重庆邮电大学——现代通信技术ppt课件-绪论

1现代通信技术第一章绪论2006年9月2前言一、开设本门课的目的；二、课程特点三、学习要求四、辅导时间星期一晚上3第一章绪论1.1通信的基本概念通信：即信息的传递与交换。通信是人类社会发展的基础，是推动人类文明与进步的巨大动力。下面我们将讨论信息及相关的概念：在我们的教材上，这样论述的：信息是一切客观事物之间影响的总合，或者说是不确定性的消息总量。对信息的一般解释是：人认识或感觉到的一切有价值的相互之间的影响。4一、消息、信息和信息量人类是通过嘴巴、耳朵、眼睛等与对方进行信息交换的。当想要了解某些东西的时候，往往都是通过书本、电视和现在的电脑上的文字、图像、声音和各种数据来获取信息的。因此，我们作如下定义。1、消息：一般将语言、图象、声音和各种数据统称为消息。上面的论述我认为不准确，也不好理解。下面我们重新进行论述。5那么语言、图象、声音和各种数据等各种消息是用来干什么的？它们都是用来承载和传递信息的，同样的信息可以用不同形式的消息来承载和传递。2、信息：将消息给予受信者的新知识称为信息，即“信息是指对消息接收者来说预先不知道的报道”（辞海）所以消息和信息不完全是一会事。信息是本质，消息是信息载体和表现形式，形式是各种各样的，但本质不变。63、信息量：消息携带信息的多少。科学家哈特莱提出了采用消息出现的概率倒数的对数作为信息的度量单位。即：21I=logP单位：比特一个二进制携带1bit一个四进制携带2bit多进制信息传输效率高，但抗干扰差。7二、信息的主要特征1、信息的普遍性：即信息普遍存在于客观世界。2、信息的无限性：即信息的资源是无限的，不仅可以再生，而且可以无损耗地转让、继承。3、信息的商品性：即信息的价值在交换过程中实现，但并不失去其使用价值。交换的次数越多，使用价值越大。4、信息的传递性:8即信息可以通过媒体广泛传播与反馈。5、信息的共享性：即信息可以同时被许多使用者共用，而本身所含信息量并不减少。6、信息的时效性：即信息从发出、接收、加工处理到利用的时间间隔及其效率。信息的及时性与有效性成正比。7、信息的可转换性：即信息可转化为多种表现形式，如语言、文字、图像、符号等等。9三、信息技术信息技术是能够扩展人的信息功能的技术。主要包括：⑴扩展人的感觉（包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，主要是视觉和听觉）器官采集信息功能的感测技术；⑵扩展人的神经系统传递和交换信息功能的通信技术；10⑶扩展人的思维器官存储、分析、加工、处理信息功能的计算机技术；⑷扩展人的施效器官施用信息功能的控制技术。四种信息技术的关系：即感知世界、信息的传递与交换、分析世界和改造世界。如此循环。上面的关系可以用下图表示11图：信息技术感测技术通信技术计算机技术通信技术控制技术外部世界神经系统信息传递、分配思维器官信息存储、分析、加工、处理神经系统感觉器官信息采集施效器官信息施效12四、电信1、通信发展的三个阶段纵观通信的历程可以把通信的发展分为以下三个阶段：第一阶段是语言和文字通信阶段。在这一阶段，通信方式简单，内容单一。上述四种技术就是信息技术中最基本的核心技术。除此之外还包括微电子技术、存储技术、软件技术、网络技术、显示技术、声像技术等。13第二阶段是电通信阶段。1837年，莫尔斯发明了电报机，并设计出莫尔斯电报码。1876年，贝尔发明电话机。这样利用电磁波不仅可以传输文字，还可以传输语音，由此大大加快了通信的发展进程。1895年，马可尼发明了无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。第三阶段是电子信息通信阶段。2、电信通信包括邮政与电信。本课程讨论的通信技术主要是电信技术。14所谓电信是指利用有线、无线的电磁系统或者光通信系统，传递、发射或者接收语言、文字、数据、图像以及其他任何形式的信息活动（摘自《中华人民共和国电信管理条例》）。简而言之，利用电或光来传递信息的通信方式。