通信原理电子教案（2020年整理）.pdf

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1、第一讲 绪论 键入文字 1 问题讨论问题讨论 1：谈谈对通信的认识。如：你见到过或接触的与通信相关的内容有些 什么？列举一些通信的实例。 可以得出 通信的概念：克服距离上的障碍，交换和传递信息，将信息从 发送者传送到接收者的整个过程。 问题讨论问题讨论 2：通信原理应该解决通信过程中的哪些问题？你对什么技术最感兴趣？ 你想要的通信方式是怎样的？ 通信原理的授课内容： 调制技术、 模拟信号数字化技术； 数字基带传输技术； 数字频带传输技术；复用技术与同步原理；差错控制技术等。 通信技术的发展通信技术的发展：电报、无线电、电话、电视(模拟)、数字通信技术、计算机网 络、卫星通信、光纤通信等 。 通

2、信的基本知识： 、消息：被传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等，是信息的载体。 、信号：指消息的电量形式，与消息是一一对应的。 基带信号：信源发出的未经调制的信号。 频带信号：经过调制具有较高频率的信号。 、信息：是事物的状态及其随时间发生的变化反映。指消息中的有效内容，可 以用量化的形式来表示，它与消息出现的概率密切相关。 通信系统的组成及分类 通信系统的一般模型 、信息源实际上是一个转换设备，它将消息转换成原始的电信号。可分为：模 拟信源和数字信源。 、 发送设备的基本功能是将信息源产生的消息信号转换成适合信道中传输的信 号，即完成信息源与信道的匹配功能。 模拟通信系统通过调制将信号进

3、行频谱搬移，数字通信系统采用抽样编码、 扰码、调制等方式进行匹配。 第一讲 绪论 键入文字 2 、 信道是指传输信息的通道， 即信号传输的媒介。 可分为有线信道和无线信道。 、接收设备主要完成发送设备的反变换功能，如解调、译码等。 接收设备是从带有干扰的接收信号中正确分离出相应的原始电信号，因而接 收设备的质量将直接决定通信的质量。 、收信者也叫信宿，它将原始的电信号恢复成相应的消息。 调制及调制的目的 、模拟通信系统发送设备的核心是调制器。 原始信号大都属于基带信号范畴， 如话音信号： 3003400z， 图像信号 06MHz。 这些信号不适合在信道中直接传输，要经过调制。 、调制：发送设备

4、的核心是调制器，就是用基带信号 m(t)去控制载波 c(t)的某 个参数，使这个参数随调制信号 m(t)的规律成比例变化。 、调制的目的 提高信号频率以便天线辐射 改变信号占用带宽 实现信道复用 改善系统性能 模拟通信系统模型 数字基带通信模型 第一讲 绪论 键入文字 3 数字通信系统模型 数字系统编码 信源编码和信道编码 信源编码：实现模拟信号数字化，数据压缩等 信道编码：使数字信号与信道传输匹配；实现保密通信及差错控制等。 数字通信系统的主要优缺点 1、更好的抗失真和干扰的能力 2、容易实现，成本低，更具灵活性 3、差错控制编码 4、容易实现保密通信 5、更适合数字业务，容易实现多网合一

5、缺点： 数字信号具有更宽的频带 同步设备复杂 第二讲 绪论 键入文字 4 通信系统的分类 按照通信的业务和用途 常规通信、控制通信 按照调制方式 基带通信、调制通信 按照传输信号特征 模拟通信、数字通信 按照传输信号的复用方式 频分复用、时分复用、码分复用 按照通信方式 单工通信、半双工通信、全双工通信 按照传输媒介 有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆） 无线通信（微波中继通信、卫星通信、移动通信） 按照工作波长 长波通信、中波通信、短波通信、微波通信 通信系统的常用信道 有线信道：同轴电缆、光纤等 无线信道：微波通信 通信系统的性能度量 有效性有效性、可靠性可靠性、标准性、经济性、适应性、保

6、密性等。有效性与可靠性是 主要指标。有效性是指在给定信道和时间内传输信息的多少。可靠性是通信系统 传输信息质量上的象征，指的是接 收信息的准确程度。 模拟通信中，有效性与可靠性由传输带宽传输带宽和信噪比信噪比保证。 数字通信中，有效性与可靠性由传输速率传输速率和误码率误码率、误比特率误比特率保证。 数字通信的传输速率 码元：携带消息的信号单元，通常是多元数码，也可以是二元数码。 码元传输速率 Rs：单位时间内传输的码元个数，单位为波特(Baud)。 信息传输速率 Rb：单位时间内传输的信息量(或者是比特数)，单位是比特/ 第二讲 绪论 键入文字 5 秒,bit/s,bps。 1 个 N 进制码

7、元，用二元码表示应有多少比特(bit)？ Rb=Rs.log2N bit/s 例 1-1：已知某八进制数字传输系统，发送端在 3 秒钟内共发送 9600 个码元。计 算该系统的码元传输速率和信息传输速率。 误码率 Pb与误比特率 Pe 误码率误码率 Pb与误比特率与误比特率 Pe的关系：当二元码传输时，两者相等，其它情况下的关系：当二元码传输时，两者相等，其它情况下 2(1) e b NP P N = , 其中为进制数。 例 1-2: 已知某四进制数字传输系统，其信息传输速率为 2400bit/s，接收端在一 小时内共接收到 216 个错误码元，计算该系统的误码率和误比特率。 频带利用率：单位

