现代通信系统原理教学课件作者第2版张会生电子教案第1章节绪论课件

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1、2019/6/21,1,现 代 通 信 系 统 原 理 第1章 绪论,西 北 工 业 大 学 （2010.4）,2019/6/21,2,第1章 绪 论 本章主要介绍通信的基本概念，目的对通信的基本概念、术语以及本课程所要研究的主要对象有一个初步了解。这些基本概念是通信原理与技术的基础。 研究内容：,1.1 通信的定义 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 通信系统的主要性能指标,2019/6/21,3,1.1 通信的基本概念,通信的定义：是指由一地向另一地进行消息的有效传递。 古代：烽火台、驿站。 近代：鸡毛信、消息树。 现代：电话、广播、电视。 通信的目的是传递消息

2、，消息具有不同的形式，例如：语言、文字、数据、图像、符号等等。,2019/6/21,4,要素,一地、另一地：发信、收信方。 消息：有待于传输的语音、图象、符号、数字、图片等概率论意义上的“事件”。消息带有需要送给收信者的信息。消息以信号的形式在系统中进行传输。 系统：电子系统、语音系统、声光系统等。 通信是信号与系统的集合。,2019/6/21,5,信号：是消息的载荷者，与消息一一对应的东西。在电信系统里，载荷者为“电”，对应消息被载荷在电信号的某参量上，如电压、电流或电波等物理量（进一步还可以是该物理量的幅度、相位或频率等）。此时的信号为电信号，习惯上简称为信号。 传输电信号的通信系统为电信

3、通信系统，常简称之通信系统。,2019/6/21,6,通信的再定义：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称为通信。,2019/6/21,7,1.2 通信系统的组成,图1-1 通信系统的一般模型,信源（信息源，也称发终端）：把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。 发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。,1.2.1 通信系统的一般模型,2019/6/21,8,信道：信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。 噪声源：是信道中的所有噪声以及分散在

4、通信系统中其它各处噪声的集合。 接收设备：任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。 信宿（受信者、收终端）：将复原的原始电信号转换成相应的消息。,2019/6/21,9,1.2.2 模拟通信系统 信道中传输模拟信号的系统，称为模拟通信系统。可由一般通信系统模型略加改变而成。,图1-2 模拟通信系统的模型,模拟通信系统中两种重要变换： （1）消息原始电信号（基带信号） （2）调制信号（基带信号） 已调信号（频带信号）,2019/6/21,10,已调信号有三个基本特性： （1）携带有消息； （2）适合在信道中传输 （如辐射：天线尺寸1/10 波长）； （3）频谱具有带通形式，且中心频

5、率远离零频频带信号。 如：卫星电视信号（中心频率6/4GHz、带宽36MHz）,相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流/低频分量丰富基带信号。 如：话音信号：3003.4kHz;电视基带信号：08MHz。,2019/6/21,11,1.2.3 数字通信系统 （1）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。 （2）基本特征： 消息或信号具有“离散”或“数字”的特性； 强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系(模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性)。 （3）数字通信需要解决的问题： 差错可控：通过差错控制编码即信道编码实现； 加密：通过加

6、密、解密实现； 节拍一致：位同步/帧同步。,2019/6/21,12,（4）数字通信的主要优点 抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累； 差错可控：检错、纠错； 易加密； 易于与现代技术相结合。 （5）分类： 数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统 模拟信号的数字传输,2019/6/21,13,数字频带传输通信系统 数字通信系统的一般模型,图1-3 数字频带传输通信系统的模型,注： 加密/解密 、编码/译码不为必须 ，但一旦存在，必须成对； 关键必需含调制/解调器。,2019/6/21,14,注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等； 接收滤波器：可能包括译码器、解密器等

7、。 关键：不含调制/解调器。,图1-4 数字基带传输系统模型,2. 数字基带传输通信系统,2019/6/21,15,3. 模拟信号数字化传输通信系统 解决问题：模拟信源、数字通信系统,图1-5模拟信号数字化传输系统模型,关键：模拟信号数字化及其反之。 A/D转换器组成：抽样、量化、编码。 发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换； 接收端需进行相反的转换，即D/A转换。,2019/6/21,16,1.2.4 数字通信的主要特点 1. 数字通信的主要优点 （1）抗干扰能力强； （2）差错可控； （3）易加密； （4）易于与现代技术相结合。 2. 亟待解决的问题 （1）提高频带利用率 ； （2）简化

