通信原理課件：第1章 緒論

1、通信原理2課程概述通信原理在課程體系中的角色和作用？通信原理課程教材？通信原理怎么講？通信原理如何能學好？通信原理怎么考？3課程概述（續(xù)）通信原理在課程體系中的角色和作用？“通信原理”課程是通信與信息專業(yè)或?qū)W科的一門重要的專業(yè)基礎課程，也是諸多院校相關專業(yè)碩士研究生入學考試課程之一。它在課程體系中起著“承前（先修課程）啟后（后續(xù)課程）”的作用，扮演著“橋梁”的作用。通信原理信號與系統(tǒng)隨機信號分析概率論與數(shù)理統(tǒng)計光纖通信移動通信衛(wèi)星通信4課程概述（續(xù)）課程教材樊昌信等編著通信原理，國防工業(yè)出版社5課程概述（續(xù)）通信原理如何能學好？仔細閱讀教材從系統(tǒng)的角度學習熟記通信系統(tǒng)組成框圖，學習每一部分時，

2、從該部分在整個通信系統(tǒng)中的位置和作用，理解該部分內(nèi)容熟練掌握基本概念數(shù)學表達式、時間波形、頻譜圖相結合學習認真思考，多問問題認真做作業(yè)，多做練習，及時反思分階段及時復習6課程概述（續(xù)）通信原理考核方法54學時（其中授課46學時，實驗8學時）成績構成平時成績15%：考勤、作業(yè)實驗成績15%期末考試70%：閉卷考試答疑中歐學院樓129室,周五7主要授課內(nèi)容第1章 緒論第4章 信道第5章 模擬調(diào)制系統(tǒng)第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第7章 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第9章 模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)?0章 數(shù)字信號的最佳接收8章節(jié)結構緒 論數(shù)學工具、基礎知識（確知/隨機/信道）模擬通信系統(tǒng)線性調(diào)制AM, DSM,SSB,V

3、SB非線性調(diào)制FMPM數(shù)字通信系統(tǒng)基帶傳輸帶通傳輸模擬信號的數(shù)字傳輸數(shù)字信號的最佳接收9第1章 緒論學習目標：常用的通信的術語;模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別;基帶信號與已調(diào)信號的區(qū)別;通信系統(tǒng)的組成、分類和通信方式;數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點;離散信源的信息量、平均信息熵的計算;碼元速率、信息速率和頻帶利用率的定義、計算和關系;誤碼率和誤信率的定義及其關系。10第1章 緒論 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標11通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：信息的載體是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、

4、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等。信息：信息的內(nèi)容是消息中包含的有效內(nèi)容。通信的定義：“信息傳輸”（“消息傳輸”）信息的時空轉(zhuǎn)移把消息從一方傳送到另一方1.1 通信的基本概念12實現(xiàn)通信的方式和手段：非電的如手勢、語言、旌旗、消息樹、烽火臺、擊鼓傳令等 電的如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等1.1 通信的基本概念131.1 通信的基本概念信號：是消息的載體如電壓、電流或電波等物理量（進一步還可以是該物理量的幅度、相位或頻率等）。此時的信號為電信號，習慣上簡稱為信號。模擬信號、數(shù)字信號。思考：電力傳輸系統(tǒng)是不是通信系統(tǒng)？141.1 通信的基本概念 電信發(fā)明史1837年：莫爾斯

5、發(fā)明有線電報1876年：貝爾發(fā)明有線電話 1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播 （移動通信、衛(wèi)星通信）后面講述中，“通信”這一術語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。15龍圖案電話機（清末）中國第一個電話局（1882）貝爾與電話（1876）1.1 通信的基本概念 16人工交換機數(shù)字程控電話交換機1.1 通信的基本概念 美制便攜式交換機171.1 通信的基本概念 移動電視手機電視智能手機iPhone 4S可WiFi、4G上網(wǎng)的new iPad18第1章 緒論 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)

6、的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標19 信源（信息源，也稱發(fā)終端）：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號。 發(fā)送設備：將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的原始電信號（基帶信號）變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴?1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 20 信道：信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設備。 噪聲源：是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。 接收設備：從帶有干擾的接收信號中恢復出相應的原始電信號。 信宿（受信者、收終端）：將復原的原始電信號

