通信原理第1章--绪论概要优秀PPT.ppt
通信原理与系统 张张 涛涛 信息学院信息学院 awgcn163 2关于本课程关于本课程n通通信信原原理理为为专专业业技技术术基基础础课课程程，要要求求重重点点驾驾驭驭通通信信系系统统的的基基本本概概念念和和分分析析方方法法，以以及及信信息息传传输输的的基基本本原原理理；熟熟悉悉各各种种通通信信技技术术的的基基本本特特点点以以及及性性能能；在在此此基基础础上上，探探讨讨通通信信系系统统的的设计，了解通信发展方向设计，了解通信发展方向n先先修修课课程程：信信号号与与系系统统、概概率率论论与与随随机机过程等过程等n学习方式：课堂教学学习方式：课堂教学/课后作业课后作业n考试方式：笔试，闭卷考试方式：笔试，闭卷n成果评定：成果评定：70%期末期末+30%平常平常3运用教材运用教材n樊樊昌昌信信等等编编，通通信信原原理理，第第5/6版版，国国防防工工业业出出版社版社4主要参考书主要参考书n周炯磐等编，通信原理，北京邮电高校出版社周炯磐等编，通信原理，北京邮电高校出版社n曹志刚等编，现代通信原理，清华高校出版社曹志刚等编，现代通信原理，清华高校出版社nDigitalandAnalogCommunicationSystems(5thor6thEdition).清清华华高高校校出出版版社社（影影印印版版：数数字字与与模模拟通信系统）拟通信系统）nSimonHaykin,CommunicationSystems,电电子子工工业业出版社（影印版：通信系统）出版社（影印版：通信系统）nJ.G.Proakis.Digital Communication(4rd Edition).电子工业出版社（影印版：数字通信）电子工业出版社（影印版：数字通信）5课程的基本内容课程的基本内容n绪论绪论n随机信号分析随机信号分析n信道信道n模拟通信系统模拟通信系统n数字信号的基带传输数字信号的基带传输n数字信号的频带传输数字信号的频带传输(正弦载波调制系统正弦载波调制系统)n模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收n差错限制编码差错限制编码n同步原理同步原理6 第一章第一章 绪论绪论n什么是通信？什么是通信？n通信的发展简史通信的发展简史n通信系统的组成通信系统的组成n通信系统的分类和通信方式通信系统的分类和通信方式n信息及其度量信息及其度量n通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标71.什么是通信什么是通信?n通信：沟通，传递消息；信息的传输与交换通信：沟通，传递消息；信息的传输与交换n信息是要表示和传送的对象信息是要表示和传送的对象.n消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不确定性，即有效信息是包含在消息中的不确定性，即有效(有用有用)的的东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性即对接收者的不确定性.n信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变更的电压例如随着时间变更的电压(电流电流)。通信系统中传送。通信系统中传送的是信号的是信号.n通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光光)信号将信息由一方传输到另一方信号将信息由一方传输到另一方n信息是一种资源，其最大特点是能够流通、共享和信息是一种资源，其最大特点是能够流通、共享和重复运用；通信是一种产业，它生产的是一种信息重复运用；通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应在空间转移的效应82.通信的发展简史通信的发展简史n18世纪，提出用电流进行通信的设想世纪，提出用电流进行通信的设想n1838年，年，F.B.Morse独创有线电报独创有线电报n1864年，年，J.C.Maxwell提出电磁辐射方程提出电磁辐射方程n1876年，年，A.G.Bell独创电话独创电话n1896年，年，G.Marconi独创无线电报独创无线电报n1901年，横跨大西洋的无线通信成功年，横跨大西洋的无线通信成功n1906年，年，LeedeForst独创真空管独创真空管n1918年，年，E.H.Armstrong独创独创AM广播，超外差广播，超外差接收机接收机n1925年，起先接受三路明线载波电话，多路通年，起先接受三路明线载波电话，多路通信信9n1936年，年，E.H.Armstrong独创独创FM广播广播n1937