通信系統(tǒng)原理概述.ppt

1、第1章 概論,通信原理課程組,2,目標(biāo)要求,基本要求,了解通信的發(fā)展； 掌握消息、信息、信號(hào)的定義； 掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)； 掌握數(shù)字通信系統(tǒng)模型及其主要性能指標(biāo)； 熟悉無(wú)線(xiàn)信道、有線(xiàn)信道； 熟悉信道中的噪聲。,3,目標(biāo)要求,重點(diǎn)、難點(diǎn),重點(diǎn)是： 信息的度量； 數(shù)字通信系統(tǒng)模型的理解與掌握。 難點(diǎn)是： 數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的理解與計(jì)算。,4,主要內(nèi)容,1.1 通信的發(fā)展 1.2 消息、信息和信號(hào) 1.3 數(shù)字通信 1.4 信道 1.5 信道中的噪聲 1.6 小結(jié) 思考題、習(xí)題,5,1.1 通信的發(fā)展,一、歷史的通信方式,1.古代： 公元前800年(周朝)，周幽王烽火戲諸侯。

2、應(yīng)用光通信的見(jiàn)證最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)字通信。 2.近代： 1820年：安培發(fā)明電報(bào)通信，近代數(shù)字通信的 開(kāi)始。 1838年：莫爾斯將電報(bào)通信推向?qū)嵱谩?1876年：貝爾發(fā)明電話(huà)，模擬通信的開(kāi)始。,6,周幽王驕奢淫逸，自從得到褒國(guó)進(jìn)獻(xiàn)的美女褒姒后，封為寵妃，整天沉溺于佳麗之中，朝政荒廢。褒姒美艷無(wú)比，但生性不笑，面對(duì)宮中玉宇瓊樓，錦衣玉食，她毫無(wú)悅色。幽王欲睹褒姒笑容，大臣們想盡千方百計(jì)始終不得效果。一天幽王出游驪山，佞臣虢（guo）石父獻(xiàn)出烽火戲諸葛侯拙劣計(jì)策，幽王決意一試，遂命點(diǎn)燃烽火。各路諸侯見(jiàn)烽火報(bào)警，以為京城出現(xiàn)敵情。迅速整裝帶兵而至。見(jiàn)君臣安然無(wú)恙，且游興正濃，感到莫名其妙。問(wèn)其原因，對(duì)

3、方笑而不答。看到這種場(chǎng)面，褒姒忍不住開(kāi)懷大笑?？吹桨K于開(kāi)了笑口，而且笑時(shí)姿態(tài)更美，昏君樂(lè)得忘乎所以。風(fēng)塵仆仆的諸侯終于明白，烽火報(bào)警，調(diào)兵遣將，原本為博寵妃歡心。王命如山，無(wú)可奈何，只得怏怏離去。但事隔不久，犬戎果真來(lái)犯，雖然點(diǎn)起了烽火，卻無(wú)援兵趕到。原來(lái)各諸侯以為周幽王又是故伎重演。結(jié)果都城被攻下，褒姒被搶走了，周幽王也被殺死了，從此西周滅亡了。 東周列國(guó)志中有這樣一段話(huà)來(lái)形容褒姒：“目秀眉清，唇紅齒白，發(fā)挽烏云，指排削玉，有如花如月之容，傾國(guó)傾城之貌。” 原來(lái)周王朝為了防備西部一個(gè)叫犬戎的少數(shù)民族部落的進(jìn)攻，在驪山一帶造了二十多座烽火臺(tái)，每隔幾里地就是一座。如果犬戒打過(guò)來(lái)，把守第一道關(guān)

