通信原理第1章概论课件.ppt

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1、2023/2/61通信原理通信原理徐徐俊俊信息楼信息楼3022023/2/62引引言言l课程定位课程定位电信类专业的一门电信类专业的一门重要专业基础课程重要专业基础课程是是必修课、核心主干课必修课、核心主干课是一门通信是一门通信专业的标志性专业的标志性课程课程是是“信息与通信工程信息与通信工程”学科学科研究生入学考试研究生入学考试课程之一课程之一起着承前启后的作用起着承前启后的作用占有重要的教学地位占有重要的教学地位 2023/2/63引引言言l课程目标课程目标使学生使学生掌握掌握通信系统的通信系统的基本概念基本概念、基本理基本理论论、基本技术基本技术和和系统性能分析方法系统性能分析方法；掌握

2、掌握基本的基本的分析、设计思想和方法分析、设计思想和方法；了解了解通信新技术的应用和发展；通信新技术的应用和发展；使学生使学生具备具备获取知识、分析问题解决问题、获取知识、分析问题解决问题、动手实践、团结协作的能力；动手实践、团结协作的能力；为本领域的进一步学习和研究奠定坚实的基为本领域的进一步学习和研究奠定坚实的基础，适应现代信息社会对电信类人才的需求。础，适应现代信息社会对电信类人才的需求。2023/2/64引引言言l课程特点课程特点具有理论性强、知识综合、数学含量大等具有理论性强、知识综合、数学含量大等特点；特点；从时域和频域两个方面分析信号，掌握系从时域和频域两个方面分析信号，掌握系统

3、的处理方法，常用统的处理方法，常用傅里叶变换傅里叶变换来分析信号频来分析信号频谱；谱；学习时要注意学习时要注意数学分析方法数学分析方法，更要注意数，更要注意数学分析所得结论的学分析所得结论的物理概念、物理意义物理概念、物理意义；2023/2/65引引言言l课程学习课程学习课堂教学：课堂教学：56学时学时实验教学：实验教学：16学时学时考试：考试：20%平时平时+10%考勤考勤+70%试卷试卷注意：注意：充分利用充分利用课程网站、图书馆等相关资源，课程网站、图书馆等相关资源，做好做好预习、复习预习、复习；认真认真做作业、认真做实验、认真做设计。做作业、认真做实验、认真做设计。2023/2/66引

4、引言言l课程体系课程体系由浅入深分为由浅入深分为四个部分四个部分：通信基础知识通信基础知识模拟通信原理模拟通信原理数字通信原理数字通信原理通信网的多路通信技术。通信网的多路通信技术。引引言言l主要内容主要内容第第1章章绪论绪论第第2章章确知信号（选讲）确知信号（选讲）第第3章章随机过程随机过程第第4章章信道信道第第5章章模拟调制系统模拟调制系统第第6章章数字基带传输系统数字基带传输系统第第7章章数字带通传输系统数字带通传输系统第第8章章新型数字带通调制技术（选讲）新型数字带通调制技术（选讲）2023/2/67第第9章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输第第10章章数字信号的最佳接收数字信号的

5、最佳接收第第11章章差错控制编码差错控制编码第第12章章正交编码与伪随机序列（选讲）正交编码与伪随机序列（选讲）2023/2/682023/2/69课程学习指导课程学习指导l抓住一条主线抓住一条主线抗干扰抗干扰l领会两个领会两个有效性和可靠性有效性和可靠性l掌握三种调制掌握三种调制幅度调制、频率调制和相位调制幅度调制、频率调制和相位调制l理解四个定理理解四个定理香农定理、奈圭斯特抽样定理、奈圭斯特第一香农定理、奈圭斯特抽样定理、奈圭斯特第一准则和奈圭斯特第二准则准则和奈圭斯特第二准则2023/2/610一些建议一些建议l上课时思维紧跟老师积极思考上课时思维紧跟老师积极思考l记住概念记住概念l重