年，年，A.Reeves独创独创PCM调制原理调制原理n1938年，电视广播起先年，电视广播起先n1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展统的发展n1948年，独创了晶体三极管；统计理论建立；年，独创了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表通信的数学理论发表通信的数学理论n1950年，时分多路通信应用于电话年，时分多路通信应用于电话n1953年，敷设了第一条越洋电话电缆年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路话路)n1957年，前苏联放射第一颗人造地球通信卫星年，前苏联放射第一颗人造地球通信卫星2.通信的发展简史通信的发展简史10n1958年，独创第一块集成电路年，独创第一块集成电路n1961年，年，FM立体声广播开播立体声广播开播n1964年，第一台全电子电话系统问世年，第一台全电子电话系统问世n1972年，年，Motorola独创蜂窝电话独创蜂窝电话n1976年，个人年，个人PC问世问世n1989年，年，“便携式便携式”蜂窝电话问世蜂窝电话问世n1990，超大规模集成电路的大量运用，计，超大规模集成电路的大量运用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展算机和通信正向着兼容互补的方向发展2.通信的发展简史通信的发展简史113.通信系统的组成通信系统的组成 n通信系统模型通信系统模型信息源发送设备传输媒介接收设备受信者噪声源信息源信息源(发终端发终端)：把消息转换成原始电信号：把消息转换成原始电信号发送设备：对原始信号完成某种变换，使之适合于信道传输发送设备：对原始信号完成某种变换，使之适合于信道传输接收设备：从接收信号中复原出原始信号，发送设备的逆变换和克服噪声的干扰接收设备：从接收信号中复原出原始信号，发送设备的逆变换和克服噪声的干扰受信者（收终端）：将复原的原始信号转换成相应的消息受信者（收终端）：将复原的原始信号转换成相应的消息噪声源：信道中及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示噪声源：信道中及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示12n模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信n模拟模拟(连续连续)消息：状态连续变更，例如语音，消息：状态连续变更，例如语音，图像图像n数字数字(离散离散)消息：状态可数或离散，如符号，消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据文字，数据n模拟信号：载荷消息的电参量连续取值模拟信号：载荷消息的电参量连续取值n数字信号：载荷消息的电参量离散取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值n模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话话n数字通信系统：信道中传输数字信号，例如数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报电报3.通信系统的组成通信系统的组成 13n模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟信息源调制器信道解调器受信者噪声源模拟通信强调已调参模拟通信强调已调参量与基带信号成比例量与基带信号成比例3.通信系统的组成通信系统的组成 14n数字通信系统模型数字通信系统模型1、差错原则上可控、差错原则上可控（差错限制编码）；（差错限制编码）；2、须要保密时可进行、须要保密时可进行加密；加密；3、数字信号单元、数字信号单元(码元码元)按节拍传送，要求收发按节拍传送，要求收发节拍一样节拍一样-同步同步:位同位同步、符号同步、帧同步，步、符号同步、帧同步，群同步群同步3.通信系统的组成通信系统的组成 15n数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信强调已数字通信强调已调参量与基带信调参量与基带信号的一一对应号的一一对应3.通信系统的组成通信系统的组成 16n基带数字通信系统模型基带数字通信系统模型数字信息源波形形成信道接收滤波受信者噪声源3.