通信原理與技術(shù)

1、2021/3/10CP 第一章 緒論1 2021/3/10CP 第一章 緒論2 0電磁波電磁波 通信技術(shù)發(fā)展概況通信技術(shù)發(fā)展概況 1838莫爾斯莫爾斯 有線電報(bào)有線電報(bào)1948晶體管晶體管 香農(nóng)香農(nóng)IT 通信統(tǒng)計(jì)理論建立通信統(tǒng)計(jì)理論建立 1864麥克斯韋爾麥克斯韋爾 電磁輻射方程電磁輻射方程1950時(shí)分多路通信時(shí)分多路通信 應(yīng)用于電話應(yīng)用于電話 1876貝爾貝爾 電話電話1956越洋電話鋪設(shè)越洋電話鋪設(shè) 1896馬克尼馬克尼 無(wú)線電報(bào)無(wú)線電報(bào)1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射 1906真空管真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射 1918調(diào)幅廣播調(diào)幅廣播 超外差接收機(jī)超外

2、差接收機(jī)1960發(fā)明激光發(fā)明激光 1925三路明線載波電話三路明線載波電話 多路通信多路通信1961發(fā)明集成電路發(fā)明集成電路 1936調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星第一顆同步通信衛(wèi)星 PCM進(jìn)入實(shí)用進(jìn)入實(shí)用 1937脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制 Modulator1960彩電彩電 數(shù)字傳輸理論數(shù)字傳輸理論 高速計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī) 1938電視廣播電視廣播1970LSI 商用衛(wèi)星商用衛(wèi)星 程控交換程控交換 光纖通訊光纖通訊 1940二戰(zhàn)刺激二戰(zhàn)刺激 雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā)雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā) 展展 1980SLSI 長(zhǎng)波光纖通信長(zhǎng)波光纖通信 ISDN 3G 2021/3/10CP 第一章 緒論3 第

3、一章緒論第一章緒論 1.11.1引言引言 1.2 1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 1.31.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式通信系統(tǒng)的分類及通信方式 1.41.4信息及其度量信息及其度量 1.5 1.5 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 1.6 1.6 通信技術(shù)的發(fā)展概況通信技術(shù)的發(fā)展概況 2021/3/10CP 第一章 緒論4 .1.1引言引言 1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱為通信. 2、通信網(wǎng)概念：為了完成多用戶中任意 兩個(gè)用戶之間信源與信宿之間的通信過(guò) 程, 一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶 通信系統(tǒng)互連的通信體系稱之為通信網(wǎng)。 2021/3/10CP 第一章 緒論5 .1.1引言引言

4、（續(xù)） 3、通信網(wǎng)的構(gòu)成 1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）等 2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等 3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等 4）協(xié)議和準(zhǔn)則 2021/3/10CP 第一章 緒論6 .1.1引言引言 （續(xù)） 4、本課程的主要任務(wù) 本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)， 主要討論系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)。 返回主目錄返回主目錄 2021/3/10CP 第一章 緒論7 1.2 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 121 通信系統(tǒng)模型 實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒 質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。 信息源發(fā)送設(shè)備信息接收設(shè)備受信者 噪聲源 發(fā)送端接收端 2021/3/10CP 第一章

5、 緒論8 1.2.1 通信系統(tǒng)模型-信源 信源是消息的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消 息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱之為消息信號(hào)或 基帶信號(hào)。 電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等 各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。 模擬信源，輸出的是模擬信號(hào)； 數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號(hào)。 2021/3/10CP 第一章 緒論9 1.2.1 通信系統(tǒng)模型-發(fā)送設(shè)備 發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹 配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換 成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。 變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬 移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。 對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 發(fā)送設(shè)備常常又 可分為信源編碼與信道編碼。 2021/3/10CP 第

6、一章 緒論10 1.2.1 通信系統(tǒng)模型-信道 信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。 在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間）， 在有線信道中，信道可以是明線、 電纜或光 纖。有線和無(wú)線信道均有多種物理媒質(zhì)。 媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系 到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同， 需要 對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型， 以 反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。 2021/3/10CP 第一章 緒論11 121 通信系統(tǒng)模型 噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中 各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所 不希望的。 噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外 部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，