4、的士兵就把火燒起來(lái)；第二道關(guān)的士兵見(jiàn)到煙火，也把烽火燒起來(lái)。這樣一個(gè)接一個(gè)燒著烽火，附近的諸侯見(jiàn)到了，就會(huì)發(fā)兵來(lái)救。,7,最原始的光通信、二進(jìn)制數(shù)字通信 有光信號(hào)-有敵情 無(wú)光信號(hào)-無(wú)敵情,8,1.1 通信的發(fā)展,烽火臺(tái),9,1.1 通信的發(fā)展,3.現(xiàn)代 20世紀(jì)60年代以后： 數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)入高級(jí)發(fā)展階段。 近20多年： 數(shù)字通信迅猛發(fā)展； 光纖通信也攜手同行。 兩者都成為現(xiàn)代通行網(wǎng)的主要支柱。,10,1.1 通信的發(fā)展,“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”,塞繆爾莫爾斯 （Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）,11,1832年秋天，在大西洋中航行的一艘郵船上，美

5、國(guó)醫(yī)生杰克遜給旅客們講電磁鐵原理，旅客中41歲的美國(guó)畫(huà)家莫爾斯被深深地吸引住了，并牢記住了這些。他聯(lián)想起自己所看到的法國(guó)信號(hào)機(jī)體系，它每次只能憑視力所及傳訊數(shù)英里而已；如果用電流傳輸電磁訊號(hào)，不是可以在瞬息之間把消息傳送數(shù)千英里之遙嗎？從這以后，他毅然改行投身于電學(xué)研究領(lǐng)域。 莫爾斯從在電線(xiàn)中流動(dòng)的電流在電線(xiàn)突然截止時(shí)會(huì)迸出火花這一事實(shí)得到啟發(fā)，“異想天開(kāi)”地想，如果將電流截止片刻發(fā)出火花作為一種信號(hào)，電流接通而沒(méi)有火花作為另一種信號(hào)，電流接通時(shí)間加長(zhǎng)又作為一種信號(hào)，這三種信號(hào)組合起來(lái)，就可以代表全部的字母和數(shù)字，文字就可以通過(guò)電流在電線(xiàn)中傳到遠(yuǎn)處了。 經(jīng)過(guò)幾年的琢磨，1837年，莫爾斯設(shè)計(jì)出

6、了著名且簡(jiǎn)單的電碼，稱(chēng)為莫爾斯電碼，它是利用“點(diǎn)”、“劃”和“間隔”（實(shí)際上就是時(shí)間長(zhǎng)短不一的電脈沖信號(hào)）的不同組合來(lái)表示字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)和符號(hào)。 1844年5月24日，在華盛頓國(guó)會(huì)大廈聯(lián)邦最高法院會(huì)議廳里，一批科學(xué)家和政府官員聚精會(huì)神地注視著莫爾斯，只見(jiàn)他親手操縱著電報(bào)機(jī)，隨著一連串的“點(diǎn)”、“劃”信號(hào)的發(fā)出，遠(yuǎn)在64公里外的巴爾的摩城收到由“嘀”、“嗒”聲組成的世界上第一份電報(bào)。第一封電報(bào)的內(nèi)容是圣經(jīng)的詩(shī)句：上帝創(chuàng)造了何等的奇跡。,12,1.1 通信的發(fā)展,貝爾 （1847-1922） 美國(guó)電話(huà)發(fā)明者,13,1.1 通信的發(fā)展,1876年3月10日，美國(guó)發(fā)明家貝爾發(fā)明世界上第一部電話(huà)，并獲

7、美國(guó)專(zhuān)利局批準(zhǔn)的電話(huà)專(zhuān)利。這是2005年8月11日拍攝的美國(guó)新澤西州默里山貝爾實(shí)驗(yàn)室博物館內(nèi)的世界第一部電話(huà)。,14,貝爾在做聾啞人用的“可視語(yǔ)言”實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在電流流通和截止時(shí)，螺旋線(xiàn)圈會(huì)發(fā)出噪聲，就像電報(bào)機(jī)發(fā)送莫爾斯電碼時(shí)發(fā)出的“嘀答”聲一樣。 “電可以發(fā)出聲音!”思維敏捷的貝爾馬上想到，“如果能夠使電流的強(qiáng)度變化，模擬出人在講話(huà)時(shí)的聲波變化，那么，電流將不僅可像電報(bào)機(jī)那樣輸送信號(hào)，還能輸送人發(fā)出的聲音，這也就是說(shuō)，人類(lèi)可以用電傳送聲音?！?1875年5月，貝爾和沃特森研制出兩臺(tái)粗糙的樣機(jī)。這兩臺(tái)樣機(jī)是在一個(gè)圓筒底部蒙上一張薄膜，薄膜中央垂直連接一根炭桿，插在硫酸液里。這

