通信原理第一章課件

使用教材：

通信原理第6版，樊昌信，曹麗娜編著，國(guó)防工業(yè)出版社，2012.8

授課學(xué)時(shí)：64，其中實(shí)驗(yàn)16考核方式：閉卷考試Email：61777100@手機(jī)：;CommunicationSystemsConcepts通信原理通信原理是電子、通信、計(jì)算機(jī)、信息處理等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成、基本性能指標(biāo)和基本分析方法。以各種調(diào)制技術(shù)的分析作為主線，緊緊圍繞通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這對(duì)矛盾進(jìn)行分析，并對(duì)各種通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)與比較。課程簡(jiǎn)介：2/6/20232第1章緒論1、掌握模擬通信和數(shù)字通信的基本理論，各種調(diào)制解調(diào)性能比較，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)各種信息傳輸系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。2、掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成、工作原理、常用的性能指標(biāo)。3、理解模擬信號(hào)數(shù)字化的過程，掌握PCM調(diào)制等常用的數(shù)字化方法。4、掌握數(shù)字通信中常用的調(diào)制和解調(diào)方法。課程要求：2/6/20233第1章緒論本章教學(xué)要求1、了解通信系統(tǒng)組成、分類和通信方式。2、熟悉通信基本概念（模擬通信與數(shù)字通信）。3、理解信道的定義和模型4、掌握信息量和通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的計(jì)算。我們所知道的通信古代：烽火狼煙、擊鼓鳴金、搖旗吶喊、飛鴿傳信

這些通信方法和手段只能極其有限地解決一定距離的通信問題。我們的先人常以無法實(shí)時(shí)互通的浪漫詩(shī)句和思念之情來代替通信。

現(xiàn)代：電話、電視、廣播、郵政、因特網(wǎng)、其他方式目前的這些現(xiàn)代的通信方法和手段已為我們大家所熟知，并成為我們社會(huì)生活中一個(gè)不可或缺的組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的發(fā)展，對(duì)通信的要求也越來越高。傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語(yǔ)信鴿傳書1.1通信的基本概念所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式。

消息包括話音、文字、數(shù)據(jù)、圖片、視頻等。信息是消息中的有用內(nèi)容。消息中包含信息，是信息的載體。得到消息，從而獲得信息。所討論的通信均指電通信，即利用各種電信號(hào)，包括光信號(hào)作為通信信號(hào)?，F(xiàn)代通信所研究的主要問題概括地說就是如何把信息大量地、快速地、準(zhǔn)確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟(jì)地、安全地從信源通過傳輸介質(zhì)傳送到信宿。通信原理就是介紹支撐各種通信技術(shù)的基本概念和數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進(jìn)行通信的設(shè)備硬件、軟件和傳輸介質(zhì)的集合叫做通信系統(tǒng)。過去對(duì)通信系統(tǒng)的定義沒有軟件部分，但隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入通信系統(tǒng)，通信軟件就成為組成通信系統(tǒng)的基本要素，因此在定義中加入軟件這一模塊。從硬件上看，通信系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿（受信者）五部分組成。干擾可以理解為是通信系統(tǒng)的一部分，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，一個(gè)通信系統(tǒng)無法徹底消除干擾。通信系統(tǒng)的一般模型實(shí)際通信系統(tǒng)模型如下圖：消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）。將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道中的噪聲及分布在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。傳輸信號(hào)的物理媒質(zhì)傳輸信息的歸宿點(diǎn)，其作用是將接收設(shè)備恢復(fù)出的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息

例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設(shè)備、無線電波傳輸、接收設(shè)備、揚(yáng)聲器等。二、模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)1.模擬信源與數(shù)字信源產(chǎn)生模擬信號(hào)的信源是模擬信源，如話音、圖像；產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的信源是數(shù)字信源，如符號(hào)、文字；2.模擬通信與數(shù)字通信不論是那種信源，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別在于：模擬通信在信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)；數(shù)字通信在信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)；圖1-6模擬通信系統(tǒng)的模型特點(diǎn)：1、信源發(fā)出模擬信號(hào)，信道中傳輸?shù)囊彩悄M信號(hào)；2、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備主要功能是完成調(diào)制與解調(diào)。圖1-7數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的模型特點(diǎn)：1、信源發(fā)出的與信道中傳輸?shù)亩际腔鶐?shù)字信號(hào)；2、發(fā)送和接收設(shè)備主要是完成編碼與解碼功能。3.模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)在日常生活中大部分信號(hào)為模擬信號(hào),實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸則必須:發(fā)端進(jìn)行A/D;收端進(jìn)行D/A

