通信概论电子教案

重庆科创学院教师授课教案课程名称通信概论课程性质专业课主讲教师程佳佳授课时数48教学日期2016.2.26重庆科创职业学院机电工程学院电信教研室2016年2月26日第一章通信基础【主要讲授内容】1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类1.4通信方式1.5信号与频谱1.6信道和噪声1.7多路复用技术1.8通信系统的性能指标1.9通信技术发展简史（自学）1.10小结（自学，要求熟记）【重点与难点】1、重点：通信系统的组成和性能指标。2、难点：信道噪声和信道容量。【教学要求】1、掌握消息、信息、信号的定义；2、掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；3、掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；4、熟悉无线信道、有线信道；5、掌握信道模型，并会分析信道特性对信号传输的影响；6、熟悉信道中的噪声。【实施方法】课堂讲授，PPT配合1.0通信的发展史一、远古的通信方式烽火通信：最古老的光通信、二进制数字通信，速度鼓通信：非洲鼓驿站通信：古老的邮政通信、电视里的紧急军情：600里加急、800里加急、官方运动通信（邮政：退化为传递物品）与电信二、现代通信——电通信技术的发展电报（安培、莫尔斯）电话（贝尔、模拟通信的开始、实时、交互）数字通信（20世纪60年代开始，随着半导体、计算机、激光技术的发展）1.1通信的基本概念重点：三者的概念以及区别；信息量的定义和计算。难点：信息量的计算，1bit信息量的涵义。一、信息、消息和信号的定义与区别通信的目的——实现两地之间信息的交换。消息是信息的物理表现，而信息是消息中包含的有意义的内容，在通信系统中，消息转换为信号才能在通信系统中传输。二、消息中信息量的度量1．信息量与消息发生的概率有关，且成反比；消息发生的可能性越大，带给我们的信息就越小，反之。事件的不确定程度可以用其出现的概率来表述。信息量是消息出现概率的函数：消息出现的概率越大，信息量越大，确定的事实，信息量为0；事件不可能发生，发生概率为0，则含有无限的信息量。MMxPIaaalog1log)(log2．信息量的单位；比特（a=2）；奈特（a=e）；哈特莱（a=10）3．二进制消息的信息量计算；4．多进制消息的信息量计算。1.2通信系统的组成重点：模拟通信与数字通信的区分；数字通信的优点；数字通信系统模型，以及系统各组成部分的功能；数字通信系统的主要性能指标。难点：掌握数字通信系统模型的主要构成部分，了解数字通信系统中衡量有效性与可靠性的主要性能指标。一、基本概念模拟与数字的区别：现实的世界是模拟的世界——说话、景象；拥抱数字的世界——相机、电视、电脑等等（让同学们自己想自己说）；模拟与数字信号各自的特点，传输质量的度量标准——信噪比（参量估计问题）与误码率（统计判决理论）。二、优点三、系统模型组成部分，各部分的功能：1．信源：信息的发出者，是主动方，比如我们上课，由老师把未知的知识以讲授的方式传授给大家，那么在这个系统中，老师就是信源。当然，这是个最简单的例子，信源还要完成讲信息转换为信号的功能。2．信源编码：模拟信源——模/数转换；对保密性高的信息，加密3．信道编码：增加多余的字符，以求自动发现或纠正传输中的错误。（两个相对立的过程）减少冗余（多余之物），提高有效性——增加冗余（符合特定规律的字符），提高可靠性；4．调制：目的——调整信号，使信号特性与信道特性相适应，使信号能顺利通过信道传输。基带——信源信号占用的频带，基本频带。包含较低频率成分，甚至直流分量。有些信道不能传输基带信号，如无线信道——频带搬移至足够高的频段（调制载波）带通信号——经过载波调制后的信号。基带调制——不用载波调制，只对其波形作适当改变，就能适应信道的特性。带通调制——使用载波调制。5．信道：从两个方面对信号产生影响。噪声：系统内部各个元器件产生的噪声、外来干扰。线性叠加——加性噪声6．同步：为同步、多个码元组成一个码组（字）1.3通信系统的分类1、按通信业务分：电报、电话、数据、图像……2、按调制方式分类：基带系统和调制（带通）系统3、按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统4、按传输媒介分：有线通信系统和无线通信系统5、按工作波段分类：（需要记忆低中高三个频段）1.4通信方式1、单工、半双工和全双工（定义）2、并行和串行传输1.5信号和频谱（略）1.6信道和噪声信道：连接发送端和接收端的通信设备。按传输媒体分类：无线信道和有线信道。一、无线信道原则上，任何频率的电磁波都可以产生，但是电磁波的发射和接收是用天线进行的，为了有效地接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。λ=C/f。c=3*108，计算举例。微波频段：1~300GHz根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播可以分为视距传播、地波和天波。1．地波2MHz以下；绕射；传播路径曲线。2．天波2-30MHz；电离层反射；电离层产生的原因：太阳的紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。白天，日光强，多个电离层，晚上，日光弱，电离层减少。电离层会对电磁波产生吸收和衰减，且频率越高，衰减越小。较高频的电磁波能穿过D层，高频信号主要依靠F层反射，维持通信。3．视距传播30MHz以上；无线电中继（在传播距离达到极限时，设置一个中继）；利用地面中继。地面物体的高度总是有限的，人造卫星。4．其它通信方式卫星通信、平流层通信、散射通信二、有线信道1．明线：平行架设在电线杆上的架空线路，导电裸线或带绝缘层的导线。干扰大，不易多敷设2．对称电缆：双绞线：两根包着绝缘材料的细铜线按一定的比率相互缠绕而成。双绞线的原理是：如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消。可以传送模拟和数字，但衰减大，适合较短距离传输。