通信原理课件1

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1、第第1 1章章 概论概论通信原理课程组目标要求目标要求l 基本要求基本要求 了解了解通信的发展；通信的发展；掌握掌握消息、信息、信号的定义；消息、信息、信号的定义；掌握掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；数字通信的概念，理解数字通信的优点；掌握掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；数字通信系统模型及其主要性能指标；熟悉熟悉无线信道、有线信道；无线信道、有线信道；掌握掌握信道模型，并会信道模型，并会分析分析信道特性对信号传输信道特性对信号传输 的影响；的影响；熟悉熟悉信道中的噪声。信道中的噪声。2目标要求目标要求l 重点、难点重点、难点 重点是：重点是：信息的度量；信息的度量；数字通信系统模

2、型的理解与掌握。数字通信系统模型的理解与掌握。难点是：难点是：数字通信系统性能指标的理解与计算；数字通信系统性能指标的理解与计算；变参信道对信号传输的影响。变参信道对信号传输的影响。3主要内容主要内容 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.3 1.3 数字通信数字通信 1.4 1.4 信道信道 1.5 1.5 信道中的噪声信道中的噪声 1.6 1.6 小结小结 思考题、习题思考题、习题41.1 1.1 通信的发展通信的发展一、一、历史的通信方式历史的通信方式1.1.古代：古代：公元前公元前800800年年(周朝周朝)，周幽王烽火戏诸侯。，周

3、幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。2.2.近代：近代：18201820年：安培发明电报通信，年：安培发明电报通信，近代数字通信近代数字通信的的 开始开始。18381838年：莫尔斯将电报通信年：莫尔斯将电报通信推向实用推向实用。18761876年：贝尔发明电话，年：贝尔发明电话，模拟通信的开始模拟通信的开始。51.1 1.1 通信的发展通信的发展l 烽火台烽火台61.1 1.1 通信的发展通信的发展 3.3.现代现代 2020世纪世纪6060年代以后：年代以后：数字通信技术进入高级发展阶段。数字通信技术进入高级发展阶段。近近2020

4、多年：多年：数字通信迅猛发展；数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。两者都成为现代通行网的主要支柱。71.1 1.1 通信的发展通信的发展 “上帝创造上帝创造了何等的奇迹了何等的奇迹!”!”塞缪尔塞缪尔莫尔斯莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）81.1 1.1 通信的发展通信的发展贝尔贝尔（1847-19221847-1922）美国电话发明者美国电话发明者91.1 1.1 通信的发展通信的发展 1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第世界上第一部电话一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。

5、这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实默里山贝尔实验室博物馆内验室博物馆内的世界第一部电话。101.1 1.1 通信的发展通信的发展 麦克斯韦在物理学中的最大麦克斯韦在物理学中的最大贡献是贡献是建立了统一的经典电磁建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论场理论和光的电磁理论，预言预言了电磁波的存在了电磁波的存在。18731873年，麦年，麦克斯韦完成巨著克斯韦完成巨著电磁学通论电磁学通论，这是一部可以同牛顿的，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理相媲相媲美的书，美的书，具有划时代的意义具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座是牛顿以后科学史上的又一座丰碑

6、丰碑 。麦克斯韦麦克斯韦(James(James Clerk Clerk MaxwelMaxwel 1831 18311879)1879)英国物理学家英国物理学家111.1 1.1 通信的发展通信的发展 赫兹对人类赫兹对人类最伟大的贡献最伟大的贡献是是用实用实验证实了电磁波的存在。验证实了电磁波的存在。赫兹赫兹（1857-18941857-1894）德国物理学家德国物理学家 18881888年，成了近代科学史上的一年，成了近代科学史上的一座里程碑。座里程碑。赫兹的发现具有划时代的赫兹的发现具有划时代的意义意义，它，它不仅证实了麦克斯韦发现的不仅证实了麦克斯韦发现的真理真理，更重要的是，更重要的

7、是开创了无线电电子开创了无线电电子技术的新纪元技术的新纪元。为了纪念他在电磁波。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将发现中的卓越贡献，后人将频率的单频率的单位命名为赫兹位命名为赫兹。121.1 1.1 通信的发展通信的发展 在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年，意大利的马可尼、俄年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（继问世。无线电报（18941894年）、无线电广播（年）、无线电广播（19061906年）、无

