通信原理緒論

1、通 信 原 理1通信原理：討論什么？如何傳輸信息？本門(mén)課程：信息傳輸?shù)淖罨镜膯?wèn)題：簡(jiǎn)單基本的信道特征、信號(hào)在信道上的傳輸方法研究的方法：數(shù)學(xué)模型，特別是概率模型。2通信原理：有什么用？解決信息如何傳輸?shù)淖罨镜脑?。這些原理幾乎適用目前的所有通信系統(tǒng)。是進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通信專業(yè)的學(xué)生的必備的基礎(chǔ)知識(shí)。一個(gè)知識(shí)系統(tǒng)，本身就具備了解的價(jià)值。無(wú)論技術(shù)怎么發(fā)展，學(xué)校的課程怎么改革，基礎(chǔ)的知識(shí)系統(tǒng)不會(huì)改變。3通信原理：系列課程中的地位一、基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)，物理二、專業(yè)基礎(chǔ)：信號(hào)與系統(tǒng) 電路分析 電磁學(xué)三、專業(yè)基礎(chǔ)：通信原理 電子電路 數(shù)字邏輯 計(jì)算機(jī)原理 信息論 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 微波技術(shù) 天線 交換 通

2、信網(wǎng)專業(yè)課：移動(dòng)通信 衛(wèi)星通信 等等 4通信原理：關(guān)系密切的先修課程概率論與隨機(jī)過(guò)程線性代數(shù)信號(hào)與系統(tǒng)5關(guān)于課程學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)/課后作業(yè)考試方式：閉卷成績(jī)?cè)u(píng)定：70%考試成績(jī) + 30%平6主要參考書(shū)樊昌信等編，通信原理，國(guó)防工業(yè)出版社周炯磐等編，通信原理，北京郵電大學(xué)出版社曹志剛等編，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社Digital and Analog Communication Systems Edition). 清華大學(xué)出版社Simon Haykin, Communication Systems, 電子工業(yè)出版社J.G.Proakis. Digital Communication(4rd

3、 Edition). 電子工業(yè)出版社通信原理習(xí)題7課程的基本內(nèi)容通信基本概念確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)分析模擬調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的最佳接收模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸8第1章 緒論什么是通信？通信的發(fā)展簡(jiǎn)史通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的分類和通信方式信息及其度量通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)信道及其模型噪聲91. 什么是通信?通信就是互通信息本課程一般指電信，即遠(yuǎn)距離通信（telecommunication）電報(bào)電話Etc.101. 什么是通信?通信：交流，傳遞消息；信息的傳輸與交換消息文字、圖象、符號(hào)、聲音.信號(hào)是消息的承載者，信號(hào)常常由消息變換而來(lái)，是與消息對(duì)應(yīng)的某種物理量，通常是時(shí)間的

4、函數(shù)，例如隨著時(shí)間變化的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號(hào).通信是一種產(chǎn)業(yè)，它生產(chǎn)的是一種信息在空間轉(zhuǎn)移的效應(yīng)112. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史12最早的電通信設(shè)想 1753年2月17日，蘇格蘭人雜志上發(fā)表了一封署名C.M的書(shū)信。在這封信中，作者提出了用電流進(jìn)行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個(gè)地點(diǎn)延伸到另一個(gè)地點(diǎn)，每根金屬線與一個(gè)字母相對(duì)應(yīng)。在一端發(fā)報(bào)時(shí)，便根據(jù)報(bào)文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機(jī)相連接，使它們依次通過(guò)電流。電流通過(guò)金屬線上的小球便將掛在它下面的寫(xiě)有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來(lái)，從而起到遠(yuǎn)距離傳遞信息的作用。 13最早的有線電報(bào)1844年5月24日，莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發(fā)人