8、樣，人對(duì)著它講話(huà)時(shí)，薄膜受到振動(dòng)，炭桿與硫酸接觸的地方電阻發(fā)生變化，隨之電流也發(fā)生變化；接收時(shí)，因電流變化，也就產(chǎn)生變化的聲波。由此實(shí)現(xiàn)了聲音的傳送。 1875年6月2日，他們又對(duì)帶音箱的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。貝爾在實(shí)驗(yàn)室里，沃特森在隔著幾個(gè)房間的另一頭。貝爾一面在調(diào)整機(jī)器，一面對(duì)著送話(huà)器呼喚起來(lái)。 忽然，貝爾在操作時(shí)，不小心把硫酸濺到腿上，他情不自禁地喊道：“沃特森先生，快來(lái)呀，我需要你!” “我聽(tīng)到了，我聽(tīng)到了?！蔽痔厣吲d地從那一頭沖過(guò)來(lái)。他顧不上看貝爾受傷的地方，把貝爾緊緊擁抱住。貝爾此時(shí)也忘了疼痛，激動(dòng)得熱淚盈眶。,15,1.1 通信的發(fā)展,麥克斯韋在物理學(xué)中的最大貢獻(xiàn)是建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁

9、場(chǎng)理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。1873年，麥克斯韋完成巨著電磁學(xué)通論，這是一部可以同牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理相媲美的書(shū)，具有劃時(shí)代的意義，是牛頓以后科學(xué)史上的又一座豐碑 。,麥克斯韋(James Clerk Maxwel 18311879)英國(guó)物理學(xué)家,16,他建立的電磁場(chǎng)理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。他預(yù)言了電磁波的存在。這種理論遇見(jiàn)后來(lái)得到了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他為物理學(xué)樹(shù)起了一座豐碑。造福于人類(lèi)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，就是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。,17,1.1 通信的發(fā)展,赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的

10、存在。,赫茲 （1857-1894）德國(guó)物理學(xué)家,1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線(xiàn)電電子技術(shù)的新紀(jì)元。為了紀(jì)念他在電磁波發(fā)現(xiàn)中的卓越貢獻(xiàn)，后人將頻率的單位命名為赫茲。,18,1886年，赫茲經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)明了一種電波環(huán)，用這種電波環(huán)作了一系列的實(shí)驗(yàn)，終于在1888年發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波。赫茲的實(shí)驗(yàn)公布后，轟動(dòng)了全世界的科學(xué)界，由法拉第開(kāi)創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，至此取得了決定性的勝利。麥克斯韋的偉大遺愿終于實(shí)現(xiàn)了。,19,1.1 通信的發(fā)展,在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，意大利的馬可尼、俄國(guó)的波波

11、夫分別實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電傳播，并很快投入實(shí)際使用。其他利用電磁波的技術(shù)，也像雨后春筍般相繼問(wèn)世。無(wú)線(xiàn)電報(bào)（1894年）、無(wú)線(xiàn)電廣播（1906年）、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航（1911年）、無(wú)線(xiàn)電話(huà)（1916年）、短波通訊（1921年）、無(wú)線(xiàn)電傳真（1923年）、電視（1929年）、微波通訊（1933年）、雷達(dá)（1935年），以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。,20,1.1 通信的發(fā)展,返回,1.1 通信的發(fā)展,請(qǐng)總結(jié)通信的發(fā)展趨勢(shì)特點(diǎn)，展望未來(lái)通信發(fā)展方向。 模擬-數(shù)字 單一媒體-多媒體 有線(xiàn)-無(wú)線(xiàn) 窄帶-寬帶。？,21,22,1.2 消息、信息和信號(hào),1. 通信的目的,傳遞消息

