通信原理0.ppt

*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,信息传输原理,1,第一章 概论,1.1,通信的发展,古代通信的起源,两类通信方式,近代通信的发展,通信-信息传输的狭义概念,2,1.2,消息、信息和信号,消息：语音、文字、图形、图像,信息：消息的有效内容,不同消息可有相同内容,信号：传输消息的手段（媒介）,通信系统中传输的是信号,3,信息的度量：,*制定度量方法考虑的原则,货 物消 息,货运量信息量,有多种有多种,和种类无关 和类型无关,和贵重程度 和重要程度,无关 无关,总量是单件 总量是单件独立,货运量之和消息的信息量之和,4,*制定度量信息的方法,#,消息,“,量,”,信息量,#,例：,“明天降雨量将有一毫米”,-,信息量小,“明天降雨量将达到一米”,-,信息量大,“明日太阳将从东方升起”,-,信息量零,#,信息量,I=I P(x)，P(x)-,发生概率,#,定义：,I=,log,a,1/P(x)=-,log,a,P,(x),#,通常取,a=2,此时单位为,“,比特,”,。,#,对于一个等概率、二进制码元：,I=log,2,1/P(x)=log,2,1/(1/2)=1,比特,5,#,对于一个等概率、,M,进制码元：,I=log,2,1/P(x)=log,2,1/(1/M),=log,2,M,比特,若,M=2,k,，,则,I=k,比特,6,1.3,数字,信息传输,1.3.1,基本概念,两类信号,模拟信号：取值连续，例如语音,数字信号：取值离散，例如数据,7,模拟信号与数字信号,模拟信号,数字信号,t,t,t,t,码元,8,两类信息传输系统,模拟信息传输系统,要求 高保真度,准则 信号噪声功率（电压）比,手段 参量估值方法,数字信息传输系统,要求 正确,准则 错误率,手段 统计判决理论,9,1.3.2,数字,信息传输,的优点,取值有限，能正确接收。,(,a),失真的数字信号,(,b),恢复的数字信号,数字信号波形的失真和恢复,10,可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。,可采用高保密性能的数字加密技术。,可综合传输各种模拟和数字输入信号,易于设计、制造，体积小、重量轻。,可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。,信噪比随带宽按指数规律增长。,11,数字通信系统模型,发送端,接收端,信 源,信道编码,调 制,信 道,压缩编码,解 调,信 宿,保密解码,信道解码,压缩解码,保密编码,噪 声,同 步,信源编码,信源解码,1.3.3,数字信息传输系统模型,12,模拟通信系统模型,发送端,接收端,噪 声,调 制,信 道,解 调,信 宿,信 源,13,1.3.4,数字信息传输系统的主要性能指标,有效性和可靠性的关系（速度质量）,传输速率：,码元速率,R,B,波特,信息速率：,R,b,比特,/,秒,对,M,进制：,R,b,=R,B,log,2,M,消息速率：,R,M,错误率：,误码率,P,e,=,错误接收码元数,/,传输码元总数,误比特率,P,b,=,错误接收比特数,/,传输总比特数,14,误字率,P,w,=,错误接收字数,/,总传输字数,误码率和误比特率的关系,P,b,=,P,e,x M/2(M-1),P,e,/2,误字率和误比特率的关系,对于二进制，,若一个字由,k,比特组成，则,P,w,1 (1,P,e,),k,频带利用率,能量利用率,15,1.4,信 道,1.4.0,信道的定义：,译码器,输 入,发转换器,媒 质,收转换器,解 调 器,调 制 器,（调 制）信 道,广义（编码）信道,编码器,输 出,16,1.4.1,无线信道,无线电通信的起源,电磁波发射对波长的要求,频段（波长）划分,17,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(,kHz),3 30,甚低频,(,VLF),远程导航、水下通信,(10-100,km),声纳、授时,30 300,低频,(,LF),导航、水下通信,(1-10,km),无线电信标,300 3000,中频,(,MF),广播、海事通信、,(100-1000,m),测向、遇险求救、海岸警卫,18,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(,MHz),3 30,高频,(,HF),远程广播、电报、电话、飞机,(10-100,m),与船只间通信、船岸通信、业余无线电,30 300,甚高频,(,VHF),电视、调频广播、陆地交通、,(,米波）空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信,300 3000,特高频,(,UHF),电视、蜂窝网、微波链路、,(,分米波）无线电探空仪、导航、卫星 通信、,GPS、,监视雷达、,无线电高度计,19,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(,GHz),3 