通信原理第1章 序论课件.ppt

第一章 绪论,1,通信原理,第一章绪论,第一章 绪论,2,第1章绪论,1.1引言 1.2 通信系统模型 1.3通信系统的分类及通信方式1.4信息及其度量 1.5 主要性能指标,第一章 绪论,3,1.1引言,1、通信概念：信息的传递过程称为通信。,人类自存在以来，在生存和斗争中总要进行思想交流和信息的传递，通信自古以来一直沿着人类历史前进的足迹不断地发展。,远古时代的通信：表情、动作；,文明古时代的通信：语言、文字、烽火告警、 驿马传令等；,近代、现代的通信：电报、电话、广播、传真、 电视、雷达、遥控遥测、 人工智能等。,电信号给予通信一个质的飞跃。,第一章 绪论,4,1837年，Morse 发明电报；1876年，贝尔，发明电话；1887年，赫兹，证明电磁波的存在；20世纪初，调幅调制方式； 1936年，调频技术FM发展；1928年，奈奎斯特定理的提出（抽样定理）1937年，PCM通信的发明1955年，皮尔斯 卫星通信； 1962年，发射第一颗通信卫星TELSTAR大规模的集成电路的发展。,通信发展历程,第一章 绪论,5,2、通信网概念： 为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程, 一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。,3、通信网的构成,1）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）、电视等2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等4）协议和准则,通信技术是一门年轻但发展迅速的新技术，已由简单的通信技术发展成为通信科学。,第一章 绪论,6,通信的发展必须在通信技术发展的基础上形成一套科学的标准体系，并得到普遍的遵循和贯彻。,4、通信的标准,标准由很多种：国际标准、国内标准、军用标准和非军用标准等。,随着现代技术，尤其是计算机技术及其应用的发展，现代通信都以网络的方式进行，入网用户数目巨大、业务类型繁多、处理大量数据业务及多媒体业务；终端设备种类、数量不断增多；通信设备越来越广泛，遍布陆地、海洋、天空、地下以至于外层空间,第一章 绪论,7,4、本课程的主要任务 本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统的组成、原理和性能指标。,国际标准是指由国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）以及ISO公布的其他27个国际组织通过的标准， 在27个国际组织中，与通信最密切的有两个：,国际无线电通信咨询委员会：CCIR,国际电话电报咨询委员会：CCITT,第一章 绪论,8,1.2 通信系统模型,1.2.1 通信系统模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。基本的点对点通信系统模型：,噪声源,信息源,发送设备,信道,接收设备,受信者,消息原始电信号,原始电信号 传输信号,传输信号 原始电信号,原始电信号消息,第一章 绪论,9,1.信源,电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。模拟信源，输出的是模拟信号；数字信源，输出离散的数字信号。,信源是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。,第一章 绪论,10,2.发送设备,变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。,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变换成适合在信道中传输的信号。,第一章 绪论,11,3.信道,信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）， 在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。,媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。,第一章 绪论,12,4.噪声源,噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。,第一章 绪论,13,5.接收设备,接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换， 即进行解调、译码、解码等。其任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,6.信宿,信宿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。,第一章 绪论,14,1.2.2 模拟通信和数字通信系统模型,连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的， 如符号、数据等。,1.消息,消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系， 把消息载荷在电信号的某一参量上，,第一章 绪论,15,凡电信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。,2.信号,按电信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。,模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。,第一章 绪论,16,凡电信号参量只能取有限个值（离散），并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。,数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。,第一章 绪论,17,模拟信号波形 (a) 连续信号； (b) 抽样信号,第一章 绪论,18,数字信号波形 (a) 二进制波形； (b) 2PSK波形,第一章 绪论,19,3. 通信系统,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号， 可把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,（1）模拟通信系统模型,发送端,接收端,噪 声,第一章 绪论,20,1）两种变换连续消息 基带信号基带信号/调制信号 频带信号/已调信号,2）调制与解调,信源发出的原始电信号是基带信号，其频谱从零频附近开始，如语音信号为300-3400Hz，图像信号为0-6MHz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量， 一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号（频带信号），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。