通信原理緒論部分

1、沈忠良講師沈忠良講師理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院無線通信教研中心聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室無線通信教研中心聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研室解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)2解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)3解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)4章章 節(jié)節(jié)內(nèi)內(nèi) 容容講授講授 / 次次122531465564748330解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)5解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)6第1章 緒論n 引言n1.1通信系統(tǒng)的組成n1.2通信系統(tǒng)分類與通信方式n1.3信息及其度量n1.4主要性能指標(biāo)n1.5通信發(fā)展簡史解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)7 引言引言 2、通信意義：通信與傳感技術(shù)、計(jì)算技術(shù)

2、緊密結(jié)合，構(gòu)成現(xiàn)代社會的“神經(jīng)中樞”。通信技術(shù)已成為推動人類社會文明、進(jìn)步與發(fā)展的巨大動力。1、通信概念：信息的傳遞過程稱為通信. 本課講述以電信號為信息載體的通信方式。 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)81.1 通信系統(tǒng)的組成1.1.1 通信系統(tǒng)一般模型信息源信息源發(fā)送發(fā)送設(shè)備設(shè)備信道信道接收接收設(shè)備設(shè)備受信者受信者噪聲源噪聲源通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型完成信息傳遞所需的通信設(shè)備和傳輸媒質(zhì)組成通信系統(tǒng)。信息的產(chǎn)生信息的產(chǎn)生地；原始電地；原始電信號，稱基信號，稱基帶信號；電帶信號；電話機(jī)、攝像話機(jī)、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)機(jī)、計(jì)算機(jī)等。等。將原始基將原始基帶信號變帶信號變換成適合換成適合在信道中在

3、信道中傳輸?shù)男艂鬏數(shù)男盘?。號?傳輸傳輸信號信號的物的物理媒理媒質(zhì)質(zhì) 信道中的噪信道中的噪聲及分布在聲及分布在通信系統(tǒng)其通信系統(tǒng)其他各處噪聲他各處噪聲的集中表示的集中表示 傳輸信息傳輸信息的歸宿點(diǎn)，的歸宿點(diǎn)，將接收設(shè)將接收設(shè)備恢復(fù)出備恢復(fù)出的原始基的原始基帶電信號帶電信號轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息應(yīng)的信息 從混有從混有噪聲的噪聲的信號中信號中恢復(fù)出恢復(fù)出原始的原始的電信號電信號 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)91.1.2 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1. 模擬與數(shù)字信號模擬與數(shù)字信號模擬信號:數(shù)字信號:信號中表示信息的參數(shù)只在有限的集合中取值，其狀態(tài)是可數(shù)的。時(shí)間上未必離散。信號中表示信息的參數(shù)（如波形

4、的振幅、頻率、相位，脈沖的寬度等）在連續(xù)區(qū)間中取值，其狀態(tài)是不可數(shù)的。時(shí)間上未必連續(xù)。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)101.1.2 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1. 模擬與數(shù)字信號模擬與數(shù)字信號O(a)(b )OPAM信號亮度信號亮度信號ovt模擬信號波形模擬信號波形 ：(a) 連續(xù)信號；連續(xù)信號； (b) 抽樣信號抽樣信號解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)11數(shù)字信號波形數(shù)字信號波形 ：(a) 二進(jìn)制波形；二進(jìn)制波形； (b) 2PSK波形波形1.1.2 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1. 模擬與數(shù)字信號模擬與數(shù)字信號解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)122. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型n模擬通信系統(tǒng)：是利用模擬

5、信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。1.1.2 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信息源發(fā)送設(shè)備信道受信者噪聲源接收設(shè)備解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)13受信者發(fā)送設(shè)備信源編碼器加 密 器信道編碼器調(diào) 制 器信息源信道噪聲源接收設(shè)備信源譯碼器解 密 器信道譯碼器解 調(diào) 器模擬信號模擬信號數(shù)數(shù)字信號字信號減少信號中的減少信號中的冗余以提高有效冗余以提高有效性性信息加密信息加密可選件可選件使信息帶有規(guī)使信息帶有規(guī)律性，以減少誤律性，以減少誤碼概率碼概率增加冗余以提增加冗余以提高可靠性高可靠性可選件可選件頻譜搬移，以頻譜搬移，以適應(yīng)頻帶傳輸要適應(yīng)頻帶傳輸要求求基帶傳輸無需基帶傳輸無需此模塊此模塊1.1.2 模擬與數(shù)字通

6、信系統(tǒng)模型3. 3. 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)144. 數(shù)字通信特點(diǎn)數(shù)字通信特點(diǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：占據(jù)更多帶寬 由壓縮編碼及寬帶信道解決1.1.2 模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)模型優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n抗干擾能力強(qiáng),允許信號失真,接力通信時(shí)無噪聲積累；n差錯(cuò)可控，可采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)降低誤碼率；n數(shù)字信號易于加密處理，保密性強(qiáng)；n便于存儲、交換、處理及和計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接； 語音、圖像、文字、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)可以變換成統(tǒng)一的數(shù)字信號在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸、交換和處理。n易于集成化，體積小，成本低 。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)151.2 通信系統(tǒng)分類與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：語音通信，視頻

