通信原理緒論資料

1、通信原理第一章 緒論1.1 通信的基本概念1.2 通信技術發(fā)展史及發(fā)展趨勢1.3 通信系統(tǒng)的組成1.4 通信系統(tǒng)分類及通信方式 1.5 信息及其度量1.6 通信系統(tǒng)的主要性能指標 1.7 小結 1.1 通信的基本概念 古代：烽火狼煙、擊鼓鳴金、搖旗吶喊、飛鴿傳信這些通信方法和手段只能極其有限地解決一定距離的通信問題。 現(xiàn)代：電話、電視、廣播、郵政、因特網(wǎng)等目前的這些現(xiàn)代的通信方法和手段已為我們大家所熟知，并成為我們社會生活中一個不可或缺的組成部分。隨著科學技術與社會的發(fā)展，對通信的要求也越來越高。什么是通信？ 異地間人與人、人與機器、機器與機器進行信息的傳遞和交換。信息、信號的含義 語言、文字

2、、圖像等信息是不能直接在通信系統(tǒng)中傳遞，為此需在發(fā)送端將它們轉換成電（光）信號（即信源）來載荷語言、文字、圖像等信息，電信號經(jīng)通信系統(tǒng)傳送至接收端，收端將電信號還原成語言、文字、圖像等信息。信號的分類及描述信號的分類方法有很多，可以從不同的角度對信號進行分類。 （1）確知信號與隨機信號確知信號是指能夠以確定的時間函數(shù)表示的信號，它在定義域內(nèi)任意時刻都有確定的函數(shù)值。 （2）周期信號與非周期信號（3）模擬信號與數(shù)字信號模擬信號是指代表消息的信號參量（幅度、頻率或相位）隨消息連續(xù)變化的信號，但在時間上可連續(xù)可離散。數(shù)字信號是指它不僅在時間上離散，而且在幅度取值上也是離散的信號。 1.2 通信技術發(fā)

3、展史及趨勢利用電磁波通信的歷史可大致劃分三個階段：1837年電報開始的通信初級階段；1948年香農(nóng)提出信息論開始的近代通信階段；80年代以后光纖通信應用、綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)崛起的現(xiàn)代通信階段。通信發(fā)展簡史(1)1837年，摩爾斯發(fā)明有線電報，開始了電通信階段1864年，麥克斯韋創(chuàng)立了電磁輻射理論,并被當時的赫茲證明，促使了后來無線通信的出現(xiàn)1876年，貝爾利用電磁感應原理發(fā)明了電話1879年，第一個專用人工電話交換系統(tǒng)投入運行1880年，第一個付費電話系統(tǒng)運營1896年，馬可尼發(fā)明無線電報1907年，電子管問世，通信進入電子信息時代1915年，橫貫大陸電話開通; 實現(xiàn)越洋語音連接1918年，調(diào)幅無

4、線電廣播、超外差式接收機問世1925年，開通三路明線載波電話，開始多路通信通信發(fā)展簡史(2)1936年，調(diào)頻無線電廣播開播1937年，雷沃斯發(fā)明脈沖編碼調(diào)制，奠定了數(shù)字通信基礎1938年，電視廣播開播20世紀40年代二戰(zhàn)期間，雷達與微波通信得到發(fā)展1946年，第一臺數(shù)字電子計算機問世1947年，晶體管在貝爾實驗室問世，為通信器件的進步創(chuàng)造了條件1948年，香農(nóng)提出了信息論，建立了通信統(tǒng)計理論1950年，時分多路通信應用于電話系統(tǒng)1951年，直撥長途電話開通1956年，敷設越洋通信電纜1957年，發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星1958年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，開通國際衛(wèi)星

5、電話；脈沖編碼調(diào)制進入實用階段通信發(fā)展簡史(3)20世紀60年代，彩色電視問世；阿波羅宇宙飛船登月；數(shù)字傳輸理論與技術得到迅速發(fā)展；計算機網(wǎng)絡開始出現(xiàn)1969年，電視電話業(yè)務開通20世紀70年代，商用衛(wèi)星通信、程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)投入使用；一些公司制定計算機網(wǎng)絡體系結構20世紀80年代，開通數(shù)字網(wǎng)絡的公用業(yè)務；個人計算機和計算機局域網(wǎng)出現(xiàn)；網(wǎng)絡體系結構國際標準陸續(xù)制定1989年，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）完成部署。20世紀90年代，蜂窩電話系統(tǒng)開通，各種無線通信和數(shù)據(jù)移動通信技術不斷涌現(xiàn)；光纖通信得到迅速普遍的應用；國際互聯(lián)網(wǎng)和多媒體通信技術得到極大發(fā)展，1997年，68個國家簽定國際

