课程名称通信系统原理CommunicationSystem.ppt

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1、课程名称课程名称通信系统原理通信系统原理Communication Systems Concepts开场白开场白一、本课的重要性：一、本课的重要性：1、入专业之门。入专业之门。2、垫专业之底。垫专业之底。3、领专业之路。领专业之路。通信系统原理通信系统原理是一门介绍信息传输基本原理是一门介绍信息传输基本原理（理论和技术）的课程。（理论和技术）的课程。它的研究对象是通信系统。它的研究对象是通信系统。二、目的要求：二、目的要求：三、学习要领：三、学习要领：1 1、明白原理。、明白原理。1、求真知。、求真知。2 2、学会计算。、学会计算。2、常复习。、常复习。3 3、联系实际。、联系实际。3、重自学

2、。、重自学。通信网中涉及传输（通信网中涉及传输（Transmission）、）、复用（复用（Multiplexing）、交换（）、交换（Switching）、）、网络（网络（Network）四大技术，）四大技术，通信系统原理重点介绍传输和复用。通信系统原理重点介绍传输和复用。教材及参考书教材及参考书教材教材通信原理教程通信原理教程达新宇等北京邮电大学出版社达新宇等北京邮电大学出版社参考书参考书v通信原理（第通信原理（第5版）版）樊昌信等樊昌信等国防工业出版社国防工业出版社v通信原理通信原理马海武等北京邮电大学出版社马海武等北京邮电大学出版社v现代通信原理现代通信原理曹志刚、钱亚生曹志刚、钱亚生

3、清华大学出版社清华大学出版社v通通信信系系统统（第第四四版版）英英文文版版加加SimonHaykin电子工业出版社电子工业出版社vDigitalandAnalogCommunicationSystems（第第五五版版）LeonW.CouchII清华大学出版社（影印版清华大学出版社（影印版)v通信原理学习与考研指导沙济彰等科学出版社通信原理学习与考研指导沙济彰等科学出版社v通信原理考研指导信息通信专业考研指导丛书通信原理考研指导信息通信专业考研指导丛书郝建军、尹长川郝建军、尹长川北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社v通信原理习题集通信原理习题集杨鸿文、桑林北京邮电大学出版社杨鸿文、桑林北京邮电大

4、学出版社第第1章章 绪绪 论论本章教学要求：本章教学要求：1、掌掌握握信信息息量量和和通通信信系系统统主主要要性性能能指指标标的的计计算算；掌掌握握恒参信道和随参信道特性及对信号传输的影响。恒参信道和随参信道特性及对信号传输的影响。2、熟悉通信基本概念（通信、消息、信号、信息等）、熟悉通信基本概念（通信、消息、信号、信息等）3、理解信道的定义和模型。、理解信道的定义和模型。4、了解通信系统模型、分类和通信方式。、了解通信系统模型、分类和通信方式。主要外语词汇主要外语词汇通信（通信（CommunicationCommunication）电信（电信（TelecommunicationTelecom

5、munication）消息消息(Message)(Message)信号信号(Signal)(Signal)信息（信息（InformationInformation）模拟通信（模拟通信（Analog CommunicationAnalog Communication）数字通信（数字通信（Digital CommunicationDigital Communication）信息量（信息量（Amount of InformationAmount of Information）信道（信道（ChannelsChannels）信道容量（信道容量（Channel CapacityChannel Capaci

6、ty）信噪比（信噪比（Signal-to-noise ratioSignal-to-noise ratio，简写，简写 SNR SNR）噪声（噪声（NoiseNoise）信息熵（信息熵（Information EntropyInformation Entropy）作业作业P P21213 3，4 4，7 7，8 8，1818，1919本章主要内容本章主要内容1.1通信的基本概念通信的基本概念1.2通信系统的组成通信系统的组成1.3通信发展概况通信发展概况1.4信息及其量度信息及其量度1.5通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.6信道信道1.6.1信道的分类和有关概念信道的分类和有关概