7、因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲 的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。 2021/3/10CP 第一章 緒論12 1.2.1 通信系統(tǒng)模型-接收設(shè)備 接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的 反變換， 即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。 其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確 恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多 路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí) 現(xiàn)正確分路。 2021/3/10CP 第一章 緒論13 1.2.1 通信系統(tǒng)模型-信宿 信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)。 其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的消息。 2021/3/10CP 第一章 緒論14 1.2.2 模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型

8、連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù) 的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。 離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體電信號(hào)來(lái) 實(shí)現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量 上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波 的幅度、寬度或位置）。 2021/3/10CP 第一章 緒論15 1.2.2 模擬通信模型和字通信模型模擬通信模型和字通信模型 按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和 數(shù)字信號(hào)。 凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直 接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為模擬信號(hào)，如電話機(jī) 送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。 模擬信號(hào)有時(shí)也稱連

9、續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量 可以連續(xù)變化，或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值， 而不一定在時(shí)間上也連續(xù)， 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息 相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算 機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。 數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量 是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散， 2021/3/10CP 第一章 緒論16 1.2.2 模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 模擬信號(hào)波形 (a) 連續(xù)信號(hào)； (b) 抽樣信號(hào) O f (t ) t (a ) f (n T ) t PAM信號(hào) (b ) O 2021/3/10

10、CP 第一章 緒論17 1.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 數(shù)字信號(hào)波形 (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK波形 100110111001 O f ( nT ) t 00111001 數(shù)字信 息 PSK波形 (a ) (b ) 2021/3/10CP 第一章 緒論18 1.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字 信號(hào)， 可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通 信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 2021/3/10CP 第一章 緒論19 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，基帶的含 義是指信號(hào)的

11、頻譜從零頻附近開(kāi)始，如語(yǔ)音信 號(hào)為3003400Hz， 圖像信號(hào)為06MHz。 由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量， 一 般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號(hào)變換成 其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并可在接收 端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的 通常是調(diào)制器和解調(diào)器。 經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。 2021/3/10CP 第一章 緒論20 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征： 攜帶有信息 適合在信道中傳輸 信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零 頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱頻帶信號(hào)。頻帶信號(hào)。 2021/3/10CP 第一章 緒論21 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系

12、統(tǒng)模型 兩種變換 連續(xù)消息與基帶信號(hào)的變換 基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的變換 實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻 射、控制等過(guò)程。 由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作 用，而其他過(guò)程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對(duì) 信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是 理想的而不予討論。 2021/3/10CP 第一章 緒論22 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)模型 信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者 噪聲源 2021/3/10CP 第一章 緒論23 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信的主要特點(diǎn) 1） 抗干擾能力差 2） 不易于保密通信 3） 設(shè)備不易于大規(guī)模集成

13、 4） 不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求 5） 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。 2021/3/10CP 第一章 緒論24 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 技術(shù)問(wèn)題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、 數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、 同步以及加密等。 信 息 源 信 源 編 碼 器 信 道 編 碼 器 數(shù) 字 調(diào) 制 器 信 道 數(shù) 字 解 調(diào) 器 信 道 譯 碼 器 信 源 譯 碼 器 受 信 者 噪聲源 2021/3/10CP 第一章 緒論25 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn) 且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無(wú) 需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信 號(hào)的基帶傳

14、輸，其模型中就不包括調(diào)制 與解調(diào)環(huán)節(jié)， 2021/3/10CP 第一章 緒論26 1) 信源編碼與譯碼 作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率， 即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。 碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬 又直接反映了通信的有效性。 作用二: 是當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)， 信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬 信號(hào)的數(shù)字化傳輸。 信源編碼方法：PCM、ADPAM、DM等 信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。 2021/3/10CP 第一章 緒論27 2） 信道編碼與譯碼 數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及 人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)， 信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元

15、按一定的規(guī)則加 入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編 碼”。 接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從 解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通 信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 信道編碼：線性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。 2021/3/10CP 第一章 緒論28 3） 加密與解密 在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證 所傳信息的安全， 人為將被傳輸?shù)臄?shù)字 序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過(guò)程 叫加密。 在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制 品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原 來(lái)信息，叫解密。 2021/3/10CP 第一章 緒論29 4） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到

