第一章：通信原理緒論

第一章：緒論主要內(nèi)容：1.通信的概念2.通信的分類(lèi)3.通信方式4.通信系統(tǒng)的組成:模型5.通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)模擬數(shù)字1.1通信的概念指一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞（1）發(fā)送，接收過(guò)程 （2）消息：符號(hào)，文字，語(yǔ)聲，音樂(lè)，數(shù)據(jù)，圖片，活動(dòng)畫(huà)片等（3）途徑：信道1.1通信的概念通信:指一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞通信網(wǎng):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(chēng)之為通信網(wǎng)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)。第一階段：人力，馬力，烽火臺(tái)烽火臺(tái)第二階段：郵政通信，依靠人力魏晉信使第三階段：以發(fā)明印刷術(shù)為標(biāo)志我國(guó)古代雕版印刷作坊第四階段：從電報(bào)，電話和廣播的發(fā)明開(kāi)始第五階段：進(jìn)入信息時(shí)代電信：利用電，依靠電子手段，借助電信號(hào)在過(guò)去三四十年間，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1．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?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(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35780km，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)備將日益小型化，2．光纖通信系統(tǒng)光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)光纖)作為傳輸媒質(zhì)、以光波為運(yùn)載工具（載波）的通信方式。光纖通信具有容量大、頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且成本低，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。目前，單波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)速率已達(dá)10Gb/s，其潛力已不大，采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)來(lái)擴(kuò)容是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)超大容量光傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。光傳送網(wǎng)是通信網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，它可以處理高速率的光信號(hào)，擺脫電子瓶頸，實(shí)現(xiàn)靈活、動(dòng)態(tài)的光層聯(lián)網(wǎng)，透明地支持各種格式的信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。因此，世界上許多國(guó)家紛紛進(jìn)行研究、試驗(yàn)，驗(yàn)證由波分復(fù)用、光交叉連接設(shè)備及色散位移光纖組成的高容量通信網(wǎng)今后的可行性。3．?dāng)?shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是將通信范圍分為若干相距一定距離的小區(qū)，移動(dòng)用戶可以從一個(gè)小區(qū)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)，依靠終端對(duì)基站的跟蹤，使通信不中斷。移動(dòng)用戶還可以從一個(gè)城市漫游到另一個(gè)城市，甚至到另一個(gè)國(guó)家與原注冊(cè)地的用戶終端通話。數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由三部分組成：控制交換中心、若干基地臺(tái)、諸多移動(dòng)終端。通過(guò)控制交換中心進(jìn)入公用有線電話網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話與固定電話、移動(dòng)電話與移動(dòng)電話之間的通信。目前廣泛應(yīng)用的是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用窄帶時(shí)分多址(TDMA)和窄帶碼分多址(CDMA)數(shù)字接入技術(shù)，已形成的國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的GSM系統(tǒng)、美國(guó)的IS-95系統(tǒng)、日本的PDC系統(tǒng)。我國(guó)主要采用歐洲的GSM系統(tǒng)。4.第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)為此，從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，各國(guó)和世界組織又開(kāi)展了對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，它包括地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，移動(dòng)終端既可以連接到地面的網(wǎng)絡(luò)，也可以連接到衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，為此國(guó)際電信聯(lián)盟正式將其命名為IMT-2000。IMT-2000的目標(biāo)和要求是：統(tǒng)一頻段，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到全球無(wú)縫隙覆蓋，提供多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率最高應(yīng)達(dá)到2Mb/s，其中車(chē)載為144kb/s、步行為384kb/s、室內(nèi)為2Mb/s；頻譜利用率高，服務(wù)質(zhì)量高，保密性能好；易于向第二代系統(tǒng)過(guò)渡和演進(jìn)；終端價(jià)格低。目前第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)所提出的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)也是其中之一。這充分體現(xiàn)了我國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。1.2通信的分類(lèi)1.按傳輸媒質(zhì)分有線通信：導(dǎo)線，電纜，光纜無(wú)線通信：空間電磁波2.按信道中所傳信號(hào)的不同分?jǐn)?shù)字通信：模擬通信：3.按調(diào)制方式分基帶傳輸：無(wú)調(diào)制頻帶傳輸：調(diào)制后送入信道，出信道后解調(diào)4.按傳輸信號(hào)的復(fù)用方式分根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調(diào)制頻分復(fù)用：用頻帶搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻帶范圍時(shí)分復(fù)用：用脈沖調(diào)制方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間碼分復(fù)用：用一組正交的脈沖序列分別攜帶不同信號(hào)1.3通信方式1.按消息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間分單工：收音機(jī)，電視機(jī)，BB機(jī)半雙工：對(duì)講機(jī)，電報(bào)機(jī)全雙工：電話，手機(jī)，電腦上網(wǎng)A信道B(a)單工A信道B(b)半雙工A信道B(c)全雙工2.按數(shù)字信號(hào)排序分串行傳輸：并行傳輸：發(fā)送設(shè)備接受設(shè)備1010000(a)串行傳輸方式發(fā)送設(shè)備接受設(shè)備1010000(b)并行傳輸方式3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分兩點(diǎn)間直通方式分支方式交換方式終端A終端B(a)兩點(diǎn)間直通方式終端A終端B終端C終端N轉(zhuǎn)接站(b)分支方式終端A終端B終端C交換設(shè)備