5、類歷史上的第一份電報(bào)。在座無(wú)虛席的國(guó)會(huì)大廈里,莫爾斯用激動(dòng)得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報(bào)機(jī), 發(fā)出了:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”一語(yǔ)。 莫爾斯發(fā)出第一封電報(bào)設(shè)備的復(fù)制品 14最早的有線電話 1875年6月2日，美國(guó)人亞力山大.格雷厄姆.貝爾(Bell,Alekander Graham)發(fā)明了電話。至今美國(guó)波士頓法院路109號(hào)的門(mén)口，仍釘著塊鐫有：1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。1876年2月14日，貝爾申請(qǐng)了那個(gè)著名的他和沃森一直研究著的裝置電話的專利。同一天另一個(gè)發(fā)明家格雷（1835-1901）也向美國(guó)專利局遞交了相似設(shè)備的專利申請(qǐng)書(shū)，只因比貝爾晚了幾個(gè)小時(shí)而痛失

6、電話發(fā)明權(quán)。 貝爾獲得電話的專利證書(shū) 15電磁波的發(fā)現(xiàn) 1887年3月21日，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（Hertz）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電火花的能量能夠越過(guò)空間傳到遠(yuǎn)處。這是人類歷史上第一次證實(shí)了電磁波的存在。16最早的無(wú)線通信 1895年5月7日，36歲的波波夫在彼德堡的俄國(guó)物理化學(xué)會(huì)的物理分會(huì)上，宣讀了關(guān)于“金屬屑與電振蕩的關(guān)系”的論文，并當(dāng)眾展示了他發(fā)明的無(wú)線電接收機(jī)。當(dāng)他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發(fā)生器時(shí)，波波夫的無(wú)線電接收機(jī)便響起鈴來(lái)；斷開(kāi)電波發(fā)生器，鈴聲立即中止。幾十年后，為了紀(jì)念波波夫在這一天的劃時(shí)代創(chuàng)舉，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)政府便把5月7日定為“無(wú)線電發(fā)明日”。 波波夫?qū)嶒?yàn)用的無(wú)線電接收機(jī) 1

7、7人類首次遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信 1897年5月18日,馬可尼進(jìn)行橫跨布里斯托爾（Bristol）海峽的無(wú)線電通信取得成功，通信距離為14公里。18影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論 1906年,Lee Deforest發(fā)明了真空三極管放大器。 1925年，英國(guó)發(fā)明家貝爾德在前人研究的基礎(chǔ)上終于制成了世界上第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的電視機(jī)。1938年，電視廣播開(kāi)播。1941年，John V.Atanasoff在衣阿華州立大學(xué)發(fā)明數(shù)字計(jì)算機(jī)。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Steve O.Rice給出了噪聲的統(tǒng)計(jì)描述。 191948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室向公眾展示了用以取代真空管的晶體管。1948年，Claude E.Shanno

8、n發(fā)表了信息論。著名的香農(nóng)公式：C 信道容量B 信號(hào)帶寬S/N 信號(hào)與噪聲的功率之比影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論201957年10月4日，原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，地球上第一次收到了來(lái)自人造衛(wèi)星的電波。它不僅標(biāo)志著航天時(shí)代的開(kāi)始， 也意味著一個(gè)利用衛(wèi)星進(jìn)行通信的時(shí)代即將到來(lái)。1958年，發(fā)明了集成電路。1964年，電子電話交換機(jī)投入使用。1972年，摩托羅拉公司為FCC演示蜂窩電話系統(tǒng)。影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論211976年，出現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)。1979年，64KB隨機(jī)存儲(chǔ)器的出現(xiàn)宣告超大規(guī)模集成（VLSI）電路時(shí)代的到來(lái)。1980年，貝爾公司推出FT3光纖通信系統(tǒng)。1989年，衛(wèi)星全球

