第一章 通信原理概述.ppt

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1、课程名称通信原理通信原理第第1章章 通信原理概述通信原理概述本章重点：本章重点：通信的含义；通信的含义；人们如何进行通信？人们如何进行通信？现代通信中有哪些基本模式和基本技术？现代通信中有哪些基本模式和基本技术？1.1 通信的相关概念通信的相关概念1.1.1 通信通信 通信泛指对信息的传递过程。通信泛指对信息的传递过程。信号：信息的载体。信号：信息的载体。电通信是当前通信研究的主要内容。电通信是当前通信研究的主要内容。1.1.2 通信的模型通信的模型 通信最基本模型如图通信最基本模型如图1-1所示。所示。图图1-1 通信最基础的模型通信最基础的模型 通信稍复杂模型如图通信稍复杂模型如图1-2所

2、示。所示。图图1-2 稍复杂的通信模型稍复杂的通信模型1.1.3 通信的分类通信的分类 1.按信号特征分类，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。按信号特征分类，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟信号：数学表达式的自变量和函数取值是连续的信号称为模拟信号；模拟信号：数学表达式的自变量和函数取值是连续的信号称为模拟信号；数字信号：数学表达式的自变量和函数取值是离散的信号称为数字信号。数字信号：数学表达式的自变量和函数取值是离散的信号称为数字信号。2.按信号调制方法的不同，通信系统可分为基带信号传输系统和调制信号传输按信号调制方法的不同，通信系统可分为基带信号传输系统和调制信号传输

3、系统。系统。如图如图1-3所示为调制传输系统模型。所示为调制传输系统模型。图图1-3 调制传输系统模型调制传输系统模型 3.按传播对象通话方式不同，可分为单工模式，双工模式和半双工模式。按传播对象通话方式不同，可分为单工模式，双工模式和半双工模式。4.按发送和接收的参与者个数不同，可分为一对一通信，一对多通信等。按发送和接收的参与者个数不同，可分为一对一通信，一对多通信等。1.1.4 基带信号和带通信号基带信号和带通信号 重要概念重要概念：信号的最高频率，最低频率，带宽和中心频率。信号的最高频率，最低频率，带宽和中心频率。中心频率远大于带宽的信号，称为带通信号。中心频率远大于带宽的信号，称为带

4、通信号。中心频率并非远大于带宽的信号，称为基带信号。例如：中心频率并非远大于带宽的信号，称为基带信号。例如：例如，一信号的表达式为例如，一信号的表达式为 如图如图1-5所示为基带信号和带通信号的频谱示意图。所示为基带信号和带通信号的频谱示意图。图图1-5 基带信号和带通信号的频谱示意图基带信号和带通信号的频谱示意图1.2 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信1.2.1 模拟信号和模拟通信模拟信号和模拟通信 模拟信号：时间上是连续的，在取值上也是连续变化的信号。模拟信号：时间上是连续的，在取值上也是连续变化的信号。模拟基带传输系统：在某些情况下，发射机直接把模拟基带信号通过模拟基带传输系统：在某

5、些情况下，发射机直接把模拟基带信号通过信道传输到接收机，这种通信系统称为模拟基带传输系统。信道传输到接收机，这种通信系统称为模拟基带传输系统。模拟调制传输系统：调制模拟调制传输系统：调制-传输传输-解调模式的通信系统叫做模拟调制传解调模式的通信系统叫做模拟调制传输系统。输系统。如图如图1-6所示为模拟基带传输系统和模拟调制传输系统示意图。所示为模拟基带传输系统和模拟调制传输系统示意图。图图1-6 模拟基带传输系统和模拟调制传输系统示意图模拟基带传输系统和模拟调制传输系统示意图 1.2.2 数字信号和数字通信数字信号和数字通信 数字信号：在时间上和取值上都是离散变化的信号。数字信号：在时间上和取

6、值上都是离散变化的信号。数字基带传输系统：数字基带信号是具有较低频率分量的数字信号，而数字调数字基带传输系统：数字基带信号是具有较低频率分量的数字信号，而数字调 制信号，则需要用某种方式将数字基带信号搬移到较高频段制信号，则需要用某种方式将数字基带信号搬移到较高频段。数字调制传输系统：直接传输基带数字信号的系统，称为数字基带传输系统。数字调制传输系统：直接传输基带数字信号的系统，称为数字基带传输系统。数字信号的数字信号的 门限判决门限判决信源编码：对模拟信号进行数字变换，即信源编码：对模拟信号进行数字变换，即A/D变换，采样和量化编码。变换，采样和量化编码。信源解码：将数字信号还原为模拟信号。

