通信原理第一章ppt

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1、通 信 原 理,电子信息工程 李蕾,做课堂笔记 课后复习 完成所有习题，独立、按时完成作业 广泛查阅参考文献 保持课堂秩序,参考教材：1）现代通信原理，曹志刚等编著，清华大学大学出版社； 2）通信原理，樊昌信等编写，国防工业出版社，2001年5月，第五版。,教学与学习要求,第 1 章 概 论,1.2 消息、信息和信号,1.4 信 道,1.5 信道中的噪声,1.3 数字通信,1.1 通信的发展,利用电子等技术手段，借助电信号(含光信号)实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换，称为通信。实现信息传递所需的技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。,通信的定义,1.1 通信的发展,通信及其相关技术的

2、发展,1、古代通信：信息沟通的起步。,2、近现代通信：电磁通信和数字时代的起步。,1.1 通信的发展,1835年，美国雕塑家、画家、科学爱好者莫尔斯发明了有线的电磁电报。1876年，业余发明家和辅导有听力障碍生的老师美国人贝尔发明了电话机。1878年，磁石电话和人工电话交换机诞生。1892年，发明了步进式自动电话交换机。1918年 ，出现无线广播。1938年，电视广播开始。,1940年， 研制出雷达和微波通信系统1946年 ，第一台电子管计算机诞生1948年 ，发明晶体管，开始了电子器件领域内的重大革命。1956年， 第一根越洋（大西洋）海缆建成。1958年， 第一颗通信卫星上天。1961年，

3、 发明集成电路，它的问世对通信技术的发展产生巨大的影响。1962年第一颗同步通信卫星上天，1965年第一颗国际通信卫星进入商业运行，并在70年代开始广泛地进入商业应用。1972年，发明光纤。,1.1 通信的发展,3、当代通信：移动通信和互联网时代,4、未来通信：大融合时代,1.1 通信的发展,1982年，发明了第二代蜂窝移动通信系统。（三年后中兴通讯成立）1988年，成立“欧洲电信标准协会”。（华为公司成立）1992年，GSM被选为欧洲900MHz系统的商标“全球移动通信系统”。2000年，提出第三代多媒体蜂窝移动通信系统标准，其中包括欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000和中国的TDSCD

4、MA。2007年，ITU将WiMAX补选为第三代移动通信。,信息指的是消息中包含的有效内容。,信号是传输消息的手段，是消息的载体，具有不同形式或 特性。,1.2 消息、信息和信号,通信的目的是传递消息中包含的信息。语音、文字、图形、 图像等都是消息。,消息中不确定的内容构成信息，信息量就是对消息中这种不确定性的度量。 度量的工具就是事件的概率，即消息中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，其中包含的信息量越大。,1、信息的度量,1.2 消息、信息和信号, 信息与消息的形式无关 用语音和文字发送的天气预报消息，所含信息 内容相同。 信息与消息的重要程度无关 明日下雨的天气预报消息

5、，不因该消息是军用，还是普通农民种地而含有信息量增大。 信息的多少与消息事件发生的可能性有关 “明天中午12时正常开饭”、“明天中午12时有 地震”后者听后会使人惊奇和意外，则信息量大。 或者说某些消息比另外一些消息传递了更多的 信息。,1.2 消息、信息和信号,假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息中获悉的信息，则有：,1）信息量是概率的函数，即,2）P(x)与I成反比，P(x)越小，I越大，且有：,3）信息具有相加性,1.2 消息、信息和信号,信息量与概率之间的关系,信息量的单位：a=2时为比特（bit）；a=e时为奈特（nit）；a=10时为哈特莱。,1.2 消息、信息和信号,2

6、、信息量的计算,离散消息的信息量 设离散信息源是n个符号的集合，每个符号xi以概率P(xi)独立出现，则x1,x2 xn包含的信息量分别为： -log2P(x1), -log2P(x2),., -log2P(xn)每个符号所含（统计）平均信息量（信息的熵）为：,1.2 消息、信息和信号,H(X)=- P(xi)log2P(xi) (bit/符号),离散消息的信息量信息源的最大熵发生在每一符号等概率出现，即当P(xi)1/n，i1,2,.,n，最大熵为 -log2(1/n) (bit/符号)独立等概率n个符号的消息可用M进制的波形来传送。当M2，每个符号的信息量I= -log2(1/2)1 bi

7、t当M2k，每个符号的信息量I= -log2(1/2k)k bit,1.2 消息、信息和信号,连续消息的平均信息量（相对熵） 是连续消息出现的概率密度,1.2 消息、信息和信号,例1 一个信源由4个符号0，1，2，3组成，他们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号出现都是独立的。试求某个消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的信息量。,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，例如语音 数字信号：取值离散，例如数据,模拟信号,数字信

