第1章 通信基础-通信概论(重庆科创职业学院)

通信概论主讲：程佳佳2012.9.172/5/20231《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.1基本概念1.2通信系统的组成（重点）1.3通信系统的分类1.4通信方式1.5信号与频谱1.6信道与噪声（难点）1.7多路复用技术1.8通信系统的性能指标（重点）第1章通信的基础2/5/20232《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.1基本概念通信的定义：传递信息的过程就叫做通信。通信方式的演变：古代：靠手势、动作和表情进行交流通信技术电子技术现代（信息时代）：与多种高新技术紧密结合计算机技术自动控制技术人工智能……2/5/20233《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.1.1通信的发展历史1.1基本概念语音和文字通信阶段电通信阶段电子信息时代2/5/20234《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.2.1通信系统的模型通信系统的一般模型信源发送器信道接收器信宿噪声/干扰信息产生的源泉.将消息转为电信号。信息的接收者传递信息的通道将信源发出的信息变换成便于传输的信号，包括调制、编码等接收信道中的信号，并将其变换成与发送时物理形式相同的信息，如译码整个系统噪声与干扰的总折合2/5/20235《现代通信概论》第1章通信的基本理论消息、信息、信号有什么区别消息(Message)：传递或携带信息的实体，如语言、文字、数据、图像……信息(Information)：消息中蕴含的内容或知识信号(Signal)：消息传递的形式或载体，如光、电、声……信息寄寓于消息之中消息以信号作为载体2/5/20236《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.2.2模拟通信模拟通信系统框图信源发送器信道接收器信宿噪声调制器解调器2/5/20237《现代通信概论》第1章通信的基本理论为什么调制？

1、频谱搬移

2、实现信道复用

3、提高抗干扰能力

4、便于远距离传输调制器解调器数字或模拟模拟信号m(t)C(t)s(t)m(t)数字或模拟m(t)—调制信号C(t)—载波s(t)

—已调波调制2/5/20238《现代通信概论》第1章通信的基本理论解调器调制器信源信道信宿噪声1.2.3数字通信数字通信系统框图信源信宿信源编码信道编码信源译码信道译码模拟信号经过模/数变换(即A/D变换)形成数字序列，以适宜在数字系统中的传输。加入用于差错检测和控制的监督码，以提高数字传输系统的可靠性。数字调制数字解调同步2/5/20239《现代通信概论》第1章通信的基本理论数字通信数字通信的优点：抗干扰能力强易于保密灵活性高设备简单经济便于集成1.1基本概念通信方式从模拟通信向数字通信发展是通信技术发展的总趋势。2/5/202310《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.3通信系统的分类消息的分类：连续消息(模拟消息)：状态连续变化的消息；离散消息(数字消息)：状态变化为可数或离散型的消息。信号的分类：模拟信号：幅度连续、时间连续或不连续的信号；数字信号：幅度和时间都离散的信号。通信系统分类(依据传递消息电信号)：模拟通信：通信系统中传输的是模拟信号；数字通信：通信系统中传输的是二进制或多进制数字信号。模拟信号f(t)数字信号f(t)tt2/5/202311《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.3通信系统的分类通信技术分类（按照传输电流或电磁波的媒介）：有线通信：利用各种导线作为信道来传输信号的通信方式无线通信：依靠自由空间来传输电磁波的通信方式。2/5/202312《现代通信概论》第1章通信的基本理论通信频率的分段各类通信使用的频段，分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、和光通信系统。λ=v/f其中v≈3.0×108m/s2/5/202313《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.4通信方式单工通信含义：在两个通信设备间，信息只能沿着一个方向被传输，即在通信设备的双方中，一方只能设置发送设备，而另一方只能为接收设备。发送站接收站信息流向例如：广播电视传送系统、信息采集系统、寻呼系统。2/5/202314《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.4.1通信方式半双工通信含义：在两通信设备间的信息交换可以双向进行，但不能同时，即在同一时间内仅能使信息在一个方向上传输。发送接收例如：对讲机。接收发送信息流向信息流向2/5/202315《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.4.1通信方式全双工通信含义：同时可在两通信设备间进行两个方向上的信息传输。例如：电话信息流向发送接收接收发送分类：二线全双工：利用频分复用、时分复用或回波抵消技术实现同时双向通信；四线全双工：发、收向信息分别使用一对导线。2/5/202316《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.4.2传输方式并行传输含义：数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输。优点：传送速率高，发收双方不存在字符同步问题。缺点：需要多个并行信道，增加了设备成本；并行线路间的电平相互干扰会影响传输质量。适用场合：短距离通信，如计算机内部或在同一系统内设备间的通信。2/5/202317《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.4.2传输方式串行传输含义：将比特流逐位在一条信道上传送。优点：只有一条信道，设备成本低，且易于实现。缺点：必须解决收发双方如何保持码组或字符同步的问题；比并行传输效率低。2/5/202318《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.5信号与频谱研究信号最直观的方法就是观察它的时域波形和频域频谱。1.5.1信号的分类1确知信号和随机信号

