通信原理概论课件

1、通信原理概论通信原理概论第1章 概 论1.1 通信的发展古代通信的起源两类通信方式近代通信的发展2第1章 概 论41.2 消息、信息和信号消息：语音、文字、图形、图像信息：消息的有效内容 不同消息可有相同内容信号：消息的载体 通信系统中传输的是信号31.2 消息、信息和信号5信息的度量：*制定度量方法考虑的原则货 物消 息货运量信息量有多种有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度 和重要程度 无关 无关 总量是单件 总量是单件独立 货运量之和消息的信息量之和4信息的度量：6*制定度量信息的方法# 消息“量” 信息量# 例：“明天降雨量将有一毫米” - 信息量小 “明天降雨量将达到一米” -

2、信息量大 “明日太阳将从东方升起” - 信息量零 # 信息量 I = I P(x) ，P(x) - 发生概率 # 定义：I = loga 1/P(x) = -logaP(x) # 通常取 a = 2, 此时单位为“比特”。 # 对于一个等概率、二进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/2) = 1 比特5*制定度量信息的方法7# 对于一个等概率、M进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/M) = log2 M比特 若 M = 2k ，则 I = k 比特6# 对于一个等概率、M进制码元：81.3数字通信1.3.1基本概念两类信号 模拟信号

3、：取值连续，例如语音 数字信号：取值离散，例如数据71.3数字通信9模拟信号与数字信号模拟信号数字信号ts(t)ts(t)s(t)t码元ts(t)8模拟信号与数字信号模拟信号数字信号ts(t)ts(t)两类通信系统 模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法 数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论9两类通信系统111.3.2 数字通信的优点取值有限，能正确接收。 数字信号波形的失真和恢复(a) 失真的数字信号波形(b) 中继站整形后的数字信号波形101.3.2 数字通信的优点 数字信号波形的失真和恢复(a) 可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。

4、可采用高保密性能的数字加密技术。可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计、制造，体积小、重量轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。输出信噪比随带宽按指数规律增长。11可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。13数字通信系统模型发送端接收端信 源信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪 声同 步信源编码信源解码1.3.3 数字通信系统模型12数字通信系统模型发送端接收端信 源信道编码调 制信 模拟通信系统模型发送端接收端噪 声调 制信 道解 调信 宿信 源13模拟通信系统模型发送端接收端噪 声调 制信 道解 1.3.4 数字通信系统的主要性能指标有效性

5、和可靠性的关系（速度质量） 传输速率：码元速率RB 波特(Baud)信息速率：Rb 比特/秒(b/s)对M进制：Rb = RB log2 M消息速率：RM 错误率：误码率Pe = 错误接收码元数/传输码元总数误比特率Pb = 错误接收比特数/传输总比特数141.3.4 数字通信系统的主要性能指标有效性和可靠性的关系（误字率Pw = 错误接收字数/总传输字数误码率和误比特率的关系Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2误字率和误比特率的关系对于二进制，若一个字由k比特组成，则Pw1 (1 Pe)k 频带利用率能量利用率15误字率Pw = 错误接收字数/总传输字数171.4 信 道 1

6、.4.0 信道的定义：译码器输 入发转换器 媒 质收转换器 解 调 器 调 制 器（调 制） 信 道广义（编码）信道编码器输 出161.4 信 道译码器发转换器 媒 质收转换器 1.4.1 无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求频段（波长）划分171.4.1 无线信道19频段（波长）划分 频率范围 名 称 典型应用 (kHz) 3 30 甚低频(VLF) 远程导航、水下通信 (10-100 km)声纳、授时 30 300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10 km)无线电信标300 3000 中频(MF) 广播、海事通信、 (100-1000m)测向、遇险求救、 海岸警卫18频段（

7、波长）划分 频率范围 名 称频段（波长）划分 频率范围 名 称 典型应用 (MHz) 3 30 高频(HF) 远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m) 与船只间通信、船岸通信、 业余无线电 30 300 甚高频(VHF) 电视、调频广播、陆地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽车、 警察、导航、飞机通信 300 3000 特高频(UHF) 电视、蜂窝网、微波链路、 (分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、 无线电高度计 19频段（波长）划分 频率范围 名 称频段（波长）划分 频率范围 名 称 典型应用 (GHz) 3 30 超高频(SHF) 卫星通信、无线电高度计

8、、 （厘米波） 微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信 30 300 极高频(EHF) 铁路业务、雷达着陆系统、 （毫米波） 实验用 300 3000 亚毫米波 实验用 （0.1 1 mm）20频段（波长）划分 频率范围 名 称频段（波长）划分 频率范围 名 称 典型应用 (THz) 43 430 红外线 光通信系统 (7 0.7 m) 430 750 可见光 光通信系统 (0.7 0.4 m) 750 3000紫外线光通信系统 (0.4 0.1 m)注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10

