1、第1章 绪 论,1.1 早期的运动通信运动通信 用人力、驿马、信鸽等传送信件驿站传递文书人员中途暂息和住宿的地方信鸽,1,1.2 早期的光通信烽火台信号墙,表1.2.1 波利比奥斯用的希腊字母编码表 左 墙123451ABE2ZHIK右墙3MNO4PTr5X,2,臂板信号装置窗光信号系统旗语灯塔日光反射信号机,3,1.3 早期的声通信战鼓铜钲,4,1.4 通信的范畴 新华词典通信：通过某种媒体将信息由一处传送到另一处的过程。现代汉语词典通信：用书信或声、光、电等媒质传送消息。人们之间面对面地直接交流消息，不属于通信范畴。Communicaton：还包括人和人之间的直接消息交流。除语言外，还有：
2、手势、触觉、表情、眼神等,5,1.5 通信工程与通信工程教育通信工程专业的诞生过程通信工程专业培养人才的方向通信工程专业学习的课程1.6 小结,6,第2章 早期电通信,2.1 静 电 电 报2.1.1 静电的发现和检测毛皮摩擦琥珀实验静电信号通信系统的原型 木髓球信号系统2.1.2 静电电报第一个实用的静电电报系统 12.8千米架空电报线路2.2 电磁电报的肇始伏打电池的发明意大利物理学家伏特发明的电流磁效应的发现丹麦科学家奥斯特发现的检流计的发明德国物理学家施温格发明的检流计用于通信法国物理学家安培发明的磁力电报美国科学家亨利发明的,7,2.3 指针电报机1838年由威特斯通和库克建立的5针
3、电报系统 由2根指针的指向决定发送的字母图中：第1和4根指针决定了发送的字母是“V”,8,2.4.1 莫尔斯电报机1838年1月11日莫尔斯在美国新泽西州沿3千米线路发送了第一封电报。当时的设备并不实用。后来韦尔做了很大改进，制出了实用的系统。用点和划直接对字符编码，就是后来被广泛应用的莫尔斯电码。2.4.2 莫尔斯电码的国际标准电码由“点”和“划”组成为提高通信效率，按照字母出现的概率设计电码。,2.4 莫尔斯电报机和莫尔斯电码,9,表2.4.2 英文中各字母出现的概率“E”的出现概率最大，所以只用一个“点”表示它。,10,2.4.3 用莫尔斯电码发送汉字每个汉字用4位阿拉伯数字编码为了尽量
4、节省，设计了汉字代码（代字）。例如，在电报中常用到的日期，就把月和日缩写为代字。表2.4.3 汉字电报中使用的日期代字例如，1935年9月6日，张伯苓致电南京教育部部长王世杰，电报全文：“为小站学田事，鱼抵京，虞晨晋谒”。电文中“鱼”表示“6日”、“虞”表示“7日”。,1日2日3日4日5日6日7日8日东冬江支歌鱼虞齐9日10日11日12日13日14日15日16日佳灰真文元寒删铣17日18日19日20日21日22日23日24日筱巧皓号马养漾敬25日26日27日28日29日30日31日有宥感俭艳卅世,11,2.4.4 莫尔斯电码的应用1844年莫尔斯第一次成功地在64千米的实验线路上演示了这种电报
5、通信。用听觉也可以接收莫尔斯电码。目前在业余无线电等领域仍然在使用。,12,2.5 印 字 电 报1846年，豪斯发明了印字电报。他在一条电线的两端连接上一个具有28个电键的键盘，每个键表示一个字母。当按下一个键时在接收端就印出对应的字母。它类似后来发明的菊花字轮打印机：它每分钟能发送40个字，但是很难批量制造。,13,2.6 波多电报机1874年法国工程师波多发明的波多码和波多机能够把信号自动翻译成印刷字符。波多机主要包括3部分：键盘、分配器和纸带。波多电报系统开始在法国使用，后来推广到其他国家，,14,2.7 电传打字机1906年，由克鲁姆开发出可以实用的电传打字机。1910年，摩可拉姆公
