11-通信系統(tǒng)的組成解析課件

1、通信原理哈爾濱理工大學(xué)通信原理哈爾濱理工大學(xué)主要內(nèi)容 課程簡(jiǎn)介：通信的一般處理規(guī)則 考核方式：30%平時(shí)+70%筆試 主要參考書(shū)：張輝，現(xiàn)代通信原理與技術(shù)（第2版）西安電子科技大學(xué)出版社 樊昌信， 通信原理(第6版) 國(guó)防工業(yè)出版社周炯槃，通信原理，北京郵電大學(xué)出版社Simon Haykin, Communication Systems, 電子工業(yè)出版社（影印版：通信系統(tǒng)）主要內(nèi)容 課程簡(jiǎn)介：通信的一般處理規(guī)則2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)課程的基本內(nèi)容 緒論 隨機(jī)過(guò)程 信道與噪聲 模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 數(shù)字信號(hào)的最佳接收2022/10/

2、9哈爾濱理工大學(xué)課程的基本內(nèi)容 緒論2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于本課程 通信原理為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，要求重點(diǎn)掌握通信系統(tǒng)的基本概念和分析方法，以及信息傳輸?shù)幕驹?；熟悉各種通信技術(shù)的基本特點(diǎn)以及性能；在此基礎(chǔ)上，研究通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解通信發(fā)展方向。2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于本課程 通2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 1.1 通信系統(tǒng)基本概念及組成 1.2 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3 信息及其度量 1.4 通信系統(tǒng)性能指標(biāo) 1.5 通信發(fā)展趨勢(shì)第 1 章 緒論2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) 1.1 通信2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)1.1 通信的基本概念及組成

3、通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái) 電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。 1. 通信的基本概念2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)1.1 通信的基本概念及組2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)18世紀(jì)，提出用電流進(jìn)行通信的設(shè)想1838年，F(xiàn).B. Morse 發(fā)明有線電報(bào)1864年，J.C. Maxwell提出電磁輻射方程1876年，A. G. Bell 發(fā)明電話1896年，G. Marconi發(fā)明無(wú)線電報(bào)1

4、901年，橫跨大西洋的無(wú)線通信成功1906年，Lee deForst 發(fā)明真空管1918年，E.H. Armstrong發(fā)明AM廣播，超外差接收機(jī)1925年，開(kāi)始采用三路明線載波電話，多路通信1936年，E. H. Armstrong發(fā)明FM廣播1937年，A. Reeves發(fā)明PCM調(diào)制原理2. 通信發(fā)展簡(jiǎn)史2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)18世紀(jì)，提出用電流進(jìn)行通信2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)1938年，電視廣播開(kāi)始1940-45年，二次大戰(zhàn)刺激了雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展1948年，發(fā)明了晶體三極管；統(tǒng)計(jì)理論建立；Shannon發(fā)表通信的數(shù)學(xué)理論1950年，時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話19

5、53年，敷設(shè)了第一條越洋電話電纜(36話路)1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球通信衛(wèi)星1958年，發(fā)明第一塊集成電路（TI）1961年，F(xiàn)M立體聲廣播開(kāi)播1964年，第一臺(tái)全電子電話系統(tǒng)問(wèn)世1972年，Motorola發(fā)明蜂窩電話1989年，GPS發(fā)明1990，超大規(guī)模集成電路的大量使用，計(jì)算機(jī)和通信正向著兼容互補(bǔ)的方向發(fā)展2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)1938年，電視廣播開(kāi)始2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)（1）通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個(gè)或多個(gè)目的地。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備(包括信道)的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如下圖所示。 3. 通信

6、系統(tǒng)的組成圖 1 1 通信系統(tǒng)一般模型2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)（1）通信系統(tǒng)的一般模型3.2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)圖中各部分的功能簡(jiǎn)述如下:信息源(簡(jiǎn)稱信源)是消息的發(fā)源地,其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)(稱為消息信號(hào)或基帶信號(hào))。根據(jù)消息種類的不同,信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源送出的是模擬信號(hào),如麥克風(fēng)(聲音音頻信號(hào))、攝像機(jī)(圖像視頻信號(hào));數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號(hào),如電傳機(jī)(鍵盤字符數(shù)字信號(hào))、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端。并且,模擬信源送出的信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理后也可送出數(shù)字信號(hào)。 發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)圖中各部分