12、中包含的信息。 本課程主要研究傳輸。,2. 消息,天氣預(yù)報(bào) “明天是晴天”,字幕“明天是晴天” 文字,播音員說(shuō)“明天是晴天” 語(yǔ)言, 圖形,、信息、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別,信息,23,1.2 消息、信息和信號(hào),1. 通信的目的,傳遞消息中包含的信息。 本課程主要研究傳輸。,2. 消息,、信息、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別,是指信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)。 例如：語(yǔ)音、文字、圖形、圖像等。 消息必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)），才能 在通信系統(tǒng)中傳輸。,24,1.2 消息、信息和信號(hào),4. 信息,是指消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容 （或有效內(nèi)容）。 不同形式表現(xiàn)（漢字、符號(hào)、圖形等）的同 一消息，載有

13、相同的信息。,3. 信號(hào),是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段。 可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。,、信息、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別,25,1.2 消息、信息和信號(hào),如何度量信息？ 首先要解決的問(wèn)題。,運(yùn)輸貨物-貨運(yùn)量，衡量運(yùn)輸效率 傳遞信息-？，衡量通信效率？,26,1.2 消息、信息和信號(hào),1.要求 度量信息量的方法，必須滿(mǎn)足：,能度量任何消息； 與消息的類(lèi)型無(wú)關(guān)； 消息的重要程度無(wú)關(guān)。,二、消息中信息量的度量,27,1.2 消息、信息和信號(hào),2. 信息量的定義,信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)； 消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量就越大； 若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成，則該消息所 包含的信息量是每個(gè)

14、獨(dú)立消息所含信息量之和。,二、消息中信息量的度量,28,1.2 消息、信息和信號(hào),因此，若消息 出現(xiàn)的概率為 ，則所含信息量 I 可定義為：,信息量的單位：,，則為比特（bit），簡(jiǎn)記為b，最常用;,，則為奈特（nat）;,，則為哈特萊（hartley）。,29,當(dāng)M = 2時(shí)，則I = 1b。 工程上，常常不考慮是否為等概率的消息，總認(rèn)為一個(gè)二進(jìn)制波形（或碼元）等于1b 。即通常把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)做1b。易與信息量的單位混淆，應(yīng)注意。,若采用一個(gè)M 進(jìn)制的波形，來(lái)傳送M 個(gè)獨(dú)立的等概離散消息之一，則每一碼元的信息量為：,(b),1.2 消息、信息和信號(hào),返回,30,1.3 數(shù)字通信,1. 模

15、擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)，也稱(chēng)連續(xù)信號(hào)。如：話(huà)筒送出的 語(yǔ)音信號(hào)，取值連續(xù)。 數(shù)字信號(hào)，也稱(chēng)離散信號(hào)。如：代表文字的 編碼和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，取值有限。,注意：區(qū)分準(zhǔn)繩為：考查取值是否連續(xù)， 而不是看時(shí)間。,一、 基本概念,31,1.3 數(shù)字通信,模擬信號(hào),數(shù)字信號(hào),碼元,32,1.3 數(shù)字通信,2. 模擬通信和數(shù)字通信,（1）共性問(wèn)題：總存在噪聲和其他干擾，引起傳輸信號(hào)的失真，影響傳輸質(zhì)量。解決噪聲和干擾的影響，就是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題之一。,3. 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),33,1.3 數(shù)字通信,模擬通信系統(tǒng)： 要求：高保真度復(fù)原。 度量準(zhǔn)則：輸出信噪比。 基本問(wèn)題：連續(xù)波形的參量估值