7、念1.6.2恒参信道特性及其对信号传输的影响恒参信道特性及其对信号传输的影响1.6.3随参信道特性及其对信号传输的影响随参信道特性及其对信号传输的影响 1.1 通信的基本概念通信的基本概念一、一、通信的定义通信的定义通信通信（communication）指从指从一个地方向另一个地方进行消息的有效传递与交换。一个地方向另一个地方进行消息的有效传递与交换。电信电信（Telecommunication）利利用用电电子子等等技技术术手手段段，借借助助电电信信号号（含含光光信信号号）实实现现从从一一地地向另一地进行消息的有效传递与交换。向另一地进行消息的有效传递与交换。二、现代通信的业务内容二、现代通信

8、的业务内容1、电报、电报4、广播、广播2、电话、电话5、电视、电视3、传真、传真6、因特网、因特网未来的个人通信未来的个人通信任何人（任何人（Whoever）在任何时候（）在任何时候（Whenever）和）和任何地方（任何地方（Wherever）与另一人（）与另一人（Whomever）以）以任何方式（任何方式（Whatever）进行信息的实地实时全天）进行信息的实地实时全天候的交互。候的交互。三、消息、信号和信息三、消息、信号和信息1、消息（消息（message）有待传输的符号、文字、数据有待传输的符号、文字、数据和语声等。和语声等。2、信号（信号（signal）与消息相对应的电或光的波形，与

9、消息相对应的电或光的波形，是消息的物质载体。是消息的物质载体。3、信息（信息（information）消息中包含的有意义（有用）消息中包含的有意义（有用）的内容。的内容。不同形式的消息可包含相同信息。不同形式的消息可包含相同信息。四、四、通信系统的分类通信系统的分类1、按信号形式分：按信号形式分：模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信2、按传输媒介分：按传输媒介分：有线通信和无线通信有线通信和无线通信3、按通信业务分：按通信业务分：电报、电话、传真、电报、电话、传真、数据传输、数据传输、可视可视电话、无线寻呼等电话、无线寻呼等4、按调制方式分：、按调制方式分：基带传输和频带传输基带传输和频带传输

10、5、按复用方式分：、按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用频分复用、时分复用、码分复用6、按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信和微波通、按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信和微波通信信7、按收信者是否运动分：移动通信和固定通信按收信者是否运动分：移动通信和固定通信五、通信方式五、通信方式1.按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分图图1-1按消息传送的方向和时间划分的通信方式按消息传送的方向和时间划分的通信方式(a)单工方式；单工方式；(b)半双工方式；半双工方式；(c)全双工方式全双工方式2.按数字信号排序分按数字信号排序分图图1-2按数字信号排序划分的通信方式按数字

11、信号排序划分的通信方式(a)串行传输方式串行传输方式；(b)并行传输方式并行传输方式3.按通信网络形式分按通信网络形式分图图1-3按网络形式划分的通信方式按网络形式划分的通信方式(a)两点间直通方式；两点间直通方式；(b)广播方式；广播方式；(c)交换方式交换方式 1.2 通信系统的组成通信系统的组成一、通信系统模型：一、通信系统模型：一、通信系统模型：一、通信系统模型：图图1-4通信系统的模型通信系统的模型数字信号与模拟信号数字信号与模拟信号l模拟信号：代表消息的参量是连续的或在某一范围内可以取无穷多个值，时间上不一定连续；l数字信号：代表消息的参量是离散或可数的，时间上不一定离散；模拟信号

12、波形模拟信号波形数字信号波形数字信号波形(a)连续信号连续信号(a)二进制波形二进制波形(b)抽样信号抽样信号(b)2PSK波形波形二、模拟通信系统二、模拟通信系统（第（第（第（第3 3章）章）章）章）（Analog CommunicationAnalog CommunicationAnalog CommunicationAnalog Communication）信源信源调制调制信道信道解调解调信宿信宿噪声源噪声源图图1-5模拟通信系统的模型模拟通信系统的模型三、数字通信系统三、数字通信系统（Digital Digital Digital Digital CommunicationCommun