16、高 頻處， 形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。 基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵 控FSK、絕對(duì)相移鍵控PSK、相對(duì)（差分）相 移鍵控DPSK。 對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還 原為數(shù)字基帶信號(hào)。 對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)器接收 機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。 2021/3/10CP 第一章 緒論30 5） 同步與數(shù)字復(fù)接 同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工 作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩 端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。 按照同步的功用不同，可分為 載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步 數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè) 低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)

17、，以 擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。 2021/3/10CP 第一章 緒論31 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 如在某些有線信道中，若傳輸距離不太 遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào) 無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字 信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào) 制與解調(diào)環(huán)節(jié) 2021/3/10CP 第一章 緒論32 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng) 中傳輸 數(shù)字電話系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必 須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn) 行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。 模擬通信與

18、數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸 的信號(hào)種類。 2021/3/10CP 第一章 緒論33 3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)。 差錯(cuò)可控。 易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì) 信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成 智能網(wǎng)。 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。 數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的 系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。 返回主目錄返回主目錄 2021/3/10CP 第一章 緒論34 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式 按通信業(yè)務(wù)分， 話務(wù)通信和非話務(wù)通信。 非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)

19、庫(kù)檢索、電 子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、 圖像通信等。 按調(diào)制方式分類按調(diào)制方式分類:基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸。 按信號(hào)特征分類按信號(hào)特征分類:模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào) 按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)分類:有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng) 按工作波段分類按工作波段分類 按信號(hào)復(fù)用方式分類按信號(hào)復(fù)用方式分類:頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。 2021/3/10CP 第一章 緒論35 表表 1- 1常見(jiàn)的調(diào)制方式常見(jiàn)的調(diào)制方式 調(diào) 制 方 式 用途 連 續(xù) 波 調(diào) 制 線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無(wú)線電臺(tái)、數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)幅V

20、SB 電視廣播、 數(shù)傳、 傳真 非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸 2021/3/10CP 第一章 緒論36 調(diào) 制 方 式 用途 脈 沖 數(shù) 字 調(diào) 制 數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、 空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制 QAM、 MSK等 數(shù)字微波、 空間通信 脈沖模擬調(diào) 制 脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、 遙測(cè) 脈寬調(diào)制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制PPM 遙測(cè)、 光纖傳輸 脈沖數(shù)字調(diào) 制 脈碼調(diào)制PCM 市話、 衛(wèi)星、 空間通信 增量調(diào)制DM 軍用、

21、 民用電話 差分脈碼調(diào)制DPCM 電視電話、 圖像編碼 其他語(yǔ)言編碼方式 ADPCM、 APC、 LPC 中低速數(shù)字電話 續(xù)表（續(xù)表（2） 2021/3/10CP 第一章 緒論37 表表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質(zhì)通信波段與常用傳輸媒質(zhì) 頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途 3 Hz30 kHz 104108 m 甚低頻 VLF 有線線對(duì)長(zhǎng) 波無(wú)線電 音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距 離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo) 30300 kHz 103104 m 低頻LF 有線線對(duì)長(zhǎng) 波無(wú)線電 導(dǎo)航、 信標(biāo)、 電力線通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中頻 MF 同軸電纜短 波無(wú)線電 調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、

22、業(yè)余無(wú)線電 330 MHz 10102 m 高頻HF 同軸電纜短 波無(wú)線電 移動(dòng)無(wú)線電話、 短波廣播定 點(diǎn)軍用通信、 業(yè)余無(wú)線電 30300 MHz 110 m 甚高頻 VHF 同軸電纜米 波無(wú)線電 電視、 調(diào)頻廣播、 空中管 制、 車輛、 通信、 導(dǎo)航 2021/3/10CP 第一章 緒論38 續(xù)表（續(xù)表（2） 頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途 300 MHz3 GHz 10100 cm 特高頻 UHF 波導(dǎo)分米波 無(wú)線電 微波接力、 衛(wèi)星 和空間通信、 雷 達(dá) 330 GHz 110 cm 超高頻 SHF 波導(dǎo)厘米波 無(wú)線電 微波接力、 衛(wèi)星 和空間通信、 雷 達(dá) 30300 GHz

