复旦大学：《通信原理（A）》PPT教学课件_2016_01 第一章 绪论

通信原理讲义 前言 ■通信是指从一点到另一点的信息( nformation)或消息 ( message)传输 ■古代:驿站,信鸽,击鼓,烽火台 第一章绪论 ■现代社会:电报,电话,广播,电视, Internet,3G等 ■本课程涉及的通信:以电信号( electrical signals)为消息传 递的物质载体 远距离传输一可以进行星际间通信 ■卫星通信,月球,火星探测 口电磁波的传播速度一光速 口可靠,经济 m Teleconferring, teleshopping, telebanking zhuyu@fudan.edu.cn k手 通信原理 11通信系统的组成 12模拟通信模型和数字通信模型 ■信源消息分类 ■实现信息传递所需的一切技术设备和传输 口连续消息:如气温,气压,语音波形 媒质的总称 口离散消息:如文字,符号, Morse-coded数据 信号( signal ■消息的传递通过电信号实现 信道 接收机 ■把消息寄托在电信号的某一个参量 mitter Channel Receiver Destination 口连续波的幅度,频率或相位 消忠( message) 口脉冲波的幅度,宽度或位置 畸变、噪声 Distortion and noise 通信原理 後照大季 通信原理 後k手哪

通信原理讲义 zhuyu@fudan.edu.cn 第一章 绪 论 通信原理 2 前言 ◼ 通信是指从一点到另一点的信息 (information) 或消息 (message) 传输 ◼ 古代: 驿站, 信鸽, 击鼓, 烽火台 ◼ 现代社会: 电报, 电话, 广播, 电视, Internet, 3G等 ◼ 本课程涉及的通信: 以电信号 (electrical signals) 为消息传 递的物质载体  远距离传输－可以进行星际间通信 ◼ 卫星通信, 月球, 火星探测  电磁波的传播速度－光速  可靠, 经济 ◼ Teleconferring, teleshopping, telebanking 1.1通信系统的组成 ◼ 实现信息传递所需的一切技术设备和传输 媒质的总称 信源 Information source 信道 Channel 接收机 Receiver 信宿 Destination 畸变、噪声 Distortion and Noise 发送机 Transmitter 消息(message) 信号(signal) 1.2 模拟通信模型和数字通信模型 ◼ 信源消息分类 连续消息: 如气温, 气压, 语音波形 离散消息: 如文字, 符号, Morse-coded数据 ◼ 消息的传递通过电信号实现 ◼ 把消息寄托在电信号的某一个参量 连续波的幅度, 频率或相位 脉冲波的幅度, 宽度或位置 通信原理 4 通信原理 5

1.2模拟通信模型和数字通信模型 121模拟信号与模拟通信系统 Analog Communications 模拟信号:取值连续或取无穷多个值,且直接与消息对应 to information content Fidelity is usually defined in terms of Digital Communications 模拟通信系统的基本组成 nformation is from a digital source or Signal is made up of discrete symbols Information 解调器 ected from a finite set (e. g, binary Modulator Homare erm Destination 一时几L「L making a bit error Distortion 通信原理 通信原理 信号调制( modulation) CP1.2.1 122数字信号与数字通信系统 数字信号:信号参量有限个值,常常不直接与消息相对应 ■基带信号在很多场合不 适合在信道中传输 用基带信号改变高频载 波的某参数,进行传输 数字通信系统的基本组成 ■实现远距离传输 信源编码 数字调制 Source 口天线的大小与波长有关 sOurCe 口频率越高,天线尺寸越小 ■同时传输多路信号 ( multiplexing) 巴 数字解调 通信原理 後照大手 通信原理 後照k季D

通信原理 6 1.2模拟通信模型和数字通信模型 通信原理 7 1.2.1 模拟信号与模拟通信系统 模拟信号：取值连续或取无穷多个值, 且直接与消息对应 模拟通信系统的基本组成 信源 Information source 信道 Channel 解调器 Demodulator 信宿 Destination 调制器 Modulator 畸变、噪声 Distortion and Noise 信号调制 (modulation) ◼ 基带信号在很多场合不 适合在信道中传输 ◼ 用基带信号改变高频载 波的某参数, 进行传输 ◼ 实现远距离传输  天线的大小与波长有关  频率越高, 天线尺寸越小 ◼ 同时传输多路信号 (multiplexing) CP 1.2.1 数字通信系统的基本组成 1.2.2 数字信号与数字通信系统 数字信号: 信号参量有限个值, 常常不直接与消息相对应 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 信源 Information source 信源编码 Source encoder 数字调制 Digital Modulator 信道 Channel 信道编码 Channel encoder 信宿 Destination 信源解码 Source decoder 数字解调 Digital Demodulator 信道解码 Channel decoder Distortion & Noise 畸 变 、 噪 声 通信原理 8 通信原理 9

