通信原理概念课件.pptx

1、参考书：1、北京交通大学 通信系统原理，张树京2、清华大学 现代通信原理，曹志刚3、西安电子科技大学现代通信原理与技术，张辉4、西安电子科技大学通信系统原理，沈振元1 第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题一通信的基本概念一通信的基本概念 通信的实质是实现信息的传输与交换。 本课主要是讨论信息的传输。 传输的信息包含在语音、图像、数据等消息媒体中,通过电(光)信号形式由一方传输到另一方（通常是远距离）。1.1 通信系统的构成及性能指标2几个名词：信息、消息、信号 信息是一种不确定度的描述，是消息中包含有意义的内容； 消息中包含了信息，消息有不同的形式，如符号、文字、语音

2、、数据、图象等，根据所传的消息不同分成了目前的各种 通信业务。不同的消息中可以包含相同的信息我们可以从消息中提取信息； 信号为消息的表示形式，在通信系统中传递的实际是各种消息的电(光)信号。因此信号分析是本课的基础。3第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 二通信系统的构成二通信系统的构成 通信系统：指传输信息所需的一切技术设备的总合。可用下 面的一般模型加以概括。信息源发送设备信 道接收设备受信者噪声源（发送端）（接收端）4第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1. 信息源与受信者： 信息源的作用是把各种可能的消息转换成原始电信号；受 信者将

3、复原的原始信号恢复成相应的消息 2. 发送设备与接收设备： 发送设备对原始信号完成某种变换（如调制或编码），再 送入信道；接收设备与发送设备功能相反，从接收信号中 复原出原始信号（如解调、译码等）。 3. 信道： 指信号传输的通道，即传输媒质.可以是有线的，也可以是 无线的，而有线和无线又都有多种传输媒质。5第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题4. 噪声源：是信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声 的集中表示。在任何系统中必然存在，对通信的质量（可靠性）产生影响。因此通信系统设计的任务就是： 克服距离障碍，迅速、可靠地传递信息。6第一章第一章 通信的基本概念与基本

4、问题通信的基本概念与基本问题 按信号特征不同可以分为模拟信号和数字信号。 根据研究对象及所关心的问题不同通信系统有不同形式，通 常按照通信系统中传输的是模拟信号还是数字信号而将通信 系统分为模拟通信系统与数字通信系统。7第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1）模拟信号与模拟通信系统 模拟信号指基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态 数无限，如正弦信号、语音信号、图像信号等；或已调信 号(载波一般为正弦信号)的参数即幅度A、频率F、相位P 状态数无限。 模拟信号波形举例 ：8第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 PM:FM:AM:正弦:9

5、第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 信道中传输模拟信号时为模拟通信系统。模拟通信系 统的一般模型如下图 ： 其中调制器的作用使信号与信道相匹配, 便于频分复用等。信息源调制器信 道解调器受信者噪 声源发送端接收端10第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 （2）数字信号与数字通信系统 数字信号指基带信号的瞬时值状态数有限，如计算机.电 报机等输出的信号；或已调信号的参数幅度A、频率F、相位P状态数有限。数字信号波形举例：11第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 * *注注: 也可称ASK 、FSK 、PSK等数字已调

6、信号为连续信号, 因为他们的瞬时值在某一范围内连续取值。 二进制代码二进制基带信号10tttt2ASK2FSK2PSK12第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 信道中传输数字信号时为数字通信系统。数字通信系统 的一般模型如下图： 信息源调制器信道噪声受信者解调器编码器加密器译码器解密器其中编码器又分为信源编码和信道编码两部分。13第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 信源编码: 对模拟信号进行A/D变换和压缩，对数字信号进行压缩。以提高传输效率。 信道编码: 增加冗余提高通信可靠性。 调制器: 作用同模拟通信。但不一定必需，有调制器和解 调器

7、的称为数字频带传输系统；无调制器和解调 器的称为数字基带传输系统。 14第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 说明说明：1）上述图中只给出了点到点单向通信系统，实际在大多数场合通信系统需要进行多路复用、双向进行，信源兼为受信者，通信设备包括发信设备和收信设备。2）通信系统除了完成信息传递外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，乃至通信网。3）通信系统的软件部分。（信令、协议、标准、网络管理等） 传输、复用、交换、网络为现代通信的四大技术，本课程只介 绍传输、复用技术。 15第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题数

