1,通信的发展,古代通信的起源,两类通信方式,近代通信的发展,1,1.2,消息、信息和信号,消息：语音、文字、图形、图像,信息：消息的有效内容,不同消息可有相同内容,信号：传输消息的手段（媒介）,通信系统中传输的是信号,2,信息的度量：,*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,3,*制定度量信息的方法,#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=log,a,1/P(x)=-log,a,P(x),#通常取 a=2,此时单位为“比特”。,#对于一个等概率、二进制码元：,I=log,2,1/P(x)=log,2,1/(1/2)=1 比特,4,#,对于一个等概率、M进制码元：,I=log,2,1/P(x)=log,2,1/(1/M),=log,2,M,比特,若,M=2,k,，则 I=k 比特,5,1.3数字通信,基本概念,两类信号,模拟信号：取值连续，例如语音,数字信号：取值离散，例如数据,6,模拟信号与数字信号,模拟信号,数字信号,t,t,t,t,码元,7,两类通信系统,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,8,1.3.2,数字通信的优点,取值有限，能正确接收。,(a)失真的数字信号,(b)恢复的数字信号,数字信号波形的失真和恢复,9,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。,信噪比随带宽按指数规律增长。,10,数字通信系统模型,发送端,接收端,信 源,信道编码,调 制,信 道,压缩编码,解 调,信 宿,保密解码,信道解码,压缩解码,保密编码,噪 声,同 步,信源编码,信源解码,1.3.3,数字通信系统模型,11,模拟通信系统模型,发送端,接收端,噪 声,调 制,信 道,解 调,信 宿,信 源,12,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R,B,波特,信息速率：R,b,比特/秒,对M进制：R,b,=R,B,log,2,M,消息速率：R,M,错误率：,误码率P,e,=错误接收码元数/传输码元总数,误比特率P,b,=错误接收比特数/传输总比特数,13,误字率,P,w,=,错误接收字数,/,总传输字数,误码率和误比特率的关系,P,b,=P,e,x M/2(M-1)P,e,/2,误字率和误比特率的关系,对于二进制，,若一个字由,k,比特组成，则,P,w,1 (1 P,e,),k,频带利用率,能量利用率,14,1.4,信 道,1.4.0,信道的定义：,译码器,输 入,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,调 制 器,（调 制）信 道,广义（编码）信道,编码器,输 出,15,无线信道,无线电通信的起源,电磁波发射对波长的要求,频段（波长）划分,16,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(kHz),3 30,甚低频,(VLF),远程导航、水下通信,(10-100 km),声纳、授时,30 300,低频,(LF),导航、水下通信,(1-10 km),无线电信标,300 3000,中频,(MF),广播、海事通信、,(100-1000m),测向、遇险求救、海岸警卫,17,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(MHz),3 30,高频,(HF),远程广播、电报、电话、飞机,(10-100m),与船只间通信、船岸通信、业余无线电,30 300,甚高频,(VHF),电视、调频广播、陆地交通、,(,米波）空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信,300 3000,特高频,(UHF),电视、蜂窝网、微波链路、,(,分米波）无线电探空仪、导航、卫星 通信、,GPS,、监视雷达、,无线电高度计,18,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(GHz),3 30,超高频,(HF),卫星通信、无线电高度计、,（厘米波）,微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信,30 300,极高频,(VHF),铁路业务、雷达着陆系统、,（毫米波）,实验用,300 3000,亚毫米波,实验用,（,0.1 1 mm,）,19,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(THz),43 430,红外线 光通信系统,(7 0.7,m),430 750,可见光 光通信系统,(0.7 0.4,m),750 3000,紫外线光通信系统,(0.4 0.1,m),注：,kHz=10,3,Hz,MHz=10,6,Hz,GHz=10,9,Hz,THz=10,12,Hz,mm=10,-3,m,m=10,-6,m,20,对流层,地球,010 km,电离层,60300 km,平流层,电磁波传播：地波、天波、视线传播,21,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,地球,22,D,层：高,60 80 km,E,层：高,100 120 km,F,层：高,150 400 km,F,1,层：,140 200 km,F,2,层：,250 400 km,晚上：,D,层、,F,1,层消失,E,层、,F,2,层减弱,电离层的结构,D,E,F,F,2,F,1,地 面,23,天 波,电离层高度：,60,300 km,单跳最大距离：,4000 km,多跳可以环球,频率：,2,30 MHz,24,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,视线传播,h,r,地面,d,d,D,25,无线电中继,图1.4.4 无线电中继,26,静止卫星中继通信,27,平流层中继通信,HAPS(High Altitude Platform Station),28,频率(GHz),(a)氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m,3,）的衰减,频率(GHz),(b)降雨的衰减,衰减,(,dB/km,),衰减,(,dB/km,),水蒸气,氧气,降雨率,图1.4.5 大气衰减,大气对电磁波传播的影响,29,散射通信,电离层散射,频率,:30 60 MHz,对流层散射,频率,:100 4000 MHz,流星余迹散射,频率,:30 100 MHz,图1.4.6 对流层散射通信,地球,有效散射区域,地球,图1.4.7 流星余迹散射通信,30,蜂窝网,移动,交换,中心,电话,交换,中心,31,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,32,有线电信道电气特性,33,光纤,结构,损耗,n,1,n,2,折射率,折射率,n,1,n,2,2,a,光波波长（nm）,1.55,m,1.31,m,0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7,34,信道模型,调制信道模型,:,对于单“端对”信道,e,o,(,t,)=,f,e,i,(,t,)+,n,(,t,),式中,e,i,(,t,),输入的已调信号；,e,o,(,t,),输出信号；,n,(,t,),加性噪声，它与,e,i,(,t,),相互独立。,f,e,i,(,t,),与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,e,i,(,t,),e,o,(,t,),时变线性,网络,35,通常，,f,e,i,(,t,)可以表示为：,k,(,t,),e,i,(,t,)，,此时，,e,o,(,t,)=,k,(,t,),e,i,(,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,36,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,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,P,(0/0)=1-,P,(1/0),P,(1/1)=1-,P,(0/1),0,1,1,0,P,(0/0),P,(0/1),P,(1/1),P,(1/0),37,四进制,0,1,2,3,3,2,1,0,接收端,发送端,38,信道特性对信号传输的影响,恒参信道,:,非时变线性网络,振幅,频率特性,f(Hz),300,3000,0,衰耗(dB),理想特性,典型音频电话信道特性,39,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,(,),0,理想特性,理想特性,(,),0,40,变参信道:,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A cos,0,t，则经过n条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为：,式中,r,i,(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)=-,0,i,(t),X,c,(t)X,s,(t),41,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，,r,i,(t),和,i,(t)变化缓慢，故X,c,(t),X,s,(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）。,42,由下式可见，,原发送信号A cos,0,t，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。,t,f,f,0,43,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-,0,)和af(t-,0,-)；,发射信号的频谱为F()。,则有 f(t)F(),af(t,-,0,)a F()e,-j,0,af(t,-,0,-)a F()e,-j(,0,+),af(t,-,0,),+af(t,-,0,-)a F()e,-j,0,(1+e,-j,),H()=a F()e,-j,0,(1+e,-j,)/F()=ae,-j,0,(1+e,-j,),|1+e,-j,|=|1+cos-jsin|=|(1+cos,)2,+sin,2,1/2,|,=2|cos(/2)|,三类信号：,*确知信号,*随相信号,*起伏信号,44,1.5,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,窄带噪声,起伏噪声,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。,1.6,小结,45,