武汉大学通信原理课件

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1、现代通信技术,刘晓莉 武汉大学电气工程学院,教材与参考书,教材：纪越峰 等，现代通信技术（第2版），北京邮电大学出版社，2006年 参考书：赵宏波 卜益民 陈凤娟 编著，现代通信技术概论，北京邮电大学出版社，2007.8樊昌信 通信原理(第5版) 国防工业出版社，2003年 http:/sna.csie.ndhu.edu.tw/cnyang/download.htm郭梯云 等，移动通信（修订版），西安电子科技大学出版社，2005年,目录,第1章 绪论 第2章 数字通信技术 第3章 光纤通信技术 第4章 微波通信技术 第5章 卫星通信技术 第6章 无线通信技术 第7章 移动通信技术,第1章 绪论

2、,1.1 基本概念 1.2 通信发展趋势,1.1 基本概念,通信：指信息的传输与交换。 通信的目的：传递消息中所包含的信息。 消息(message)：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。 信息(information)：是消息中包含的有效内容。 实现通信的方式和手段： 非电的：如旌旗、消息树、烽火台 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。,自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼”、“顺风耳”等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的

3、发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通信技术发展历史。,通信发展史1844年，摩尔斯发明有线电报； 1864年，麦克斯韦尔提出电磁辐射方程； 1876年，贝尔发明电话； 1896年，马可尼发明无线电报； 1906年，发明了真空管； 1918年，调幅无线电广播开播； 1925年，开始采用三路明线载波电话、多路通信； 1936年，调频无线电广播开播；,1937年，发明脉冲编码调制原理； 1938年，电视广播开播； 1940-1945年，二次打战刺激了雷达和微波通信系统的发展； 1948年，发明晶体管，Shannon提出了信息论，通信统计理论开始建立； 1950年，时分多路通信

4、应用于电话； 1956年，敷设了越洋电缆； 1957年，发射第一颗人造卫星； 1958年，发射第一颗通信卫星；,1960年，发明激光； 1961年，发明集成电路； 1962年，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年，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的发展，出现高速数字电子计算机； 1970-1980年，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、微处理器等迅速发展； 1980年以后，超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用；综合业务数字网崛起。,根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作用以及对人类社会的影响，

5、我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结，认为有10项重大通信技术值得人们纪念：(1)摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。(2)马可尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。,(3)载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。 (4)电视。电视极大地改变了人们的生活，使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。(5)电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。(6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的“心”，使人

6、类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。,(7)光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。 (8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。 (9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。 (10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成了一个没有距离的小村落-“地球村”。,信息技术（Information Technology，简称IT）是以微电子和光电技术为基础，以计算机和通信技术为支撑，以信息处理技术为主体的技术系统的总称，是一门综合性的技术。电子计算机和通信技术的紧密结合

7、，标志着数字化信息时代的到来 。,信息技术,本课程中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。 尽管在在各国通信网中，模拟通信依然存在，但无疑数字通信是目前和今后通信技术的发展方向。,1.1.1 通信系统的组成,通信系统的一般模型信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。,接收设备：从受到减损的接收信号中正

8、确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,1.1.1 通信系统的组成,通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,1.1.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1. 模拟信号 模拟信号是指代表消息的电信号及其参数（幅度、频率或相位）是随消息连续变化的信号。其特点是幅度连续变化，而在时间上可以连续，也可以不连续；前者是连续的模拟信号，后者是离散的模拟信号。,2. 数字信号 数字信号是一系列的电脉冲，时间上是离散的，信号参数（幅度）也不连续变化。 数字信号是指在时间上和幅度上均取有限离散数值的电信号，这类

9、电信号常用电压或电流的脉冲代表。数字信号与模拟信号的不同点在于数字信号不直接与消息对应。,3.模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：两种变换：模拟消息 原始电信号（基带信号）基带信号 已调信号（带通信号）,图：模拟通信系统模型,4.数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 信源编码与译码目的： 提高信息传输的有效性 完成模/数转换 -信道编码与译码目的：增强抗干扰能力 加密与解密目的：保证所传信息的安全 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致,图: 数字通信系统模型,5.数字通信的特点优

10、点 抗干扰能力强，且噪声不积累 传输差错可控 便于处理、变换、存储 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好 缺点： 需要较大的传输带宽 对同步要求高,1.1.3 通信系统分类与通信方式,通信系统的分类 按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统。调制传输系统又分为多种调制，如AM、FM。 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 按信号复用方式分类：频分复用、时分

11、复用、码分复用,单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式,通信方式：单工、半双工和全双工通信,并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要 n 条通信线路，成本高,串行传输 ：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路；缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施 其他分类方式： 同步通信和异步通信 专线通信和网通信,1.1.

12、4 通信系统主要性能指标,通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性 有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。 可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 模拟通信系统： 有效性：用有效传输频带来度量。 可靠性：用接收端最终输出信噪比来度量。,数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。 码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒） 信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s ，或bps,码元速率和信息速

13、率的关系或对于二进制数字信号：M = 2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M = 8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。,频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或可靠性：常用误码率和误信率表示。 误码率误信率，又称误比特率在二进制中有,有效性与可靠性,越大，b越大，有效性越好；采用多进制可以提高b。 在数字通信系统中，接收机最终输出的信号可能是数字信号也可能是模拟信号。接收机输出信噪比只适于用来描述传输模拟信号的可靠性，传输数字信号的可靠性可用误码率来表示。 接收机输出的模拟信号是由数字信号经数模转换得到的，数字信号的误码率越小

14、，所对应的模拟信号的信噪比越大。 在数字通信系统中，误码率越小，可靠性越高。,1.1.5 信息及其度量,(1) 离散消息的信息量某离散消息x发生的概率为P(x)，则它所携带的信息量为I = -loga p(x) 当a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；当a=2时，信息量的单位为比特(bit)。目前广泛使用的单位为bit。,(2) 离散信源的平均信息量,设信源输出M个统计独立的符号x1,x2,xM，它们出现的概率分别为P(x1),P(x2),，P(xM)，则每个符号所含信息量的统计平均值即离散信源的平均信息量为H(x)= - (bit/符号) 信源的平均信息量又被称为信源熵。可以证明:最大信源

15、熵发生在信源的每个符号等概独立出现时，最大信源熵为Hmax(x)=log2M (bit/符号),信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。在信道模型中，我们定义了两种广义信道：调制信道和编码信道。调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征；编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。在此处，我们重点讨论连续信道的信道容量。(1)离散信道的信道容量根据奈奎斯特(Nyquist)准则，带宽为的信道，所能传送的信号最高码元速率为2B波特(Baud)。因此，无噪声离散信道的信道容量为C=2Blog2L (bit/s),1.1.6 信道容量,(2) 连续信道的信道容量-香农公式

16、 带宽限制在B(Hz)的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道输出为,y(t)=x(t)+n(t), 式中，输入信号x(t)的功率为S；信道噪声n(t)的功率为N，n(t)的均值为零，方差为n2，其一维概率密度函数为 对于频带限制在B(Hz)的输入信号，按照理想情况的抽样速率2B对信号和噪声进行抽样，将连续信号变为离散信号。 此时连续信道的信道容量为C=maxI(X,Y)RB=maxH(X)-H(X/Y)2B=maxH(Y)-H(Y/X)2B,当x服从高斯分布，其均值为零，方差为2时，H(X)和H(Y)可获得最大熵:,连续信源的相对条件熵为,因此连续信道的信道容量为C = max H(Y)-H(Y/X)2B,