8、字通信系统的优缺点：优点：1）抗干扰能力强；2）便于集成；3）便于加密；4）便于计算机处理，便于发展综合业务。缺点： 基带信号PCM一路信号速率位64kb/s，要传输它至少需要32kHz带宽，为了保证质量，一般都占用64kHz带宽，相比模拟通信一路信号一般占用4kHz带宽，效率很低。16第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 三通信系统的分类三通信系统的分类 1按消息的物理特征分类： 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 图象通信系统 这些系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的，趋势是 发展综合业务数字网，各种类型的信息都能在一个统一的通信网中传输、交换和处理。

9、17第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 2按调制方式分类： 基带传输系统：不经调制直接传输。 频带传输系统（或称载波传输）：经过调制后传输，对应 多种调制方式。18 常用调制方式常用调制方式 19第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 3. 按传输信号的特征分类 模拟通信系统 数字通信系统 其中数字通信成为发展的主流。 数字通信的优点： 抗干扰能力强， 便于进行各种数字信号处理， 便于实现集成化， 便于加密及计算机处理， 便于实现综合业务数字网,便于多路复用。 20第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 4按传输媒介分

10、类 有线通信系统 无线通信系统有线通信系统（固定电话、光纤通信、电力线载波、有线电视网络、校园网）等无线通信系统有调幅、调频广播、移动通信、空间遥测、雷达导航、微波接力、卫星通信系统等。 各种传输媒质有其特定的工作频率，常用传输媒介的频率范 围及用途如下表:21 常用传输媒介的频率范围及用途常用传输媒介的频率范围及用途 22第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 5. 按传送信号的复用方式分类 频分复用（FDM） 时分复用（TDM） 码分复用（CDM） 波分复用（WDM） 其中频分复用主要用于传统的载波通信，时分复用广泛用 于数字微波通信等，码分复用主要由于扩频通信和新

11、型移动通信，如133 CDMA移动通信系统，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信中还有空分复用（SDM）。 23第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题6、通信方式： 1） 按照消息传递的方向与时间关系，通信方式可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信三种。单工通信指消息只能单方向传送。如：遥控器半双工指通信双方都能收发，但不能同时进行收、发的工作方式。如：交警用的对讲机。全双工指通信的双方都可以同时进行收发的工作方式。24第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题2）在数字通信中，按照数字信号码元排列的方法不同，有串行传输和并行传输。 串行传输是将数字

12、信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，这种方式只需占用一条通道，节省通道，但速率较慢，适合远距离传输。 并行传输是将数字信号码元序列分割成两路或多路数字信号码元序列，同时在信道中传输，这种方式占用通道较多，速率较快，适合近距离传输，如：计算机主板上的数据线。25第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 四通信系统的性能指标四通信系统的性能指标 在设计或评价通信系统时，往往涉及通信系统的性能指 标，以衡量其质量的优劣，性能指标也称质量指标。 通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准 性、经济性、维护使用等。但从研究信息的传输来说，主 要有两个，即： 有效

13、性-消息传输的速度问题 可靠性-消息传输的质量问题 26第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 二者是一对矛盾，通常根据实际应用求得相对的统一。即 在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息传输速度；或在维 持一定有效性指标时，使消息传输质量尽可能提高。 对于不同通信系统，具体表现也不同27第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1 1模拟通信模拟通信 有效性-传输带宽B. 给定信道带宽,能容纳最大的通信 路数. 可靠性-信噪比(S/N)o通信系统接收端的输出信号噪 声功率比(SNR,Signal Noise Ratio)。 有些地方单位经常用“分贝”

14、来表示。 B越小，占用信道带宽越少，有效性越好； So/No越大，信号质量高，可靠性越好。 28第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 2 2数字通信数字通信 有效性-传输速率（R），又分成: （1）码元传输速率(RB)： 单位时间能够传送的码元数(波特,Baud)。每个码元传 输所占用的时间TB（秒，S） 为码长,则RB=1/TB (波 特,Baud)。若码元为二进制 RB 对应RB2 ,若为M 进制 RB 对应RBM，RB2=RBMlog2 M 29第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 （2）信息传输速率(Rb): 单位时间能够传送的信息量