7、通信，數(shù)據(jù)通信等n1.2.1 1.2.1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類按按調(diào)制方式調(diào)制方式分：基帶通信，頻帶通信分：基帶通信，頻帶通信按按信號特征信號特征分：模擬通信，分：模擬通信，數(shù)字通信數(shù)字通信按按傳輸媒質(zhì)傳輸媒質(zhì)分：有線通信，無線通信分：有線通信，無線通信按按工作波段工作波段分（主要針對無線通信）：長波、中波、短波、分（主要針對無線通信）：長波、中波、短波、超短波、微波等超短波、微波等按信號按信號復(fù)用方式復(fù)用方式分（主要針對無線通信）：頻分復(fù)用通信，分（主要針對無線通信）：頻分復(fù)用通信，時(shí)分復(fù)用通信，碼分復(fù)用通信，空分復(fù)用通信等時(shí)分復(fù)用通信，碼分復(fù)用通信，空分復(fù)用通信等。解放軍理工大學(xué)解

8、放軍理工大學(xué)16調(diào)制方式調(diào)制方式用途用途連連續(xù)續(xù)波波調(diào)調(diào)制制線性調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅常規(guī)雙邊帶調(diào)幅AM廣播廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播立體聲廣播單邊帶調(diào)幅單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺、數(shù)傳載波通信、無線電臺、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制幅度鍵控幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控頻率鍵控PSK數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等等數(shù)據(jù)傳輸

9、、數(shù)字微波、空間通信數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等等數(shù)字微波、空間通信數(shù)字微波、空間通信脈脈沖沖調(diào)調(diào)制制脈沖模脈沖模擬調(diào)制擬調(diào)制脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式脈位調(diào)制脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)脈沖數(shù)字調(diào)制字調(diào)制脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制增量調(diào)制DM民用、軍用電話民用、軍用電話差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中

10、低速數(shù)字電話中低速數(shù)字電話表表1-1常見的調(diào)制方式常見的調(diào)制方式解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)17頻率時(shí)間碼FDMTDMCDM解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)18頻率范圍頻率范圍波長波長符號符號傳輸媒質(zhì)傳輸媒質(zhì)用途用途3Hz-30kHz104-108m甚低頻甚低頻VLF有線線對有線線對長波無線電長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30-300kHz103-104m低頻低頻LF有線線對有線線對長波無線電長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz-3MHz102-103m中頻中頻MF同軸電纜同軸電纜中波無線電中波無線電幅廣播、移動陸地

11、通信、業(yè)幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電余無線電3-30MHz10-102m高頻高頻HF同軸電纜同軸電纜短波無線電短波無線電移動無線電話、短波廣播定移動無線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30-300MHz1-10m甚高頻甚高頻VHF同軸電纜同軸電纜米波無線電米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航車輛、通信、導(dǎo)航300MHz-3GHz10-100cm特高頻特高頻UHF波導(dǎo)波導(dǎo)分米波無線電分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)雷達(dá)3-30GHz1-10cm超高頻超高頻SHF波導(dǎo)波導(dǎo)厘米波無線電厘米波

12、無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)雷達(dá)30-300GH1-10mm極高頻極高頻EHF波導(dǎo)波導(dǎo)毫米波無線電毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)學(xué)107-108GHz3 10-5-3 10-4cm紫外可見光紫外可見光紅外紅外光纖光纖激光空間傳播激光空間傳播光通信光通信表表1-2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)通信波段與常用傳輸媒質(zhì)83 10/()m scff Hz解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)191.2.2 通信方式1.按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分：單工、半雙工及全雙工通信三種方式。發(fā)端接端信道n單工通信：是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，因此只占用一個(gè)信

13、道。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)201.2.2 通信方式n半雙工通信：是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。發(fā)端接端發(fā)端接端信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)211.2.2 通信方式n全雙工通信：是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。發(fā)端接端發(fā)端接端信道信道解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)22n并行通信：并行通信：數(shù)字序列以成數(shù)字序列以成組的方式在組的方式在兩條或兩條以兩條或兩條以上上的并行信道上同時(shí)傳輸。的并行信道上同時(shí)傳輸。n例：例：PCI總線總線n高速，短距離高速，短距離發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備D0: 10011D1: 01001D2: 11100D3: 10001發(fā)送設(shè)備接收

14、設(shè)備D: 1011 01100010 1000 1101n串行通信串行通信：數(shù)字序列以：數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地串行方式一個(gè)接一個(gè)地在在一條一條信道上傳輸。信道上傳輸。n例：例：USB總線總線n應(yīng)用更廣泛應(yīng)用更廣泛1.2.2 通信方式2.按數(shù)字信號排列順序分：并行傳輸和串行傳輸。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)23解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)24n信息是有度量的信息是有度量的v明天是陰天明天是陰天信息量不大信息量不大v明天要下暴雨明天要下暴雨信息量較大信息量較大v明天要下暴雨刮臺風(fēng)明天要下暴雨刮臺風(fēng)信息量更大信息量更大1.3 信息及其度量解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)251.3 信息及其度量1