6、協(xié)定，互相開放電信市場通信革命的演進與走勢1.3 通信系統(tǒng)的組成1.3.1 通信系統(tǒng)的一般模型 圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型 發(fā)送設備的作用：1、把信息轉換成原始電信號，該原始電信號稱為基帶信號；2、將原始電信號處理成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。例如調(diào)制、放大、濾波和發(fā)射等，在數(shù)字通信系統(tǒng)中發(fā)送設備又常常包含信源編碼和信道編碼等。信道：指信號傳輸通道，按傳輸媒介的不同，可分為有線信道和無線信道兩大類。有線信道明線、雙絞線、同軸電纜及光纖等無線信道地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動無線電信道等。接收設備的作用：在接收端，接收設備的功能與發(fā)送設備相反，即進行解調(diào)、譯

7、碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號，并將原始電信號轉換成相應的信息，提供給受信者。1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型 圖1-2 模擬通信系統(tǒng)模型 發(fā)信人講話的語音信息首先經(jīng)變換器將語音信息變成電信號（模擬信源），然后電信號經(jīng)放大設備后可以直接在信道中傳輸。為了提高頻帶利用率，使多路信號同時在信道中傳輸，原始的電信號（基帶信號）一般要進行調(diào)制才能傳輸?shù)叫诺乐腥?。調(diào)制是信號的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐盘栕儞Q成適合信道中傳輸?shù)男盘?，這一過程由調(diào)制器完成，經(jīng)過調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。在收端，經(jīng)解調(diào)器和逆變換器還原成語音信息。 1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通

8、信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)可進一步細分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。圖1-3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 變換器：把信息轉換成數(shù)字基帶信號。 信源編碼器：話音和圖像壓縮編碼。信源編碼的主要任務是提高數(shù)字信號傳輸?shù)挠行?。接收端信源譯碼則是信源編碼的逆過程。信道：一種物理媒質(zhì)，將發(fā)射設備的信號傳送到接收端。接收設備：從接收信號中恢復出原始電信號。信宿：把基帶信號還原成原有的消息。信道編碼：提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃?。接收端信道譯碼是其相反的過程。數(shù)字通信系統(tǒng)還有一個非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)（圖1-3沒有畫出）。它可以使通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端或整個通信系統(tǒng)，以精

9、度很高的時鐘提供定時，以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流能與發(fā)送端同步、有序而準確地接收與恢復原信息。二、數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)圖1-4 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型 三、數(shù)字通信的主要特點1、抗干擾、抗噪聲性能好比如設高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認為是5V就行了。傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累比如一個中繼器收到一個受干擾而變成8V的信號，若是模擬通信，中繼器就會原封不動地把這個8V信號放大后送往下一級，下一級接著放大再往下送，這樣一級一級下去，噪聲被不斷地放大，形成噪聲積累直到通信終端。如果是數(shù)字通信，第一個收到這個8V信號的中繼器先認為該信號為一高電

10、平信號，然后并不將該信號往下傳，而是重新生成一個標準高電平信號(比如為5V)傳往下一級，這樣，噪聲就不會像模擬通信那樣被一級一級地放大，而是被中繼器“隔離”，從而消除了噪聲積累。2、差錯可控-糾錯碼技術3、易加密4、體積更小，重量更輕。5、減少冗余度，提高信道利用率。6、易于與現(xiàn)代技術相結合。數(shù)字通信的許多長處是以增加信號帶寬為代價的。比如，一路模擬電話信號的帶寬為4kHz，而一路數(shù)字電話信號一般為64kHz的帶寬，這說明數(shù)字通信的頻帶利用率低。這一缺點在在系統(tǒng)頻帶緊張場合很突出，但目前在微波通信、光通信場合，數(shù)字通信這些弱點被弱化，數(shù)字通信幾乎成了唯一選擇。1.3 通信系統(tǒng)分類及通信方式1、