,第一章 绪论,21,已调信号的基本特征：携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。,3）已调信号/频带信号经过调制以后的信号。,由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。,第一章 绪论,22,4）实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。,5）模拟通信的主要特点1） 抗干扰能力差2） 不易于保密通信3） 设备不易于大规模集成4） 不适应飞速发展的计算机通信的要求5） 简单、易于实现。,第一章 绪论,23,技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、 同步以及加密等。,（2） 数字通信系统模型,第一章 绪论,24,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；,第一章 绪论,25,1.信源编码与译码,作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽（正比），而传输带宽又直接反映了通信的有效性（反比）。作用二: 是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源编码方法：PCM、ADPAM、DM等 信源译码是信源编码的逆过程。,第一章 绪论,26,2.信道编码与译码,数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码/差错控制编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。,第一章 绪论,27,3.加密与解密,在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全， 人为将被传输的数字序列扰乱， 即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,第一章 绪论,28,4.数字调制与解调,数字调制就是把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。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关接收机或匹配滤波器实现。调制与解调不是必须的。,第一章 绪论,29,5.同步与数字复接,同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。,第一章 绪论,30,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，例如：数字电话系统数字信号也可以在模拟通信系统中传输；例如：计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,注意：,第一章 绪论,31,抗干扰能力强。差错可控。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化， 从而使通信设备微型化。易于加密处理， 且保密强度高。,数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。,数字通信的主要特点,第一章 绪论,32,1.3 通信系统分类与通信方式,按通信业务分： 话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。按调制方式分类:基带传输频带（调制）传输。按信号特征分类:模拟通信系统数字通信系统按传输媒质分类:有线通信系统无线通信系统按工作波段分类按信号复用方式分类:频分复用、时分复用和码分复用。,1.3.1 通信系统分类,第一章 绪论,33,表 1- 1常见的调制方式,第一章 绪论,34,续表（2）,第一章 绪论,35,表 1 2 通信波段与常用传输媒质,第一章 绪论,36,续表（2）,显而易见，频率越高，波长越短。,第一章 绪论,37,对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。,（1）单工通信， 是指消息只能单方向传输的工作方式， 因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等。,1.3.2 通信方式,1、按消息传递的方向与时间关系分,第一章 绪论,38,（2）半双工通信，是指通信双方都能收发消息， 但不能同时进行收和发的工作方式。使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。,第一章 绪论,39,（3）全双工通信， 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。,普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。,第一章 绪论,40,单工、 半双工和全双工通信方式示意图,(a) 单工； (b) 半双工； (c) 全双工,第一章 绪论,41,2、按数字信号排列顺序分,并行传输是将代表信息的数字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。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂， 成本高， 故较少采用， 一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。,在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。,第一章 绪论,42,串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,此外，还可以按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。,第一章 绪论,43,并行和串行通信方式示意图,(a) 并行传输； (b) 串行传输,第一章 绪论,44,1.4 信息及其度量,信号是消息的载体，而信息是其内涵。