数字通信中的主要技术 P1.22 数字通信的主要特点 21.22 ■信源编码与译码 ■抗干扰能力强,如再生中继器(〔 generative 加密与解密 repeater) 信道编码与译码 ■差错可控,易于集成化,易于加密等 数字调制与解调 ■通常比模拟通信占据更多的带宽,同步要求高 同步技术 ■数字复接技术 通信原理 後照k季的 通信原理 123AD转换 Analog-to-digital conversion) 化后采样点的传输 c123 模拟信号到数字信号的转换 ■每个采样点取L值中的一个 口模拟信号的采样,采样定理 ■需要有L个相互区别的波形 口量化( Quantization),量化误差 ■让接收端知道该采样点是在L个区间里的哪一个 4 A2 42 △v=2m 通信原理 後照大季 通信原理 13三人手隐

通信原理 10 数字通信中的主要技术 ◼ 信源编码与译码 ◼ 加密与解密 ◼ 信道编码与译码 ◼ 数字调制与解调 ◼ 同步技术 ◼ 数字复接技术 CP 1.2.2 通信原理 11 数字通信的主要特点 ◼ 抗干扰能力强, 如再生中继器 (regenerative repeater) ◼ 差错可控, 易于集成化, 易于加密等 ◼ 通常比模拟通信占据更多的带宽, 同步要求高 CP 1.2.2 1.2.3 A/D 转换 (Analog-to-digital conversion) ◼ 模拟信号到数字信号的转换 模拟信号的采样, 采样定理 量化 (Quantization), 量化误差 mp −mp v = 2mp L 量化后采样点的传输 ◼ 每个采样点取 L 值中的一个 ◼ 需要有 L 个相互区别的波形 ◼ 让接收端知道该采样点是在L 个区间里的哪一个   7 A2 5A 2 3A 2 A 2 − A2 −3A 2 −5A 2 −7 A2 L =8 CP 1.2.3 通信原理 12 通信原理 13

另一种传输方法 P1.23 13通信系统中的资源、性能指标 ■决定通信传输速率和质量的两个基本参数 7A21000 -A2100 口信道带宽, Channel bandwidth B 5A2001 3A2101 口信号功率, Signal power S 3A2010 5A2110 ■什么是好的通信系统? A2011 7A2111 口低的信号功率( measured in Watts or d Bw 口小的信道带宽( measured in hert 口高数据速率( measured in bits/sec) 口低失真 measured in snr or bit error rate) 口低成本,低复杂度 ■实际系统中,需要根据需要,客观条件等来平衡各 种性能指标 通信原理 通信原理 信道带宽与传输有效性 CP1.3 信号功率与传输可靠性 ■模拟系统可以用有效传输频带来刻画 ■增加信号功率可以对抗噪声的影响,提高传输质量 例如不同调制方式下基带带宽与传输带宽之比」 口发送功率与传输可靠性之间的折衷 □模拟系统的可靠性(保真度, Fidelity!y)用输出信 数字系统——频带利用率 噪比来度量 Rb (bit/sec/Hz) 口数字系统用差错率来度量 误包率(PER, packet error rate) 在同一调制方式下,传输速率与信道带宽成正比 误符号率(SER, symbol error rate) 个信道带宽为B的信道可以每秒传N个脉冲符 ■误比特率(BER, bit error rate) 号( pulses),那么若传输速率增加到每秒KN的脉 冲符号,信道带宽需要增加KB 通信原理 後照大手 通信原理 後k手哪

通信原理 14 另一种传输方法   A 2 − A 2 7A/2 000 -A/2 100 5A/2 001 -3A/2 101 3A/2 010 -5A/2 110 A/2 011 -7A/2 111 CP 1.2.3 通信原理 15 1.3 通信系统中的资源、性能指标 ◼ 决定通信传输速率和质量的两个基本参数 信道带宽, Channel bandwidth B 信号功率, Signal power S ◼ 什么是好的通信系统? 低的信号功率(measured in Watts or dBW) 小的信道带宽(measured in Hertz) 高数据速率(measured in bits/sec) 低失真(measured in SNR or bit error rate) 低成本, 低复杂度 ◼ 实际系统中, 需要根据需要, 客观条件等来平衡各 种性能指标. 信道带宽与传输有效性 ◼ 模拟系统可以用有效传输频带来刻画 ◼ 数字系统——频带利用率  = Rb (bit/sec/Hz) CP 1.3 例如不同调制方式下基带带宽与传输带宽之比 B 在同一调制方式下，传输速率与信道带宽成正比 一个信道带宽为 B 的信道可以每秒传 N 个脉冲符 号 (pulses), 那么若传输速率增加到每秒 KN 的脉 冲符号, 信道带宽需要增加 KB . 信号功率与传输可靠性 ◼ 增加信号功率可以对抗噪声的影响,提高传输质量 发送功率与传输可靠性之间的折衷 模拟系统的可靠性 (保真度, Fidelity) 用输出信 噪比来度量 数字系统用差错率来度量 ◼误包率 ( PER, packet error rate ) ◼误符号率 ( SER, symbol error rate ) ◼误比特率 ( BER, bit error rate ) CP 1.3 通信原理 16 通信原理 17

