通信原理-ch1-绪论(李2014年版)课件

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1、通信原理,电子与信息工程学院 2014年9月,主讲教师：李建雄,前言,教材：现代通信原理及应用第二版，苗长云等编著，电子工业出版社 本教材有一定深度，希望同学们一定要结合其他参考书来学习。 推荐参考书： 通信原理，樊昌信，国防工业出版社 现代通信原理，沈葆锁，国防工业出版社 现代通信原理习题指南，上书的配套习题,准备考天津大学研究生的同学尤其要关注这两本书,外文书：Fundamentals of Communications Systems,美国Michael P. Fitz,前言（续）,课时安排：理论课（60）实验（15） 每周三、五：上理论课 从第六周开始的双周周二：上实验课； 地址：4B

2、-405 实验课的主讲教师：高怀举 老师 电子1101,1102 ： 每双周的周二第一大节 电子1103,1104： 每双周的周二第三大节,前言（续）,关于本课程的基础知识和学习方法 基础知识： 电路基础 概率论的基本知识 信号与系统中的傅里叶变换（教材P15列出常用） 学习方法： 不准备考研的同学：侧重于基本原理和公式的应用 考研的同学：不仅要会用，还要知道来龙去脉 考不同学校的研究生要看不同的参考书，因为侧重点和难度差别很大,第一章 绪论,主要内容 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标 重点为1

3、.4和1.5,1.1 通信的基本概念,一、通信的几种定义 （1）通信的通俗定义： 由一点向另一点传递消息的过程 （2）通信的专业定义： 利用信息载体（如电或光信号）的某一个或几个参数（如振幅、频率等）的变化承载信息，在特定物理媒介（称“信道”）中传输、交换的过程。 本课的重点是“传输”，而“交换”将在程控交换等课中讲 （3）数字通信的本质定义（引用美国数学家和信息论创始人Shannon的话）： 通信是在一点（接收端）尽力恢复另一点（发送端）的“选择”的过程,1.1 通信的基本概念（续）,二、信号的基本分类 消息的载体是信号，而信号可分为两大类：模拟信号和数字信号,连续的模拟信号,t,t,离散的

4、模拟信号,注意：“模拟”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是连续的,信号的基本分类（续）,2进制数字信号,连续的数字信号 （2进制）,t,1 0 0 1 0,离散的数字信号 （2进制）,t,1 0 0 1 0,注意：“数字”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是有限多个值的集合,多进制数字信号,连续的数字信号 （4进制）,t（秒）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,称为1个码元周期Tb,注意：在多进制数字信号中， 码元比特,1,2,3,4,1.2 通信系统的组成,由前面通信的定义，我们可知，要完成通信的过程至少要有： 发送信息者（称“信源”） 接收信息者（称“信宿” ） 传输信息的通道（

5、称“信道” ） 但是很多信号（如语音），如果不经过处理，传输距离很短，而且很容易被干扰； 所以在大多数通信系统中，需要“发送设备”和“接收设备”，它们作用就是使信号传输得更远，质量更好；,1.2.1 通信系统的一般模型,如下图所示：,信源,在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等,发送设备,信道,噪声源,接收设备,信宿,如调制器、功率放大器、天线等,如双绞线、光纤、同轴电缆等。 注意：自由空间也是一种信道,是一种随机信号，对通信有害， 但不可避免。,是发送设备处理的“逆过程”,在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等,在上述通用模型中，发送设备对来自信源的信号的处理

6、可能有2种情况： 一、直接对模拟信号进行放大和传输（例如无线广播电台、第一代移动通信系统“大哥大”） 二、把模拟信号转换成数字信号（提高抗噪声性能、且易于加密）后，再进行处理和传输，如数字电视、网络电台、2G/3G/4G移动通信等 根据这两种不同情况，我们把通信系统分为：模拟通信系统和数字通信系统2大类,要点提示：区分模拟还是数字通信系统，要看信道中传输的是 模拟信号和还是数字信号,1.2.2 模拟通信系统模型,如下图所示（以调幅/AM广播为例）：,模拟信源,调制器,人的语音频率在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去,从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了

7、放大功能,补充知识：基带信号与频带信号,基带信号： 很多信源输出的信号，含有丰富的低频成分，即，其频谱在低频附近（例如我们说的语音在3004kHz，再例如数字电路输出的TTL信号）。这些信号我们统称为基带信号 频带信号： 将基带信号从低频段调制到高频段后的信号（又称“已调信号/已调波”）,如下图所示（以调幅/AM广播为例）：,模拟信源,调制器,基带信号,频带信号 已调信号,频带信号 已调信号,基带信号,调制的目的,1. 将基带信号变换为适合于信道传输的频带信号，如在无线通信中，必须将基带信号载在高频上才能发射出去； 2. 改善系统性能； 3. 实现信道复用，提高信道利用率。,模拟通信研究的基本

8、问题,1. 收发两端的换能过程及基带信号的特性； 2. 调制与解调原理； 3. 信道与噪声特性及其对信号传输的影响； 4. 存在噪声时的系统性能。,1.2.3 数字通信系统模型,数字通信系统又可分为 数字基带通信系统（用以传输数字基带信号） 数字频带通信系统（又称“数字调制通信系统”，用以传输数字频带信号） 那么，什么是“数字基带信号”？什么是“数字频带信号”呢？,1、数字基带通信系统模型,如下图所示,其原理将在第7章详细介绍，此处知道即可,例如局域网通信、USB串口通信都属于这一类,2、数字频带通信系统模型 （教材P2的图1.3,大家可加上“频带”2字）,信 源,可能是模拟信源（如麦克风），