16、問(wèn)題。,（2） 個(gè)性問(wèn)題,數(shù)字通信系統(tǒng)： 要求：正確判決（或檢測(cè)）。 度量準(zhǔn)則：產(chǎn)生錯(cuò)判的概率。 理論基礎(chǔ)：統(tǒng)計(jì)判決理論。,注意：都是針對(duì)接收端的。,34,1.3 數(shù)字通信,二、數(shù)字通信的特點(diǎn) 1.優(yōu)點(diǎn),取值有限，能正確接收。 可采用糾錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，提高抗干擾性。 可采用數(shù)字加密技術(shù)，提高保密度。 可綜合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入消息。 便于存儲(chǔ)和處理。 易于設(shè)計(jì)、制造，體積更小、重量更輕。 可作信源編碼，壓縮冗余度，提高信道利用率。 信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。,35,數(shù)字信號(hào)波形的失真和恢復(fù),(a) 失真的數(shù)字信號(hào),(b) 恢復(fù)的數(shù)字信號(hào),返回,36,1.3 數(shù)字通信,占用帶寬大壓縮、光纖。

17、同步要求高。,3.應(yīng)用實(shí)例,數(shù)字傳輸技術(shù)：電話(huà)、電視、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù) 等信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。 模擬傳輸技術(shù)：有線(xiàn)電話(huà)環(huán)路、無(wú)線(xiàn)電廣 播、電視廣播等。,二、數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) 2.缺點(diǎn),37,1.3 數(shù)字通信,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,38,1.3 數(shù)字通信,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,39,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,1. 信源：將消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,40,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,信源,信道編碼,調(diào) 制,發(fā) 送 端,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,2. 信源編碼：降低數(shù)字信號(hào)的冗余， 提高數(shù)字信號(hào)的有效性。,41,42,43,44,保密編碼,數(shù)據(jù)通信的迅速發(fā)展帶來(lái)了數(shù)據(jù)失密問(wèn)題。

18、信息被非法截取和數(shù)據(jù)庫(kù)資料被竊的事例經(jīng)常發(fā)生，在日常生活中信用卡密碼被盜是常見(jiàn)的例子。數(shù)據(jù)失密會(huì)造成嚴(yán)重后果(如金融信息、軍事情報(bào)等)，所以數(shù)據(jù)保密成為十分重要的問(wèn)題。,45,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,3. 信道編碼：增加冗余字符，糾錯(cuò)編碼， 提高傳輸?shù)目煽啃浴?46,信道編碼,提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。 信道編碼的過(guò)程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的，這就是我們常常說(shuō)的開(kāi)銷(xiāo)。這就好象我們運(yùn)送一批玻璃杯一樣，為了保證運(yùn)送途中不出現(xiàn)打爛玻璃杯的情況，我們通常都用一些泡沫或海棉等物

19、將玻璃杯包裝起來(lái)，這種包裝使玻璃杯所占的容積變大，原來(lái)一部車(chē)能裝5000各玻璃杯的，包裝后就只能裝4000個(gè)了，顯然包裝的代價(jià)使運(yùn)送玻璃杯的有效個(gè)數(shù)減少了。同樣，在帶寬固定的信道中，總的傳送碼率也是固定的，由于信道編碼增加了數(shù)據(jù)量，其結(jié)果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價(jià)了。 將有用比特?cái)?shù)除以總比特?cái)?shù)就等于編碼效率了，不同的編碼方式，其編碼效率有所不同。,47,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,4. 調(diào)制：,三、數(shù)字通信系統(tǒng)模型,48,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,4.調(diào)制 （1）目的 使編碼信號(hào)特性與信道特性相適應(yīng)， 以通過(guò)信道傳輸。 （2）幾個(gè)基本概念 基帶、基帶信號(hào)、帶通信號(hào)； 基帶