7、信源解码：将数字信号还原为模拟信号。如图所示为引入信源编码和解码的数字（基带）通信系统。如图所示为引入信源编码和解码的数字（基带）通信系统。信道编码：通过对数字信号进一步编码，增强其规律，能够发现或纠正传输中的信道编码：通过对数字信号进一步编码，增强其规律，能够发现或纠正传输中的错误，提高通信的准确性能。错误，提高通信的准确性能。如图所示为包含信道编码译码的通信系统模型。如图所示为包含信道编码译码的通信系统模型。1.2.3模拟通信和数字通信的比较模拟通信和数字通信的比较数字通信的优势：数字通信的优势：（1）便于与计算机连通；）便于与计算机连通；（2）便于信号的软件化处理；）便于信号的软件化处理

8、；（3）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（4）便于加密；）便于加密；（5）器件集成化，低成本；）器件集成化，低成本；（6）稳定性好；）稳定性好；（7）动态范围更大。）动态范围更大。数字通信的不足：数字通信的不足：（1）占用带宽大；）占用带宽大；（2）对同步要求严格。）对同步要求严格。1.3 信息、信息量和通信质量信息、信息量和通信质量1.3.1 信息和信息量信息和信息量信息：对客观事物的某种有效描述。信息：对客观事物的某种有效描述。信息量：信息的度量，可以理解为信息信息量：信息的度量，可以理解为信息”价值价值“的大小。事件发生概率的大小。事件发生概率越小，信息价值越大。越小，信息价值越大。单个事

9、件的信息量的公式为单个事件的信息量的公式为若为相互独立的符号，其信息量总和为彼此累加若为相互独立的符号，其信息量总和为彼此累加。1.3.2 平均信息量平均信息量对未知字符信息量的统计平均为对未知字符信息量的统计平均为 H(x)=1.3.3 噪声噪声 噪声是指来自信号之外的干扰，多数噪声是加性噪声。噪声是指来自信号之外的干扰，多数噪声是加性噪声。噪声分为内部噪声和外部噪声。噪声分为内部噪声和外部噪声。信噪比公式：信噪比公式：SNR信号功率信号功率/噪声功率噪声功率 信噪比单位为分贝。功率比信噪比单位为分贝。功率比10倍倍10dB；功率比；功率比100倍倍20dB，依此，依此类推。类推。1.3.4

10、 通信质量通信质量 1.通信系统的有效性：传输尽可能多的信息。通信系统的有效性：传输尽可能多的信息。在模拟通信中指传输信息速率与信道带宽的比值；在数字通信中包括传在模拟通信中指传输信息速率与信道带宽的比值；在数字通信中包括传输速率和频带利用率。输速率和频带利用率。传输速率：码元速率和信息速率。传输速率：码元速率和信息速率。2.通信系统的可靠性：出现错误的概率较小。通信系统的可靠性：出现错误的概率较小。在模拟通信中指信噪比在模拟通信中指信噪比SNR；在数字通信中指误比特率和误码元率。；在数字通信中指误比特率和误码元率。1.4 怎样学习本书怎样学习本书 为便于读者学习，本书为便于读者学习，本书31

11、1章涉及内容在通信体系中的地位标章涉及内容在通信体系中的地位标注如图所示。注如图所示。1.5 信号与系统预备知识信号与系统预备知识1.5.1 信号的分类信号的分类 根据不同的标准，信号可作不同的分类：根据不同的标准，信号可作不同的分类：（1）根据函数在自变量上取值的连续或离散，可分为连续时间信号和离散时间）根据函数在自变量上取值的连续或离散，可分为连续时间信号和离散时间信号；信号；（2）根据信号是否具有周期性，可分为周期信号和非周期信号。）根据信号是否具有周期性，可分为周期信号和非周期信号。1.5.2 线性时不变（线性时不变（LTI）系统）系统 线性时不变系统具有以下两大特性：线性时不变系统具

12、有以下两大特性：（1）线性性：可乘性和可叠加性；）线性性：可乘性和可叠加性；（2）时不变性。）时不变性。1.5.3 单位冲激信号和系统的单位冲激响应单位冲激信号和系统的单位冲激响应单位阶跃信号单位阶跃信号u(t)；单位冲激信号单位冲激信号 ；用单位冲激信号可分解任意信号用单位冲激信号可分解任意信号x(t)；单位冲激信号输入单位冲激信号输入LTI系统后，得到该系统的单位冲激响应系统后，得到该系统的单位冲激响应h(t)，h(t)能充分反映能充分反映系统特性。系统特性。通过输入信号通过输入信号x(t)和系统的单位冲激响应和系统的单位冲激响应h(t)，求得输出信号为，求得输出信号为y(t)=x(t)*

