通信原理-第1章(緒論)課件

通信原理任通菊12/6/20231/87上課學(xué)時(shí)：56學(xué)時(shí)答疑地點(diǎn)：科B232(A)答疑時(shí)間：周二、周四下午2：30---4：0012/6/20232我命在我，不在天地。天助自助者。主動(dòng)還是被動(dòng)是成功與失敗的關(guān)鍵。梅花香自苦寒來(lái)。上好每堂課，做好每次作業(yè)。學(xué)會(huì)讀書，讀專業(yè)書，讀文學(xué)作品（修身養(yǎng)性）。從現(xiàn)在做起。12/6/20233參考書：《通信原理教程》樊昌信等電子工業(yè)出版社《通信原理簡(jiǎn)明教程》南利平清華大學(xué)出版社《通信原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解》王福昌編著華中科技大學(xué)出版社《現(xiàn)代通信原理》曹志剛等清華大學(xué)出版社《通信原理》（合訂本）周炯槃等北京郵電大學(xué)出版社《數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)》LeonW.Couch著電子工業(yè)出版社12/6/20234第1章緒論12/6/20235現(xiàn)代信息社會(huì)中，充分利用與交流信息——通信通信原理——闡述通信及其系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)與分析方法。1.1通信的基本概念1.2歷史回顧1.3信源與常見(jiàn)的消息1.4信道1.5頻帶與電波傳播1.6數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)1.7通信網(wǎng)絡(luò)12/6/202361.1

通信的基本概念

12/6/20237

1.幾個(gè)術(shù)語(yǔ)

通信(communication)

通信就是溝通信息。

信息(information)我們感興趣的事物的狀態(tài)和狀態(tài)變化。消息(message)消息是信息的載體。

信號(hào)(signal)信號(hào)是消息的載體。12/6/20238信號(hào)波形的中心頻率及其帶寬。信號(hào)波形的功率和能量。信號(hào)波形的抗干擾能力如何？在發(fā)送端：產(chǎn)生該波形的代價(jià)如何？在接收端：檢測(cè)該波形的代價(jià)又如何？信號(hào)波形設(shè)計(jì)取決于如下幾個(gè)因素：12/6/202392.通信系統(tǒng)（communicationsystems）TransmitterReceiverChannel信源：一個(gè)換能器其他能量電能信宿:一個(gè)換能器電能其他能量原始信息信號(hào)原始信息信號(hào)通信系統(tǒng)——發(fā)送器，信道與接收器。InformationsourceInformationsink終端：1）信源——發(fā)信者2）信宿——接收者12/6/202310發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信息信號(hào)來(lái)。信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。有線和無(wú)線信道均有多種物理媒質(zhì)。12/6/202311信道要強(qiáng)調(diào)的是在通信中，信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量就越大。通信系統(tǒng)中還存在噪聲，噪聲也是無(wú)法預(yù)知的，噪聲限制了通信的能力。12/6/202312摩爾斯電報(bào)系統(tǒng)——最古老的電信系統(tǒng)，傳送文字消息。誕生于1837年，以不同長(zhǎng)度的聲音表示字符——電碼信號(hào)。電子系統(tǒng)——通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞術(shù)語(yǔ)：“通信”與“電信”。（communication）（telecommunication）12/6/202313兩種基本通信方式：廣播方式：信息同時(shí)送到多個(gè)收信者點(diǎn)—點(diǎn)方式：一個(gè)信源對(duì)一個(gè)收信者基于傳輸方向的特點(diǎn)：?jiǎn)喂は到y(tǒng)：只能沿一個(gè)固定方向傳輸信息。如，電視廣播中、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼雙工系統(tǒng)：能夠同時(shí)沿兩個(gè)方向傳輸信息。如，電話通信。半雙工系統(tǒng)：任何時(shí)候只能沿一個(gè)方向傳輸信息，但可以切換傳輸方向。如，對(duì)講機(jī)通信。

12/6/202314發(fā)端收端信道（1）單工系統(tǒng)（2）雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端信道（3）半雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端12/6/2023151.2

歷史回顧

（自學(xué)）12/6/202316要求：了解到200多年來(lái)通信的發(fā)展歷程：電報(bào)與電話通信的重要作用收音、電視廣播、衛(wèi)星通信、移動(dòng)電話系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化過(guò)程信息論與通信理論的發(fā)展通信朝著數(shù)字化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、移動(dòng)與個(gè)人化方向發(fā)展12/6/2023171.3

