通信原理-Ch1-緒論(李2014年版)課件

通信原理電子與信息工程學(xué)院2014年9月主講教師：李建雄前言教材：《現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用》第二版，苗長云等編著，電子工業(yè)出版社本教材有一定深度，希望同學(xué)們一定要結(jié)合其他參考書來學(xué)習(xí)。推薦參考書：《通信原理》，樊昌信，國防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理》，沈葆鎖，國防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理習(xí)題指南》，上書的配套習(xí)題準(zhǔn)備考天津大學(xué)研究生的同學(xué)尤其要關(guān)注這兩本書外文書：FundamentalsofCommunicationsSystems,美國MichaelP.Fitz前言（續(xù)）課時安排：理論課（60）實驗（15）每周三、五：上理論課從第六周開始的雙周周二：上實驗課；地址：4B-405實驗課的主講教師：高懷舉老師電子1101,1102：

每雙周的周二第一大節(jié)電子1103,1104：

每雙周的周二第三大節(jié)前言（續(xù)）關(guān)于本課程的基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)方法基礎(chǔ)知識：《電路基礎(chǔ)》《概率論》的基本知識《信號與系統(tǒng)》中的傅里葉變換（教材P15列出常用）學(xué)習(xí)方法：不準(zhǔn)備考研的同學(xué)：側(cè)重于基本原理和公式的應(yīng)用考研的同學(xué)：不僅要會用，還要知道來龍去脈考不同學(xué)校的研究生要看不同的參考書，因為側(cè)重點和難度差別很大第一章緒論主要內(nèi)容§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)分類及通信方式§1.4信息及其度量§1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)重點為§1.4和§1.5§1.1通信的基本概念一、通信的幾種定義（1）通信的通俗定義：由一點向另一點傳遞消息的過程（2）通信的專業(yè)定義：利用信息載體（如電或光信號）的某一個或幾個參數(shù)（如振幅、頻率等）的變化承載信息，在特定物理媒介（稱“信道”）中傳輸、交換的過程。本課的重點是“傳輸”，而“交換”將在程控交換等課中講（3）數(shù)字通信的本質(zhì)定義（引用美國數(shù)學(xué)家和信息論創(chuàng)始人Shannon的話）：通信是在一點（接收端）盡力恢復(fù)另一點（發(fā)送端）的“選擇”的過程§1.1通信的基本概念（續(xù)）二、信號的基本分類消息的載體是信號，而信號可分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號連續(xù)的模擬信號tt離散的模擬信號注意：“模擬”信號的特點是在取值上（即縱坐標(biāo)）是連續(xù)的信號的基本分類（續(xù)）2進(jìn)制數(shù)字信號連續(xù)的數(shù)字信號（2進(jìn)制）t10010離散的數(shù)字信號（2進(jìn)制）t10010注意：“數(shù)字”信號的特點是在取值上（即縱坐標(biāo)）是有限多個值的集合多進(jìn)制數(shù)字信號連續(xù)的數(shù)字信號（4進(jìn)制）t（秒）00011011010123稱為1個碼元周期Tb注意：在多進(jìn)制數(shù)字信號中，碼元≠比特1234§1.2通信系統(tǒng)的組成由前面通信的定義，我們可知，要完成通信的過程至少要有：發(fā)送信息者（稱“信源”）接收信息者（稱“信宿”）傳輸信息的通道（稱“信道”）但是很多信號（如語音），如果不經(jīng)過處理，傳輸距離很短，而且很容易被干擾；所以在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，需要“發(fā)送設(shè)備”和“接收設(shè)備”，它們作用就是使信號傳輸?shù)酶h(yuǎn)，質(zhì)量更好；§1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型如下圖所示：信源在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備，如麥克風(fēng)等發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備信宿如調(diào)制器、功率放大器、天線等如雙絞線、光纖、同軸電纜等。注意：自由空間也是一種信道是一種隨機(jī)信號，對通信有害，但不可避免。是發(fā)送設(shè)備處理的“逆過程”在本書中，特指將電信號還原成原始信息的設(shè)備，如揚聲器等在上述通用模型中，發(fā)送設(shè)備對來自信源的信號的處理可能有2種情況：一、直接對模擬信號進(jìn)行放大和傳輸（例如無線廣播電臺、第一代移動通信系統(tǒng)“大哥大”）二、把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（提高抗噪聲性能、且易于加密）后，再進(jìn)行處理和傳輸，如數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)電臺、2G/3G/4G移動通信等根據(jù)這兩種不同情況，我們把通信系統(tǒng)分為：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)2大類要點提示：區(qū)分模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，要看信道中傳輸?shù)氖悄M信號和還是數(shù)字信號§1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去從這個過程中我們可以知道，實際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能補充知識：基帶信號與頻帶信號基帶信號：很多信源輸出的信號，含有豐富的低頻成分，即，其頻譜在低頻附近（例如我們說的語音在300~4kHz，再例如數(shù)字電路輸出的TTL信號）。這些信號我們統(tǒng)稱為基帶信號頻帶信號：將基帶信號從低頻段調(diào)制到高頻段后的信號（又稱“已調(diào)信號/已調(diào)波”）如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿基帶信號頻帶信號已調(diào)信號頻帶信號已調(diào)信號基帶信號調(diào)制的目的1.將基帶信號變換為適合于信道傳輸?shù)念l帶信號，如在無線通信中，必須將基帶信號載在高頻上才能發(fā)射出去；2.改善系統(tǒng)性能；3.實現(xiàn)信道復(fù)用，提高信道利用率。模擬通信研究的基本問題1.收發(fā)兩端的換能過程及基帶信號的特性；2.調(diào)制與解調(diào)原理；3.信道與噪聲特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懀?.存在噪聲時的系統(tǒng)性能。§1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（用以傳輸數(shù)字基帶信號）數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（又稱“數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)”，用以傳輸數(shù)字頻帶信號）那么，什么是“數(shù)字基帶信號”？什么是“數(shù)字頻帶信號”呢？1、數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型如下圖所示其原理將在第7章詳細(xì)介紹，此處知道即可例如局域網(wǎng)通信、USB串口通信都屬于這一類噪聲源基帶信號形成器接收濾波器抽樣判決信宿信源信道2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型

