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1、通信原理教师：孙晓娜 Email：1座位表陈暇陆翠陈彦伶陈丹凤季长威陆俊杰范可源姜峰刘君阮强力孙荣兵何文宇兰日强张青青罗敏尹小冰胡仁杰何亮丁晓东游振宇计逸奇赵相疑左俊王韵超张奇周德喜项雅俊孟宜然林生燕许君谢丹郭敏捷管嘉敏夏楚楚顾瑜琴钱文琪讲台2通信原理第1章 绪论3第1章 绪论绪论常用通信术语通信系统模型通信系统分类信息及其度量通信系统性能指标 通信系统一般模型 模拟通信系统模型 数字通信系统模型信息量的定义 信源熵模拟系统数字系统有效性：有效传输频带 可靠性：输出信噪比有效性可靠性传码率 传信率 频带利用率误码率 误信率4第1章 绪论l1. 1 通信的基本概念n通信的目的：传递消息中所包含的
2、信息。n消息：是物质或精神状态的一种反映，例如 语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像 等。具有不同的表现形式，分为连续消息和 离散消息。n信号：消息的承载者，信号常常由消息变换 而来，是与消息对应的某种物理量，通常是 时间的函数。n信息：是消息中包含的有效内容。5第1章 绪论l1.2 通信系统的组成n1.2.1 通信系统的一般模型u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。u发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。u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。u噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声 。6
3、第1章 绪论u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。 u受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息， 如扬声器等。7第1章 绪论n1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风 输出电压：(a) 话音信号 (b) 抽样信号 图1-2 模拟信号8第1章 绪论p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信 号、计算机输入输出信号：u通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号 ，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系 统。(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图1-3 数字信号9第1章 绪论
4、u模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：p两种变换： 模拟消息 原始电电信号（基带带信号） 基带带信号 已调调信号（带带通信号）图1-4 模拟通信系统模型10第1章 绪论u数字通信系统模型p数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 p信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换 p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力p加密与解密目的：保证所传信息的安全p数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 图1-5 数字通信系统模型11第1章 绪论l1.4 信息及其度量n信息：是消息中包含的有效内容n如何
5、度量离散消息中所含的信息量?u度量信息量的原则p能度量任何消息，并与消息的种类无关。p度量方法应该与消息的重要程度无关。p消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关 【例】 “某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息 包含有更多的信息。 上例表明： 消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。 12第1章 绪论u度量信息量的方法p事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述： 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大 。 p设：P(x) 消息发生的概率，I 消息中所含的信息量， p则 P(x) 和 I 之间应该有如下关系：I 是 P(x) 的函数： I I P(x)P(x) ，I ； P(x
6、) ，I ；P(x) = 1时，I 0； P(x) = 0时，I ； p 满足上述3条件的关系式如下：信息量的定义13第1章 绪论p上式中对数的底：若a = 2，信息量的单位称为比特(bit) ，可简记为b 若a = e，信息量的单位称为奈特(nat)，若 a = 10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley) 。p通常广泛使用的单位为比特，这时有 (b)p【例】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或 “1”，则信源每个输出的信息含量为 p在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特 14第1章 绪论p若有M个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现是独 立的，则传送M进
7、制波形之一的信息量为p若M是2的整幂次，即 M = 2k，则有当M = 4时，即4进制波形，I = 2比特，当M = 8时，即8进制波形，I = 3比特。15第1章 绪论p对于非等概率情况 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 且有则x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵 16第1章 绪论l1.5 通信系统主要性能指标n通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性u有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源 （频