23、110 mm 極高頻 EHF 波導(dǎo)毫米波 無(wú)線電 雷達(dá)、 微波接力、 射電天文學(xué) 10710 8 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可見(jiàn)光 紅外 光纖激光空 間傳播 光通信 2021/3/10CP 第一章 緒論39 1.3.2通信方式通信方式 前述通信系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng) 但在多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為信宿，需要雙向通 信，電話就是一個(gè)最好的例子 這時(shí)通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備，并需要 各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個(gè)信道， 就必須用頻率或時(shí)間分割的方法來(lái)共享信道。 因此，通信過(guò)程中涉及通信方式與信道共享問(wèn) 題。 2021/3/10CP 第一章 緒論40 對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞

24、 的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為 單工、半雙工及全雙工通信三種。 單工通信， 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個(gè)信道。 廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼等。 半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同 時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。 使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問(wèn)詢、檢索、科學(xué)計(jì) 算等數(shù)據(jù)通信。 全雙工通信， 是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工 作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。 普通電話、手機(jī)都是最常見(jiàn)的全雙工通信方式， 計(jì)算機(jī)之間 的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。 2021/3/10CP 第一章 緒論41 單工、 半雙工和全雙工通信方式示意圖 (a) 單工； (

25、b) 半雙工； (c) 全雙工 發(fā)端信 道收端 發(fā)端 信 道 收端 發(fā)端 收端 (a) (b) 發(fā)端 信 道 收端 發(fā)端 收端 信 道 (c) 2021/3/10CP 第一章 緒論42 按數(shù)字信號(hào)排列順序分按數(shù)字信號(hào)排列順序分 在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)代碼排列的順序可分為并行傳 輸和串行傳輸。 并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或 兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。 并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多， 設(shè)備復(fù)雜， 成本高， 故較少采用， 一般適用于計(jì)算機(jī) 和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通 信。 串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道 上傳輸。

26、 通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ) 是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間 的通信上。 2021/3/10CP 第一章 緒論43 并行和串行通信方式示意圖 (a) 并行傳輸； (b) 串行傳輸 發(fā) 送 設(shè) 備 接 收 設(shè) 備 1 01 (b) 發(fā) 送 設(shè) 備 接 收 設(shè) 備 (a) 返回主目錄返回主目錄 2021/3/10CP 第一章 緒論44 1.4 信息及其度量信息及其度量 信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。 任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說(shuō)，信源輸 出是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定性的。 對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定

27、的內(nèi)容才構(gòu)成信息。 因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量. 根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概 率來(lái)描述。 消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。 2021/3/10CP 第一章 緒論45 假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的 信息。 （1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I = fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1時(shí)， I0； P(x)0時(shí)， I 3） 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量等 于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說(shuō)，信息具有相加 性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+ 1

28、 lo glo g() () aa Ipx px =- 2021/3/10CP 第一章 緒論46 信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。 a=2時(shí)， 信息量的單位為比特(bit)； a=e時(shí)， 信息量的單位為奈特(nit)； a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊(Hartley) 。 目前廣泛使用的單位為比特。 哈特萊哈特萊首先提出采用消息出現(xiàn)概率的對(duì)數(shù)測(cè)度作為離散消息的信息度 量單位。 2021/3/10CP 第一章 緒論47 1.4 信息及其度量信息及其度量 等概等概 例 1 1 設(shè)二進(jìn)制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字0 或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為 P=1/4的信息量為2比特 傳送等概率的四進(jìn)

29、制波形之一 （P=1/4）的信息量為2比特，這時(shí)每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè) 二進(jìn)制脈沖表示； P=1/8的信息量為3比特 P=1/M的信息量為log2 M(bit) 若M是2的整冪次， 則 222 11 (0)(1)logloglog 21 1 ( ) 2 II p x = 2KM = 22 1 lo glo g2() 1 K IKb i t M = 2021/3/10CP 第一章 緒論48 1.4 信息及其度量信息及其度量 非等概非等概 設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集， 其中每 個(gè)符號(hào)xi(i=1, 2, 3, , n)出現(xiàn)的概率為P(xi)， xi所包含的信息量 平均信息量為 由于

30、H同熱力學(xué)中的熵形式一樣， 故通常又稱它為 信息源的熵，其單位為bit/符號(hào)。 2 log( ) i P x- 返回主目錄返回主目錄 符號(hào)）/)(log)( 2 1 bitxpxp i n i i 1)( 1 n i i xP 2021/3/10CP 第一章 緒論49 顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，信源的熵有最 大值。 例 一離散信源由0， 1， 2， 3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn) 的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。 試求某消息201020130213001203210100321010023102002010- 312032100120210的

