第1章 通信基礎(chǔ)-通信概論(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院)

通信概論主講：程佳佳2012.9.172/5/20231《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.1基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成（重點(diǎn)）1.3通信系統(tǒng)的分類1.4通信方式1.5信號(hào)與頻譜1.6信道與噪聲（難點(diǎn)）1.7多路復(fù)用技術(shù)1.8通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)（重點(diǎn)）第1章通信的基礎(chǔ)2/5/20232《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.1基本概念通信的定義：傳遞信息的過(guò)程就叫做通信。通信方式的演變：古代：靠手勢(shì)、動(dòng)作和表情進(jìn)行交流通信技術(shù)電子技術(shù)現(xiàn)代（信息時(shí)代）：與多種高新技術(shù)緊密結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)人工智能……2/5/20233《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.1.1通信的發(fā)展歷史1.1基本概念語(yǔ)音和文字通信階段電通信階段電子信息時(shí)代2/5/20234《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.2.1通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)的一般模型信源發(fā)送器信道接收器信宿噪聲/干擾信息產(chǎn)生的源泉.將消息轉(zhuǎn)為電信號(hào)。信息的接收者傳遞信息的通道將信源發(fā)出的信息變換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，包括調(diào)制、編碼等接收信道中的信號(hào)，并將其變換成與發(fā)送時(shí)物理形式相同的信息，如譯碼整個(gè)系統(tǒng)噪聲與干擾的總折合2/5/20235《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論消息、信息、信號(hào)有什么區(qū)別消息(Message)：傳遞或攜帶信息的實(shí)體，如語(yǔ)言、文字、數(shù)據(jù)、圖像……信息(Information)：消息中蘊(yùn)含的內(nèi)容或知識(shí)信號(hào)(Signal)：消息傳遞的形式或載體，如光、電、聲……信息寄寓于消息之中消息以信號(hào)作為載體2/5/20236《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.2.2模擬通信模擬通信系統(tǒng)框圖信源發(fā)送器信道接收器信宿噪聲調(diào)制器解調(diào)器2/5/20237《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論為什么調(diào)制？

1、頻譜搬移

2、實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用

3、提高抗干擾能力

4、便于遠(yuǎn)距離傳輸調(diào)制器解調(diào)器數(shù)字或模擬模擬信號(hào)m(t)C(t)s(t)m(t)數(shù)字或模擬m(t)—調(diào)制信號(hào)C(t)—載波s(t)

—已調(diào)波調(diào)制2/5/20238《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論解調(diào)器調(diào)制器信源信道信宿噪聲1.2.3數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)框圖信源信宿信源編碼信道編碼信源譯碼信道譯碼模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)變換(即A/D變換)形成數(shù)字序列，以適宜在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸。加入用于差錯(cuò)檢測(cè)和控制的監(jiān)督碼，以提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)同步2/5/20239《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論數(shù)字通信數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)易于保密靈活性高設(shè)備簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)便于集成1.1基本概念通信方式從模擬通信向數(shù)字通信發(fā)展是通信技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。2/5/202310《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.3通信系統(tǒng)的分類消息的分類：連續(xù)消息(模擬消息)：狀態(tài)連續(xù)變化的消息；離散消息(數(shù)字消息)：狀態(tài)變化為可數(shù)或離散型的消息。信號(hào)的分類：模擬信號(hào)：幅度連續(xù)、時(shí)間連續(xù)或不連續(xù)的信號(hào)；數(shù)字信號(hào)：幅度和時(shí)間都離散的信號(hào)。通信系統(tǒng)分類(依據(jù)傳遞消息電信號(hào))：模擬通信：通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)；數(shù)字通信：通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制或多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)f(t)數(shù)字信號(hào)f(t)tt2/5/202311《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.3通信系統(tǒng)的分類通信技術(shù)分類（按照傳輸電流或電磁波的媒介）：有線通信：利用各種導(dǎo)線作為信道來(lái)傳輸信號(hào)的通信方式無(wú)線通信：依靠自由空間來(lái)傳輸電磁波的通信方式。2/5/202312《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論通信頻率的分段各類通信使用的頻段，分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信、和光通信系統(tǒng)。λ=v/f其中v≈3.0×108m/s2/5/202313《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.4通信方式單工通信含義：在兩個(gè)通信設(shè)備間，信息只能沿著一個(gè)方向被傳輸，即在通信設(shè)備的雙方中，一方只能設(shè)置發(fā)送設(shè)備，而另一方只能為接收設(shè)備。發(fā)送站接收站信息流向例如：廣播電視傳送系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)。2/5/202314《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.4.1通信方式半雙工通信含義：在兩通信設(shè)備間的信息交換可以雙向進(jìn)行，但不能同時(shí)，即在同一時(shí)間內(nèi)僅能使信息在一個(gè)方向上傳輸。發(fā)送接收例如：對(duì)講機(jī)。接收發(fā)送信息流向信息流向2/5/202315《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.4.1通信方式全雙工通信含義：同時(shí)可在兩通信設(shè)備間進(jìn)行兩個(gè)方向上的信息傳輸。例如：電話信息流向發(fā)送接收接收發(fā)送分類：二線全雙工：利用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用或回波抵消技術(shù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙向通信；四線全雙工：發(fā)、收向信息分別使用一對(duì)導(dǎo)線。2/5/202316《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.4.2傳輸方式并行傳輸含義：數(shù)字信號(hào)以成組的方式在多個(gè)并行信道上傳輸。優(yōu)點(diǎn)：傳送速率高，發(fā)收雙方不存在字符同步問(wèn)題。缺點(diǎn)：需要多個(gè)并行信道，增加了設(shè)備成本；并行線路間的電平相互干擾會(huì)影響傳輸質(zhì)量。適用場(chǎng)合：短距離通信，如計(jì)算機(jī)內(nèi)部或在同一系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間的通信。2/5/202317《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.4.2傳輸方式串行傳輸含義：將比特流逐位在一條信道上傳送。優(yōu)點(diǎn)：只有一條信道，設(shè)備成本低，且易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：必須解決收發(fā)雙方如何保持碼組或字符同步的問(wèn)題；比并行傳輸效率低。2/5/202318《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.5信號(hào)與頻譜研究信號(hào)最直觀的方法就是觀察它的時(shí)域波形和頻域頻譜。1.5.1信號(hào)的分類1確知信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)