确知信号

可以预先知道其变化规律的信号，其在定义域的任何时刻都有确定的函数值。可以用时间函数来描述。随机信号

为不确知信号，其在实际发生之前具有一定的不确定性。没有确定的函数值。用概率统计的方法来描述。2/5/202319《现代通信概论》第1章通信的基本理论2.周期信号和非周期信号周期信号每隔一定的时间间隔按相同规律重复变化的信号。非周期信号是不具有重复性的信号。3.模拟信号和数字信号模拟信号是指信号参量的取值是连续的。数字信号是指信号的参量只可能取有限个、可数个值。2/5/202320《现代通信概论》第1章通信的基本理论4.基带信号和带通信号基带传输含义：将编码信号直接在电路中传输。特点：基带信号的频带从0频到几百MHz，甚至几千MHz，要求信道有较宽（直流到高频）的频率特性；传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，使传输距离受到限制，一般不大于2.5km；基带传输方式简单，设备费用少，适用于传输距离不长的场合。2/5/202321《现代通信概论》第1章通信的基本理论频带传输（载波传输）含义：将数字信号转换成可在长途信道上传输的模拟信号，再进行传输。频带传输系统框图数字基带信号调制器信道解调器采样判决器噪声数字信号→模拟信号数字基带信号模拟信号→数字信号调制与解调是频带传输的最主要技术。2/5/202322《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.5.3时域和频域从时域角度，描述的是信号随时间变化的特性。从频域特性，描述的是信号随频率变化的特性。1.5.4频谱和带宽信号频谱是指它包含的所有频率分量的集合，并且通过频域图表示。信号带宽是指信号占有的频率范围，信号带宽是信号的振幅频谱中正频率部分的宽度。它等于信号的最高频分量与最低频分量的频率差。2/5/202323《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6信道与噪声及其容量1.6.1信道的定义与分类1.6.2

有线信道1.6.3

无线信道1.6.4

信道噪声1.6.5

信道容量2/5/202324《现代通信概论》第1章通信的基本理论1信道的定义

信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。

1.6.1信道的定义及其分类2/5/202325《现代通信概论》第1章通信的基本理论2信道的分类

信道可大体分成：狭义信道和广义信道。

⑴.狭义信道

狭义信道是指在发端设备和收端设备中间的传输媒介，它包括无线信道和有线信道。无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信号而有线信道则利用人造的用来传到电或光信号的媒质来传输信号。2/5/202326《现代通信概论》第1章通信的基本理论⑵.广义信道广义信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这些装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道等。还可以定义其他形式的广义信道。常把广义信道简称为信道。2/5/202327《现代通信概论》第1章通信的基本理论调制信道和编码信道调制信道用于研究调制与解调问题是方便和恰当的；编码信道用于研究编码与译码问题时使问题的分析更容易。2/5/202328《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6.2有线信道有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光纤等。2/5/202329《现代通信概论》第1章通信的基本理论无线信道包括地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。2/5/202330《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6.4信道中的噪声噪声信道中存在的不需要的电信号。又称加性干扰。按噪声来源分类人为噪声－例：开关火花、电台辐射自然噪声－例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、热噪声2/5/202331《现代通信概论》第1章通信的基本理论热噪声来源：来自一切电阻性元器件中电子的热运动。频率范围：均匀分布在大约0～1012Hz。热噪声电压有效值： 式中 k=1.3810-23（J/K）－波兹曼常数；