8、频带内的码元传输速率，单位为波特/赫兹（Baud/Hz）, 显然系统的频带利用率越高，则系统的有效性越好。 例 1-3: 在强噪声干扰环境下，某电台在 5 分钟内共接收到正确的比特数为 355Mbit，假设系统的信息速率为 1200Kbps。 （1）系统的误比特率。 （2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码 元传输速率。 第三讲 香农定理 键入文字 1 信息量和熵 信息量：信息量：信息多少的量度。1928 年 R.V.L.哈特莱首先提出信息定量化的初步 设想，他将消息数的对数定义为信息量。 信源熵信源熵： 信源各个离散消息的信息量的数学期望 （即概率加权的统计平均值）

9、 信源熵的单位是 Bit/sign。 哈特莱信息度量关系 若以 2 为底时单位是“比特” （bit ） 若以 e 为底时单位是“奈特” （nat） 若以 10 为底时单位是“哈特” （Hart ） 例 2-1: 已知某离散信源由 A、B、C、D 四个符号组成，其发送概率分别为 符号 A B C D 概率 1/4 1/8 1/2 1/8 若每个符号的出现都是统计独立的。求传送“BABCCDBDCBBAAB”所包含的信息 量。 离散信源的熵 离散信源的熵即指离散信源的平均信息量。 2 1 ()( )log( ) m ii i H Xp xp x = = 例 2-2：求上例离散信源的熵。 )(log

10、 )( 1 logxp xp I aa = 第三讲 香农定理 键入文字 2 最大离散熵定理 当且仅当各消息出现概率相等时， 2 ()logH Xm= 信道容量 指信道在无差错传输信息时的最大信息传输速率。 它反映了信道的传输能力。 香农定理 2 log (1) S CB N =+，C:信道容量(bit/s) B：传输带宽 S/N：信噪比 香农公式的重要结论 1、当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越 大。当噪声功率趋近 0 时，信道容量趋近无穷。 2、当接收端的信噪比一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也 越大。当信道带宽趋于无穷时，信道容量并不趋于无穷，而是趋

11、于一个固定值。 0 2222 00000 limlimlog (1)limlog (1)limlog (1)log1.44 BBBB n BSSSSSS CBBe Nn BnSn Bnn =+=+=+= 3、当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过增加系统 的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求， 即以牺牲系统的有效性来换取系统的 可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。 例 2-3：例：已知彩色电视图像由 500000 个像素组成，设每个像素有 64 种彩色 度， 每种彩色度有 16 个亮度等级。 如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等， 并统计独立。 计算： 1）每秒传送 10

12、0 个画面所需的信道容量。 2）若接收机的信噪比为 30dB，则所需的传输带宽为多少。 第三讲 香农定理 键入文字 3 例.如果一个由字母 A B C D 组成的字，将每个字母用两位二进制脉冲编码， 其中 00 代表 A，01 代表 B，10 代表 C，11 代表 D，每位宽度为 5ms。 （1）当不同的字母等概出现时，计算传输的平均信息速率。 （2）若每个字母出现的概率分别为 PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10,计算传 输的信息速率。 例.在强噪声干扰环境下，某电台在 5 分钟内共接收到正确的比特数为 355Mbit，假设系统的信息速率为 1200Kbps。 （1）系统

13、的误比特率。 （2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码 元传输速率。 例.某信息源包含 X Y Z W 四个符号，这四个符号出现的概率相等，传输时采 用二进制进行，已知信息传输速率为 1Mbps。 （1）码元传输速率 （2）该信息源工作一小时后发出的信息量 第四讲 复习与作业评讲 键入文字 1 第五讲 模拟调制技术(AM 和 DSB) 键入文字 1 调制的概念 用基带信号(调制信号)去控制载波的某一个参数，使这个参数随调制信号的 规律成比例的变化。经过调制以后的信号称为已调信号。 调制的目的及功能 1、利于信号辐射：通过调制技术将低通型的信息信号的频谱搬移到较高的 频

14、率上，从而进行有效的辐射。 、实现信道复用和频率分配： 调制可以实现多个信号在同一个信道中同时传输， 以提高信道频带的利用率。 、提高抗干扰性： 信息传输系统抗干扰的能力是衡量系统性能优劣的一个重要标准， 选择合适 的调制方式，可以改进系统的抗干扰能力。 调制的分类 1.按调制信号不同来划分： 模拟调制：调制信号是连续变化的模拟量。 数字调制：调制信号是离散的数字量 2.按载波信号不同划分： 连续波调制：载波信号是连续波形。 脉冲调制： 载波信号是脉冲波形。 3.按调制实现的功能不同来划分： 幅度调制：载波信号的幅度随调制信号线性变化的调制。 频率调制：载波信号的频率随调制信号线性变化的调制。

15、 相位调制：载波信号的相位随调制信号线性变化的调制。 4.按调制器的传输函数来划分： 线性调制：已调信号的频谱与输入调制信号的频谱之间是线性搬移 非线性调制：已调信号频谱与输入调制信号的频谱之间是非线性搬移 第五讲 模拟调制技术(AM 和 DSB) 键入文字 2 幅度调制(连续波模拟调制)，它属于线性调制。 模拟调制的分类 AM DSB 幅度调制 SSB 模拟调制 VSB FM 角度调制 PM 常规双边带调幅(AM) 一 、调幅信号的时间表示及产生 如果输出已调信号的幅度与输入调制信号是线性对应关系， 或者说载波的幅 度在平均值处随调制信号线性变化，且载波是单频余弦信号时，就称为常规双边 带调幅(标准调幅)。 0 ( ) ( )cos AMc stf tAt=+ 从时间波形上可以看出，要使 AM 信号的波形与输入信号成比例变化，应该 满足： 0 max ( )Af t 这时已调信号的包络与调制信号成线性关系，如果不满足这个条件，则将出 现过调制现象，已调波就会出现失真。 第五讲 模拟调制技术(AM 和 DSB) 键入文字 3 过调制 如果 A0 不够大， 已调信号的包络不一定与f(t