13、icationCommunicationCommunication）1 1、数字基带传输系统、数字基带传输系统、数字基带传输系统、数字基带传输系统（第（第（第（第4 4章）章）章）章）信源信源编码编码信道信道解码解码信宿信宿噪噪声声源源图图1-6数字基带通信系统的模型数字基带通信系统的模型2 2、数字频带传输系统、数字频带传输系统、数字频带传输系统、数字频带传输系统（第（第（第（第5 5章）章）章）章）图图1-7数字频带通信系统的模型数字频带通信系统的模型四、数字通信系统优点四、数字通信系统优点与模拟通信比较，数字通信主要有以下五大好处：与模拟通信比较，数字通信主要有以下五大好处：1、通信质量

14、好，噪声不累积。通信质量好，噪声不累积。2、可以通过编码进行差错控制，改善传输质量。、可以通过编码进行差错控制，改善传输质量。3、可利用现代数字信号处理技术处理数字信息。、可利用现代数字信号处理技术处理数字信息。4、可加密，保安全。、可加密，保安全。5、可实现综合业务，使通信功能增强。、可实现综合业务，使通信功能增强。图图1-8两两类类通通信信方方式式抗抗干干扰扰性性能能比比较较(a)模拟信号；模拟信号；(b)数字信号数字信号模拟信号数字化通信系统模拟信号数字化通信系统（第（第（第（第6 6章）章）章）章）模模 拟拟信源信源A/D数数字字通通信信系系 统统D/A模模 拟拟信宿信宿A/D转换（转

15、换（Analogdigitalconversion）：模拟）：模拟数字转换。数字转换。D/A转换（转换（Digitalanalogconversion）：数字）：数字模拟转换。模拟转换。图图1-9模拟信号数字化通信系统的模型模拟信号数字化通信系统的模型 1.3 通信技术发展概况通信技术发展概况一、一、通信发展简史通信发展简史表表1-1通通信信重重大大事事件件表表二、二、通信技术的现状和发展趋势（第通信技术的现状和发展趋势（第11章）章）1.光纤通信光纤通信光光纤纤通通信信具具有有容容量量大大、成成本本低低等等优优点点，且且不不怕怕电电磁磁干干扰扰，与与同同轴轴电电缆缆相相比比可可以以大大量量节

16、节约约有有色色金金属属和和能能源源。因因此此，自自1977年年世世界界上上第第一一个个光光纤纤通通信信系系统统在在芝芝加加哥哥投投入入运运行行以以来来，光光纤纤通通信信发发展展极极为为迅迅速速，新新器器件件、新新工工艺艺、新新技技术术不不断断涌涌现现，性性能能日日臻臻完完善善。由由于于长长波波长长激激光光器器和和单单模模光光纤纤的的出出现现，使使每每芯芯光光纤纤通通话话路路数数可可高高达达百百万万路路，中中继继距距离离将将达达到到100km，市市话话中中继继光光纤纤成本也连续大幅度下降。成本也连续大幅度下降。我我国国近近几几年年来来光光纤纤通通信信已已得得到到了了快快速速发发展展，目目前前光光

17、缆缆长长度度累累计计近近几几十十万万km。我我国国已已不不再再敷敷设设同同轴轴电电缆缆，新新的的工工程程将将全全部部采用光纤通信新技术。采用光纤通信新技术。2.卫星通信卫星通信卫卫星星通通信信的的特特点点是是通通信信距距离离远远，覆覆盖盖面面积积广广，不不受受地地理理条条件件限限制制，可可以以大大容容量量传传输输，建建设设周周期期短短，可可靠靠性性高高等等。自自1960年年第第一一颗颗卫卫星星发发射射成成功功以以来来，卫卫星星通通信信发发展展特特别别迅迅猛猛。目目前前，卫卫星星通通信信的的使使用用范范围围已已遍遍及及全全球球，仅仅国国际际卫卫星星通通信信组组织织就就拥拥有有数数十十万万条条话话

