苗长云 现代通信原理第二版配套课件 第一章 概述

天津工业大学信息学院《通信原理》先修课程高等数学概率论与随机过程信号与系统随机信号分析模拟电子线路数字电子线路高频电子线路天津工业大学信息学院《通信原理》教材及参考书目教材：苗长云等编著.现代通信原理及应用.北京：电子工业出版社参考书：沈保锁等编著.现代通信原理.北京：国防工业出版社樊昌信等编.通信原理.北京：国防工业出版社天津工业大学信息学院《通信原理》1.1通信的概念及系统模型1.2通信的发展过程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★第1章绪论天津工业大学信息学院《通信原理》本章重点平均信息量的计算传码率、传信率、误码率、误信率的计算天津工业大学信息学院《通信原理》一、通信的定义1.通信:1.1.1通信的概念从一地向另一地传递消息，即消息的传递过程。（是一种协议。）注：本书所讲的通信为电通信，简称“通信”天津工业大学信息学院《通信原理》2.信道:由于通信双方之间的距离客观存在,必须在两地之间建立信息传递的通道.这种有形或无形的用于传递信息的通道称为信道.我们一方面要研究信道,同时还要寻找能适合在信道中传输的信息载体,也就是信号.3.信号:1.1.1通信的概念天津工业大学信息学院《通信原理》1.1.2通信系统模型通信的目的是传输消息。实现消息传递所需的一切设备和传输媒质的总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的一般模型可用下图来描述。天津工业大学信息学院《通信原理》信源发送设备信道接收设备信宿干扰源返回通信系统的一般模型天津工业大学信息学院《通信原理》•定义——产生消息的来源。•作用——把各种消息转换成原始电信号。•举例——电话机、摄像机、计算机等。•分类———模拟信源、数字信源返回信源信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》•——信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号使信源和信道匹配。发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。返回发送设备信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》信道是指传输信号的物理媒质。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。第4章讨论信道。返回信道信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》•功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。•它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。返回接收设备信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》•信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。返回信宿信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》干扰源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。干扰的来源是多样的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。返回干扰源信源发送设备信道接收设备信宿干扰源天津工业大学信息学院《通信原理》1.1.3模拟通信模型和数字通信模型信源分为两大类：连续信源、离散信源连续信源消息是通过模拟信号来传递的；离散信源消息是通过数字信号来传递的。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。天津工业大学信息学院《通信原理》一、模拟通信系统模型•信源发出的是基带信号，具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换，是用调制器和解调器实现的。•模拟通信系统模型中的发送设备和接收设备主要是调制器和解调器。天津工业大学信息学院《通信原理》模拟信源调制器信道解调器模拟信宿干扰源一、模拟通信系统模型天津工业大学信息学院《通信原理》二、数字通信系统模型信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统.数字通信系统主要的三种通信模式:1.数字基带传输通信系统2.数字频带传输通信系统3.模拟信号数字化传输通信系统天津工业大学信息学院《通信原理》二、数字通信系统模型数字信源信道发生器基带波形接收滤波器信宿干扰源1.数字基带传输通信系统取样判决cp天津工业大学信息学院《通信原理》数字信源信道干扰源编码器调制器解调器解密器信宿二、数字通信系统模型2.数字频带传输通信系统加密器译码器天津工业大学信息学院《通信原理》二、数字通信系统模型3.模拟信号数字化传输通信系统在日常生活中大部分信号为模拟信号,实现模拟信号在数字系统中的传输则必须发端进行A/D，收端进行D/A模拟信息源由抽样、量化、编码组成的模数转换器数字通信系统数模转换器受信者天津工业大学信息学院《通信原理》1）加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。返回天津工业大学信息学院《通信原理》2)信源编码与译码信源编码的作用：•设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。•信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。返回天津工业大学信息学院《通信原理》3）信道编码与译码为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。返回天津工业大学信息学院《通信原理》4）数字调制与解调•数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到载频处，形成适合在信道中传输的频带信号。•基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。•对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。•数字调制是本课程的重点内容之一。返回天津工业大学信息学院《通信原理》5）•同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。•按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。•数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。返回天津工业大学信息学院《通信原理》说明•实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。•数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如通过模拟电话线路传输数据，但这时要用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制。天津工业大学信息学院《通信原理》三、数字通信的主要特点1.(1)抗噪声性能好:信号的取值只有两个,容易判别和处理;(2)差错可控:通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制;(3)保密性好:与模拟信号相比更容易加密和解密;(4)易于与现代技术相结合；目前的终端接口均是数字信号;(5)采用数字集成电路，体积小、可靠性高、调试方便。天津工业大学信息学院《通信原理》2.数字通信的主要缺点•占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。•数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。•不过，随着光纤等的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。返回天津工业大学信息学院《通信原理》1.2通信的发展过程1.2.1通信发展简史1.古代战场的“点烽火为号”可能是最原始的数字通信，此外古代航海中使用的旗语也可以认为是数字通信的萌芽。2.通信发展的三个阶段借助电信号实现从一地向另一地进行消息传递的通信（电信）的历史可追溯到17世纪初期，从1600～1750年研究电磁现象开始到19世纪40年代，为通信理论基础准备阶段。从19世纪40年代开始通信才进入实用阶段。实用阶段大致可划分为三个阶段。（1）通信的初级阶段。从1838年摩尔斯发明有线电报到1948年香农提出信息论共110年，主要是有线通信、无线通信、广播电视、雷达和微波通信等方面的发展，此阶段以模拟通信为主。天津工业大学信息学院《通信原理》1.2.1通信发展简史（2）近代通信阶段。从1948年到20世纪80年代光纤通信系统等投入使用共30多年，主要是通信统计理论、数字传输理论及技术、彩色电视、卫星通信等方面的发展,此阶段模拟通信用于普通产品，数字通信用于高端产品。（3）现代通信阶段。20世纪80年代商用通信卫星、程控数字交换机、光纤通信系统等陆续投入使用至今共20多年,主要是卫星通信、光纤通信、移动通信、多媒体通信等方面的发展，数字通信进入寻常百姓家庭。3.从1838年到20世纪80年代通信发展上的重大事件参考P4.天津工业大学信息学院《通信原理》1.2.2通信技术的现状和发展趋势1.光纤通信光纤通信具有容量大、成本低、保密性好等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。天津工业大学信息学院《通信原理》1.2.2通信技术的现状和发展趋势2.卫星通信卫星通信的特点是通信距离远，覆盖面积广，不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。目前，卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播，它使全世界人与人之间的“距离”缩短。天津工业大学信息学院《通信原理》1.2.2通信技术的现状和发展趋势3.移动通信移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。近10年来，在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线、无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。移动通信经历了1G和2G，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向3G过渡和走向更远的4G，把移动通信从窄带推向宽带。天津工业大学信息学院《通信原理》1.2.2通信技术的现状和发展趋势4.微波中继通信微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。天津工业大学信息学院《通信原理》1.3通信系统的分类及主要通信方式1.3.1通信系统的分类1.有线通信:传输媒质为导线、电缆、光缆无线通信:电磁波2.按信道中所传信号的不同分数字通信:信道中传送的信号为数字信号模拟通信:信道中传送的信号为模拟信号天津工业大学信息学院《通信原理》1.3.1通信系统的分类3.按工作频段分长波通信:如用于导航的VLF通信中波通信:如民用调频广播;业余无线电短波通信:如短波广播通信军用通信微波通信:如移动通信雷达空间通信天津工业大学信息学院《通信原理》1.3.1通信系统的分类4.基带传输:基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式频带传输:频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。天津工业大学信