通信原理Chap-1-緒論

1、通信原理通信原理 principles of communication元秀華華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室/ 光學(xué)與電子信息學(xué)院 緒論Introduction一、通信的目的及任務(wù) 交流、交換信息，傳遞信息。 克服距離障礙，迅速、準(zhǔn)確的傳遞信息 圍繞上述任務(wù)，通信技術(shù)經(jīng)歷了相當(dāng)長時(shí)期的發(fā)展全雙工 點(diǎn)對點(diǎn)光無線通信大氣空間地面地面 通信鏈路二、通信技術(shù)的發(fā)展與演變第一階段：語言、人力、馬力；第二階段：文字發(fā)明、郵政；第三階段： 印刷術(shù)發(fā)明；第四階段： 電話、電報(bào)第五階段： 信息時(shí)代，現(xiàn)代通信。 古老的通信方式烽火書信（快 馬），中繼 方式驛站。 現(xiàn)代通信 模擬通信：1877年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明電話

2、 數(shù)字通信：1836年，莫爾斯發(fā)明電報(bào)通信發(fā)展過程簡史1838 摩爾斯發(fā)明有線電報(bào)1864 麥克斯韋提出電磁輻射方程 1876 貝爾發(fā)明電話 1896 馬可尼發(fā)明無線電報(bào) 1906 發(fā)明真空管 1918 調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機(jī)問世 1925 開始采用三路明線載波電話、多路通信 1936 調(diào)頻無線電廣播開播 1937 發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理 1938 電視廣播開播19401945 二次大戰(zhàn)刺激了雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展 通信發(fā)展簡史1948 發(fā)明晶體管，香農(nóng)提出了信息論， 通信統(tǒng)計(jì)理論開始建立 。1950 時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話1956 敷設(shè)了越洋電線 1957 發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星1958

3、發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星1960 發(fā)明激光1961 發(fā)明集成電路通信發(fā)展簡史1962 發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星；脈沖編碼調(diào)制 進(jìn)入實(shí)用階段19601970 彩色電視問世；阿波羅宇宙飛船登 月；數(shù)字傳輸?shù)睦頊S和技術(shù)得到了迅 速發(fā)展1970 1980 出現(xiàn)高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電 路、商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光 纖通信系統(tǒng)、微處理機(jī)等迅速發(fā)展；1980 超大規(guī)模集成電路、長波長光纖通信系統(tǒng)廣 泛應(yīng)用；綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起。星星通信 星地通信。主要傳輸技術(shù)及發(fā)展的趨勢 電纜，SSB/FDM，13200話路，6路電視 微波中繼， SSB/FDM，6000路，可敷設(shè)電纜無法到達(dá)的地方 光纖通信，百萬

4、路以上/每纖芯 衛(wèi)星通信，國際衛(wèi)星組織數(shù)十萬條話路，80100洲際衛(wèi)星用于遠(yuǎn)距離電視傳送，技術(shù)：模擬，F(xiàn)DMA； 移動通信，集有線、無線于一體，數(shù)字化、微型化。我國是最大的市場。通信和經(jīng)濟(jì)的關(guān)系沒有現(xiàn)代通信，就沒有經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展 我國的通信事業(yè)和設(shè)施需要跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐，更需要趕上現(xiàn)代化發(fā)展速度！一、通信系統(tǒng)的組成 通信的目的是傳送消息（信息）。 消息不能直接傳輸，需要借助相應(yīng)的設(shè)備變換為適合通信信道傳輸?shù)男盘枴?所有完成信息變換及信息傳輸?shù)脑O(shè)備的全體（有機(jī)組合）構(gòu)成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)。 1、通信系統(tǒng)的基本認(rèn)識 2、通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)由信號源信號源、發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備、信道信道、接收設(shè)備

5、接收設(shè)備和受信者受信者組成，見圖1。信號源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者發(fā)送端噪聲源接收端圖1 點(diǎn)對點(diǎn) 通信系統(tǒng)的模型 其中，噪聲是信道或設(shè)備產(chǎn)生的一種隨機(jī)信號，在任何通信系統(tǒng)中，不可避免。3、通信過程是一個(gè)隨機(jī)過程。信號是隨機(jī)信號。信號源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者發(fā)送端噪聲源接收端二、通信系統(tǒng)特征 1、模擬通信系統(tǒng) 模擬通信系統(tǒng)信號特征：信號連續(xù)。需要兩種變換： a :連續(xù)消息原始電信號連續(xù)消息 b: 原始電信號具有低頻分量，不宜直接傳輸，需要調(diào)制變換， 模擬通信系統(tǒng)特點(diǎn)： 處理時(shí)間連續(xù)信號，容易實(shí)現(xiàn)，主要缺點(diǎn)是易受干擾，對信道要求較高，難以實(shí)現(xiàn)大容量和超高速的信號傳輸。 模擬通信系統(tǒng)組成：如圖