9、定位系統(tǒng)（GPS）完成部署 。1995年，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）及WWW瀏覽廣泛流行。影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論223. 通信系統(tǒng)的組成(1) 通信系統(tǒng)模型信息源發(fā)送設(shè)備傳輸媒介接收設(shè)備受信者噪聲源233. 通信系統(tǒng)的組成(2) 模擬通信和數(shù)字通信模擬(連續(xù))消息：狀態(tài)連續(xù)變化，例如語(yǔ)音，圖像 數(shù)字(離散)消息：狀態(tài)可數(shù)或離散，如符號(hào)，文字，數(shù)據(jù)模擬信號(hào)：載荷消息的電參量連續(xù)取值 數(shù)字信號(hào)：載荷消息的電參量離散取值模擬通信系統(tǒng)：信道中傳輸模擬信號(hào)，例如電話 數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，例如電報(bào)24模擬信號(hào) 25數(shù)字信號(hào) 263. 通信系統(tǒng)的組成(3) 模擬通信系統(tǒng)模型模擬信息源調(diào)制

10、器信道解調(diào)器受信者噪聲源基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)基帶信號(hào)273. 通信系統(tǒng)的組成(4) 數(shù)字通信系統(tǒng)模型283. 通信系統(tǒng)的組成(5) 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)(消除噪聲積累；差錯(cuò)可控)便于處理和管理，便于傳輸和交換便于與各種數(shù)字終端接口，進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，形成智能網(wǎng)；便于集成化，微型化；便于加密處理數(shù)字通信的缺點(diǎn)：頻帶利用率低：一路模擬電話：4KHz，接近同樣話音質(zhì)量的一路數(shù)字電話：64K。對(duì)同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。29(a) 失真的數(shù)字信號(hào)(b) 恢復(fù)的數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)波形的失真和恢復(fù)303. 通信系統(tǒng)的組成(6) 兩種應(yīng)用利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳送模擬消息A/D，D/A變

11、換，例如電話利用模擬通信系統(tǒng)傳送數(shù)字信號(hào)加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器電話網(wǎng)因特網(wǎng)314 通信系統(tǒng)的分類(1)根據(jù)信號(hào)特征模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)消息的物理特征：電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)、圖象等根據(jù)調(diào)制方式基帶傳輸：頻帶傳輸：根據(jù)傳輸媒介有線傳輸無(wú)線傳輸324 通信系統(tǒng)的分類(2)根據(jù)信號(hào)復(fù)用方式頻分復(fù)用(FDM)時(shí)分復(fù)用(TDM)碼分復(fù)用(CDM)334 通信系統(tǒng)的分類(3)按消息傳送方向與時(shí)間關(guān)系單工：遙測(cè)、遙控、尋呼半雙工：無(wú)線電對(duì)講機(jī)(同一載頻)全雙工通信：電話發(fā)送端信道接收端發(fā)送端信道發(fā)送端接收端接收端發(fā)送端信道接收端接收端發(fā)送端信道344 通信系統(tǒng)的分類(4)按數(shù)字信號(hào)的碼元排列方法串行

12、傳輸：遠(yuǎn)距離數(shù)字通信并行傳輸：近距離數(shù)字通信發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備 1 0 1發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備.355 信息及其度量(1)信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容信息的度量：信息量與消息的種類及重要程度無(wú)關(guān)事件的不確定程度越大，信息量越大消息 x 中所含信息量 I 與消息出現(xiàn)概率 P(x) I (x) = I P(x)I 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I =若干互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和 I (x1 , x2 , ) = I P(x1) + I P(x2) + 365 信息及其度量(2)信息量 I 的定義a =2: 比特(bit)a =e

13、: 奈特(nit)a =10: 哈特萊375 信息及其度量(3)離散消息的度量設(shè)離散信息源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，且 各符號(hào) x1 x2 xn 所包含的信息量分別為 每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值(平均信息量)為 信息源的熵385 信息及其度量(4)信息源的最大熵 如果各符號(hào)x1 x2 xn等概出現(xiàn)，即P(xi)=1/n，則有結(jié)論：信息源的最大熵，發(fā)生在每一個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí) 用平均信息量計(jì)算消息的信息量 若消息傳送的符號(hào)總數(shù)為m，則 I = m H(x) (bit) 例:信息源由獨(dú)立等概的符號(hào)0, 1組成， n = 2, H(x)=1bit/符號(hào)，符號(hào)數(shù)與比特?cái)?shù)相等。 395 信息及其

