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1、通信原理,梁国龙,学习方法、要求及授课内容,重点掌握基本概念、原理和方法； 重视课后思考题； 理论联系实际；扩大阅读面； 教材的1、3、4、5、6、7章；重点是1、5、6、7章。即 基带传输； 数字调制通信； 模拟信号的数字传输。 同步及信道编译码理论将在信息论课上安排。,第一章 绪论,基本概念和术语： 通信：克服距离上的障碍，进行信息传递的过程。 通讯：指电气通信。 信息：消息中包含的有价值的内容，是个抽象的概念。 消息：通信双方传送的具体内容，如文字、声音、图像等。,通信系统,用于通信的系统和设备总和的统称。 通信系统的模型：,发送设备,信道,信源,受信者,接收设备,干扰,模拟与数字通讯,
2、信源：语言、文字、图像、符号、数据 模拟信源：输出的消息状态是连续变化的，又叫连续信源； 数字信源（离散信源）：输出的消息状态是离散的、可数的； 模拟信号：信号参量的取值是连续的； 数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数值。 模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号； 数字通信系统：信道中传送的是数字信号。,数字通信的优点,可以再生和重发，抗干扰能力强； 处理、存储方便； 易于集成； 可靠性好； 便于多路复用；,思考题,数字通信系统只能传送数字信号、不能传送模拟信号吗？ 现代通信系统起源于数字通信，而在相当长的发展阶段模拟通信曾长期居主导地位，为什么？,？,通信方式,按消息传递的方向和时间，通信方
3、式可分为三种： 单工通信：消息只能单方向进行传输的工作方式，如广播等； 全双工通信：通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。如电话； 半双工通信：双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的通信方式，如对讲机。,通信系统的主要性能指标,一对主要矛盾： 可靠性：通信的可信程度，即传送信息的质量； 有效性：在给定的信道内传输的信息量的多少。 二者之间可以相互转换。,可靠性,均方误差： 信噪比： 误码率： 误信率：,有效性,传信率： 传码率： 对于m进制编码系统，传信率与传码率之间的关系为：,香农（Shannon）信息定理,如果通信系统输出信号的平均功率为Ps，噪声平均功率为Pn，信道为矩形带通信道，
4、带宽为B，则该信道的最大无失真信息传输速率（称为信道容量）为： C=Blog2(1+Ps/Pn),信道容积：系统能输出的最大信息量为： Imax=TBlog2(1+Ps/Pn) 信道的含量密度：单位信道容积所传输的平均信息量。是衡量通信系统对信道利用程度的一个重要量度。,结论,仅当信息量不超过信道容积时才有可能实现无误码传输。 提高有效性，意味着利用较小的信道容积来传输较多的信息量。,提高通信系统可靠性的途径,增大发射功率； 增大带宽； 增大码元宽度；,思考题,超远程通信声纳的传码率通常只有几个波特，为什么？,？,？,信息的量度,信息量的大小取决于什么？ 消息出现的概率越小，信息量越大； 消息
5、的持续时间越长，信息量越大。 对于离散信源，通常采用消息出现概率的对数测度作为信息量，即 I=loga1/P(x)=-loga P(x) 式中P(x)是消息出现的概率。 当a=2时，信息量的单位为比特（bit）。,一个等概率的二进制波形所含的信息量为1比特； 当a=e，信息量单位为奈特（nit）； 当a=10，信息量单位为哈特莱； 在数字通信中，通常以二进制传输方式为主，在数学上以2为底也非常方便，因此目前广泛采用比特作为信息量的单位。 凡是模拟和数字信号并存的通信系统，信息量的大小通常是以数字信号为准。,熵,多个统计独立的离散信源的信息量满足相加性； 熵：多个信源（符号）的平均信息量为 其物
