通信原理绪论课件

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1、通信原理绪论通通 信信 原原 理理许丽娜许丽娜第1章 绪论通信原理绪论2是通信工程、无线电工程、信通信工程、无线电工程、信息工程、计算机网络、图像处理等专业息工程、计算机网络、图像处理等专业的必修专业基础课。课 程 介 绍本课程主要介绍现代通信系统所涉及的基础理论、基本分析方法和基本性能。通信原理绪论3主要参考书：樊昌信等 通信原理 国防工业出版社曹志刚 现代通信原理 清华大学出版社陈后金 信号与系统 清华大学出版社郑方 信号处理原理 清华大学出版社参 考 教 材通信原理绪论4 1.1 通信系统模型通信系统模型 1.2 信息及其度量信息及其度量 1.3 信道与信道容量信道与信道容量 1.4 通

2、信方式通信方式 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标第 1 章 绪论第1章 绪论通信原理绪论51、通信、通信:完成消息的转换和传输。完成消息的转换和传输。2、通信系统：以电、通信系统：以电(光光)信号作为信息转换和传输信号作为信息转换和传输的系统。的系统。现代通信一般均是指现代通信一般均是指“电通信电通信”3、通信例子：电报、电话、可视电话、广播、电视、通信例子：电报、电话、可视电话、广播、电视、遥测遥控系统等。遥测遥控系统等。1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论6 通信系统模型通信系统模型:通信系统可以用下图模型加以抽象概括。通信系统可以用下图模型加以抽象概括。信源信

3、源发送设备发送设备信信 道道接收设备接收设备受信者受信者噪声源噪声源 1.1 通信系统模型信信号号消消息息信信号号消消息息图 1-1发送端发送端接收端接收端第1章 绪论通信原理绪论71.1 通信系统模型通信系统的每一个组成部分的概念功能？通信系统的每一个组成部分的概念功能？消息的形式？消息的形式？信号的概念？信号的概念？什么是模拟信号，数字信号？什么是模拟信号，数字信号？第1章 绪论通信原理绪论8v 信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始原始电信号电信号(基带信号基带信号)。声音、事件场景、数据 麦克风、电话、摄像机、计算机等。1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论9v 消息消

4、息消息形式：符号、文字、语音、音乐、数据、图片、消息形式：符号、文字、语音、音乐、数据、图片、活动图像。活动图像。连续消息连续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、图像等。图像等。离散消息离散消息：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据、文字等。据、文字等。1.1 通信系统模型v 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号消息信号变换成适合在信道中传输的电信号电信号(如已如已调信号）。调信号）。第1章 绪论通信原理绪论10v 信号信号是消息的载荷者。是消息的载荷者。

5、在电通信系统中，一般是随时间或位置变化的电压或电流。在电通信系统中，一般是随时间或位置变化的电压或电流。v根据根据数学上连续与离散的数学上连续与离散的概念区分连续信号与离散信号。概念区分连续信号与离散信号。v根据根据承载信息的参量取值是否可数承载信息的参量取值是否可数分模拟信号和数字信号。分模拟信号和数字信号。连续信号连续信号：为时间的连续函数时，称为：为时间的连续函数时，称为“连续信号连续信号”。离散信号离散信号：在时间上离散时，称为离散信号。：在时间上离散时，称为离散信号。数字信号数字信号：在时间上和取值上都离散，称为数字信号。：在时间上和取值上都离散，称为数字信号。模拟信号模拟信号：取值

6、是连续的或取无穷多个值的信号。：取值是连续的或取无穷多个值的信号。1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论11模拟信号 取值是连续的或取无穷多个值的信号。v 如电话机送出的语音信号、模拟电视摄像机输出的图像信号等。v 连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。如图 1-2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号。1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论12Of(t)t(a)f(nT)tPA M信号(b)O模拟信号波形模拟信号波形(a)连续信号；连续信号；(b)抽样信号抽样信号1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论13v 只能取有限个值的信号。如计算机输入/