9、也可能是数字信源（如计算机）,信 源 编 码,如果信源是数字信源，主要对其压缩、加密等； 如果是信源是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩、加密,信 道 编 码,主要功能是检错和纠错，将在第12章详细介绍。 主要目的是为了保证通信的可靠性,数 字 调 制,与模拟调制的作用是类似的：都是为了使通信传输的信息更远、更多、更抗干扰，将在第8章详细介绍,是发送端处理的“逆过程”，不再赘述,随着通信技术的飞速发展，信道编码与数字调制有融合的趋势,怎样理解信源编码和信道编码,信源编码：根据信源的特点进行的相应的编码处理（主要指的是压缩，还包括数字加密等）。 目的：提高通信的有效性，即用适当的方法降低数字

10、信号的码元速率以压缩频带。 例如语音可采用PCM编码（第6章要讲），静止图像有jpg编码，动态图像有mpeg编码，音乐有mp3编码等等 可以看出不同的信源往往有不同的信源编码（这是因为不同的信源的统计特性是不同的）,怎样理解信源编码和信道编码,信道编码：根据信道的特点进行相应的编码，以使信号适合在这种信道中传输，主要指的是检错、纠错。 目的：提高通信的可靠性 如在计算机中普遍用的CRC(循环冗余)编码等 不同的信道往往采用不同的信道编码（因为不同的信道有不同的误码特性）,数字通信研究的基本问题,1. 收、发两端的换能过程，模拟信号数字化及数字式基带信号的特征； 2. 数字调制与解调原理； 3.

11、 信道与噪声的特性及其对信号传输的影响； 4. 抗干扰编码和译码，即差错控制与编码； 5. 通信保密； 6. 同步。,数字通信与模拟通信相比的优点,1. 数字传输的抗噪声（抗干扰）能力强，数字信号传输中可通过中继再生消除噪声的累积； 2. 数字通信可以通过差错控制编码技术，提高通信的可靠性； 3. 数字通信便于利用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理； 4. 数字通信中的信息易于加密，且保密性强； 5. 数字通信可以传递各种消息（模拟的和数字的），使通信系统灵活性好、通用性强；,数字通信与模拟通信相比的缺点,信号占用的频带宽。 例如，一路模拟电话仅占4kHz带宽，而一路数字电话要占2064k

12、Hz的带宽。,6. 数字通信采用数字集成电路，具有体积小、重量轻、可靠性高及调整调试方便的优点。,1.3 通信系统的分类及通信方式,1.3.1 通信系统的分类 按信道传输的信号种类来分 按传输的媒介种类来分 按信号是否经过调制,模拟通信系统,数字通信系统,有线通信系统,无线通信系统,基带通信系统,频带（调制）通信系统,根据实际情况来确定 （如传输距离）,1.3.1 通信系统的分类（续）,按通信系统承载的业务种类分,电报通信系统,电话通信系统,数据通信系统,图像通信系统等,Service,按复用的方式分,频分复用（FDM）通信系统,时分复用（TDM）通信系统,码分复用（CDM）通信系统,在11章

13、将详细介绍,这些复用方式并不互相排斥，可能同时使用在一个通信系统中，例如在TD-SCDMA中就同时使用了TDM和CDM,1.3.2 通信的方式,1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式分：,1.3.2 通信的方式（续）,2、按数字信号码元排列方式划分通信方式,如打印机与计算机之间,如USB、RS-232等,1.3.2 通信的方式（续）,3、按照网络结构划分通信方式,1.4 信息及其量度(重点章节),消息，信息与信号的区别 消息：通常把语言和声音、音乐、文字、符号、数据、图象等统称为消息。 信息：消息中所给予收信者的新知识或消息中包含的有意义的内容。 信号：描写与消息相对应的电信号或光信号，是

14、传递信息的载体。,1.4 信息及其量度(重点章节),铁路系统运送货物量多少采用“货运量”（不管运送什么货物）来度量 通信系统中传输信息的多少采用“信息量”来度量。 注意：信息量的大小实际上与内容无关 一个消息对于接收者很有价值（即信息量大）在于这个消息是他不知道的事情或觉得不可能发生的事情（即小概率事件）。 信息量与消息的种类、含义及重要程度无关，它仅与消息中包含的不确定性有关。,1.4 信息及其量度（续）,即，消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。 一条信息发生的概率越小，信息量越大；概率越大，则信息量越小； 一种极端情况是“必然的事情”信息量为0。 于是，对于一条信息x，人们用下列公式

15、表示其信息量I：,（式1.4.1）,1.4 信息及其量度（续）,信息量的单位由对数底的取值决定。 若对数以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）； 若以e为底时单位是“奈特”（natnature unit的缩写）； 若以10为底时单位是“哈特”（Hart Hartley的缩写）。,同学们要掌握的,1.4 信息及其量度（续）,通常采用“比特”作为信息量的实用单位。 在通信系统中，当传输M个等概率的消息之一时，每个消息出现的概率为1/M，任一消息所包含的信息量为 若M=2K，则,1.4 信息及其量度（续）,非等概率：设信息源中包含有n个消息符号，每个消息xi出现的概率为p(

16、xi)，则各消息出现的概率为 则x1, x2, xi所包含的信息量分别为 -log2p(x1), -log2p(x2), , -log2p(xn)。,1.4 信息及其量度（续）,平均信息量 （信息熵） 每个符号所包含的信息量的统计平均值,请注意其量纲,这个公式与物理热力学中的熵很相似。但热力学中的熵总是增加的，而信息熵在通信过程中则总是减小的。,例题1.4.1,一信息源由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。若消息序列长为57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，试求消息序列所包含的信息量和平均信息量。 解：,消息序列的平均信息量,例题1.4.2,某信源每天播报某地的天气预报，此地晴