T－热力学温度（ºK）；

R－阻值（）；

B－带宽（Hz）。性质：高斯白噪声2/5/202332《现代通信概论》第1章通信的基本理论按噪声性质分类脉冲噪声：是突发性地产生的，幅度很大，其持续时间比间隔时间短得多。其频谱较宽。电火花就是一种典型的脉冲噪声。窄带噪声：来自相邻电台或其他电子设备，其频谱或频率位置通常是确知的或可以测知的。可以看作是一种非所需的连续的已调正弦波。起伏噪声：包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等。 讨论噪声对于通信系统的影响时，主要是考虑起伏噪声，特别是热噪声的影响。2/5/202333《现代通信概论》第1章通信的基本理论窄带高斯噪声带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。窄带高斯噪声功率： 式中Pn(f)－双边噪声功率谱密度,即该噪声每Hz带宽上的功率，Bn为等效带宽。2/5/202334《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6.5信道容量信道容量－指信道能够传输的最大平均信息速率。

一离散信道容量两种不同的度量单位：Ct－每个符号能够传输的平均信息量最大值C－单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最大值两者之间可以互换2/5/202335《现代通信概论》第1章通信的基本理论

二连续信道容量——香农公式可以证明式中S－信号平均功率（W）；

N－噪声功率（W）；

B－带宽（Hz）。设噪声单边功率谱密度为n0，则N=n0B； 故上式可以改写成：由上式可见，连续信道的容量C和信道带宽B、信号功率S及噪声单边功率谱密度n0三个因素有关。2/5/202336《现代通信概论》第1章通信的基本理论关于香农公式的几点讨论总结：（1）在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C即确定，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。（2）提高信噪比，可提高信道容量。（3）信道容量可以通过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。（4）增加信道带宽，也可有限的增加信道的容量。（5）当给定S/n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S/n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。

2/5/202337《现代通信概论》第1章通信的基本理论【例4.6.2】已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素；每个像素有8个亮度电平；各电平独立地以等概率出现；图像每秒发送25帧。若要求接收图像信噪比达到30dB，试求所需传输带宽。2/5/202338《现代通信概论》第1章通信的基本理论【解】因为每个像素独立地以等概率取8个亮度电平，故每个像素的信息量为

Ip=-log2(1/8)=3(b/pix)并且每帧图像的信息量为

IF=300,0003=900,000(b/F)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为

Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s)信道的容量C必须不小于此Rb值。2/5/202339《现代通信概论》第1章通信的基本理论将上述数值代入式：得到 22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需带宽 B=(22.5106)/9.972.26(MHz)2/5/202340《现代通信概论》第1章通信的基本理论一、定义

物理系统中对信号的传输与处理起扰乱作用而又不能控制的一种不需要的波形称为噪声。例如：在通信系统中由于电流和电压的自然起伏所产生的噪声称为起伏噪声。最常见的噪声有散粒噪声和热噪声。1.6.4噪声2/5/202341《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6.4信道中的噪声★按照来源分类：人为噪声：电火花、家用电器…自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声…★按照性质分类：脉冲噪声窄带噪声起伏噪声★今后讨论通信系统时主要涉及：

白噪声－热噪声是一种典型白噪声。2/5/202342《现代通信概论》第1章通信的基本理论单频噪声/窄带噪声是一种频率单一或频谱很窄的连续波干扰。脉冲噪声是一种在时间上无规则的突发脉冲波形。起伏噪声是遍布在时域和频域内的随机噪声。2/5/202343《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.6.5信道容量信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单位是比特/秒(bids或bps),即信道的最大传信速率。一、模拟信道的信道容量模拟信道的信道容量可以根据香农(Shannon)定律计算。香农定律指出:在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中,信道的极限信息传输速率(信道容量)为2/5/202344《现代通信概论》第1章通信的基本理论其中,S/N是平均信号噪声功率比,噪声为正态分布的加性白噪声,B为信道带宽,C为信道容量。该信道容量为信道容量是在一定S/N下信道能达到的最大传信速率,实际通信系统的传信速率要低于信道容量,但随着技术进步,可接近极限值。2/5/202345《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.7多路复用技术复用：含义：用一对传输线传送几路或多路信息的方法。目的：有效地利用带宽，提高通信的有效性。典型方式：频分多路复用时分多路复用固定时分复用统计时分复用2/5/202346《现代通信概论》第1章通信的基本理论1.频分复用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输

1.5.4复用方式2/5/202347《现代通信概论》第1章通信的基本理论2.波分复用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。1.5.4复用方式2/5/202348《现代通信概论》第1章通信的基本理论3.时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输

时间片1.5.4复用方式2/5/202349《现代通信概论》第1章通信的基本理论统计(异步)TDM——STDMABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2