11、按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)分：有線通信系統(tǒng)：是用導線或導引體作為傳輸媒質(zhì)完成通信的，如架空明線、同軸電纜、海底電纜、光導纖維、波導等。無線通信系統(tǒng)：是依靠電磁波在空間傳播達到傳遞信息的目的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。2、按信號的特征分按照攜帶信號分：模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)3、按通信設備的工作頻段不同分：長波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。 （1. 1）式（1.3-1）中， 為工作波長（m），f為最高工作頻率（Hz）， c為光速（m/s） 表 1.3-1 通信頻段 、 常用傳輸媒質(zhì)及主要用途 4、按調(diào)制方式分類 按照信道中傳輸?shù)男盘柺欠窠?jīng)過調(diào)制分：可將通信系統(tǒng)分為基帶傳

12、輸系統(tǒng)和頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)。 基帶傳輸是將沒有經(jīng)過調(diào)制的信號直接傳送，如音頻市內(nèi)電話； 頻帶傳輸是對基帶信號調(diào)制后再送到信道中傳輸。5、按通信業(yè)務類型分類 根據(jù)通信業(yè)務類型的不同，通信系統(tǒng)可分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等。6、按信號復用方式分類 按信號復用方式，通信系統(tǒng)又可分為頻分復用（FDM）通信系統(tǒng)、時分復用（TDM）通信系統(tǒng)和碼分復用（CDM）通信系統(tǒng)等。1.3.2 通信方式 1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時間關系劃分通信方式單工通信：是指信息只能單方向進行傳輸?shù)囊环N通信工作方式；半雙工通信方式是指通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。例如無線對講

13、機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。全雙工通信是指通信雙方可同時進行雙向傳輸信息的工作方式。圖1-5 通信方式示意圖2、按數(shù)字信號碼元排列方式劃分并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時在信道上傳輸。優(yōu)點：速度快、節(jié)省傳輸時間缺點：需占用頻帶寬，設備復雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機和其他高速數(shù)字系統(tǒng)的近距離通信。串行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號碼元序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸。通常，一般的遠距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。圖1-6 并行和串行通信方式3、按照網(wǎng)絡結構劃分通信方式通信系統(tǒng)按照網(wǎng)絡結構可分為線型、星型、樹型、環(huán)型等類型。專門為兩點之

14、間設立傳輸線的通信稱之為點對點通信。多點間的通信屬于網(wǎng)通信。網(wǎng)通信的基礎仍是點對點通信。因此，本書重點討論點對點通信的原理。 1.4 信息及其度量（重點）信源與常見消息數(shù)字信源與模擬信源隨機信號與確知信號 信號是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機的，也就是說，信源輸出是用統(tǒng)計方法來定性的。對接收者來說，只有消息中不確定的內(nèi)容才構成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸它了。因此，信息含量就是對消息中這種不確定性的度量。以2為底時單位是“比特”（bit binary unit的縮寫）以e為底時單位是“奈特”（natnature unit的縮寫）以10為底時單位是“哈

15、特”（Hart Hartley的縮寫）注意：對于單條消息，其pi越小，則Ii越大；Ii大小與消息的內(nèi)容是否有實際意義無關 如果是非等概情況，設離散信源是一個由n個符號組成的符號集， 其中每個符號xi(i=1, 2, 3, , n)出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有 , 則x1, x2, , xn 所包含的信息量分別為 -log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為通常又稱它為信息源的 熵，其單位為bit/符號。顯然，當信源中每個符號等概獨立出現(xiàn)時，信源的熵有最大值。2、信源熵H(X)例1-1 某信息源的符號集由A，

16、B，C，D和E組成，設每一符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。試求該信息源符號的平均信息量。解：該信息源符號的平均信息量為以上我們討論了離散消息的度量。類似，關于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量（相對熵）為 （1.3） 式中, f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。有興趣的讀者，可參考信息論有關專著。3. 信息速率（熵率）一個信源的信息速率為:其中 : H 為信源熵 . T 為發(fā)送一條消息的時間. R 為每秒內(nèi)發(fā)送的信息量從信息的角度看，熵與熵率是信源的基本指標。 2 . 信源熵 H(X)數(shù)字信源每個符號出現(xiàn)所帶來的平均信息量

