通信原理電子教案課件

2009年9月主講教師：邢林海：：前言教材：《現(xiàn)代通信原理及應用》，苗長云等編著，電子工業(yè)出版社本教材有一定深度，希望同學們一定要結合其他參考書來學習。推薦參考書：《通信原理》，樊昌信，國防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理》，沈葆鎖，國防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理習題指南》，上書的配套習題準備考天大研究生的同學尤其要關注這兩本書前言（續(xù)）課時安排：理論課（60）實驗（15）每周一、三：上理論課每周五（本周除外）：算實驗課時（不上課）答疑：地點：主A514時間：每周二晚（18:30~21:00）每周四晚（18:30~21:00）第一章緒論主要內容§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)的主要性能指標重點為§1.4和§1.5§1.1通信的基本概念一、通信的幾種定義（1）通信的通俗定義：一點向另一點傳遞消息的過程（2）通信的專業(yè)定義：利用電（或光）信號的某一個或幾個參數(shù)（如振幅、頻率等）的變化承載信息，在特定物理媒介（稱“信道”）中傳輸、交換和處理的過程。（3）數(shù)字通信的本質定義（引用美國數(shù)學家和信息論創(chuàng)始人Shannon的話）：通信是在一點盡力恢復另一點“選擇”的過程§1.1通信的基本概念（續(xù)）二、信號的基本分類消息的載體是信號，而信號可分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號連續(xù)的模擬信號tt離散的模擬信號多進制數(shù)字信號連續(xù)的數(shù)字信號（4進制）t（秒）00011011010123稱為1個碼元周期Tb注意：在多進制數(shù)字信號中，碼元≠比特1234§1.2通信系統(tǒng)的組成由前面通信的定義，我們可知，要完成通信的過程至少要有：發(fā)送信息者（稱“信源”）接收信息者（稱“信宿”）傳輸信息的通道（稱“信道”）但是很多信號（如語音），如果不經過處理，傳輸距離很短，而且很容易被干擾；所以在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，需要“發(fā)送設備”和“接收設備”，它們作用就是使信號傳輸?shù)酶h，質量更好；它們具體包含了那些部件，其實就是我們這門課要討論的主要內容?！?.2.1通信系統(tǒng)的一般模型如下圖所示：信源在本書中，特指將原始信息轉換成電信號的設備，如麥克風等發(fā)送設備信道噪聲源接收設備信宿如調制器、功率放大器、天線等如雙絞線、光纖、同軸電纜等。注意：自由空間也是一種信道是一種隨機信號，對通信有害，但不可避免。與是發(fā)送設備處理的“逆過程”在本書中，特指將電信號還原成原始信息的設備，如揚聲器等§1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型如下圖所示（以調幅/AM廣播為例）：模擬信源調制器信道噪聲源解調器信宿人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去從這個過程中我們可以知道，實際上，模型中的調制解調器中都包含了放大功能§1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（用以傳輸數(shù)字基帶信號）數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（又稱“數(shù)字調制通信系統(tǒng)”，用以傳輸數(shù)字頻帶信號）那么，什么是“數(shù)字基帶信號”？什么是“數(shù)字頻帶信號”呢？補充知識：基帶信號與頻帶信號基帶信號：很多信源輸出的信號，含有豐富的低頻成分，即，其頻譜在低頻附近（例如我們說的語音在300~4kHz，再例如數(shù)字電路輸出的TTL信號）。這些信號我們統(tǒng)稱為基帶信號頻帶信號：將基帶信號從低頻段調制到高頻段后的信號（又稱“已調信號/已調波”）2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型