7、输出信号。v 幅度离散、时间离散。即函数形式表现为自变量和函数值都离散取值的函数。数字信号1.1 通信系统模型()nfn第1章 绪论通信原理绪论14v 信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是微波，无线点播等，在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。1.1 通信系统模型v 噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。v 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号。第1章 绪论通信原理绪论15v受信者受信者是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。图 1-1 概括地描述了一个通信系统的组成，它

8、反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。1.1 通信系统模型信号源和收信者可以是人，也可以是设备，统称为发送信号源和收信者可以是人，也可以是设备，统称为发送端和接收端。端和接收端。第1章 绪论通信原理绪论16按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可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 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论17模拟通信系统模型可由图 1-1 略加演变而成，如图 1-2 所示。图中的调制器和解调器就代表图 1-1 中的发送设备和接收设备。图图 1-2 模拟通信系统模型模拟通信系统模型1.1 通信系统模型信号源信号源调制器调制器解调器解调器受信者受信者

9、噪声源噪声源信信 道道基基 带带 信信 号号频频 带带 信信 号号第1章 绪论通信原理绪论18模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统。信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz，图像信号为06MHz。模拟信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的频带信号（已调信号），并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。3、模拟通信系统模型模拟通信系统模型1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论19频带信号（已调信号）有三个基本特征：频带信号（已调信号）有三个基本特征

10、：v 携带有信息携带有信息v 适合在信道中传输适合在信道中传输v 信号的频谱中心频率远离零频信号的频谱中心频率远离零频.1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论204、数字通信系统模型数字通信系统模型 信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源图图 1 3 数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统是传输数字信号的通信系统1.1 通信系统模型基带信号基带信号频带信号频带信号第1章 绪论通信原理绪论21 信源编码的作用：用来提高传输有效性而对信号采取的处理功能。并完成数字加密和压缩。v信源编码与译码信源编码与译码信源译码是信源编码的逆过程。1.1 通

11、信系统模型第1章 绪论通信原理绪论22 v信道编码与译码信道编码与译码提高传输可靠性的纠错编码。1.1 通信系统模型数字调制是把各种数字基带信号转换成适合于信道传输的数字调制信号（已调信号或频带信号），也就是说数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。数字解调是数字调制的逆过程。v数字调制与解调数字调制与解调第1章 绪论通信原理绪论23图 1-3 是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图 1-1中的所有环节。如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节

12、。1.1 通信系统模型第1章 绪论通信原理绪论24信息和消息是有重要区别的。信息和消息是有重要区别的。n信息信息：对消息统计特性的一种定量描述。当人们得到消对消息统计特性的一种定量描述。当人们得到消息之前，对它的内容有一种息之前，对它的内容有一种“不确定性不确定性”，信息就是对，信息就是对这种不确定性的定量描述。即对消息内涵的不确定性度这种不确定性的定量描述。即对消息内涵的不确定性度量。量。n信息量信息量与消息所代表事件发生的概率有关。把度量消息与消息所代表事件发生的概率有关。把度量消息大小的物理量称为信息量，也称信息。大小的物理量称为信息量，也称信息。1.2 信息及其度量第1章 绪论通信原理

13、绪论25（1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fP(x)（2）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且 P(x)1时，时，I0 P(x)0时，I假设P(x)是一个消息发生的概率1.2 信息及其度量（3）信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为：)(log)(1logxPxPIaa第1章 绪论通信原理绪论261.2 信息及其度量n信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a有关。有关。n若若a=2，则信息量的单位为比特，则信息量的单位为比特(bit），），它代表出现概它代表出现概率为率为1/2的消息所含有的信息量。的消息所含有的信息量。a=e时，