（教材P2的圖1.3,大家可加上“頻帶”2字）信源可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計算機(jī)）信源編碼如果信源是數(shù)字信源，主要對其壓縮、加密等；如果是信源是模擬信源，則先進(jìn)行A/D變換再進(jìn)行壓縮、加密信道編碼主要功能是檢錯和糾錯，將在第12章詳細(xì)介紹。主要目的是為了保證通信的可靠性數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h(yuǎn)、更多、更抗干擾，將在第8章詳細(xì)介紹信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調(diào)制有融合的趨勢怎樣理解信源編碼和信道編碼信源編碼：根據(jù)信源的特點進(jìn)行的相應(yīng)的編碼處理（主要指的是壓縮，還包括數(shù)字加密等）。目的：提高通信的有效性，即用適當(dāng)?shù)姆椒ń档蛿?shù)字信號的碼元速率以壓縮頻帶。例如語音可采用PCM編碼（第6章要講），靜止圖像有jpg編碼，動態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂有mp3編碼等等…可以看出不同的信源往往有不同的信源編碼（這是因為不同的信源的統(tǒng)計特性是不同的）怎樣理解信源編碼和信道編碼信道編碼：根據(jù)信道的特點進(jìn)行相應(yīng)的編碼，以使信號適合在這種信道中傳輸，主要指的是檢錯、糾錯。目的：提高通信的可靠性如在計算機(jī)中普遍用的CRC(循環(huán)冗余)編碼等不同的信道往往采用不同的信道編碼（因為不同的信道有不同的誤碼特性）數(shù)字通信研究的基本問題1.收、發(fā)兩端的換能過程，模擬信號數(shù)字化及數(shù)字式基帶信號的特征；2.數(shù)字調(diào)制與解調(diào)原理；3.信道與噪聲的特性及其對信號傳輸?shù)挠绊懀?.抗干擾編碼和譯碼，即差錯控制與編碼；5.通信保密；6.同步。數(shù)字通信與模擬通信相比的優(yōu)點1.數(shù)字傳輸?shù)目乖肼暎垢蓴_）能力強(qiáng)，數(shù)字信號傳輸中可通過中繼再生消除噪聲的累積；2.數(shù)字通信可以通過差錯控制編碼技術(shù)，提高通信的可靠性；3.數(shù)字通信便于利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行處理；4.數(shù)字通信中的信息易于加密，且保密性強(qiáng)；5.數(shù)字通信可以傳遞各種消息（模擬的和數(shù)字的），使通信系統(tǒng)靈活性好、通用性強(qiáng)；數(shù)字通信與模擬通信相比的缺點信號占用的頻帶寬。例如，一路模擬電話僅占4kHz帶寬，而一路數(shù)字電話要占20~64kHz的帶寬。6.數(shù)字通信采用數(shù)字集成電路，具有體積小、重量輕、可靠性高及調(diào)整調(diào)試方便的優(yōu)點。§1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式§1.3.1通信系統(tǒng)的分類按信道傳輸?shù)男盘柗N類來分按傳輸?shù)拿浇榉N類來分按信號是否經(jīng)過調(diào)制模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)基帶通信系統(tǒng)頻帶（調(diào)制）通信系統(tǒng)根據(jù)實際情況來確定（如傳輸距離）§1.3.1通信系統(tǒng)的分類（續(xù)）按通信系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)種類分電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng)等Service按復(fù)用的方式分頻分復(fù)用（FDM）通信系統(tǒng)時分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng)碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng)在11章將詳細(xì)介紹這些復(fù)用方式并不互相排斥，可能同時使用在一個通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時使用了TDM和CDM§1.3.2通信的方式1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時間關(guān)系劃分通信方式分：§1.3.2通信的方式（續(xù)）2、按數(shù)字信號碼元排列方式劃分通信方式如打印機(jī)與計算機(jī)之間如USB、RS-232等§1.3.2通信的方式（續(xù)）3、按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分通信方式專線通信（點對點通信）網(wǎng)通信§1.4信息及其量度(重點章節(jié))消息，信息與信號的區(qū)別消息：通常把語言和聲音、音樂、文字、符號、數(shù)據(jù)、圖象等統(tǒng)稱為消息。信息：消息中所給予收信者的新知識或消息中包含的有意義的內(nèi)容。信號：描寫與消息相對應(yīng)的電信號或光信號，是傳遞信息的載體。§1.4信息及其量度(重點章節(jié))鐵路系統(tǒng)運送貨物量多少采用“貨運量”（不管運送什么貨物）來度量通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。注意：信息量的大小實際上與內(nèi)容無關(guān)一個消息對于接收者很有價值（即信息量大）在于這個消息是他不知道的事情或覺得不可能發(fā)生的事情（即小概率事件）。信息量與消息的種類、含義及重要程度無關(guān)，它僅與消息中包含的不確定性有關(guān)?！?.4信息及其量度（續(xù)）即，消息中所含信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。一條信息發(fā)生的概率越小，信息量越大；概率越大，則信息量越?。灰环N極端情況是“必然的事情”信息量為0。于是，對于一條信息x，人們用下列公式表示其信息量I：（式1.4.1）