6、司制造出第一个商用电传打字机系统，并安装在波士顿和纽约市之间的邮政电报公司的线路上。下图示出上世纪七八十年代用的33型电传打字机（带凿孔纸带阅读器和凿孔器，并可用作为计算机终端）。优点：不需要两个电报员，只需要一个打字员可以利用凿孔纸带保存报文可以和计算机连接,15,2.8 电话通信的发明2.8.1 电话机的发明1876年3月7日，美国人贝尔申请的电话装置发明专利获得批准。初期的电话机称作磁石电话机：壁挂式、台式,16,2.8.2 电话交换机的发明利用交换机可以减少线路数量人工交换机：由话务员将线路进行人工连接在有了交换机之后，用户的电话机可以由交换机供电，磁石电话机改进成为共电式电话机，去掉
7、了笨重的手摇磁石发电机和干电池。,17,2.9 有线电话通信的发展自动电话交换机：1889年美国人史端乔发明步进制自动电话交换机。这时在共电式电话机中，增加了一个拨号盘。随着电话号码位数不断增加，拨号费时太长，电话机改进为双音多频按键键盘电话机。1970年代出现的程控电话交换机体积小、可靠性高，并且运行安静，是目前广泛应用的电话交换机。,18,2.10 有线通信线路有线电报线路单工线路半双工线路双工线路电话线路 双工线路架空明线线路电话电缆,19,2.11 无线电报通信1895年意大利人马可尼成功地进行了无线电报通信试验。发报试验装置：火花发报机、金属薄片做的天线、金属粉末检波器、用于发送莫尔
8、斯码的电键。,20,2.12 无线电话通信早期的无线电话通信1918年，德国曾在柏林和左森之间的军用列车上试验过无线电话通信。1924年，在柏林和汉堡间的列车之间开始试验民用电话通信。1925年，楚格电话公司成立，为火车供应电话设备。1921年，美国开始在警车上安装调度用的无线电话设备。可以个人携带的无线电话通信设备 最早为军用1940年，美军SCR-300型背负式步谈机二战中，美军SCR-536型手持式步谈机1968年蜂窝电话网概念1981年第一个蜂窝电话网建成目前即将进入第5代蜂窝网。,21,2.13 小结,22,第3章 通信工程的基本概念,3.1 消息和信息的概念3.1.1 信息客观世界
9、三要素：物质、能量和信息。信息不是物质也不是能量信息是消息中包含的有效内容消息是物质状态或精神状态的一种反映。例如：语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。通信的最终目的是传递消息中所包含的信息。信息可以用不同的消息形式传输。例：天气预报可以用语音传输，也可以用文字传输，又可以用图形传输。,23,3.1.2 信息量以天气预报为例，一次天气预报的各种可能性越多，即每种天气出现的可能性（概率）越小，接收者得到的信息量就越大。信息量的定义：I=log2 1/P(x)比特(b)式中，I为信息量；P(x)为事件x出现的概率。例：若只用晴和雨两种状态预报天气 I=log2 1/1/2=1 b 若
10、用晴、阴、云、雨4种状态预报天气 I=log2 1/1/4=2 b若用晴、阴、云、雨、雾、雪、霜、霾8种状态预报天气 I=log2 1/1/8=3 b,24,3.2 信号的概念3.2.1 模拟信号定义：电压可以连续取值的信号为模拟信号。例：声音、图像3.2.2 数字信号定义：电压离散取值的信号为数字信号。例：键盘输出的信号。,25,模拟信号和数字信号的区别：,26,3.2.3 信号传输速率码元速率：按照每秒传输多少个码元计算，单位是波特 波特=码元数/秒信息传输速率：比特/秒（b/s）例：以天气预报为例，若用晴、阴、云、雨、雾、雪、霜、霾8种状态预报天气，并且假设这8种状态出现的概率相等，且8
