【大學(xué)課件】通信技術(shù) 通信原理

1、1通信原理第第1章章 緒論緒論（、）2復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)-通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型噪聲噪聲信道信道信信源源信信宿宿傳傳輸輸媒媒介介發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備接收設(shè)備通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型3復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)-信息及其度量信息及其度量 n 信息量：信息量：n平均信息量：平均信息量： - - - - - - - - niiinnxPxPxPxPxPxPxPxPI122222121)(log)( )(log)()(log)()(log)( xPxPIaaloglog- - 1I為消息為消息x所攜帶的信息量所攜帶的信息量P(x)為該消息發(fā)生的概率為該消息發(fā)生的概率4第第1章章 緒論緒論n1.1 通信技術(shù)的

2、發(fā)展與信息社會(huì)通信技術(shù)的發(fā)展與信息社會(huì) n1.2 通信系統(tǒng)的組成與分類通信系統(tǒng)的組成與分類n1.3 通信方式通信方式n1.4 信息及其度量信息及其度量n1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n1.6 信道信道主要內(nèi)容主要內(nèi)容51.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n通信系統(tǒng)性能指標(biāo)涉及要素通信系統(tǒng)性能指標(biāo)涉及要素n有效性：傳輸信息的速度，傳輸一定信息所占有效性：傳輸信息的速度，傳輸一定信息所占資源（帶寬和時(shí)間）；資源（帶寬和時(shí)間）；n可靠性：通信傳輸質(zhì)量；可靠性：通信傳輸質(zhì)量；n適應(yīng)性：使用的環(huán)境條件；適應(yīng)性：使用的環(huán)境條件；n經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的成本；經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的成本；n標(biāo)準(zhǔn)

3、性；標(biāo)準(zhǔn)性；n維修性、工藝性、保密性。維修性、工藝性、保密性。n從信息傳輸?shù)慕嵌瓤?，有效性和可靠性是矛盾的從信息傳輸?shù)慕嵌瓤矗行院涂煽啃允敲艿闹饕矫?。主要方面?1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)n有效性度量：有效性度量：n系統(tǒng)的頻帶利用率系統(tǒng)的頻帶利用率n可靠性指標(biāo)：可靠性指標(biāo)：n接收端最終輸出信噪比接收端最終輸出信噪比n數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)n傳輸速率和頻帶利用率傳輸速率和頻帶利用率 傳輸速率可分為碼元傳輸速率和信息傳輸速傳輸速率可分為碼元傳輸速率和信息傳輸速 率兩種。率兩種。71.5 通信系統(tǒng)主要性

4、能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n 碼元傳輸速率碼元傳輸速率 (RB) 又叫符號(hào)速率，它表示又叫符號(hào)速率，它表示單位時(shí)間單位時(shí)間( (每秒每秒) )內(nèi)內(nèi)傳輸?shù)拇a元傳輸?shù)拇a元( (符號(hào)符號(hào)) )的數(shù)目。其單位為的數(shù)目。其單位為波特波特，常，常用用B B表示。簡稱波特率。表示。簡稱波特率。 碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、波特率、波碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、波特率、波形速率、調(diào)制速率。形速率、調(diào)制速率。例：某數(shù)字通信系統(tǒng)例：某數(shù)字通信系統(tǒng)2s內(nèi)傳送內(nèi)傳送3600個(gè)碼元，個(gè)碼元， 其碼元速率為其碼元速率為1800B。81.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n碼元寬度或碼元周期碼元寬度或碼元周期TB相鄰

5、兩個(gè)碼元發(fā)送的時(shí)間間隔相鄰兩個(gè)碼元發(fā)送的時(shí)間間隔 TB=1/RBn信息傳輸速率信息傳輸速率(Rb) 又叫信息速率，它表示單位時(shí)間又叫信息速率，它表示單位時(shí)間(每秒每秒)內(nèi)傳內(nèi)傳送數(shù)據(jù)信息的比特?cái)?shù)。其單位為比特送數(shù)據(jù)信息的比特?cái)?shù)。其單位為比特/秒，記為秒，記為bit/s，或，或bps。n信息傳輸速率與碼元速率的關(guān)系：信息傳輸速率與碼元速率的關(guān)系： 若采用若采用N進(jìn)制傳輸，則信息速率與碼元速率進(jìn)制傳輸，則信息速率與碼元速率之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為: Rb=RBlog2N （b/s）91.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n 頻帶利用率頻帶利用率 單位頻帶的傳輸速率單位頻帶的傳輸速率B/H