17、例1-2 二元消息源X1、X2與X3的取值概率為： 解： 例1-3 數(shù)字信源X 4元等概， Y 2元等概，求它們的熵。 解： 例1-4： 計算信息速率。某電話鍵盤: 0, 1, 9 ,* ,#，其中P*=P#=0.005 ，P0= P1= =P9=0.099。如果按鍵速率為 2keys/s, 計算該信源的信息速率解:要求：了解各種消息源的特點及基本指標模擬消息模擬消息模擬消息數(shù)字消息1.5 信道及無線電波傳播方式無線電波的傳播61視線傳播：頻率 30 MHz距離: 和天線高度有關(1.1-3) 式中，D 收發(fā)天線間距離(km)。例 若要求D = 50 km，則由式(1.1-3)ddh接收天線發(fā)

18、射天線傳播途徑D地面rr圖 1-3 視線傳播圖1-4 無線電中繼m無線頻譜及其管理頻分復用1.6 通信系統(tǒng)的主要性能指標 設計和評價一個通信系統(tǒng)，往往要涉及到許多性能指標，如系統(tǒng)的有效性、可靠性、適應性、經(jīng)濟性及使用維護方便性等。這些指標可從各個方面評價通信系統(tǒng)的性能，但從研究信息傳輸方面考慮，通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標。有效性：是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴} 可靠性：是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題在實際通信系統(tǒng)中，對有效性和可靠性這兩個指標的要求經(jīng)常是矛盾的，提高系統(tǒng)的有效性會降低可靠性，反之亦然。因此在設計通信系統(tǒng)時，對兩者應統(tǒng)籌考慮。1.6.1模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標 模

19、擬通信系統(tǒng)的有效性指標用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。當信道容許傳輸帶寬一定，而進行多路頻分復用時，每路信號所需的有效帶寬越窄，信道內(nèi)復用的路數(shù)就越多。顯然，信道復用的程度越高，信號傳輸?shù)挠行跃驮胶?。信號的有效傳輸帶寬與系統(tǒng)采用的調(diào)制方法有關。同樣的信號用不同的方法調(diào)制得到的有效傳輸帶寬是不一樣的。模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。信噪比是信號的平均功率S與噪聲的平均功率N之比。信噪比越高，說明噪聲對信號的影響越小。顯然，信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。輸出信噪比一方面與信道內(nèi)噪聲的大小和信號的功率有關，同時又和調(diào)制方式有很大關系。例如寬帶調(diào)頻系統(tǒng)的有效性不如調(diào)幅系統(tǒng)，但

20、是調(diào)頻系統(tǒng)的可靠性往往比調(diào)幅系統(tǒng)好。 系統(tǒng)主要指標 SNR SNR（Signal to Noise Ratio） ： 加性干擾：信號在傳輸時疊加上的噪聲引起的干擾，始終存在； 乘性干擾：由于信道傳輸特性不理想引起的干擾，隨信號消失而消失； 為何10log,20log? 固定電話SNR一般不低于40dB，電視輸出SNR不低于60dB,才能正常工作（很高的要求）； 數(shù)字系統(tǒng)的SNR要求的低的多。 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標有哪些？一、有效性指標數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸速率和頻帶利用率來表征。 1、傳輸速率 傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb 。碼元傳輸速率 碼元傳輸速

21、率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。信息傳輸速率 信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示。TTTA二進制0TT/2T/3符號比特碼元寬度碼元寬度碼元寬度比特寬度比特寬度比特寬度碼元碼元四進制0 1八進制0 1 0傳碼率和傳信率之間關系 在N進制下，設信息速率為Rb （bit/s），碼元速率為RBN （Baud），由于每個碼元或符號通常都含有一定比特的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關系，即(1.5)式中， 為信源中每個符號所含的平均信息量（熵）。當離散

22、信源的每一符號等概率出現(xiàn)時，熵有最大值為 信息速率也達到最大，即 式中，N為符號的進制數(shù)，在二進制下，碼元速率與信息速率數(shù)值相等，但單位不同。（1.6)（1.7) 傳送等概率的二進制波形之一(P=1/2）的信息量為1比特。傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示；傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時至少需要3個二進制脈沖。對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為 2、頻帶利用率在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣的傳輸速率下所占信道的頻帶寬度。頻帶利用率有兩種表示方式：碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率。碼元頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，即信息頻帶利用率是指每秒鐘在單位頻帶上傳輸?shù)男畔⒘?，?（1.8)（1.9)二、可靠性指標數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標用差錯率來衡量。差錯率越小，可靠性越高。差錯率也有兩種表示方法：誤碼率和誤信率。1、誤碼率：指接收到的錯誤碼元數(shù)和總的傳輸碼元個數(shù)之比，即在傳輸中出現(xiàn)錯誤碼元的概率，記為（1.