8、线电导航（年）、无线电导航（19111911年）、无线电话（年）、无线电话（19161916年）年）、短波通讯（、短波通讯（19211921年）、无线电传真（年）、无线电传真（19231923年）、年）、电视（电视（19291929年）、微波通讯（年）、微波通讯（19331933年）、雷达年）、雷达（19351935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。131.1 1.1 通信的发展通信的发展 1838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报1948晶体管晶体管 香农香农IT 通信统计理

9、论建立通信统计理论建立1864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程1950时分多路通信时分多路通信 应用于电话应用于电话1876贝尔贝尔 电话电话1956越洋电话铺设越洋电话铺设1896马克尼马克尼 无线电报无线电报1957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射1906真空管真空管1958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射1918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外差接收机1960发明激光发明激光1925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信1961发明集成电路发明集成电路1936调频广播调频广播1962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCM进入实进入实用用1937脉

10、冲编码调制脉冲编码调制1960彩电彩电 数字传输理论数字传输理论 高速计算机高速计算机1938电视广播电视广播1970LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯1940二战刺激二战刺激 雷达和微波系统发雷达和微波系统发展展1980SLSI 长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3G返回返回141.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究传输传输。2.2.消息消息 天气预报天气预报“明天是晴天明天是晴天”字幕字幕“明天是晴天明天是晴天”文字文字播音员说播音员说“明天是晴天明天是

11、晴天”语言语言 图形图形1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别151.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究传输传输。2.2.消息消息1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别 是指信源所产生的是指信源所产生的信息的物理表现信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号（简称信号），才能消息必须转换成电信号（简称信号），才能在通信系统中传输。在通信系统中传输。161.2 1.2 消息、信息和信

12、号消息、信息和信号4.4.信息信息 是指消息中所包含的对受信者是指消息中所包含的对受信者有意义的内容有意义的内容 （或（或有效内容有效内容）。）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。3.3.信号信号 是指是指消息的物理载体消息的物理载体，是传输消息的手段。，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。可分为模拟信号和数字信号。1、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别171.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 如何度量信息？如何度量信息？首先要解决的问题首先要解决的问题。18

13、1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号1.1.要求要求 度量信息量的方法，必须满足：度量信息量的方法，必须满足：能度量任何消息；能度量任何消息；与消息的类型无关；与消息的类型无关；消息的重要程度无关。消息的重要程度无关。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量191.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号2.2.信息量的定义信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数；信息量是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每

14、个独立消息所含信息量之和。包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量201.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 因此，若消息因此，若消息 出现的概率为出现的概率为 ，则，则所含所含信息量信息量 I I 可定义可定义为：为：信息量的信息量的单位单位：，则为则为比特比特（bitbit），简记为），简记为b b，最常用最常用;，则为奈特（则为奈特（natnat）;，则为哈特莱（，则为哈特莱（hartleyhartley）。）。21 当当M M=2=2时，则时，则I I=1b=1b。工程上工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，常常不考虑是否为等概率

15、的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于总认为一个二进制波形（或码元）等于1b 1b。即通。即通常把常把一个二进制码元称做一个二进制码元称做1b1b。易与信息量的单位易与信息量的单位混淆混淆，应注意应注意。若采用一个若采用一个M M 进制的波形，来传送进制的波形，来传送M M 个独立的个独立的等等概概离散消息之一，则每一码元的信息量为：离散消息之一，则每一码元的信息量为：(b)1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号返回返回221.3 1.3 数字通信数字通信1.1.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语

16、音信号。语音信号。数字信号，也称离散信号。如：代表文字的数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信号。编码和计算机数据信号。注意注意：区分准绳区分准绳为：考查为：考查取值是否连续取值是否连续，而不是看时间。而不是看时间。一、一、基本概念基本概念231.3 1.3 数字通信数字通信模拟信号模拟信号数字信号数字信号t tt tt tt t码元码元241.3 1.3 数字通信数字通信2.2.模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 （1 1）共性问题）共性问题：总存在噪声和其他干扰，：总存在噪声和其他干扰，引起传输信号的失真，影响传输质量。引起传输信号的失真，影响传输质量。解解决噪声和干

