通信原理绪论部分

1、沈忠良讲师沈忠良讲师理 工 大 学 通 信 工 程 学 院理 工 大 学 通 信 工 程 学 院无线通信教研中心联合战术通信教研室无线通信教研中心联合战术通信教研室解放军理工大学解放军理工大学2解放军理工大学解放军理工大学3解放军理工大学解放军理工大学4章章 节节内内 容容讲授讲授 / 次次122531465564748330解放军理工大学解放军理工大学5解放军理工大学解放军理工大学6第1章 绪论n 引言n1.1通信系统的组成n1.2通信系统分类与通信方式n1.3信息及其度量n1.4主要性能指标n1.5通信发展简史解放军理工大学解放军理工大学7 引言引言 2、通信意义：通信与传感技术、计算技术

2、紧密结合，构成现代社会的“神经中枢”。通信技术已成为推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。1、通信概念：信息的传递过程称为通信. 本课讲述以电信号为信息载体的通信方式。 解放军理工大学解放军理工大学81.1 通信系统的组成1.1.1 通信系统一般模型信息源信息源发送发送设备设备信道信道接收接收设备设备受信者受信者噪声源噪声源通信系统的一般模型通信系统的一般模型完成信息传递所需的通信设备和传输媒质组成通信系统。信息的产生信息的产生地；原始电地；原始电信号，称基信号，称基带信号；电带信号；电话机、摄像话机、摄像机、计算机机、计算机等。等。将原始基将原始基带信号变带信号变换成适合换成适合在信道中在

3、信道中传输的信传输的信号。号。 传输传输信号信号的物的物理媒理媒质质 信道中的噪信道中的噪声及分布在声及分布在通信系统其通信系统其他各处噪声他各处噪声的集中表示的集中表示 传输信息传输信息的归宿点，的归宿点，将接收设将接收设备恢复出备恢复出的原始基的原始基带电信号带电信号转换成相转换成相应的信息应的信息 从混有从混有噪声的噪声的信号中信号中恢复出恢复出原始的原始的电信号电信号 解放军理工大学解放军理工大学91.1.2 模拟与数字通信系统模型1. 模拟与数字信号模拟与数字信号模拟信号:数字信号:信号中表示信息的参数只在有限的集合中取值，其状态是可数的。时间上未必离散。信号中表示信息的参数（如波形

4、的振幅、频率、相位，脉冲的宽度等）在连续区间中取值，其状态是不可数的。时间上未必连续。解放军理工大学解放军理工大学101.1.2 模拟与数字通信系统模型1. 模拟与数字信号模拟与数字信号O(a)(b )OPAM信号亮度信号亮度信号ovt模拟信号波形模拟信号波形 ：(a) 连续信号；连续信号； (b) 抽样信号抽样信号解放军理工大学解放军理工大学11数字信号波形数字信号波形 ：(a) 二进制波形；二进制波形； (b) 2PSK波形波形1.1.2 模拟与数字通信系统模型1. 模拟与数字信号模拟与数字信号解放军理工大学解放军理工大学122. 模拟通信系统模型模拟通信系统模型n模拟通信系统：是利用模拟

5、信号来传递信息的通信系统。1.1.2 模拟与数字通信系统模型模拟信息源发送设备信道受信者噪声源接收设备解放军理工大学解放军理工大学13受信者发送设备信源编码器加 密 器信道编码器调 制 器信息源信道噪声源接收设备信源译码器解 密 器信道译码器解 调 器模拟信号模拟信号数数字信号字信号减少信号中的减少信号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选件可选件使信息带有规使信息带有规律性，以减少误律性，以减少误码概率码概率增加冗余以提增加冗余以提高可靠性高可靠性可选件可选件频谱搬移，以频谱搬移，以适应频带传输要适应频带传输要求求基带传输无需基带传输无需此模块此模块1.1.2 模拟与数字通

6、信系统模型3. 3. 数字通信系统模型数字通信系统模型解放军理工大学解放军理工大学144. 数字通信特点数字通信特点缺点：缺点：占据更多带宽 由压缩编码及宽带信道解决1.1.2 模拟与数字通信系统模型优点：优点：n抗干扰能力强,允许信号失真,接力通信时无噪声积累；n差错可控，可采用纠错编码技术降低误码率；n数字信号易于加密处理，保密性强；n便于存储、交换、处理及和计算机等设备连接； 语音、图像、文字、数据等多种业务可以变换成统一的数字信号在同一个网络中进行传输、交换和处理。n易于集成化，体积小，成本低 。解放军理工大学解放军理工大学151.2 通信系统分类与通信方式按通信业务分：语音通信，视频