30,超高频,(,HF),卫星通信、无线电高度计、,（厘米波）,微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信,30 300,极高频,(,VHF),铁路业务、雷达着陆系统、,（毫米波）,实验用,300 3000,亚毫米波,实验用,（,0.1 1,mm）,20,频段（波长）划分,频率范围 名 称 典型应用,(,THz),43 430,红外线,光通信系统,(7 0.7,m),430 750,可见光 光通信系统,(0.7 0.4,m),750 3000,紫外线光通信系统,(0.4 0.1,m),注：,kHz=10,3,Hz,MHz=10,6,Hz,GHz=10,9,Hz,THz=10,12,Hz,mm=10,-3,m,m=10,-6,m,21,对流层,地球,010 km,电离层,60300 km,平流层,电磁波传播：地波、天波、视线传播,22,地 波,频率：,2,MHz,以下,绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时,传输距离：可达数百数千,km,地球,23,D,层：高,60 80,km,E,层：高,100 120,km,F,层：高,150 400,km,F,1,层：,140 200,km,F,2,层：,250 400,km,晚上：,D,层、,F,1,层消失,E,层、,F,2,层减弱,电离层的结构,D,E,F,F,2,F,1,地 面,24,天 波,电离层高度：,60,300,km,单跳最大距离：,4000,km,多跳可以环球,频率：,2,30,MHz,25,频率：,30,MHz,传播距离,:,d,2,+r,2,=(h+r),2,或,h,D,2,/50 (m),式中,D km,视线传播,h,r,地面,d,d,D,26,无线电中继,图,1.4.4,无线电中继,27,静止卫星中继传输,28,平流层中继传输,HAPS(High Altitude Platform Station),29,频率,(,GHz),(a),氧气和水蒸气（浓度,7.5,g/m,3,）,的衰减,频率,(,GHz),(b),降雨的衰减,衰减,(,dB/km,),衰减,(,dB/km,),水蒸气,氧气,降雨率,图,1.4.5,大气衰减,大气对电磁波传播的影响,30,散射通信,电离层散射,频率,:30 60,MHz,对流层散射,频率,:100 4000,MHz,流星余迹散射,频率,:30 100,MHz,图,1.4.6,对流层散射通信,地球,有效散射区域,地球,图,1.4.7,流星余迹散射通信,31,蜂窝网,移动,交换,中心,电话,交换,中心,32,1.4.2,有线信道,明线,对称电缆,同轴电缆,图,1.4.8,同轴电缆截面示意图,33,有线电信道电气特性,信道类型,通话容量（路）,频率范围,(,kHz),传输距离,(,km),明线,1+3,0.3,27,300,明线,1+3+12,0.3,150,120,对称电缆,24,12,108,35,对称电缆,60,12,252,12,18,小同轴电缆,300,60,1 300,8,小同轴电缆,960,60,4 100,4,中同轴电缆,1 800,300,9 000,6,中同轴电缆,2 700,300,12 000,4.5,中同轴电缆,10 800,300,60 000,1.5,34,光纤,结构,损耗,n,1,n,2,折射率,折射率,n,1,n,2,2,a,光波波长（,nm,）,1.55,m,1.31,m,0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.7,35,1.4.3,信道模型,调制信道模型,:,对于单,“,端对,”,信道,e,o,(,t,)=,f,e,i,(,t,)+,n,(,t,),式中,e,i,(,t,),输入的已调信号；,e,o,(,t,),输出信号；,n,(,t,),加性噪声，它与,e,i,(,t,),相互独立。,f,e,i,(,t,),与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,e,i,(,t,),e,o,(,t,),时变线性,网络,36,编码信道模型,:,二进制信号、无记忆信道，,其中，,P,(0/0),P,(1/1),正确转移概率,P,(0/1),P,(1/0),错误转移概率,转移概率,决定于编码信道的特性,P,(0/0)=1-,P,(1/0),P,(1/1)=1-,P,(0/1),0,1,1,0,P,(0/0),P,(0/1),P,(1/1),P,(1/0),37,四进制,0,1,2,3,3,2,1,0,接收端,发送端,38,1.5,信道中的噪声,按照来源分类：,人为噪声：电火花、家用电器,自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声,按照性质分类：,脉冲噪声,窄带噪声,起伏噪声,今后讨论信息传输系统时主要涉及：,白噪声 热噪声是一种典型白噪声。,39,