6、理意义为每个符号所含信息量的统计平均值。 等概率事件熵值最大。,思考题,凡是模拟和数字信号并存的通信系统，信息量的大小通常是以数字信号为准。为什么？,？,？,通信原理 第二章 信道,梁国龙,思考题,凡是模拟和数字信号并存的通信系统，信息量的大小通常是以数字信号为准。为什么？,？,？,信道,狭义信道：信息传输的通道，指传输媒质。 广义信道：传输调制信号的全系统，包括 调制信道：从调制器输出到解调器输入的全部媒质和设备。 编码信道：从编码器输出到解码器输入的总信道。 狭义信道是广义信道的重要组成部分，信道的特性主要是由狭义信道决定的。,广义信道和狭义信道示意图,调制信道模型,物理模型： 双端口时变
7、线形网络 线性时变滤波器 数学模型： k(t)为乘性干扰 n(t)为加性干扰； 恒参信道：乘性干扰趋近于常数。 随参信道：信道参数是随机时变空变的 乘性干扰与加性干扰示意图：,理想信道,理想信道：信息在传输过程中无损失的信道。 纯电阻网络 线性相位的全通滤波器 幅频特性：常数； 相频特性：线性； 群时延特性：常数。,恒参信道,恒参信道：信道参数不随时间而变化，或变化相当缓慢。 定常二端网络 时不变滤波器 幅频畸变：频率失真 相频畸变：相位失真 工程解决措施： 改善滤波特性 信道均衡,信道的传输特性,理想信道的输入输出信号是全相关的； 恒参信道的输入输出信号是相干的； 相关：两个波形的相似程度；
8、 相干：相位信息的可利用程度； 相关一定相干；但相干不一定相关。 随参信道的传输特性是时变/空变的。,典型信道的特性,有线传输信道：接近于理想信道； 恒参信道： 光纤信道； 无线电视距中继信道； 卫星中继信道。 随参信道： 短波电离层反射信道； 对流层散射信道； 水声信道；,思考题,信道对通信系统的性能会产生哪些影响？ 你了解哪些通信技术是和信道紧密相关的？,第三章 数字基带传输系统,信道信号,信道编码调制,调制解调器,从信息传输的角度看，一个数字通信 系统通常要进行两种变换：,消息,数字基带信号,信源编码,发送终端设备,3.1 引言,基带信号：原始信息的电信号形式(未 经调制的信号)。 数字
9、基带信号：消息代码的电波形。 基带传输系统：不使用调制解调过的 传输系统。,基本概念：,研究基带传输的意义：,基带传输是基础。 任何一个频带传输系统(理论上)可用一个 等效的基带传输系统替代。 基带传输自身的发展(时分复用高速 传输)。,3.2 数字基带信号及其频谱特性 3.2.1 数字基带信号,几种基本的基带信号码波形(以矩形脉 冲为例)：,1. 单极性波形,0 0 无电压(电流) 1 +E 有电压(电流),2. 双极性波形,1 +E(-E) 正 0 -E(+E) 负,无直流分量，电脉冲间无间隔。,3. 单极性归零波形,每个脉冲都回到零电位，脉宽小于 码元宽度,4. 双极性归零波形,5. 差
10、分波形,1 电位改变 0 电位不变,6. 多值波形 (多电平波形),00 +3E 01 +E 10 -E 11 -3E,高速通信。,7. 通用表达式：,其中 是信息符号所对应的电平值， 是一个随机量。,3.2.2 基带信号的频谱特性,1. 稳态波功率谱有什么特点？为什么？ 2. 在书(5.215)式中是什么含义？ 3. 交变波的功率谱密度有什么特点？对 和 波形的选择有什么启示？,讨论 为什么？,4. 满足 条 件时 的功率谱密度没有离散谱。对提取或消除离散谱分量有什么启示？ 5. 基带信号的功率谱带宽取决于什么？,3.3 基带传输常用码型,基带信号就是代码的电波形表示。 并非任何代码的电波形
11、都适合于在信道 中传输(如单极性波形)。,对传输信号(基带)的要求： 对代码的要求。 对电波形的要求。,期望的码特性： 1. 能从相应的基带信号中获取定时 的信息。(基准) 2. 相应的信号无直流成分，且低频 成分少。(功耗) 3. 不受信源统计特性影响，适应信 源变化能力强。(稳健) 4. 传输效率高。(有效性) 5. 具有自检和纠错能力。(可靠性),常用码型简介： 1. AMI码 (Alternate mark inversion code 传号交替反转码) 编码规则： 0(空号)不变，1(传号)交替反 转为+1，-1，+1， 二进制 三进制 (1B/1T码型),优点： 简单； 无直流；
