哈工大 通信原理

通信原理

PrinciplesofCommunications哈工大（威海）通信工程系1課程簡(jiǎn)介教材及參考書樊昌信等，《通信原理》，國防工業(yè)出版社周炯磐等,《通信原理》

，北京郵電大學(xué)出版社課程內(nèi)容點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理層算法級(jí)2－第一章緒論－學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及方法熟悉《信號(hào)與系統(tǒng)》中傅立葉變換及性質(zhì)熟悉《隨機(jī)過程》中的基本概念熟悉各種常用模塊的信號(hào)變換關(guān)系基于系統(tǒng)模型掌握各種通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件實(shí)驗(yàn)軟件仿真SystemViewmatlab3－第一章緒論－第一章緒論1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)分類及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)41.1通信的基本概念

在人類社會(huì)歷史的長(zhǎng)河中，人際之間進(jìn)行思想情感的交流離不開信息的傳遞。古代的烽火臺(tái)、驛站；現(xiàn)代的電報(bào)、電話、傳真、電子信箱、廣播、電視等都是傳遞信息的手段和方式。自然界中，人們聽到、觀察到的現(xiàn)象，可用語言、文字、圖像等信息來表達(dá)、存儲(chǔ)或傳遞。信息被認(rèn)為是人類社會(huì)重要資源之一，在政治、軍事、生產(chǎn)乃至人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩?－第一章緒論－語言、數(shù)據(jù)、圖像等信息是不能直接在通信系統(tǒng)中傳遞，為此需在發(fā)送端將它們轉(zhuǎn)換成電（光）信號(hào)（即信源）來載荷這些信息。電（光）信號(hào)經(jīng)通信系統(tǒng)傳送至接收端，收端將電（光）信號(hào)還原成語言、數(shù)據(jù)、圖像等信息。

通信就是傳輸信息，以語言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電（或光）信號(hào)將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?－第一章緒論－1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型我們把實(shí)現(xiàn)信息傳輸所需一切設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體稱為通信系統(tǒng)。以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為例，通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-1所示。7－第一章緒論－發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信息源信道受信者噪聲源發(fā)送端接收端圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

8－第一章緒論－發(fā)送端:信息源的作用是把信息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，該原始電信號(hào)稱為基帶信號(hào)；

發(fā)送設(shè)備將原始電信號(hào)處理成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。它所要完成的功能很多，例如調(diào)制、放大、濾波和發(fā)射等，在數(shù)字通信系統(tǒng)中發(fā)送設(shè)備又常包含信源編碼和信道編碼等。

信道是指信號(hào)傳輸通道，按傳輸媒介的不同，可分為有線信道和無線信道兩大類。

噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。9－第一章緒論－接收端：接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號(hào)；受信者將復(fù)原電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。10－第一章緒論－1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型

傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。信息源調(diào)制器信道解調(diào)器收信者噪聲源圖1-2模擬通信系統(tǒng)模型

模擬廣播通信系統(tǒng)11－第一章緒論－以語音信號(hào)為例來說明下圖模擬通信系統(tǒng)模型各部分的作用。12－第一章緒論－發(fā)信人講話的語音信息首先經(jīng)變換器將語音信息變成電信號(hào)（模擬信源），然后電信號(hào)經(jīng)放大設(shè)備后可以直接在信道中傳輸。為了提高頻帶利用率，使多路信號(hào)同時(shí)在信道中傳輸，原始的電信號(hào)（基帶信號(hào)）一般要進(jìn)行調(diào)制才能傳輸?shù)叫诺乐腥?。調(diào)制是信號(hào)的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐盘?hào)變換成適合信道中傳輸?shù)男盘?hào)，這一過程由調(diào)制器完成，經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。在收端，經(jīng)解調(diào)器和逆變換器還原成語音信息。13－第一章緒論－1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)?？蛇M(jìn)一步細(xì)分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。一、數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)如圖1-3所示。信源編碼的主要任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠行?。信源編碼器的輸出就是信息碼元,此外，話音和圖像壓縮編碼等都是在信源編碼器內(nèi)完成。接收端信源譯碼則是信源編碼的逆過程。14－第一章緒論－信息源信道噪聲源信源編碼信道編碼調(diào)制器解調(diào)器信道譯碼信源解碼收信者GSM通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線連接圖1-3數(shù)字通信系統(tǒng)模型

