通信原理_第一章概述讲解

通信原理,哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 通信工程系 郭黎利 guolili,Communication Theory,学时数： 48学时，其中40学时理论课、8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 哈尔滨工程大学出版社,与本课有关的几个问题,参考书： 樊昌信等编著通信原理国防工业出版社 南利平编著通信原理简明教程清华大学出版社 罗新民等译数字与模拟通信系统电子工业出版社 其他教材、教学指导书及习题解答 基本要求：,与本课有关的几个问题,课程目的和任务： 本课程通过讲述通信基本模型、通信信道、模拟通信系统、数字基带传输系统、数字频带传输系统、同步等内容，使学生了解各种通信系统的基本组成，掌握通信系统的基础理论和工作原理。希望学生通过学习，具有进行现代通信技术研究、开发和通信工程设计与调测能力。本课程以讲授数字通信为主，并通过实践环节提高学生的实际操作能力。,与本课有关的几个问题,第一章 绪论,引言 通信系统的组成 通信系统的分类与通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标 小结,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信 这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。 我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信。 现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式,目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。,近代深空通信的一个成功范例,美国宇航局2005年1月12日发射了用来探测彗星的“深度撞击”号探测器，它的目标是“坦普尔一号”彗星的彗核。 “深度撞击”发射了一发“炮弹”于7月4日与彗星TEMPEL1在距地球1.32亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约74分钟）。,海上舰船通信,海上舰船通信,对空通信、卫星通信 编队通信、对岸通信 对潜通信（水声） 通信侦察、通信对抗 内部通信（语音、数据、图像） 甲板话音通信,通信的目的：传递消息 通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等 实现通信的方式：声、光、电、磁等,1.1 引言,通信的定义：通信就是消息的传递。（当今通信概念中也包含了通信 信号的形成、变换、检测、处理、识别等）,通信的发展简史,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段： 第一阶段 语言 第二阶段 文字、邮政 第三阶段 印刷术、出版物 第四阶段 电报、电话、广播 第五阶段 通信与计算机的结合、网络,最早的电通信设想,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,最早的有线电报,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。,莫尔斯发出第一封 电报设备的复制品,最早的有线电话,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。 1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,贝尔获得电话 的专利证书,电磁波的发现,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,最早的无线通信,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,波波夫实验用的无线电接收机,人类首次远距离无线电通信,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。 1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。 1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。 1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计描述。,1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。,1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。 著名的香农公式：,C 信道容量 B 信号带宽 S/N 信号与噪声的功率之比,1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。 1958年，发明了集成电路。 1964年，电子电话交换机投入使用。 1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。,1976年，出现个人计算机。 1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。 1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。 1985年，传真机（FAX）广泛使用。 1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。 1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。 2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。,我国通信的历史,1871年，英国、俄罗斯、丹麦敷设的香港至上海、长崎至上海的水线，全长2237海里。于1871年4月，违反清政府不得登陆的规定，由丹麦大北电报公司出面，秘密从海上将海缆引出，沿扬子江、黄浦江敷设到上海市内登陆，并在南京路12号设立报房。于1871年6月3日开始通报。这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海租界设立的电报局。 1875年，福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报。1875年在福建船政学堂附设了电报学堂，培训电报技术人员。这是中国第一所电报学堂。,我国通信的历史,1899年，我国最早使用无线电通信的地区是广州。早在1899年，就在广州督署、马口、前山、威远等要塞以及广海、宝壁、龙骧、江大、江巩等江防军舰上设立无线电机。 1908年，英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线电台，与海上船舶通报。后由清政府收买，移装到上海电报总局内，这是上海地区最早的无线电台。 1921年1月7日，中国加入国际电报公约,我国通信的历史,1933年,中国电报通信首次使用打字电报机 1950年12月12日，我国第一条有线国际电话电路-北京至莫斯科的电话电路开通。经由苏联转接通往东欧各国的国际电话电路也陆续开通。 1958年，上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机 ，第一套国产明线12路载波电话机研制成功 1970年，我国第一颗人造卫星（东方红1号）发射成功。,我国通信的历史,1984年5月1日，广州用150MHz频段开通了我国第一个数字寻呼系统。程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用。首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机（HJ09型）研制成功。 1987年11月，广州开通了我国第一个移动电话局，首批用户有700个。 -我国第一个160人工信息台在上海投入使用。 1993年9月19日,我国第一个数字移动电话通信网于在浙江省嘉兴市首先开通。 1998年5月15日，北京电信长城CDMA网商用试验网-133网，在北京、上海、广州、西安投入试验。,一、通信系统模型,1.2 通信系统的组成,基站（MBS),移动用户（MSS),信息源：把需要传输的消息转换为原始电信号； 发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中传输，发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道； 接收设备：接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信息； 噪声源：是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。,各 部 分 功 能,1、消息的分类 连续消息（模拟消息）：是指消息的状态是连续的，如连续变化的语音、图象等；,二、模拟通信与数字通信系统模型,离散消息（数字消息）：是指消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数据等。,与消息的分类相对应，通信系统也分为两类： 模拟通信系统 数字通信系统 这是以信道传输信号的差异为标准的进行的分类，模拟信号和数字信号通常都要通过调制形成模拟调制信号和数字信号，以适应信道的传输特性。,2、通信系统的分类,通信系 统分类,3、通信系统模型 模拟通信系统模型, 调制/解调器的作用：频谱搬移,数字通信系统模型, 一般数字通信系统的收端要有同步的功能,按消息的物理特征分类,1.3通信系统的分类与通信方式,一、通信系统的分类, 随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都 可以在统一的综合业务通信网中传送。,连续波调制,按调制方式分类,脉冲调制,按信号特征分类,按传输媒介分类,按信号复用方式分类,点对点之间的通信，如常用的电话、对讲机等； 点对面的通信，如广播、电视等； 网络中用户间的通信，如计算机网、电话交换网络等。,二、通信方式, 本课程中主要讨论点对点之间的通信， 因为这是其他通信方式的基础。,网络通信,单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式，如广播、遥控等； 半双工通信：指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发，只能分时工作，如使用同一载频工作的无线电对讲机； 全双工通信：指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，如普通电话。,点对点之间的通信又可分为：,串序传输：是将数字信号码元序列按时间顺序一个一个地在信道中传输；,串序传输与并序传输,并序传输：是将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。,一、概念 信息：在概念上与消息的意义相似，但它的含义更抽象化。信息可以理解为消息中包含有意义的容。 信息量：是评价传输信息多少的一种度量。,1.4信息及其度量,1、度量 设消息中所含的信息量为I，消息出现的概率为 ，则它们之间的关系为,二、信息的度量,其中对数底a决定信息量的单位，若a=2，I的单位为比特（bit）；若a=e，I的单位为奈特（nit）；若a=10，I的单位为十进制单位。 2、若干个独立事件构成的消息，总信息量就是若干个独立事件的信息量的总和。,M=2时，且两种状态出现的概率相等（等概率），即 ，则信息量为 M2时，即M个状态等概率出现， ，则信息量为 如果M是2的幂次，即 ，则,3、等概率出现的离散消息的度量,设离散消息源是一个有n个符号组成的集合 ，符 号集中的每一个符号 在消息中是按一定概率 独立出现的 ，设符号集中各符号出现的概率为 ，并且有,4、非等概率情况下的离散消息的度量,则 所包含的信