7、的功能簡(jiǎn)述如下:2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 噪聲源不是人為加入的設(shè)備,而是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機(jī)的,其形式是多種多樣的,它的存在干擾了正常信號(hào)的傳輸。關(guān)于信道與噪聲的內(nèi)容將在第3章中討論。接收設(shè)備的功能是放大和反變換(如濾波、譯碼、解調(diào)等),其目的是從受到干擾和減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者(信宿)是傳送消息的目的地。其功能與信源相反,即將復(fù)原的原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息,如揚(yáng)聲器等。2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) 噪聲源不是人2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)4. 模擬通信模型和數(shù)字通信模型 上圖中，信源發(fā)出的消息雖然有多種形式

8、， 但可分為兩大類： 一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為兩類，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)4. 模擬通信模型和數(shù)字通信2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)凡信號(hào)參量的取值連續(xù)(不可數(shù),無(wú)窮多),則稱為模擬信號(hào)。如電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。模擬信號(hào)

9、有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào),這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化,或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值,而不一定在時(shí)間上也連續(xù),如圖1-2(b)所示的抽樣信號(hào)。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)凡信號(hào)參量的取值連續(xù)(不2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)圖 1 2 模擬信號(hào)波形 (a)連續(xù)信號(hào); (b)抽樣信號(hào) 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)圖 1 2 2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 圖 1 -3數(shù)字信號(hào)波形 (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK信號(hào)波形 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) 2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) （1）模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)

10、。 我們知道，信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，基帶的含義是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開(kāi)始，如語(yǔ)音信號(hào)為3003400Hz， 圖像信號(hào)為06MHz。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，這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征：一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱頻帶信號(hào)。2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) （1）模擬通2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)需要指出,消息從發(fā)送端到接收端

11、的傳遞過(guò)程中,不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號(hào)、基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的兩種變換,實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過(guò)程。由于以上兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用,而其他過(guò)程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化,因此,本書(shū)中關(guān)于模擬通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是:調(diào)制與解調(diào)原理以及噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?詳見(jiàn)第4章)。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)需要指出,消息從發(fā)送端到2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模2022/10/10哈爾濱理工大

12、學(xué)（2） 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 圖 1 5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)（2） 數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖 2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)1) 信源編碼與譯碼 信源編碼的作用之一是設(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。作用之二是，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)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。第6章中將討論模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)膬煞N方式：脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(M)。信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)1) 信源編碼與譯碼2022/10/

13、10哈爾濱理工大學(xué)2)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)。為了減小差錯(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。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)2)信道編碼與譯碼2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)3)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。

14、 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)3)加密與解密2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)4)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(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)。基本的數(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DPSK。對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè),一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)4)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)5)同步同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。需要說(shuō)明的是,圖1-5是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型,實(shí)際的數(shù)

15、字通信系統(tǒng)不一定包括圖1-5中的所有環(huán)節(jié),如在某些有線信道中,數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制就可以直接傳送,稱之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸,其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié),詳見(jiàn)第5章。應(yīng)該指出的是,模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸,數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬話音信號(hào)的例子。當(dāng)然,數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸,如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)傳統(tǒng)的電話網(wǎng)來(lái)傳輸,但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器(Modem),以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)5)同步2022/10/10哈爾濱理工大學(xué)（3） 數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 目前，無(wú)論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)

16、用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過(guò)模擬通信，成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來(lái)越高的要求， 其特點(diǎn)是： 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué)（3） 數(shù)字通信的主要特2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 抗干擾能力強(qiáng),且噪聲不積累。以二進(jìn)制為例,數(shù)字信號(hào)的取值只有兩個(gè),這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到噪聲的干擾,必然會(huì)發(fā)生波形畸變,接收端對(duì)其進(jìn)行抽樣判決,以辨別是兩個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè)。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確，就能正確接收。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號(hào)，它要求接收機(jī)能夠高度保真地重現(xiàn)信號(hào)波形，如果模擬信號(hào)疊加上噪聲后，即使噪聲很小，也很難消除它。此外，在遠(yuǎn)距離傳輸，如微波中繼通信時(shí)，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式，對(duì)數(shù)字信號(hào)波形進(jìn)行整形再生而消除噪聲積累。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) 抗干擾能力強(qiáng),且噪聲不積2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 差錯(cuò)可控?？梢圆捎眯诺谰幋a技術(shù)使誤碼率降低，提高傳輸?shù)目煽啃浴?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)，從而形成智能網(wǎng)。 易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理，且保密強(qiáng)度高。 2022/10/9哈爾濱理工大學(xué) 差錯(cuò)可控?？梢圆捎眯诺谰幋a2022/10/10哈爾濱理工大學(xué) 但是， 數(shù)字