通信原理 樊昌信 第1章 绪论.ppt

通信 原理第第0章章关于通信原理的学习关于通信原理的学习 l0.1通信原理通信原理课在通信专业学习中的地位和作用课在通信专业学习中的地位和作用l1地位：是构建通信专业知识的主干地位：是构建通信专业知识的主干l2.目的：掌握通信系统的基本原理以及分析和解决问题的基本方法。目的：掌握通信系统的基本原理以及分析和解决问题的基本方法。l3.3.研究方法：是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分研究方法：是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。在析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。在给定系统参数的情况下，估算系统的性能（系统分析）；在给定系统性能要求的情况给定系统参数的情况下，估算系统的性能（系统分析）；在给定系统性能要求的情况下，设计和优化系统的参数（系统设计）。在系统的数学模型比较复杂时，可以采用下，设计和优化系统的参数（系统设计）。在系统的数学模型比较复杂时，可以采用计算机模拟仿真（如：用计算机模拟仿真（如：用MATLABMATLAB软件仿真）的方法获得这些参数之间的关系，达到优软件仿真）的方法获得这些参数之间的关系，达到优化通信系统的目的。化通信系统的目的。l0.2该课程的特点、难点和学习中应注意的方法该课程的特点、难点和学习中应注意的方法l1特点：由于是专业基础课，所以既有基础课的理论推导和计算，又有专业课极强特点：由于是专业基础课，所以既有基础课的理论推导和计算，又有专业课极强的物理意义的存在，且是一个系统级分析、研究和设计。因此，就要求在学习中，改的物理意义的存在，且是一个系统级分析、研究和设计。因此，就要求在学习中，改进以往的学习方法，决不能只停留在会模仿计算上，同样不能只满足于知道或记住结进以往的学习方法，决不能只停留在会模仿计算上，同样不能只满足于知道或记住结论。论。2难点：难点：在掌握理论推导的基础上，弄清其物理意义在掌握理论推导的基础上，弄清其物理意义有部分随机信号分析的方法有部分随机信号分析的方法大量采用付立叶变换的谱分析方法大量采用付立叶变换的谱分析方法3方法：方法：抓住系统框图，理清分析思路抓住系统框图，理清分析思路弄清推导思路，学会分析方法弄清推导思路，学会分析方法深入领会结论，灵活应用解题深入领会结论，灵活应用解题提倡简单预习，重听更重思考提倡简单预习，重听更重思考认真完成作业，障碍及时清扫认真完成作业，障碍及时清扫0.3参考书参考书1 现代通信原理现代通信原理清华清华曹志刚曹志刚2 通信原理通信原理北邮北邮周炯磐周炯磐3 通信原理简明教程通信原理简明教程 清华清华南利平南利平 4数字信号数字信号-基础与应用基础与应用电子电子徐平平等译徐平平等译 5.现代通信系统现代通信系统-使用使用Matlab西交大西交大 刘树棠译刘树棠译 l0.4课堂要求课堂要求l1带计算器，考试时不能带有记忆功能的计算器带计算器，考试时不能带有记忆功能的计算器l2不迟到不迟到l3 不说与讲课内容无关的话，不清楚随时提问不说与讲课内容无关的话，不清楚随时提问l0.5其它其它l1 每周一交作业每周一交作业l2 答答疑疑：时时间间、地地点点(3号号实实验验楼楼3层层324通通信信基基础础教教研研室室)l3 考试：期中和期末考试：期中和期末l4System View 和和 Matlab仿仿真真软软件件建建议议大大家家积积极极尝尝试试和和使用使用l有答案书，可以参考，但不要一抄了事，要弄懂有答案书，可以参考，但不要一抄了事，要弄懂通信原理第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论l1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：传递通信的目的：传递消息消息中所包含的中所包含的信息信息。n消息消息：是物质或精神状态的一种反映，例如：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。等。n信息信息：是消息中包含的有效内容。：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：实现通信的方式和手段：u非电的：如旌旗、消息树、烽火台非电的：如旌旗、消息树、烽火台 u电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。因特网和计算机通信等。第第1章章 绪论绪论n电信发明史电信发明史u1837年：莫尔斯发明有线电报年：莫尔斯发明有线电报u1876年：贝尔发明有线电话年：贝尔发明有线电话 u1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世年：调幅无线电广播、超外差接收机问世u1936年：商业电视广播开播年：商业电视广播开播 n后面讲述中，后面讲述中，“通信通信”这一术语是指这一术语是指“电通信电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。，包括光通信，因为光也是一种电磁波。n在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。现的。第第1章章 绪论绪论l1.2 通信系统的组成通信系统的组成n1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型u信息源信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。u发送设备发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。：产生适合于在信道中传输的信号。u信道信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。u噪声源噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第第1章章 绪论绪论u接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。信号。u受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。扬声器等。第第1章章 绪论绪论n1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：风输出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1-2 模拟信号第第1章章 绪论绪论p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：报信号、计算机输入输出信号：u通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号第第1章章 绪论绪论u模拟通信系统模型模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：p两种变换：两种变换：模拟消息模拟消息 原始原始电电信号（基信号（基带带信号）信号）基基带带信号信号 已已调调信号（信号（带带通信号）通信号）图1-4 模拟通信系统模型第第1章章 绪论绪论u数字通信系统模型数字通信系统模型p数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 p信源编码与译码目的：信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性提高信息传输的有效性完成模完成模/数转换数转换 p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力信道编码与译码目的：增强抗干扰能力p加密与解密目的：保证所传信息的安全加密与解密目的：保证所传信息的安全p数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 图1-5 数字通信系统模型第第1章章 绪论绪论n1.2.3 数字通信的特点数字通信的特点u优点优点p抗干扰能力强，且噪声不积累抗干扰能力强，且噪声不积累p传输差错可控传输差错可控p便于处理、变换、存储便于处理、变换、存储p便于将来自不同信源的信号综合到一起传输便于将来自不同信源的信号综合到一起传输p易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于集成，使通信设备微型化，重量轻p易于加密处理，且保密性好易于加密处理，且保密性好u缺点：缺点：p需要较大的传输带宽需要较大的传输带宽p对同步要求高对同步要求高第第1章章 绪论绪论l1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式n1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类u按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统数据通信系统、图像通信系统 u按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。