17、扰的影响决噪声和干扰的影响，就是，就是通信系统设计通信系统设计的基本问题之一的基本问题之一。3.3.模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统251.3 1.3 数字通信数字通信 模拟通信系统：模拟通信系统：要求：要求：高保真度复原高保真度复原。度量准则：度量准则：输出信噪比输出信噪比。基本问题：连续波形的基本问题：连续波形的参量估值问题参量估值问题。（2 2）个性问题个性问题 数字数字通信系统通信系统：要求：要求：正确判决正确判决（或检测）。（或检测）。度量准则：产生度量准则：产生错判的概率错判的概率。理论基础：理论基础：统计判决理论统计判决理论。注意注意：都是针对：都是针对接收端

18、接收端的。的。261.3 1.3 数字通信数字通信二、二、数字通信的特点数字通信的特点 1.1.优点优点 取值有限，能正确接收。取值有限，能正确接收。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用数字加密技术，提高保密度。可采用数字加密技术，提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。便于存储和处理。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。2

19、71.3 1.3 数字通信数字通信 占用带宽大压缩、光纤占用带宽大压缩、光纤。同步要求高同步要求高。3.3.应用实例应用实例 数字传输技术：电话、电视、计算机数据数字传输技术：电话、电视、计算机数据 等信号的远距离传输。等信号的远距离传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等播、电视广播等。二、二、数字通信的优点数字通信的优点 2.2.缺点缺点281.3 1.3 数字通信数字通信三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型信信 源源发送端发送端接收端接收端信信道道编编码码调调 制制信信 道道压压缩缩编编码码解解 调调信信 宿宿保保密密解解码码信信

20、道道解解码码压压缩缩解解码码保保密密编编码码噪声噪声同步同步信信 源源编编 码码信信 源源解解 码码291.3 1.3 数字通信数字通信信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型301.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型1.1.信源：信源：将消息转换为电信号的设备。将消息转换为电信号的设备。信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型311.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型

21、系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型2.2.信源编码信源编码：降低降低数字信号的冗余，数字信号的冗余，提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。321.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型信信道道压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型3.3.信道编码信道编码：增加增加冗余字符，纠错编码，冗余字符，纠错编码，提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。331.3 1.3 数字通信数字通信数字

22、通信数字通信系统模型系统模型信信源源压压缩缩编编码码保保密密编编码码信源编码信源编码信信道道编编码码调调制制发发送送端端4.4.调制：调制：三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型341.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型4.4.调制调制 （1 1）目的）目的 使编码信号特性与信道特性相适应，使编码信号特性与信道特性相适应，以通过信道传输。以通过信道传输。（2 2）几个）几个基本概念基本概念 基带、基带信号、带通信号；基带、基带信号、带通信号；基带调制、带通调制。基带调制、带通调制。（3 3）多路复用）多路复用 使多路信号合并，经过同一信道传输。使多路信号合并，经过同

23、一信道传输。351.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型5.5.信道信道 基带信道基带信道可传输很低的频率分量。可传输很低的频率分量。如双绞线。如双绞线。频带信道频带信道不能传输很低的频率分量。不能传输很低的频率分量。如无线电波。如无线电波。361.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型5.5.信道信道 信道的影响：信道的影响：信道传输特性对数字信号的影响。信道传输特性对数字信号的影响。包括包括幅频特性幅频特性、相频特性相频特性、频率偏频率偏 移移、频率扩展频率扩展和和多径时延多径时延。进入信道的进入信道的外部加性噪声外部加性噪声的影响。的影响。包

24、括起伏噪声、脉冲干扰、人为干包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干 扰。扰。371.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型6.6.同步同步 数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。发端、收端间需共同的时间标准发端、收端间需共同的时间标准使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。同步接收。位同步（或码元同步）、字同步位同步（或码元同步）、字同步381.3 1.3 数字通信数字通信数字通信数字通信系统模型系统模型信信 道道发送端发送端接收端接收端信信 源源调调 制制解解 调调信信 宿宿噪声噪声模拟通信系统模型模拟