15、(bit/s)。 Rb=RBlog2M 比特/秒 RB =Rb/log2M 波特 RB Rb，因为多进制码元要用多位二进制表示，所需传输 时间长，传输速率降低。 30第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 数字通信系统可靠性指标差错概率，又分为： 误码率Pe = 接收的错误码元数/发出的总码元数； 误比特率Pb = 接收的错误比特数/发出的总比特数； PeB 可靠性好 PeB Peb，但 Peb PeB 31第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 在二进制中 Peb = PeB ，但在M2进制中，因一个码元中含 信息量为log2M比特，错一个码元

16、时log2M比特信息量不一定 全部错误，故Peb PeB 。 说明：在许多资料上也借用带宽来描述数字通信系统的有效性即传输速 率，例如说某信道的带宽为56kb/s,也就意味着该信道的数据传输 速率为56kb/s。32第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1.2 信息论初步 一、信息的度量 通信的目的在于传输信息，为了衡量通信系统的传输能力，需要对被传输的信息进行定量的描述，要涉及信息量的定义。这里分成两种信道讨论，即 离散信源产生离散消息的信源； 连续信源产生连续消息的信源；33第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 (一)离散信源 1. 信息

17、量 一个消息携带的信息量大小与消息出现的可能性有关，而可能性可以由消息的统计特性概率描述。 离散消息xi携带的信息量 i1(x )loglog( )( )aaiiIP xp x 例：设某系统字母E出现的概率是0.105，x出现的概率为0.002，求E及x的信息量。34第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 单位： 对数以2为底单位为比特(bit) 对数以e为底单位为奈特(nit) 对数以10为底单位为哈特莱(Hartley) 其中比特(bit)为单位使用较多,没有特殊说明。课程中都是用bit。 若干独立事件构成的消息，其信息量满足可加性，即 IP(x1)p(x2)= I

18、P(x1)+ Ip(x2)+ 35第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 2平均信息量(也称信源熵) 当P(xi)=1/M，i=1，2，M时，H(x)= log2 M取最大值。 3条件信息量 I(xi/yj)=log2P(xi/yj) bit，信道损失的信息量。 4互信息量 （后验概率与先验概率之比） )()()(log)()(),(2bitxPyxPyxIxIyxIijijiijin21H (x)= -() log()iiip xp x36第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 互信息量反映了两个随机事件xi 与yj之间的关联程度。 物理意义：

19、接收端所能获取的发端的信息，即信道所传输的信息量。 当I(xi/yj)=0，I(xi,yj)= I(xi)，信道不丢失xi的信息量； 当P(xi/yj)=P(xi)时，I(xi/yj)= I(xi) ，信道收xi的信息量全丢失。 37第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 5平均互信息量（互信息量的统计平均值） I(x,y) =(bit/符号) 式中，H(x)表示发送的每个符号的平均信息量； H(x/y)发送符号在有噪声的信道中传输平均丢失的信息 量，或当输出符号已知时输入符号的平均信息量。 I(x,y) = H(x)H(x/y) (bit/符号) 信源熵 平均条件熵(

20、信道所传输的平均信息量) 38nimjnijijijiiyxHxHyxPyxPyPxPxP11122)/()()/(log)/()()(log)(i1(x )loglog( )( )aaiiIP xp x n21H (x)=-() log()iiip xp xI(xi/yj)=log2P(xi/yj)()()(log)()(),(2bitxPyxPyxIxIyxIijijiijiI(x,y) = H(x)H(x/y) (bit/符号)信息量平均信息量(也称信源熵)条件信息量互信息量平均互信息量39第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 (二）连续信源 1信源熵 2平均互

21、信息量 I（x，y )=H(x)-H(x/y)2( )( )log( ),( )Hffdf为消息出现的概率密度40第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 二、信道容量和香农公式 1信息传输速率： 单位时间内所传输的平均信息量。 R=Ht(x)-Ht(x/y) =rH(x)-H(x/y)， 式中Ht (x)单位时间内信息源发出的平均信息量，或 称信息源的信息速率； 41第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 Ht(x)=rH(x) Ht (x/y) 单位时间内对x发送而收到y的条件平均信息量。 Ht (x/y)=r H(x/y) 其中 r 为单位时

