最新-第一章通信系統(tǒng)概論-PPT課件

1、第一章 通信系統(tǒng)概論1.1 緒論1.2 通信系統(tǒng)的組成1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式1.4 通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1.1 緒論通信 廣義上說(shuō)用任何方法通過(guò)任何媒介跨時(shí)/空傳遞信息，均稱(chēng)為通信。1.1 緒論通信的定義： 是指由一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞。通信的目的： 就是傳遞消息。本課程對(duì)通信的定義： 利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)（含光信號(hào))實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)行消息的有效傳遞稱(chēng)為通信。1.2 通信系統(tǒng)的組成1.2.1 通信系統(tǒng)模型信源信宿噪聲源信道發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備產(chǎn)生或發(fā)出消息的人或機(jī)器將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成便于傳送的形式 從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào)

2、接受消息的人或機(jī)器 信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ栏魈幵肼暤募斜憩F(xiàn)1.2 通信系統(tǒng)的組成信 源 ：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如電話系統(tǒng)中電話機(jī)可看成是信源。發(fā)送設(shè)備：將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道：信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃梢允怯芯€的，也可以是無(wú)線的。接收設(shè)備： 任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)來(lái)。信宿：將復(fù)原的原始電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。1.2 通信系統(tǒng)的組成1.2.2 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)1.信源消息分為兩大類(lèi) 連續(xù)消息 離散消息 消息的載體是電信號(hào)， 電信號(hào)的變化體現(xiàn)在某一參量的變化上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、

3、寬度或位置）。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)圖片等消息的狀態(tài)是離散的或是可數(shù)的。如符號(hào)、數(shù)據(jù)等1.2 通信系統(tǒng)的組成信號(hào)分類(lèi)：按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為兩類(lèi)。模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)tf(t)0時(shí)間連續(xù)、參量連續(xù)tf(t)0時(shí)間離散、參量離散tf(t)0時(shí)間離散、參量連續(xù)抽 樣量 化1.2 通信系統(tǒng)的組成2.模擬通信系統(tǒng)模型利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)1.2 通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換：（1）連續(xù)消息到電信號(hào)相互變換（2）基帶信號(hào)到調(diào)制信號(hào)的變換優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)：易受干擾、頻帶不寬、頻帶

4、利用率不高、信號(hào)處理難、不易集成和設(shè)備龐大等。1.2 通信系統(tǒng)的組成3.數(shù)字通信系統(tǒng)模型利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)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1.2 通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信涉及的技術(shù)內(nèi)容有：1）編/譯碼包括信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼。2）調(diào)制/解調(diào)數(shù)字調(diào)制/解調(diào)3）數(shù)字復(fù)接4）同步5）加密1.2 通信系統(tǒng)的組成信源編碼的作用（1）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。（2）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

5、號(hào)的數(shù)字化傳輸。1.2 通信系統(tǒng)的組成信道編碼與譯碼 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。1.2 通信系統(tǒng)的組成加密與解密 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。 1.2 通信系統(tǒng)的組成數(shù)字調(diào)制與解

6、調(diào)數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處， 形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。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DPSK1.2 通信系統(tǒng)的組成同步與數(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 網(wǎng)同步1.2 通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)（1） 抗干擾能力強(qiáng)。（2） 差錯(cuò)可控。 可以采用信道編碼技術(shù)使誤碼率降低， 提高傳輸?shù)目煽啃浴?（3） 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

7、形成智能網(wǎng)。 （4） 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 （5） 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。1.2 通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信的缺點(diǎn)（1）占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶（頻帶利用率不高） 一路模擬電話帶寬為4kHz， 一路數(shù)字電話可能要占據(jù) 2060kHz的帶寬。（2）系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜數(shù)字通信的前景 寬帶信道（光纖）的發(fā)展，其缺點(diǎn)已可以接受，在現(xiàn)代通信的發(fā)展中已成為主流。1.2 通信系統(tǒng)的組成基帶信號(hào) 是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開(kāi)始，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。語(yǔ)音信號(hào)：3003400Hz圖像信號(hào)：06MHz1.2 通信系統(tǒng)的組成已調(diào)信號(hào) 是指經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)有三個(gè)特征 1.