25、通信系统模型391.3 1.3 数字通信数字通信1.1.衡量系统性能优劣的基本因素：衡量系统性能优劣的基本因素：有效性有效性 可靠性可靠性四、性能指标四、性能指标401.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标 有效性有效性 可靠性可靠性 注意注意：两者是：两者是互相矛盾互相矛盾的，也是的，也是可互换可互换的。的。提高有效性提高有效性提高传输速率提高传输速率可靠性降低；可靠性降低；提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。有效性降低。降低有效性，以提高可靠性；降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。降低可靠性，以提高有效性。411.3

26、 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标2.2.性能指标：性能指标：（1 1）传输速率）传输速率：三种定义。三种定义。码元速率（码元速率（RB）：）：单位时间内传输码元数。单位时间内传输码元数。“波特（波特（BaudBaud）”信息速率（信息速率（Rb）：）：单位时间内传输的信息量。单位时间内传输的信息量。“比特比特/秒秒(b/sb/s)”消息速率（消息速率（RW）：）：单位时间内传输的消息数。单位时间内传输的消息数。“字字/秒秒”421.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（1 1）传输速率：传输速率：信息量信息量I I：对于二进制系统而言，如果对于二进制系统而言，如果“0

27、”0”和和“1”1”等概率等概率出现的话，每个码元所含的信息量出现的话，每个码元所含的信息量 I=1=1，此时，码，此时，码元速率和信息速率在数值上相等。元速率和信息速率在数值上相等。对于多（对于多（M M）进制系统而言，每个码元所含的信）进制系统而言，每个码元所含的信息量是息量是I=log2 M，此时，二者的关系为，此时，二者的关系为Rb=RBlog2 M。2.2.性能指标：性能指标：431.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（2）错误率错误率：三种定义。三种定义。误码率（误码率（P Pe e）：）：误比特率（误比特率（P Pb b）：）：误字率（误字率（P PW W）：）：4

28、41.3 1.3 数字通信数字通信 -性能指标性能指标（3 3）频带利用率：）频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。（4 4）能量利用率：）能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。传输每一比特所需的信号能量。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量与占用频带间可交换。该能量与占用频带间可交换。返回返回451.4 1.4 信道信道一、信道分类（依传输媒体分）一、信道分类（依传输媒体分）1.1.无线信道：无线信道：利用电磁波来传播信号。利用电磁波来传播信号。如广播电台、移

29、动电话。如广播电台、移动电话。2.2.有线信道：有线信道：利用人造传输媒体来传输信号。利用人造传输媒体来传输信号。如传统的固定电话。如传统的固定电话。注意注意：信道中的噪声有源干扰；：信道中的噪声有源干扰；信道传输特性不良无源干扰。信道传输特性不良无源干扰。461.4 1.4 信道信道频频率范率范围围名称名称波波长长典型典型应应用用330Hz极低极低频频ELF103102km远远程程导导航、水下通信航、水下通信30300Hz超低超低频频SLF104103km海底通信、海底通信、电报电报0.33kHz特低特低频频ULF103102km数据数据终终端、有端、有线线通信通信330kHz甚低甚低频频V

30、LF10210km导导航、航、电话电话、电报电报、水下通信、水下通信30300kHz低低频频LF101km导导航、水下通信、无航、水下通信、无线电线电信信标标033MHz中中频频MF103102m广播、广播、业业余无余无线电线电、海事通信、海事通信330MHz高高频频HF10210m国国际际定点通信、定点通信、军军用通信、广播、用通信、广播、业业余无余无线电线电、电报电报、传传真真30300MHz甚高甚高频频VHF101m电视电视、调频调频广播广播、移、移动动通信、通信、导导航、空中管制航、空中管制0.33 GHz特高特高频频UHF10210cm电视电视、雷达、遥控遥、雷达、遥控遥测测、点、点

31、对对点通信、点通信、移移动动通信通信、导导航、航、GPS330GHz超高超高频频SHF101cm卫卫星和空星和空间间通信通信、微波接力、雷达、移、微波接力、雷达、移动动通信通信30300GHz极高极高频频EHF101mm射射电电天文、雷达、微波接力、移天文、雷达、微波接力、移动动通信、通信、铁铁路路业务业务300G3THz亚亚毫米波毫米波10.1mm未划分，未划分，实验实验用用43430 THz红红外外70.7m光通信系光通信系统统430750 THz可可见见光光0.70.4m光通信系光通信系统统7503000THz紫外紫外0.40.1m光通信系光通信系统统471.4 1.4 信道信道二、无线

