通信系統(tǒng)原理分解

1、1通信系統(tǒng)原理分解1、通信系統(tǒng)信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿噪聲2通信系統(tǒng)原理分解2、涉及的相關(guān)理論信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿噪聲概率論與統(tǒng)計(jì)率失真理論信源編碼密碼理論信號(hào)處理調(diào)制理論 信道編碼電磁場(chǎng)與電波傳播理論隨機(jī)過(guò)程 隨機(jī)信號(hào)信號(hào)處理解調(diào)理論 差錯(cuò)控制編碼濾波理論密碼理論信號(hào)與系統(tǒng)、電路分析、通信電子線路、同步、通信網(wǎng)3通信系統(tǒng)原理分解概念及分類4通信系統(tǒng)原理分解 通信-將含有信息的消息有效而可靠地由一地傳輸?shù)搅硪坏氐倪^(guò)程。（跨越時(shí)間和地點(diǎn)） 目的：傳輸含有信息的消息 信息：人們待知的消息。 消息：用以表達(dá)信息的某種物理形式。 信號(hào)：承載消息的某種物理形式。 對(duì)通信的要求： 可靠-盡可能

2、準(zhǔn)確無(wú)誤（接受信息的準(zhǔn)確度） 有效-盡可能多而快（給定信道內(nèi)傳輸?shù)牧浚?通信系統(tǒng)原理分解 定義1-實(shí)現(xiàn)這一變換過(guò)程的所有設(shè)備和 機(jī)構(gòu)的總體稱通信系統(tǒng)。 定義2-完成信息的傳輸和處理的基 本單元的集合稱通信系統(tǒng)。信源信宿發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備噪源6通信系統(tǒng)原理分解 模擬通信與數(shù)字通信7通信系統(tǒng)原理分解定義(模擬通信)信道傳輸模擬信號(hào)模擬信號(hào) 模型基本問(wèn)題 要求 高保真度 準(zhǔn)則 信號(hào)噪聲功率比 手段 參量估值方法模擬通信8通信系統(tǒng)原理分解定義(數(shù)字通信)信道傳輸數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模型 基本問(wèn)題 要求 正確 準(zhǔn)則 錯(cuò)誤率 手段 統(tǒng)計(jì)判決理論數(shù)字通信9通信系統(tǒng)原理分解數(shù)字通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端信 源信道

3、編碼調(diào) 制信 道壓縮編碼解 調(diào)信 宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪 聲同 步信源編碼信源解碼 數(shù)字通信系統(tǒng)模型10通信系統(tǒng)原理分解模擬通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端噪 聲調(diào) 制信 道解 調(diào)信 宿信 源11通信系統(tǒng)原理分解優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)（中繼、再生、整形） 差錯(cuò)可控制（采用糾錯(cuò)編碼） 數(shù)字信號(hào)易存儲(chǔ)及加工處理易加密（保密通信） 可綜合傳遞各種消息（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)） 信源編碼提高信道利用率（有效性） 信道編碼提高信號(hào)傳輸性能（可靠性）數(shù)字通信特點(diǎn)12通信系統(tǒng)原理分解通信的主要性能指標(biāo)13通信系統(tǒng)原理分解14通信系統(tǒng)原理分解1. 通信的有效性15通信系統(tǒng)原理分解信息及其度量 通信的任務(wù)-傳遞信息 衡

4、量標(biāo)準(zhǔn)： 有效性：給定信道內(nèi)傳輸信息內(nèi)容的多少 信 息: 消息中有意義的內(nèi)容 信息量: 度量信息內(nèi)容多少的量綱信息含義舉例： “今年冬天比去年冷” “今年冬天和去年夏天一樣熱” 后句話的信息量前句話的 可能性越小，信息量越大！ 用概率描述（概率信息量，P=0時(shí)信息量為 ）.16通信系統(tǒng)原理分解模擬通信有效性 以每秒內(nèi)傳送信息量的大小衡量。 以被傳信號(hào)的有效頻帶衡量。 以特定信道能容納的信號(hào)路數(shù)衡量。17通信系統(tǒng)原理分解數(shù)字通信有效性 碼元傳輸速率（數(shù)碼率，傳碼率）RB ： -單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元個(gè)數(shù)。單位：波特（Baut） 信息傳輸速率（傳信率） Rb ： -單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量。單位：b/

5、s（bps：比特/秒，二進(jìn)制） 多進(jìn)制信號(hào)傳輸速率 多進(jìn)制每碼元信息量1bit設(shè)數(shù)碼率RB、信息速率Rb，碼元有N種可能的符號(hào)則：18通信系統(tǒng)原理分解2. 通信的可靠性19通信系統(tǒng)原理分解模擬通信可靠性 均方誤差： 輸出信噪比（接收端解調(diào)器輸出信噪比） 均方誤差值，系統(tǒng)性能越好！r0 = 解調(diào)器輸出有用信號(hào)功率解調(diào)器輸出噪聲平均功率r0，系統(tǒng)性能越好！20通信系統(tǒng)原理分解可靠性：錯(cuò)誤率（需使用統(tǒng)計(jì)和概率） 誤比特率（誤信率） 誤碼率（誤符號(hào)率） 數(shù)字通信可靠性21通信系統(tǒng)原理分解 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性和可靠性的關(guān)系（速度質(zhì)量） 傳輸速率：碼元速率RB 波特信息速率：Rb 比特/秒對(duì)