15－第一章緒論－

信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。基本做法是在信息碼組中按一定的規(guī)則附加一些監(jiān)督碼元，以使接收端根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，信道編碼也稱糾錯(cuò)編碼。接收端信道譯碼是其相反的過程。數(shù)字通信系統(tǒng)還有一個(gè)非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)（圖1-3沒有畫出）。它可以使通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端或整個(gè)通信系統(tǒng)，以精度很高的時(shí)鐘提供定時(shí)，以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流能與發(fā)送端同步、有序而準(zhǔn)確地接收與恢復(fù)原信息。16－第一章緒論－二、數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)與頻帶傳輸系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，我們把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如圖1-4所示。圖中基帶信號(hào)形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。圖1-4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型

17－第一章緒論－數(shù)字通信與模擬通信比較模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

根據(jù)電信號(hào)參量是否離散進(jìn)行判斷二進(jìn)制與多進(jìn)制模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)模擬系統(tǒng)接收機(jī)必須處理無窮多個(gè)波形數(shù)字系統(tǒng)接收機(jī)處理已知波形集中有限個(gè)波形之一數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)更好的抗失真和干擾的能力18－第一章緒論－容易實(shí)現(xiàn)，成本低，更具靈活性差錯(cuò)控制編碼容易實(shí)現(xiàn)保密通信更適合數(shù)字業(yè)務(wù)，容易實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)數(shù)字信號(hào)具有更寬的頻帶同步設(shè)備復(fù)雜19－第一章緒論－1834年，高斯與韋伯制造出電磁式電報(bào)機(jī)；1837年，莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)；1842年，實(shí)現(xiàn)莫爾斯電報(bào)通信；1864年，馬克斯韋爾提出電磁輻射方程；1876年，貝爾發(fā)明電話；1896年，馬可尼發(fā)明無線電報(bào)；1918年，調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機(jī)問世；1925年，開始采用三路明線載波電話、多路通信；1936年，調(diào)頻無線電廣播開播；通信發(fā)展概況20－第一章緒論－1937年，發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理；1938年，電視廣播開播；1940—1945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)明晶體管，香農(nóng)提出了信息論；1950年，時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話；1957年，發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星；1958年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星；1960年，發(fā)明激光；1961年，發(fā)明集成電路；21－第一章緒論－1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，脈沖編碼調(diào)制進(jìn)入實(shí)用階段；1960一1970年，彩色電視問世、阿波羅宇宙飛船登月、數(shù)字傳遙的理論和技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)；1970一1980年，大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理機(jī)等迅速發(fā)展；1980年以后，超大規(guī)模集成電路、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)崛起；1990年以后，衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光纖通信等進(jìn)一步發(fā)展，DTV(清晰度電視)，HDTV(高清晰度電視)不斷成熟，GPS(全球定位系統(tǒng))廣泛應(yīng)用。2000年以后，GSM，CDMA等移動(dòng)通信迅速增長(zhǎng)，通信飛躍發(fā)展。22－第一章緒論－1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按照媒質(zhì)的類型劃分有線通信系統(tǒng)

用導(dǎo)線或?qū)бw作為傳輸媒質(zhì)完成通信。如架空明線、同軸電纜、海底電纜、光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等。無線通信系統(tǒng)

