1、通 信 原 理,教材： 通信原理(第六版)，樊昌信，国防工业出版社，2010,参考书： 通信原理(第五版)，樊昌信，国防工业出版社，2004 现代通信原理，沈保琐，国防工业出版社 现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社 通信系统工程（第二版）（英文版），John G. Proakis, 电子工业出版社,第一章 绪 论,主要内容： 通信系统的基本概念及模型 通信网的基本概念 通信系统的技术指标,重点： 通信系统模型 通信系统的任务 评价通信系统的主要性能指标,1.1 引言,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 主要性能指标,1.6 通信的发展动态,
2、信道,交 换 机,电话网结构示意图: 为用户 （subscriber）,构成网的基本要素： （硬件） 终端设备（Terminal Equipment） 传输链路(Transfer link) 交换设备(Switching Equipment),交 换 机,终端,终端,噪声,局间传输,局内传输,局内传输,1.1 引 言,1.1.1 基本概念,1、通信: 完成信息的转换和传输。,2、电信: 利用有线电、无线电、光和其他电磁系统，对消息、情 报、指令、文字、图像、声音或任何性质的消息进行传输。,3、通信系统（Communication System）：以电信号作为信息转换和传输的系统。它只能为两个用
3、户之间提供单方向的信息传递。（点对点的单向传输）,4、通信网（Communication Network）：多用户通信系统互联的通信体系。（多点中的任意两点间的双向传输）包括电信网， CATV网，计算机网，移动通信 网，广播电视网等,5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型，网型,6、网的组成: 以电话网(Telephony network)为例 框图,7、通信的发展 原始通信 烽火台、书信和旗语 1835 莫尔斯电码 1837 莫尔斯电磁式电报机 1866 利用大西洋海底电缆实现越洋电报通信 1876 贝尔发明电话 1896 马可尼发明无线电报 1918 调幅无线电广播、超外差接收机问世 1
4、936 调频无线电广播开播 1937 发明脉冲编码调制原理 1938 电视广播开播 19401945 二战刺激雷达和微波通信系统的发展 1948 发明晶体管，香农提出信息论，通信统计理论开始 建立 1950 时分多路通信应用于电话 1957 发射第一颗人造卫星,1958 发射第一颗通信卫星 1960 发明激光(Laser) 1961 发明集成电路 1962 发射第一颗同步通信卫星；脉冲编码调制进入实用阶段 19601970 彩色电视问世，阿波罗宇宙飞船登月，数字传输的理论和技术得 到了迅速发展，出现了高速数字电子计算机 19701980 大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系
5、统、微处理机等迅速发展 1980以后 超大规模集成电路、长波长光纤通信系统广泛应用，促进微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信和计算机通信等各种现代通 信系统的竞相发展,通信的最终目标：任何时间、任何地点能实现与任何人进行任何形式的信息交换全球个人通信,通信系统总模型：,各处的噪声之和,信号源,发送设备,信 道,接收设备,受信者,噪声源,发送端,接收端,模拟系统框图：,信号源,调制器,解调器,受信者,信 道,基 带 信 号,频 带 信 号,频带信号,基带信号,数字系统框图：,信道编码,噪 声 源,信 息 源,调 制 器,信 道,受 信 者,信源译码,解 调 器,注：缺省同步(synchroni
6、zation)系统。,加密,信源编码,解密,信道译码,1.2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统（Communication system）模型（总模型）,描述点对点的通信 框图,数字通信的突出特点：1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。2）需要保密时可对基带信号人为“扰乱”加密、解密，在信源编 码单元实现。3）由于传输中是按节拍一个一个的传送脉冲单元信号，称之为码元。收发必须同步同步控制包括：码元同步、帧同步、群同步等。,常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统,数字通信的优点：1)数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声(Noise)
7、的积累2)传输差错可以控制,从而改善了传输质量3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理4)数字信息易于作高保密性的加密处理5)数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强,其优点的实现是用占据更宽的系统频带(Band)而换得的。在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。,数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同,1.3 通信系统的分类及通信方式,1、 按消息的物理特征分类（业务不同） 如电报、电话、数据、图像通信系统，其传送的消息类型各不相同,2 、 按调制方式分类根据是否采用了调制，分为基带传输和频带传输针对频带传输信号而言（P6 表11）,信号数字：PCM 、 M 等 脉冲数字
8、调制,AM、DSB、SSB、VSB,FM、PM,模拟调制,信号数字：ASK、FSK、PSK、DPSK 数字调制,信号模拟,信号模拟：PAM、PDM、PPM 脉冲模拟调制,正弦波调制,脉冲调制,两大类,1.3.1 通信系统分类,3 按信号特征分类最常用分为模拟与数字通信系统两大类,5 按传输媒介分类最常用分为有线（包括光纤: optical）与无线(radio),6 按信号复用方式分类（多路通信）,频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围(频谱搬移) (Frequency Division Multiplex),时分复用：不同的信号占据不同的时间区间（抽样或脉冲调制） (Time Divisio
9、n Multiplex),码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息 (Code Division Multiplex),4 按工作波段分类 长波通信、中波通信、短波通信、远红外通信等。（P7 表1-2）,1.3.2 通信方式,半双工(half-duplex ) ：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时收发。如无线对讲机,单工(simplex )：单方向传输（一点发、一点收）。如遥控,全双工(duplex )：通信双方（两点）能同时收发信号。如电话,点对点通信，按消息传送的方向和时间关系,串序(serial )传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输,它占用一条通路。适合远距离,并序传输