6、zBBR頻帶寬度碼元傳輸速率bit/s/HzbbBR頻帶寬度信息傳輸速率例：某數(shù)字通信系統(tǒng)在例：某數(shù)字通信系統(tǒng)在3s3s內(nèi)輸出內(nèi)輸出36003600個(gè)碼元，個(gè)碼元， 采用采用4 4進(jìn)制傳輸，則信息速率為進(jìn)制傳輸，則信息速率為2400bps.2400bps.101.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n 誤碼率誤碼率 在傳輸過程中錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)脑趥鬏斶^程中錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比?？偞a元數(shù)之比。NnPN傳輸?shù)目偞a數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)limen 誤信率（誤比特率）誤信率（誤比特率） 在傳輸過程中錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)與傳輸?shù)脑趥鬏斶^程中錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)與傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)之比?？偙忍?cái)?shù)

7、之比。bbblimbNnPN傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù) 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)，ebPP 11第第1章章 緒論緒論n1.1 通信技術(shù)與信息社會(huì)通信技術(shù)與信息社會(huì) n1.2 通信系統(tǒng)的組成與分類通信系統(tǒng)的組成與分類n1.3 通信方式通信方式n1.4 信息及其度量信息及其度量n1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n1.6 信道信道主要內(nèi)容主要內(nèi)容121.6 信道信道n信道的定義：信道的定義： 以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號(hào)通道以傳輸媒介為基礎(chǔ)的信號(hào)通道n狹義信道狹義信道的定義和分類：的定義和分類：n僅指信號(hào)傳輸媒介的信道稱為狹義信道；僅指信號(hào)傳輸媒介的信道稱為狹義信道；n

8、分類：分類：n無線信道無線信道n有線信道有線信道n廣義信道廣義信道 包含有關(guān)的包含有關(guān)的“轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器” ，如天線，調(diào)制器、，如天線，調(diào)制器、解調(diào)器等。解調(diào)器等。131.6 信道信道n廣義信道的分類廣義信道的分類n調(diào)制信道：從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸入端調(diào)制信道：從調(diào)制器的輸出端到解調(diào)器的輸入端n編碼信道：從編碼器的輸出端到譯碼器的輸入端編碼信道：從編碼器的輸出端到譯碼器的輸入端狹義信道狹義信道有線或無線傳輸媒介有線或無線傳輸媒介調(diào)制信道調(diào)制信道編碼信道編碼信道傳傳輸輸媒媒介介發(fā)發(fā)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器收收轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器譯譯碼碼器器編編碼碼器器調(diào)調(diào)制制器器解解調(diào)調(diào)器器數(shù)字化數(shù)字化信源信源譯碼譯碼輸出輸出

9、141.6 信道信道1、對(duì)稱電纜（雙絞線）對(duì)稱電纜（雙絞線）對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)圖對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)圖n1.6.1 有線信道有線信道152、同軸電纜、同軸電纜同軸電纜結(jié)構(gòu)圖同軸電纜結(jié)構(gòu)圖1.6 信道信道161.6 信道信道3、光纖、光纖n光纖傳輸原理光纖傳輸原理n全反射原理全反射原理n多模光纖（多模光纖（MMF）和單模光纖（）和單模光纖（SMF）n光源光源nLED（Light Emitted Dioxide）n激光激光n光纖中的色散光纖中的色散n限制了光纖的無中繼傳輸距離限制了光纖的無中繼傳輸距離光信號(hào)入光信號(hào)入光信號(hào)出光信號(hào)出光纖外層光纖外層光纖內(nèi)層光纖內(nèi)層1713001550850損損 耗耗 (dB/k

10、m)波長波長 (nm)n 光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性光纖帶寬：光纖帶寬：1300nm窗口約窗口約100nm，1550nm窗口約窗口約100nm，共共200nm，約，約30THz1.6 信道信道181.6 信道信道n1.6.2 無線信道無線信道n電磁波傳播特性電磁波傳播特性n影響電磁波傳播的因素影響電磁波傳播的因素n大氣：電離層、雨雪、空氣粒子等大氣：電離層、雨雪、空氣粒子等n地面：良導(dǎo)體、地面彎曲等地面：良導(dǎo)體、地面彎曲等n地波傳播地波傳播n電磁波波長與電離層距離地面的高度相比擬，電磁波波長與電離層距離地面的高度相比擬，形同波導(dǎo)；形同波導(dǎo)；nELF、VLF、LF、MF主要使用的傳播方式主要使