14、信息量的单时，信息量的单位为奈特位为奈特(nit)；a=10时，时，信息量的单位为哈特莱信息量的单位为哈特莱（Hartly）。）。n例如：设二进制离散信源，以相同的概率发送数字例如：设二进制离散信源，以相同的概率发送数字0或或1码，则信源每一个输出的信息含量为：码，则信源每一个输出的信息含量为：2211I(0)I(1)loglog1(bit)p1/2第1章 绪论通信原理绪论27信道n信道分类：广义信道和狭义信道。n在通信系统中，除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如调制器与解调器等，这种范围扩大了的信道称为广义信道；把仅指传输媒介的信道称为狭义信道。n调制信道（广义信道）范围：从调制器输出

15、端至解调器输入端，如图。n编码信道（广义信道）范围：从编码器输出端至解码器输入端，如图。1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论28n信道信道1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论29信道容量信道容量n信道容量：信道能传输的最大信息速率。n连续信道的容量（信道最大信息速率）(b/s)nN噪声的平均功率，S信号的平均功率，S/N信噪比，C信道容量。n注：为了方便，一般并不用S/N直接表示信噪比，而是用它的变通形式：10lg（S/N），单位为分贝dB。)/1(log2NSBC1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论30信道容量信道容量结论：结论：n任何一个信道，都有信道容量C。

16、如果信息速率RC，理论上存在一种方法，能以任意小的差错概率通过信道传输；如果RC，在理论上无差错传输是不可能的。n对于给定的C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信息。n信息速率C=I/T，T为传输时间，代入上式 (b/s)当S/N一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间T的组合来传输。带宽与时间可以互换。)/1(log2NSTBI1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论31传输介质传输介质n传输介质：通信系统中连接收发双方的物理通路，也是通信过程中消息传送的载体。n两类：两类：硬传输介质和软传输介质。n硬传输介质：硬传输介质：双绞线、同轴电缆、光缆等。n软传输介质：软传输介质：无线

17、电波、地面微波、卫星链路、激光、红外线等。*掌握传输介质的主要用途。无线传输介质的频率范围1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论321.4通信方式 串行传输和并行传输；单工、半双工和全双工传输；同步传输和异步传输。u 串行传输和并行传输（代码传输的顺序）串行传输和并行传输（代码传输的顺序）（1）串行传输串行传输 数据一位接一位地在一条信道上传输。收发双方要保持位同步和字符同步。收发双方只需要一条传输通道。实现容易，是一种常用的传输方式。（2）并行传输并行传输 一个字符的所有比特同时传送，每一位单独使用一条通道。收发之间不存在字符同步问题。多条信道完成，并行成本高。常用于短距离的数据传输

18、。第1章 绪论通信原理绪论331.4通信方式第1章 绪论通信原理绪论341.4通信方式u 同步传输和异步传输（按同步方式分）同步传输和异步传输（按同步方式分）(1)异步传输异步传输也称为起止式传输,每次只传送一个字符，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束。起始位有逻辑“1”引导，宽度占一位的宽度。例：传输一个采用例：传输一个采用ASCII码的字符，终止位为码的字符，终止位为1位，并采用位，并采用1位奇偶校验位，位奇偶校验位，求传输效率。求传输效率。解：传输速率：解：传输速率：7/（7111）70 优缺点：传输简单。效率低第1章 绪论通信原理绪论351.4通信方式 (2)同步传输同步传输

19、以一个数据块为传输单位。组成一个帧传输。优缺点：要保持两方时钟同步和帧同步，实现复杂，效率高。第1章 绪论通信原理绪论361.4通信方式u单工、半双工和全双工传输（按数据电路传输的能力分）单工、半双工和全双工传输（按数据电路传输的能力分）按照信号传输方向和时间的关系分为三类：单工传输、半双工传输和全双工传输。（1）单工传输）单工传输信号只能在一个方向传输，（2）半双工传输）半双工传输 信号可以在两个方向上传输，但不能同时传输，必须是交替进行。一个时间只能允许向一个方向传送，（3）全双工传输）全双工传输 信号可以同时在两个方向上传输。这种方案使用的信道也是一种双向信道。第1章 绪论通信原理绪论3