u按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统u按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 u按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信信 u按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用分复用 第第1章章 绪论绪论n1.3.2 通信方式通信方式u单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信p单工单工通信：消息只能单方向传输的工作方式通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式发的工作方式p全双工全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 第第1章章 绪论绪论u并行传输和串行传输并行传输和串行传输p并行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输式在两条或两条以上的并行信道上同时传输 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要缺点：需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 第第1章章 绪论绪论p串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施u其他分类方式：其他分类方式：p同步通信和异步通信同步通信和异步通信p专线通信和网通信专线通信和网通信第第1章章 绪论绪论l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息信息：是消息中包含的有效内容：是消息中包含的有效内容n如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?u度量信息量的原则度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。p度量方法应该与消息的重要程度无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。p消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例例】“某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今天下雨今天下雨”这这条消息包含有更多的信息。条消息包含有更多的信息。上例表明：上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。第第1章章 绪论绪论u度量信息量的方法度量信息量的方法p事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。大。p设：设：P(x)消息消息x发生的概率，发生的概率，I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，p则则 P(x)和和 I 之间应该有如下关系：之间应该有如下关系：I 是是 P(x)的函数：的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I ；P(x)=1时，时，I 0；P(x)=0时，时，I ；p 满足上述满足上述3条件的关系式如下：条件的关系式如下：信息量的定义信息量的定义第第1章章 绪论绪论p上式中对数的底：上式中对数的底：若若a=2，信息量的单位称为信息量的单位称为比特比特(bit)，可简记为可简记为b 若若a=e，信息量的单位称为奈信息量的单位称为奈特特(nat)，若若 a=10，信息量的单位称为哈特莱信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。p通常广泛使用的单位为比特，这时有通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)p【例例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信息含量为，则信源每个输出的信息含量为 p在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特比特 第第1章章 绪论绪论p若有若有M个等概率波形（个等概率波形（P=1/M），），且每一个波形的出现且每一个波形的出现是独立的，则传送是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为p若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有则有当当M=4时，即时，即4进制波形，进制波形，I=2比特，比特，当当M=8时，即时，即8进制波形，进制波形，I=3比特。比特。第第1章章 绪论绪论p对于非等概率情况对于非等概率情况设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符个符号组成的集合，其中每个符号号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率按一定的概率P(xi)独立出现，即独立出现，即 且有且有则则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为于是，每个符号所含平均信息量为由于由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵熵 第第1章章 绪论绪论u【例例1】一离散信源由一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四四个符号组成，它们出现的概率分别为个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的的信息量。信息量。【解解】此消息中，此消息中，“0”出现出现23次，次，“1”出现出现14次，次，“2”出现出现13次，次，“3”出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该个符号，故该消息的信息量消息的信息量 每个符号的算术平均信息量为每个符号的算术平均信息量为 第第1章章 绪论绪论若用熵的概念来计算：若用熵的概念来计算：则该消息的信息量则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。第第1章章 绪论绪论n连续消息的信息量连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为可以证明，连续消息的平均信息量为式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。第第1章章 绪论绪论l1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标n通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性u有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度速度”问题。问题。u可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。n模拟通信系统：模拟通信系统：u有效性：可用有效传输频带来度量。有效性：可用有效传输频带来度量。u可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。第第1章章 绪论绪论n数字通信系统数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。p码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（元的数目，单位为波特（Baud），），简记为简记为B。式中式中T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒）p信息传输速率信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特息量或比特数，单位为比特/秒，简记为秒，简记为 b/s，或，或bps 第第1章章 绪论绪论p码元速率和信息速率的关系码元速率和信息速率的关系或或 对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率码元速率和信息速率在数量上相等。在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速中，若码元速率为率为1200 B，则信息速率为则信息速率为3600 b/s。第第1章章 绪论绪论p频带利用率：定义为单位带宽（频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输赫兹）内的传输速率，即速率，即或或u可靠性：常用误码率和误信率表示。可靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率误码率p误信率，又称误比特率误信率，又称误比特率在二进制中有在二进制中有第第1章章 绪论绪论l1.6 小结小结:本章重点本章重点1.掌握通信系统模型、分类2.理解数字通信的主要优缺点3.掌握信息量的度量4.理解通信系统的主要质量指标