18、路路。卫卫星星通通信信的的广广泛泛应应用用，使使国国际际间间重重大大活活动动能能及及时时得得以以实实况况转转播播，它它使使全全世世界界人人与与人人之之间间的的“距距离离”缩短。缩短。3.移动通信移动通信移移动动通通信信是是现现代代通通信信中中发发展展最最为为迅迅速速的的一一种种通通信信手手段段，它它是是随随着着汽汽车车、飞飞机机、轮轮船船、火火车车等等交交通通工工具具的的发发展展而而同同步步发发展展起起来来的的。近近10年年来来，在在微微电电子子技技术术和和计计算算机机技技术术的的推推动动下下，移移动动通通信信从从过过去去简简单单的的无无线线对对讲讲或或广广播播方方式式发发展展成成为为一一个个

19、把把有有线线、无无线线融融为为一一体体，固固定定、移移动动相相互互连连通通的的全全国国规规模模，甚甚至至全球范围的通信系统。全球范围的通信系统。移移动动通通信信的的发发展展方方向向是是数数字字化化、微微型型化化和和标标准准化化。20世世纪纪90年年代代是是蜂蜂窝窝电电话话迅迅速速普普及及的的年年代代。但但目目前前世世界界上上存存在在多多种种不不同同的的技技术术体体制制，互互不不兼兼容容，因因此此标标准准化化成成为为当当务务之之急急。数数字字化化的的关关键键是是调调制制、纠纠错错编编码码和和话话音音编编码码方方式式的的确确定定。微微型型化化的的目目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。标是研制重量

20、非常轻的个人携带的手机。4.微波中继通信微波中继通信微微波波中中继继通通信信始始于于20世世纪纪60年年代代，它它较较一一般般电电缆缆通通信信具具有有易易架架设设，建建设设周周期期短短等等优优点点。它它是是目目前前通通信信的的主主要要手手段段之之一一，主主要要用用来来传传输输长长途途电电话话和和电电视视节节目目，其其调调制制主主要要采采用用SSB/FM/FDM等方式。等方式。微微波波中中继继通通信信的的主主要要发发展展方方向向是是数数字字微微波波，同同时时要要不不断断增增加加系系统统容容量量，增增加加容容量量的的途途径径是是向向多多电电平平调调制制技技术术发发展展。目目前前采采用用的的调调制制

21、方方式式有有16QAM和和64QAM，并并已已出出现现256QAM、1024QAM等等超超多多电电平平调调制制的的方方式式。采采用用多多电电平平调调制制，在在40MHz的标准频道间隔内，可传送的标准频道间隔内，可传送1920至至7680路路PCM数字电话。数字电话。1.4 信息及其量度信息及其量度我我们们定定义义能能够够衡衡量量信信息息多多少少的的物物理理量量叫叫做做信信息息量量，通常用通常用 I表示。表示。这这说说明明信信息息有有量量值值可可言言，并并且且信信息息所所包包含含的的事事件件越越不不可可发发生生，人人们们就就越越感感兴兴趣趣，信信息息量量就就越越大大。显显然然，信信息息量量与与事

22、事件件发发生生的的概概率率有有关关，事事件件出出现现的的概概率率越越小小，信信息息量量就就越越大大；必必然然事事件件的的概概率率为为1，则则它它传传递递的的信信息息量就为量就为0。一、信息量的定义：一、信息量的定义：1、信息是、信息是消息（信号）的不确定性消息（信号）的不确定性的度量。的度量。有不确定性，才有有不确定性，才有“惑惑”要解。确定事物不含信息。要解。确定事物不含信息。通通信信是是消消除除不不确确定定性性的的过过程程。可可用用通通信信所所消消除除的的不确定性的多少来定义所传输信息的多少。不确定性的多少来定义所传输信息的多少。2、不不确确定定性性来来自自客客观观事事物物本本身身的的随随