11、用的傳播方式nELF具有一定的海水穿透能力。具有一定的海水穿透能力。 1969年，威斯康辛州建年，威斯康辛州建WTF臺(tái)，十字型天線，各長臺(tái)，十字型天線，各長公里，公里，300A； 1981年，密歇根州又建年，密歇根州又建MTF臺(tái)，天線各長臺(tái)，天線各長45公里，公里，150A； 1986年，年，WTF/MTF臺(tái)正式投入使用，共指揮臺(tái)正式投入使用，共指揮161艘潛艇。艘潛艇。美國超長波對(duì)潛通信系統(tǒng)美國超長波對(duì)潛通信系統(tǒng)威斯康辛州威斯康辛州密歇根州密歇根州19201.6 信道信道n天波傳播天波傳播n HF使用的主要傳播方式；使用的主要傳播方式；n 主要特點(diǎn)：電離層隨機(jī)擾動(dòng)、多徑效應(yīng)。主要特點(diǎn)：電離層

12、隨機(jī)擾動(dòng)、多徑效應(yīng)。Multi hopsingle hop電離層電離層EarthTransmitterReceiver211.6 信道信道n視距傳播視距傳播n天線高度與傳輸天線高度與傳輸距離之間的關(guān)系距離之間的關(guān)系A(chǔ)BCh1h2R12 d1 d22211()arctanRhRR - 111arctan2/2/hRhR 1112dRh R 212123.57()dRhhhhkm 平坦地面條件下，收發(fā)天線高度分別為平坦地面條件下，收發(fā)天線高度分別為50m，則視線距離為，則視線距離為50km。通信速率與距離通信速率與距離：從木星：115kbps從土星：30kbps從天王星：20kbps，29億公里從

13、海王星：15kbps，45億公里 1977年發(fā)射“旅行者1”、 “旅行者2”，探測大行星。 “旅行者2”，是人類最成功的宇宙探測器，成果輝煌 。視視距距傳傳播播22231.6 信道信道n對(duì)流層散射對(duì)流層散射對(duì)流層散射區(qū)EarthTransmitterReceivern 無線光傳輸無線光傳輸 紅外光、紅外光、紫外光、激光紫外光、激光241.6 信道信道n微波中繼信道微波中繼信道251.6 信道信道n衛(wèi)星中繼信道衛(wèi)星中繼信道261.6 信道信道n陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)信道1 1）傳播衰減：移動(dòng)信道中自由空間傳播損耗）傳播衰減：移動(dòng)信道中自由空間傳播損耗271.6 信道信道2）反射波與散射波）反射波與

14、散射波 移動(dòng)信道的傳播路徑和平滑表面反射移動(dòng)信道的傳播路徑和平滑表面反射281.6 信道信道n短波電離層反射信道短波電離層反射信道n短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無線電短波電離層反射信道是利用地面發(fā)射的無線電波在電離層，或電離層與地面之間的一次反射波在電離層，或電離層與地面之間的一次反射或多次反射所形成的信道?；蚨啻畏瓷渌纬傻男诺?。n電離層離地面電離層離地面60600km。當(dāng)頻率范圍為。當(dāng)頻率范圍為330MHz（波長為（波長為10100m）的短波（或稱為高）的短波（或稱為高頻）無線電波射入電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)頻）無線電波射入電離層時(shí)，由于折射現(xiàn)象會(huì)使電波發(fā)生反射，返回地面。使電波發(fā)生

15、反射，返回地面。291.6 信道信道n電離層反射示意圖電離層反射示意圖301.6 信道信道n多徑形式示意圖多徑形式示意圖311.6 信道信道n調(diào)制信道的主要特性調(diào)制信道的主要特性n有一對(duì)或多對(duì)輸入端，必然有一對(duì)或多對(duì)輸有一對(duì)或多對(duì)輸入端，必然有一對(duì)或多對(duì)輸出端；出端；n絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理；絕大部分信道是線性的，即滿足疊加原理；n信號(hào)通過信道需要經(jīng)過一定的延時(shí)；信號(hào)通過信道需要經(jīng)過一定的延時(shí)；n信道對(duì)信號(hào)有損耗（固定或時(shí)變損耗）；信道對(duì)信號(hào)有損耗（固定或時(shí)變損耗）；n即使沒有信號(hào)輸入，接收端仍有信號(hào)輸出即使沒有信號(hào)輸入，接收端仍有信號(hào)輸出（噪聲），通常稱為（噪聲），通常稱為加性

16、噪聲加性噪聲或或加性干擾加性干擾。321.6 信道信道 ( )( )( )oie tf e tn tn 信道對(duì)信號(hào)的影響：信道對(duì)信號(hào)的影響： 1、乘性干擾、乘性干擾k(t)的影響的影響 2、加性干擾、加性干擾n(t)的影響的影響n 二對(duì)端的調(diào)制信道模型：二對(duì)端的調(diào)制信道模型： ( )( )( )( )oie tk t e tn t把把f( )設(shè)想成一個(gè)信號(hào)與干擾相乘的形式設(shè)想成一個(gè)信號(hào)與干擾相乘的形式331.6 信道信道n乘性干擾乘性干擾k(t)n包含的因素：線性失真、非線性失真、時(shí)間包含的因素：線性失真、非線性失真、時(shí)間延遲以及衰減等；延遲以及衰減等；n隨時(shí)間變化的特性；隨時(shí)間變化的特性；n

