绪论r3通信原理

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1、通信原理,信息学院 张雪芬 ,2,是通信工程、无线电工程、信息工程、计算机通信、图像处理与传输等专业的必修专业基础课。,课 程 介 绍,本课程主要介绍现代通信系统所涉及的基础理论、通信中常用的信号及噪声分析、通信系统的构成、原理及性能分析。,3,关于本课程,先修课程：信号与系统、概率论与随机过程、数字信号处理等 通信原理为专业技术基础课程，要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能；在此基础上，研究通信系统的设计，了解通信发展方向 学习方式：理解、记忆、实践 考试方式：闭卷 成绩评定：60%考试成绩 + 40%平时成绩,4,关于本课程,

2、答疑：形式：邮件或者现场答疑现场答疑时间：每周四上午8:00-11:00地点：北D楼4010室,5,主要参考书,樊昌信等编，通信原理，第5版，国防工业出版社 周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication Systems (5th or 6th Edition). 清华大学出版社（影印版：数字与模拟通信系统） Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业出版社（影印版：通信系统） J.G.Proakis. Digital Communication(4th

3、 Edition). 电子工业出版社（影印版：数字通信） 郝建军等编，通信原理考研指导，北邮出版社,通信原理学习网站 通信原理扩展知识网站 移动通信在线http:/ 通信人家园http:/ 研学论坛http:/ 通信世界网http:/ 中国通信资源网http:/ 国外网站 联邦通信委员会http:/www.fcc.gov/ http:/ct.oxfordjournals.org/ http:/www.ieee.org/portal/site http:/www.itu.int/home/index.html http:/ 考 网 站,7,课程的基本内容,绪论 信号 模拟调制系统 模拟信号的数字

4、化 基带数字信号的表示和传输 基本的数字调制系统 同步 数字信号最佳接收 多路复用 信道编码,1.1 通信的发展1.2 消息/信息和信号1.3 数字通信1.4 信道1.5 信道中的噪声1.6小结,第 1 章 绪论,常用通信术语模拟信号与数字信号的区别通信系统的组成和分类、通信方式数字通信系统的主要特点离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）通信系统的主要性能指标,学习目标,10,语言,文字,印刷术,计算机网络,网格计算,不可存储； 速度低；广泛性低。,可存储；广泛性低。,表情动作,可存储；速度低；广泛性高。,电报电话,在任何时刻可以在网上获得有效信息。,1.1 通信的发展,11,通信系统的一般模

5、型,通信系统,通信系统的一般模型,信道,12,1.2 消息、信息和信号,通信: 信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速）,1、几个概念,消息：信息的物理表现形式。如语言、文字、 数据或图像等。,信息：消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。,13,1.2 消息、信息和信号,14,电通信：是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。,1.2 消息、信息和信号,信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。,通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。,15,1.2 消息、信息和信号,信号是消

6、息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量，是用统计方法来定性的。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,2、信息及其度量,16,（1） 信息量是概率的函数， 即 I=fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1时， I0P(x)0时， I,假设P(x)是一个消息发生的概率,（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息具有相加性:IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,1.2 消息、信息和信号,17,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为：,3.信息量的计算,信息量的单位与对数底

7、数a有关。 a=2时， 信息量的单位为比特(bit)； a=e时， 信息量的单位为奈特(nit)； a=10时， 信息量的单位为哈特莱（Hartly）。 目前广泛使用的单位为比特。,1.2 消息、信息和信号,18,可见，传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。,例 1 1 设二进制离散信源，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多少？,1.2 消息、信息和信号,19,P：每一个波形出现的概率 M：传送的波形数。,对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为：,1.2 消息、信息和信

8、号,20,例1-1中，如果传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。,1.2 消息、信息和信号,21,设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1， 2， 3， ， n)出现的概率为P(xi)， 且有,非等概情况的信息量的计算,则x1, x2, ， xn 所包含的信息量分别为 -log2 P(x1)， -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。,1.2 消息、信息和信号,22,该消息的信息量为：,1.2 消息、信息和信

9、号,例 1 2 一离散信源由0， 1， 2， 3四个符号组成，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。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。,解：此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为：,1.2 消息、信息和信号,24,4.平均信息量(信息源的熵),每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量H为：,1.2 消息、信息和信号,25,由于H同热力学中的熵形式一样， 故通常又称它为信息源的熵。,当信

10、源中每个符号等概独立出现时，式1.4-5即成为式(1.4 - 3)， 此时信源的熵有最大值。,1.2 消息、信息和信号,26,一离散信源由A，B，C，D四个符号组成，它们出现的概率分别为1/2， 1/4， 1/8， 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息AAAAABBACCDDB的信息量及熵。,1.2 消息、信息和信号,27,解：此消息中，A出现6次，B出现3次，C出现2次，D出现2次，共有13个符号，故该消息的信息量及熵分别为：,1.2 消息、信息和信号,28,1.3.1 基本概念,1.3 数字通信,1.连续消息和离散消息2.模拟信号和数字信号3.模拟通信系统和数字通信系统,29,连

11、续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、图像等。离散消息：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据、文字等。,1、 连续消息和离散消息,1.3.1 基本概念,30,按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号.,2、 模拟信号和数字信号,1.3.1 基本概念,31,（1）模拟信号,取值是连续的或取无穷多个值的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图 1 - 2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号脉冲振幅调制信号。,1.3.1 基本概念,32,只能取有限个值的信号。如电报信号、计

12、算机输入/输出信号等。幅度离散、时间离散。即函数形式表现为自变量和函数值都离散取值的函数。,1.3.1 基本概念,（2）数字信号,33,1.3.1 基本概念-模拟信号与数字信号图例,数字信号,模拟信号,数字信号,34,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,1.3.1 基本概念,3、 模拟通信系统和数字通信系统, 模拟通信系统要求 高保真度准则 信号噪声功率（电压）比手段 参量估值方法 数字通信系统要求 正确准则 错误率手段 统计判决理论,35,1. 通信系统的一般模型,1.3.2 数字通信系统,图 1.3.2-1通信系统的一般模型,信道,3

13、6,信源是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。,电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。,1.3.2 数字通信系统,37,发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(如已调信号）。,1.3.2 数字通信系统,信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。,38,噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。,1.3.2 数字通信系统,接收设备的基本

14、功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。,39,信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,1.3.2 数字通信系统,图 1.3.2-1 概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。,40,模拟通信系统模型可由图 1.3.2-1略加演变而成， 如图 1 .3.4 所示。图中的调制器和解调器就代表图1.3.2-1中的发送设备和接收设备。,图 1.3.4 模拟通信系统模型,1.3.2 数字通信系统,41,3. 数字通信系统模型,图 1 .3.3 数字通信系统模型,数字通信系统是传输

15、数字信号的通信系统， 如图 1.3.3 所示。,1.3.2 数字通信系统,42,数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、 同步以及加密等。,1.3.2 数字通信系统,43,信源编码的作用：一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。以后课程会讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。二是设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。,1.3.2 数字通信系统,（1）信源编码与译码,44,信源译码是信源编码的逆过程。,码元：数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元。,1.3.2 数字通信系统,45,数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。,1.3.2 数字通信系统,（2） 信道编码与译码,46,在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,