通信系统的组成通信系统的组成 17n数字通信的优点：数字通信的优点：n抗干扰实力强，可消退噪声积累；差错可控，抗干扰实力强，可消退噪声积累；差错可控，传输性能好；传输性能好；n便于处理和管理，便于传输和交换便于处理和管理，便于传输和交换n便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；网；n便于集成化，从而使通信设备微型化；便于集成化，从而使通信设备微型化；n便于加密处理，且保密程度高。便于加密处理，且保密程度高。n数字通信的缺点：数字通信的缺点：n频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。一路模拟电话：带。一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量，接近同样话音质量的一路数字电话：的一路数字电话：20-60KHz。n对同步要求高，系统设备比较困难。对同步要求高，系统设备比较困难。3.通信系统的组成通信系统的组成 18n两种应用两种应用n利用数字通信系统传送模拟消息利用数字通信系统传送模拟消息nA/D，D/A变换，例如电话变换，例如电话n利用模拟通信系统传送数字信号利用模拟通信系统传送数字信号n加装数字终端，例如调制解调器加装数字终端，例如调制解调器电话网电话网电话网电话网因特网因特网因特网因特网3.通信系统的组成通信系统的组成 194.1 通信系统的分类通信系统的分类n依据信号特征依据信号特征n模拟通信系统模拟通信系统n数字通信系统数字通信系统n依据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等依据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等n依据调制方式依据调制方式n基带传输：周期性脉冲序列作为载波基带传输：周期性脉冲序列作为载波n频带传输：正弦型载波频带传输：正弦型载波n依据传输媒介依据传输媒介n有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤n无线传输无线传输20双绞线双绞线双绞线双绞线电话业务电话业务电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆同轴电缆同轴电缆AM AM 无线电无线电无线电无线电FM FM 无线电和无线电和无线电和无线电和 TVTV地面微波接力地面微波接力地面微波接力地面微波接力 光纤光纤光纤光纤 卫星卫星卫星卫星 10 102 210103 310104 410105 510106 610107 710108 810109 910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电无线电无线电(9KHz400GHz)(9KHz400GHz)红外线红外线红外线红外线紫外线紫外线紫外线紫外线可见光可见光可见光可见光微波微波微波微波(300MHz300GHz)(300MHz300GHz)HzHz海事无线电海事无线电海事无线电海事无线电21n依据信号复用方式依据信号复用方式n频分复用频分复用(FDM)（频谱搬移）（频谱搬移）1 1时间时间时间时间频率频率频率频率2 23 34 4n 时分复用时分复用(TDM)（抽样或脉冲调制）（抽样或脉冲调制）1 1时间时间时间时间频率频率频率频率2 23 34 41 1n 码分复用码分复用(CDM)（码组）（码组）1 12 23 34 4时间时间时间时间频率频率频率频率FDM:模拟和数字通信TDM和CDM：数字通信224.2 点到点的通信方式点到点的通信方式n按消息传送方向与时间关系按消息传送方向与时间关系n单工：消息只能单向传输，如遥测、遥控、寻呼单工：消息只能单向传输，如遥测、遥控、寻呼n半双工：通信双方都能收发消息，但不能同时无线半双工：通信双方都能收发消息，但不能同时无线电对讲机电对讲机(同一载频同一载频)n全双工通信：电话全双工通信：电话发送端信道接收端发送端信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道23n按数字信号的码元排列方法按数字信号的码元排列方法n串行传输：数字信号码元序列按时间依次，远串行传输：数字信号码元序列按时间依次，远距离数字通信距离数字通信n并行传输：数字信号码元分路，同时传输，近并行传输：数字信号码元分路，同时传输，近距离数字通信距离数字通信发送设备接收设备101发送设备接收设备.245 信息及其度量信息及其度量信息：消息中所含有的特定内容信息：消息中所含有的特定内容信息的度量：信息量信息的度量：信息量信息量与消息的种类、特定内容及重要程度信息量与消息的种类、特定内容及重要程度无关。