6、点掌握物理含义及其关系重点掌握物理含义及其关系l注意假设和条件注意假设和条件l阅读参考资料阅读参考资料l方法比结果更重要方法比结果更重要l多做习题多做习题课堂基本要求课堂基本要求l不准迟到、早退不准迟到、早退l手机调到振动手机调到振动l作业按学号随机抽查作业按学号随机抽查l随机抽查出勤随机抽查出勤2023/2/611第第1章章概论概论2023/2/613学习目标学习目标熟练熟练掌握掌握通信系统的组成，通信系统的组成，熟悉熟悉通信系统的模型通信系统的模型掌握掌握通信系统的分类方法以及三种通信方式，通信系统的分类方法以及三种通信方式，理理解解串行传输和并行传输的概念串行传输和并行传输的概念重点把握

7、重点把握信息的含义，信息的含义，掌握掌握信息量的定义及其单信息量的定义及其单位，位，了解了解信息熵的概念信息熵的概念掌握掌握通信系统的性能指标及其表示方法通信系统的性能指标及其表示方法2023/2/614目标要求目标要求l重点、难点重点、难点重点是：重点是：通信系统通信系统模型模型的理解与掌握；的理解与掌握；通信系统的通信系统的分类分类；信息的信息的度量度量；通信系统通信系统性能指标性能指标的理解与计算。的理解与计算。难点是：难点是：信息的度量信息的度量2023/2/6151.1通信的发展通信的发展l历史历史古代：古代：利用自然界的基本规律和人的基础感官利用自然界的基本规律和人的基础感官公元前

8、公元前800年年(周朝周朝)，周幽王烽火戏诸侯。，周幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证；最简单的二进制数字通信应用光通信的见证；最简单的二进制数字通信近代：近代：以电磁技术为起始以电磁技术为起始 1820年：安培发明电报通信，年：安培发明电报通信，近代数字通信近代数字通信的的开始开始。1838年：莫尔斯将电报通信年：莫尔斯将电报通信推向实用推向实用。1876年：贝尔发明电话，年：贝尔发明电话，模拟通信的开始模拟通信的开始。2023/2/6161.1通信的发展通信的发展20世纪世纪60年代以后，年代以后，数字通信技术进入高数字通信技术进入高级发展阶段。级发展阶段。近近20多年，多年，数字通信迅猛发

9、展；光纤通信数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。支柱。当代通信：当代通信：移动通信和互联网通信时代移动通信和互联网通信时代未来通信：未来通信：大融合时代大融合时代 2023/2/6171.1通信的发展通信的发展1838莫尔斯 有线电报1948晶体管 香农IT 通信统计理论建立1864麦克斯韦尔 电磁辐射方程1950时分多路通信 应用于电话1876贝尔 电话1956越洋电话铺设1896马克尼 无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播 超外差接收机1960发明激光1925三路明

10、线载波电话 多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星 PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电 数字传输理论 高速计算机1938电视广播1970LSI 商用卫星 程控交换 光纤通讯1940二战刺激 雷达和微波系统发展1980SLSI 长波光纤通信 ISDN 3G2023/2/6181.1消息、信息和信号消息、信息和信号l通信的目的：通信的目的：传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究信息传输的原理信息传输的原理。l消息：消息：是指信源所产生的是指信源所产生的信息的物理表现信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音

11、、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号或光信号（简称信号）消息必须转换成电信号或光信号（简称信号），才能在通信系统中传输。，才能在通信系统中传输。2023/2/6191.1消息、信息和信号消息、信息和信号l信息：信息：是指消息中所包含的对受信者是指消息中所包含的对受信者有意义的内容有意义的内容（或有效内容）。（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。l信号：信号：是指是指消息的物理载体消息的物理载体，是传输消息的手段。，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。可分为模拟信号和数字信号。20

12、23/2/6201.2通信系统的组成通信系统的组成l通信系统：通信系统：实现信息传输所需一切设备和传输媒实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体。介所构成的总体。l点对点通信点对点通信发送端的消息通过信道传递到接收端发送端的消息通过信道传递到接收端一般模型一般模型信息源（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。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：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。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。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。受信者（信宿）：把原始电