20、調(diào)制、帶通調(diào)制。 （3）多路復(fù)用 使多路信號(hào)合并，經(jīng)過(guò)同一信道傳輸。,49,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,5. 信道 基帶信道可傳輸很低的頻率分量。 如雙絞線(xiàn)。 頻帶信道不能傳輸很低的頻率分量。 如無(wú)線(xiàn)電波。,50,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,5. 信道 信道的影響： 信道傳輸特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響。 包括幅頻特性、相頻特性、頻率偏 移、頻率擴(kuò)展和多徑時(shí)延。 進(jìn)入信道的外部加性噪聲的影響。 包括起伏噪聲、脈沖干擾、人為干 擾。,51,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,6. 同步 數(shù)字通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 發(fā)端、收端間需共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)使收端準(zhǔn)確知道每個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)同步接

21、收。 位同步（或碼元同步）、字同步,52,1.3 數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)模型,模擬通信系統(tǒng)模型,53,1.3 數(shù)字通信,1. 衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的基本因素：,有效性 可靠性,四、性能指標(biāo),54,1.3 數(shù)字通信 - 性能指標(biāo),有效性 可靠性,注意：兩者是互相矛盾的，也是可互換的。 提高有效性提高傳輸速率可靠性降低； 提高可靠性增加冗余的抗干擾編碼碼元 有效性降低。 降低有效性，以提高可靠性； 降低可靠性，以提高有效性。,55,1.3 數(shù)字通信 - 性能指標(biāo),2. 性能指標(biāo)：,（1）傳輸速率：三種定義。 碼元速率（RB）： 單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元數(shù)?！安ㄌ兀˙aud）” 信息速率（Rb）： 單位時(shí)間內(nèi)傳

22、輸?shù)男畔⒘?。“比?秒(b/s)” 消息速率（RW）： 單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)南?shù)。“字/秒”,56,1.3 數(shù)字通信 - 性能指標(biāo),（1） 傳輸速率： 信息量I： 對(duì)于二進(jìn)制系統(tǒng)而言，如果“0”和“1”等概率出現(xiàn)的話(huà)，每個(gè)碼元所含的信息量 I = 1，此時(shí)，碼元速率和信息速率在數(shù)值上相等。 對(duì)于多（M）進(jìn)制系統(tǒng)而言，每個(gè)碼元所含的信息量是I=log2 M，此時(shí)，二者的關(guān)系為Rb=RBlog2 M。,2. 性能指標(biāo)：,57,例1：,58,59,60,61,1.3 數(shù)字通信 - 性能指標(biāo),（2） 錯(cuò)誤率：三種定義。 誤碼率（Pe）： 誤比特率（Pb）： 誤字率（PW）：,62,1.3 數(shù)字通信 -

23、性能指標(biāo),（3）頻帶利用率： 單位頻帶內(nèi)所能達(dá)到的信息速率。 通常與采用的調(diào)制及編碼方式有關(guān)。 （4）能量利用率： 傳輸每一比特所需的信號(hào)能量。 該能量大小與系統(tǒng)帶寬有直接關(guān)系。 該能量與占用頻帶間可交換。,返回,63,1.4 信道,一、信道分類(lèi)（依傳輸媒體分）,1. 無(wú)線(xiàn)信道： 利用電磁波來(lái)傳播信號(hào)。 如廣播電臺(tái)、移動(dòng)電話(huà)。 2.有線(xiàn)信道： 利用人造傳輸媒體來(lái)傳輸信號(hào)。 如傳統(tǒng)的固定電話(huà)。,注意：信道中的噪聲有源干擾； 信道傳輸特性不良無(wú)源干擾。,64,無(wú)線(xiàn)信道-電磁波的頻率劃分,65,1.4 信道,二、無(wú)線(xiàn)信道 1.電磁波的發(fā)射和接收,均要用天線(xiàn) 因天線(xiàn)尺寸的要求，通信頻率都較高。 頻率使