8、带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速 度”问题。u可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的 “质量”问题。n模拟通信系统：u有效性：可用有效传输频带来度量。u可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。 17第1章 绪论n数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。 p码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元 的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒） p信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s ，或bps 18第1章 绪论p码元速率和信息速率的关系或对于二进制数字信号：M = 2，码元速率和信息速率
9、在数 量上相等。对于多进制，例如在八进制（M = 8）中，若码元速率为 1200 B，则信息速率为3600 b/s。补充： 若已知比特率Rb，则t秒内传送带总信息量为 I = Rb t 若已知波特率RB，则t秒内发送的码元总数为 N = RB t19第1章 绪论p频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率 ，即或u可靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率p误信率，又称误比特率在二进制中有20第4章 信 道信道分类数学模型信道特性对信号传输的影响噪声信息容量调制信道模型编码信道模型 恒参信道随参信道离散信道连续信道21第4章 信 道l4.1 信道定义与数学模型信道是以传输媒质为基础的信号通
10、道狭义信道有线信道无线信道广义信道调制信道编码信道恒参信道随参信道22第4章 信 道n信道模型的分类：u调制信道u编码信道编码信道调制信道23第4章 信 道l4.3 信道的数学模型l4.3.1 调制信道模型式中 信道输入端信号电压； 信道输出端的信号电压； 噪声电压。通常假设： 这时上式变为： 信道数学模型f ei(t)e0(t)ei(t)n(t)图4-13 调制信道数学模型24第4章 信 道u因k(t)随t变，故信道称为时变信道。u因k(t)与e i (t)相乘，故称其为乘性干扰。u因k(t)作随机变化，故又称信道为随参信道。u若k(t)变化很慢或很小，则称信道为恒参信道。u乘性干扰特点：当
11、没有信号时，没有乘性干扰。25第4章 信 道n4.3.2 编码信道模型 u二进制编码信道简单模型 无记忆信道模型pP(0 / 0)和P(1 / 1) 正确转移概率pP(1/ 0)和P(0 / 1) 错误转移概率pP(0 / 0) = 1 P(1 / 0)pP(1 / 1) = 1 P(0 / 1) p误码率：Pe = P(0)P(1/0) + P(1)P(0/1) P(1 / 0)P(0 / 1)0011P(0 / 0)P(1 / 1)图4-13 二进制编码信道模型发送端接收端26第4章 信 道l4.4 信道特性对信号传输的影响n恒参信道的影响u恒参信道举例：各种有线信道、卫星信道u恒参信道
12、非时变线性网络 信号通过线性 系统的分析方法。线性系统中无失真条件：p振幅频率特性：为水平直线时无失真左图为典型电话信道特性用插入损耗便于测量(a) 插入损耗频率特性27第4章 信 道p相位频率特性：要求其为通过原点的直线， 即群时延为常数时无失真 群时延定义：频率(kHz)（ms） 群延迟(b) 群延迟频率特性0相位频率特性28第4章 信 道u频率失真：振幅频率特性不良引起的p频率失真 波形畸变 码间串扰p解决办法：线性网络补偿u相位失真：相位频率特性不良引起的p对语音影响不大，对数字信号影响大p解决办法：同上u非线性失真：p可能存在于恒参信道中p定义：输入电压输出电压关系是非线性的。u其他
13、失真： 频率偏移、相位抖动非线性关系直线关系图4-16 非线性特性输入电压输出电压29第4章 信 道n变参信道的影响u变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。u变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播 u变参信道的特性：p衰减随时间变化p时延随时间变化p多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条 路径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径传 播现象。 下面重点分析多径效应30第4章 信 道u多径效应分析： 设 发射信号为接收信号为(4.4-1) 式中 由第i条路径到达的接收信号振幅； 由第i条路径达到的信号的时延；上式中的 都是随机变化的。31第4章 信 道应用三角公式可以将
14、式(4.4-1)改写成： (4.4-2)上式中的R(t)可以看成是由互相正交的两个分量组成的。这两个分量的振幅分别是缓慢随机变化的。式中 接收信号的包络 接收信号的相位 缓慢随机变化振幅缓慢随机变化振幅32第4章 信 道所以，接收信号可以看作是一个包络和相位随机缓慢变化 的窄带信号：结论：发射信号为单频恒幅正弦波时，接收信号因多径效 应变成包络起伏的窄带信号。 这种包络起伏称为快衰落 衰落周期和码元周期可 以相比。 另外一种衰落：慢衰落 由传播条件引起的。 33第4章 信 道l4.5 信道中的噪声n噪声u信道中存在的不需要的电信号。u又称加性干扰。n按噪声来源分类u人为噪声 例：开关火花、电台
15、辐射u自然噪声 例：闪电、大气噪声、宇宙噪声、 热噪声34第4章 信 道n窄带高斯噪声u带限白噪声：经过接收机带通滤波器过滤的热噪声u窄带高斯噪声：由于滤波器是一种线性电路，高斯过程通过线性电路后，仍为一高斯过程，故此窄带噪声又称窄带高斯噪声。u窄带高斯噪声功率：式中 Pn(f) 双边噪声功率谱密度35第4章 信 道u噪声等效带宽：式中 Pn(f0) 原噪声功率谱密度曲线的最大值噪声等效带宽的物理概念：以此带宽作一矩形 滤波特性，则通过此 特性滤波器的噪声功率， 等于通过实际滤波器的 噪声功率。利用噪声等效带宽的概念， 在后面讨论通信系统的性能时， 可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。图4-19 噪声功率谱特性Pn(f)Pn (f0)接收滤波器特性噪声等效 带宽36第4章 信 道l4.6 信道容量信道容量 指信道能够传输的最大平均信息速率。n 4.6.1 离散信道容量u两种不同的度量单位：pC 每个符号能够传输的平均信息量最大值pCt 单位时间（秒）内能够传输的平均信息量最 大值p两者之间可以互换37第4章 信 道u计算离散信道容量的信道模型p发送符号：x1，x2，x3，xnp接收符号： y1，y2，y3，ympP(xi) = 发送符号xi