6、。明確系統(tǒng)任務(wù)信號源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源 模擬通信系統(tǒng)模型完成信號變換完成信號反變換調(diào)制器的作用：將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d到載波上， 并將信號變換為適合信道傳輸形式。發(fā)射機(jī)接收機(jī)光通信系統(tǒng)光接收機(jī)光 源傳輸介質(zhì)光調(diào)制器 對于任何一個(gè)光通信系統(tǒng)，基本部分由下面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。直接調(diào)制光 纖自由空間大 氣信號源光通信系統(tǒng)光源光纖線路光探測器基帶處理解調(diào)電信號光調(diào)制器基帶處理調(diào)制電信號基帶電信號基帶電信號已調(diào)光信號光學(xué)天線光學(xué)天線自由空間關(guān)于傳輸?shù)膸讉€(gè)基本概念： 基帶信號：原始電信號，調(diào)制信號 頻帶信號：基帶信號經(jīng)調(diào)制變換、成為已調(diào)信號 載波：高頻等幅度信號或其它形式信號（如脈 沖信號等） 相互關(guān)

7、系： 調(diào)制信號（基帶信號）載波參量已調(diào)信號（頻帶信號）調(diào)制過程示意圖基帶信號載波信號已調(diào)信號(AM)調(diào)幅（AM）正弦:AM:FM:PM:信號調(diào)制過程Amplitude ModulationFrequency ModulationPhase Modulation數(shù)字通信系統(tǒng)Digital communication system2、數(shù)字通信系統(tǒng) 數(shù)字信號的特征：信號取值離散（時(shí)間離 散、幅度量化） 數(shù)字通信系統(tǒng)的特點(diǎn)：1）抗干擾能力強(qiáng)；2）便于加密；3）便于糾錯(cuò)；4）能運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)；5）可綜合傳遞各種消息，通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)。 數(shù)字通信系統(tǒng)組成：見圖3。數(shù)字復(fù)接信息源加密器編碼器調(diào)制器

8、信道解調(diào)器譯碼器解密器受信者圖3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型噪聲源發(fā)端同步收端同步數(shù)字分接接收機(jī)發(fā)射機(jī)信息源基帶信號形成器 信 道接收濾波器受信者噪聲源數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)發(fā)射接收接收濾波器基帶信號恢復(fù) 數(shù)字通信的特殊技術(shù)（1）差錯(cuò)控制通過編碼實(shí)現(xiàn)，因而發(fā)送端需要編碼器，接收端需要解碼器；（2）需要保密時(shí)，發(fā)送端需加密，接收端則需要解密；（3）發(fā)送端按節(jié)拍傳送數(shù)字信號單元（碼元），接收端須按同樣節(jié)拍接收，即要求嚴(yán)格“同步”。同步：有兩種同步，“碼元同步”或“位同步”；“碼組同步”或“群同步”、“幀同步”。三、通信系統(tǒng)分類 分類方法：1、按消息物理特征分類，可分：電報(bào)通信系統(tǒng)；電話通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；圖象

9、通信系統(tǒng)等。2、按調(diào)制方式分類，有基帶傳輸；頻帶傳輸。3、按信號特征分類，有模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。4、按傳輸介質(zhì)分，可分為有線和無線通信系統(tǒng)。5、按信號復(fù)用方式分類，可分為：頻分復(fù)用；時(shí)分復(fù)用；碼分復(fù)用。 通信方式點(diǎn)對點(diǎn)通信：單工通信，消息只能單向傳輸（遙測、遙控）；半雙工通信，雙方能收、發(fā)，但不能同時(shí)收發(fā)（對講機(jī)等）；全雙工通信，雙方能同時(shí)收發(fā)（電話等）。數(shù)字通信中，還有串序傳輸、并序傳輸。幾種通信方式示意圖，見圖4。 發(fā)端 信道 收端 （a） 發(fā)端 收端 信道 發(fā)端 收端 （b） 發(fā)端 發(fā)端 收端 收端 信道 信道（c） 圖4 通信方式示意圖（a）單工通信 （ b）半雙工通信 （c）

