通信原理-第1章-概论课件

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1、讲授内容,1、通信基本概念和模型 2、预备知识（信道、噪声以及时频域变换） 3、模拟线性调制 4、模拟角调制 5、PCM 6、数字信号基带传输 7、数字信号调制传输 8、差错控制编码 9、同步原理 10、通信网,教材与参考书,1、南利平，通信原理简明教程 2、樊昌信，通信原理，第六版 3、曹志刚，现代通信原理 4、王秉钧，通信原理及其应用,考核方式,考核方式：平时成绩（20%） 最终考试（80%）,总成绩（100%）,第1章 概论,6,目标要求,基本要求,了解通信的发展； 掌握消息、信息、信号的定义； 掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点； 掌握数字通信系统模型及其主要性能指标； 熟悉无线信

2、道、有线信道；,7,目标要求,重点、难点,重点是： 信息的度量； 数字通信系统模型的理解与掌握。 难点是： 数字通信系统性能指标的理解与计算。,8,主要内容,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 思考题、习题,9,1.1 通信的发展,一、历史的通信方式,1.古代： 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。 2.近代： 1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的 开始。 1838年：莫尔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。,10,1.1 通信的发

3、展,烽火台,11,1.1 通信的发展,3.现代 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。,12,1.1 通信的发展,“上帝创造了何等的奇迹!”,塞缪尔莫尔斯 （Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）,13,1.1 通信的发展,贝尔 （1847-1922） 美国电话发明者,14,1.1 通信的发展,1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第

4、一部电话。,15,1.1 通信的发展,麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著电磁学通论，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的书，具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑 。,麦克斯韦(James Clerk Maxwel 18311879)英国物理学家,16,1.1 通信的发展,赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。,赫兹 （1857-1894）德国物理学家,1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电

5、子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。,17,1.1 通信的发展,在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。,18,1.1 通信的发展,返回,19,1.2 消息、信息和信号,1.

6、 通信的目的,传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。,2. 消息,天气预报 “明天是晴天”,字幕“明天是晴天” 文字,播音员说“明天是晴天” 语言, 图形,、信息、消息和信号的定义与区别,20,1.2 消息、信息和信号,1. 通信的目的,传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。,2. 消息,、信息、消息和信号的定义与区别,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（简称信号），才能 在通信系统中传输。,21,1.2 消息、信息和信号,4. 信息,是指消息中所包含的对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

7、同 一消息，载有相同的信息。,3. 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。,、信息、消息和信号的定义与区别,22,1.2 消息、信息和信号,如何度量信息？ 首先要解决的问题。,23,1.2 消息、信息和信号,1.要求 度量信息量的方法，必须满足：,能度量任何消息； 与消息的类型无关； 消息的重要程度无关。,二、消息中信息量的度量,24,香 农(Shannon),25,克劳德香农(Claude Elwood Shannon，1916-2001)1916年4月30日诞生于美国密西根州的Petoskey。 1936年香农在密西根大学获得数学与电气工程学士学位，然后进

8、入MIT念研究生。 1938年香农在MIT获得电气工程硕士学位，硕士论文题目是A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits(继电器与开关电路的符号分析)。当时他已经注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性，即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路，这就奠定了数字电路的理论基础。哈佛大学的Howard Gardner教授说，“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”,26,1940年香农在MIT获得数学博士学位，而他的博士论文却是关于人类遗传学的，题目是An

9、Algebra for Theoretical Genetics(理论遗传学的代数学)。 1941年香农发表了Mathematical theory of the differential analyzer(微分分析器的数学理论)，他写道：“大多数结果通过证明的定理形式给出。最重要的是处理了一些条件，有些条件可以生成一个或多个变量的函数，有些条件可使常微分方程得到解。还给出了一些注意事项，给出求函数的近似值(不能产生精确值)、求调整率的近似值以及自动控制速率的方法。” 1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT&T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作到1972年，从24岁到55岁，整整31

10、年。1956年他当了MIT的访问教授，1958年成为正式教授，1978年退休。,27,香农与John Riordan一起工作，1942年发表了一篇关于串并联网络的双终端数的论文。这篇论文扩展了麦克马洪(Percy A. MacMahon，1854-1929)1892年在Electrician上发表的论文理论。1948年则创立了信息论(information theory)。 1948年香农在Bell System Technical Journal（贝尔系统技术杂志）上发表了A Mathematical Theory of Communication 。论文由香农和威沃共同署名。前辈威沃(Wa

11、rren Weaver，1894-1978)当时是洛克菲勒基金会自然科学部的主任，他为文章写了序言。后来，香农仍然从事技术工作，而威沃则研究信息论的哲学问题。顺便提一句，该论文刚发表时，使用的是不定冠词A，收入论文集时改为定冠词The。 香农在进行信息的定量计算的时候，明确地把信息量定义为随机不定性程度的减少。这就表明了他对信息的理解：信息是用来减少随机不定性的东西。或香农逆定义：信息是确定性的增加 。,28,1.2 消息、信息和信号,2. 信息量的定义,信息量是消息出现概率的函数； 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

12、消息所含信息量之和。,二、消息中信息量的度量,29,1.2 消息、信息和信号,因此，若消息 出现的概率为 ，则所含信息量 I 可定义为：,信息量的单位：,，则为比特（bit），简记为b，最常用;,，则为奈特（nat）;,，则为哈特莱（hartley）。,30,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，应注意。,若采用一个M 进制的波形，来传送M 个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),1.2 消息、信息和信号,返回,31,1.2 消息、信息和信号,返回

13、,通信的目的在于传输含有信息的消息。,解：信源在每个时刻发生的消息非0即1，则P(x)=1/2。,例1：设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，求信源每个输出的信息含量。,同理：如果消息是M进制，且等概率发生，则信源每个输出的信息量为：,32,1.2 消息、信息和信号,返回,信息熵 若信源所发生的消息是概率不等的，则各消息所含的信息量不等。 总体平均信息量用信息熵来反映 设信源的各个符号为Xi( i=1,2,N),其概率分别为P(Xi),则定义信息熵H(X)为,33,返回,例2：消息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。 （1）求该

14、信源的熵； （2）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量； （3）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。,34,返回,例2：消息由符号A、B、C、D组成，各个符号的出现是独立的，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8。 （1）求该信源的熵； （2）如果消息由1000个符号组成，求此消息的信息量； （3）如果收到的消息为ABADCABC，求它包含的信息量。,35,1.3 数字通信,1. 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：考查取值是否连续， 而不是看时间。

15、,一、 基本概念,36,1.3 数字通信,模拟信号,数字信号,码元,37,1.3 数字通信,2. 模拟通信和数字通信,（1）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。,3. 模拟通信系统和数字通信系统,38,1.3 数字通信,模拟通信系统： 要求：高保真度复原。 度量准则：输出信噪比。 基本问题：连续波形的参量估值问题。,（2） 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。,39,1.3 数字通信,二、数字通信的特点 1.优点,取

16、值有限，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。,40,1.3 数字通信,占用带宽大压缩、光纤。 同步要求高。,3.应用实例,数字传输技术： 电话、电视、计算机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。,二、数字通信的特点 2.缺点,41,1.3 数字通信,三、数字通信系统模型,42,1.3 数字通信,三、数字通信系统模型,43,1.3 数字通信数字通信系统模型,1. 信源：将消息转换为电信号的设备。,三、数字通信系统模型,44,1.3 数字通信数字通信系统模型,信源,信道编码,调 制,发 送 端,三、数字通信系统模型,2. 信源编码：降低数字信号的冗余， 提高数字信号的有效性。,45,1.3 数字通信数字通信