信源與常見(jiàn)的消息

12/6/202318數(shù)字信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）數(shù)是有限的

如：計(jì)算機(jī)的輸出模擬信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）是連續(xù)變化的、數(shù)目無(wú)限的。1.3.1數(shù)字與模擬信源如：鍵盤。如：語(yǔ)音源。2.數(shù)字與模擬信源1.信息、消息與信號(hào)Digitalandanaloginformationsource如：漢字集。12/6/202319消息符號(hào)（messagesymbol）：數(shù)字消息的每一種狀態(tài)或者取值稱為一種消息符號(hào)消息符號(hào)集：數(shù)字消息源的所有狀態(tài)或者取值的集合如：具有N種取值的數(shù)字信源數(shù)字消息源:消息符號(hào)、消息符號(hào)集、數(shù)字消息序列（數(shù)字信號(hào)）12/6/202320數(shù)字消息序列：其中xm

取中N個(gè)值之一。圖1.3.1數(shù)字消息信號(hào)示例12/6/2023213.數(shù)字與模擬信源的基本指標(biāo)符號(hào)速率：M元數(shù)字信源：指數(shù)字信源具有M種符號(hào)最基本的是二元數(shù)字信源：具有2種符號(hào)，可以用1位二進(jìn)制編碼表示，稱為1bit.多元數(shù)字信源：如M元，可以用n位二進(jìn)制編碼表示數(shù)字信源的基本指標(biāo):消息符號(hào)數(shù)字信源的元數(shù)：一般，12/6/202322例：假設(shè)計(jì)算機(jī)的終端鍵盤上有110字符，每個(gè)字符用二進(jìn)制代碼組來(lái)表示。問(wèn)每個(gè)字符需要用幾位二進(jìn)制代碼?解:故需要7bits代碼來(lái)表示每個(gè)字符.12/6/202323習(xí)題1.1考慮手機(jī)短消息通信，以你自己或其他某人的經(jīng)驗(yàn)，試估計(jì)（1）按鍵速率；（2）假定每個(gè)中文字符轉(zhuǎn)換為2字節(jié)表示，短消息的二元符號(hào)速率是多少？解：（1）經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，按鍵速率為2.03key/s（2）短消息的二元符號(hào)速率為12/6/202324模擬信源的基本指標(biāo):頻帶的寬度（赫或赫茲，Hz）

如：語(yǔ)音的音量電信號(hào)電信號(hào)12/6/202325(補(bǔ)充)

數(shù)字波形與模擬波形（傳輸波形）對(duì)于數(shù)字信源可以用二元（二進(jìn)制）波形（信號(hào)）傳輸，也可以用多元（多進(jìn)制）波形（信號(hào)）傳輸。數(shù)字波形：信號(hào)的傳信息的參量只取有限個(gè)值。二進(jìn)制（binary）信號(hào):1bit二進(jìn)制代碼用一個(gè)脈沖傳，故在一個(gè)Ts時(shí)隙內(nèi)傳兩種不同的脈沖之一.Ts：Timeslot12/6/202326例1：二進(jìn)制波形（二電平波形）電平A和0抽象為符號(hào)和，兩個(gè)符號(hào)稱為二元（二進(jìn)制）符號(hào)。符號(hào)周期或碼元寬度數(shù)字基帶信號(hào)信道符號(hào)頻譜在零頻附近12/6/202327多進(jìn)制(M-ary)信號(hào):n

bit二進(jìn)制代碼用一個(gè)脈沖傳，在一個(gè)Ts時(shí)隙內(nèi)傳M種不同的脈沖之一.一般，例2：4進(jìn)制波形4個(gè)電平抽象為符號(hào)，4個(gè)符號(hào)稱為4元（4進(jìn)制）符號(hào)。數(shù)字基帶信號(hào)符號(hào)周期或碼元寬度信道符號(hào)12/6/202328傳輸速率：比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)

單位:bits/sb/sbps符號(hào)速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖數(shù)（符號(hào)數(shù)）