8、 攜帶有信息 2. 適合在信道中傳輸 3. 是信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻。已調(diào)信號(hào)又稱(chēng)頻帶信號(hào)。1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式1.3.1 通信系統(tǒng)的分類(lèi)按通信業(yè)務(wù)分類(lèi) 話務(wù)通信：電話通信 非話務(wù)通信：計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子信箱等。按調(diào)制方式分類(lèi) 基帶傳輸：將未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送 頻帶傳輸：對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q(chēng)表 1 - 1 列出了一些常見(jiàn)的調(diào)制方式1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式按信號(hào)特征分類(lèi) 模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒質(zhì)分類(lèi) 有線通信系統(tǒng) 電纜通信 光纖通信 無(wú)線通信系統(tǒng) 短波通信 微波中繼通信 衛(wèi)星通信 1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式按工作波段分類(lèi)

9、長(zhǎng)波通信 中波通信 短波通信 微波通信工作波長(zhǎng)和頻率的換算公式為式中， 為工作波長(zhǎng)， f 為工作頻率， c 為光速。表 1 -2 列出了通信使用的頻段、 常用的傳輸媒質(zhì)及主要用途1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式：1）頻分復(fù)用：頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍。2）時(shí)分復(fù)用：時(shí)分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間。3）碼分復(fù)用：用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號(hào)。 傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，碼分復(fù)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方

10、式1.3.2 通信方式1 按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。半雙工通信：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。全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工 作方式。三種方式示例比較三種方式示意圖1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式2. 按數(shù)字信號(hào)排列順序分并行傳輸：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。 適用于設(shè)備之間的近距離通信串行傳輸：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。 適用于遠(yuǎn)距離數(shù)字通信并行和串行通信方式示意圖1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式發(fā)送信道接收單工

11、：廣播發(fā)送信道接收雙工：手機(jī)發(fā)送信道接收半雙工：對(duì)講機(jī)1.3 通信系統(tǒng)的分類(lèi)與通信方式1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)有效性和可靠性是評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題；可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1. 模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)（1）有效性：有效的傳輸頻帶（2）可靠性：輸出信噪比2. 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)（1）有效性：傳輸速率和系統(tǒng)頻帶利用率（2）可靠性：差錯(cuò)率1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)傳輸速率有兩種表示方法（1）碼元傳輸速率（又稱(chēng)傳碼率）：系統(tǒng)每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，單位是波特，常用

12、符號(hào)“B”表示。 例如，若2秒內(nèi)傳4800個(gè)碼元，則傳碼率為數(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)。2400B1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)（2）信息傳輸速率（又稱(chēng)傳信率、比特率）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。兩者之間既有聯(lián)系，也有區(qū)別Rb = RB log 2 N (bits)【思考討論題】某一數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖撬倪M(jìn)制碼元，4s傳輸了8000個(gè)碼元，而另一通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖鞘M(jìn)制碼元，6s傳輸了7200個(gè)碼元。哪個(gè)系統(tǒng)傳輸速度快？四進(jìn)制碼元：RB=2000B；Rb=4000bit/s十

13、六進(jìn)制碼元： RB=1200B；Rb=4800bit/s 【答】1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)多進(jìn)制信息傳輸速率 對(duì)于N進(jìn)制碼元的傳輸，每一個(gè)N進(jìn)制碼元可用log2N個(gè)二進(jìn)制碼元表示（N=2n，n為每位多進(jìn)制碼元所用二進(jìn)制碼元表示的位數(shù)）傳輸一個(gè)N進(jìn)制碼元相當(dāng)于傳輸了log2N個(gè)二進(jìn)制碼元。在碼元速率（RB）保持不變條件下，二進(jìn)制信息速率與N進(jìn)制信息速率之間關(guān)系為：【思考1 】已知八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率為1600波特。試問(wèn)變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)的傳輸速率為多少？ 解： Rb = RbN2N = 1600 28 = 4800 b/s【思考2】 已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的傳輸速率為2400b/s 。試問(wèn)

14、變換成四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，傳輸速率為多少波特？ 解： Rb = RbN2N RbN= Rb2N = 2400/2=1200 波特1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)系統(tǒng)頻帶利用率 通信系統(tǒng)所占的頻帶越寬，傳輸信息的能力就越強(qiáng)。系統(tǒng)頻帶利用率表示數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性。 對(duì)于采用二進(jìn)制傳輸時(shí)的系統(tǒng)頻帶利用率表示為1.4 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)差錯(cuò)率（1）誤碼率（碼元差錯(cuò)率） （2）誤比特率（比特差錯(cuò)率）【例】設(shè)在125微秒內(nèi)傳輸250個(gè)二進(jìn)制碼元，計(jì)算信息傳輸速率；若該信碼在2秒內(nèi)有3個(gè)碼元產(chǎn)生誤碼，試問(wèn)其誤碼率是多少？解：1.5 通信技術(shù)的發(fā)展古代：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