32、信道二、无线信道 1.1.电磁波的发射和接收电磁波的发射和接收 均要用天线均要用天线 因天线尺寸的要求，通信频率都较高。因天线尺寸的要求，通信频率都较高。频率使用规划和管理频率使用规划和管理 国际电信联盟（国际电信联盟（ITUITU）定期召开世界无线）定期召开世界无线电通信大会电通信大会WRCWRC（The World Radio-The World Radio-communication Conferencecommunication Conference），制定频率使），制定频率使用国际协议。用国际协议。我国：信息产业部无线电管理局。我国：信息产业部无线电管理局。481.4 1.4 信道信

33、道根据通信距离、频率和位置的不同：根据通信距离、频率和位置的不同：地波传播地波传播 天波传播天波传播 视线传播视线传播二、无线信道二、无线信道 2.2.电磁波的传播电磁波的传播491.4 1.4 信道信道（1 1）地波传播地波传播 频率：频率：2 2MHzMHz 以下，有一定的绕射能力以下，有一定的绕射能力 绕射绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具 有的能力有的能力 通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 kmkm地面地面接收天线接收天线接收天线接收天线发射天线发射天线传播路径传播路径传播路径传播路径返回返回501.4 1.4 信道信道（2 2）天波传播）

34、天波传播 频率：频率：2 23030MHzMHz 电离层反射电离层反射：通信距离：单次可达通信距离：单次可达40004000kmkm，多次可达，多次可达10000km10000km地地 面面接收天线接收天线接收天线接收天线发射天线发射天线信号传播路径信号传播路径信号传播路径信号传播路径电离层电离层电离层电离层511.4 1.4 信道信道 电离层电离层：60-400 60-400 kmkm D D层层：高：高60-80 km60-80 km E E层层：高：高100-120 km100-120 km F F层层：高：高150-400 km150-400 km F1F1层层：140-200 km1

35、40-200 km F2F2层层：250-400 km250-400 km 晚上：晚上：D D层、层、F1F1层消失；层消失；E E层、层、F2F2层减弱层减弱 反射高频电磁波的主要是反射高频电磁波的主要是F F层层D DE EF FF F2 2F F1 1地地地地 面面面面返回返回521.4 1.4 信道信道（3 3）视线传播视线传播 频率：频率：3030MHzMHz以上以上 类似光波类似光波做视线传播（将穿透电离层）做视线传播（将穿透电离层）天线高度天线高度h h与传播距离与传播距离D(=2d)的关系：的关系：D 2=8rh50h （r为地球的等效半径）为地球的等效半径）地地 面面接收天线

36、接收天线接收天线接收天线发射天线发射天线信号传播信号传播信号传播信号传播hdrDd531.4 1.4 信道信道 采用采用无线电中继无线电中继，实现，实现远程通信远程通信。若天线架设高度为若天线架设高度为5050m，则视线距离约为则视线距离约为 5050km。即视距传输距离有限，需中继。即视距传输距离有限，需中继。地地 面面接收天线接收天线接收天线接收天线传播路径传播路径传播路径传播路径发射天线发射天线（3 3）视线传播视线传播541.4 1.4 信道信道 转发站转发站（基站基站）：）：人造卫星：人造卫星：3 3颗静止卫星颗静止卫星 （卫星通信系统卫星通信系统），目前），目前广泛应用广泛应用。5

37、51.4 1.4 信道信道 高空平台电台高空平台电台HAPSHAPS(HighHigh Altitude Altitude Platform Station)Platform Station)：250250个充氦气艇（个充氦气艇（平流层通信系统平流层通信系统），很），很有发展前途。有发展前途。561.4 1.4 信道信道 高空高空飞行器间的电磁波传播、飞行器间的电磁波传播、太空太空中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传播，都播，都符合视线传播规律符合视线传播规律，且，且不受或不受或少受少受大气层的影响。大气层的影响。电磁波在大气层内传播会衰减：电磁波在大气层内传播会衰