7、通信，数据通信等n1.2.1 1.2.1 通信系统的分类通信系统的分类按按调制方式调制方式分：基带通信，频带通信分：基带通信，频带通信按按信号特征信号特征分：模拟通信，分：模拟通信，数字通信数字通信按按传输媒质传输媒质分：有线通信，无线通信分：有线通信，无线通信按按工作波段工作波段分（主要针对无线通信）：长波、中波、短波、分（主要针对无线通信）：长波、中波、短波、超短波、微波等超短波、微波等按信号按信号复用方式复用方式分（主要针对无线通信）：频分复用通信，分（主要针对无线通信）：频分复用通信，时分复用通信，码分复用通信，空分复用通信等时分复用通信，码分复用通信，空分复用通信等。解放军理工大学解

8、放军理工大学16调制方式调制方式用途用途连连续续波波调调制制线性调制线性调制常规双边带调幅常规双边带调幅AM广播广播抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅DSB立体声广播立体声广播单边带调幅单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传残留边带调幅残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真电视广播、数传、传真非线性调制非线性调制频率调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播相位调制相位调制PM中间调制方式中间调制方式数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK数据传输数据传输频率键控频率键控PSK数据传输数据传输相位键控相位键控PSK、DPSK、QPSK等等数据传输

9、、数字微波、空间通信数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、MSK等等数字微波、空间通信数字微波、空间通信脉脉冲冲调调制制脉冲模脉冲模拟调制拟调制脉幅调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测中间调制方式、遥测脉宽调制脉宽调制PDM（PWM）中间调制方式中间调制方式脉位调制脉位调制PPM遥测、光纤传输遥测、光纤传输脉冲数脉冲数字调制字调制脉码调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信市话、卫星、空间通信增量调制增量调制DM民用、军用电话民用、军用电话差分脉码调制差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码电视电话、图像编码其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中

10、低速数字电话中低速数字电话表表1-1常见的调制方式常见的调制方式解放军理工大学解放军理工大学17频率时间码FDMTDMCDM解放军理工大学解放军理工大学18频率范围频率范围波长波长符号符号传输媒质传输媒质用途用途3Hz-30kHz104-108m甚低频甚低频VLF有线线对有线线对长波无线电长波无线电音频、电话、数据终端长距音频、电话、数据终端长距离导航、时标离导航、时标30-300kHz103-104m低频低频LF有线线对有线线对长波无线电长波无线电导航、信标、电力线通信导航、信标、电力线通信300kHz-3MHz102-103m中频中频MF同轴电缆同轴电缆中波无线电中波无线电幅广播、移动陆地

11、通信、业幅广播、移动陆地通信、业余无线电余无线电3-30MHz10-102m高频高频HF同轴电缆同轴电缆短波无线电短波无线电移动无线电话、短波广播定移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电点军用通信、业余无线电30-300MHz1-10m甚高频甚高频VHF同轴电缆同轴电缆米波无线电米波无线电电视、调频广播、空中管制、电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航车辆、通信、导航300MHz-3GHz10-100cm特高频特高频UHF波导波导分米波无线电分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、微波接力、卫星和空间通信、雷达雷达3-30GHz1-10cm超高频超高频SHF波导波导厘米波无线电厘米波

12、无线电微波接力、卫星和空间通信、微波接力、卫星和空间通信、雷达雷达30-300GH1-10mm极高频极高频EHF波导波导毫米波无线电毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文雷达、微波接力、射电天文学学107-108GHz3 10-5-3 10-4cm紫外可见光紫外可见光红外红外光纤光纤激光空间传播激光空间传播光通信光通信表表1-2通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质83 10/()m scff Hz解放军理工大学解放军理工大学191.2.2 通信方式1.按消息传递的方向与时间关系分：单工、半双工及全双工通信三种方式。发端接端信道n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

13、道。解放军理工大学解放军理工大学201.2.2 通信方式n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。发端接端发端接端信道解放军理工大学解放军理工大学211.2.2 通信方式n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。发端接端发端接端信道信道解放军理工大学解放军理工大学22n并行通信：并行通信：数字序列以成数字序列以成组的方式在组的方式在两条或两条以两条或两条以上上的并行信道上同时传输。的并行信道上同时传输。n例：例：PCI总线总线n高速，短距离高速，短距离发送设备接收设备D0: 10011D1: 01001D2: 11100D3: 10001发送设备接收

14、设备D: 1011 01100010 1000 1101n串行通信串行通信：数字序列以：数字序列以串行方式一个接一个地串行方式一个接一个地在在一条一条信道上传输。信道上传输。n例：例：USB总线总线n应用更广泛应用更广泛1.2.2 通信方式2.按数字信号排列顺序分：并行传输和串行传输。解放军理工大学解放军理工大学23解放军理工大学解放军理工大学24n信息是有度量的信息是有度量的v明天是阴天明天是阴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较大信息量较大v明天要下暴雨刮台风明天要下暴雨刮台风信息量更大信息量更大1.3 信息及其度量解放军理工大学解放军理工大学251.3 信息及其度量1

