课程名称通信系统原理CommunicationSystem.ppt

课程名称通信系统原理 Communication Systems Concepts,开场白,一、本课的重要性： 1、 入专业之门。 2、 垫专业之底。 3、 领专业之路。,通信系统原理是一门介绍信息传输基本原理（理论和技术）的课程。 它的研究对象是通信系统。,二、目的要求： 三、学习要领： 1、明白原理。 1、求真知。 2、学会计算。 2、常复习。 3、联系实际。 3、重自学。,通信网中涉及传输（Transmission）、 复用（Multiplexing）、交换（Switching）、 网络（Network）四大技术， 通信系统原理重点介绍传输和复用。,教材及参考书,教材通信原理教程达新宇等 北京邮电大学出版社 参考书 通信原理（第5版） 樊昌信等 国防工业出版社 通信原理 马海武等 北京邮电大学出版社 现代通信原理 曹志刚、钱亚生 清华大学出版社 通信系统（第四版）英文版 加Simon Haykin 电子工业出版社 Digital and Analog Communication Systems（第五版）Leon W. Couch II 清华大学出版社（影印版 ) 通信原理学习与考研指导 沙济彰等 科学出版社 通信原理考研指导 信息通信专业考研指导丛书 郝建军、尹长川 北京邮电大学出版社 通信原理习题集 杨鸿文、桑林 北京邮电大学出版社,第1章 绪 论 本章教学要求：,1、掌握信息量和通信系统主要性能指标的计算；掌握恒参信道和随参信道特性及对信号传输的影响。 2、熟悉通信基本概念（通信、消息、信号、信息等） 3、理解信道的定义和模型。 4、了解通信系统模型、分类和通信方式。,主要外语词汇,通信（Communication） 电信（Telecommunication） 消息(Message) 信号(Signal) 信息（Information） 模拟通信（Analog Communication） 数字通信（Digital Communication） 信息量（Amount of Information） 信道（Channels） 信道容量（Channel Capacity） 信噪比（Signal-to-noise ratio，简写 SNR） 噪声（Noise） 信息熵（Information Entropy）,作业,P21 3，4，7，8，18，19,本章主要内容,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信发展概况 1.4 信息及其量度 1.5 通信系统的主要性能指标 1.6 信道 1.6.1 信道的分类和有关概念 1.6.2 恒参信道特性及其对信号传输的影响 1.6.3 随参信道特性及其对信号传输的影响, 1.1 通信的基本概念,一、 通信的定义,通信（communication） 指从一个地方向另一个地方进行消息的有效传递与交换。 电信（Telecommunication） 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与交换。,二、现代通信的业务内容,1、电报 4、广播 2、电话 5、电视 3、传真 6、因特网,未来的个人通信 任何人（Whoever）在任何时候（Whenever）和任何地方（Wherever）与另一人（Whomever）以任何方式（Whatever）进行信息的实地实时全天候的交互。,三、消息、信号和信息,1、消息（message）有待传输的符号、文字、数据 和语声等。 2、信号（signal）与消息相对应的电或光的波形， 是消息的物质载体。 3、信息（information）消息中包含的有意义（有用） 的内容。 不同形式的消息可包含相同信息。,四、 通信系统的分类,1、 按信号形式分： 模拟通信和数字通信 2、 按传输媒介分： 有线通信和无线通信 3、 按通信业务分： 电报、电话、传真、 数据传输、 可视 电话、无线寻呼等 4、按调制方式分： 基带传输和频带传输 5、按复用方式分： 频分复用、时分复用、码分复用 6、按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信和微波通 信 7、 按收信者是否运动分：移动通信和固定通信,五、通信方式,1. 按消息传送的方向与时间分,图 1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 (a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式,2. 按数字信号排序分,图 1-2 按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串行传输方式 ； (b) 并行传输方式,3. 按通信网络形式分,图 1-3 按网络形式划分的通信方式 (a) 两点间直通方式； (b) 广播方式； (c) 交换方式, 1.2 通信系统的组成 一、通信系统模型：,图 1-4 通信系统的模型,数字信号与模拟信号,模拟信号：代表消息的参量是连续的或在某一范围内可以取无穷多个值，时间上不一定连续； 数字信号：代表消息的参量是离散或可数的，时间上不一定离散；,模拟信号波形 数字信号波形 (a)连续信号 (a) 二进制波形 (b) 抽样信号 (b) 2PSK波形,二、模拟通信系统（第3章） （Analog Communication）,图 1-5 模拟通信系统的模型,三、数字通信系统（Digital Communication） 1、数字基带传输系统（第4章）,图 1-6 数字基带通信系统的模型,2、数字频带传输系统（第5章）,图 1-7 数字频带通信系统的模型,四、数字通信系统优点,与模拟通信比较，数字通信主要有以下五大好处： 1、 通信质量好，噪声不累积。 2、可以通过编码进行差错控制，改善传输质量。 3、可利用现代数字信号处理技术处理数字信息。 4、可加密，保安全。 5、可实现综合业务，使通信功能增强。,图1-8 两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号；(b)数字信号,模拟信号数字化通信系统（第6章）,A/D转换（Analogdigital conversion）：模拟数字转换。 D/A转换（Digitalanalog conversion）：数字模拟转换。,图 1-9 模拟信号数字化通信系统的模型, 1.3 通信技术发展概况,一、 通信发展简史,表 1-1 通信重大事件表,二、 通信技术的现状和发展趋势（第11章）,1. 光纤通信 光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现 ，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100 km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。