11、种天气状态各用一种不同的码元表示，则每个码元含有3 比特的信息量。当信号传输速率是100波特时，信息传输速率等于300比特/秒。,27,3.3 模拟通信和数字通信模拟通信：由于信道中的噪声干扰和信道特性不良，接收信号波形会产生失真，而且这种失真通常很难完全消除，故对接收质量造成较大影响。数字通信：当数字信号的失真不是很大时，由于数字信号的可能取值数目有限，可能不影响接收端的正确接收（判决）。数字信号在多次转发的线路中，中继站可以对有失真的接收信号加以整形，恢复的数字信号波形。,28,数字通信其他优点：可以采用纠错编码等差错控制技术，从而大大提高系统的抗干扰性；可以采用保密性极高的数字加密技术，
12、从而大大提高系统的保密度；可以用信源编码方法压缩数字信号，以减小冗余度，提高信道利用率。模拟信号的数字化若把信源产生的模拟信号转化成数字信号再传输就可以获得上述这些数字通信的优越性能。模拟信号数字化后，还可以和信源输入的数字信号综合起来，在数字通信系统中传输。,29,3.4 信号频谱的概念光谱：光波也是电磁波，在日光光谱中红光的频率最低，紫光的频率最高，所以光谱就是不同频率电磁波的频谱。,30,信号的频谱：信号的波形可以分解成许多不同频率的正弦波形，这些正弦波的频率与其幅度和相位的（函数）关系就是频谱。下图中粗的波形包含频率为50、150和250Hz的三个正弦波：下图中的矩形波包含许多（无穷多
13、）个不同频率的正弦波。,31,周期性信号的频谱：周期性信号的定义：f(t)=f(t+T),t 注意：在上式中 t 的条件是从负无穷大到正无穷大。周期性信号的频谱是离散的：例：周期性矩形脉冲的波形和频谱,32,非周期性信号的频谱是连续的：例：一段声音波形（横轴 秒）其频谱（横轴-Hz）,33,信号频谱的意义：信号频谱和通信的关系：信号的频谱必须和它传输线路的频率特性相适应。按照信号频谱的位置不同，信号可以区分为：基带信号 来自信源的原始信号，又称低通信号，其频谱可以（不必须）自直流分量开始。带通信号 是基带信号经过调制后的信号，其频谱被搬移到了较高的频率范围。研究信号频谱的数学工具傅里叶级数 分
14、析周期性信号傅里叶变换 分析非周期性信号,34,3.5 无线电频带的划分无线电波：从3Hz到3000GHz（3THz）的电磁波国际电信联盟（ITU）：对无线电频谱的各部分规定了不同的传输技术和不同的应用。频带：是无线电通信频谱的一小段，它通常分配用于某些用途的信道。ITU把无线电频谱划分为12个频带，每个频带从波长为10的n次幂（10n）起，相当于频率为3108-nHz起，覆盖十倍的频率或波长范围。,35,36,ITU无线电频谱划分表,3.6 信道的概念通信系统的组成：发送设备、接收设备和信道3.6.1 有线信道架空明线对称电缆同轴电缆光缆,37,3.6.2 无线信道电磁波电磁波利用天线发送和
15、接收。电磁波是英国数学家麦克斯韦于1864年根据法拉第的实验在理论上做出预言的。后来由德国物理学家赫兹在1886至1888年间用实验证明了麦克斯韦的预言。为了有效地发射或接收电磁波，要求天线的尺寸大约不小于电磁波波长的1/10。因此，频率过低，波长过长，则天线难于实现。所以，通常用于通信的电磁波频率都比较高。,38,2电磁波在地面的基本传播方式3种传播方式：直射波、地波和天波地波：频率较低（大约2MHz以下）的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。天波：频率较高（大约在2至30MHz之间）的电磁波，利用电离层反射的传播方式。直射波：频率高于30MHz的电磁波，只能类似光波那样做视线
16、传播。,39,3卫星信道静止卫星：在距地面35800km的赤道平面上，卫星围绕地球转动一周的时间和地球自转周期相等，称作静止卫星。利用3颗这样的静止卫星作为转发站就能覆盖全球，保证全球通信。当卫星与地面的距离较小时，卫星转动周期小于地球自转周期，这时需要多颗卫星才能保证地面两点间的不间断通信。,40,4散射信道电离层散射：由于电离层的不均匀性产生的乱散射电磁波现象。电离层散射现象发生在30至60MHz间。对流层散射：从地面至约10km间的大气层称为对流层。由于对流层中的大气不均匀性使30至60MHz间的电磁波产生散射。流星余迹散射：流星经过大气层时产生的很强的电离余迹使电磁波散射。5链路：在一