終端N(a)交換方式1.4通信系統(tǒng)的組成（理想模型）噪聲源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備

信息源

受信者

信道(發(fā)送端)(接收端)1.通信系統(tǒng)的一般模型2.模擬通信系統(tǒng)模型噪聲源調(diào)制器解調(diào)器

信息源

受信者

信道3.數(shù)字通信系統(tǒng)模型基帶傳輸：無(wú)調(diào)制頻帶傳輸：調(diào)制后送入信道，出信道后解調(diào)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)模型數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)模型模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.抗干擾，抗噪聲性能好2.差錯(cuò)可控3.易加密4.易于發(fā)展缺點(diǎn)：1.頻帶利用率低2.需要同步系統(tǒng)典型通信系統(tǒng)舉例：1.電纜通信2.微波中繼通信3.光纖通信4.衛(wèi)星通信5.移動(dòng)通信1.4數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)主要任務(wù)：傳遞消息（1）有效性：傳遞信息內(nèi)容的多少（1）可靠性：接收信息的準(zhǔn)確程度兩者矛盾（3）~（7）：見(jiàn)書(shū)有效性：系統(tǒng)有效帶寬可靠性：輸出信噪比模擬通信中：有效性：傳輸速率可靠性：誤碼率數(shù)字通信中：信息及其量度信息信息量（即信息具有量值）例：明天中午12時(shí)正常開(kāi)飯可能性大信息量小明天中午12時(shí)有地震可能性小信息量大概率概率小：信息量大概率為0：信息量無(wú)窮大概率為1：信息量為0消息中所含信息量與信息出現(xiàn)的概率之間關(guān)系具有如下規(guī)律：（1）消息中所含信息量I是消息出現(xiàn)的概率P(x)的函數(shù)，即

I=I[P(x)]（2）消息出現(xiàn)的概率越小，它所含的信息量愈大；反之信息量愈小。且P=1時(shí)，I=0P=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)立事件信息量的和，即I[P1(x)P2(x)]=I[P1(x)]+I[P2(x)+可以看出I與P(x)間應(yīng)滿足以上三點(diǎn)，則它們有如下關(guān)系式：

I=loga1P(x)=-logaP(x)例1-1試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)（M進(jìn)制）等概率時(shí)每個(gè)符號(hào)的信息量。例1-2試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)不等概率時(shí)的信息量（設(shè)P(1)=P)。例1-3設(shè)有5個(gè)符號(hào)組成的信息源，相應(yīng)概率為試求信源的平均信息量。ABCDE111112481616例1-4一信息源由4個(gè)符號(hào)A，B，C，D組成，它們出現(xiàn)的概率為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)都是獨(dú)立的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABCADCBABAADCBAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性：傳輸速率可靠性：誤碼率數(shù)字通信中：1。碼元傳輸速率2。信息傳輸速率3。消息傳輸速率1。碼元差錯(cuò)率Pe2。信息差錯(cuò)率Peb1。碼元傳輸速率2。信息傳輸速率3。消息傳輸速率1。碼元傳輸速率指單位時(shí)間（每秒鐘）內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud)或符號(hào)（B）2。信息傳輸速率指單位時(shí)間（每秒鐘）內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚瑔挝粸楸忍?秒（bit/s)或(b/s)多進(jìn)制(N)碼元速率RBN

二進(jìn)制碼元速率RB2多進(jìn)制(N)信息速率RbN

二進(jìn)制碼元速率Rb23。消息傳輸速率指單位時(shí)間（每秒鐘）內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)，用Rm表示4。Rb與RB之間的關(guān)系在二進(jìn)制中，碼元速率RB2與信息速率Rb2的關(guān)系是數(shù)值上相等，但單位不同Rb2

=RB2在多進(jìn)制中，碼元速率RBN與信息速率RbN的關(guān)系是數(shù)值不同，單位也不同RbN

=RBN

log2N多進(jìn)制碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2之間，在系統(tǒng)信息速率不變情況下RB2

=RBN

log2N多進(jìn)制信息速率RbN與二進(jìn)制信息速率Rb2之間，在系統(tǒng)碼元速率不變情況下Rb2

=RbN/log2N例1-5已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)在2min內(nèi)傳送了72000個(gè)碼元，（1）問(wèn)其碼元速率和信息速率各為多少？（2）如果碼元寬度不變（即碼元速率不變），但改為八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，則其碼元速率為多少？信息速率又為多少？1。碼元差錯(cuò)率Pe(誤碼率）指接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例，或說(shuō)，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。Pe=單位時(shí)間內(nèi)接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)（正確碼元數(shù)+錯(cuò)誤碼元數(shù)）2。信息差錯(cuò)率Peb(誤信率，誤比特率）指接收錯(cuò)