利用电或光来传递信息，主要是电或光的传播速度是最快的，可以克服空间的限制，快速地完成不同地点之间的信息传递与交换。而且通信容量大，尤其是光通信。在对通信技术学习之前，首先介绍相关的基本概念。151.1.1通信系统通信和基本目的是由信源向信宿传送信息。eg：广播通信中播音员的声音，通过电台发送载有声音的电磁波信号，经过大气空间这个传输媒介（即信道）的传输，到达非常大范围的区域，在这个区域大任何一台收音机都可以把信号接收下来，并把信号还原成声音传送给听众。因此，任何通信系统都可以抽象概括如下图所示的一般通信系统模型：16通信系统模型示意图所以通信系统由信源、发送设备、信道、接收设备和信宿组成。注意：图中的噪声不是人为设备发送设备信源噪声信道接收设备信宿g(t)s(t)r(t)g/(t)n(t)17信源又称信息源或发终端，是信息的产生地，是各种消息转换成电信号g(t)的转换器。根据消息的不同，信源可以分成音频信源、视频信源和数据信源等。而根据转换后输出的信号的类型，又可将信源分为模拟信源和数字信源。发送设备是用于将信号发送出去的设备和电路的总合的概念，包含很多具体的电路和设备。发送设备的典型组成包括在模拟通信系统中的调制、放大、滤波和发送功能模块，以及在数字通信系18统中特有的编码、加密等功能模块。其主要作用是将信源产生的信号转换成适合信道的信号s(t)。转换后的信号应载有信源的信息。信道是信号的传输通道，其对信号的传输性能直接影响系统的通信质量。从形态上划分，信道主要分成有线信道和无线信道两种。接收设备也是若干设备和电路的总称，其作用与发送设备的作用正好相反。接收设备主要完成从接收到的信号r(t)中正确恢复原始信号g/(t)的工19作，如解调、译码等。信宿又称受信者或收终端，是信息传输的终点。其作用是将电信号转换成原来的消息。图中的噪声不是人为设备。在通信的过程中，通信设备要受到来自系统内外各方面的噪声干扰，通信的各个环节以及每一台设备都可能产生噪声。为了更方便地分析问题，并考虑到信道上的干扰最为严重，故不妨把噪声干扰集中在信道上并抽象为n(t)。20一、通信系统的分类⑴根据通信内容可分为：①语音通信由于信道传输特性的不理想和信道的噪声和干扰，所以接收设备恢复的信号g/(t)，是原信号g(t)的近似值或估计值，所以，通信就是在某种信道上，在噪声干扰的情况下，如何对信号进行最有效变换和处理，使收端恢复的信号的失真最小。21语音通信是以人的听觉为服务对象的通信方式。其中电话最具代表性。电话为什么会如此发达、能构筑起如此规模巨大的电话网呢？那是因为利用语言的声音和听觉的信息交换具有实时、高效的突出特点，即最方便、最快的信息交换方式。而电话正是实现这种信息交换的一种通信方式。满足了通信的基本要求，所要求的条件也比较明确，所以自电话发明以来使用电话与远方的朋友交谈的通信方式一直沿续至今，几乎没有什么变化，而规模则不断地扩大。22②图像通信人通过视觉所获得的信息是最多的。在视觉信息中，以文字为主，其次是图形。文字通信包括沿袭至今的电报和用户直通电报。而传真作为一种包含有图形的纸面信息如今已非常普及。处理自然场景的图像通信是人们用于直接交换信息的通信系统。由于图像信号包含有一些多余信息，所以信息量很大。除传统电视，目前已开发的有电视电话、电视会议、场景监视等多种系23统。但既不损伤图像通信的质量，又能降低通信成本的研究工作仍在继续进行。③数据通信（计算机通信）数据通信所传送的是经计算机处理后的符号。与声音和图像通信相比，声音和图像在传送时如果出现了一点点差错，对声音和图像的影响较小。但对数据通信则不行，要求正确传送不能出一点差错。因此，对数据通信系统来说，差错检出和纠错时必须具备的重要功能。④多媒体通信24⑵根据传输信号的性质可分为：模拟通信系统和数字通信系统⑶根据信道的不同可分为：P2主要划分为有线通信和无线通信有线通信有线电通信双绞线同轴电缆光纤通信短波通信微波通信卫星通信无线通信红外线通信中、低轨道卫星同步卫星25三、对信息通信的技术要求对信息通信系统提出了下述四项要求：Ⅰ必须保证通信所需的质量；Ⅱ可靠性；Ⅲ使用方便。