9、-3 m, m = 10-6 m21频段（波长）划分 频率范围 名 称对流层地球010 km电离层60300 km平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播22对流层地球010 km电离层60300 km平流层电磁波地 波频率：2MHz 以下绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百数千 km地球23地 波频率：2MHz 以下地球25D层：高60 80 kmE层：高100 120 kmF层：高150 400 kmF1层：140 200 kmF2层：250 400 km晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱 电离层的结构DEFF2F1地 面24D层：高60 80 km电离层的结构DEFF2F

10、1地 天 波电离层高度：60 300 km单跳最大距离：4000 km多跳可以环球频率：2 30 MHz25天 波27视线传播频率： 30 MHz传播距离: d 2 + r 2 =(h+r)2, 或h D 2/50 (m)式中 D kmhr地面ddD26视线传播频率： 30 MHzhr地面ddD28无线电中继图1.4.4 无线电中继27无线电中继图1.4.4 无线电中继29静止卫星中继通信28静止卫星中继通信30平流层中继通信HAPS(High Altitude Platform Station)29平流层中继通信HAPS(High Altitude Plat频率(GHz)(a) 氧气和水蒸气

11、（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b) 降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图1.4.5 大气衰减大气对电磁波传播的影响30频率(GHz)频率(GHz)衰减(dB/km)衰减(dB/k散射通信电离层散射频率: 30 60 MHz对流层散射频率: 100 4000 MHz流星余迹散射频率: 30 100 MHz图1.4.6 对流层散射通信地球有效散射区域地球图1.4.7 流星余迹散射通信31散射通信电离层散射图1.4.6 对流层散射通信地球有效散射区蜂窝网移动交换中心电话交换中心32蜂窝网移动电话341.4.2 有线信道明线对称电缆同轴电缆图1.4.8 同轴

12、电缆截面示意图331.4.2 有线信道图1.4.8 同轴电缆截面示意图35有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.327300明线1+3+120.3150120对称电缆241210835对称电缆60122521218小同轴电缆300601 3008小同轴电缆960604 1004中同轴电缆1 8003009 0006中同轴电缆2 70030012 0004.5中同轴电缆10 80030060 0001.534有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传光纤结构损耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55 m1.31

13、 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.735光纤n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.551.4.3 信道模型调制信道模型: 对于单“端对”信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 输入的已调信号；eo(t) 输出信号；n(t) 加性噪声，它与ei(t)相互独立。f ei(t) 与输入有关的一个函数, 表示信道对于信号的影响。ei(t)eo(t)时变线性网络361.4.3 信道模型ei(t)eo(t)时变线性38通常， f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t)， 此时， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t)其中k(t)表示时变

14、线性网络的特性 ，称为乘性干扰。 k(t) 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 等。最简单情况：k(t) = 常数，表示衰减。当k(t) =常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道37通常， f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t编码信道模型: 二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率 P(0/1), P(1/0) 错误转移概率 转移概率 决定于编码信道的特性 P(0/0) = 1 - P(1/0) P(1/1) = 1 - P(0/1)0110P(0/0)P(0

15、/1)P(1/1)P(1/0)38编码信道模型: 0110P(0/0)P(0/1)P(1/1四进制01233210接收端发送端3901233210接收端发送端411.4.4 信道特性对信号传输的影响恒参信道: 非时变线性网络链路：一段物理线路，中间没有任何交换设备。振幅频率特性f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音频电话信道特性401.4.4 信道特性对信号传输的影响恒参信道: 非时频率失真的补偿0Af(a) 频率失真信道特性0Af(b) 线性补偿网络特性0Af(c)补偿后信道特性41频率失真的补偿0Af(a) 频率失真信道特性0Af(b) 线相位频率特性:理想特性: 相位

16、() = k ; 群迟延 () = d()/d = k畸变的影响: 波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真: 频率失真和相位失真： 属于线性失真 可用“线性补偿网络”纠正， “均衡”非线性失真: 振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真 难以消除 ()0理想特性理想特性 ()042相位频率特性: ()0理想特性理想特性 ()0变参信道: 变参信道的共性 衰落: 衰减随机变化 传输时延: 随机变化 多径效应: 快衰落接收信号的特性: 设发送信号为A cos 0t，则经过n条路径传播后的接收信号R (t)可以表示为： 式中 ri (t) 第 i 条路径的接收信号振幅； i (t) 第 i

17、条路径的传输时延 i (t) = - 0 i (t)X c (t)X s (t)43变参信道: 45式中 V(t) 合成波R(t)的包络; 多径衰落 (t) 合成波R(t)的相位。即有由于，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t), Xs(t)及V(t), (t) 也是缓慢变化的。所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。4446由下式可见，原发送信号A cos 0t，经过传输后： * 恒定振幅A，变成慢变振幅V(t); * 恒定相位0，变成慢变相位(t)； * 因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。tff045由下式可见，tff047频率选择性衰落 设：只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为f(t)，接收信号为af(t - 0)和af(t - 0 - )；发射信号的频谱为F()。 则有 f(t) F() af(t - 0) a F() e-j0 af(t - 0 - ) a F() e-j(0 + ) af(t - 0) + af(t - 0 - ) a