20、71.5 通信系统的主要性能指标u 评估通信系统的主要性能指标是：传输的有效性和可靠性有效性是指消息的传输“速度”问题。即要求系统高效率地传输消息。可靠性是指消息传输的“质量”问题。即要求近似程度要高。第1章 绪论通信原理绪论381 1、模拟通信系统、模拟通信系统有效性指标：频带利用率来衡量，频带利用率越大，有效性越好；可靠性指标：用接收端最终输出信噪比来度量，信噪比越大，可靠性越好。1.5 通信系统的主要性能指标第1章 绪论通信原理绪论39数字通信系统的有效性用传输速率来衡量；可靠性用差错率来衡量。2、数字通信系统指标数字通信系统指标1.5 通信系统的主要性能指标第1章 绪论通信原理绪论40

21、（1）传码率）传码率RB1.5 通信系统的主要性能指标码元速率RB简称传码率，又称符号速率。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），符号B。则 RB 1/T T为码元周期第1章 绪论通信原理绪论41n信息速率（比特率）每秒钟传送的信息量或比特数。单位：比特/秒；符号：b/s。则:N为码元状态数；T为码元周期。n二者关系:设信息速率为Rb，N进制码元速率 ：(b/s)或者 (B)n 二进制NRRNBb2logRBNNRRbBN2log2BbRR（2）信息速率）信息速率Rb1.5 通信系统的主要性能指标NTRb2log/1第1章 绪论通信原理绪论42在保证信息速率不变的情况下，M进

22、制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2 M(B)1.5 通信系统的主要性能指标例：已知二进制数字信号的传输速率2400b/s，变换成八进制数字信号时，传输速率为多少波特？解：2400b/s RB8=RB2/log2 8=2400/3=800BbBRR2第1章 绪论通信原理绪论43误码率e:是指接收错误的码元数在传输总码总数中所占的比例。即：传输总码元数传输总码元数错误码元数错误码元数 e 1.5 通信系统的主要性能指标数字通信系统可靠性用差错率差错率来衡量，它是消息传输可靠程度的重要性能指标。差错率有两种：误码率误码率和误比特率误比特率。第1章 绪

23、论通信原理绪论44比特率：b是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即：传传输输总总比比特特数数错错误误比比特特数数数数 b 在二进制中有：be 1.5 通信系统的主要性能指标第1章 绪论通信原理绪论45传输介质传输介质n传输介质：通信系统中连接收发双方的物理通路，也是通信过程中消息传送的载体。n两类：两类：硬传输介质和软传输介质。n硬传输介质：硬传输介质：双绞线、同轴电缆、光缆等。n软传输介质：软传输介质：无线电波、地面微波、卫星链路、激光、红外线等。1.3 信道与信道容量第1章 绪论通信原理绪论461.3.3 传输介质（1)1)双绞线n定义：将一对绝缘线纽绞在一起，任意拧成螺旋形就

24、构成了双绞线。n构造：拧成螺旋形的原因是为了减少外部的干扰和对串音的敏感。双绞线线对绞合越紧密和均匀，双绞线的质量越好。n特性：双绞线的优点是价格便宜、使用方便、安装容易。用于传输模拟信号，每隔5Km6Km需要一级放大；用于传输数字信号每隔2Km3Km就要用转发器转发一次。用于局域网，与集线器间的最大距离为100m。n分类：屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。n输入阻抗：100和150两种。n结构示意如图。第1章 绪论通信原理绪论47nUTP电缆分为五类，如表。n三类通常用于以太网和4Mb/s以下的令牌环局域网。五类支持100Mb/s的以太局域网及155 Mb/s ATM到桌面的连接。正在研

