【大學課件】通信技術 通信原理

1、1通信原理第第1章章 緒論緒論（、）2復習復習-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)送設備發(fā)送設備接收設備接收設備通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型3復習復習-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 通信技術的

2、發(fā)展與信息社會通信技術的發(fā)展與信息社會 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)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n1.6 信道信道主要內容主要內容51.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n通信系統(tǒng)性能指標涉及要素通信系統(tǒng)性能指標涉及要素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（帶寬和時間）；資源（帶寬和時間）；n可靠性：通信傳輸質量；可靠性：通信傳輸質量；n適應性：使用的環(huán)境條件；適應性：使用的環(huán)境條件；n經濟性：系統(tǒng)的成本；經濟性：系統(tǒng)的成本；n標準

3、性；標準性；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?，有效性和可靠性是矛盾的主要方面。主要方面?1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n模擬通信系統(tǒng)的性能指標模擬通信系統(tǒng)的性能指標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：可靠性指標：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)的性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標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、能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n 碼元傳輸速率碼元傳輸速率 (RB) 又叫符號速率，它表示又叫符號速率，它表示單位時間單位時間( (每秒每秒) )內內傳輸?shù)拇a元傳輸?shù)拇a元( (符號符號) )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、調制速率。形速率、調制速率。例：某數(shù)字通信系統(tǒng)例：某數(shù)字通信系統(tǒng)2s內傳送內傳送3600個碼元，個碼元， 其碼元速率為其碼元速率為1800B。81.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n碼元寬度或碼元周期碼元寬度或碼元周期TB相鄰

5、兩個碼元發(fā)送的時間間隔相鄰兩個碼元發(fā)送的時間間隔 TB=1/RBn信息傳輸速率信息傳輸速率(Rb) 又叫信息速率，它表示單位時間又叫信息速率，它表示單位時間(每秒每秒)內傳內傳送數(shù)據信息的比特數(shù)。其單位為比特送數(shù)據信息的比特數(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系：信息傳輸速率與碼元速率的關系： 若采用若采用N進制傳輸，則信息速率與碼元速率進制傳輸，則信息速率與碼元速率之間的關系為之間的關系為: Rb=RBlog2N （b/s）91.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標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內輸出內輸出36003600個碼元，個碼元， 采用采用4 4進制傳輸，則信息速率為進制傳輸，則信息速率為2400bps.2400bps.101.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n 誤碼率誤碼率 在傳輸過程中錯誤接收的碼元數(shù)與傳輸?shù)脑趥鬏斶^程中錯誤接收的碼元數(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） 在傳輸過程中錯誤接收的比特數(shù)與傳輸?shù)脑趥鬏斶^程中錯誤接收的比特數(shù)與傳輸?shù)目偙忍財?shù)之比?？偙忍財?shù)

7、之比。bbblimbNnPN傳輸?shù)目偙忍財?shù)錯誤比特數(shù) 對于二進制數(shù)字通信系統(tǒng)，對于二進制數(shù)字通信系統(tǒng)，ebPP 11第第1章章 緒論緒論n1.1 通信技術與信息社會通信技術與信息社會 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)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n1.6 信道信道主要內容主要內容121.6 信道信道n信道的定義：信道的定義： 以傳輸媒介為基礎的信號通道以傳輸媒介為基礎的信號通道n狹義信道狹義信道的定義和分類：的定義和分類：n僅指信號傳輸媒介的信道稱為狹義信道；僅指信號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 包含有關的包含有關的“轉換器轉換器” ，如天線，調制器、，如天線，調制器、解調器等。解調器等。131.6 信道信道n廣義信道的分類廣義信道的分類n調制信道：從調制器的輸出端到解調器的輸入端調制信道：從調制器的輸出端到解調器的輸入端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制信道調制信道編碼信道編碼信道傳傳輸輸媒媒介介發(fā)發(fā)轉轉換換器器收收轉轉換換器器譯譯碼碼器器編編碼碼器器調調制制器器解解調調器器數(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、對稱電纜（雙絞線）對稱電纜（雙絞線）對稱電纜結構圖對稱電纜結構圖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構圖同軸電纜結構圖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入光信號入光信號出光信號出光纖外層光纖外層光纖內層光纖內層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：良導體、地面彎曲等地面：良導體、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；形同波導；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，十字型天線，各長臺，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，天線各長臺，天線各長45公里，公里，150A； 1986年，年，WTF/MTF臺正式投入使用，共指揮臺正式投入使用，共指揮161艘潛艇。艘潛艇。美國超長波對潛通信系統(tǒng)美國超長波對潛通信系統(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：電離層隨機擾動、多徑效應。主要特點：電離層

