第1章绪论OK2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 绪论,*,第一章绪论,主要内容,1.1,引言,1.2,通信系统的组成,1.3,通信系统的分类及通信方式,1.4,信息及其度量,1.5,通信系统的主要性能指标,1/25/2026,1,第一章 绪论,教学内容,通信原理,内容包括：,通信系统基本概念,模拟信号调制技术,模拟信号的数字传输,多路复用,数字信号的基带传输和频带传输、,差错控制编码等,。,重点以数字通信为主,1/25/2026,2,第一章 绪论,与前后课程的关系,信号与系统,复变函数,通信电路,前期课程包括：,后期课程包括：,现代通信技术,(,微波、卫星、光纤通信,),计算机通信网,现代交换技术,1/25/2026,3,第一章 绪论,教学参考书,樊昌信,通信原理教程,国防工业出版社,参考书,张辉 曹丽娜，,现代通信原理与技术,西安电子科技大学出版社,-,曹志刚 钱亚生，,现代通信原理,清华大学出版社,教材,1/25/2026,4,第一章 绪论,教学重点、难点,:,本课程的重点是数字通信系统的基本原理和最新应用。,本课程的难点是各种通信系统的性能分析、数字信号的最佳接收和编码理论。,1/25/2026,5,第一章 绪论,研究方法,：,是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。,1/25/2026,6,第一章 绪论,.1,引言,-,通信的发展,历史,古代：,公元前,800,年,(,周朝,),，周幽王烽火戏诸侯。,近代：,1820,年：安培发明电报通信，,近代数字通信,的,开始,。,1838,年：莫尔斯将电报通信,推向实用,。,1876,年：贝尔发明电话，,模拟通信的开始,。,1/25/2026,7,第一章 绪论,通信的发展,20,世纪,60,年代以后：,数字通信技术进入高级发展阶段。,近,20,多年：,数字通信迅猛发展；,光纤通信也携手同行。,两者都成为现代通行网的主要支柱。,1/25/2026,8,第一章 绪论,通信的发展,作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。,1826,年至,1842,年任美国画家协会主席。,在一次远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克逊把话题转到电磁感应现象上。,从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于,1836,年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍然继续从事电报发明工作。终于在,1837,年,9,月,4,日，莫尔斯制造出了一台电报机。,1844,年,5,月,24,日,，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出,人类历史上的第一份电报,。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：,“上帝创造了何等的奇迹,!”,塞缪尔,莫尔斯,（,Samuel Finley Breese Morse,，,1791-1872,）,1/25/2026,9,第一章 绪论,通信的发展,出生于美国爱丁堡，早年研究声学。,21,岁时在伦敦大学攻读生理解剖学。,1871,年迁居加拿大。,24,岁时又移民美国，后加入美国国籍。,1872,年起任波士顿大学语言生理学教授。在此时期，曾以利用电流传送声音的研究。,1876,年,3,月,10,日,，他,发明了有线电话,，贝尔通过送话机与实验室的助手沃森首次通话成功。,1877,年,，建成从波士顿到纽约之间长距离电话线通话。第一份用电话发出的新闻电讯稿被发送到波士顿,世界报,，,标志着电话为公众所采用,。,1878,年，贝尔电话公司正式成立。,贝尔（,1847-1922,），美国电话发明者,1/25/2026,10,第一章 绪论,通信的发展,1876,年,3,月,10,日，美国发明家贝尔发明,世界上第一部电话,，并获美国专利局批准的电话专利。这是,2005,年,8,月,11,日拍摄的美国新泽西州,默里山贝尔实验室博物馆内,的世界第一部电话。,1/25/2026,11,第一章 绪论,通信的发展,麦克斯韦是,19,世纪伟大的英国物理学家、数学家，经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。,19,世纪最美妙的科学发现,电磁场理论的完成者，并且预言了电磁波的存在。,麦克斯韦,1831,年,6,月,13,日出生于爱丁堡。,16,岁时进入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学，,1854,年毕业并留校任教，两年后到苏格兰的马里沙耳学院任自然哲学教授，,1860,年到伦敦国王学院任教，,1871,年受聘筹建剑桥大学卡文迪什实验室，并任第一任主任。,1879,年,11,月,5,日在剑桥逝世。,麦克斯韦在物理学中的,最大贡献,是,建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论,，,预言了电磁波的存在,。而这种理论预见后来得到了充分的实验证实。,1873,年，麦克斯韦完成巨著,电磁学通论,，这是一部可以同牛顿的,自然哲学的数学原理,相媲美的书，,具有划时代的意义,，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑。,麦克斯韦,(James Clerk,Maxwel,1831,1879),英国物理学家,1/25/2026,12,第一章 绪论,通信的发展,生于汉堡。早在少年时代就被光学和力学实验所吸引。