通信原理(chapter1)

通信原理任课教师:向强二零一零年九月联系方式教研室:通信工程教研室（L1-206）学校网站：教师社区电子邮件：[e-mail]；[e-mail]《通信原理》课程说明上课时间：每周五节上机时间：每周两节（8-16周）BS-626理论和实践并重的课程按要求完成相应的实验（包括实验报告）和作业关于考试：作业、实验、考勤30%；期末考试70%《通信原理》教材及主要参考书教材：《通信原理》（第6版），樊昌信，国防工业出版社，2007.3参考书：◎《通信系统原理教程》，王兴亮，西安电子科技大学出版社，2007.3◎《通信原理》（第3版），杨鸿文等，北京邮电大学出版社，2009.9◎《现代通信原理》，曹志刚等，清华大学出版社，2003.12涉及的相关课程已修课程：数字电路、模拟电路、高频电子线路、信号处理等将修或正修课程：信息理论与编码、程控交换、随机过程、移动通信、计算机网络通信、卫星通信、光纤通信等通信原理教案第一章绪论第二章确知信号第三章随机过程第四章信道第五章模拟调制系统第六章数字基带传输系统第七章数字带通传输系统第八章新型数字带通调制技术第九章模拟信号的数字传输第十章数字信号的最佳接收第十一章差错控制编码通信原理教案第十二章正交编码与伪随机序列第十三章同步原理第十四章通信网第1章绪论讲一讲您看到过或者听到过有趣的通讯故事？故事一、故事二您知道有哪些通讯方式？至少说出五种。表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、旌旗、航行用的信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、聊天工具思考FM、AM、SW、MW、LW是什么意思？调频、调幅、短波、中波、长波VHF、UHF、SHF是什么意思？米波波段（甚高频）、分米波波段（特高频）、厘米波波段（超高频－在开发中）AMPS、GSM、CDMA、PHS、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、OFDM是什么意思？北美蜂窝系统、移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电话系统、宽带分码多工存取、第三代CDMA、时分同步的码分多址技术、正交多任务分频技术（4G）公元前400多年，被人们誉为历史之父的古希腊历史学家希罗多德在著作中讲述了一个故事：一个名叫Histiaus的人筹划着与他的朋友合伙发起叛乱，里应外合，以便推翻波斯人的统治。他找来一位忠诚的奴隶，剃光其头发并把消息纹刺在头皮上，等到头发又长起来了，再把他派出去送“信”，最后叛乱成功了故事一故事二波斯宫廷中的一个希腊人Demeratus想要告知希腊的斯巴达，有人要来侵犯他们。在那个时候，书写用的木匾通常是用两片打上蜡的木片，连起来作为一本书，字是写在蜡上的，再用时把蜡熔化掉就可以了。而Demeratus使用的方法是先将蜡去掉，把消息写在木片上，然后在木片上打上蜡。这样从外观上就看不出蜡下面藏着信息了第1章绪论1.1通信的基本概念通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。第1章绪论电信发明史1837年：莫尔斯发明有线电报1876年：贝尔发明有线电话1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世1936年：商业电视广播开播……………后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。电信的概念：在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用通信发展简史与展望第1章绪论第1章绪论1.2通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第1章绪论接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。第1章绪论1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟信号和数字信号模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：0t0t(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号第1章绪论数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。0tt码元(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号第1章绪论模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：两种变换：模拟消息原始电信号（基带信号）基带信号已调信号（带通信号）图1-4模拟通信系统模型第1章绪论数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源图1-5数字通信系统模型第1章绪论1.2.3数字通信的特点优点抗干扰能力强，且噪声不积累传输差错可控便于处理、变换、存储便于将来自不同信源的信号综合到一起传输易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于加密处理，且保密性好缺点：需要较大的传输带宽对同步要求高数字通信的主要优点(1)抗干扰、抗噪声性能好以二进制为例，在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决，再确定是“1”码还是“0”码，并再生“1”、“0”码的波形因此，只要不影响判决的正确性，即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声，即使噪声很小，也很难消除第1章绪论数字通信的抗噪声性能好还表现在微波中继(接力)通信时，它可以消除噪声积累。这是因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样，没有噪声叠加在上面。因此，中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量，而模拟通信中继时只能增加信号能量(对信号放大)，不能消除噪声第1章绪论(2)差错可控。数字信号在传输过程中出现的错误(差错)，(3)易加密。数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信的保密性好(4)易于与现代技术相结合。由于计算机、数字存储、数字交换以及数字处理等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均采用数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。正因为如此，数字通信才得以高速发展第1章绪论数字通信的主要缺点数字通信相对于模拟通信来说，(1)频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带较宽。以电话为例，一路数字电话一般要占据约20～60kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4kHz的带宽。如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话5~15倍第1章绪论(2)需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求接收端和发送端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。随着数字集成技术的发展，各种中、大规模集成器件的体积不断减小，加上数字压缩技术的不断完善，数字通信设备的体积将会越来越小。随着科学技术的不断发展，数字通信的两个缺点也越来越显得不重要了。实践表明，数字通信是现代通信的发展方向第1章绪论第1章绪论1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统……按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信……按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用1.有线通信:是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导、纳米材料等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着(明线通信、电缆通信、光缆通信)采用架空明线来传递电信号，这种方式易遭受自然灾害而影响通信质量采用埋设在地下的电缆来传递电信号，与架空明线比，电缆的优点是容纳线对的数量较多，受气候影响和外界的损害较少，埋在地下时，保密性较好；缺点是衰耗比明线大得多，投资也比明线高无线通信:是指传输媒质看不见、摸不着(如电磁波)的一种通信形式(微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信)2.按调制方式分类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通信方式频带传输：是指信号经过调制后再送到信道中传输，接收端有相应解调措施的通信方式表1-1常用的调制方式3.按工作频段分类长波通信、中波通信、短波通信、微波通信通信的中工作频率和工作波长互换公式：fC(1-1)λ为工作波长f为工作频率C为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3×108m/s表1-2通信使用的频段及主要用途第1章绪论1.3.2通信方式单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式第1章绪论并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高发送方接收方同时发送8比特01101100第1章绪论串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信发送方01100100接收方01100100并行/串行转换器串行/并行转换器011001008比特依次发送第1章绪论1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效内容如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。第1章绪论度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：P(x)－消息发生的概率，I－消息中所含的信息量，则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)，I；P(x)=1时，I＝0；P(x)=0时，I＝；满足上述3条件的关系式如下：－信息量的定义)]([)]([])()([2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa第1章绪论上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)，若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)【例】设一个二进制离散信源，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在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特)(log)(1logxPxPIaa221loglog()()IPxPx)b(12log2