信息量仅与消息中包含的不确定度有无关。信息量仅与消息中包含的不确定度有关，即消息中所含信息量与消息发生的概率关，即消息中所含信息量与消息发生的概率亲密相关。消息发生概率愈小，则此消息所亲密相关。消息发生概率愈小，则此消息所含的信息量愈大。假如消息发生的概率趋于含的信息量愈大。假如消息发生的概率趋于零（不行能事务），则它的信息量趋于无穷零（不行能事务），则它的信息量趋于无穷大；假如消息发生的概率为大；假如消息发生的概率为1（必定事务），（必定事务），则此消息所含的信息量为零。则此消息所含的信息量为零。25概括：概括：1、信息量与消息的种类及重要程度无关；、信息量与消息的种类及重要程度无关；2、事务发生的不确定程度越大，信息量越大。、事务发生的不确定程度越大，信息量越大。3、消息、消息x中所含信息量中所含信息量I与消息出现概率与消息出现概率P(x)关关系：系：I(x)=IP(x)P(x)=1,I=0;P(x)=0,I=4、若干相互独立事务构成的消息，所含信息量等于、若干相互独立事务构成的消息，所含信息量等于各独立事务信息量之和各独立事务信息量之和I(x1,x2,)=I(x1)+I(x2)+26在信息论中，消息所含的信息量在信息论中，消息所含的信息量I与消息与消息x出现的概出现的概率率P(x)的关系式为：的关系式为：I（信信息息量量）代代表表两两种种含含义义：当当事事务务x发发生生以以前前，表表示示事事务务x发发生生的的不不确确定定性性；当当事事务务x发发生生以以后后，表表示示事务事务x所含有的信息量。所含有的信息量。信息量的单位由对数底的取值确定。信息量的单位由对数底的取值确定。对对数数以以2为为底底时时单单位位是是“比比特特”（bitbinaryunit的的缩缩写写）；以以e为为底底时时单单位位是是“奈奈特特”（natnatureunit的的缩缩写写）；以以10为为底底时时单单位位是是“哈哈特特莱莱”（HartHartley的的缩缩写写）。通通常常接接受受“比比特特”作作为为信信息息量量的好用单位。的好用单位。27若干相互独立事务构成的消息所含信息量等于各独若干相互独立事务构成的消息所含信息量等于各独立事务信息量之和立事务信息量之和285.1离散消息的度量离散消息的度量n 各符号各符号 x1 x2 xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为设离散信息源是一个由设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且个符号组成的符号集，且n 每个符号所含信息量的统计平均值每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量平均信息量)为为 信息源的熵信息源的熵信息源的熵信息源的熵29n信息源的最大熵信息源的最大熵n假如各符号假如各符号x1x2xn等概出现，即等概出现，即P(xi)=1/n，则，则有有结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时n 用平均信息量计算消息的信息量用平均信息量计算消息的信息量 若消息传送的符号总数为若消息传送的符号总数为m，则，则 I=m H(x)(bit)例信息源由独立等概的符号例信息源由独立等概的符号0,1组成，组成，n=2,H(x)=1bit/符号，符号数与比特数相等。符号，符号数与比特数相等。30例例1.4.1一信息源由四个符号一信息源由四个符号0,1,2,3组成，它们出现的概组成，它们出现的概率分别为率分别为3/8,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息求某个消息201020130(57个符号：个符号：023,114,213,37)的信息量。的信息量。n 方法一：方法一：n 方法二：方法二：315.2连续消息的度量连续消息的度量连续信源的熵是一个相对熵连续信源的熵是一个相对熵(比比 多出的相对量多出的相对量)，而离散信源的熵是一个确定熵而离散信源的熵是一个确定熵n连续信源的熵不具有非负性连续信源的熵不具有非负性326.主要性能指标主要性能指标设计和评价一个通信系统，往往要涉及到很多性能指设计和评价一个通信系统，往往要涉及到很多性能指标，如系统的有效性、牢靠性、适应性、经济性及运标，如系统的有效性、牢靠性、适应性、经济性及运用维护便利性等。这些指标可从各个方面评价通信系用维护便利性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从探讨信息传输方面考虑，通信的有效统的性能，但从探讨信息传输方面考虑，通信的有效性和牢靠性是通信系统中最主要的性能指标。