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量.任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,（1）消息与信息,消息文字、语言、数据、图像,信息消息中包含的有意义的内容，是对消息中的 不确定性的描述,第一章 绪论,45,（2）信息量：传输信息的多少,假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息量。,问题信源发出的每一个消息包含的信息量可能是不相等的，有的消息携带信息量多，有的甚至几乎没有什么信息量，那每个消息携带多少信息量，各消息之间的信息量多少的比较如何来衡量？,请看两条消息：,a、中国乒乓球队夺取奥运会冠军；,b、中国男子足球队获得世界杯赛冠军。,信息量少,信息量大,第一章 绪论,46,（1） 信息量是概率的函数， 即：I = fP(x)（2） P(x)越小，I越大；反之，I越小，且： P(x)1时，I0；P(x)0时，I（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之和，也就是说，信息具有相加性， 即： IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,显然，消息的信息量与概率有关：,信息量定义：,第一章 绪论,47,信息量的单位,信息量的单位与对数底数a有关。a=2时， 信息量的单位为比特(bit)；a=e时， 信息量的单位为奈特(nit)； a=10时，信息量的单位为哈特莱（Hartley）。目前广泛使用的单位为比特。,信息量,第一章 绪论,48,例 1-1： 设二进制离散信源， 以相等的概率发送 数字0或1，则信源每个输出的信息含量为：,1bit的定义：,传输两个等概率的二进制（信号）波形之一的信息量为1bit。,a. 等概率情况,工程上习惯将一个二进制码元称为“1bit”。,（3）信息及其度量：,第一章 绪论,49,M=4时的信息量为 比特；M=8时的信息量为 比特。,设M进制离散信源， 以相等的概率（P1/M）发送M进制消息之一，则信源每个输出的信息量为,思考：一个M进制波形需要用几个二进制波形表示？,则一个M进制波形需要用K二进制波形表示。,即每一个等概率的M进制波形包含的信息量等于该M进制波形用二进制波形表示时的波形数K。,第一章 绪论,50,b.非等概情况,设离散信源是一个由n个符号组成的符号集， 其中每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)，且有：,该信源可表示为（信源空间）：,第一章 绪论,51,一个x1所包含的信息量：,一个x2所包含的信息量：,一个xi所包含的信息量：,一个xn所包含的信息量：,若信源发出一串N个（Nn）符号组成的消息串，由先验概率可知：,x1发生,x2发生,xi发生,xn发生,传送信息量：,第一章 绪论,52,该信源发出N个符号总的信息量：,则平均信息量为：,由于H同热力学中的熵形式一样， 故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。,第一章 绪论,53,问题：概率如何分布时，信源的熵最大。,回答：当信源分布为等概时，信源的熵最大。,对于连续信源，若其连续消息出现的概率密度函数为f(x)，则其信源熵为：,第一章 绪论,54,1.5 主要性能指标,有效性和可靠性有效性指在给定信道内所传输的信息内容的多少，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。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,第一章 绪论,55,1.在模拟通信系统中,有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。 如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。,第一章 绪论,56,误差的形成：,加性噪声信号在传输时叠加上的噪声，并始终存在；,乘性噪声由于信道传输特性不理想产生的误差，如仪器、设备等，这种干扰随信号消失而消失。,系统用输出信噪比SNR来衡量模拟系统的性能好坏， SNR越大越好，如：,普通电话： SNR20dB,电视图像： SNR40dB,第一章 绪论,57,2.在数字通信系统中,有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。,（1）码元长度和码元,码元长度用时间间隔相同的符号表示一位N进制 数字，这一时间间隔称为码元长度。,码元码元长度时间内的信号称为码元。,第一章 绪论,58,（1）传输速率, 码元传输速率RB （简称传码率，又称波特率等）表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。,数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,由于M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：,第一章 绪论,59, 信息传输速率Rb （简称传信率，又称比特率等）它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或b/s ，或bps。, 传码率和传信率之间的关系,二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。,第一章 绪论,60,（2）差错率,衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。,误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即,第一章 绪论,61,误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例， 即,在二进制中有 Pb=Pe,思考：当M2时，Pb ？Pe,第一章 绪论,62,例1： 设一信息源的输出由128个不同符号组成，其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的概率是1/224，信息源每秒发出1000个符号，且彼此独立，试计算该信源的熵和平均信息速率。,第一章 绪论,63,例2： 如果二进制独立等概信号，码元宽度为0.5ms，求RB和Rb； 若有四进制信号，码元宽度为0.5ms，试再求RB和Rb。,第一章 绪论,64,作业：1-2，1-4，1-8,人类对新技术的追求是无止境的，对新的通信系统和通信技术的研究仍在不断进行，新的通信系统和通信技术也将会不断服务于人类。,