23、机机性性，可可以以用用概概率统计率统计来定量描述之。来定量描述之。3、概率为、概率为1的事件，不存在不确定性；的事件，不存在不确定性；概率越小，不确定性越大。概率越小，不确定性越大。用用 不不 确确 定定 性性 的的 大大 小小 表表 达达 信信 息息，应应 与与 概概 率率 的的 倒倒 数数 有有 关关。I1/P4、若若干干独独立立事事件件的的总总信信息息量量应应等等于于各各事事件件信信息息量量的的总总和和；而而独独立立事事件件联联合合概概率率是是各各事事件件概概率率的的乘乘积积。为此定义：为此定义：Ilog（1/P）logP则有：当则有：当PP1P2Pn时，时，I=I1+I2+In5、对对

24、数数以以2为为底底时时，信信息息量量的的单单位位叫叫“比比特特”。（bit）对数以对数以e为底时，信息量的单位叫为底时，信息量的单位叫“奈特奈特”。（。（nit）对对数数以以10为为底底时时，信信息息量量的的单单位位叫叫“哈哈特特莱莱”。（hartley）通常广泛使用的单位为比特。通常广泛使用的单位为比特。二二、信息熵（平均信息量）、信息熵（平均信息量）所谓平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值。所谓平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值。1离散信源的熵离散信源的熵已已知知信信源源发发出出M个个不不同同消消息息（符符号号）的的概概率率分分别别为为Pi，（i1、2、3M）则发不同消息

25、（符号）时各信息量不同：则发不同消息（符号）时各信息量不同：（i1、2、3M）平均而言，发出一个符号的信息量为平均而言，发出一个符号的信息量为：2离散信源的最大熵离散信源的最大熵H0=Hmax=log2 M 发发 生生 在在 P P1 1=P=P2 2=P=PMM=1/M=1/M 的的 等等 概概 情情 况况 下下。二元等概信源二元等概信源 H H0 0=log=log2 22=12=1 ，每位码元所含信息量为每位码元所含信息量为1比特。比特。3连续信源的熵（相对熵）连续信源的熵（相对熵）式中式中f(x)为连续消息为连续消息x出现的概率密度函数。出现的概率密度函数。例例例例 1 1设由5个符号

26、组成的信息源，相应概率为 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标一、一般通信系统的性能指标：一、一般通信系统的性能指标：1、有效性有效性5、保密性、保密性2、可靠性可靠性6、标准性、标准性3、适应性、适应性7、维修性、维修性4、经济性、经济性8、工艺性、工艺性通通信信的的任任务务是是快快速速、准准确确地地传传递递信信息息。因因此此，评评价价一一个个通通信信系系统统优优劣劣的的主主要要性性能能指指标标是是系系统统的的有有效效性性和可靠性和可靠性。有有效效性性 是是指指在在给给定定信信道道内内所所传传输输的的信信息息内内容容的的多多少少，或者说是传输的或者说是传输的“速度速度”问题；

27、问题；可可靠靠性性是是指指接接收收信信息息的的准准确确程程度度，也也就就是是传传输输的的“质质量量”问题。问题。这这两两个个问问题题相相互互矛矛盾盾而而又又相相对对统统一一，通通常常还还可可以以进进行行互换。互换。二、模拟通信系统的有效性和可靠性指标：二、模拟通信系统的有效性和可靠性指标：二、模拟通信系统的有效性和可靠性指标：二、模拟通信系统的有效性和可靠性指标：有效性有效性可用带宽带宽（信号所占用的频率范围的宽度）来度量。可靠性可靠性用接收端最终输出信噪比输出信噪比来度量。S为信号功率，N为噪声功率。三、数字通信系统的有效性和可靠性指标：三、数字通信系统的有效性和可靠性指标：三、数字通信系统