15、能極其有限地解決一定距離的通信問(wèn)題。 現(xiàn)代：電話、電視、廣播、郵政、因特網(wǎng)、其他方式目前的這些現(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(huì)生活中一個(gè)不可或缺的組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的發(fā)展，對(duì)通信的要求也越來(lái)越高。1.5 通信技術(shù)的發(fā)展按照人類(lèi)交流方式與技術(shù)的不同，可以把通信歷史劃分以下幾個(gè)階段： 第一階段 語(yǔ)言 第二階段 文字、郵政 第三階段 印刷術(shù)、出版物 第四階段 電報(bào)、電話、廣播 第五階段 通信與計(jì)算機(jī)的結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1753年2月17日，蘇格蘭人雜志上發(fā)表了一封署名C.M的書(shū)信。在這封信中，作者提出了用電流進(jìn)行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個(gè)

16、地點(diǎn)延伸到另一個(gè)地點(diǎn)，每根金屬線與一個(gè)字母相對(duì)應(yīng)。在一端發(fā)報(bào)時(shí)，便根據(jù)報(bào)文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機(jī)相連接，使它們依次通過(guò)電流。電流通過(guò)金屬線上的小球便將掛在它下面的寫(xiě)有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來(lái)，從而起到遠(yuǎn)距離傳遞信息的作用。 最早的電通信設(shè)想1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1844年5月24日，莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發(fā)人類(lèi)歷史上的第一份電報(bào)。在座無(wú)虛席的國(guó)會(huì)大廈里,莫爾斯用激動(dòng)得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報(bào)機(jī), 發(fā)出了:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”一語(yǔ)。 最早的有線電報(bào)莫爾斯發(fā)出第一封電報(bào)設(shè)備的復(fù)制品 1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1875年6月2日，美國(guó)人亞力山大.格雷厄姆.貝爾

17、(Bell,Alekander Graham)發(fā)明了電話。至今美國(guó)波士頓法院路109號(hào)的門(mén)口，仍釘著塊鐫有：1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。1876年2月14日，貝爾申請(qǐng)了那個(gè)著名的他和沃森一直研究著的裝置電話的專(zhuān)利。同一天另一個(gè)發(fā)明家格雷（1835-1901）也向美國(guó)專(zhuān)利局遞交了相似設(shè)備的專(zhuān)利申請(qǐng)書(shū)，只因比貝爾晚了幾個(gè)小時(shí)而痛失電話發(fā)明權(quán)。 最早的有線電話1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1887年3月21日，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（Hertz）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電火花的能量能夠越過(guò)空間傳到遠(yuǎn)處。這是人類(lèi)歷史上第一次證實(shí)了電磁波的存在。但赫茲斷然否認(rèn)選用電磁波進(jìn)行通信的可能性。他認(rèn)為如要利用電磁波進(jìn)行通信

18、的話，需要有一面面積與歐洲大陸相當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。 電磁波的發(fā)現(xiàn) 1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1895年5月7日，36歲的波波夫在彼德堡的俄國(guó)物理化學(xué)會(huì)的物理分會(huì)上，宣讀了關(guān)于“金屬屑與電振蕩的關(guān)系”的論文，并當(dāng)眾展示了他發(fā)明的無(wú)線電接收機(jī)。當(dāng)他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發(fā)生器時(shí)，波波夫的無(wú)線電接收機(jī)便響起鈴來(lái)；斷開(kāi)電波發(fā)生器，鈴聲立即中止。幾十年后，為了紀(jì)念波波夫在這一天的劃時(shí)代創(chuàng)舉，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)政府便把5月7日定為“無(wú)線電發(fā)明日”。 最早的無(wú)線通信 1.5 通信技術(shù)的發(fā)展1897年5月18日,馬可尼進(jìn)行橫跨布里斯托爾（Bristol）海峽的無(wú)線電通信取得成功，通信距離為14公里。人類(lèi)首次遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信1.5 通信技術(shù)的發(fā)展在過(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