8、系统设备结构。,2019/6/21,17,1.3 通信系统分类及通信方式,1.3.1 通信的分类 1. 按传输媒质分：有线通信和无线通信； 有线通信是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。 无线通信是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质（如电磁波）的一种通信形式。 有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。 无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信、红外通信等，其形式较多。,2019/6/21,18,2. 按信道中所传信号的特征分：模拟通信系统与数字通信系统； 3. 按工作频段分：长波通信、中波

9、通信、短波通信、微波通信等。具体情况见表1-1； 地波、天波、反射波、视距波 4. 按调制方式分：基带传输和频带传输； 5. 按业务的不同分：话务通信和非话务通信； 电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。 非话务通信主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等。 电话通信最为发达，其它通信常借助于公共的电话通信系统进行。未来的综合业务数字通信网中，各种用途的消息都能在一个统一的通信网中传输。 另:从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴。但已从通信中派生出来，形成了独立的学科。,2019/6/21,19

10、,6. 按收信者是否运动分：移动通信和固定通信。 另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信（FDMA)、时分多址通信(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址（SDMA）通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信等。,2019/6/21,20,1.3.2 通信方式 1. 按消息传送的方向与时间分 通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。,2019/6/21,21,2. 按数字信号排序分 可将通信方式分为串序传输和并序传输。,2019/6/21,22,3. 按通信网络形式分 通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分支方式和交换方式。,图1-8 按网络

11、形式划分的通信方式 （a）两点间直通方式；（b）分支方式；（c）交换方式,2019/6/21,23,注： 分支方式及交换方式均属网通信的范畴。 与点与点直通方式相比，有其特殊的一面。例：通信网中有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等；通信网中既有信息控制问题，也有网同步问题等。 网通信的基础仍是点与点之间的通信。 本书中只研究：点对点通信，而不涉及通信网的其它问题（移动通信、计算机通信、程控交换等）。,2019/6/21,24,1.4 通信系统的主要性能指标,1.4.1 一般通信系统的性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面: （1）有效性：通信系统传输消息的“速率”问题，

12、即快慢问题。 （2）可靠性：通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。 （3）适应性：通信系统对环境条件的适应性。 （4）经济性：系统的成本问题。 （5）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤为重要。 （6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。 （7）维修性：系统是否维修方便。 （8）工艺性：通信系统各种工艺要求。 通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标 。,2019/6/21,25,对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比（或均方误差）来衡量。 对于数字通信系统

13、而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。,2019/6/21,26,1.4.2 信息及其度量 （1）信息 定义：消息中包含的有意义的内容。 “信息”一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述。 （2）信息量 传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。 在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。 例:非常可能发生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。 极不可能发生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。 事件愈不可能发生，愈会使人感到意外

14、和惊奇，信息量就愈大。,2019/6/21,27,（2）信息量 事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。 度量消息中所含的信息量的方法，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。 消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。 另：由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述：事件出现（发生）的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。 基于这种认识，得：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大。且概率为零时（不可能事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件）信息量为0。,2019/6/21,28,综上：信息量与

15、消息出现的概率有关，具体可以描述为如下规律： （1）消息中所含信息量是消息出现概率的函数：,（2）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小，且：,（3）若干个互相独立事件构成的消息（ ）所含信息量等于各独立事件 信息量的和。,2019/6/21,29,信息量 I 和消息出现概率P(x)的关系为：,信息量的单位取决于对数底数a的取值： a = 2 单位为比特（bit，简写为b）； a = e 单位为奈特（nat，简写为n）； a = 10 单位为哈特莱。,2019/6/21,30,例1.1 设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。 解: 二进制等概率时,

16、有,即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。,2019/6/21,31,式中，P=1/M 为每一个符号出现的概率。一般情况下M=2K，则上式可改写成,例：对于M进制离散信源，若M个符号等概率出现，且每一个符号的出现是独立的，即信源是无记忆的，则每个符号的信息量相等，为,结论：独立等概情况下M进制的每一符号包含的信息量，是二进制每一符号包含信息量的K倍（K是每一个M进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目）。,2019/6/21,32,（3）平均信息量 当各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。 平均信息量定义：每个符号所含信息的平均值。用符号 表示。 多进制时，设各符号出现的概率为：,则平均信息量（信息源的熵）为：,2019/6/21,33,显然，当信源中每个符号独立等概出现时，式（1-7）即成为（1-4）。可以证明，此时信息源的熵为