38、减：频率越高，衰减越严重；频率越高，衰减越严重；且存在谐振点，应避开。且存在谐振点，应避开。571.4 1.4 信道信道频率频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减）的衰减频率频率(GHz)(b)降雨的衰减降雨的衰减衰衰减减(dB/km)衰衰减减(dB/km)水蒸气水蒸气氧气氧气降雨率降雨率图图1.4.5 大气衰减大气衰减581.4 1.4 信道信道无线信道无线信道（4 4）散射传播散射传播 电离层散射：电离层散射：30 30 60 60 MHzMHz 对流层散射对流层散射:100:100 4000 4000 MHzMHz 通信流星余迹通信流星余迹:30

39、:30 100 100 MHzMHz 对流层散射通信对流层散射通信地球地球有有效效散散射区域射区域接收接收接收接收天线天线天线天线发射发射天线天线591.4 1.4 信道信道无线信道无线信道地地 球球流星余迹散射通信流星余迹散射通信601.4 1.4 信道信道无线信道无线信道注意注意：目前：目前民用民用无线电通信无线电通信中，应用最广的是中，应用最广的是蜂窝网蜂窝网和和卫星通信卫星通信。611.4 1.4 信道信道无线信道无线信道移动移动交换交换中心中心电话电话交换交换中心中心 蜂蜂窝窝网网621.4 1.4 信道信道l 明线明线l 对称电缆对称电缆l 同轴电缆同轴电缆二、有线信道二、有线信道

40、 1.1.传输电信号传输电信号631.4 1.4 信道信道有线信道有线信道（1 1）明线明线641.4 1.4 信道信道有线信道有线信道（2 2）对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线651.4 1.4 信道信道有线信道有线信道（2 2）对称电缆：双绞线）对称电缆：双绞线661.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 双绞线（双绞线（Twisted Twisted PairwirePairwire）由两根具由两根具有绝缘保护层的有绝缘保护层的铜导线铜导线组成，把两根导线按组成，把两根导线按一定密度互相缠绕在一起一定密度互相缠绕在一起,可降低信号干扰的可降低信号干扰的程度。程度。双绞线可以分为双绞线可以

41、分为屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STPSTP）与）与非非屏蔽双绞线屏蔽双绞线（UTPUTP）两大类。）两大类。其中屏蔽双绞线分别有其中屏蔽双绞线分别有3 3类和类和5 5类二种，类二种，非屏蔽双绞线又分别有非屏蔽双绞线又分别有3 3类、类、4 4类、类、5 5类、超类、超5 5类四种。类四种。（2 2）对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线671.4 1.4 信道信道有线信道有线信道（3 3）同轴电缆）同轴电缆同轴电缆截面示意图同轴电缆截面示意图双同轴电缆及双同轴电缆及6 6芯接头芯接头 681.4 1.4 信道信道有线信道有线信道（3 3）同轴电缆同轴电缆基站用射频同轴电缆基站用射频同轴电缆(50(50

42、同轴电缆同轴电缆)射频同轴电缆射频同轴电缆691.4 1.4 信道信道有线信道有线信道解释：解释：同轴电缆是一种通讯电缆，电缆同轴电缆是一种通讯电缆，电缆结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又再覆盖一层保护性材料。网外又再覆盖一层保护性材料。常用的同轴电缆有常用的同轴电缆有两类两类：5050和和7575同轴电缆。同轴电缆。（3 3）同轴电缆）同轴电缆701.4 1.4 信道信道有线信道有线信道l 有线信道电气特征有线信道电气特征信道信道类类型型通通话话容量容量（路）（路）频频率范

43、率范围围(kHz)传输传输距离距离(km)明明线线1+30.327300明明线线1+3+120.3150120对对称称电缆电缆241210835对对称称电缆电缆60122521218小同小同轴电缆轴电缆300601 3008小同小同轴电缆轴电缆960604 1004中同中同轴电缆轴电缆1 8003009 0006中同中同轴电缆轴电缆2 70030012 0004.5中同中同轴电缆轴电缆10 80030060 0001.5711.4 1.4 信道信道有线信道有线信道2.2.传输光信号传输光信号光纤光纤表面涂层表面涂层包层包层芯区芯区721.4 1.4 信道信道有线信道有线信道2.2.光纤光纤n1

