通信原理I第1章-緒論.ppt

通信原理,電子工程學(xué)院 溫 志 剛 ,2,聯(lián)系方式,實(shí)驗(yàn)室：“通信與網(wǎng)絡(luò)研究中心” 地點(diǎn)：教四樓242室 電話：62283467 E-mail: ,3,關(guān)于本課程,通信原理為專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，要求重點(diǎn)掌握通信系統(tǒng)的基本概念和分析方法，以及信息傳輸?shù)幕驹?；熟悉各種通信技術(shù)的基本特點(diǎn)以及性能；在此基礎(chǔ)上，研究通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解通信發(fā)展方向(教學(xué)大綱網(wǎng)上查詢) 先修課程：高等數(shù)學(xué)，概率論與隨機(jī)過(guò)程，信號(hào)與系統(tǒng)，復(fù)變函數(shù)，線性代數(shù)等 學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)/課后作業(yè) 考試方式：筆試，閉卷 成績(jī)?cè)u(píng)定：40%期中 + 40%期末+20%平時(shí),4,主要參考書(shū),周炯磐等編，通信原理，北京郵電大學(xué)出版社 樊昌信等編，通信原理，第5版，國(guó)防工業(yè)出版社 曹志剛等編，現(xiàn)代通信原理，清華大學(xué)出版社 L.W. Couch, Digital and Analog Communication Systems (6th Edition), 清華大學(xué)出版社影印版 J. G. Proakis, Digital Communications(5th Edition). 電子工業(yè)出版社影印版 B. Sklar, Digital Communications: Fundamentals and Application, 2nd Edition, 電子工業(yè)出版社（影印版）,5,課程的基本內(nèi)容,緒論 確定信號(hào)分析 隨機(jī)過(guò)程 模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸 數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸 信源和信源編碼,6,第一章 緒論,什么是通信？ 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史 通信系統(tǒng)的組成 通信系統(tǒng)的分類(lèi)和通信方式 信息及其度量 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),通信發(fā)展歷史:遠(yuǎn)古-非電通信 數(shù)字通信：旗語(yǔ)，烽火臺(tái)（光通信？）等等 近代：電通信 1844 Morse;1876: Bell; 1894:Lodge(wireless); 1900:Marconi;1937:Reeves(PCM);1948:Shannon;1958:IC;60:Elect.Tel.Switching System;1965:Satellite;1972: Cellular Telephone(Motorola);1976:PC;80:Optical fiber;90:DWDM +SDH+Wireless; 本課涉及的通信系統(tǒng)是指電或電子通信系統(tǒng) 通信：信息的傳遞過(guò)程，因此它包含了傳輸和交換 -Transmission and switching 通信系統(tǒng)原理主要要解決的問(wèn)題是：信息的傳遞，即通信傳輸,1 什么是通信?,給出通信原理課程的研究對(duì)象 系統(tǒng)框圖等 給出一些基本定義和概念 信息，消息，信號(hào)等 給出通信系統(tǒng)的基本類(lèi)型和通信方式 模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)等 給出通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量等,本章主要內(nèi)容,1. 什么是通信?,9,1. 什么是通信?,通信：交流，傳遞消息；信息的傳輸與交換 信息是要表示和傳送的對(duì)象. 消息是表示信息的媒體，象語(yǔ)言、文字、圖象、符號(hào)、聲音等。同一條信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不確定性，即有效(有用)的東西。消息的本質(zhì)和價(jià)值取決于它所包含的信息量，即對(duì)接收者的不確定性. 信號(hào)是消息的承載者，信號(hào)常常由消息變換而來(lái)，它是與消息對(duì)應(yīng)的某種物理量，通常是時(shí)間的函數(shù)，例如隨著時(shí)間變化的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號(hào). 通信就是以語(yǔ)言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過(guò)電(光)信號(hào)將信息由一方傳輸?shù)搅硪环?通信是一種產(chǎn)業(yè)，它生產(chǎn)的是一種信息在空間轉(zhuǎn)移的效應(yīng),10,2. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(1),18世紀(jì)，提出用電流進(jìn)行通信的設(shè)想 1838年，F(xiàn).B. Morse 發(fā)明有線電報(bào) 1864年，J.C. Maxwell提出電磁輻射方程 1876年，A. G. Bell 發(fā)明電話 1896年，G. Marconi發(fā)明無(wú)線電報(bào) 1901年，橫跨大西洋的無(wú)線通信成功 1906年，Lee deForst 發(fā)明真空管 1918年，E.H. Armstrong發(fā)明AM廣播，超外差接收機(jī) 1925年，開(kāi)始采用三路明線載波電話，多路通信,11,2. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(2),1936年，E. H. Armstrong發(fā)明FM廣播 1937年，A. Reeves發(fā)明PCM調(diào)制原理 1938年，電視廣播開(kāi)始 1940-45年，二次大戰(zhàn)刺激了雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展 1948年，發(fā)明了晶體三極管；統(tǒng)計(jì)理論建立；Shannon發(fā)表通信的數(shù)學(xué)理論 1950年，時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話 1953年，敷設(shè)了第一條越洋電話電纜(36話路) 1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球通信衛(wèi)星,12,2. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(3),1958年，發(fā)明第一塊集成電路 1961年，F(xiàn)M立體聲廣播開(kāi)播 1964年，第一臺(tái)全電子電話系統(tǒng)問(wèn)世 1972年，Motorola發(fā)明蜂窩電話 1976年，個(gè)人PC問(wèn)世 1989年，“便攜式”蜂窩電話問(wèn)世 1990，超大規(guī)模集成電路的大量使用，計(jì)算機(jī)和通信正向著兼容互補(bǔ)的方向發(fā)展 未來(lái)的通信,13,通信的目的：保證消息(或信息)的傳遞，消息的種類(lèi)多種多樣，不同的消息有不同的系統(tǒng)：電報(bào)，電話，數(shù)據(jù) 典型的通信系統(tǒng)模型:point-to point communication system,將消息從一個(gè)點(diǎn)(信源)傳送到一定距離以外的目的地(信宿)。因此幾乎所有的電子系統(tǒng)都是通信系統(tǒng)。 通信系統(tǒng)基本功能是消息的傳遞，本課程研究的主要對(duì)象是信息傳輸?shù)脑砗蛦?wèn)題-獲得可以廣泛應(yīng)用的通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法 我們不關(guān)心系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，我們關(guān)心的是符合什么樣條件的通信系統(tǒng)是最佳的。,3. 通信系統(tǒng)的組成(1),14,3. 通信系統(tǒng)的組成(1),通信系統(tǒng)模型 信息源(信源)：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng) 發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。 信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。 接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。 受信者(信宿)：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等 噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。,信息源,幾個(gè)名詞：消息（message），信息（information），信號(hào)（signal） Message:信源產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn) Information:消息的數(shù)學(xué)抽象（定義） Signal:傳輸?shù)碾娦盘?hào)，包含了消息。我們研究的重點(diǎn)是電信號(hào)的傳輸。 信號(hào)和消息都是信息的物理體現(xiàn)。 離散信號(hào)源（digital source）：消息可取狀態(tài)（值）的數(shù)目為有限個(gè)。 模擬信號(hào)源（analog source）：消息可取狀態(tài)（值）的數(shù)目為無(wú)限個(gè)。,3. 通信系統(tǒng)的組成(2),16,3. 通信系統(tǒng)的組成(3),模擬通信和數(shù)字通信 模擬(連續(xù))消息：狀態(tài)連續(xù)變化，例如語(yǔ)音，圖像 數(shù)字(離散)消息：狀態(tài)可數(shù)或離散，如符號(hào)，文字，數(shù)據(jù) 模擬信號(hào)：載荷消息的電參量連續(xù)取值 數(shù)字信號(hào)：載荷消息的電參量離散取值 模擬通信系統(tǒng)：信道中傳輸模擬信號(hào)，例如傳統(tǒng)廣播和電視 數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，例如2G, 3G,數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào),模擬與數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào):狀態(tài)無(wú)限,因此信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可以是時(shí)間連續(xù)函數(shù)也可以是時(shí)間離散函數(shù) 數(shù)字信號(hào):狀態(tài)有限,因此信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式可以是時(shí)間連續(xù)函數(shù)也可以是時(shí)間離散函數(shù) 如:二進(jìn)制的一可以是高電平,零低電平;同樣一可以是頻率為f1的正弦波,零是頻率為f2的正弦波,t,f(t),t,f(t),時(shí)間連續(xù)函數(shù),時(shí)間離散函數(shù),3. 