§1.4信息及其量度（續(xù)）信息量的單位由對數(shù)底的取值決定。若對數(shù)以2為底時單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）；若以e為底時單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）；若以10為底時單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）。同學(xué)們要掌握的§1.4信息及其量度（續(xù)）通常采用“比特”作為信息量的實用單位。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸M個等概率的消息之一時，每個消息出現(xiàn)的概率為1/M，任一消息所包含的信息量為若M=2K，則§1.4信息及其量度（續(xù)）非等概率：設(shè)信息源中包含有n個消息符號，每個消息xi出現(xiàn)的概率為p(xi)，則各消息出現(xiàn)的概率為則x1,x2,…,xi所包含的信息量分別為-log2p(x1),-log2p(x2),…,-log2p(xn)?！?.4信息及其量度（續(xù)）平均信息量（信息熵）每個符號所包含的信息量的統(tǒng)計平均值請注意其量綱這個公式與物理熱力學(xué)中的熵很相似。但熱力學(xué)中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。[例題1.4.1]一信息源由4個符號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，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。若消息序列長為57個符號，其中0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，試求消息序列所包含的信息量和平均信息量。解：消息序列的平均信息量[例題1.4.2]某信源每天播報某地的天氣預(yù)報，此地晴天、多云、陰、雨的概率分別為1/2、1/4、1/8、1/8求：（1）晴、多云、陰、雨的各自所含信息量（2）信息串“晴-多云-陰-晴-晴-晴-多云-雨”所含的總信息量（3）此信源的每個消息的平均信息量（稱為“信息熵”）[例題1.4.2]（解）[例題1.4.2]（解）解：該信息源符號的平均信息量為[例1.4.3]某信息源的符號集由A，B，C，D和E組成，設(shè)每一個符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。試求該信息源符號的平均信息量（即信息熵）?！?.5通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)(重點章節(jié))通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題二者是“對立統(tǒng)一”體例如：在一段固定時間的強(qiáng)干擾下，傳輸速率越大則誤碼越多；檢錯糾錯碼加入的冗余信息越多，則越可靠§1.5.1模擬通信系統(tǒng)的指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。例如收音機(jī)調(diào)幅電臺的帶寬通常在10kHz左右，而調(diào)頻電臺的帶寬通常在180kHz左右模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。調(diào)頻的音質(zhì)明顯好于調(diào)幅電臺§1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)的指標(biāo)一、有效性指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸速率和頻帶利用率來表征。1、傳輸速率傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示，或bps。注意：與Bps的區(qū)別碼元速率RB與信息速率Rb的關(guān)系在等概率條件下，4進(jìn)制符號每符號的概率為1/4，所含信息量為2bit8進(jìn)制符號每符號的概率為1/8，所含信息量為3bit……可以看出對于等概率N進(jìn)制信源每傳1個符號等于傳了log2N(bit)信息，所以對于考研同學(xué)的擴(kuò)展知識若信源各符號不是等概率的，則注意：這和上頁的結(jié)論并不矛盾。因為N進(jìn)制等概率的信源的熵就是log2N(bit/符號)有效性指標(biāo)之2、頻帶利用率又分為碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率碼元頻帶利用率：數(shù)字通信系統(tǒng)的碼元速率RB與其所占頻率帶寬B的比值，即信息頻帶利用率（衡量有效性的最佳指標(biāo)）數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率Rb與其所占頻率帶寬B的比