通信原理——绪论

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1、1通 信 原 理张 伟 zhang_通 信 原 理2通信原理：讨论什么？通 信 原 理v如何传输信息？v本门课程：信息传输的最基本的问题：简单 基本的信道特征、信号在信道上的传输方法v研究的方法：数学模型，特别是概率模型。3通信原理：有什么用？通 信 原 理v解决信息如何传输的最基本的原理。这些原 理几乎适用目前的所有通信系统。是进一步 研究通信系统的基础。v通信专业的学生的必备的基础知识。v一个知识系统，本身就具备了解的价值。v无论技术怎么发展，学校的课程怎么改革， 基础的知识系统不会改变。4通信原理：系列课程中的地位通 信 原 理v一、基础：数学，物理v二、专业基础：信号与系统 电路分析

2、电磁学v三、专业基础：通信原理 电子电路 数字逻辑 计算机原理 信息论 数据结构 微波技术 天线 交换 通信网v专业课：移动通信 卫星通信 等等 5通信原理：关系密切的先修课程通 信 原 理v概率论与随机过程v线性代数v信号与系统6关于课程通 信 原 理v学习方式：课堂教学/课后作业v考试方式：闭卷v成绩评定：70%考试成绩 + 30%平7主要参考书通 信 原 理v樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社v周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社v曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社vDigital and Analog Communication Systems Edition). 清华大学

3、出版社vSimon Haykin, Communication Systems, 电子工业出 版社vJ.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社v通信原理习题8课程的基本内容通 信 原 理v通信基本概念v确定信号和随机信号分析v模拟调制系统v数字基带传输系统v正弦载波数字调制系统v数字信号的最佳接收v模拟信号的数字传输9 通 信 原 理第第1 1章章 绪论绪论v什么是通信？v通信的发展简史v通信系统的组成v通信系统的分类和通信方式v信息及其度量v通信系统的主要性能指标v信道及其模型v噪声101. 什么是通信?通 信 原 理v通

4、信就是互通信息本课程一般指电信，即远距离通信（ telecommunication）v电报v电话vEtc.111. 什么是通信?通 信 原 理v通信：交流，传递消息；信息的传输与交换消息文字、图象、符号、声音.信号是消息的承载者，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，例如随着时间变化的电压(电流)。通信系统中传送的是信号通信系统中传送的是信号. .v通信是一种产业，它生产的是一种信息在空 间转移的效应2. 通信的发展简史通 信 原 理12最早的电通信设想 1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆

5、设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。 通 信 原 理13最早的有线电报1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。 莫尔斯发出第一封电报设备的复制品 通 信 原 理14最早的有线电话 1875年6月2日，美国人

6、亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。 贝尔获得电话的专利证书 通 信 原 理15电磁波的发现 1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。通 信 原 理16最早的无

7、线通信 1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。 波波夫实验用的无线电接收机 通 信 原 理17人类首次远距离无线电通信 1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。通 信 原 理18影响通信发展的重要发明或理论 1906

8、年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。 1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1938年，电视广播开播。1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计描述。 通 信 原 理191948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：C 信道容量B 信号带宽S/N 信号与噪声的功率之比影响通信发展的重要发明或理论影响通信发展的重要发明或理论通 信 原 理201957

9、年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。影响通信发展的重要发明或理论通 信 原 理211976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。影响通信发展的重要发

10、明或理论通 信 原 理22233. 通信系统的组成(1) 通 信 原 理通信系统模型信息 源发送 设备传输 媒介接收 设备受信 者噪声 源243. 通信系统的组成(2) 通 信 原 理v模拟通信和数字通信模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文 字，数据模拟信号：载荷消息的电参量连续取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报25模拟信号 通 信 原 理26数字信号 通 信 原 理273. 通信系统的组成(3) 通 信 原 理v模拟通信系统模型模拟信 息源调制 器信

11、道解调 器受信 者噪声 源基带 信号已调 信号已调 信号基带 信号283. 通信系统的组成(4) 通 信 原 理v数字通信系统模型293. 通信系统的组成(5) 通 信 原 理v数字通信的优点：抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控)便于处理和管理，便于传输和交换便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变换 、存储，形成智能网；便于集成化，微型化；便于加密处理v数字通信的缺点：频带利用率低：一路模拟电话：4KHz，接近同样话 音质量的一路数字电话：64K。对同步要求高，系统设备比较复杂。30(a) 失真的数字信号(b) 恢复的数字信号数字信号波形的失真和恢复通 信 原 理313. 通信系统的组成

12、(6) 通 信 原 理v两种应用利用数字通信系统传送模拟消息vA/D，D/A变换，例如电话利用模拟通信系统传送数字信号v加装数字终端，例如调制解调器电话网电话网因特网因特网324 通信系统的分类(1)通 信 原 理v根据信号特征模拟通信系统数字通信系统v根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等v根据调制方式基带传输：频带传输：v根据传输媒介有线传输无线传输334 通信系统的分类(2)通 信 原 理v根据信号复用方式频分复用(FDM)时分复用(TDM)码分复用(CDM)344 通信系统的分类(3)通 信 原 理v按消息传送方向与时间关系单工：遥测、遥控、寻呼半双工：无线电对讲机(同一载频)全

13、双工通信：电话发送端信道接收端发送端 信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道354 通信系统的分类(4)通 信 原 理v按数字信号的码元排列方法串行传输：远距离数字通信并行传输：近距离数字通信发 送 设 备接 收 设 备1 0 1发 送 设 备接 收 设 备.365 信息及其度量(1)通 信 原 理v信息：消息中包含的有意义的内容v信息的度量：信息量与消息的种类及重要程度无关事件的不确定程度越大，信息量越大消息 x 中所含信息量 I 与消息出现概率 P(x) vI (x) = I P(x)vI 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I =v若干互

14、相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立 事件信息量之和I (x1 , x2 , ) = I P(x1) + I P(x2) + 375 信息及其度量(2)通 信 原 理v信息量 I 的定义a =2: 比特(bit)a =e: 奈特(nit)a =10: 哈特莱385 信息及其度量(3)通 信 原 理v离散消息的度量设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且n 各符号 x1 x2 xn 所包含的信息量分别为n 每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)为信息源的熵信息源的熵395 信息及其度量(4)通 信 原 理信息源的最大熵如果各符号x1 x2 xn等概出现，即P(xi)=1/n，则有

15、结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时n 用平均信息量计算消息的信息量若消息传送的符号总数为m，则 I = m H(x) (bit)例:信息源由独立等概的符号0, 1组成，n = 2, H(x)=1bit/符号，符号数与比特数相等。 405 信息及其度量(5)通 信 原 理例 一信息源由四个符号0, 1, 2, 3组成，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。试求某个消息 201020130(57个符号：023, 114, 213, 37)的信息量。416. 主要性能指标(1)通 信 原 理v有效性：v可靠性：v信息论观点，有效性和

16、可靠性常常 是一对矛盾。426. 主要性能指标(2)通 信 原 理v实现最佳通信系统设计的关键。v设计原则(基本出发点)：在一定代价下使系 统最优化在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去 提高系统的有效性；在一定有效性的要求下，如何最大限度地 去提高可靠性。v这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基 本动力436. 主要性能指标(3)通 信 原 理v模拟通信系统的性能指标有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征 。显然信道的传输频带越宽，则能够容纳的 信息量就越大。可靠性：均方误差v输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信 号平均功率与噪声平均功率之比(SNR)电话：SNR 40dB, 话音清晰度95%电视：SNR = 4060dB446. 主要性能指标(4)通 信 原 理v离散数字信号的表示离散信源的 N = 2k 种