24、用規(guī)劃和管理 國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定期召開(kāi)世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)WRC（The World Radio- communication Conference），制定頻率使用國(guó)際協(xié)議。 我國(guó)：信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線(xiàn)電管理局。,66,c=f 其中：c：波速(這是一個(gè)常量，約等于3*108m/s) 單位：m/s f：頻率(單位：Hz,1MHz=1000kHz=1*106Hz) ：波長(zhǎng)（單位：m） 天線(xiàn)的尺寸不小于電磁波波長(zhǎng)的1/10,67,1.4 信道,根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同： 地波傳播 天波傳播 視線(xiàn)傳播,二、無(wú)線(xiàn)信道 2.電磁波的傳播,68,1.4 信道,（1） 地波傳播 頻率：2MHz 以下，有一

25、定的繞射能力 繞射：電磁波沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑ニ?有的能力 通信距離：可達(dá)數(shù)百數(shù)千 km,返回,69,1.4 信道,（2）天波傳播 頻率：230MHz 電離層反射： 通信距離：?jiǎn)未慰蛇_(dá)4000km，多次可達(dá)10000km,70,1.4 信道, 電離層：60-400 km D層：高60 - 80 km E層：高100 - 120 km F層：高150 -400 km F1層：140 - 200 km F2層：250 - 400 km 晚上：D層、F1層消失； E層、F2層減弱 反射高頻電磁波的主要是F層,返回,71,1.4 信道,（3） 視線(xiàn)傳播 頻率：30MHz以上 類(lèi)似光波做視線(xiàn)傳播（將穿

26、透電離層） 天線(xiàn)高度h與傳播距離D(=2d)的關(guān)系： D 2=8rh50h （r為地球的等效半徑）,72,1.4 信道, 采用無(wú)線(xiàn)電中繼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 若天線(xiàn)架設(shè)高度為50m，則視線(xiàn)距離約為 50km。即視距傳輸距離有限，需中繼。,（3） 視線(xiàn)傳播,73,1.4 信道,轉(zhuǎn)發(fā)站（基站）： 人造衛(wèi)星：3顆靜止衛(wèi)星 （衛(wèi)星通信系統(tǒng)），目前廣泛應(yīng)用。,74,1.4 信道, 高空平臺(tái)電臺(tái)HAPS(High Altitude Platform Station) ： 250個(gè)充氦氣艇（平流層通信系統(tǒng)），很有發(fā)展前途。,75,1.4 信道, 高空飛行器間的電磁波傳播、太空中人造衛(wèi)星或宇宙飛船間的電磁波傳播，

27、都符合視線(xiàn)傳播規(guī)律，且不受或少受大氣層的影響。,電磁波在大氣層內(nèi)傳播會(huì)衰減： 頻率越高，衰減越嚴(yán)重； 且存在諧振點(diǎn)，應(yīng)避開(kāi)。,76,1.4 信道,77,1.4 信道無(wú)線(xiàn)信道,注意：目前民用無(wú)線(xiàn)電通信中，應(yīng)用最廣的是蜂窩網(wǎng)和衛(wèi)星通信。,78,1.4 信道無(wú)線(xiàn)信道,移動(dòng) 交換 中心,電話(huà) 交換 中心,蜂窩網(wǎng),79,1.4 信道,明線(xiàn) 對(duì)稱(chēng)電纜 同軸電纜,二、有線(xiàn)信道 1. 傳輸電信號(hào),80,1.4 信道有線(xiàn)信道,（1）明線(xiàn),81,1.4 信道有線(xiàn)信道,（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn),82,1.4 信道有線(xiàn)信道,（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn),83,1.4 信道有線(xiàn)信道,雙絞線(xiàn)（Twisted Pairwire）由

28、兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線(xiàn)組成，把兩根導(dǎo)線(xiàn)按一定密度互相纏繞在一起,可降低信號(hào)干擾的程度。 雙絞線(xiàn)可以分為屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）與非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）兩大類(lèi)。 其中屏蔽雙絞線(xiàn)分別有3類(lèi)和5類(lèi)二種，非屏蔽雙絞線(xiàn)又分別有3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)、超5類(lèi)四種。,（2）對(duì)稱(chēng)電纜：雙絞線(xiàn),84,1.4 信道有線(xiàn)信道,（3）同軸電纜,同軸電纜截面示意圖,雙同軸電纜及6芯接頭,85,1.4 信道有線(xiàn)信道,（3）同軸電纜,基站用射頻同軸電纜 (50同軸電纜),射頻同軸電纜,86,1.4 信道有線(xiàn)信道,解釋?zhuān)和S電纜是一種通訊電纜，電纜結(jié)構(gòu)為以實(shí)心銅體為芯外包著一層絕緣材料，這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng)外又再覆