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，在物理学教授亥姆霍兹指导下学习。,1885,年任卡尔鲁厄大学物理学教授。,1889,年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授，直到逝世。,赫兹对人类,最伟大的贡献,是,用实验证实了电磁波的存在,。,赫兹（,1857-1894,）,德国物理学家,1888,年,1,月，赫兹将这些成果总结在,论动电效应的传播速度,一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。,1888,年，成了近代科学史上的一座里程碑。,赫兹的发现具有划时代的意义,，它,不仅证实了麦克斯韦发现的真理,，更重要的是,开创了无线电电子技术的新纪元,。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将,频率的单位命名为赫兹,。,1/25/2026,13,第一章 绪论,通信的发展,在发现电磁波不到,6,年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（,1894,年）、无线电广播（,1906,年）、无线电导航（,1911,年）、无线电话（,1916,年）、短波通讯（,1921,年）、无线电传真（,1923,年）、电视（,1929,年）、微波通讯（,1933,年）、雷达（,1935,年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学,它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。,1/25/2026,14,第一章 绪论,1.2,通信系统的组成,1.2.1,通信系统：,通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。,消息的产生地，作用为把各种消息转换成原始电信号，可以是模拟信号也可以是数字信号。如：摄象机、光驱、。,将信源和信道匹配起来。变换方式多样，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。如广播电台,传输信号的物理媒质。包括无线信道：和有线信道。,通信系统中各种设备以及信道中所固有的，分为内部噪声和外部噪声。将噪声源看成各处噪声集中加入到信道的。,完成发送设备的反转换，进行解调、译码、解码等。如收音机、电视机。,传输信息的归宿点，作用为将复原的原始信号转换成相应的消息。如喇叭、显示器。,通信系统的一般模型,1/25/2026,15,第一章 绪论,1.2.2,模拟通信系统和数字通信系统模型,模拟信号波形,(a),连续信号；,(b),抽样信号,1/25/2026,16,第一章 绪论,1.2.2,模拟通信系统和数字通信系统模型,数字信号波形：,(a),二进制波形；,(b)2PSK,波形,1/25/2026,17,第一章 绪论,1.2.2,模拟通信模型和数字通信模型,共性问题,：,总存在,噪声和其他干扰，引起传,输信号的失真，影响传输质量。,解决噪声和,干扰的影响,，就是,通信系统设计的基本问题,之一,。,模拟通信系统和数字通信系统：,1/25/2026,18,第一章 绪论,1.,模拟通信系统模型,信 道,发送端,接收端,信 源,调 制,解 调,信 宿,噪声,模拟通信系统模型,1/25/2026,19,第一章 绪论,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。,模拟通信的主要特点：,1/25/2026,20,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,信 源,发送端,接收端,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,数字通信系统模型,1/25/2026,21,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,信源：将消息转换为电信号的设备。,信源编码：,降低,数字信号的冗余，,提高,数字信号的有效性。,信道编码：,增加,冗余字符，纠错编码，,提高,传输的可靠性。,1/25/2026,22,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,调制：,使编码信号特性与信道特性相适应，以通过,信道传输。,使多路信号合并，经过同一信道传输,多路复用。,1/25/2026,23,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,信道：基带信道可传输很低的频率分量。,如双绞线。,频带信道不能传输很低的频率分量。,如无线电波。,1/25/2026,24,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,同步：,数字通信系统中不可缺少的组成部分。,发端、收端间需共同的时间标准使收端,准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接,收。,位同步（或码元同步）、字同步,1/25/2026,25,第一章 绪论,2,数字通信系统模型,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。,1/25/2026,26,第一章 绪论,3.,数字通信的主要特点,：,取值有限，能正确接收。,可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。,可采用数字加密技术，提高保密度。