通信原理第1章概论课件

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1、通信原理,徐 俊 信息楼302,引 言,课程定位,电信类专业的一门重要专业基础课程 是必修课、核心主干课 是一门通信专业的标志性课程 是“信息与通信工程”学科研究生入学考试课程之一 起着承前启后的作用 占有重要的教学地位,引 言,课程目标,使学生掌握通信系统的基本概念、基本理 论、基本技术和系统性能分析方法； 掌握基本的分析、设计思想和方法； 了解通信新技术的应用和发展； 使学生具备获取知识、分析问题解决问题、 动手实践、团结协作的能力； 为本领域的进一步学习和研究奠定坚实的基 础，适应现代信息社会对电信类人才的需求。,引 言,课程特点,具有理论性强、知识综合、数学含量大等特点； 从时域和频域

2、两个方面分析信号，掌握系统的处理方法，常用傅里叶变换来分析信号频谱； 学习时要注意数学分析方法，更要注意数学分析所得结论的物理概念、物理意义；,引 言,课程学习,课堂教学：56学时 实验教学：16学时 考试：20%平时+10%考勤+70%试卷 注意：充分利用课程网站、图书馆等相关资源，做好预习、复习； 认真做作业、认真做实验、认真做设计。,引 言,课程体系,由浅入深分为四个部分：,通信基础知识 模拟通信原理 数字通信原理 通信网的多路通信技术。,引 言,主要内容 第1章 绪论 第2章 确知信号（选讲） 第3章 随机过程 第4章 信道 第5章 模拟调制系统 第6章 数字基带传输系统 第7章 数字

3、带通传输系统 第8章 新型数字带通调制技术（选讲）,第9章 模拟信号的数字传输 第10章 数字信号的最佳接收 第11章 差错控制编码 第12章 正交编码与伪随机序列（选讲）,课程学习指导,抓住一条主线 抗干扰 领会两个 有效性和可靠性 掌握三种调制 幅度调制、频率调制和相位调制 理解四个定理 香农定理、奈圭斯特抽样定理、奈圭斯特第一准则和奈圭斯特第二准则,一些建议,上课时思维紧跟老师积极思考 记住概念 重点掌握物理含义及其关系 注意假设和条件 阅读参考资料 方法比结果更重要 多做习题,课堂基本要求,不准迟到、早退 手机调到振动 作业按学号随机抽查 随机抽查出勤,第1章 概论,学习目标,熟练掌握

4、通信系统的组成，熟悉通信系统的模型 掌握通信系统的分类方法以及三种通信方式，理解串行传输和并行传输的概念 重点把握信息的含义，掌握信息量的定义及其单位，了解信息熵的概念 掌握通信系统的性能指标及其表示方法,目标要求,重点、难点,重点是： 通信系统模型的理解与掌握； 通信系统的分类； 信息的度量； 通信系统性能指标的理解与计算。 难点是： 信息的度量,1.1 通信的发展,历史,古代：利用自然界的基本规律和人的基础感官 公元前800年(周朝)，周幽王烽火戏诸侯。 应用光通信的见证；最简单的二进制数字通信 近代：以电磁技术为起始 1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的 开始。 1838年：莫尔

5、斯将电报通信推向实用。 1876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。,1.1 通信的发展,20世纪60年代以后，数字通信技术进入高级发展阶段。 近20多年，数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。 当代通信： 移动通信和互联网通信时代 未来通信： 大融合时代,1.1 通信的发展,1.1 消息、信息和信号,通信的目的：,传递消息中包含的信息。 本课程主要研究信息传输的原理。,消息：,是指信源所产生的信息的物理表现。 例如：语音、文字、图形、图像等。 消息必须转换成电信号或光信号（简称信号），才能在通信系统中传输。,1.1 消息、信息和信号,信息：,是指消息中所包含的对

6、受信者有意义的内容 （或有效内容）。 不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。,信号：,是指消息的物理载体，是传输消息的手段。 可分为模拟信号和数字信号。,1.2 通信系统的组成,通信系统：实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体。 点对点通信 发送端的消息通过信道传递到接收端 一般模型,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。 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。 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。 噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。 接收设备：从受到减损

7、的接收信号中正确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,1.2 数字通信基本概念,模拟信号和数字信号：,模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语音信号。 数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信号。,注意：区分准绳为：考查信号的参量取值是否连续，而不是看时间。,1.2 数字通信基本概念,1.2 通信系统的组成,模拟通信和数字通信,共性问题：总存在噪声和其他干扰，引起传 输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和 干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题 之一。,模拟通信系统和数字通信系统,1.2 通信系统的组成,模拟通信系统： 要求：高保真

8、度复原。 度量准则：输出信噪比。 基本问题：连续波形的参量估值问题。,个性问题：,数字通信系统： 要求：正确判决（或检测）。 度量准则：产生错判的概率。 理论基础：统计判决理论。,注意：都是针对接收端的。,模拟通信系统模型,模拟信号：电信号的参量是连续取值的 模拟通信系统模型： 模拟通信系统研究重点：调制与解调以及噪声对信号传输的影响。,两种变换： 模拟消息 原始电信号（基带信号） 基带信号 已调信号（带通信号） 信道： 基带信道：可传输很低的频率分量。如双绞线。 频带信道：不能传输很低的频率分量。 如无线电波。,数字通信系统模型,数字信号 电信号的参量是离散取值的（仅取有限个值） 数字通信系