7、轉(zhuǎn)換成相應的消息。 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 211.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型 思考：分別以電視和廣播為例，說明通信系統(tǒng)模型中的各部分在實際中的對應關系。22按照傳輸信號的特征分類，可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號模擬信號：信號參數(shù)的取值是連續(xù)的（無限的）。數(shù)字信號：信號參數(shù)的取值是離散的（有限的）。傳輸數(shù)字信號tt1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型23思考：以下信號是模擬信號還是數(shù)字信號？1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2

8、.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 24模擬通信系統(tǒng)模型 利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)叫做模擬通信系統(tǒng)。 （1）模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換： 消息原始電信號（基帶信號） 調(diào)制信號（基帶信號） 已調(diào)信號（頻帶信號） （2）信號受噪聲干擾的影響噪聲背景下的信號傳輸。1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 25已調(diào)信號有三個基本特性： （1）攜帶有消息； （2）適合在信道中傳輸 （如輻射：天線尺寸1/10 波長）； （3）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻 頻帶信號。 如：民航甚高頻通信 （中心頻率118-136.975MHz、帶寬25KHz） 原始電信號

9、的頻譜具有低通形式，直流/低頻分量豐富基帶信號。 如：話音信號、電視基帶信號1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 26數(shù)字（頻帶傳輸）通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 27信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換 信道編碼與譯碼目的：糾錯檢錯，增強抗干擾能力。加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致注：上圖是一般化模型，實際系統(tǒng)不一定包含圖

10、中所有環(huán)節(jié)1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 281.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型 通信標準JPEG、 MP3、 MPEG(ISO/IEC )、H26x(ITU-T)、AVSDVB：DVB-C、DVB-S、DVB-T291.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.3 數(shù)字通信的特點數(shù)字通信相對模擬通信的優(yōu)點抗干擾能力強，且噪聲不積累；傳輸差錯可控，可通過糾錯編碼進一步降低出錯概率；與計算機密切結合，便于處理、變換、存儲；易于集成，使通信設備微型化、重量輕；易于加密處理，且保密性好；易于使用統(tǒng)一的處理方式與硬件，使不同通信網(wǎng)的融合成為

11、可能。 301.2 通信系統(tǒng)的組成 1.2.3 數(shù)字通信的特點數(shù)字通信相對模擬通信的缺點一般需要較大的傳輸帶寬對同步要求高，設備往往更復雜31第1章 緒論 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標321.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務分類電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng) 331.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類按調(diào)制方式分類基帶傳輸系統(tǒng)帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng) 連續(xù)波調(diào)制脈沖調(diào)制按信號特征分類模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)341.3 通信系統(tǒng)

12、分類與通信方式 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類按傳輸媒介分類有線通信系統(tǒng)架空明線、同軸電纜、光纖、波導等無線通信系統(tǒng)按工作波段分類長波通信中波通信短波通信 351.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類頻段頻率/Hz波長應用極低頻ELF3-30超低頻SLF30-300特低頻ULF300-3k甚低頻VLF3k30k10km-100km電話、數(shù)據(jù)終端低頻LF30k300k1km-10km導航、信標、電力線通信中頻MF300k3M100m-1km調(diào)幅廣播、業(yè)余無線電高頻HF3M30M10m-100m短波廣播、移動無線電話、軍事通信甚高頻VHF30M300M1m-10m調(diào)頻廣播、電視、空中

13、管制、導航特高頻UHF300M3G1dm-1m電視、移動通信、雷達導航、空間遙測超高頻SHF3G30G1cm-1dm微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達毫米波30G-300G1mm-1cm衛(wèi)星通信亞毫米波300G-3T0.1mm-1mm無線電頻段361.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類按信號復用方式分類頻分復用時分復用碼分復用 371. 按消息傳送的方向與時間分 通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.2 通信方式38 2. 按數(shù)字信號排序分 可將通信方式分為串行傳輸和并行傳輸。 串行傳輸碼元一個接一個傳輸。并行傳輸碼元序列

14、兩個以上并行傳輸。1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3.2 通信方式39第1章 緒論 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標401.4 信息及其度量 信息：消息中包含的有效內(nèi)容信息量：傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進行衡量411.4 信息及其度量 香農(nóng)克勞德艾爾伍德香農(nóng)(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1948年發(fā)表通信的數(shù)學原理,（244頁），噪聲下的通信提出定量描述信息，提出信息熵的概念，開創(chuàng)了信息論香農(nóng)去世后，貝爾實驗室和MIT 尊崇香農(nóng)為信息論及數(shù)字通信