17、定的频域和空域的，它占用给定的频带和物理空间，并且中间没有任何其他的交换设备。,41,3.7 信道特性对信号传输的影响3.7.1 恒参信道恒参信道特性变化很小、很慢，可以视作其参量恒定。恒参信道可以当作一个不随时间变化的线性网络来分析。振幅特性：信号各个频率分量的振幅A()变化和频率的关系。若在信号频谱范围内幅频特性保持平直，则信号无失真。相位特性：信号的各个频率分量的相位改变 和频率f的关系。若信道的相位特性（-f）曲线是一条直线，则信号波形不会因此产生失真。,42,例：信道输入信号：si(t)=sin1t+sin2t 输入信号经过信道传输，受到 秒的延迟。因此，信道输出信号为：so(t)=
18、sin1(t-)+sin2(t-)=sin(1t-1)+sin(2t-2)=sin(1t-1)+sin(2t-2)式中 1=1，=1/1；2=2，=2/2 为了使输出信号不产生相位失真，须要求这两个正弦信号 通过系统的时间是一样的。因此要求：1/1=2/2 即要求相位的变化和频率f（=/2）成正比，即要求-f曲线成直线关系。,43,3码间串扰码间串扰是指一个码元经过信道传输，因其波形畸变而导致其宽度扩展，与相邻的码元重叠，使误码率增大。信道的相位特性不理想将使信号产生相位失真。在模拟话音信道中，相位失真对通话的影响不大，因为人耳对于声音波形的相位失真不敏感。但是，相位失真对于数字信号则影响很大
19、，因为它同样引起数字波形失真造成的码间串扰，使误码率增大。,44,4非线性失真：信道输入信号和输出信号的振幅关系不是直线关系。例：设信道输入信号与输出信号之间有如下平方关系：so(t)=si(t)2 则当信道输入信号si(t)=sint时，信道输出信号so(t)=sin2t=(1-cos2t)/2，它表示输出信号的频率是输入信号频率的两倍。这就是谐波失真。这种失真主要是由于信道中的元器件特性不理想造成的。,45,5频率偏移和相位抖动频率偏移：是指信道输入信号的频谱经过信道传输后产生了平移。这主要是由于发送端和接收端中用于调制、解调或频率变换的振荡器的频率误差引起的。相位抖动：是指数字信号的相位
20、瞬时值相对其当时的理想值的动态偏离。相位抖动的结果是对信号产生附加调制。,46,3.7.2 变参信道变参信道的共同特性：信号的传输衰减随时间而变；信号的传输时延随时间而变；多径传播：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路径的长度（时延）和衰减都随时间而变。衰落：当一个单一频率fc的正弦波经过变参信道传输后，接收信号波形的包络有了起伏。,47,3.7.3 信道中的干扰 噪声天然干扰：例如雷电。人为干扰：例如电气设备产生的火花。热噪声：电阻性元件因电子的随机热运动（布朗运动）产生的。信噪比：在接收设备中有用信号功率和噪声功率之比称为信号噪声功率比，简称信噪比。信噪比是衡量接收信号质量的主要指标之一。,48,3.8 通信系统的质量指标模拟通信系统：要求在接收端能以高保真度来复现发送的模拟波形。传输质量的度量准则主要是输出信号噪声比，简称信噪比。数字通信系统：要求在接收端能正确判决（或检测）发送的是哪一个离散值。传输质量的度量准则主要是产生错误判决的概率。随机噪声对数字信号波形传输的影响 发送信号波形 接收信号波形当噪声太大时，可能使接收端错误判断发送信号的电平。,49,3.9 小 结,50,