Ⅳ降低成本和运行的费用作为一种服务设施，尽可能地降低成本，降低设备和运行所需的费用也是一个重要的方面。下面我们更具体地讨论：1、信息通信系统所需的带宽26对信息通信系统来说，所需要的传送带宽是由所处理的信息量和所处理这些信息所需要的时间来决定的。人耳可以感觉到的频率范围大约为30～20000Hz。在声音当中频率越高，能量就越小，所以在电话中只传送能听清对方说话声的0.3～3.4kHz的部分。但要得到高质量的声音信号，则必须有更高的频率。如要听高质量的音乐，则频率必须提高到15kHz以上。27传真借助扫描来分解图像的，将每一个细分后的像素（也称为点）处理成黑或者白的二值信息后再进行传送。例如一张A4的纸面在横向8点/㎜、纵向也是8点/㎜将整张纸面划分为若干个点，那么一张A4的文件的信息量为：8点/㎜×210㎜×8点/㎜×297㎜≈4Mbit如果用一分钟来处理这些信息量，其处理速度就必须达到约66kbit/s。电视方式的带宽约为6MHz，其带宽远远大于电话所需带宽。所以开发了多种能去除图像信号中的冗余度的高效编码方式。现在用2～3Mbit/s28的处理速度就可以获得高质量的传递，重现图像的质量与标准电视一模一样。数据通信所处理的信息量随着用途不同，范围极宽。在每秒监视一次有无异常情况发生的系统中，只需要1bit/s就足够了。如要在两分钟内传送1Mbit的FD（软磁盘）的内容，那么需要64kbit/s，如果只用一秒钟左右传送则需要1.5Mbit/s。用LAN（局域网）组成的高级计算机系统信息量达100Mbit/s～1Gbit/s。292、通信系统的质量要求：P2~P3通信系统的主要质量指标是围绕传输的有效性和可靠性来制定的，这些主要质量指标为：⑴有效性指标：①符号速率又叫信号速率（消息速率）N它表示单位时间（每秒）信道上实际传输的符号数或脉冲个数。单位：波特，即每秒传输的符号个数。②信息传输速率。简称传信率R它表示单位时间内系统传输的信息量，即二进制码元数。单位：bit/s。30即单位频带内的信息传输速率。频带利用率是真正反映通信系统有效性的指标。2log/RNMbitsM为符号进制数⑵频带利用率：/RbitsHzB对多进制而言：信息传输速率与符号速率的关系如下：31⑶可靠性指标：用差错率表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字符率、平均无码组率。接收出现差错的比特数误码率＝传输的总比特数差错率是一个统计平均值，因此在测试或统计时，总的发送比特（字符、码组）数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。接收出现差错的字符（码组）数误字符码组率＝传输的总字符（码组）数321.1.2通信信号通信系统的作用是传递信息。被传递的信息在通信系统中被变换成某种形式的物理量，如光、声、电等等，这些物理量就称为通信信号。从数学角度来说，信号通常看成是时间的函数，在时域上可以划分为连续函数和离散函数的。例如：我们打电话，声音通过话筒转换成电信号，当发话者声音改变时，电信号的大小也随着改变，即信号是随着时间的变化而变化的。33从通信的角度而言，信号是传递信息的载体，常划分为模拟信号和数字信号。1、模拟信号①定义：模拟信号是指代表信息的电信号及其参数（幅度、频率或相位）随着信息的变化而连续变化的信号。②特点：信号的参数(幅度、频率或相位)连续变化，而在时间上可以连续，也可以不连续。34③模拟信号分为连续的模拟信号和离散的模拟信号，如图1.2所示。f(t)tf(nT)t352、数字信号①特点：因此其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的，如图1.3所示。f(nT)t0A00000111111f(nT)t0A36②定义：数字信号是指在时间上和幅度上均取离散数值的电信号。③两种信号比较f(nT)t0AA/237模拟信号的幅度取值为无限多个，而数字信号的幅度取值是离散的，且为有限个；模拟信号待传递的的信息包含在信号的波形之中，数字信号待传递的信