15、.1.信息量信息量 只有消息中的不确定的内容才构成信息，所以信息量就是只有消息中的不确定的内容才构成信息，所以信息量就是对这种不确定性的定量描述。对这种不确定性的定量描述。n信息量：信息的多少，就是对消息中不确定性内容的度量信息量：信息的多少，就是对消息中不确定性内容的度量, 单位是比特单位是比特( bit).信号是消息的载体，而信息是其内涵。信号是消息的载体，而信息是其内涵。解放军理工大学解放军理工大学261.3 信息及其度量n信息量的计算 事件的不确定程度，可以用其出现的概率来描述，某离散消息X发生的概率为P（X），其所携带的信息量为： 1()()loglogbitP XP XaaI 说明

16、： a=2时，单位为比特（bit）； a=e时，单位为奈特（nit）； a=10时，单位为十进制单位，叫哈特莱。 解放军理工大学解放军理工大学271.3 信息及其度量n例2 对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，求传送M进制波形之一的信息量。 n例1设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出符号的信息含量为 22101loglog 21(bit)1/2II22211logloglog()1/IM bitsPMM=2k 2log 2KIkbit解放军理工大学解放军理工大学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号平均信息量，信息源各符号平均信息量，bit/符号符号(bit/sym)当信源中每个符号等概独立出现时，熵有最大值：2Hbit/symlogN解放军理工大学解放军理工大学29解：符号等概，熵的计算简化为每符号信息量：故该消息的总信息量： 572114I bits 例3 一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率相等 ，每个符号的出现都是独立的。已知一消息序列由57个符号组成。(1)求该消息的熵。 (2) 求该消息的信息量。 bits/符号 21log24H 解放军理工大学解放军理

18、工大学301.3 信息及其度量n例4 一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为38，14， 1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息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出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为 2222823log14log 4 13log 47log 81083Ibits若用熵的概念来计算若用熵的概念来计算 222233111111loglogloglog1.906

19、88444488H bits/sym 则该消息的信息量则该消息的信息量 57 1.906108.64I bits 解放军理工大学解放军理工大学31解放军理工大学解放军理工大学321.4 通信系统的性能指标主要指标：有效性和可靠性n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。n可靠性：是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。结论：这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。解放军理工大学解放军理工大学331.4.1 模拟通信系统主要性能指标n有效性有效性: : 用频带利用率来度量。n可靠性可靠性: : 用接收端输出信噪比来度量。不同调制方式在同样

20、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。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。如SSB只用一半的带宽与AM传输同样的消息解放军理工大学解放军理工大学341.4.2 数字通信系统主要性能指标n有效性:码元速率、信息速率及频带利用率n可靠性：误码率、误信率解放军理工大学解放军理工大学35n码元传输速率：每秒钟传送码元的数目，通常用码元传输速率：每秒钟传送码元的数目，通常用R RB B表示。表示。n单位：码元单位：码元/ /秒；符号秒；符号/ /秒；波形秒；波形/ /秒；波特（秒；波特（baudbaud），用符），用

21、符号号“B”B”表示。表示。T码元宽度码元宽度(码元间隔码元间隔)T二进制二进制(0、1)四进制四进制(0、1、2、3)1BRT码元速率与进制数无关，只与传输的码元宽度码元速率与进制数无关，只与传输的码元宽度T有关有关 1.4.2 数字通信系统主要性能指标解放军理工大学解放军理工大学36n信息传输速率：每秒钟传递的信息量，通常用信息传输速率：每秒钟传递的信息量，通常用R Rb b表示；表示；n单位：比特单位：比特/ /秒（秒（bit/sbit/s）bBRRHbit/s等概传输时等概传输时 2logbBRRMbit/s1.4.2 数字通信系统主要性能指标解放军理工大学解放军理工大学37n频带利用

22、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BRBB/Hz bRBb/s/Hz 1.4.2 数字通信系统主要性能指标解放军理工大学解放军理工大学38n差错率：衡量数字通信系统传输消息可靠程度的重要指标，差错率：衡量数字通信系统传输消息可靠程度的重要指标， 包括误码率及误信率。包括误码率及误信率。n误码率误码率Pe：指错误接收的的码元数在传输总码元数中所占的：指错误接收的的码元数在传输总码元数中所占的比例比例 Pe=错误码元数错误码元数/传输码元总数传输码元总数误信率误信率Pb ：又称误比特率：又称误比特率，指错误接收的信息量在信息总量指错误接收的信息量在信息总量中所占的比例中所占的比例 Pb=错误比特数错