44、n2折射率折射率折射率n1n22a光纤结构光纤结构731.4 1.4 信道信道有线信道有线信道光纤损耗光纤损耗光波波长（光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.72.2.光纤光纤741.4 1.4 信道信道l 调制信道模型调制信道模型l 编码信道模型编码信道模型四、信道模型四、信道模型75信信 源源发送端发送端接收端接收端信信道道编编码码调调 制制信信 道道压压缩缩编编码码解解 调调信信 宿宿保保密密解解码码信信道道解解码码压压缩缩解解码码保保密密编编码码噪声噪声同步同步信源编码信源编码信源解码信源解码数字通信系统模型数字通信系统模型1.4 1.4 信

45、道信道信道模型信道模型761.4 1.4 信道信道信道模型信道模型1.1.调制信道模型调制信道模型 对于单对于单“端对端对”信道：信道：e ei i(t t)e eo o(t t)时变线性时变线性网络网络eo(t)=f ei(t)+n(t)771.4 1.4 信道信道信道模型信道模型通常，通常，通常，通常，f f e ei i(t t)可以表示为：可以表示为：可以表示为：可以表示为：k k(t t)e ei i(t t)，此时，此时，此时，此时，e eo o(t t)=)=k k(t t)e ei i(t t)+)+n n(t t)其中其中其中其中k k(t t)表示时变线性网络的特性表示时变

46、线性网络的特性表示时变线性网络的特性表示时变线性网络的特性 ，称为，称为，称为，称为乘性干扰乘性干扰乘性干扰乘性干扰。k k(t t)是一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失是一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失是一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失是一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟真、非线性失真、延迟真、非线性失真、延迟真、非线性失真、延迟 等。等。等。等。最简单情况：最简单情况：最简单情况：最简单情况：k k(t t)=常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。常数，表示衰减。当当当当k k(t t)=常数，称为常数，称为常数，称为常数，称为恒恒恒恒(定

47、定定定)参参参参(量量量量)信道信道信道信道 例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆例如，同轴电缆 当当当当k k(t t)常数，称为常数，称为常数，称为常数，称为随随随随(机机机机)参参参参(量量量量)信道信道信道信道 例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道例如，移动蜂窝网通信信道eo(t)=f ei(t)+n(t)781.4 1.4 信道信道信道模型信道模型2.2.编码信道模型编码信道模型 二进制信号、无记忆信道：二进制信号、无记忆信道：其中，其中，其中，其中，P P P P(0/0),(0/0),(0/0),(0/0),P P P P(1/1)(1/

48、1)(1/1)(1/1)正确转移概率正确转移概率正确转移概率正确转移概率P P P P(0/1),(0/1),(0/1),(0/1),P P P P(1/0)(1/0)(1/0)(1/0)错误转移概率错误转移概率错误转移概率错误转移概率 转移概率转移概率转移概率转移概率 决定于编码信道的特性。决定于编码信道的特性。决定于编码信道的特性。决定于编码信道的特性。且有：且有：且有：且有：P P P P(0/0)=1-(0/0)=1-(0/0)=1-(0/0)=1-P P P P(1/0)(1/0)(1/0)(1/0)；P P P P(1/1)=1-(1/1)=1-(1/1)=1-(1/1)=1-P

49、P P P(0/1)(0/1)(0/1)(0/1)0 01 11 10 0P P(0/0)(0/0)P P(0/1)(0/1)P P(1/1)(1/1)P P(1/0)(1/0)791.4 1.4 信道信道信道模型信道模型 四进制编码信道模型四进制编码信道模型：01233210接接收收端端发发送送端端801.4 1.4 信道信道1.1.恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响 非时变线性网络。其非时变线性网络。其振幅振幅-频率特性频率特性：f(Hz)30030000衰衰耗耗 (d dB B)理想特性理想特性典型音频电话信道特性典型音频电话信道特性五、信道特性对信号传输的影响五、信道特性

50、对信号传输的影响811.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响1.1.恒参信道对信号传输的影响恒参信道对信号传输的影响其其相位相位-频率特性频率特性：()0理想特性理想特性理想理想特性特性 ()0 ()0理想特性理想特性821.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响畸变的影响畸变的影响:波形失真（相位失真）、码波形失真（相位失真）、码间串扰。间串扰。线性失真线性失真:频率失真和相位失真频率失真和相位失真 属于属于线性失真线性失真可用可用“线性补偿网络线性补偿网络”纠正，纠正，“均衡均衡”非线性失真非线性失真:振幅特性非线性、频率偏移、