,可综合传输各种模拟和数字输入消息。,便于存储和处理。,易于设计、制造，体积更小、重量更轻。,可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。,信噪比随带宽按指数规律增长。,占用带宽大压缩、光纤,。,同步要求高,。,1/25/2026,27,第一章 绪论,(a),失真的数字信号,(b),恢复的数字信号,数字信号波形的失真和恢复,1/25/2026,28,第一章 绪论,两种应用,利用数字通信系统传送模拟消息,A/D,，,D/A,变换，例如电话,利用模拟通信系统传送数字信号,加装数字终端，例如调制解调器,1/25/2026,29,第一章 绪论,1.3,通信系统分类与通信方式,1,、根据信号特征,模拟通信系统,数字通信系统,2,、根据消息的物理特征：电话、数据、电视等,3,、根据调制方式,基带传输：周期性脉冲序列作为载波,频带传输：正弦型载波,4,、根据传输媒介,有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤,无线传输,1/25/2026,30,第一章 绪论,1.3,通信系统分类与通信方式,1/25/2026,31,第一章 绪论,1.3,通信系统分类与通信方式,1/25/2026,32,第一章 绪论,表,1-1,常见的调制方式及用途,调 制 方 式,用途,连续波调制,线性调制,常规双边带调制,广播,抑制载波双边带调幅,立体声广播,单边带调幅,SSB,载波通信、无线电台、数传,残留边带调幅,VSB,电视广播、数传、传真,非线性调制,频率调制,FM,微波中继、卫星通信、广播,相位调制,PM,中间调制方式,数字调制,幅度键控,ASK,数据传输,相位键控,数据传输,1/25/2026,33,第一章 绪论,调 制 方 式,用途,脉冲数字调制,数字调制,相位键控,PSK,、,DPSK,、,QPSK,等,数据传输、数字微波、空间通信,其他高效数字调制,QAM,、,MSK,等,数字微波、空间通信,脉冲模拟调制,脉幅调制,PAM,中间调制方式、遥测,脉宽调制,PDM(PWM),中间调制方式,脉位调制,PPM,遥测、光纤传输,脉冲数字调制,脉码调制,PCM,市话、卫星、空间通信,增量调制,DM,军用、民用电话,差分脉码调制,DPCM,电视电话、图像编码,其他语言编码方式,ADPCM,、,APC,、,LPC,中低速数字电话,续表（,2,）,1/25/2026,34,第一章 绪论,表,1,2,通信波段与常用传输媒质,频率范围,波长,符号,传输媒质,用途,3 Hz30 kHz,10,4,10,8,m,甚低频,VLF,有线线对长波无线电,音频、电话、数据终端长距离导航、时标,30300 kHz,10,3,10,4,m,低频,LF,有线线对长波无线电,导航、信标、电力线通信,300 kHz3 MHz,10,2,10,3,m,中频,MF,同轴电缆短波无线电,调幅广播、移动陆地通信、业余无线电,330 MHz,1010,2,m,高频,HF,同轴电缆短波无线电,移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电,30300 MHz,110 m,甚高频,VHF,同轴电缆米波无线电,电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航,1/25/2026,35,第一章 绪论,续表（,2,）,频率范围,波长,符号,传输媒质,用途,300 MHz3 GHz,10100 cm,特高频,UHF,波导,分米波无线电,微波接力、卫星和空间通信、雷达,330 GHz,110 cm,超高频,SHF,波导,厘米波无线电,微波接力、卫星和空间通信、雷达,30300 GHz,110 mm,极高频,EHF,波导,毫米波无线电,雷达、微波接力、射电天,文学,10,5,10,6,GHz,310,-5,310,-4,cm,紫外可见光、红外,光纤,激光空间传播,光通信,1/25/2026,36,第一章 绪论,1,、单工、半双工和双工通信,2,、串行与并行通信,1.3.2,通信方式,1/25/2026,37,第一章 绪论,(a),单工,(b),半双工,(c),全双工,单工、半双工和全双工通信方式示意图,1.3.2,通信方式,1/25/2026,38,第一章 绪论,(a),并行传输,(b),串行传输,并行和串行通信方式示意图,1.3.2,通信方式,按数字信号的码元排列方法,串行传输：远距离数字通信,并行传输：近距离数字通信,1/25/2026,39,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,度量信息量的方法，必须满足：,如何度量信息？,首先要解决的问题,。,能度量任何消息；,与消息的类型无关；,消息的重要程度无关。,1/25/2026,40,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,信息量的定义：,信息量是消息出现概率的函数；,消息出现的概率越小，所包含的信息量就,越大；,若某消息由若干个独立消息所组成，则该,消息所包含的信息量是每个独立消息所含,信息量之和。,1/25/2026,41,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,信息量的定义：,信息量是消息出现概率的函数；,消息出现的概率越小，所包含的信息量就,越大；,若某消息由若干个独立消息所组成，则该,消息所包含的信息量是每个独立消息所含,信息量之和。,1/25/2026,42,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,因此，若消息 出现的概率为 ，则所含,信息量,I,可定义,为：,信息量,单位,：,，则为,比特,（,bit,），,简记为,b,，,最常用,;,，则为奈特（,nat,）,;,，则为哈特莱（,hartley,）。