三、數(shù)字通信的特點(diǎn)

1、抗干擾能力強(qiáng)比如設(shè)高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時(shí)受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認(rèn)為是5V就行了。一般可以將大于2.5v的信號(hào)都判為1，小于2.5v都判為0。如果0V受干擾也可能變成8V，以致于把數(shù)據(jù)0誤認(rèn)為數(shù)據(jù)1。但經(jīng)過信道編碼后，數(shù)據(jù)0不是用簡(jiǎn)單的低電平表示，因此，這種誤碼出現(xiàn)的可能性很小。3、便于進(jìn)行信號(hào)加工與處理由于信號(hào)可以儲(chǔ)存，因此可以像處理照片一樣對(duì)信號(hào)隨意加工處理(在技術(shù)允許的范圍內(nèi))。4、傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)(誤碼)可以設(shè)法控制，提高了傳輸質(zhì)量5、數(shù)字信息易于加密且保密性強(qiáng)。6、能夠傳輸話音、電視、數(shù)據(jù)等多種信息，增加了通信系統(tǒng)的靈活性和通用性。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式一、通信系統(tǒng)的分類

1.按傳輸介質(zhì)分類分為無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)。利用無線電波、紅外線、激光等進(jìn)行通信的系統(tǒng)統(tǒng)稱為無線通信系統(tǒng)。廣播系統(tǒng)、移動(dòng)電話系統(tǒng)、傳呼通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)等都是無線通信系統(tǒng)。用導(dǎo)線(包括電纜、光纜和波導(dǎo)等)作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)為有線通信系統(tǒng)，如市話系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、普通的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)等。通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有線載波通信光通信架空明線對(duì)稱電纜同軸電纜空間光通信光纖通信無線通信系統(tǒng)微波中繼通信衛(wèi)星通信移動(dòng)通信微波散射通信流星余跡通信二、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形式和信號(hào)傳輸方式，它是通信各方在通信實(shí)施之前必須首先確定的問題。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，通信方式有多種分類法：1、按通信對(duì)象數(shù)量的不同，可分為：點(diǎn)到點(diǎn)通信(通信在兩個(gè)對(duì)象之間進(jìn)行)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信(一個(gè)對(duì)象和多個(gè)對(duì)象之間的通信)多點(diǎn)到多點(diǎn)通信三種(多個(gè)對(duì)象和多個(gè)對(duì)象之間的通信)。

2、根據(jù)信號(hào)傳輸方向與傳輸時(shí)間的不同，任意兩點(diǎn)間的通信方式可分為：?jiǎn)喂ねㄐ?Simplex)半雙工通信(Half―Duplex)：雙工通信(Full―Duplex)：通信方式示意圖1.4信息及其度量傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。在傳輸過程中，信息是以各種具體的電信號(hào)或光信號(hào)形式表現(xiàn)出來的。為了對(duì)通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量進(jìn)行定量的分析、研究與評(píng)價(jià)，就需要對(duì)信息進(jìn)行度量。定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。信息是一個(gè)抽象的概念，能否被量化？如何量化？例：信息“明天太陽(yáng)從東邊出來”和“明天太陽(yáng)從西邊出來”，后者對(duì)信息的受者更有吸引力。信息量與事件發(fā)生的概率有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率為1，則它傳遞的信息量就為0。信息量與事件概率之間的關(guān)系式為：P表示某事件發(fā)生的概率，I為從該事件發(fā)生的信息中得到的信息量。如果消息由若干個(gè)互相獨(dú)立的事件構(gòu)成，則該消息所含信息量等于各獨(dú)立事件所含信息量之和。且有，則每個(gè)符號(hào)所含信息量的分別為每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為整個(gè)消息的信息量為n為不同符號(hào)的個(gè)數(shù)；ni代表概率為P(xi)字符的個(gè)數(shù)。平均信息量也稱為信息源的熵。bit/符號(hào)例：已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。