確知信號(hào)

可以預(yù)先知道其變化規(guī)律的信號(hào)，其在定義域的任何時(shí)刻都有確定的函數(shù)值?？梢杂脮r(shí)間函數(shù)來(lái)描述。隨機(jī)信號(hào)

為不確知信號(hào)，其在實(shí)際發(fā)生之前具有一定的不確定性。沒(méi)有確定的函數(shù)值。用概率統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述。2/5/202319《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論2.周期信號(hào)和非周期信號(hào)周期信號(hào)每隔一定的時(shí)間間隔按相同規(guī)律重復(fù)變化的信號(hào)。非周期信號(hào)是不具有重復(fù)性的信號(hào)。3.模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)是指信號(hào)參量的取值是連續(xù)的。數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的參量只可能取有限個(gè)、可數(shù)個(gè)值。2/5/202320《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論4.基帶信號(hào)和帶通信號(hào)基帶傳輸含義：將編碼信號(hào)直接在電路中傳輸。特點(diǎn)：基帶信號(hào)的頻帶從0頻到幾百M(fèi)Hz，甚至幾千MHz，要求信道有較寬（直流到高頻）的頻率特性；傳輸線路的電容對(duì)傳輸信號(hào)的波形影響很大，使傳輸距離受到限制，一般不大于2.5km；基帶傳輸方式簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用少，適用于傳輸距離不長(zhǎng)的場(chǎng)合。2/5/202321《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論頻帶傳輸（載波傳輸）含義：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可在長(zhǎng)途信道上傳輸?shù)哪M信號(hào)，再進(jìn)行傳輸。頻帶傳輸系統(tǒng)框圖數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制器信道解調(diào)器采樣判決器噪聲數(shù)字信號(hào)→模擬信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)調(diào)制與解調(diào)是頻帶傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)。2/5/202322《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.5.3時(shí)域和頻域從時(shí)域角度，描述的是信號(hào)隨時(shí)間變化的特性。從頻域特性，描述的是信號(hào)隨頻率變化的特性。1.5.4頻譜和帶寬信號(hào)頻譜是指它包含的所有頻率分量的集合，并且通過(guò)頻域圖表示。信號(hào)帶寬是指信號(hào)占有的頻率范圍，信號(hào)帶寬是信號(hào)的振幅頻譜中正頻率部分的寬度。它等于信號(hào)的最高頻分量與最低頻分量的頻率差。2/5/202323《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6信道與噪聲及其容量1.6.1信道的定義與分類1.6.2

有線信道1.6.3

無(wú)線信道1.6.4

信道噪聲1.6.5

信道容量2/5/202324《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1信道的定義

信道，通俗地說(shuō)，是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路。具體地說(shuō)，信道是指由有線或無(wú)線電線路提供的信號(hào)通路。信道的作用是傳輸信號(hào)，它提供一段頻帶讓信號(hào)通過(guò)，同時(shí)又給信號(hào)加以限制和損害。