13、信号还原成相应的消息，如扬声器等。2023/2/6212023/2/6221.2数字通信数字通信基本概念基本概念l模拟信号和数字信号：模拟信号和数字信号：模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的语音信号。语音信号。数字信号，也称离散信号。如：代表文字的数字信号，也称离散信号。如：代表文字的编码和计算机数据信号。编码和计算机数据信号。注意：注意：区分准绳区分准绳为：考查为：考查信号的参量取值信号的参量取值是否连续是否连续，而不是看时间。，而不是看时间。2023/2/6231.2数字通信数字通信基本概念基本概念模拟信号模拟信号数字信号数字信号t tt tt tt

14、 t码元2023/2/6241.2通信系统的组成通信系统的组成l模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信共性问题：共性问题：总存在总存在噪声和其他干扰，引起传噪声和其他干扰，引起传输信号的失真，影响传输质量。输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和解决噪声和干扰的影响干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题，就是通信系统设计的基本问题之一。之一。l模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统2023/2/6251.2通信系统的组成通信系统的组成模拟通信系统：模拟通信系统：要求：要求：高保真度复原高保真度复原。度量准则：度量准则：输出信噪比输出信噪比。基本问题：连续波形的基本问题：连续波形的参量

15、估值问题参量估值问题。个性问题个性问题：数字通信系统：数字通信系统：要求：要求：正确判决正确判决（或检测）。（或检测）。度量准则：产生度量准则：产生错判的概率错判的概率。理论基础：理论基础：统计判决理论统计判决理论。注意注意：都是针对：都是针对接收端接收端的。的。2023/2/626模拟通信系统模型模拟通信系统模型l模拟信号：电信号的参量是连续取值的模拟信号：电信号的参量是连续取值的l模拟通信系统模型：模拟通信系统模型：l模拟通信系统模拟通信系统研究重点研究重点：调制与解调以及噪声对：调制与解调以及噪声对信号传输的影响。信号传输的影响。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

16、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）信道：信道：基带信道：可传输很低的频率分量。如双绞线。基带信道：可传输很低的频率分量。如双绞线。频带信道：不能传输很低的频率分量。频带信道：不能传输很低的频率分量。如无如无线电波线电波。2023/2/6272023/2/628数字通信系统模型数字通信系统模型l数字信号数字信号电信号的参量是离散取值的（仅取有限个值）电信号的参量是离散取值的（仅取有限个值）l数字通信系统可进一步细分为：数字数字通信系统可进一步细分为：数字频带传输频带传输通信通信系统和数字系统和数字基带传输基带传输通信系统。通信系统。2023/2/629

17、数字通信系统模型数字通信系统模型信源：将消息转换为电信号的设备。信源：将消息转换为电信号的设备。信源编码：信源编码：降低降低数字信号的冗余，数字信号的冗余，提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。信道编码：信道编码：增加增加冗余字符，纠错编码，冗余字符，纠错编码，提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。2023/2/630数字通信系统模型数字通信系统模型调制：调制：使编码信号特性与信道特性相适应，以通过使编码信号特性与信道特性相适应，以通过信道传输。信道传输。使多路信号合并，经过同一信道传输使多路信号合并，经过同一信道传输多路复用。多路复用。2023/2/631数字通信系统模型数字通信系统模型

18、信道的影响：信道的影响：信道传输特性信道传输特性对数字信号的影响。对数字信号的影响。包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率扩展和多径时延。扩展和多径时延。进入信道的进入信道的外部加性噪声外部加性噪声的影响。的影响。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。2023/2/632数字通信系统模型数字通信系统模型同步：同步：数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。发端、收端间需共同的时间标准使收端发端、收端间需共同的时间标准使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。

19、收。位同步（或码元同步）、字同步位同步（或码元同步）、字同步2023/2/633数字通信系统模型数字通信系统模型l基带系统基带系统2023/2/634数字通信系统模型数字通信系统模型l数字通信的主要优点：数字通信的主要优点：取值有限，抗干扰能力强，能正确接收。取值有限，抗干扰能力强，能正确接收。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用数字加密技术，提高保密度。可采用数字加密技术，提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。便于存储和处理。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。易于设计、制造，体积更小、重量更