解：e的信息量

z的信息量:例：某離散信源由0，1，2，3四種符號(hào)組成，其概率場(chǎng)為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息總長(zhǎng)為N=57個(gè)符號(hào)，其中0出現(xiàn)23次(n1=23)，1出現(xiàn)14次(n2=14)，2出現(xiàn)13次(n3=13)，3出現(xiàn)7次(n4=17)。求得此消息總的信息量。例：求上例中消息的平均信息量。解：每個(gè)符號(hào)的平均信息量(信源的熵)/符號(hào)消息有N=57個(gè)符號(hào)，所以該消息所含總信息量為I=1.906N≈108.64bit兩種方法求總信息量，結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法不同。隨著消息中符號(hào)數(shù)的增加，這種誤差會(huì)逐漸減小。不同的離散信息源可能有不同的熵值。可以證明，在信息源的最大熵發(fā)生在每一個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí)，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述。其平均信息量為f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)根據(jù)各種不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通信系統(tǒng)多種多樣。如何評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣？信息必須依賴于具體電信號(hào)的某項(xiàng)參數(shù)的變化進(jìn)行傳輸。若參數(shù)變化的速度越快，則單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)所攜帶或傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱蟆６x信息傳輸速率來衡量信息傳輸?shù)目炻?。單位時(shí)間傳輸?shù)男畔⒘拷凶鲂畔鬏斔俾省Ｐ畔鬏斔俾实膯挝怀嘶镜谋忍?秒(常記作b/s)外，還有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它們之間的關(guān)系為：1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。比如，一個(gè)周期電壓方波信號(hào)，其幅值變化的頻率為10Hz，即每秒變化10個(gè)周期，若給每個(gè)周期(兩個(gè)碼元)賦予一定的信息量，假設(shè)為2bit，則該信號(hào)傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?0b/s(bitpersecond)；如果有另一個(gè)周期電壓信號(hào)，其幅值變化的頻率為1000Hz，同樣給每個(gè)周期賦予2bit信息量，則該信號(hào)傳輸?shù)男畔⑺俾示蜑?000b/s。研究通信系統(tǒng)性能指標(biāo)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，包括的內(nèi)容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)性、快速性、方便性、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用維護(hù)等諸多方面。通信的有效性和可靠性是首要考慮的問題，把通信的有效性和可靠性作為評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。對(duì)于模擬通信系統(tǒng)，有效性常用系統(tǒng)的傳輸頻帶寬度來衡量，而可靠性則用接收端最終輸出的信噪比S/N來評(píng)價(jià)。電視信號(hào)S/N一般要求大于40~60dB；電話一般要求S/N為20~40dB。注意dB的定義方法!系統(tǒng)的傳輸帶寬主要取決于傳輸介質(zhì)和對(duì)信號(hào)的處理方式。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，用信息傳輸速率來衡量系統(tǒng)的有效性。定義單位時(shí)間傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)為碼元傳輸速率，其單位為波特(Baud)，故也常常稱為波特率。在數(shù)字通信中，常用時(shí)間間隔相同的信號(hào)來表示一位二進(jìn)制數(shù)字，這個(gè)時(shí)間間隔被稱為二進(jìn)制碼元長(zhǎng)度，即表示0和1的脈沖時(shí)間稱為碼元長(zhǎng)度。同樣，N進(jìn)制信號(hào)也是等長(zhǎng)的，被稱為N進(jìn)制碼元。一個(gè)系統(tǒng)1秒鐘傳送了1200個(gè)二進(jìn)制碼元，其波特率就是1200Baud。波特率僅僅說明系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號(hào)的能力，還不知其傳輸信息的多少。在數(shù)字通信系統(tǒng)中可以采用多進(jìn)制(M進(jìn)制)信號(hào)，即M進(jìn)制信號(hào)，通常M取為2的各次冪，比如4、8、16等，那么在傳輸多進(jìn)制信號(hào)時(shí)就需要多種碼元。再定義一個(gè)信息傳輸速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間傳輸?shù)男畔⒘?。由于信息量的單位是比特，因此信息傳輸速率也稱為比特率。二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元速率和信息速率在數(shù)值上相等。波特率、比特率與數(shù)制三者之間的關(guān)系比如波特率還是1200Baud的通信系統(tǒng)，現(xiàn)改為傳輸四進(jìn)制信號(hào)，則其信息傳輸速率就為2400b/s，比二進(jìn)制信號(hào)提高了一倍。

式中,Rb為信息傳輸速率(b/s)；RB為碼元傳輸速率(Baud)；M為采用信號(hào)的進(jìn)制數(shù)。頻帶利用率：?jiǎn)挝粠拑?nèi)的傳輸速率。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用差錯(cuò)率衡量。差錯(cuò)率包括兩個(gè)內(nèi)容：誤碼率和誤信率。誤碼率指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳輸?shù)目偞a元數(shù)中所占的比例?；蛘哒f是碼元在傳輸中被傳錯(cuò)的概率。用下式表示：誤碼率(Pe)=錯(cuò)誤的碼