9、统可进一步细分为：数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。,数字通信系统模型,信源：将消息转换为电信号的设备。 信源编码：降低数字信号的冗余， 提高数字信号的有效性。 信道编码：增加冗余字符，纠错编码， 提高传输的可靠性。,数字通信系统模型,调制： 使编码信号特性与信道特性相适应，以通过 信道传输。 使多路信号合并，经过同一信道传输 多路复用。,数字通信系统模型,信道的影响： 信道传输特性对数字信号的影响。 包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率 扩展和多径时延。 进入信道的外部加性噪声的影响。 包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。,数字通信系统模型,同步： 数字通信系统中不可缺少的组成部分

10、。 发端、收端间需共同的时间标准使收端 准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接 收。 位同步（或码元同步）、字同步,数字通信系统模型,基带系统,数字通信系统模型,数字通信的主要优点：,取值有限，抗干扰能力强，能正确接收。 可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。 可采用数字加密技术，提高保密度。 可综合传输各种模拟和数字输入消息。 便于存储和处理。 易于设计、制造，体积更小、重量更轻。 可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。,数字通信系统模型,数字通信系统模型,数字通信的主要缺点：,占用带宽大压缩、光纤。 同步要求高。,应用实例：,数字传输技术：电话、电视、计算机

11、数据等 信号的远距离传输。 模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等。,1.3 通信系统分类及通信方式,按传输媒质分类：有线、无线 按信号特征：模拟信号、数字信号 按调制方式分类 基带传输系统和频带（调制）传输系统。 按通信业务类型分类 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等. 按信号复用方式分类 频分复用（FDM）通信系统、时分复用（TDM）通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。,表 1.3-1 通信频段 、 常用传输媒质及主要用途,按工作波段分类,1.3.2 通信方式,1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式：单工通信、半双工通信及全双工通信 单工通信是指

12、信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式， 半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式， 全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式,通信方式示意图,2、按数字信号码元排列方式划分通信方式： 串行传输和并行传输 并行传输是将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输通信方式。 优点：速度快、节省传输时间 缺点：但需占用频带宽，设备复杂，成本高 应用：一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。,图1-6 并行和串行通信方式,串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个

13、地在信道中传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,3、按照网络结构划分通信方式 线型、星型、树型、环型等类型。 专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。,1.4 消息、信息和信号,度量信息量的方法，必须满足：,如何度量信息？首先要解决的问题。,能度量任何消息，与消息的类型无关； 与消息的重要程度无关。,1.4 消息、信息和信号,信息量的定义：,例：“明天降雨量将有一毫米” - 信息量小 “明天降雨量将达到一米” - 信息量大 “明日太阳将从东方升起” - 信息量零 信息量是消息出现概率

14、的函数； 消息出现的概率越小，所包含的信息量就 越大； 若某消息由若干个独立消息所组成，则该 消息所包含的信息量是每个独立消息所含 信息量之和。,1.4 消息、信息和信号,因此，若消息 x 出现的概率为 p(x) ，则所含信息量 I 可定义为：,信息量 单位：,a=2，则为比特（bit），简记为b，最常用;,a=e，则为奈特（nat）;,a=10 ，则为哈特莱（hartley）。,1.4 消息、信息和信号,当M=2时，则I=1b。 工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1b 。即通常把一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位混淆。,若采用一个M进制的波形，来传

15、送M 个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),1.4 消息、信息和信号,对于M个离散独立等概消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为 。,等概时具最大熵：,对于离散独立非等概消息组成的消息源，则采用平均（统计平均）信息量熵来描述：,熵的单位为：bit / 符号,例：已知信息源由4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。 试求消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量和平均信息量。 解： 符号出现次数0：23次；

16、1：14次； 2：13次； 3：7次； 共57个符号,所以，该消息的信息量为：I=I(0)+I(1)+I(2)+I(3)=33+28+26+21=108bit 平均信息量： 信息熵：,bit / 符号,1.5 通信系统的主要性能指标,衡量系统性能优劣的基本因素：,有效性：速度问题 可靠性：准确度问题,注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。 提高有效性提高传输速率可靠性降低；提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。 降低有效性，以提高可靠性； 降低可靠性，以提高有效性。,1.5 通信系统的主要性能指标,模拟系统 有效性：传输占用的带宽 可靠性：信噪比 数字系统 有效性：传输速率，频带利用率 可靠性：误码率，误信率,1.5 通信系统的主要性能指标,性能指标：,传输速率：三种定义。 码元速率（RB）： 单位时间内传输码元数。“波特（Baud）” 信息速率（Rb）： 单位时间内传输的信息量。“比特/秒（b/s）” 对M进