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，國防工業(yè)出版社，2012.8

授課學時：64，其中實驗16考核方式：閉卷考試Email：61777100@手機：;CommunicationSystemsConcepts通信原理通信原理是電子、通信、計算機、信息處理等專業(yè)的重要專業(yè)基礎課。課程主要講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成、基本性能指標和基本分析方法。以各種調制技術的分析作為主線，緊緊圍繞通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這對矛盾進行分析，并對各種通信系統(tǒng)的性能指標進行評價與比較。課程簡介：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，各種調制解調性能比較，為進一步學習各種信息傳輸系統(tǒng)打下理論基礎。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。3、理解模擬信號數(shù)字化的過程，掌握PCM調制等常用的數(shù)字化方法。4、掌握數(shù)字通信中常用的調制和解調方法。課程要求：2/6/20233第1章緒論本章教學要求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)主要性能指標的計算。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時互通的浪漫詩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、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，并成為我們社會生活中一個不可或缺的組成部分。隨著科學技術與社會的發(fā)展，對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，包括光信號作為通信信號。現(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、準確地、廣泛地、方便地、經濟地、安全地從信源通過傳輸介質傳送到信宿。通信原理就是介紹支撐各種通信技術的基本概念和數(shù)學理論基礎。1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進行通信的設備硬件、軟件和傳輸介質的集合叫做通信系統(tǒng)。過去對通信系統(tǒng)的定義沒有軟件部分，但隨著計算機進入通信系統(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)送設備、信道、接收設備、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，因為在實際應用中，一個通信系統(tǒng)無法徹底消除干擾。通信系統(tǒng)的一般模型實際通信系統(tǒng)模型如下圖：消息的產生地，其作用是把各種消息轉換成原始電信號（基帶信號）。將信源和信道匹配起來，即將信源產生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。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。傳輸信號的物理媒質傳輸信息的歸宿點，其作用是將接收設備恢復出的原始信號轉換成相應的消息

例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設備、無線電波傳輸、接收設備、揚聲器等。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)字信源產生模擬信號的信源是模擬信源，如話音、圖像；產生數(shù)字信號的信源是數(shù)字信源，如符號、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；數(shù)字通信在信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號；圖1-6模擬通信系統(tǒng)的模型特點：1、信源發(fā)出模擬信號，信道中傳輸?shù)囊彩悄M信號；2、發(fā)送設備和接收設備主要功能是完成調制與解調。圖1-7數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的模型特點：1、信源發(fā)出的與信道中傳輸?shù)亩际腔鶐?shù)字信號；2、發(fā)送和接收設備主要是完成編碼與解碼功能。3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)在日常生活中大部分信號為模擬信號,實現(xiàn)模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸則必須:發(fā)端進行A/D;收端進行D/A

三、數(shù)字通信的特點

1、抗干擾能力強比如設高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認為是5V就行了。一般可以將大于2.5v的信號都判為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誤認為數(shù)據(jù)1。但經過信道編碼后，數(shù)據(jù)0不是用簡單的低電平表示，因此，這種誤碼出現(xiàn)的可能性很小。3、便于進行信號加工與處理由于信號可以儲存，因此可以像處理照片一樣對信號隨意加工處理(在技術允許的范圍內)。4、傳輸中出現(xiàn)的差錯(誤碼)可以設法控制，提高了傳輸質量5、數(shù)字信息易于加密且保密性強。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)。用導線(包括電纜、光纜和波導等)作為介質的通信系統(tǒng)為有線通信系統(tǒng)，如市話系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、普通的計算機局域網等。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傳輸方式，它是通信各方在通信實施之前必須首先確定的問題。根據(jù)不同的標準，通信方式有多種分類法：1、按通信對象數(shù)量的不同，可分為：點到點通信(通信在兩個對象之間進行)、點到多點通信(一個對象和多個對象之間的通信)多點到多點通信三種(多個對象和多個對象之間的通信)。

2、根據(jù)信號傳輸方向與傳輸時間的不同，任意兩點間的通信方式可分為：單工通信(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。在傳輸過程中，信息是以各種具體的電信號或光信號形式表現(xiàn)出來的。為了對通信系統(tǒng)的性能與質量進行定量的分析、研究與評價，就需要對信息進行度量。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。信息是一個抽象的概念，能否被量化？如何量化？例：信息“明天太陽從東邊出來”和“明天太陽從西邊出來”，后者對信息的受者更有吸引力。信息量與事件發(fā)生的概率有關，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。如果消息由若干個互相獨立的事件構成，則該消息所含信息量等于各獨立事件所含信息量之和。且有，則每個符號所含信息量的分別為每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為整個消息的信息量為n為不同符號的個數(shù)；ni代表概率為P(xi)字符的個數(shù)。平均信息量也稱為信息源的熵。bit/符號例：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0，1，2，3四種符號組成，其概率場為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息總長為N=57個符號，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：每個符號的平均信息量(信源的熵)/符號消息有N=57個符號，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。隨著消息中符號數(shù)的增加，這種誤差會逐漸減小。不同的離散信息源可能有不同的熵值?？梢宰C明，在信息源的最大熵發(fā)生在每一個符號等概率出現(xiàn)時，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。關于連續(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)主要性能指標根據(jù)各種不同的劃分標準，通信系統(tǒng)多種多樣。如何評價一個通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣？信息必須依賴于具體電信號的某項參數(shù)的變化進行傳輸。若參數(shù)變化的速度越快，則單位時間內信號所攜帶或傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。定義信息傳輸速率來衡量信息傳輸?shù)目炻挝粫r間傳輸?shù)男畔⒘拷凶鲂畔鬏斔俾?。信息傳輸速率的單位除了基本的比?秒(常記作b/s)外，還有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它們之間的關系為：1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。比如，一個周期電壓方波信號，其幅值變化的頻率為10Hz，即每秒變化10個周期，若給每個周期(兩個碼元)賦予一定的信息量，假設為2bit，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?0b/s(bitpersecond)；如果有另一個周期電壓信號，其幅值變化的頻率為1000Hz，同樣給每個周期賦予2bit信息量，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾示蜑?000b/s。研究通信系統(tǒng)性能指標是一個非常復雜的問題，包括的內容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標準性、快速性、方便性、經濟性以及實用維護等諸多方面。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價通信系統(tǒng)性能的主要指標。對于模擬通信系統(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來評價。電視信號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和對信號的處理方式。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。定義單位時間傳輸?shù)拇a元個數(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，常用時間間隔相同的信號來表示一位二進制數(shù)字，這個時間間隔被稱為二進制碼元長度，即表示0和1的脈沖時間稱為碼元長度。同樣，N進制信號也是等長的，被稱為N進制碼元。一個系統(tǒng)1秒鐘傳送了1200個二進制碼元，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)中可以采用多進制(M進制)信號，即M進制信號，通常M取為2的各次冪，比如4、8、16等，那么在傳輸多進制信號時就需要多種碼元。再定義一個信息傳輸速率：單位時間傳輸?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。二進制數(shù)字信號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)制三者之間的關系比如波特率還是1200Baud的通信系統(tǒng)，現(xiàn)改為傳輸四進制信號，則其信息傳輸速率就為2400b/s，比二進制信號提高了一倍。

式中,Rb為信息傳輸速率(b/s)；RB為碼元傳輸速率(Baud)；M為采用信號的進制數(shù)。頻帶利用率：單位帶寬內的傳輸速率。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用差錯率衡量。差錯率包括兩個內容：誤碼率和誤信率。誤碼率指錯誤接收的碼元數(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的概率。用下式表示：誤碼率(Pe)=錯誤的碼