單位:symbol/sBaudBdRb和Rs的關(guān)系:信道符號(hào)12/6/202329對(duì)于模擬信源模擬波形：信號(hào)的傳信息的參量的取值是連續(xù)變化的模擬波形在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。模擬波形經(jīng)過(guò)A/D變換變成數(shù)字波形，也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。12/6/202330數(shù)字消息——用離散型隨機(jī)變量描述N元消息源:數(shù)字消息序列——隨機(jī)序列1.3.2隨機(jī)信號(hào)與確定信號(hào)隨機(jī)性——信息對(duì)于接收者必須是新的，即事先未知的且無(wú)法預(yù)知的。數(shù)字信號(hào)（波形）——隨機(jī)波形12/6/202331模擬消息——用連續(xù)型隨機(jī)變量描述模擬消息信號(hào)是隨機(jī)過(guò)程x(t)，概率密度函數(shù)fx(t)(x)通信系統(tǒng)中的確定信號(hào)：正弦波與矩形脈沖等，用于協(xié)助傳送消息信號(hào)通信系統(tǒng)中常常傳送：12/6/2023321.3.3信息的度量單個(gè)消息的信息量

設(shè):離散信源X蘊(yùn)含的信息量為：消息攜帶的信息量的大小與消息出現(xiàn)的不確定程度有關(guān)。12/6/202333以2為底時(shí)單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）以e為底時(shí)單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）以10為底時(shí)單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）注意：對(duì)于單條消息，其pi越小，則Ii越大；Ii大小與消息的內(nèi)容是否有實(shí)際意義無(wú)關(guān)12/6/2023343.信息速率（熵率）一個(gè)信源的信息速率為:其中:H為信源熵.

T

為發(fā)送一條消息的時(shí)間.

R

為每秒內(nèi)發(fā)送的信息量從信息的角度看，熵與熵率是信源的基本指標(biāo)。2.信源熵H(X)數(shù)字信源每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)所帶來(lái)的平均信息量entropy12/6/202335例1.1二元消息源X1、X2與X3的取值概率為：

解：12/6/202336例1.2數(shù)字信源X—4元等概，Y—2元等概，求它們的熵。

解：12/6/202337例：計(jì)算信息速率。某電話鍵盤:0,1,…9,*,#，其中P[*]=P[#]=0.005，P[0]=P[1]=…=P[9]=0.099。如果按鍵速率為2keys/s,計(jì)算該信源的信息速率解:作業(yè)：1.21.41.612/6/202338（自學(xué)）要求：了解各種消息源的特點(diǎn)及基本指標(biāo)12/6/202339模擬消息12/6/202340模擬消息12/6/202341模擬消息12/6/202342數(shù)字消息12/6/2023431.4

信道

12/6/202344信道——介于發(fā)信者與收信者之間，供消息信號(hào)經(jīng)過(guò)的通道，是傳輸電、電磁波或光信號(hào)的物理媒質(zhì)。兩大類：（1）有線信道：普通導(dǎo)線、電話線、電纜、波導(dǎo)與光纖；（2）無(wú)線信道：大氣、真空與海水等。12/6/202345引入乘性噪聲1.4.1信道的影響1.加性噪聲——以相加的形式混入的噪聲。噪聲是隨機(jī)的，典型的為熱噪聲。其他干擾：1）自然界的干擾，如雷電等；2）人為干擾。2.信道的傳輸特性可能引起信號(hào)的畸變，使信號(hào)發(fā)生某種形式的失真。變參信道——參數(shù)特性是時(shí)變的，甚至是隨機(jī)變化的。12/6/2023461.4.2加性噪聲信道模型加性信道一般模型：加性高斯白噪聲信道（AWGN）——通常n(t)為熱噪聲，具有高斯白噪聲特性，功率譜密度值：，反映的是每Hz頻帶內(nèi)噪聲的平均功率。12/6/202347全通濾波器:帶通濾波器:低通濾波器:理想信道模型:線性時(shí)不變系統(tǒng)12/6/202348（自學(xué)）要求：了解各種信道的特點(diǎn)及基本指標(biāo)（帶寬）12/6/20234912/6/202350光纖有以下的一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：頻帶寬，容量大：潛在帶寬可達(dá)Hz2.傳輸損耗低：無(wú)中繼傳輸幾百公里。3.光信號(hào)不受電磁干擾，抗噪聲好、保密性強(qiáng)。4.體積小、質(zhì)量輕、易于使用；材料豐富、價(jià)格低廉。長(zhǎng)途電話網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)中常用光纖作為其傳輸媒質(zhì)。