14、度量(5)例 一信息源由四個(gè)符號(hào)0, 1, 2, 3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某個(gè)消息201020130(57個(gè)符號(hào)：023, 114, 213, 37)的信息量。406. 主要性能指標(biāo)(1)有效性：可靠性：信息論觀點(diǎn)，有效性和可靠性常常是一對(duì)矛盾。416. 主要性能指標(biāo)(2)實(shí)現(xiàn)最佳通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)原則(基本出發(fā)點(diǎn))：在一定代價(jià)下使系統(tǒng)最優(yōu)化在一定可靠性的要求下，如何盡可能地去提高系統(tǒng)的有效性；在一定有效性的要求下，如何最大限度地去提高可靠性。這種矛盾的相對(duì)統(tǒng)一也是通信技術(shù)發(fā)展的基本動(dòng)力426. 主要性能指標(biāo)(3)

15、模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性：用所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬來(lái)表征。顯然信道的傳輸頻帶越寬，則能夠容納的信息量就越大?？煽啃裕壕秸`差輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：接收端輸出的信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比(SNR)電話：SNR 40dB, 話音清晰度95%電視：SNR = 4060dB436. 主要性能指標(biāo)(4)離散數(shù)字信號(hào)的表示離散信源的 N = 2k 種可能狀態(tài)可以用 k 位二進(jìn)制數(shù)字或一位 N 進(jìn)制數(shù)字表示用時(shí)間間隔相同的信號(hào)來(lái)表示一位二進(jìn)制或 N 進(jìn)制數(shù)字這個(gè)間隔稱為符號(hào)/碼元長(zhǎng)度間隔內(nèi)的信號(hào)稱為符號(hào)/碼元(二進(jìn)制或 N 進(jìn)制)AB CD000110110123T tT t1T t2-1T

16、 t-2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1446. 主要性能指標(biāo)(5)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：傳輸速率和差錯(cuò)率符號(hào)(碼元)傳輸速率：每秒鐘傳送的符號(hào)數(shù)量，單位為“波特”(baud或B)，又稱傳碼率信息傳輸速率：每秒鐘傳送的信息速率，單位為“比特/秒”(bit/s)，又稱傳信率符號(hào)速率與信息速率之間的關(guān)系：若符號(hào)速率為Rs，信息速率為Rb，每個(gè)符號(hào)有 N 種可能狀態(tài)，則有Rb Rs log2 N (bit/s)Rs Rb /log2 N (baud) 頻帶利用率：傳輸速率與系統(tǒng)帶寬之比，單位為bit/s/Hz或Baud/Hz456. 主要性能指標(biāo)(6)誤符號(hào)率(誤碼

17、率) ：符號(hào)在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率誤比特率(誤信率)：符號(hào)信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率 467. 信道(1)信道的定義：譯碼器輸 入發(fā)轉(zhuǎn)換器 媒 質(zhì)收轉(zhuǎn)換器 解 調(diào) 器 調(diào) 制 器（調(diào) 制） 信 道廣義（編碼）信道編碼器輸 出477. 信道(2)信道模型調(diào)制信道模型: 對(duì)于單“端對(duì)”信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 輸入的已調(diào)信號(hào)；eo(t) 輸出信號(hào)；n(t) 加性噪聲，它與ei(t)相互獨(dú)立。f ei(t) 與輸入有關(guān)的一個(gè)函數(shù), 表示信道對(duì)于信號(hào)的影響。ei(t)eo(t)時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)487. 信道(3)通常， f ei(t) 可以表示為：k(t) ei(t)， 此時(shí)， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t)其中k(t)表示時(shí)變線性網(wǎng)絡(luò)的特性 ，稱為乘性干擾。 k(t) 一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，反映信道的衰減、線性失真、非線性失真、延遲 等。最簡(jiǎn)單情況：k(t) = 常數(shù)，表示衰減。當(dāng)k(t) =常數(shù)，稱為恒(定)參(量)信道例如，同軸電纜當(dāng)k(t)常數(shù)，稱為隨(機(jī))參(量)信道例如，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信信道497.