通信原理以及实践应用

通信原理主讲教师：丁文飞：[e-mail]：18946175886第1章绪论2通信原理是通信工程、无线电工程、电子信息工程、计算机通信、图像处理与传输等专业的必修专业基础课。课程介绍本课程主要介绍现代通信系统所涉及的基础理论、通信中常用的信号及噪声分析、通信系统的构成、原理及性能分析。第1章绪论3信息与通信工程两个二级学科排名：第一名：清华大学第二名：西安电子科技大学第三名：北京邮电大学学科排名曹志刚《现代通信原理》清华大学出版社樊昌信等《通信原理》国防工业出版社李白萍,吴东梅《通信原理与技术》人民邮电出版社张传生等《数字通信原理》西安交通大学出版社徐台松等《数字通信原理》电子工业出版社参考网址：参考教材《通信原理》学习网站通信原理网络课程现代通信系统原理网络课程《通信原理》扩展知识网站移动通信在线通信人家园研学论坛中国通信资源网国外网站联邦通信委员会://ct.oxfordjournals.org/://://参考网站通信系统概念模拟通信系统频带传输系统基带传输系统调制与解调同步技术学习内容掌握通信的基本原理，对信息的表示、信道的通信能力、信源的编码、信道的编码以及同步原理有基本的了解。对通信系统的有效性和可靠性的分析，并能根据一定的参数要求，设计相应的数字通信系统。学习目的1.1引言1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4关于信息量及信源熵的计算1.5通信系统的主要性能指标1.6通信发展史习题本章重点本章思考第1章绪论学习目标：常用通信术语通信系统的组成和分类、通信方式信息的度量及信息熵的概念通信系统的主要性能指标要点：掌握通信系统模型的组成；掌握通信系统的分类；掌握通信的度量及信源熵学习目标及要点第1章绪论101.1引言通信:信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速）1、几个概念消息：信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像等。信息：消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。第1章绪论11消息信息1.1引言第1章绪论12电通信：是利用电（电流或电波）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。1.1引言信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。第1章绪论13语言文字印刷术计算机网络2、通信的发展不可存储；速度低；广泛性低。可存储；广泛性低。表情动作可存储；速度低；广泛性高。电报电话在任何时刻可以在网上获得有效信息。1.1引言第1章绪论14信源在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等发送设备信道噪声源接收设备信宿如调制器、功率放大器、天线等如双绞线、光纤、同轴电缆等。注意：自由空间也是一种信道是一种随机信号，对通信有害，但不可避免。与是发送设备处理的“逆过程”在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等图1–1通信系统的一般模型1.2.11.2通信系统的组成第1章绪论15信源：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。1.2通信系统的组成第1章绪论16发送设备：是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(信道：指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。1.2通信系统的组成电梯用综合电缆75Ω射频同轴电缆室外非金属光缆布线金属光缆第1章绪论18噪声源：通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。接收设备：完成发送设备的反变换，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。1.2通信系统的组成第1章绪论19信宿：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。图1-1概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。1.2通信系统的组成第1章绪论20按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号.1、1.2通信系统的组成（1）模拟信号取值是连续的或取无穷多个值的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第1章绪论21连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1-2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号脉冲振幅调制信号。1.2通信系统的组成Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O图1–2模拟信号波形(a)连续信号；(b)抽样信号第1章绪论22只能取有限个值的信号。如计算机输入/输出信号等。幅度离散、时间离散。即函数形式表现为自变量和函数值都离散取值的函数。（2）数字信号1.2通信系统的组成按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。第1章绪论23模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统。模拟通信系统中需两种变换：连续消息原始信号原始信号信道信号2、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成第1章绪论24模拟通信系统模型可由图1-1略加演变而成，如图1-3所示。图中的调制器和解调器就代表图1-1中的发送设备和接收设备。1.2通信系统的组成信息源调制器信道解调器受信者噪声源图1-3模拟通信系统模型基带信号频带（已调）信号第1章绪论25已调信号有三个基本特征：携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。1.2通信系统的组成第1章绪论264、数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源图1–4数字通信系统模型数字通信系统是传输数字信号的通信系统，如图1-4所示。1.2通信系统的组成第1章绪论27信源编码的作用：一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。例如：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(ΔM)。二是设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。（11.2通信系统的组成信源译码是信源编码的逆过程。第1章绪论28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。（2）1.2通信系统的组成第1章绪论29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。（3）加密与解密1.2通信系统的组成第1章绪论30数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。S(t)Acos(ωt+φ)S(t)Acos(ωt+φ)信源载波信号已调信号（4）数字调制与解调1.2通信系统的组成第1章绪论31同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。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。（5）同步1.2通信系统的组成第1章绪论32数字信号的基带传输:若在某些有线信道中，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，其模型中就不包括调制与解调环节。数字信号的频带传输：数字基带信号需经过调制之后，在进入信道中传输。1.2通信系统的组成模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。第1章绪论33抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性；易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；易于集成化，从而使通信设备微型化；易于加密处理，且保密强度高。5、数字通信的主要优点1.2通信系统的组成第1章绪论346、数字通信的主要不足占用带宽大；模拟电话4KHz,数字电话20-64KHz需要同步。1.2通信系统的组成第1章绪论351.3通信系统分类1按通信业务分，通信系统有话务通信和非话务通信。非话务通信主要是数据通信、计算机通信、电报通信、可视图文及会议电视、图像通信等。1.3.1第1章绪论36视频会议系统返回第1章绪论371.3通信系统分类2、按调制方式分类按信号是否经过调制根据实际情况来确定（如传输距离）基带通信系统频带（调制）通信系统表1-1常见的调制方式（略）调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调幅（AM）广播抑制载波双边带调幅(DDS)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载波是连续信号模拟调制调制方式用途脉冲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（1）载波是脉冲信号第1章绪论40按信道传输的信号种类来分1.3通信系统分类3、模拟通信系统数字通信系统按传输的媒介种类来分有线通信系统无线通信系统4、按传输媒质分类第1章绪论41按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。表1-2列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途。工作波长和频率的换算公式为；λ=λ为工作波长，f为工作频率，c为光速)()/(1038Hzfsmfc5、按工作波段分类1.3通信系统分类表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3Hz~30kHz104~108m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30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m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3~30MHz10~102m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30~300MHz1~10mVHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cmUHF分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cmSHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mmEHF毫米波无线电雷达、微波接力