12/6/20235112/6/20235212/6/20235312/6/2023541.5

頻帶與電波傳播

12/6/2023551.5.1頻帶的名稱頻帶——某個(gè)頻率范圍。頻率與波長(zhǎng)關(guān)系：

信號(hào)的頻帶（帶寬）——信號(hào)的絕大部分能量或功率集中的頻率范圍。信道的頻帶（帶寬）——信道能傳送信號(hào)的頻率范圍。12/6/202356海底通信等調(diào)幅廣播等短波廣播等頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

12/6/202357頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

調(diào)頻廣播、電視廣播等微波通信、電視廣播、個(gè)人通信系統(tǒng)等光通信12/6/202358幾千赫以上的信號(hào)可以用于無(wú)線電通信，電波傳播特性主要由其頻率值決定。要有效地輻射電磁能量，天線的物理尺寸必須大于電磁波波長(zhǎng)的1/10中頻、低頻、甚低頻3MHz以下1.5.2無(wú)線電波的傳播地波模式——電波沿地表面彎曲傳播的方式。較低頻率電波的主要傳播方式，如，MF的調(diào)幅(AM）廣播。12/6/202359天波模式——電波經(jīng)天空中的電離層反射而折回地面的傳播方式。HF（3~30MHz）電波主要以天波模式傳播。位于地面上方60~400km處D,E,F1,F2層12/6/202360電離層——大氣層中環(huán)繞地球的離子層?；疽?guī)律：白天由于太陽(yáng)充足，D層濃度高，能大量吸收2MHz以下的電波；夜晚D層濃度低，電波可達(dá)F層，30MHz以下的電波反射回來(lái)。常見(jiàn)問(wèn)題是多徑傳播，造成頻率選擇性衰落。12/6/2023612.也可以用于地面的視距傳播1.30M以上的電磁波向上傳播時(shí)會(huì)穿過(guò)電離層而不被反射回來(lái)，可以用于衛(wèi)星通信和外太空通信視線傳播模式——電波像光波作直線傳播的方式，是VHF及更高的頻率（30MHz以上）電波的主要工作模式?？捎糜谛l(wèi)星和外太空通信。12/6/202362視距的計(jì)算：在地面應(yīng)用時(shí)，地球表面的彎曲限制了傳播的距離。12/6/202363（自學(xué)）1.5.3無(wú)線頻譜及其管理無(wú)線信道是人類共有的自由空間，開(kāi)放給所有發(fā)送與接收用戶的共享資源。為了維護(hù)秩序，協(xié)調(diào)通信應(yīng)用，減少干擾，各個(gè)國(guó)家都建立了有關(guān)政府部門進(jìn)行管理。國(guó)際機(jī)構(gòu)為國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)，其前身是:國(guó)際電話與電報(bào)咨詢委員會(huì)（CCITT）和國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR）。12/6/202364FrequencyDivisionMultiplexing管理無(wú)線頻帶的基本方法1.5.4頻分復(fù)用（FDM）頻分復(fù)用——

多個(gè)信號(hào)錯(cuò)開(kāi)頻率位置共用頻帶的方法FDM這種思想也大量用在有線信道內(nèi)。從FDM可見(jiàn)，帶寬是信道本質(zhì)上的資源。12/6/2023651.6數(shù)字與模擬

通信系統(tǒng)

12/6/2023661.6.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)——信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)。信源調(diào)制器發(fā)射機(jī)信道接收機(jī)解調(diào)器信宿噪聲發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備系統(tǒng)的核心：調(diào)制與解調(diào)單元。基帶信號(hào)基帶信號(hào)12/6/202367調(diào)制——借助于正弦載波形成頻帶信號(hào)：R(t)或θ(t)（或兩者同時(shí)）隨信息m(t)變化。調(diào)制：基帶信號(hào)頻帶信號(hào)modulation依據(jù)變化方式的不同，調(diào)制有各種制式，相應(yīng)的帶寬與抗噪聲能力也不同。解調(diào)——調(diào)制的逆過(guò)程。解調(diào)：頻帶信號(hào)基帶信號(hào)demodulation調(diào)制解調(diào)器（modem）12/6/2023681.6.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)——信道中傳輸數(shù)字波形的通信系統(tǒng)。一個(gè)較為完善的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)：

