《通信原理教程》第3版樊昌信编著.pptx

,*,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,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,*,1,通信原理教程,（第,3,版）,1/49,2,第,1,章 概 论,1.1,通信发展,古代通信起源,两类通信方式,近代通信发展,2/49,3,1.2,消息、信息和信号,消息：语音、文字、图形、图像,信息：消息有效内容,不一样消息可有相同内容,信号：消息载体,通信系统中传输是信号,3/49,4,信息度量：,*制订度量方法考虑标准,货 物消 息,货运量信息量,有各种有各种,和种类无关 和类型无关,和珍贵程度 和主要程度,无关 无关,总量是单件 总量是单件独立,货运量之和消息信息量之和,4/49,5,*,制订度量信息方法,#,消息“量”信息量,#,例：,“,明天降雨量将有,1 mm,”,-,信息量小,“,明天降雨量将到达,1 m,”,-,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,=log,a,1/,P,(,x,)=-log,a,P,(,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,=log,2,1/,P,(,x,)=log,2,1/(1/2)=1,比特,5/49,6,#,对于一个等概率、,M,进制码元：,I,=log,2,1/,P,(,x,)=log,2,1/(1/,M,),=log,2,M,比特,若,M,=2,k,，则,I,=,k,比特,6/49,7,1.3,数字通信,1.3.1,基本概念,两类信号,模拟信号：取值连续，比如语音,数字信号：取值离散，比如数据,7/49,8,码元,模拟信号,模拟信号,数字信号,数字信号,t,t,t,t,模拟信号和数字信号,8/49,9,两类通信系统,模拟通信系统,要求 高保真度,准则 信号噪声功率（电压）比,伎俩 参量估值方法,数字通信系统,要求 正确,准则 错误率,伎俩 统计判决理论,9/49,10,1.3.2,数字通信优点,取值有限，能正确接收。,数字信号波形失真和恢复,(a),失真数字信号波形,(b),中继站整形后,数字信号波形,10/49,11,可采取纠错和检错技术，大大提升抗干扰性。,可采取高保密性能数字加密技术。,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，提升信 道利用率。,输出信噪比随带宽按指数规律增加。,11/49,12,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,12/49,13,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,13/49,14,1.3.4,数字通信系统主要性能指标,有效性和可靠性关系（速度质量）,传输速率：,码元速率,R,B,波特,(Baud),信息速率：,R,b,比特,/,秒,(b/s),对,M,进制：,R,b,=,R,B,log,2,M,消息速率：,R,M,错误率：,误码率,P,e,=,错误接收码元数,/,传输码元总数,误比特率,P,b,=,错误接收比特数,/,传输总比特数,14/49,15,误字率,P,w,=,错误接收字数,/,总传输字数,误码率和误比特率关系,P,b,=,P,e,x,M,/2(,M,-1),P,e,/2,误字率和误比特率关系,对于二进制，,若一个字由,k,比特组成，则,P,w,1,(1,P,e,),k,频带利用率,能量利用率,15/49,16,1.4,信 道,信道分类：,无线信道,有线信道,信道中干扰：,有源干扰,-,噪声,无源干扰,-,信道特征不良引发,16/49,17,1.4.1,无线信道,无线电通信起源,电磁波发射对波长要求,频段（波长）划分,17/49,18,频段（波长）划分,频率范围 名 称 经典应用,(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,18/49,19,频段（波长）划分,频率范围 名 称 经典应用,(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,19/49,20,频段（波长）划分,频率范围 名 称 经典应用,(GHz),3,30,超高频,(HF),卫星通信、无线电高度计、,（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,(VHF),铁路业务、雷达着陆系统、,（毫米波）,试验用,300,3000,亚毫米波,试验用,（,0.1,1 mm,）,20/49,21,频段（波长）划分,频率范围 名 称 经典应用,(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=10,3,Hz,MHz=10,6,Hz,GHz=10,9,Hz,THz=10,12,Hz,mm=10,-3,m,m=10,-6,m,21/49,22,对流层,地球,010 km,电离层,60300 km,平流层,电磁波传输：地波、天波、视线传输,22/49,23,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,23/49,24,D,层：高,60 80 km,E,层：高,100 120 km,F,层：高,150 400 km,F,1,层：,140 200 km,F,2,层：,250 400 km,晚上：,D,层、,F,1,层消失,E,层、,F,2,层减弱,电离层结构,D,E,F,F,2,F,1,地 面,24/49,25,天 波,电离层高度：,60,300 km,单跳最大距离：,4000 km,多跳能够环球,频率：,2,30 MHz,地 面,信号,传输路径,地 面,图,1.4.2,天波传输,25/49,26,视线传输,频率：,30 MHz,传输距离,:,d,2,+,r,2,=(,h,+,r,),2,或,h,D,2,/50 (m),式中,D,km,h,r,地面,d,d,D,r,26/49,27,无线电中继,图,1.4.4,无线电中继,27/49,28,静止卫星中继通信,28/49,29,平流层中继通信,HAPS(High Altitude Platform Station),29/49,30,频率,(GHz),(a),氧气和水蒸气（浓度,7.5 g/m,3,）衰减,频率,(GHz),(b),降雨衰减,衰减,(,dB/km,),衰减,(,dB/km,),水蒸气,氧气,降雨率,图,1.4.5,大气衰减,大气对电磁波传输影响,30/49,31,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,31/49,32,蜂窝网,移动,交换,中心,电话,交换,中心,32/49,33,1.4.2,有线信道,明线,:,右图为,19,世纪,80,年代纽约市百老汇,大街上架设明线，可见大约有,350,条线。