8、号,信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。,两种通信系统：,信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。,1.3 数字通信,信源 消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，或基带信号。发送设备 基本功能是将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。接受设备 完成发送设备的反变换，即解调、译码和解码等。信宿 传输信息的归宿,1.3.2 数字通信的优点,(1) 取值有限，能正确接收,主要优点,（2）可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。（3）可采用高保密性能的数字加密技术。（4）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。（5）可作信源编码，压缩冗余度，提高

9、信 道利用率。,1.3.2 数字通信的优点,主要缺点,（1） 频带利用率不高，占用频带宽（2） 需要严格的同步，设备复杂、体积较大,克服方法,（1）提高频段（2）采用数字集成技术、数据压缩技术使设备小型化,1.3.2 数字通信的优点,1.3.3 数字通信系统,1.3.3 数字通信系统,1）按传输媒质分,有线通信和无线通信,通信系统的分类,2）按信道中所传信号特征的不同分,数字通信 和 模拟通信,1.3.3 数字通信系统,3）按工作频段分,长波通信中波通信短波通信微波通信光通信,1.3.3 数字通信系统,通信使用的频段,4）按调制方式分,基带传输,指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方

10、式。,频带传输,指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。,1.3.3 数字通信系统,通信方式,1）按消息传送的方向与时间关系分,单工通信,指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如广播、遥控、无线寻呼等。,A,信 道,B,1.3.3 数字通信系统,半双工通信,指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的形式，如对讲机、收发报机等。,A,信 道,B,1.3.3 数字通信系统,全双工通信,指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，如普通电话、手机等。,A,信 道,B,1.3.3 数字通信系统,2）按数字信号排序分,串行传输,指将代表消息的数字信号序列按时间顺序一个接一

11、个地在信道中传输的方式。,发送设备,接收设备,1.3.3 数字通信系统,并行传输,指将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输的方式。,发送设备,接收设备,1.3.3 数字通信系统,3）按通信网络形式分,两点间直通方式分支方式交换方式,终端A,终端B,转接站,终端A,终端B,终端C,终端N,1.3.3 数字通信系统,交换设备,终端A,终端B,终端C,终端N,1.3.3 数字通信系统,两个主要指标: 有效性 和 可靠性,对于模拟通信,有效性和可靠性具体可用系统有效带宽和输出信噪比 (或均方误差) 来衡量。,对于数字通信,有效性和可靠性具体可用传输速率和误码率来衡量

12、。,1.3.4 通信系统的主要性能指标,有效性指标的具体表述,数字通信系统的有效性具体可用传输速率来衡量，传输速率越高，则系统的有效性越好。,1、码元传输速率,指单位时间(每秒)内传输码元的数目，又称码元速率、传码率。单位为波特。,1.3.4 通信系统的主要性能指标,多进制(M)码元速率 RBM与二进制码元速率 RB2 的转换关系,2、信息传输速率,指单位时间(每秒)内传送的信息量，又称传信率、比特率，用Rb表示，单位 b/s 或 bps,3、消息传输速率,指单位时间(每秒)内传送的消息数，用Rm表示。,1.3.4 通信系统的主要性能指标,Rb 与 RB 之间的（数量）互换,二进制,多进制,条

13、件：每个码元出现的概率相同，且相互独立,1.3.4 通信系统的主要性能指标,4、频带利用率,单位频带内所实现的传输速率。,传输带宽相同时，信息传输速率越高，频带利用率越高，系统有效性越好。,1.3.4 通信系统的主要性能指标,可靠性指标的具体表述,数字通信系统的可靠性用差错率来衡量,1、码元差错率Pe（误码率）,简称误码率，指接收错误的码元数在传送总码元中所占的比例，即码元在传输系统中被传错的概率。,单位时间内接收的错误码元数,单位时间内系统传输的总码元数(正确码元数+错误码元数),1.3.4 通信系统的主要性能指标,2、信息差错率Pb （误比特率）,简称误信率，指接收错误的信息量在传送信息总

14、量中所占的比例，即码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。,单位时间内系统传输中出错(丢失)的比特数(信息量),单位时间内系统传输的总比特数(总信息量),1.3.4 通信系统的主要性能指标,例1 某个信息源由A、B、C、D四个符号组成，这些符号分别用二进制码组00、01、10、11表示，若每个二进制码元用宽度为5ms的脉冲传输。试求当四个符号等概率出现时：（1）平均信息速率；（2）码元速率。,1.4 信 道,通俗地说，信道是指以传输媒介为基础的信号通路; 具体地说，信道是由有线或无线电线路提供的信号通路； 抽象地讲，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。,1.4.1 无线

15、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,电磁波传播：地波、天波、视线传播,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,1.4.1 无线信道,D层：高60 80 km E层：高100 120 km F层：高150 400 kmF1层：140 200 kmF2层：250 400 km 晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱,电离层的结构,1.4.1 无线信道,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,1.4.1 无线信道,频率： 30 MHz 传播距离: d2 + r2 =(h+r)2, 或 h D2/50 (m) 式中 D km,视线传播,1.4.1 无线信道,无线电中继,1.4.1 无线信道,