依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞信息的目的。如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。23－第一章緒論－按照信道傳輸信號(hào)類型劃分模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)按照調(diào)制方式劃分基帶傳輸系統(tǒng)是將沒有經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)直接傳送。如音頻市內(nèi)電話。頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)是對(duì)基帶信號(hào)調(diào)制后再送到信道中傳輸。24－第一章緒論－按照信號(hào)復(fù)用方式劃分頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用碼分復(fù)用按照消息的物理特征劃分電報(bào)通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)25－第一章緒論－1.3.2通信方式按消息傳送的方向與時(shí)間關(guān)系劃分單工通信半雙工通信全雙工通信單工通信是指信息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，如圖1-5（a）所示。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無線尋呼等。這里信號(hào)只從廣播發(fā)射臺(tái)、遙控器和無線尋呼中心分別傳到收音機(jī)、遙控對(duì)象和BP機(jī)上。26－第一章緒論－半雙工通信方式是指通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如圖1-5（b）所示。例如無線對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)等都是這種通信方式。全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸信息的工作方式，如圖1-5（c）所示。例如普通電話、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等采用的就是全雙工通信方式。27－第一章緒論－圖1-5通信方式示意圖28－第一章緒論－按數(shù)字信號(hào)碼元排列方法劃分并行通信

將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)序列同時(shí)在信道上傳輸，則稱為并行傳輸通信方式，如圖1-6（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是速度快、節(jié)省傳輸時(shí)間，但需占用頻帶寬，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。29－第一章緒論－串行通信將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸，如圖1-6（b）所示。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。圖1-6并行和串行通信方式30－第一章緒論－

按照通信設(shè)備與傳輸線路連接劃分專門為兩點(diǎn)之間設(shè)立傳輸線的通信稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（專線通信）。多點(diǎn)間的通信屬于網(wǎng)通信。網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。本書重點(diǎn)討論點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

31－第一章緒論－通信系統(tǒng)舉例－計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集線器32－第一章緒論－通信系統(tǒng)舉例-電話網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心市話局中繼線Modem33－第一章緒論－1.4信息及其度量通信的目的在于信息的傳遞和交換。人們常將語言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等信息的傳遞俗稱消息的傳遞。信息可理解為消息中所含有的特定內(nèi)容。如鐵路系統(tǒng)運(yùn)送貨物量多少采用“貨運(yùn)量”（不管運(yùn)送什么貨物）來度量，通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。當(dāng)人們?cè)谕ㄐ胖蝎@得消息之前，對(duì)它的特定內(nèi)容有一種“不確定性”，事件的不確定程度只能就其出現(xiàn)的概率來描述。34－第一章緒論－信息量與消息的種類、特定內(nèi)容及重要程度無關(guān)，它僅與消息中包含的不確定度有關(guān)。也就是說消息中所含信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息發(fā)生概率愈小，愈使人感到意外和驚奇，則此消息所含的信息量愈大。例如，一方告訴另一方一件幾乎不可能發(fā)生的消息包含的信息量比可能發(fā)生的消息包含的信息量大。如果消息發(fā)生的概率趨于零（不可能事件），則它的信息量趨于無窮大；如果消息發(fā)生的概率為1（必然事件），則此消息所含的信息量為零。35－第一章緒論－在信息論中，單個(gè)消息所含信息量I與消息x出現(xiàn)概率p(x)的關(guān)系式為

I代表兩種含義：當(dāng)事件x發(fā)生以前，表示事件x發(fā)生的不確定性；當(dāng)事件x發(fā)生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。信息量的單位由對(duì)數(shù)底的取值決定。

a=2,比特（bit—binaryunit的縮寫）；

a=10,哈特萊（nat—natureunit的縮寫）；

a=e,奈特（Hart—Hartley的縮寫）。通常采用“比特”作為信息量的實(shí)用單位。36－第一章緒論－離散信源等概M個(gè)消息之一M進(jìn)制波形之一，且概率相等,每個(gè)波形攜帶信息量若M=2k,I=k(bit)非等概37－第一章緒論－最大信源熵發(fā)生在信源的每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，最大信源熵為38－第一章緒論－39－第一章緒論－以上我們討論了離散消息的度量。類似，關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述。可以證明，連續(xù)消息的平均信息量（相對(duì)熵）為式中,f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。有興趣的同學(xué)，可參考信息論有關(guān)專著。40－第一章緒論－1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信的有效性和可靠性