20、轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。2023/2/635数字通信系统模型数字通信系统模型(a)失真的数字信号失真的数字信号(b)恢复的数字信号恢复的数字信号 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失真和恢复2023/2/636数字通信系统模型数字通信系统模型l数字通信的主要缺点：数字通信的主要缺点：占用带宽大压缩、光纤占用带宽大压缩、光纤。同步要求高同步要求高。l应用实例：应用实例：数字传输技术：电话、电视、计算机数据等数字传输技术：电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。信号的远距离

21、传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广模拟传输技术：有线电话环路、无线电广播、电视广播等播、电视广播等。2023/2/6371.3通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式l按传输媒质分类：按传输媒质分类：有线、无线有线、无线l按信号特征：按信号特征：模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号l按调制方式分类按调制方式分类基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输系统和频带（调制）传输系统。l按通信业务类型分类按通信业务类型分类电电报报通通信信系系统统、电电话话通通信信系系统统、数数据据通通信信系系统统和和图像通信系统等图像通信系统等.l按信号复用方式分类按信号复用方式分类频频 分分 复复

22、用用（FDM）通通 信信 系系 统统、时时 分分 复复 用用（TDM）通信系统和码分复用（）通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。）通信系统等。2023/2/638表表 1.3-1 通信频段通信频段、常用传输媒质及主要用途常用传输媒质及主要用途 l按工作波段分类按工作波段分类2023/2/6391.3.2通信方式通信方式1、按按信信息息传传输输的的方方向向与与时时间间关关系系划划分分通通信信方方式式：单单工通信、半双工通信及全双工通信工通信、半双工通信及全双工通信l单单工工通通信信是是指指信信息息只只能能单单方方向向进进行行传传输输的的一一种种通通信工作方式，信工作方式，l半半双双工工通通信

23、信方方式式是是指指通通信信双双方方都都能能收收发发信信息息，但但不能同时进行收和发的工作方式，不能同时进行收和发的工作方式，l全全双双工工通通信信是是指指通通信信双双方方可可同同时时进进行行双双向向传传输输信信息的工作方式息的工作方式2023/2/640通信方式示意图通信方式示意图2023/2/6412、按数字信号、按数字信号码元排列方式码元排列方式划分通信方式：划分通信方式：串行传输和并行传输串行传输和并行传输l并并行行传传输输是是将将代代表表信信息息的的数数字字信信号号码码元元序序列列分分割割成成两两路路或或两两路路以以上上的的数数字字信信号号序序列列同同时时在在信信道道上上传输，则称为并

24、行传输通信方式。传输，则称为并行传输通信方式。优点：优点：速度快、节省传输时间速度快、节省传输时间缺点：缺点：但需占用频带宽，设备复杂，成本高但需占用频带宽，设备复杂，成本高应应用用：一一般般适适用用于于计计算算机机和和其其他他高高速速数数字字系系统统，特别适用于设备之间的特别适用于设备之间的近距离通信近距离通信。2023/2/642图图1-6 并行和串行通信方式并行和串行通信方式串行传输串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。通常，一般的间顺序一个接一个地在信道中传输。通常，一般的远距离数字通信远距离数字通信都采用这种传输方

25、式。都采用这种传输方式。2023/2/6433、按照、按照网络结构网络结构划分通信方式划分通信方式线型、星型、树型、环型等类型。线型、星型、树型、环型等类型。专专门门为为两两点点之之间间设设立立传传输输线线的的通通信信称称之之为为点点对对点点通通信信。多多点点间间的的通通信信属属于于网网通通信信。网网通通信信的的基基础础仍仍是是点点对对点点通通信信。因因此此，本本书书重点讨论重点讨论点对点通信点对点通信的原理。的原理。2023/2/6441.4消息、信息和信号消息、信息和信号度量信息量的方法，必须满足：度量信息量的方法，必须满足：如何度量信息？如何度量信息？首先要解决的问题首先要解决的问题。能

26、度量任何消息，与消息的类型无关；能度量任何消息，与消息的类型无关；与消息的重要程度无关。与消息的重要程度无关。2023/2/6451.4消息、信息和信号消息、信息和信号信息量的定义：信息量的定义：例：例：例：例：“明天降雨量将有一毫米明天降雨量将有一毫米明天降雨量将有一毫米明天降雨量将有一毫米”-信息量小信息量小信息量小信息量小“明天降雨量将达到一米明天降雨量将达到一米明天降雨量将达到一米明天降雨量将达到一米”-信息量大信息量大信息量大信息量大“明日太阳将从东方升起明日太阳将从东方升起明日太阳将从东方升起明日太阳将从东方升起”-信息量零信息量零信息量零信息量零信息量是消息出现概率的函数；信息量