10、全 雙工通信 發(fā)送 設(shè)備 接收 設(shè)備101（a）串序通信 發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備（b）并序傳輸 圖5 串序與并序傳輸方式激光器調(diào)制驅(qū)動基帶信號形成光學(xué)天線自由空間光學(xué)天線光電探測信號解調(diào)ATM、EthenetSDH光學(xué)濾波光學(xué)濾波ATM、EthenetSDH自適應(yīng)光學(xué)其它介質(zhì)信號跟蹤信號跟蹤多路復(fù)用解復(fù)用FSO系統(tǒng)組成原理自適應(yīng)光學(xué)四、信息及其度量 通信的目的在于傳遞信息。信息可理解為消息中有意義的內(nèi)容。 不同形式的消息，可以包含相同的信息。消息多種多樣，而度量信息量的方法，應(yīng)對任何消息適用，和消息種類無關(guān)。 消息中所含信息量的多少，和消息描述的事件發(fā)生的概率p(x)有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越大，包含的

11、信息量I越少，反之，事件出現(xiàn)的概率越小，所含信息量則越大。 即 II(p(x) 信息量表示1( )log( )I xp x 由 n個(gè)獨(dú)立事件構(gòu)成的聯(lián)合事件X對應(yīng)的信息量I(X)應(yīng)為n個(gè)單個(gè)事件信息量的和，即12()( )( )nI XIxIIx而聯(lián)合事件對應(yīng)的概率為12()( )( )( )nP Xpxpxpx只有對數(shù)函數(shù)可以滿足上述關(guān)系，因此，若設(shè)事件X發(fā)生的概率為p(x)，則對應(yīng)的信息量為哈特萊提出：信息量的單位)( 12log2/1/1 log22bitI)(2log/1/1 log22bitkMIk若傳送M進(jìn)制波形，且M=2k，則I=k(bit)。即對數(shù)的底a=2時(shí)，單位為比特（bit

12、）；對數(shù)的底a=e時(shí)，單位為奈特（nit）對數(shù)的底a=10時(shí)，單位為哈特萊。定義：傳送兩個(gè)等概的二進(jìn)制波形之一的信息量為1，單位為“比特”1log( )NiiiInP x 1( )( )log( )NiiiiH xP xP x 消息很長時(shí)，計(jì)算麻煩！上式稱為信源的熵！ 對于一串符號構(gòu)成的消息，設(shè)有N個(gè)符號，每個(gè)符號出現(xiàn)n次，則有 若第i個(gè)符號出現(xiàn)的概率是 P(xi) ，可采用離散信源的平均信息量計(jì)算，即二進(jìn)制和多進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸率的關(guān)系 設(shè)二進(jìn)制和多進(jìn)制的碼元速率分別為：RB2 RBN ，則2log(/ )bBRRNbit sRb：信息速率。 RB：碼元速率22log( )BBNRRNB 對于N進(jìn)

13、制，其信息速率和碼元速率的關(guān)系為Ts02Ts3Tstt1碼的說明二進(jìn)制代碼二進(jìn)制信號 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0四進(jìn)制代碼四進(jìn)制信號 1 -1 3 -3 1Ts2Ts2:二進(jìn)制代碼寬度Ts4Ts4:四進(jìn)制代碼寬度Ts4=2Ts2 RB4=RB2/2電平信號碼元的圖示說明1、 理解不同進(jìn)制間碼元速率和信息速率 之間的關(guān)系；2、 多進(jìn)制的碼元速率和信息速率之間的 關(guān)系。注意五、通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、影響性能指標(biāo)的因素 有效性（消息傳輸速度）、可靠性（通信質(zhì)量）、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用等。2、模擬通信系統(tǒng)的性能 傳輸速度。主要決定于消息所含的信息量和對連續(xù)消息（信息源）的處理。

14、消息傳輸速度可用單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量衡量。 均方誤差，衡量發(fā)送的模擬信號與接收端 恢復(fù)的模擬信號之間的誤差程度。 誤差由傳輸過程中疊加在信號上的噪聲和信道傳輸特性不理想產(chǎn)生。 信噪比S/N3、數(shù)字通信系統(tǒng)的性能 傳輸速率（1）碼元傳輸速率或傳碼率，定義為單位時(shí)間內(nèi) 傳送碼元的數(shù)目，單位為“波特”。（2）信息傳送速率或傳信率，定義為每秒時(shí)間內(nèi) 傳送的信息量。單位為“比特”。 在二進(jìn)制情形，碼元速率和信息速率在數(shù)值 上相等。 差錯(cuò)率（1）誤碼率：錯(cuò)誤接收的碼元占傳送總碼元數(shù)的比例；（2）誤信率：錯(cuò)誤接收信息量占發(fā)送總信息量的比例。點(diǎn)對點(diǎn)通信 多路點(diǎn)對點(diǎn)通信復(fù)用技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)通信學(xué)習(xí)的總體目的要求： 掌握