12、隨機擾動、多徑效應。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系距離之間的關系ABCh1h2R12 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對流層散射對流層散射對流層散射區(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陸地移動信道陸地移動信道1 1）傳播衰減：移動信道中自由空間傳播損耗）傳播衰減：移動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 移動信道的傳播路徑和平滑表面反射移動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。或多次反射所形成的信道。n電離層離地面電離層離地面60600km。當頻率范圍為。當頻率范圍為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，由于折射現(xiàn)象會頻）無線電波射入電離層時，由于折射現(xiàn)象會使電波發(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調制信道的主要特性調制信道的主要特性n有一對或多對輸入端，必然有一對或多對輸有一對或多對輸入端，必然有一對或多對輸出端；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信號通過信道需要經過一定的延時；信號通過信道需要經過一定的延時；n信道對信號有損耗（固定或時變損耗）；信道對信號有損耗（固定或時變損耗）；n即使沒有信號輸入，接收端仍有信號輸出即使沒有信號輸入，接收端仍有信號輸出（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 信道對信號的影響：信道對信號的影響： 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 二對端的調制信道模型：二對端的調制信道模型： ( )( )( )( )oie tk t e tn t把把f( )設想成一個信號與干擾相乘的形式設想成一個信號與干擾相乘的形式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、時間包含的因素：線性失真、非線性失真、時間延遲以及衰減等；延遲以及衰減等；n隨時間變化的特性；隨時間變化的特性；n

17、調制信道的分類調制信道的分類n恒參信道：恒參信道：k(t)不隨時間變化或變化極為緩不隨時間變化或變化極為緩慢；有線信道通?？梢钥闯珊銋⑿诺?。慢；有線信道通常可以看成恒參信道。n隨參信道：隨參信道：k(t)隨時間隨時間t隨機變化；移動無隨機變化；移動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）加性噪聲線性時變?yōu)V波信道模型）加性噪聲線性時變?yōu)V波信道模型+信道( )s t( )n t( )( )( ; )( )r ts thtn t( ; )ht線性時變?yōu)V波器371.6 信道信道n編碼信道編碼信道包括調制器、解調器和傳輸媒介包括調制器、解調器和傳輸媒介n調制信道使調制信號發(fā)生波形變化調制信道使調制信號發(fā)生波形變化n編碼信道對信號的影響是數(shù)字序列的變換編碼信道對信號的影響是數(shù)字序列的變換n與調制信道的關系與調制信道的關系n解調發(fā)生的差錯解調發(fā)生的差錯n編碼信道模型編碼信道模型n采用數(shù)字信號的轉移概率來描述采用數(shù)字信號的轉移概率來描述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并具有下列關系：錯誤轉移概率：；正確轉移概率：稱為信道轉移概率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傳：是指信道中信息能夠無差錯傳輸?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)討論的是調制信道調制信道（或稱波形（或稱波形信道，它是指從發(fā)射機調制器輸出端到接信道，它是指從發(fā)射機調制器輸出端到接收機解調器輸入端之

20、間的信道）的信道容收機解調器輸入端之間的信道）的信道容量。量。401.6 信道信道n香農公式香農公式 對于帶寬有限，平均功率有限的高斯白噪對于帶寬有限，平均功率有限的高斯白噪聲連續(xù)信道，設信道帶寬為聲連續(xù)信道，設信道帶寬為B (Hz)，信道輸出，信道輸出信號功率為信號功率為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每幀有例：已知黑白電視圖像信號每幀有3030萬個像素，萬個像素，每個像素有每個像素有8 8個亮度電平，各電平獨立等概出現(xiàn)，個亮度電平，各電平獨立等概出現(xiàn)，圖像每秒發(fā)送圖像每秒發(fā)送2525幀，若要求接收圖像信噪比達到幀，若要求接收圖像信噪比達到30dB，求所需最小帶寬。，求所需最小帶寬。n解：首先計算每個像素的信息量：