性和牢靠性是通信系统中最主要的性能指标。33有效性：指消息传输的有效性：指消息传输的“速度速度”问题，即在给定的信问题，即在给定的信道内能够容纳多大的信息量，或允许传输多高的信息道内能够容纳多大的信息量，或允许传输多高的信息率率(考虑单位时间、单位带宽考虑单位时间、单位带宽)。牢靠性：指消息传输的牢靠性：指消息传输的“质量质量”问题，即信息传输的问题，即信息传输的精确程度。精确程度。依据信息论观点，通信系统的有效性和牢靠性常常是依据信息论观点，通信系统的有效性和牢靠性常常是一对冲突。也就是说有效性很高的通信系统往往带来一对冲突。也就是说有效性很高的通信系统往往带来牢靠性不足的缺点；或者是保证了很高的牢靠性，但牢靠性不足的缺点；或者是保证了很高的牢靠性，但导致有效性的降低。牢靠性是冲突的主要方面，即发导致有效性的降低。牢靠性是冲突的主要方面，即发送消息在接收端的精确还原。送消息在接收端的精确还原。形成冲突的根本缘由：信道不志向形成冲突的根本缘由：信道不志向带宽、时间受限带宽、时间受限噪声和干扰噪声和干扰346.1模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的性能指标有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。牢靠性：均方误差（衡量发送的模拟信号与接牢靠性：均方误差（衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度）收端复制的模拟信号之间误差程度）,越小，越小，说明复制的信号越逼真。说明复制的信号越逼真。在今后的探讨中，主要探讨加性干扰的影响在今后的探讨中，主要探讨加性干扰的影响输出信噪比输出信噪比(仅考虑加性干扰仅考虑加性干扰)：均方误差大小：均方误差大小完全取决于接收端输出的信号平均功率与噪完全取决于接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比声平均功率之比(SNR)电话：电话：SNR40dB,话音清晰度话音清晰度95%电视：电视：SNR=4060dB35离散数字信号的表示：离散数字信号的表示：n离散信源的离散信源的N=2k 种可能状态可以用种可能状态可以用k 位二进制数字位二进制数字或一位或一位N 进制数字表示进制数字表示n用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或N 进制进制数字数字n这个间隔称为符号这个间隔称为符号/码元长度码元长度n间隔内的信号称为符号间隔内的信号称为符号/码元码元(二进制或二进制或N 进制进制)A AB B C CD D00000101101011110 01 12 23 3T tT t1T t2-1T t-2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1366.2数字通信系统的性能指标数字通信系统的性能指标传输速率和差错率传输速率和差错率n符符号号(码码元元)传传输输速速率率：每每秒秒钟钟传传送送的的符符号号数数量量，单单位为位为“波特波特”(baud或或B)，又称传码率，又称传码率n信信息息传传输输速速率率：每每秒秒钟钟传传送送的的信信息息速速率率，单单位位为为“比特比特/秒秒”(bit/s)、bps，又称传信率，又称传信率n符符号号速速率率与与信信息息速速率率之之间间的的关关系系：若若符符号号速速率率为为Rs，信息速率为，信息速率为Rb，每个符号有，每个符号有N 种可能状态，则有种可能状态，则有RbRslog2 N(bit/s)RsRb/log2 N(baud)n频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hz或或Baud/Hz37n误误符符号号率率(误误码码率率)：符符号号在在传传输输系系统统中中被被传传错错的概率的概率n误误比比特特率率(误误信信率率)：符符号号信信息息量量在在传传输输系系统统中中被丢失的概率被丢失的概率38思索题和作业思索题和作业n什么是通信？通信的目的是什么？如何进什么是通信？通信的目的是什么？如何进行通信？行通信？n通信系统的组成以及分类？通信系统的组成以及分类？n什么是模拟通信系统、数字通信系统？并什么是模拟通信系统、数字通信系统？并比较它们的异同。比较它们的异同。n什么是信息、消息和信号？信息的度量？什么是信息、消息和信号？信息的度量？n衡量通信系统优劣的指标有哪些？衡量通信系统优劣的指标有哪些？n作业：作业：1-1，1-2，1-3，1-5，1-6,1-7,1-8