,2. 卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远， 覆盖面积广， 不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。 目前， 卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播， 它使全世界人与人之间的“距离”缩短。,3. 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。 近10年来， 在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、 无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。 移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。20世纪90年代是蜂窝电话迅速普及的年代。但目前世界上存在多种不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。数字化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。,4. 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40 MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。, 1.4 信息及其量度,我们定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用 I 表示。 这说明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量就为0。,一、信息量的定义：,1、信息是消息（信号）的不确定性的度量。 有不确定性，才有“惑”要解。确定事物不含信息。 通信是消除不确定性的过程。 可用通信所消除的不确定性的多少来定义所传输信息的多少。 2、不确定性来自客观事物本身的随机性，可以用概率统计来定量描述之。 3、概率为1的事件，不存在不确定性； 概率越小，不确定性越大。 用不确定性的大小表达信息，应与概率的倒数有关。 I 1 / P,4、若干独立事件的总信息量应等于各事件信息量的总和；而独立事件联合概率是各事件概率的乘积。 为此定义： Ilog（1 / P）log P 则有：当PP1P2Pn 时，I=I1+I2+In 5、对数以2为底时，信息量的单位叫“比特”。 （bit） 对数以e为底时，信息量的单位叫“奈特”。（nit） 对数以10为底时，信息量的单位叫“哈特莱”。（hartley） 通常广泛使用的单位为比特。,二 、信息熵（平均信息量）,所谓平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值。 1离散信源的熵 已知信源发出M个不同消息（符号）的概率分别为Pi，（i1、2、3M） 则发不同消息（符号）时各信息量不同： （i1、2、3M）,平均而言，发出一个符号的信息量为 ：,2离散信源的最大熵 H0=Hmax=log2 M 发生在 P1=P2=PM=1/M 的等概情况下。 二元等概信源 H0=log22=1 ， 每位码元所含信息量为1比特。 3连续信源的熵（相对熵） 式中f(x)为连续消息x出现的概率密度函数。,例 1,设由5个符号组成的信息源，相应概率为, 1.5 通信系统的主要性能指标,一、一般通信系统的性能指标：,1、有效性 5、保密性 2、可靠性 6、标准性 3、适应性 7、维修性 4、经济性 8、工艺性,通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。 有效性 是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 是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。 ,二、模拟通信系统的有效性和可靠性指标：,有效性可用带宽（信号所占用的频率范围的宽度） 来度量。 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。 S为信号功率， N为噪声功率。,三、数字通信系统的有效性和可靠性指标： 1、有效性,数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。 （1）码元传输速率 RB 简称传码率，又称符号速率等。它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:,通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。 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： RB2=RBMlog2 M (B) M=2k (k=1,2,3) 注：log2 lb,（2）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。,（3）码元速率RB和信息速率Rb的关系 Rb=RBH (b/s) 式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 等概传输时，熵有最大值H=log2M，信息速率也达到最大，即 Rb=RB log2 M (b/s) 式中，M为符号的进制数。,例如码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，最大信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，最大信息速率为1200b/s。可见，二进制的码元速率和最大信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。 ,频带利用率： 比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占用信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元或信息传输速率，即,B/Hz,b/s/Hz,例1,已知二进制数字信号在2mins内共传送了72000个码元。 问其码元速率和信息速率各为多少? 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少?, 解: (1) 在260s内传送了72000个码元 RB2=72 000 / (260)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s) (2) 若改为8进制 码元宽度不变(即