31、信息量。 解 此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出 現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量為 2021/3/10CP 第一章 緒論50 )(1088log74log134log14 3 8 log23 2222 bitI 每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為 符號(hào)位） 符號(hào)位 /(89. 1 57 108 bit I I 若用熵的概念來(lái)計(jì)算， 由式（1.3 - 5）得 8 1 log 8 1 4 1 log 4 1 8 3 log 8 3 222 H 符號(hào)位）/(906. 1bit 2021/3/10CP 第一章 緒論51 可見(jiàn)，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)， 用熵的概

32、念來(lái)計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。 以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。 對(duì)于 連續(xù)消息，信息論中有一個(gè)重要結(jié)論，就是任何形式的待傳 信息都可以用二進(jìn)制形式表示而不失主要內(nèi)容。抽樣定理告 訴我們：一個(gè)頻帶受限的連續(xù)信號(hào)，可以用每秒一定數(shù)目的 抽樣值代替。而每個(gè)抽樣值可以用若干個(gè)二進(jìn)制脈沖序列來(lái) 表示。因此，以上信息量的定義和計(jì)算同樣適用于連續(xù)信號(hào)。 2021/3/10CP 第一章 緒論52 1.5 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性和可靠性。 有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的 多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題； 而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度

33、，也就是傳 輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。 這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可 以進(jìn)行互換。 2021/3/10CP 第一章 緒論53 模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性可用有效傳輸頻帶來(lái)度量，同樣的消息 用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。 可靠性用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。不同 調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解 調(diào)后的信噪比是不同的。 如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需 傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。 2021/3/10CP 第一章 緒論54 數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。 可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。 2021/3/10CP 第一章 緒論5

34、5 1. 傳輸速率 碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB簡(jiǎn)稱傳碼率傳碼率，又稱符號(hào)速率等。 它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波 特（Baud），記為B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率 與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān): 1 () B RB T = 2021/3/10CP 第一章 緒論56 由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用 log2 M個(gè)二進(jìn)制 碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況 下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率 RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： 信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱傳信率傳信率，又稱比特率等。 它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的

35、平均信息量或比特?cái)?shù)， 單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。 22 log BBM RRM( )B 2021/3/10CP 第一章 緒論57 每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定bit數(shù)的信息量， 因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即 式中，H為信源中每個(gè)符號(hào)所含的平均信息量 （熵）。 等概傳輸時(shí)，熵有最大值 ，信 息速率也達(dá)到最大，即 二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等， 有時(shí)簡(jiǎn)稱它們?yōu)閿?shù)碼率數(shù)碼率。 2 log() bB RRM b s 2 log M . () bB RR H b s 2021/3/10CP 第一章 緒論58 頻帶利用率 (/) B R B Hz B

36、h= /() b R bs Hz B h= 2021/3/10CP 第一章 緒論59 2. 差錯(cuò)率差錯(cuò)率 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo) 是差錯(cuò)率， 常用誤碼率和誤信率 表示。 誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā) 生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù) 中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤 碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò) 的概率，即 誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā) 生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù) 中所占的比例， 即 在二進(jìn)制中有 Pb=Pe e p = 錯(cuò)誤碼元數(shù) 傳輸總碼元數(shù) b p = 錯(cuò)誤比特?cái)?shù)數(shù) 傳輸總比特?cái)?shù) 返回主目錄返回主目錄 2021/3/10CP 第一章 緒論60 1.6 通信發(fā)展趨勢(shì)通信發(fā)展趨勢(shì) 在過(guò)去

37、三四十年間，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)以 及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字通信的 發(fā)展。 目前數(shù)字通信在下列領(lǐng)域有了新的進(jìn)展。 衛(wèi)星通信 光纖通信 移動(dòng)通信 微波通信 2021/3/10CP 第一章 緒論61 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠 將地球上某一地面站發(fā)射來(lái)的無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一 個(gè)地面站， 從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間的通信。 根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止 通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。靜止通 信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為 35 780 km，采用三個(gè)相差120的靜止通信衛(wèi)星就可 以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。 預(yù)計(jì)到2010年前， 星間激光通信的傳輸速率將達(dá)到 40Gb/s，地面終端設(shè)