28、的有效性和可靠性指标：三、数字通信系统的有效性和可靠性指标：1 1、有效性、有效性、有效性、有效性数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。（1）码码元元传传输输速速率率RB简简称称传传码码率率，又又称称符符号号速速率率等等。它它表表示示单单位位时时间间内内传传输输码码元元的的数数目目，单单位位是是波波特特（Baud），记为，记为B。例如，若例如，若1秒内传秒内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。数数字字信信号号有有多多进进制制和和二二进进制制之之分分，但但码码元元速速率率与与进进制制数数无无关，只与传输的码元长度关，只与传输的码元长

29、度T有关有关:通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。在在保保证证信信息息速速率率不不变变的的情情况况下下，M进进制制的的码码元元速速率率RBM与与二二进进制的码元速率制的码元速率RB2之间有以下转换关系：之间有以下转换关系：RB2=RBMlog2 M (B)M=2k (k=1,2,3)注：注：log2 lb（2）信信息息传传输输速速率率Rb简简称称传传信信率率，又又称称比比特特率等。它表示率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是单位是比特比特/秒秒，可记为，可记为bit/s，或，或b/s，或，或b

30、ps。（3）码元速率）码元速率RB和信息速率和信息速率Rb的关系的关系 Rb=RBH (b/s)式中，式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等等概概传传输输时，熵熵有有最最大大值值H=log2M，信信息息速速率率也也达达到到最最大大，即即Rb=RB log2 M(b/s)式中，式中，M为符号的进制数。为符号的进制数。例例如如码码元元速速率率为为1200B，采采用用八八进进制制（M=8）时时，最最大大信信息息速速率率为为3600b/s；采采用用二二进进制制（M=2）时时，最最大大信信息息速速率率为为1200b/s。可可见见，二二进进制制的的码码元

31、元速速率率和和最最大大信信息息速速率率在在数数量量上上相等，有时简称它们为数码率。相等，有时简称它们为数码率。频带利用率频带利用率：比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占用信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统用信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是传输效率的应当是单位频带内的码元或信息传输速单位频带内的码元或信息传输速率率，即，即B/Hz b/s/Hz 例例例例1 1已知二进制数字信号在已知二进制数字信号在2mins内共传送了内共传送了72

32、000个码元。个码元。(1)问其码元速率和信息速率各为多少问其码元速率和信息速率各为多少?(2)如果码元宽度不变如果码元宽度不变(即码元速率不变即码元速率不变)，但改为八，但改为八进制数字信号，进制数字信号，则其码元速率为多少则其码元速率为多少?信息速信息速率又为多少率又为多少?解解:(1)在在260s内传送了内传送了72000个码元个码元RB2=72000/(260)=600(B)Rb2=RB2=600(b/s)(2)若若改改为为8进进制制码码元元宽宽度度不不变变(即即码码元元速速率率不不变变)则则RB8=72000/(260)=600(B)Rb8=RB8log28=1800(b/s)2 2

33、、可靠性、可靠性、可靠性、可靠性衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误常用误码率和误信率表示。信率表示。误误码码率率（码码元元差差错错率率）Pe是是指指发发生生差差错错的的码码元元数数在在传传输输总总码码元元数数中中所所占占的的比比例例，更更确确切切地地说说，误误码码率率是是码码元元在在传传输输系系统统中中被被传错的概率，即传错的概率，即误误信信率率（信信息息差差错错率率）Peb是是指指发发生生差差错错的的比比特特数数在在传传输输总比特数中所占的比例，总比特数中所占的比例，即即例例例例2 2已知某已知某8进制数字通信系统的信息速率为进制数字通信系统的信息速率为12000b/s，在收端半小时内共测得出现了在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，个错误码元，试求系统的误码率。试求系统的误码率。Rb=RB log2 M(b/s)解解：