15、.1.信息量信息量 只有消息中的不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息，所以信息量就是只有消息中的不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息，所以信息量就是對這種不確定性的定量描述。對這種不確定性的定量描述。n信息量：信息的多少，就是對消息中不確定性內(nèi)容的度量信息量：信息的多少，就是對消息中不確定性內(nèi)容的度量, 單位是比特單位是比特( bit).信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)261.3 信息及其度量n信息量的計(jì)算 事件的不確定程度，可以用其出現(xiàn)的概率來描述，某離散消息X發(fā)生的概率為P（X），其所攜帶的信息量為： 1()()loglogbitP XP XaaI 說明

16、： a=2時(shí)，單位為比特（bit）； a=e時(shí)，單位為奈特（nit）； a=10時(shí)，單位為十進(jìn)制單位，叫哈特萊。 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)271.3 信息及其度量n例2 對于離散信源，M個(gè)波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，求傳送M進(jìn)制波形之一的信息量。 n例1設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出符號的信息含量為 22101loglog 21(bit)1/2II22211logloglog()1/IM bitsPMM=2k 2log 2KIkbit解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)281.3 信息及其度量()211( ) ( )(

17、)log (bit/sym)iNNP siiiiiHP s I sP s 2.信源的熵信源的熵信息源各符號平均信息量，信息源各符號平均信息量，bit/符號符號(bit/sym)當(dāng)信源中每個(gè)符號等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，熵有最大值：2Hbit/symlogN解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)29解：符號等概，熵的計(jì)算簡化為每符號信息量：故該消息的總信息量： 572114I bits 例3 一離散信源由0，1，2，3四個(gè)符號組成，它們出現(xiàn)的概率相等 ，每個(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。已知一消息序列由57個(gè)符號組成。(1)求該消息的熵。 (2) 求該消息的信息量。 bits/符號 21log24H 解放軍理工大學(xué)解放軍理

18、工大學(xué)301.3 信息及其度量n例4 一離散信源由0，1，2，3四個(gè)符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為38，14， 1/4，1/8，且每個(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息2010,2013,02l3,0012,0321,0l00,32l0,l002,3102,0020,1031,2032,1001,202l,0 的信息量。解：此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號，故該消息的信息量為 2222823log14log 4 13log 47log 81083Ibits若用熵的概念來計(jì)算若用熵的概念來計(jì)算 222233111111loglogloglog1.906

19、88444488H bits/sym 則該消息的信息量則該消息的信息量 57 1.906108.64I bits 解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)31解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)321.4 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要指標(biāo)：有效性和可靠性n有效性：是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。n可靠性：是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。結(jié)論：這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)331.4.1 模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n有效性有效性: : 用頻帶利用率來度量。n可靠性可靠性: : 用接收端輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣

20、信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。如SSB只用一半的帶寬與AM傳輸同樣的消息解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)341.4.2 數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n有效性:碼元速率、信息速率及頻帶利用率n可靠性：誤碼率、誤信率解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)35n碼元傳輸速率：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，通常用碼元傳輸速率：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，通常用R RB B表示。表示。n單位：碼元單位：碼元/ /秒；符號秒；符號/ /秒；波形秒；波形/ /秒；波特（秒；波特（baudbaud），用符），用

21、符號號“B”B”表示。表示。T碼元寬度碼元寬度(碼元間隔碼元間隔)T二進(jìn)制二進(jìn)制(0、1)四進(jìn)制四進(jìn)制(0、1、2、3)1BRT碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元寬度碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元寬度T有關(guān)有關(guān) 1.4.2 數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)36n信息傳輸速率：每秒鐘傳遞的信息量，通常用信息傳輸速率：每秒鐘傳遞的信息量，通常用R Rb b表示；表示；n單位：比特單位：比特/ /秒（秒（bit/sbit/s）bBRRHbit/s等概傳輸時(shí)等概傳輸時(shí) 2logbBRRMbit/s1.4.2 數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)37n頻帶利用

22、率：比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占用信道的頻帶寬度。所以，真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的碼元或信息傳輸速率，即BRBB/Hz bRBb/s/Hz 1.4.2 數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)解放軍理工大學(xué)解放軍理工大學(xué)38n差錯(cuò)率：衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸消息可靠程度的重要指標(biāo)，差錯(cuò)率：衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸消息可靠程度的重要指標(biāo)， 包括誤碼率及誤信率。包括誤碼率及誤信率。n誤碼率誤碼率Pe：指錯(cuò)誤接收的的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的：指錯(cuò)誤接收的的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例比例 Pe=錯(cuò)誤碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)/傳輸碼元總數(shù)傳輸碼元總數(shù)誤信率誤信率Pb ：又稱誤比特率：又稱誤比特率，指錯(cuò)誤接收的信息量在信息總量指錯(cuò)誤接收的信息量在信息總量中所占的比例中所占的比例 Pb=錯(cuò)誤比特?cái)?shù)錯(cuò)