10、(parallel )：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近 距离,数字通信中，按数字信号码元排列方法不同,实际通信系统，分为专线和网通信专线通信：专门为两点直接设立传输线的通信，也称点对点通信网通信： 多点间的通信，以点对点通信为基础,1.4 信息及其度量,1.4.1 信息的描述,信息：消息中包含的有意义的内容 传输信息的多少用信息量（information content）衡量,对由若干个相互独立事件构成消息，有：I p(x1 ) p(x2 ) =I p(x1 ) + I p(x2 ) + （2 ）,即消息所含信息量等于各独立事件信息量之和所以 I 与 P(x ) 间的关系必满足（
11、1）、（2 ）,1.4.2 离散信息的度量,1、等概率,1） 设有二进制，等概率出现的离散消息0， 1 消息 p (x1 )=p (x2 )= 1/2,定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为 1 bit,2） 对M进制，等概率出现的离散消息0，1，2 , , M-1 消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M,若M是2的整数次幂，M=2K,则 该式表明：M进制的每一波形所包含的信息量，恰好是二进制每一波形包含信息量的K倍。,2、非等概率,设消息由 n 个相互独立的符号组成，称为符号集,每个符号包含的信息量均不相等 所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量,每个符号包含的信息量
12、为：,例子,定义信息源的熵 H(X ) 反映统计平均值,1.4.3 连续消息的信息量用概率密度来描述 f (x),注意：不同离散信息源可能有不同的熵值，我们期望熵值越大越好 当每一符号等概（P(X)=1/n）时，信息源的熵值最大，,解：方法一：,因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为I = I/57=108/57=1.89（bit/符号）,方法二：,总,总,1.5 主要性能指标,接续质量：迅速性 传输质量：清晰度 稳定质量：可靠性 涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用 有效性的具体体现是消息传输的速度，可靠性则是体现质量问题,有效传输带宽：信号占据的有效频带宽度
13、,1.5.1 模拟系统性能指标：有效传输带宽和信噪比（或信息量和均方误差）,信噪比：信号平均功率和噪声平均功率的比值,信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的能力。,均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度,误差形式：1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起 2）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。目前，我们仅研究加性干扰产生的误差，均方误差指标将转化为信噪比(SNR：Signal Noise Ratio)。,1.5.2 数字通信系统性能指标：传输速率(频带利用率)和差错率,数字信号的描述：二进制：0、1 两个状态N 进制：0、1、2 N-1 N个状态,码元的概念：在二进制中，用相
14、同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间隔称为码元长度。在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。同理 N 进制的每个码元时间上也等长。,进制之间的相互转换关系：例：N = 4 表示4 进制的每个状态可用2 位二进制状态描述； 若为小数，则取大于此值的第一个整数。,推广,1）传输速率 ：码元传输速率。又称码元速率或传码率(code rate)定义：每秒钟传送码元的数目。单位：波特 B,不同进制的码元速率转换关系已知 N 进制信号（ ），码元速率为 ，单位：符号/秒 若将其转化为二进制信号，码元速率为 ，单位：波特则,例：2 1 0 3 1 2 0 四进制10 01 0
15、0 11 01 10 00 二进制四进制方式传输的码元速率：二进制方式传输的码元速率：,2）频带利用率 :定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即,3）差错率：误码率、误信率(error rate)误码率 ：码元在传输系统中被传错的概率。即接收的错误码元数在传送总码元数中所占的比例误信率 ：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。即接收中丢失信息量在传送信息总量中所占的比例一般，在二进制系统中：在多进制（M2）系统中：,例子,推广：,信息传输速率 ：又称信息速率或传信率(information rate),定义:每秒钟传送的信息量。 单位:比特/秒 或 bit/s 或 bps二进制 （bit/s
16、）N 进制 （bit/s）,八进制： 每秒传送1200个码元， 每个码元等概情况,则：,例： 二进制： 每秒钟传送1200个码元，每个码元具有 1 bit信息 所以：,每个码元具有的信息量,例：,一个4进制的信息： 3 0 2 1 0 2 1 经信道传输后，发生误码 2 1 2 3 0 1 2 其误码率：,用比特表示：11 00 10 01 00 10 0110 01 10 11 00 01 10,则误比特率：,验证了多进制系统中：,1.6 通信的发展动态,一、电话网的发展 网络能力：建成了以光缆为主，微波、卫星综合利用，固定电话、移动通信、 多媒体通信多网并存的大容量、高速度、安全可靠的电信
17、网 先进技术：SDH（10Gb/s），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用）光交换技术、全光网二、移动通信第一代：AMPS、TACS、NMT模拟第二代：GSM (Global System for Mobile)、IS-95 CDMA、PDC数字第三代：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA,3G关键技术,智能技术(Intelligent Technology) 同步技术 新的高效信源编码和信道编译码技术 越区切换技术(handover) RAKE接收技术 功率控制技术(Power control),三、计算机互联网（Internet） 网络宽带化 增加骨干网带宽 IP over
18、ATM(IP Over Asynchronous Transfer Mode) IP over SDH/SONET (Synchronous Optical Network) Internet接入速率提高,2、协议不断改进IPV4 IPV6,3、应用与电信业务结合发展（1）Internet与电话结合Internet电话（2） Internet与传真结合Internet传真（3） Internet与电子商务结合Internet电子商务（4） Internet与寻呼系统结合Internet寻呼（5） Internet与会议电视结合Internet会议电视,四、三网融合三网：电信网、有线电视网、计算机网三网融合的技术基础：数字技术、光通信技术、软件技术、TCP/IP协议,