17、調(diào)制信道的分類調(diào)制信道的分類n恒參信道：恒參信道：k(t)不隨時(shí)間變化或變化極為緩不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢；有線信道通常可以看成恒參信道。慢；有線信道通?？梢钥闯珊銋⑿诺?。n隨參信道：隨參信道：k(t)隨時(shí)間隨時(shí)間t隨機(jī)變化；移動(dòng)無隨機(jī)變化；移動(dòng)無線信道為隨參信道。線信道為隨參信道。341.6 信道信道n信道模型信道模型 （1）加性噪聲恒參信道）加性噪聲恒參信道X+信道( )s t( )n t( )( )( )r ts tn t351.6 信道信道（2）具有加性噪聲的線性濾波信道）具有加性噪聲的線性濾波信道+信道s(t)n(t)h(t)線性時(shí)不變?yōu)V波器( )( )( )( )r ts th

18、tn t361.6 信道信道 （3）加性噪聲線性時(shí)變?yōu)V波信道模型）加性噪聲線性時(shí)變?yōu)V波信道模型+信道( )s t( )n t( )( )( ; )( )r ts thtn t( ; )ht線性時(shí)變?yōu)V波器371.6 信道信道n編碼信道編碼信道包括調(diào)制器、解調(diào)器和傳輸媒介包括調(diào)制器、解調(diào)器和傳輸媒介n調(diào)制信道使調(diào)制信號(hào)發(fā)生波形變化調(diào)制信道使調(diào)制信號(hào)發(fā)生波形變化n編碼信道對(duì)信號(hào)的影響是數(shù)字序列的變換編碼信道對(duì)信號(hào)的影響是數(shù)字序列的變換n與調(diào)制信道的關(guān)系與調(diào)制信道的關(guān)系n解調(diào)發(fā)生的差錯(cuò)解調(diào)發(fā)生的差錯(cuò)n編碼信道模型編碼信道模型n采用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來描述采用數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)移概率來描述381.6 信道信道

19、0 1 ) 1/0(P) 1/1 (P)0/0(P)0/1 (P 1 01) 1/0() 1/1 ( 1)0/1 ()0/0( )0/1 (),1/0() 1/1 (),0/0()0/1 (),1/0(),1/1 (),0/0(PPPPPPPPPPPP并具有下列關(guān)系：錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率：；正確轉(zhuǎn)移概率：稱為信道轉(zhuǎn)移概率391.6 信道信道n信道容量信道容量：是指信道中信息能夠無差錯(cuò)傳：是指信道中信息能夠無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾?。輸?shù)淖畲笏俾?。n說明說明：本節(jié)討論的是：本節(jié)討論的是調(diào)制信道調(diào)制信道（或稱波形（或稱波形信道，它是指從發(fā)射機(jī)調(diào)制器輸出端到接信道，它是指從發(fā)射機(jī)調(diào)制器輸出端到接收機(jī)解調(diào)器輸入端之

20、間的信道）的信道容收機(jī)解調(diào)器輸入端之間的信道）的信道容量。量。401.6 信道信道n香農(nóng)公式香農(nóng)公式 對(duì)于帶寬有限，平均功率有限的高斯白噪對(duì)于帶寬有限，平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，設(shè)信道帶寬為聲連續(xù)信道，設(shè)信道帶寬為B (Hz)，信道輸出，信道輸出信號(hào)功率為信號(hào)功率為S (W)，輸出加性高斯噪聲功率為，輸出加性高斯噪聲功率為N (W)，則可以證明該信道的信道容量為，則可以證明該信道的信道容量為令加性高斯噪聲的單邊功率譜密度為令加性高斯噪聲的單邊功率譜密度為 ，則，則)b/s()1 (log2NSBC0nBnN020log (1) (b/s)SCBn B411.6 信道信道n例：已知黑白電視圖像信號(hào)每幀有例：已知黑白電視圖像信號(hào)每幀有3030萬個(gè)像素，萬個(gè)像素，每個(gè)像素有每個(gè)像素有8 8個(gè)亮度電平，各電平獨(dú)立等概出現(xiàn)，個(gè)亮度電平，各電平獨(dú)立等概出現(xiàn)，圖像每秒發(fā)送圖像每秒發(fā)送2525幀，若要求接收?qǐng)D像信噪比達(dá)到幀，若要求接收?qǐng)D像信噪比達(dá)到30dB，求所需最小帶寬。，求所需最小帶寬。n解：首先計(jì)算每個(gè)像素的信息量：