,1/25/2026,43,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,当,M,=2,时，则,I,=1b,。,若采用一个,M,进制的波形，来传送,M,个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),1/25/2026,44,第一章 绪论,1.4,信息及其度量 ,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,(bit),P=1/4,的信息量为,2,比特,P=1/8,的信息量为,3,比特,P=1/M,的信息量为,log,2,M(bit),若,M,是,2,的整幂次,，,则,1/25/2026,45,第一章 绪论,1.4,信息及其度量,等概时具最大熵,：,对于,离散独立,非等概,消息组成的消息源，则采用平均（统计平均）信息量,熵,来描述：,熵的单位为：,bit,/,符号,1/25/2026,46,第一章 绪论,例：由,5,个符号组成的信息源，相应概率为,（每条消息用字母,A/B/C/D/E,表示），求信源,5,条消息的平均信息量 ：,1/25/2026,47,第一章 绪论,例,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,3/8,1/4,1/4,1/8,，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息,201020130213001203210100321010023102002010312032100120210,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,每个符号的算术平均信息量为,若用熵的概念来计算，得,:,I=57*H=108.64(bit),可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。,1/25/2026,48,第一章 绪论,1.5,主要性能指标,衡量系统性能优劣的基本因素：,有效性,可靠性,注意,：两者是,互相矛盾,的，也是,可互换,的。,提高有效性,提高传输速率,可靠性降低；提高可靠性,增加冗余的抗干扰编码码元,有效性降低。,降低有效性，以提高可靠性；,降低可靠性，以提高有效性。,1/25/2026,49,第一章 绪论,模拟通信系统,主要性能指标,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。,1/25/2026,50,第一章 绪论,数字通信系统,主要性能指标,有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。,码元传输速率,信息传输速率,频带利用率（真正衡量的指标）,可靠性可用差错率来衡量。,误码率（码元差错率）,误信率（信息差错率）,。,1/25/2026,51,第一章 绪论,1.,传输速率,码元传输速率,R,B,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(,Bd,),例如：若,1,秒内传,2400,个码元，则传码率为,R,B,=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,:,1/25/2026,52,第一章 绪论,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,、,b/s,或,bps,。,在“,0”,、“,1”,等概率出现的二进制码元的传输中，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。,由于,M,进制的一个码元携带,log,2,M,比特的信息量，因此码元速率和信息速率的关系：,1.,传输速率,1/25/2026,53,第一章 绪论,例：,8,进制数字信号的码元传输速率为,1600Baud,，则信息传输速率为多少？,1/25/2026,54,第一章 绪论,例：二进制传输速率为,2400bit/s,，改成,4,进制传输，则码元速率为多少？,1/25/2026,55,第一章 绪论,频带利用率,1/25/2026,56,第一章 绪论,例：设,A,系统以,2000b/s,的比特率传输,2PSK,调制信号的带宽为,2000Hz,B,系统以,2000b/s,的比特率传输,4PSK,调制信号的带宽为,1000Hz,试问：哪个系统更有效？,解：,A,系统,B,系统,B,系统的有效性更好。,1/25/2026,57,第一章 绪论,2.,差错率,误码率（码元差错率）,误信率（信息差错率）,1/25/2026,58,第一章 绪论,例,:125s,内传输,256,个二进制码元，计算码元速率为多少？若,2s,内有,3,个码元产生误码，则误码率是多少？,1/25/2026,59,第一章 绪论,补充：设某数字系统码元速率为,R,B,=10,3,Bd,，试问在系统传递函数的截止角频率为,4,10,3,rad/s,的情况下，系统的频带利用率,是多少？若改用截止角频率为,210,3,rad/s,的传输系统，其频带利用率,又为多少？,解：,B=4,10,3,/2=210,3,（,Hz,）,B,=,R,B,/B=10,3,/,210,3,=0.5,（,Bd,/,Hz,）,当,截止角频率为,2,10,3,rad/s,时，,B=2,10,3,/2=10,3,（,Hz,）,此时,B,=,R,B,/B=10,3,/,10,3,=1,（,Bd,/,Hz,）,1/25/2026,60,第一章 绪论,thank you,good-bye,1/25/2026,61,第一章 绪论,