6、M進(jìn)制：Rb = RB log2 M消息速率：RM 錯(cuò)誤率：誤碼率Pe = 錯(cuò)誤接收碼元數(shù)/傳輸碼元總數(shù)誤比特率Pb = 錯(cuò)誤接收比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù)22通信系統(tǒng)原理分解誤字率Pw = 錯(cuò)誤接收字?jǐn)?shù)/總傳輸字?jǐn)?shù)誤碼率和誤比特率的關(guān)系Pb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2誤字率和誤比特率的關(guān)系對(duì)于二進(jìn)制，若一個(gè)字由k比特組成，則Pw1 (1 Pe)k 頻帶利用率能量利用率23通信系統(tǒng)原理分解 信 道24通信系統(tǒng)原理分解 信道的定義：譯碼器輸 入發(fā)轉(zhuǎn)換器 媒 質(zhì)收轉(zhuǎn)換器 解 調(diào) 器 調(diào) 制 器（調(diào) 制） 信 道廣義（編碼）信道編碼器輸 出25通信系統(tǒng)原理分解 無(wú)線信道無(wú)線電通信的起源

7、電磁波發(fā)射對(duì)波長(zhǎng)的要求頻段（波長(zhǎng)）劃分26通信系統(tǒng)原理分解頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (kHz) 3 30 甚低頻(VLF) 遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信 (10-100 km)聲納、授時(shí) 30 300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10 km)無(wú)線電信標(biāo)300 3000 中頻(MF) 廣播、海事通信、 (100-1000m)測(cè)向、遇險(xiǎn)求救、海岸警衛(wèi)27通信系統(tǒng)原理分解頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (MHz) 3 30 高頻(HF) 遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、電話、飛機(jī) (10-100m) 與船只間通信、船岸通信、 業(yè)余無(wú)線電 30 300 甚高頻(VHF) 電視、調(diào)頻廣播

8、、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車、 警察、導(dǎo)航、飛機(jī)通信 300 3000 特高頻(UHF) 電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、 (分米波） 無(wú)線電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、 無(wú)線電高度計(jì) 28通信系統(tǒng)原理分解頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (GHz) 3 30 超高頻(HF) 衛(wèi)星通信、無(wú)線電高度計(jì)、 （厘米波） 微波鏈路、機(jī)載雷達(dá)、氣象 雷 達(dá)、公用陸地移動(dòng)通信 30 300 極高頻(VHF) 鐵路業(yè)務(wù)、雷達(dá)著陸系統(tǒng)、 （毫米波） 實(shí)驗(yàn)用 300 3000 亞毫米波 實(shí)驗(yàn)用 （0.1 1 mm）29通信系統(tǒng)原理分解頻段（波長(zhǎng)）劃分 頻率范圍 名 稱 典型

9、應(yīng)用 (THz) 43 430 紅外線 光通信系統(tǒng) (7 0.7 m) 430 750 可見(jiàn)光 光通信系統(tǒng) (0.7 0.4 m) 750 3000紫外線光通信系統(tǒng) (0.4 0.1 m)注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m, m = 10-6 m30通信系統(tǒng)原理分解對(duì)流層地球010 km電離層60300 km平流層電磁波傳播：地波、天波、視線傳播31通信系統(tǒng)原理分解地 波頻率：2MHz 以下繞射：發(fā)生在波長(zhǎng)障礙物尺寸可比時(shí)通信距離：可達(dá)數(shù)百數(shù)千 km地球32通信系統(tǒng)原理分解D層：高60 8

10、0 kmE層：高100 120 kmF層：高150 400 kmF1層：140 200 kmF2層：250 400 km晚上：D層、F1層消失E層、F2層減弱 電離層的結(jié)構(gòu)DEFF2F1地 面33通信系統(tǒng)原理分解天 波電離層高度：60 300 km單跳最大距離：4000 km多跳可以環(huán)球頻率：2 30 MHz34通信系統(tǒng)原理分解頻率： 30 MHz傳播距離: d2 + r2 =(h+r)2, 或h D2/50 (m)式中 D km視線傳播hr地面ddD35通信系統(tǒng)原理分解無(wú)線電中繼圖1.4.4 無(wú)線電中繼36通信系統(tǒng)原理分解靜止衛(wèi)星中繼通信37通信系統(tǒng)原理分解平流層中繼通信HAPS(High

11、Altitude Platform Station)38通信系統(tǒng)原理分解蜂窩網(wǎng)移動(dòng)交換中心電話交換中心39通信系統(tǒng)原理分解 有線信道明線對(duì)稱電纜同軸電纜圖1.4.8 同軸電纜截面示意圖40通信系統(tǒng)原理分解光纖結(jié)構(gòu)損耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波長(zhǎng)（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.741通信系統(tǒng)原理分解信道模型調(diào)制信道模型: 對(duì)于單“端對(duì)”信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 輸入的已調(diào)信號(hào)；eo(t) 輸出信號(hào)；n(t) 加性噪聲，它與ei(t)相互獨(dú)立。f ei(t) 與輸入有關(guān)的一個(gè)函數(shù), 表示信道對(duì)于信號(hào)的影響

12、。ei(t)eo(t)時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)42通信系統(tǒng)原理分解通常， f ei(t) 可以表示為：k(t) ei(t)， 此時(shí)， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t)其中k(t)表示時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)的特性 ，稱為乘性干擾。 k(t) 一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，反映信道的衰減、線性失真、非線性失真、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)，稱為恒(定)參(量)信道例如，同軸電纜當(dāng)k(t)常數(shù)，稱為隨(機(jī))參(量)信道例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信信道43通信系統(tǒng)原理分解信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞銋⑿诺? 非時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)振幅頻率特性f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音頻電話信道特性44通信系統(tǒng)原理分解相位頻率特性:理想特性: 相位 () = k ; 群遲延 () =