13、h(t)1.5.4 傅里叶级数和傅里叶变换傅里叶级数和傅里叶变换v1.周期信号的傅里叶级数周期信号的傅里叶级数将周期信号分解为若干个不同频率指数函数叠加的和将周期信号分解为若干个不同频率指数函数叠加的和 f(t)=v2.非周期信号的傅里叶变换非周期信号的傅里叶变换 在傅里叶级数基础上推导出，对非周期信号也用若干个指数函数表达。在傅里叶级数基础上推导出，对非周期信号也用若干个指数函数表达。此时这些指数函数具有连续频率，叠加求和也化成积分此时这些指数函数具有连续频率，叠加求和也化成积分 即傅里叶变换对：即傅里叶变换对：v3.傅里叶分析的意义傅里叶分析的意义（1）指数函数具有的优势：输入）指数函数具

14、有的优势：输入LTI系统后，得到的输出只与频率有关。系统后，得到的输出只与频率有关。（2）傅里叶分析建立了信号时间域和频率域的对应关系。）傅里叶分析建立了信号时间域和频率域的对应关系。1.5.5 系统的频率特征和滤波器系统的频率特征和滤波器1.系统频率特征：系统频率特征：指数函数指数函数 输入输入LTI系统，其输出等于输入乘以一个与频率相关的函数系统，其输出等于输入乘以一个与频率相关的函数y(t)=x(t).H()，其中，其中H()等于系统的单位冲激响应等于系统的单位冲激响应h(t)的傅里叶变换，称为系的傅里叶变换，称为系统频率特征。统频率特征。2.最常见的滤波器可分为最常见的滤波器可分为低通

15、、高通、带通滤波器。低通、高通、带通滤波器。1.5.6 信号能量和功率信号能量和功率v信号能量信号能量信号信号f(t)在一定时间域内的绝对值平方积分称为信号能量。在一定时间域内的绝对值平方积分称为信号能量。v信号功率信号功率信号信号f(t)在任意时刻的绝对值平方称为该时刻的瞬时功率。在任意时刻的绝对值平方称为该时刻的瞬时功率。在一个时间段内能量除以时间段长度称为该时间段内平均功率。在一个时间段内能量除以时间段长度称为该时间段内平均功率。v能量信号能量信号在整个时间域上能量有限的信号称为能量信号。能量信号的平均功率为在整个时间域上能量有限的信号称为能量信号。能量信号的平均功率为0。v功率信号功率

16、信号在整个时间域上平均功率为非零有限值的信号称为功率信号。功率信号在整个时间域上平均功率为非零有限值的信号称为功率信号。功率信号的总能量为无穷大。的总能量为无穷大。1.5.7能量谱密度、功率谱密度和平均自相关函数能量谱密度、功率谱密度和平均自相关函数v对能量信号，定义信号能量的频域表达式，即能量谱函数对能量信号，定义信号能量的频域表达式，即能量谱函数v对功率信号，定义信号功率的频域表达式，即功率谱函数对功率信号，定义信号功率的频域表达式，即功率谱函数v对功率信号，定义自相关函数对功率信号，定义自相关函数1.5.8 现实信号的带宽判断现实信号的带宽判断（1）过零点法；）过零点法；（2）3dB点法

17、；点法；（3）功率比率。）功率比率。1.5.9 解析信号和希尔伯特变换解析信号和希尔伯特变换解析信号：将实信号解析信号：将实信号f(t)用复信号用复信号z(t)来表示：来表示：其中，其中，称为称为f(t)的希尔伯特变换。的希尔伯特变换。本章小结本章小结v通信即是传递信息，最简单的通信模型由发射机、信道和接通信即是传递信息，最简单的通信模型由发射机、信道和接收机三部分组成。收机三部分组成。v通信系统按传输信号类型可分为模拟通信系统与数字通信系通信系统按传输信号类型可分为模拟通信系统与数字通信系统；按调制方式可分为基带传输系统和调制传输系统；按工统；按调制方式可分为基带传输系统和调制传输系统；按工作方式分为单工通信系统、双工通信系统和半双工通信系统；作方式分为单工通信系统、双工通信系统和半双工通信系统；按收发双方的参与者个数分为一对一通信系统和一对多通信按收发双方的参与者个数分为一对一通信系统和一对多通信系统等。系统等。v通信质量常用有效性和可靠性评估。通信质量常用有效性和可靠性评估。v噪声是对信号的干扰，往往以叠加形式影响信号。噪声是对信号的干扰，往往以叠加形式影响信号。