通信系統(tǒng)的組成(4),18,3. 通信系統(tǒng)的組成(5),模擬通信系統(tǒng)模型 兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)） 基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）,模擬信息源,基帶 信號(hào),已調(diào) 信號(hào),已調(diào) 信號(hào),基帶 信號(hào),19,3. 通信系統(tǒng)的組成(6),數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信源編碼與譯碼：提高信息傳輸?shù)挠行?完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換 加密與解密：保證所傳信息的安全 信道編碼與譯碼：增強(qiáng)抗干擾能力 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào) 同步：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致,20,3. 通信系統(tǒng)的組成(7),數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)，可消除噪聲積累；差錯(cuò)可控，傳輸性能好； 便于處理和管理，便于傳輸和交換 便于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，形成智能網(wǎng)； 便于集成化，從而使通信設(shè)備微型化； 便于加密處理，且保密程度高。 數(shù)字通信的缺點(diǎn)： 頻帶利用率低：比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶。一路模擬電話：4KHz，接近同樣話音質(zhì)量的一路數(shù)字電話：20-60KHz。 對(duì)同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。,21,3. 通信系統(tǒng)的組成(8),兩種應(yīng)用 利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳送模擬消息 A/D，D/A變換，例如電話 利用模擬通信系統(tǒng)傳送數(shù)字信號(hào) 加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器,22,4.1 通信系統(tǒng)的分類(lèi)(1),根據(jù)信號(hào)特征 模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng) 根據(jù)消息的物理特征：電話、數(shù)據(jù)、電視等 根據(jù)調(diào)制方式 基帶傳輸：周期性脈沖序列作為載波 頻帶傳輸：正弦型載波 根據(jù)傳輸媒介 有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖 無(wú)線傳輸,23,4.1 通信系統(tǒng)的分類(lèi)(2),根據(jù)信號(hào)復(fù)用方式 頻分復(fù)用(FDM),時(shí)分復(fù)用(TDM),碼分復(fù)用(CDM),24,4.2 點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式(1),按消息傳送方向與時(shí)間關(guān)系 單工：遙測(cè)、遙控、尋呼 半雙工：無(wú)線電對(duì)講機(jī)(同一載頻) 全雙工通信：電話,25,4.2 點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式(2),按數(shù)字信號(hào)的碼元排列方法 串行傳輸：遠(yuǎn)距離數(shù)字通信 并行傳輸：近距離數(shù)字通信,26,4.3 實(shí)際通信系統(tǒng),通信網(wǎng)和專(zhuān)線,27,5 信息及其度量(1),信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容 信息的度量：信息量 與消息的類(lèi)型及重要程度無(wú)關(guān) 事件的不確定程度越大，信息量越大 消息 x 中所含信息量 I 與消息出現(xiàn)概率 P(x) I (x) = I P(x) P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I = 若干互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和 I (x1 , x2 , , xn ) = I (x1) + I(x2) + I(xn ),28,5 信息及其度量(2),信息量 I 的定義,a =2: 比特(bit),a =e: 奈特(nit) a =10: 哈特萊,29,5 信息及其度量(3),離散消息的度量,各符號(hào) x1 x2 xM 所包含的信息量分別為,設(shè)離散信息源是一個(gè)由M個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，且,每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值(平均信息量)為,30,5 信息及其度量(4),信息源的最大熵，發(fā)生在每一個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí) 如果各符號(hào)x1 x2 xM等概出現(xiàn)，即P(xi)=1/M，則有,用平均信息量計(jì)算消息的信息量,若消息傳送的符號(hào)總數(shù)為m，,例：信息源由獨(dú)立等概的符號(hào)0, 1組成，M = 2,則 I = m H(x) (bit),H(x) = log2 M = 1bit/符號(hào),此時(shí)符號(hào)數(shù)與比特?cái)?shù)相等。