51、振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动相位抖动 非线性失真非线性失真 难以消除难以消除831.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响2.2.变变参信道对信号传输的影响参信道对信号传输的影响（1 1）变参信道的变参信道的共性共性 ：衰落衰落:衰减随时间变化；衰减随时间变化；传输时延传输时延:随时间变化；随时间变化；多径效应多径效应:快衰落。快衰落。841.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响（2 2）接收信号的接收信号的特性特性:设发送信号为设发送信号为Acos 0t，则经过，则经过n条路径传播后的条路径传播后的接收信号接收信号R(t)可

52、以表示为：可以表示为：式中式中 ri(t)第第 i 条路径的接收信号振幅；条路径的接收信号振幅；i(t)第第 i 条路径的传输时延；条路径的传输时延；I(t)=-=-0 i(t)X c(t)X s(t)851.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响式中：式中：V(t)合成波合成波R(t)的包络的包络;多径衰落多径衰落 (t)合成波合成波R(t)的相位。的相位。即有：即有：由于，相对于由于，相对于 0而言，而言，ri(t)和和 i(t)变化缓慢，变化缓慢，故故Xc(t),Xs(t)及及V(t),(t)也是缓慢变化的。也是缓慢变化的。所以，所以，R(t)可以视为一个窄

53、带信号（随机过程）可以视为一个窄带信号（随机过程）。861.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响由下式可见由下式可见：原发送信号原发送信号原发送信号原发送信号AcosAcosAcosAcos 0t0t0t0t，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后：，经过传输后：l 恒定振幅恒定振幅恒定振幅恒定振幅A A A A，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅，变成慢变振幅V(tV(tV(tV(t););););l 恒定相位恒定相位恒定相位恒定相位0 0 0 0，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位，变成慢变相位 (t)(t)(t)(t)；因而，频谱由单一频率变成

54、因而，频谱由单一频率变成因而，频谱由单一频率变成因而，频谱由单一频率变成窄带频谱窄带频谱窄带频谱窄带频谱。tff0871.4 1.4 信道信道信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响（3 3）三类信号：三类信号：*确知信号确知信号*随相信号随相信号*起伏信号起伏信号 返回返回881.5 1.5 信道中的噪声信道中的噪声1.1.按照按照来源来源分类：分类：人为噪声人为噪声人为噪声人为噪声：电火花、家用电器：电火花、家用电器：电火花、家用电器：电火花、家用电器 自然噪声自然噪声自然噪声自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声：闪电、大气噪声、热噪声：闪电、大气噪声、热噪声：闪电、大气噪声、热噪声2

55、.2.按照按照性质性质分类：分类：脉冲噪声脉冲噪声脉冲噪声脉冲噪声：电火花：电火花：电火花：电火花 窄带噪声窄带噪声窄带噪声窄带噪声：相邻电台或其它电子设备：相邻电台或其它电子设备：相邻电台或其它电子设备：相邻电台或其它电子设备 起伏噪声起伏噪声起伏噪声起伏噪声：热噪声：热噪声：热噪声：热噪声 今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声白噪声白噪声白噪声 热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。热噪声是一种典型白噪声。返回返回89小结小结1.1.消息、信息和信号的定义消息、信息和信号的定

56、义2.2.数字通信的概念和数字通信系统模型数字通信的概念和数字通信系统模型3.3.信道和信道中的噪声信道和信道中的噪声返回返回90思考题、习题思考题、习题习题：习题：1.21.2，1.31.3，1.41.4，1.51.5，1.81.8返回返回91数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失真和恢复(a)失失真真的的数数字字信信号号(b)恢复的数字信号恢复的数字信号 返回返回92几个基本概念几个基本概念 基带基带：来自信源（或经过编码）的信号：来自信源（或经过编码）的信号所占用的频带。这种信号也称为所占用的频带。这种信号也称为基带信号基带信号。带通信号带通信号：经过载波调制后的信号。：经过载波调制后的信号。基带调制基带调制：改变信号的波形，使之适于：改变信号的波形，使之适于在基带信道中传输，调制后仍为基带信号。在基带信道中传输，调制后仍为基带信号。带通调制带通调制：进行了频谱搬移，调制后为：进行了频谱搬移，调制后为带通信号。带通信号。返回返回93