29、蓋一層保護(hù)性材料。 常用的同軸電纜有兩類(lèi)：50和75同軸電纜。,（3）同軸電纜,87,1.4 信道有線(xiàn)信道,有線(xiàn)信道電氣特征,88,1.4 信道有線(xiàn)信道,2.傳輸光信號(hào)光纖,表面涂層,包層,芯區(qū),89,1.4 信道有線(xiàn)信道,2. 光纖,光纖結(jié)構(gòu),90,1.4 信道有線(xiàn)信道,光纖損耗,2. 光纖,91,1.4 信道,調(diào)制信道模型 編碼信道模型,四、信道模型,92,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,1.4 信道信道模型,93,1.4 信道信道模型,1. 調(diào)制信道模型, 對(duì)于單“端對(duì)”信道：,eo(t) = f ei(t) + n(t),94,1.4 信道信道模型,通常，f ei(t) 可以表示為：k(t) ei(

30、t)， 此時(shí)， eo(t) = k(t)ei(t) + n(t) 其中k(t)表示時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)的特性 ，稱(chēng)為乘性干擾。 k(t)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，反映信道的衰減、線(xiàn)性失真、非線(xiàn)性失真、延遲 等。 最簡(jiǎn)單情況：k(t) = 常數(shù)，表示衰減。 當(dāng)k(t) =常數(shù)，稱(chēng)為恒(定)參(量)信道 例如，同軸電纜 當(dāng)k(t)常數(shù)，稱(chēng)為隨(機(jī))參(量)信道 例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信信道,eo(t) = f ei(t) + n(t),95,1.4 信道信道模型,2. 編碼信道模型, 二進(jìn)制信號(hào)、無(wú)記憶信道：,其中，P(0/0), P(1/1) 正確轉(zhuǎn)移概率 P(0/1), P(1/0) 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移概率 轉(zhuǎn)移概率 決定

31、于編碼信道的特性。 且有： P(0/0) = 1 - P(1/0)；P(1/1) = 1 - P(0/1),96,1.4 信道信道模型, 四進(jìn)制編碼信道模型：,97,1.4 信道,1. 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊? 非時(shí)變線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)。其振幅-頻率特性：,五、信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?98,1.4 信道信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1. 恒參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?其相位-頻率特性：,99,1.4 信道信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?畸變的影響: 波形失真（相位失真）、碼間串?dāng)_。 線(xiàn)性失真: 頻率失真和相位失真 屬于線(xiàn)性失真 可用“線(xiàn)性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)”糾正， “均衡” 非線(xiàn)性失真:振幅特性非線(xiàn)性、頻率偏移、相位抖動(dòng) 非線(xiàn)性失真 難以消除,100,1.4 信道信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?2.變參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?（1）變參信道的共性 ： 衰落: 衰減隨時(shí)間變化； 傳輸時(shí)延:隨時(shí)間變化； 多徑效應(yīng): 快衰落。,101,快衰落:主要由于多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，由于移動(dòng)體周?chē)性S多散射、反射和折射體，引起信號(hào)的多徑傳輸，使到達(dá)的信號(hào)之間相互疊加，其合成信號(hào)幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化,102,1.4 信道信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?（2）接收信號(hào)的特性: 設(shè)發(fā)送信號(hào)為Acos 0t，則經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后的接收信號(hào)R(t)可以表示為： 式中 ri (t) 第 i 條路徑的接收信號(hào)振幅； i (t) 第 i 條路徑的傳輸