,31,5 信息及其度量(6),連續(xù)消息的度量 連續(xù)信源的熵是一個(gè)相對(duì)熵(比多出的相對(duì)量)，而離散信源的熵是一個(gè)絕對(duì)熵,Ex.:suppose a digital source formed by four digits 0(1/8), 1(1/2),2(1/8),3(1/4). Find:a)the entropy of the source b)the information quantity for each digit. Sol.: H=1/8log2(8) + 1/2log2(2) + 1/8log2(8) + 1/4log2(4) =1.75bits I1=log8=3bits, I2=log2=1bit, I3=log8=3bits, I4=log4=2bits,5 信息及其度量(4),33,5 信息及其度量(5),例 一信息源由四個(gè)符號(hào)0, 1, 2, 3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8, , , 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某個(gè)消息201020130(57個(gè)符號(hào)：023, 114, 213, 37)的信息量。,方法一：,方法二：,性能指標(biāo) 質(zhì)量指標(biāo)：是整個(gè)通信系統(tǒng)的綜合評(píng)估 通信系統(tǒng)：可靠性，有效性，適應(yīng)性，標(biāo)準(zhǔn)性，經(jīng)濟(jì)性，可維護(hù)性和友好性 但從根本來(lái)說(shuō)，通信系統(tǒng)的目的是將信息從信源傳遞到信宿，因此可靠性（質(zhì)量）和有效性（傳輸效率）是首先要考慮的。 模擬通信系統(tǒng)的評(píng)估：可靠性：發(fā)與收信號(hào)的差異程度-均方誤差（噪聲的影響，系統(tǒng)的不完善因素） 有效性：消息中所含的信息量，單位時(shí)間可傳遞的信息量多少。 數(shù)字通信系統(tǒng)：信息傳輸速率和發(fā)生差錯(cuò)的概率（誤碼概率）,6 主要性能指標(biāo),35,6. 主要性能指標(biāo)(1),有效性：系統(tǒng)傳輸消息的效率/通信資源(頻率、時(shí)間)的充分利用，在給定的信道內(nèi)能夠容納多大的信息量，或允許傳輸多高的信息率 可靠性：信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度，傳送消息的準(zhǔn)確還原 根據(jù)信息論觀點(diǎn)，通信系統(tǒng)的有效性和可靠性常常是一對(duì)矛盾。也就是說(shuō)有效性很高的通信系統(tǒng)往往帶來(lái)可靠性不足的缺點(diǎn)；或者是保證了很高的可靠性，但導(dǎo)致有效性的降低?？煽啃允敲艿闹饕矫妫窗l(fā)送消息在接收端的準(zhǔn)確還原。 形成矛盾的根本原因：信道不理想 噪聲和干擾 帶寬、時(shí)間受限,36,6. 主要性能指標(biāo)(2),模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 有效性：用所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬來(lái)表征 可靠性：均方誤差 輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：接收端輸出的信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比(SNR) 電話：SNR 40dB, 話音清晰度 95% 電視：SNR = 4060dB,37,6. 主要性能指標(biāo)(3),離散數(shù)字信號(hào)的表示 離散信源的 M = 2k 種可能狀態(tài)可以用 k 位二進(jìn)制數(shù)字或一位 M 進(jìn)制數(shù)字表示 用時(shí)間間隔相同的信號(hào)來(lái)表示一位二進(jìn)制或 M 進(jìn)制數(shù)字 這個(gè)固定的時(shí)間間隔長(zhǎng)度 T 稱(chēng)為符號(hào)/碼元長(zhǎng)度 每個(gè)間隔內(nèi)的信號(hào)波形稱(chēng)為符號(hào)/碼元(二進(jìn)制或 M 進(jìn)制),AB C D,00 01 10 11,0 1 2 3,碼元：信源發(fā)出的消息或代表每個(gè)消息的信號(hào)（符號(hào)） 碼元速率RS：信源每秒鐘發(fā)出的碼元數(shù)，單位波特（Baud), 又稱(chēng)符號(hào)速率（symbol rate），波特率 信息速率Rb（比特率，bit rate）：信源每秒鐘發(fā)出的平均比特?cái)?shù)。單位：bps or bit/sec 碼元速率和比特速率的關(guān)系：1個(gè)碼元可以含多比特或小于1個(gè)比特的信息，因此一般情況下碼元速率與比特速率在數(shù)值上是不等的。 頻帶利用率：傳輸速率與系統(tǒng)帶寬之比，單位為bit/s/Hz或Baud/Hz,碼元速率和比特速率,6 主要性能指標(biāo),Rb Rs log2 M (bit/s) Rs Rb /log2 M (baud),39,例：四進(jìn)制等概分布情況下，一個(gè)碼元含二比特的信息量。在數(shù)值上我們有Rb =2RB. 二進(jìn)制時(shí)，在等概情況下，