基本的——白色實(shí)線框；可選的——灰色虛線框。12/6/202369收發(fā)兩端結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，相應(yīng)的單元彼此互逆。12/6/202370信道噪聲接收設(shè)備信源信宿格式化脈沖基帶調(diào)制發(fā)送設(shè)備信源編碼信道編碼加密頻帶調(diào)制發(fā)射機(jī)格式化脈沖基帶檢測(cè)信源譯碼信道譯碼解密頻帶解調(diào)接收機(jī)數(shù)字通信系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型信號(hào)處理信號(hào)處理基帶信號(hào)基帶信號(hào)12/6/202371發(fā)格式化：把來(lái)自信源的消息信號(hào)整理為二進(jìn)制序列。收格式化：把收到的二進(jìn)制序列還原為原始消息信號(hào)。格式化：對(duì)于模擬信源，格式化還包括A/D和D/A變換。

脈沖基帶調(diào)制和基帶檢測(cè)脈沖基帶調(diào)制:把二進(jìn)制序列變換成二元或多元傳輸波形基帶檢測(cè):把二元或多元傳輸波形還原為二進(jìn)制序列。通過(guò)對(duì)基帶波形進(jìn)行抽樣和判決實(shí)現(xiàn)。

同步單元為整個(gè)數(shù)字傳輸系統(tǒng)提供各種定時(shí)時(shí)鐘，使各個(gè)單元能夠正確、有序地工作。12/6/202372信源編碼和信源譯碼

信源編碼:為了改善傳輸效率（壓縮編碼）

信源譯碼:為了恢復(fù)原始信號(hào)，作相反的變換

信道編碼和信道譯碼

信道編碼:為了改善傳輸?shù)目煽啃裕ㄐ诺兰m錯(cuò)編碼）

信道譯碼:為了恢復(fù)原始信號(hào)，作相反的變換

加密和解密

加密:為信息傳輸提供保密性

解密:作相反的變換12/6/202373數(shù)字通信系統(tǒng)(相比模擬系統(tǒng))突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）信號(hào)狀態(tài)有限，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)低誤碼率。中繼再生可以避免噪聲積累，利于長(zhǎng)距離傳輸；（2）由信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)可進(jìn)一步降低誤碼率；（3）易于進(jìn)行加密處理；（4）易于進(jìn)行壓縮，以減少冗余度，提高信道利用率。（5）易于不同種類的信源數(shù)據(jù)，共用數(shù)字通信系統(tǒng)；（6）便于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信；缺點(diǎn)：（1）通常需要更多的帶寬；（2）復(fù)雜的同步系統(tǒng)。12/6/202374characteristicsmeasure1.6.3通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)：有效性——給定的時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少；可靠性——接收到的信息的準(zhǔn)確程度。12/6/202375數(shù)字通信系統(tǒng)比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)單位:bits/sb/sbps符號(hào)速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖（信道符號(hào)）數(shù)單位:symbol/sBaudBd頻帶利用率：平均每赫茲所能提供的傳輸速率（bps/Hz）。B:數(shù)字波形的帶寬Rb:數(shù)字波形的bit率1.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性：傳輸速率：

碼元速率12/6/2023762.數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性：

誤比特率(BER):模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)的有效性——傳輸帶寬；模擬通信系統(tǒng)的可靠性——接收端輸出信號(hào)的信噪比（SNR）12/6/2023776.4信道的容量1.

信道容量C:

即能通無(wú)誤過(guò)信道的最大信息速率.香農(nóng)指出——信道有一個(gè)傳輸信息的“能力”，稱為信道容量，是無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)乃俾噬辖纭?channelcapacity)12/6/2023782.香農(nóng)公式設(shè):信道H(w)=1，BW=B信道帶寬為BHzAGWNN:信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲功率則:揭示了通信系統(tǒng)的容量與帶寬、信號(hào)功率和噪聲功率之間的關(guān)聯(lián)。shannonformula12/6/2023793.香農(nóng)公式的意義其中:為信道三要素（1）當(dāng)給定B、S/N時(shí)，信道的極限傳輸能力C（信道容量）即確定。如果信道實(shí)際的信息傳輸速率R小于或等于C時(shí)，此時(shí)能做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（差錯(cuò)率可任意小）。如果R大于C，那么無(wú)差錯(cuò)傳輸在理論上是不可能的。12