,对称电缆：,同轴电缆,图,1.4.8,同轴电缆截面示意图,导体,绝缘层,33/49,34,有线电信道电气特征,信道类型,通话容量（路）,频率范围,(kHz),传输距离,(km),明线,1+3,0.3,27,300,明线,1+3+12,0.3,150,120,对称电缆,24,12,108,35,对称电缆,60,12,252,12,18,小同轴电缆,300,60,1 300,8,小同轴电缆,960,60,4 100,4,中同轴电缆,1 800,300,9 000,6,中同轴电缆,2 700,300,12 000,4.5,中同轴电缆,10 800,300,60 000,1.5,34/49,35,光纤,结构,损耗,n,1,n,2,折射率,折射率,n,1,n,2,2,a,光波波长（,nm,）,1.55,m,1.31,m,0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7,35/49,1.4.3,信道模型,36,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,36/49,37,调制信道模型,:,对于单“端对”信道,e,o,(,t,)=,f,e,i,(,t,)+,n,(,t,),式中,e,i,(,t,),输入已调信号；,e,o,(,t,),输出信号；,n,(,t,),加性噪声，它与,e,i,(,t,),相互独立。,f,e,i,(,t,),与输入相关一个函数,表示信道对于信号影响。,e,i,(,t,),e,o,(,t,),时变线性,网络,37/49,38,通常，,f,e,i,(,t,),能够表示为：,k,(,t,),e,i,(,t,),，,此时，,e,o,(,t,)=,k,(,t,),e,i,(,t,)+,n,(,t,),其中,k,(,t,),表示时变线性网络特征,，称为乘性干扰。,k,(,t,),一个复杂函数，反应信道衰减、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,比如，同轴电缆,当,k(t),常数，称为随,(,机,),参,(,量,),信道,比如，移动蜂窝网通信信道,38/49,39,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 决定于编码信道特征,P,(0/0)=1-,P,(1/0),P,(1/1)=1-,P,(0/1),0,1,1,0,P,(0/0),P,(0/1),P,(1/1),P,(1/0),39/49,40,四进制,0,1,2,3,3,2,1,0,接收端,发送端,40/49,41,1.4.4,信道特征对信号传输影响,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,频率特征,f,(Hz),300,3000,0,衰耗,(dB),理想特征,经典音频电话信道特征,41/49,42,频率失真赔偿,0,A,f,(a),频率失真信道特征,0,A,f,(b),线性赔偿网络特征,0,A,f,(c),赔偿后信道特征,42/49,43,相位,频率特征,:,理想特征,:,相位,()=k ;,群拖延 ,()=d()/d=k,畸变影响,:,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,“,线性赔偿网络,”,纠正，,“,均衡,”,(,),0,理想特征,理想特征,(,),0,43/49,非线性失真,:,振幅特征非线性、频率偏移、相位抖动,非线性失真 难以消除,44,直线,非线性关系,输入电压,输出电压,图,1.4.13,非线性特征,44/49,45,变参信道,:,变参信道共性 衰落,:,衰减随机改变,传输时延,:,随机改变,多径效应,:,快衰落,接收信号特征,:,设发送信号为,A cos,0,t,，则经过,n,条路径传输后接收信号,R(t),能够表示为：,式中,r,i,(t),第,i,条路径接收信号振幅；,i,(t),第,i,条路径传输时延,i,(t)=-,0,i,(t),X,c,(t)X,s,(t),45/49,46,式中,V(t),合成波,R(t),包络;多径衰落,(t),合成波,R(t),相位。,即有,因为，相对于而言，,r,i,(t),和,i,(t),改变迟缓，故,X,c,(t),X,s,(t),及,V(t),(t),也是迟缓改变。,所以，,R(t),能够视为一个窄带信号（随机过程）。,46/49,47,由下式可见，,原发送信号,A cos,0,t,，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。,t,f,f,0,47/49,48,频率选择性衰落,设：只有两条多径传输路径，且衰减相同，时延不一样；,发射信号为,f(t),，接收信号为,af,(,t,-,0,),和,af,(,t,-,0,-,),；,发射信号频谱为,F,(,),。,则有,f,(,t,),F,(,),af,(,t,-,0,),a F,(,)e,-j,0,af,(,t,-,0,-,),a,F,(,)e,-j,(,0,+,),af,(,t,-,0,),+,af,(,t,-,0,-,),a F,(,)e,-j,0,(1+e,-j,),H,(,)=,a F,(,)e,-j,0,(1+e,-j,)/,F,(,)=,a,e,-j,0,(1+e,-j,),|1+e,-j,|=|1+cos,-jsin,|=|(1+cos,)2,+sin,2,1/2,|,=2|cos(,/2)|,三类信号,：,*,确知信号,*,随相信号,*,起伏信号,48/49,49,1.5,信道中噪声,按照起源分类：,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包括：,白噪声 热噪声是一个经典白噪声。,1.6,小结,49/49,