误比特率示例 实现信道带宽与信号功率间互换 ■模拟系统中 口如FM,可以用增加带宽来降低发射功率的损耗, 同时保证一定的输出信噪比要求 数字系统中 口在保持传输速率不变的情况下,可以增加S,获 取B的降低 口也可以增加B,获得S的减少 SNR与B互换的理论上界SNR≡SNRB En/No (cB) ■实际系统中,通常以增加带宽来降低发送功率 通信原理 通信原理 带宽与容量 CP1.3 14通信系统的分类与通信方式 ■带宽受限系统与功率受限系统 ■141通信系统的分类 口带宽受限—电话信道(3kHz带 口按通信业务分类 口功率受限一空间通信 口按调制方式分类 口按信号特征分类 ■数字通信系统的容量—香农公式 口按传输媒质分类 C=Blog(1+snr) bit/s 口按工作波段分类 口C定义为可靠传输(错误率任意趋近于O)情况 下的最大每秒传输的信息比特数 通信原理 後照大季 通信原理 後k手哪

误比特率示例 通信原理 18 Eb N0 -4 -3 -2 -1 通信原理 19 ◼ 模拟系统中 如FM, 可以用增加带宽来降低发射功率的损耗, 同时保证一定的输出信噪比要求. ◼ 数字系统中 在保持传输速率不变的情况下, 可以增加 S , 获 取 B 的降低; 也可以增加 B , 获得 S 的减少 实现信道带宽与信号功率间互换 SNR与 B 互换的理论上界 SNR  SNRB1 B2 2 1 ◼ 实际系统中, 通常以增加带宽来降低发送功率 CP 1.3 带宽与容量 ◼ 带宽受限系统与功率受限系统 带宽受限—电话信道 (3 kHz带宽) 功率受限—空间通信  C 定义为可靠传输 (错误率任意趋近于 0) 情况 下的最大每秒传输的信息比特数. bit/s ◼ 数字通信系统的容量——香农公式 C = B log2 (1+SNR) CP 1.3 1.4通信系统的分类与通信方式 ◼ 1.4.1 通信系统的分类 按通信业务分类 按调制方式分类 按信号特征分类 按传输媒质分类 按工作波段分类 通信原理 20 通信原理 21

频谱划分 P14.1 142通信方式 典型用途 ■消息传递方向和时间关系分 Simplex 30K~300KH 口单工( simplex):广播、电视 Broadcast radio or T\ 300K-3M10-10 中波调幅广播(054-16M起 3M-3010-1m短波广播 OUT [30M-30010mMF电视调频广播(8-108M七 300M~3GH 视,GFS,蜂窝通信,微波 星 口半双工( half-duplex):使用同一载频的对讲机 30G-300c01-1cmBF雷达 300-3T01-1m Transmitter Recelver Intomation ouT 307um arR瀲光 07-04 inVisible激光 Infonnation OUT Receiver Information IN 通信原理 通信原理 後k季 全双工 CP142 小结 ■通信系统的基本组成 口全双工( full-duplex:电话,手机 ■模拟信号与模拟通信系统 Receiver ■数字信号与数字通信系统 ■模拟信号经采样,量化转换成数字信号 nformation OUTReceiver TransmitterLInformnation IN ■通信系统的两个关键参数 信道带宽与信号功率 ■通信系统中的 tradeoff ■按数字信号排列顺序分为 口并行 口信道带宽与传输有效性 口串行 口信号功率与传输可靠性 口信号功率与信道带宽 通信原理 後照大季 通信原理 23後k手

通信原理 22 频谱划分 频率范围 波长 符号 典型用途 30K ~ 300KHz 103~104 m LF 导航 300K ~ 3MHz 102~103 m MF 中波调幅广播（0.54 ~ 1.6 MHz） 3M ~ 30MHz 10~102 m HF 短波广播 30M ~ 300MHz 1~10 m VHF 电视，调频广播（88 ~ 108MHz） 300M ~ 3GHz 0.1~1m UHF 电视，GPS，蜂窝通信，微波 3G ~ 30GHz 1~10cm SHF 雷达，卫星 30G ~ 300 GHz 0.1~1cm EHF 雷达 300G ~ 3 THz 0.1~1mm 7~3um Mid IR 3~0.7um Near IR 激光 0.7~0.4um Visible light 激光 CP 1.4.1 通信原理 23 1.4.2 通信方式 ◼ 消息传递方向和时间关系分 单工(simplex)：广播、电视 半双工(half-duplex)：使用同一载频的对讲机 全双工 全双工(full-duplex)：电话，手机 ◼ 按数字信号排列顺序分为 并行 串行 CP 1.4.2 小结 ◼ 通信系统的基本组成 ◼ 模拟信号与模拟通信系统 ◼ 数字信号与数字通信系统 ◼ 模拟信号经采样, 量化转换成数字信号 ◼ 通信系统的两个关键参数 信道带宽与信号功率 ◼ 通信系统中的tradeoff 信道带宽与传输有效性 信号功率与传输可靠性 信号功率与信道带宽 通信原理 24 通信原理 25