22、间传送的符号数。 说明：当无噪声时H(x/y)=0，R=H(x)r； 当噪声很大时H(x/y)=H(x)，R=0； 信道确定后H(x/y)为定值。42第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题例：一个由字母A,B,C,D组成的字，对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，00表示A，01表示B，10表示C，11表示D，每个脉冲宽度为5ms。1）不同的字母等概率出现时，计算传输的平均信息速率；2）若每个字母出现的概率分别为1113,54410ABCDPPPP计 算 平 均 信 息 速 率 。43第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 2信道容量 对一切可能

23、的信源概率分布，信道传输信息的速率R的最大值。 C=max(R)=maxH(x)H(x/y)r (bit/s)， 显然信源等概率分布时的R即为C， （一）对于离散信道44)/(log2yxHMrC第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 例1：在二进制对称信道中，P(1/0)=P(0/1)=0.01， r=1000符号/S，求C。 解： 现在P(x1 / y1) = P(x2 / y2) = 0.99， P(x1 / y2) = P(x2 / y1) = 0.01，并且考虑到P(y1) +P(y2) = 1，所以上式可以改写为45)/(log)/()/(log)/()()

24、/(log)/()/(log)/()()/(log)/()()/(2222221221212212112111112yxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyxPyxPyPyxPyxPyPyxHmjnijijij)/(2log1000)/(log22yxHyxHMrC46符号比特/081. 001. 0log01. 099. 0log99. 0)/(log)/()/(log)/()/(221221211211yxPyxPyxPyxPyxHbpsyxHMrC919081. 02log1000)/(log22第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 （二）连续信道 这是著名的

25、香农公式，式中S为信号x的功率，B为信道带 宽，S/N为信道信噪比(功率比)。 220log (1)log1SCBS NBn B47第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 物理意义： 01. S/N C ,N0,2. , lim1.443. C/BCSBCBCnBS N当则，这种情况不可能实现；时，结果趋于极限值，一定时，信号带宽 与信噪比可以互换。 香农公式是现代通信的基础，实际通信系统在保持一定信道容量时，根据具体情况解决信号带宽B（有效性）与信噪比S/N（可靠性）的矛盾与统一，如FM系统牺牲带宽换取信噪比的改善；移动通信节省带宽，需要加大发信功率等（码分多址移动通

26、信采用了扩频通信技术，节省发信功率，减小干扰。48第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题依此可以画出频带利用率与信噪比关系曲线，并确定出香农极限，作为通信系统设计的参考和指导。 49第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 例2. 已知电视图像由3105 个像素组成，设每个像素有64 种色彩，每种色彩有16个亮度等级。试计算： （1）每秒传送30个画面所需的信道容量； （2）如果接收机信噪声比为30dB，那么传送彩色图像所 需的信道带宽为多少？ 解：每像素信息量=2（6416）=10 bit 每幅图信息量=10 3 105bit=3 106bit

27、信源信息速率r=30 3 106=9107bit/s 由C的定义可知，应有C r = 9107bit 又S/N=1000 B=C/ 2 （1+S/N）9MHz50第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 例3. 电话信道带宽为3.1KHz,接收端信噪比为30dB，求该信道的 最高信息传输速率。 解：信道带宽B=3.1KHz，信噪比S/N=1000 C=Blog2(1+S/N)33.8 KHz=Rmax 51第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题例4 信道带宽为3.4KHz,接收端信噪比为30dB，传输256个符号，每个符号等概出现，求该信道的最高信

28、息传输速率、信源熵。作业：12，6，8 31352第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1.3 通信技术现状与发展 一.通信发展简史 二.主要传输手段介绍53第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 1. 载波通信2.微波中继通信54第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 3.光纤通信 55第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 4.卫星通信56第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 5.移动通信57第一章第一章 通信的基本概念与基本问题通信的基本概念与基本问题 三三 、通信发展趋势、通信发展趋势 数字化、智能化、综合化、个人化，最终实现全球个人通信。 光纤通信、卫星通信、移动通信三种通信是目前发展的主流。 58