1.6.1信道的定義及其分類2/5/202325《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論2信道的分類

信道可大體分成：狹義信道和廣義信道。

⑴.狹義信道

狹義信道是指在發(fā)端設(shè)備和收端設(shè)備中間的傳輸媒介，它包括無(wú)線信道和有線信道。無(wú)線信道利用電磁波在空間中的傳播來(lái)傳輸信號(hào)而有線信道則利用人造的用來(lái)傳到電或光信號(hào)的媒質(zhì)來(lái)傳輸信號(hào)。2/5/202326《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論⑵.廣義信道廣義信道不僅是傳輸媒質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置，這些裝置可以是發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等等。廣義信道按照它包括的功能，可以分為調(diào)制信道、編碼信道等。還可以定義其他形式的廣義信道。常把廣義信道簡(jiǎn)稱為信道。2/5/202327《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論調(diào)制信道和編碼信道調(diào)制信道用于研究調(diào)制與解調(diào)問(wèn)題是方便和恰當(dāng)?shù)?；編碼信道用于研究編碼與譯碼問(wèn)題時(shí)使問(wèn)題的分析更容易。2/5/202328《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6.2有線信道有線信道包括明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜及光纖等。2/5/202329《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論無(wú)線信道包括地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射及移動(dòng)無(wú)線電信道等。2/5/202330《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6.4信道中的噪聲噪聲信道中存在的不需要的電信號(hào)。又稱加性干擾。按噪聲來(lái)源分類人為噪聲－例：開(kāi)關(guān)火花、電臺(tái)輻射自然噪聲－例：閃電、大氣噪聲、宇宙噪聲、熱噪聲2/5/202331《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論熱噪聲來(lái)源：來(lái)自一切電阻性元器件中電子的熱運(yùn)動(dòng)。頻率范圍：均勻分布在大約0～1012Hz。熱噪聲電壓有效值： 式中 k=1.3810-23（J/K）－波茲曼常數(shù)；

T－熱力學(xué)溫度（oK）；

R－阻值（）；

B－帶寬（Hz）。性質(zhì)：高斯白噪聲2/5/202332《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論按噪聲性質(zhì)分類脈沖噪聲：是突發(fā)性地產(chǎn)生的，幅度很大，其持續(xù)時(shí)間比間隔時(shí)間短得多。其頻譜較寬。電火花就是一種典型的脈沖噪聲。窄帶噪聲：來(lái)自相鄰電臺(tái)或其他電子設(shè)備，其頻譜或頻率位置通常是確知的或可以測(cè)知的?？梢钥醋魇且环N非所需的連續(xù)的已調(diào)正弦波。起伏噪聲：包括熱噪聲、電子管內(nèi)產(chǎn)生的散彈噪聲和宇宙噪聲等。 討論噪聲對(duì)于通信系統(tǒng)的影響時(shí)，主要是考慮起伏噪聲，特別是熱噪聲的影響。2/5/202333《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論窄帶高斯噪聲帶限白噪聲：經(jīng)過(guò)接收機(jī)帶通濾波器過(guò)濾的熱噪聲窄帶高斯噪聲：由于濾波器是一種線性電路，高斯過(guò)程通過(guò)線性電路后，仍為一高斯過(guò)程，故此窄帶噪聲又稱窄帶高斯噪聲。窄帶高斯噪聲功率： 式中Pn(f)－雙邊噪聲功率譜密度,即該噪聲每Hz帶寬上的功率，Bn為等效帶寬。2/5/202334《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6.5信道容量信道容量－指信道能夠傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?/p>

一離散信道容量?jī)煞N不同的度量單位：Ct－每個(gè)符號(hào)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾礐－單位時(shí)間（秒）內(nèi)能夠傳輸?shù)钠骄畔⒘孔畲笾祪烧咧g可以互換2/5/202335《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論

二連續(xù)信道容量——香農(nóng)公式可以證明式中S－信號(hào)平均功率（W）；

N－噪聲功率（W）；

B－帶寬（Hz）。設(shè)噪聲單邊功率譜密度為n0，則N=n0B； 故上式可以改寫(xiě)成：由上式可見(jiàn)，連續(xù)信道的容量C和信道帶寬B、信號(hào)功率S及噪聲單邊功率譜密度n0三個(gè)因素有關(guān)。2/5/202336《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論關(guān)于香農(nóng)公式的幾點(diǎn)討論總結(jié)：（1）在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C即確定，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。（2）提高信噪比，可提高信道容量。（3）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。（4）增加信道帶寬，也可有限的增加信道的容量。（5）當(dāng)給定S/n0時(shí)，若帶寬B趨于無(wú)窮大，信道容量不會(huì)趨于無(wú)限大，而只是S/n0的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬B增大時(shí)，噪聲功率也隨之增大。