由于利用双绞线传输信息时要向周围幅射,信息很容易被窃听,因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹,以减小幅射,但并不能完全消除辐射。屏蔽双绞线价格相对较高,安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。100BaseTX：指的是使用两对非屏蔽双绞线接线或者屏蔽双绞线接线的100Mbit/s基带快速以太网规范。10BaseTX：指的是使用两对双绞线电缆连接（第3，4或5类电缆）的10Mbit/s基带以太网规范。3．同轴电缆：CATV（有线电视网）4．光纤：调整包层和芯区的折射率将光纤束缚在芯区传输。阶跃型、渐变型。最早的光通信是直接在大气中传输，但通信能力和质量受天气影响太大——介质中传输——1966年英籍华裔学者高锟发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（OpticalFiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。但是当时石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟指出，这样的高损耗不是石英纤维本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，，材料本身的固有损耗基本上由瑞利（Rayleigh）散射决定，它随波长的四次方下降，其损耗很小，因此，有可能通过原材料的提纯制造出适合长距离通信使用的低损耗光纤。1970光纤研制取得了重大突破，美国康宁（Corning）公司制造出了损耗为20dB/km的石英光纤。光纤传输的频率选择性。三、信道模型研究各种调制制度的性能时——调制信道；研究信道编码和解码时——编码信道。1．调制信道模型：数学模型：)()]([)(tntefteio)()()(tntetki式中，n(t)为加性噪声，k(t)为乘性干扰。根据k(t)的不同变化情况，可将信道分为随参信道和恒参信道。2．编码信道模型：与调制信道不同，编码信道的输入信号和输出信号是数字序列。由于输入输出均为数字序列，故编码信道对信号的影响是使传输的数字序列发生变化，用误码概率来描述编码信道的特性——转移概率。四、信道特性对信号传输的影响1．恒参信道：无失真情况下的振幅-频率特性——一条水平直线；频率失真——波形畸变——相邻码元重叠——码间串扰。无失真情况下的相位特性——一条过原点的直线；或传输时延等于常数。相位失真——波形失真——码间串扰——误码率增大。线性网络补偿：线性网络的频率特性与信道的频率特性之和，在信号频谱占用的频带内，为一条水平直线。非线性失真是指信道输入信号和输出信号的振幅关系不是直线关系；产生新的谐波分量，造成谐波失真。2．变参信道：无线信道——信道特性时变，传输路径变化。3．经过信道传输后的信号分类确知信号：接收端能够准确知道其码元波形的信号，理想情况。随相信号：信号的相位由于传输时延的不确定而带有随机性，使接收码元的相位随机变化。起伏信号：接收信号的包络随机起伏，相位也随机变化。多径信道传输五、信道噪声1、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…2、按照性质分类脉冲噪声：电火花窄带噪声：相邻电台或其它电子设备起伏噪声：热噪声3、白噪声频谱均匀分布六、信道容量信道容量－指信道能够传输的最大平均信息速率。连续信道容量——香农公式)/(1log2sbNSBC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：)/(1log02sbBnSBC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。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。【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。【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=300,0003=900,000(b/F)因为每秒传输25帧图像，所以要求传输速率为Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s)信道的容量C必须不小于此Rb值。将上述数值代入香农公式：得到22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需带宽B=(22.5106)/9.972.26(MHz)1.7多路复用技术1.频分复用FrequencyDivisionMultiplexing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。2.波分复用WaveDivisionMultiplexing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。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。1.8通信系统的性能指标1、有效性模拟通信系统：传输带宽（带宽越小有效性越好）数字通信系统：传输速率和频带利用率二进制中的信息传输速率与多进制中的码元速率间的换算关系为：Rb＝RBlog2M其中：RB为码元速率，单位叫波特（Baud），且RB＝1／Ts（波特）其中：Ts为码元宽度采用多进制（M进制，M2）可以提高通信系统的有效性2、可靠性含义：在给定信道内接收到的信息的可靠程度。衡量通信可靠性的指标模拟通信系统：输出信噪比数字通信系统：误码率1.9通信技术发展史（略）1.10小结1．消息、信息和信号的定义2．数字通信的概念和数字通信系统模型3．信道和信道中的噪声第2章模拟信号的数字化【主要讲授内容及时间分配】2.1引言2.2模拟信号的抽样2.3抽样信号的量化2.4脉冲编码调制2.5差分脉冲编码