27、是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包含的信息量就消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。信息量之和。2023/2/6461.4消息、信息和信号消息、信息和信号因此，若消息因此，若消息x出现的概率为出现的概率为p(x)，则所含，则所含信息量信息量I可定义可定义为：为：信息量信息量单位单位：a=2，则为，则为比特比特（bit），简记为），简记为b，最常用最常用;a=e，则为奈特（，则为奈特（nat）;a=10，则为哈特莱（，则

28、为哈特莱（hartley）。）。2023/2/6471.4消息、信息和信号消息、信息和信号当当M=2时，则时，则I=1b。工程上工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于总认为一个二进制波形（或码元）等于1b。即通。即通常把常把一个二进制码元称做一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位易与信息量的单位混淆混淆。若采用一个若采用一个M进制的波形，来传送进制的波形，来传送M个独立的个独立的等概等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：离散消息之一，则每一码元的信息量为：(b)2023/2/6481.4消息、信息和信号消息、信息和信号对于对于

29、M个离散独立个离散独立等概等概消息组成的消息源，消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为它发送的每个消息所包含的信息量为 。等概时具最大熵等概时具最大熵：对于对于离散独立离散独立非等概非等概消息组成的消息源，则消息组成的消息源，则采用平均（统计平均）信息量采用平均（统计平均）信息量熵熵来描述：来描述：熵的单位为：熵的单位为：bit/符号符号2023/2/649例：已知信息源由例：已知信息源由4个符号个符号0、1、2、3组成，组成，它们出现的概率分别为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。且每个符号的出现都是独立的。试求消息：试求消息：2010

30、20130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量和平均信息量。的信息量和平均信息量。解：解：符号出现次数0：23次；1：14次；2：13次；3：7次；共57个符号2023/2/650所以，该消息的信息量为：I=I(0)+I(1)+I(2)+I(3)=33+28+26+21=108bit 平均信息量：信息熵：bit/符号符号2023/2/6511.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标l衡量系统性能优劣的基本因素：衡量系统性能优劣的基本因素：有效性有效性：速度问题：速度问题可靠性可靠性：准确度问题：准确度问题注意注意：两者

31、是：两者是互相矛盾互相矛盾的，也是的，也是可互换可互换的。的。提高有效性提高有效性提高传输速率提高传输速率可靠性降低；可靠性降低；提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元有效性降低。有效性降低。降低有效性，以提高可靠性；降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。降低可靠性，以提高有效性。2023/2/6521.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标l模拟系统模拟系统有效性：传输占用的带宽有效性：传输占用的带宽可靠性：信噪比可靠性：信噪比l数字系统数字系统有效性：传输速率，频带利用率有效性：传输速率，频带利用率可靠性：误码率，误信率可靠性：误码率，误

32、信率2023/2/6531.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标l性能指标：性能指标：传输速率传输速率：三种定义。三种定义。码元速率（码元速率（RB）：）：单位时间内传输码元数。单位时间内传输码元数。“波特（波特（Baud）”信息速率（信息速率（Rb）：）：单位时间内传输的信息量。单位时间内传输的信息量。“比特比特/秒秒（b/s）”对对对对MM进制：进制：进制：进制：R Rb b=R RB Bloglog2 2MM2023/2/654l例：已知二进制数字信号的传输速率为例：已知二进制数字信号的传输速率为1600波特，设码元速率不变，问变成八进波特，设码元速率不变，问变成八进制数字信号时的传输速率为多少比特制数字信号时的传输速率为多少比特/秒？秒？l解：解：2023/2/6551.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标频带利用率：频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。2023/2/6561.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标错误率错误率：两：两种定义。种定义。误码率（误码率（Pe）：）：误比特率（误比特率（Pb）：）：2023/2/658思考题、习题思考题、习题1-11-41-71-10