通信原理-第1章 绪论讲解

通信原理,与本课有关的几个问题,学时数：88学时，其中76学时理论课、12学时实验课 课程性质：必修课（考试） 相关课程：高频电路、信号与系统、电磁场与电磁波 随机信号分析、信息论、移动通信、 卫星通信、高频通信、光纤通信等 教材：通信原理(第六版) 国防工业出版社 通信原理(第七版) 国防工业出版社,与本课有关的几个问题,参考书： （1）通信原理教程,冯玉珉,清华大学出版社，北京交通大学出版社 （2）通信原理学习辅导与考研指导,曹丽娜, 国防工业出版社 （3）通信系统原理,曹志刚,清华大学出版社 （4）其他教材、教学指导书及习题解答,通信原理,第1章 绪论,第1章 绪论,1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统的分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的性能指标 习题,第1章 绪论,21世纪是信息时代，通信技术占主导地位，现代社会中通信的作用是无法估量的，因此对通信系统理论的学习和研究是很必要的，本课程着重介绍信息传输基本原理，即通信理论和技术。研究对象是通信系统，研究的目的是利用尽可能小的通信资源，获得尽可能高的通信质量，研究方法是在系统级、模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。,第1章 绪论,1. 1 通信的基本概念 通信的定义：信息的传输与交换 通信的目的：传递消息中所包含的信息。 消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。 信息：是消息中包含的有效内容。 实现通信的方式和手段： 非电的：如旌旗、消息树、烽火台 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。,第1章 绪论,电信发明史 1837年：莫尔斯发明有线电报 1876年：贝尔发明有线电话 1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世 1936年：商业电视广播开播 后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。,第1章 绪论,通信网的概念：为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程, 一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。,第1章 绪论,1.2 通信系统的组成 1.2.1 通信系统的一般模型 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。一般通信系统的简化模型如下图,第1章 绪论,信息源（简称信源）：信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号。 麦克风、电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。 信源可分为模拟信源和数字信源。 模拟信源，输出的是模拟信号。 数字信源，输出离散的数字信号。,第1章 绪论,发送设备： 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。 变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。 对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。,第1章 绪论,信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。 在无线信道中，信道可以是大气，在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。 信道媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。 。,第1章 绪论,噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。 噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。,第1章 绪论,接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。 即基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。 其任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,第1章 绪论,受信者（信宿）：信宿是传输信息的归宿点。其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息，如扬声器等。,1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型 消息的分类与电信号 消息可分为:连续消息和离散消息。 连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。 离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。 消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。 消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，否则在接收端就无法复制出原来的消息。,第1章 绪论,第1章 绪论,模拟信号和数字信号 按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。 模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号、麦克风输出电压等。,第1章 绪论,模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。,(a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号,第1章 绪论,数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。 数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。 通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号,第1章 绪论,模拟通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统： 两种变换： 模拟消息 原始电信号（基带信号） 基带信号 已调信号（带通信号）,图1-4 模拟通信系统模型,第1章 绪论,模拟通信系统模型几个基本概念 信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz，图像信号为06MHz。 由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。 经过调制以后的信号称为已调信号。,第1章 绪论,模拟通信系统模型基本特征 已调信号有三个基本特征： 携带有信息 适合在信道中传输 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。 实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。 由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。,第1章 绪论,模拟通信系统模型模拟通信的主要特点 1） 抗干扰能力差 2） 不易于保密通信 3） 设备不易于大规模集成 4） 不适应飞速发展的计算机通信的要求 5） 简单、易于实现。,第1章 绪论,数字通信系统模型 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 数字通信系统模型主要技术问题 数字通信系统的技术问题主要有信源编码/译码（包括压缩/解压、加密/解密等）、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步等。 在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型信源编码与译码 作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。 码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。 作用二: 是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。 信源编码方法：PCM、ADPAM、DM等 信源译码是信源编码的逆过程。 信源编码与译码目的： 提高信息传输的有效性 完成模/数转换,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。 接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。 信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型加密与解密 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。 加密与解密目的：保证所传信息的安全,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处， 形成适合在信道中传输的频带信号。 基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。 对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。 对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型同步与数字复接 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。 按照同步的功用不同，可分为 载波同步、位同步、群同步和网同步 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致,图1-5 数字通信系统模型,第1章 绪论,数字通信系统模型模拟与数字通信的联系 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输 数字电话系统 数字信号也可以在模拟通信系统中传输 计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。,第1章 绪论,数字通信系统模型模拟与数字通信的区别 模拟通信与数字通信的区别之一在于信道中传输的信号种类不同。 模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与基带信号成比例；而在数字通信中则强调已调参量与基带信号之间的一一对应关系。 数字通信相比模拟通信的许多优点都是通过比模拟通信占据更多的系统频带宽度来换取的。,第1章 绪论,1.2.3 数字通信的特点 优点 抗干扰能力强，且噪声不积累 传输差错可控 便于处理、变换、存储 便于将来自不同信源的信号综合到一起传输 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 易于加密处理，且保密性好 缺点： 需要较大的传输带宽 对同步要求高,第1章 绪论,1.3 通信系统分类与通信方式 1.3.1 通信系统的分类 按通信业务分类： 话务通信和非话务通信。 非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 按