15、時 代的奠基之父。42如何度量消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關。度量方法應該與消息的重要程度無關。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關【例】 “某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 1.4 信息及其度量信息量具有以下三個特征： 消息的信息量與消息的概率呈反比。兩個極端的情況： 消息A是必然事件，概率 P(A)=1, 信息量 I(A)=0。 消息B是不可能事件，概率 P(B)=0, 信息量 I(B)=。1.4 信息及其度量若干相互獨立的事件x1x2xn構成的消息x，所含信息量

16、 是各獨立事件信息量之和。信息量的定義：若一個消息x出現(xiàn)的概率為P(x),則這一消息所包含的信息量I(x)為對數(shù)底數(shù)a，決定信息量的單位。46上式中對數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。通常廣泛使用的單位為比特，這時有(b)【例】 設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為 在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特 1.4 信息及其度量47若有M個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳

17、送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當M = 4時，即4進制波形，I = 2比特，當M = 8時，即8進制波形，I = 3比特。1.4 信息及其度量48對于非等概率情況設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵 1.4 信息及其度量信源熵：49【例1-1】設有一個二進制離散信源（0，1），每個符號獨立發(fā)送。(1)若0，1等概出現(xiàn)，求每個符

18、號的信息量和平均的信息量（熵）;(2)若0 出現(xiàn)的概率為1/3,重復1; 【解】(1)由獨立等概的條件可知，P(0)=P(1)=1/2,故其信息量平均信息量（熵）1.4 信息符號獨立塔樓及其度量50(2)已知P(0)=1/3,且P(0)+P(1)=1,則P(1)=2/3,故每個符號的信息量平均信息熵【評注】： 等概時，二進制的每個波形所含的信息量為1bit 等概時，信源的平均信息熵就等于每個符號的信息量 非等概時，概率越小的符號，其信息量越大 等概時，信源的熵有最大值 1.4 信息符號獨立塔樓及其度量51【例1-2】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為

19、3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅校?”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量 每個符號的算術平均信息量為1.4 信息及其度量52若用熵的概念來計算：則該消息的信息量【評注】 以上兩種結果略有差別的原因在于，它們平均處理方 法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。 求一條消息的（m個符號組成）的總信息量，可利

20、用信息加性的概念來計算，也可利用熵的概念來計算，當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。 1.4 信息及其度量53第1章 緒論 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標541.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和可靠性有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。可靠性：指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。55數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸

21、速率和頻帶利用率來衡量。 碼元傳輸速率RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元（電波形）的數(shù)目，單位為波特（Baud）（符號/秒），簡記為B。式中T 碼元的持續(xù)時間（秒） 信息傳輸速率Rb：定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標56碼元速率和信息速率的關系 M進制碼元每個碼元攜帶log2M比特信息量或1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標57【例1-3】設某數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進制碼元的速率為1200B,試求該系統(tǒng)的信息速率;若該系統(tǒng)改為傳送八進制的信號碼元，碼元速率不變，則這時系統(tǒng)的信息速率為多少？【解】(1) (2)【評注】

22、一定時（即帶寬一定），增加進制數(shù) （即一個波形承載幾個比特）,可以增大 ，從而在相同的帶寬中傳輸更多的信息量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標58頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率在二進制中有1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標思考：如果多進制的話，Pb和Pe相等嗎？591.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標【例1-4】設某四進制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的每個碼元的持續(xù)時間為 , 連續(xù)接收1h后，接收端接到6個錯碼，且錯誤碼元中僅發(fā)生1bit的錯誤。 (1)求該系統(tǒng)的碼元速率和信息速率; (2)求該系統(tǒng)的誤碼率和誤信率 【解】(1)碼元速率 信息速率（2）求出1h傳送的碼元數(shù)N誤碼率為601.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標可計算出1h內(nèi)傳送的信息量若每個碼元中僅發(fā)生1bit的錯誤，則可計算誤信率有效性可靠性模擬通信系統(tǒng)有效傳輸頻帶輸出信噪比So/No數(shù)字通信系統(tǒng)碼元傳輸速率 RB信息傳輸速率 Rb頻帶利用率誤碼率Pe誤信率