12、具有误码自检能力 缺点： 可能出现长0串，定时不方便,2. HDB3码 (Three order compatible high density bipolar cod三阶高密度双极性码) AMI码的改进型之一。 优点： 稳健性强，连0串减小到至多3个。,编码规则： 先变成AMI码，检查连0串，4个以上连0串的第4个0变成与前一个非0符号同极性的符号(破坏符号V)。相邻两个破坏符号之间有偶数个非0符号时，将该小段的第1个0变为+B或-B，B符号的极性与前一 非0符号相反，后面的符号从V开始交替变化。,PST码 (Pair selecting ternary 成对选择三进码) 编码规则：先将每2
13、个二进制码元划分 为一个码组，再把它编成三进制数(0 + -)，9种状态取其4，+ - 模式交替。 优点：无直流分量，编码简单，定时分量丰富。 要点：需要建立帧同步(分组信息)。,二进代码 + 模式 - 模式 00 - + - + 01 0 + 0 - 10 + 0 - 0 11 + - - +,举例： 代 码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI 码：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3 码：-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1,PST码： 代码： 01 00 11 10 10 11 0
14、0 取+模式时：0+ - + + - -0 +0 + - - + 取- 模式时：0- - + + - +0 -0 + - - +,Manchester码 (Biphase code、Splitphase code) 编码规则： 一个二进制 两个不同相位的二进码 如： 0 01 (零相位方波) 1 10 ( 相位方波),优点： 定时分量丰富，无直流，编码简单。只用两个电平，在多电平码不能传输的场合仍适用(如光纤通信)。 缺点： 带宽宽，效率低。,5. Miller码 编码规则： 1码中心点跃，即 ，前 沿无跃变。 单个0码，不跃变，与前一码元边界处不变。即：,连0码，边界跃变，00与11交替。,
15、性质： 两个“1”中间夹一个“0”时出现最大宽度为2Ts的码形，可用于误码自检。 双相码的下降沿正好对应于Miller码的跃变沿。,双相码 Miller码,双稳态,应用：气象卫星、磁记录、基带数传机。 优点：双电平，误码检测优于双相码。 6. CMI码 (传号反转码) 编码规则：,优点：定时信息丰富，被CCITT推荐为PCM接口码型。,nBmB码 n位二进码 m位二进码 通常取m=n+1，1位用于纠错。如：,5B6B码已实用化，用于光纤数字传输 系统。,4B/3T码 (4 Binary code 3 ternary code，AMI 码改进型) 优点：提高有效性(相同信息量所需的传 输速率低)。 4B(16) 3T(27),3.4 基带脉冲传输与码间干扰 3.4.1 基带信号的波形恢复与再生,限幅整形器 + 抽样判决器 为什么要进行限幅整形？ 进一步排除干扰，提取信号。 便于同步，保证抽样时刻在接收波形 中心附近。避免单个码元信号因展宽被两次抽样或因变形而漏报。,由发送 、信道、接收 构成的总系统 的传输函数为：,基带信号可以描述成：,接收信号：,3.5 无码间干扰的基带传输特性 什么样的系统能保证无码间干扰？理论上，只要：,即可。,即可。,Nyquist第一准则： 只要基带系统的总特性传输函数H(w)可以等效为一个理想