2/5/202337《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論【例4.6.2】已知黑白電視圖像信號(hào)每幀有30萬(wàn)個(gè)像素；每個(gè)像素有8個(gè)亮度電平；各電平獨(dú)立地以等概率出現(xiàn)；圖像每秒發(fā)送25幀。若要求接收?qǐng)D像信噪比達(dá)到30dB，試求所需傳輸帶寬。2/5/202338《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論【解】因?yàn)槊總€(gè)像素獨(dú)立地以等概率取8個(gè)亮度電平，故每個(gè)像素的信息量為

Ip=-log2(1/8)=3(b/pix)并且每幀圖像的信息量為

IF=300,0003=900,000(b/F)因?yàn)槊棵雮鬏?5幀圖像，所以要求傳輸速率為

Rb=900,00025=22,500,000=22.5106(b/s)信道的容量C必須不小于此Rb值。2/5/202339《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論將上述數(shù)值代入式：得到 22.5106=Blog2(1+1000)9.97B最后得出所需帶寬 B=(22.5106)/9.972.26(MHz)2/5/202340《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論一、定義

物理系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的傳輸與處理起擾亂作用而又不能控制的一種不需要的波形稱為噪聲。例如：在通信系統(tǒng)中由于電流和電壓的自然起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為起伏噪聲。最常見(jiàn)的噪聲有散粒噪聲和熱噪聲。1.6.4噪聲2/5/202341《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6.4信道中的噪聲★按照來(lái)源分類：人為噪聲：電火花、家用電器…自然噪聲：閃電、大氣噪聲、熱噪聲…★按照性質(zhì)分類：脈沖噪聲窄帶噪聲起伏噪聲★今后討論通信系統(tǒng)時(shí)主要涉及：

白噪聲－熱噪聲是一種典型白噪聲。2/5/202342《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論單頻噪聲/窄帶噪聲是一種頻率單一或頻譜很窄的連續(xù)波干擾。脈沖噪聲是一種在時(shí)間上無(wú)規(guī)則的突發(fā)脈沖波形。起伏噪聲是遍布在時(shí)域和頻域內(nèi)的隨機(jī)噪聲。2/5/202343《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.6.5信道容量信道容量是指信道在單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的最大信息量。信道容量的單位是比特/秒(bids或bps),即信道的最大傳信速率。一、模擬信道的信道容量模擬信道的信道容量可以根據(jù)香農(nóng)(Shannon)定律計(jì)算。香農(nóng)定律指出:在信號(hào)平均功率受限的高斯白噪聲信道中,信道的極限信息傳輸速率(信道容量)為2/5/202344《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論其中,S/N是平均信號(hào)噪聲功率比,噪聲為正態(tài)分布的加性白噪聲,B為信道帶寬,C為信道容量。該信道容量為信道容量是在一定S/N下信道能達(dá)到的最大傳信速率,實(shí)際通信系統(tǒng)的傳信速率要低于信道容量,但隨著技術(shù)進(jìn)步,可接近極限值。2/5/202345《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.7多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用：含義：用一對(duì)傳輸線傳送幾路或多路信息的方法。目的：有效地利用帶寬，提高通信的有效性。典型方式：頻分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用固定時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用2/5/202346《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論1.頻分復(fù)用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復(fù)用f原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率通道。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。適用于模擬信號(hào)傳輸

1.5.4復(fù)用方式2/5/202347《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論2.波分復(fù)用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3光譜F1F2F3共享光纖的光譜光纖2光纖3光纖1共享光纖采用無(wú)源設(shè)備，更可靠棱柱/衍射光柵原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每個(gè)用戶占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。1.5.4復(fù)用方式2/5/202348《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論3.時(shí)分復(fù)用TimeDivisionMultiplexing原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)通道（時(shí)隙），每個(gè)用戶占用一個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)。A2A1A3原始信號(hào)D2D1D3數(shù)字化信號(hào)MUX復(fù)用后數(shù)據(jù)時(shí)隙1234D3D2D1適用于數(shù)字信號(hào)傳輸

時(shí)間片1.5.4復(fù)用方式2/5/202349《現(xiàn)代通信概論》第1章通信的基本理論統(tǒng)計(jì)(異步)TDM——STDMABCD待發(fā)數(shù)據(jù)t1t2t3A1B1C1D1C2