25、制中的六类和七类，将分别支持超过200 Mb/s和600Mb/s的速率。计算机网络中最常用三类和五类UTP。n二者的不同：五类：每英寸34扭绞；三类：每英尺34扭绞。n衰减特性比较（表1-2）类别 描述1语音 或56kb/s以下的数据，不用于局域网21M/s以下的数据316Mb/s以下的数据420Mb/s以下的数据5100Mb/s以下的数据1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理绪论48n(2)同轴电缆n结构：图示。n定义：同轴电缆是对地不对称的同轴管构成的一种通信回路。n构造：其内导体是一铜质芯线，外面包有绝缘层和网状编织物的外导体屏蔽层，最外面是塑料保护外层。n特性：寿命长、通信容量大、质

26、量稳定、外界干扰小、可靠性高和维护便利等优点。在有限通信中占有很大比重。在局域网中应用非常广泛。n特性阻抗:50和75。在局域网应用中，早期的以太网，传输介质几乎全部采用的是50基带同轴电缆(又叫基带电缆)；75同轴电缆为宽带同轴电缆(又叫宽带电缆或射频电缆)；n基带同轴电缆的传输距离几Km;宽带同轴电缆的传输距离几十Km。外部保护层外导体绝缘层内导体1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理绪论49(3)光纤光纤n构造：直径为50100m的、柔软的、能传导光波传导光波的介质，由玻璃和塑料构构成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包

27、住，就可以构成一条光通道.外面再加一保护套，即构成一单芯光导纤维电缆单芯光缆，结构如图光纤芯包层外部保护层(a)单根光纤结构(b)光缆结构外壳外套芯封套1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理绪论50n光导纤维通过内部全反射来传输光信号。n分类:多模与单模。n多模光纤：允许一束光沿纤芯反射传播.n单模光纤：仅允许单一波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。n直径：单模小，多模大。n利用光脉冲来代表数据1和0，光纤传输系统如图。n特点：频带宽，损耗小，数据传输速率高，误码率低，安全保密性好等.保护套 包层纤芯电光转换光电转换PIN光信号光纤收发出入LED1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理

28、绪论51n（4）无线波的传播）无线波的传播n1)传播类型传播类型n大气层分层：对流层和电离层。n对流层距地面大约30英里。n电离层对流层之上,太空以下，高于平常所说的大气层，该层充满电离子。n传播方式：地表传播、对流层传播、电离层传播、视距传播和空间传播。n地表传播 通过地表大气层传播，紧靠地面。呈曲线向各个方向传播.n对流层传播 两种方式：一种直线传播，另一种是对流层反射。第一种方式视线范围。第二种方式覆盖距离远。n电离层传播 无线电波由电离层反射回地面，传播距离远。n视距传播 电磁波从一个天线传播到另一个天线，天线有方向性，二者相向。n空间传播 利用卫星。卫星象一个高度极高的天线，覆盖范围

29、大。1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理绪论522）传播频率）传播频率甚低频（VLF）表面波方式传播，通常通过大气，但有时也以海水作为介质。传播中衰减不大，对大气噪声敏感。用于长距离的无线导航和海底通信，频率范围：3kHz 30kHz。低频（LF）也以表面波形式传播，用于无线电导航。频率范围：30kHz300kHz。中频（MF）通过对流层传播，易被电离层吸收，覆盖范围与发射角度有关。用于无线电广播等，频率范围：300kHz3MHz。高频（HF）通过电离层传播，被电离层反射。用于无线电业余通信、民用无线电、国际广播、军事通信等，频率范围：3MHz30MHz。甚高频（VHF）视距传播。用于电视广播、调频广播、飞机通信导航等。频率范围：30MHz300MHz。1.3.3 传输介质第1章 绪论通信原理绪论53超高频（UHF）视距传播，用于电视广播、移动通信、微波通信等。频率范围：300MHz3GHz。特高频（SHF）视距或空间传播。用于地面微波通信、雷达、卫星通信等。频率范围：3GHz30GHz。极高频（EHF）空间传播。用于雷达、卫星及实验性通信等。频率范围：30GHz300GHz。无线光波 激光空间传播 用于光通信。频率范围：105-107GHz第1章 绪论通信原理绪论54See you next week!