（教材P3的圖1.3,大家可加上“頻帶”2字）信源可能是模擬信源（如麥克風），也可能是數(shù)字信源（如計算機）信源編碼如果信源是數(shù)字信源，主要對其壓縮、加密等；如果是信源是模擬信源，則先進行A/D變換再進行壓縮、加密信道編碼主要功能是檢錯和糾錯，將在第12章詳細介紹。主要目的是為了保證通信的可靠性數(shù)字調制與模擬調制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h、更多、更抗干擾，將在第8章詳細介紹信道噪聲源數(shù)字解調信道譯碼信源譯碼信宿是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述隨著通信技術的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調制有融合的趨勢怎樣理解信源編碼和信道編碼信源編碼：根據(jù)信源的特點進行的相應的編碼處理（主要指的是壓縮）。例如語音可采用PCM編碼（第6章要講），靜止圖像有jpg編碼，動態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂有mp3編碼等等…可以看出不同的信源往往有不同的信源編碼（這是因為不同的信源的統(tǒng)計特性是不同的）目的：提高通信的有效性怎樣理解信源編碼和信道編碼信道編碼：根據(jù)信道的特點進行相應的編碼，以使信號適合在這種信道中傳輸，主要指的是檢錯、糾錯。如在計算機中普遍用的CRC(循環(huán)冗余)編碼等不同的信道往往采用不同的信道編碼（因為不同的信道有不同的誤碼特性）目的：提高通信的可靠性§1.3.1通信系統(tǒng)的分類（續(xù)）按通信系統(tǒng)承載的業(yè)務種類分電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng)等Service按復用的方式分頻分復用（FDM）通信系統(tǒng)時分復用（TDM）通信系統(tǒng)碼分復用（CDM）通信系統(tǒng)在11章將詳細介紹這些復用方式并不互相排斥，可能同時使用在一個通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時使用了TDM和CDM§1.3.2通信的方式1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時間關系劃分通信方式分：§1.3.2通信的方式（續(xù)）2、按數(shù)字信號碼元排列方式劃分通信方式如打印機與計算機之間如USB、RS-232等§1.4信息及其量度(重點章節(jié))鐵路系統(tǒng)運送貨物量多少采用“貨運量”（不管運送什么貨物）來度量通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。注意：信息量的大小實際上與內容無關一個消息對于接收者很有價值（即信息量大）在于這個消息是他不知道的事情或覺得不可能發(fā)生的事情（即小概率事件）。§1.4信息及其量度（續(xù)）即，一條信息發(fā)生的概率越小，信息量越大；概率越大（一種極端情況是“必然的事情”信息量為0）則信息量越小于是，對于一條信息x，人們用下列公式表示其信息量I：（式1-4-1）

之所以取對數(shù)是由于信息量的“累加性”決定的§1.4信息及其量度（續(xù)）信息量的單位由對數(shù)底的取值決定。若對數(shù)以2為底時單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）；若以e為底時單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）；若以10為底時單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）。通常采用“比特”作為信息量的實用單位。同學們要掌握的[例題1.4.1]（解）[例題1.4.1]（解）稱為信息熵，因為其通用公式為這個公式與物理熱力學中的熵很相似。但熱力學中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。請注意其量綱（即信息熵）§1.5通信系統(tǒng)的性能指標(重點章節(jié))通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標。所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|量”問題二者是“對立統(tǒng)一”體例如：在一段固定時間的強干擾下，傳輸速率越大則誤碼越多；檢錯糾錯碼加入的冗余信息越多，則越可靠§1.5.1模擬通信系統(tǒng)的指標模擬通信系統(tǒng)的有效性指標用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。例如收音機調幅電臺的帶寬通常在10kHz左右，而調頻電臺的帶寬通常在180kHz左右模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。調頻的音質明顯好于調幅電臺§1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)的指標一、有效性指標數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸速率和頻帶利用率來表征。1、傳輸速率傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示。碼元速率RB與信息速率Rb的關系在等概率條件下，4進制符號每符號的概率為1/4，所含信息量為2bit8進制符號每符號的概率為1/8，所含信息量為3bit……可以看出對于等概率N進制信源每傳1個符號等于傳了log2N(bit)信息，所以對于考研同學的擴展知識若信源各符號不是等概率的，則注意：這和上頁的結論并不矛盾。因為N進制等概率的信源的熵就是log2N(bit/符號)有效性指標之2、頻帶利用率又分為碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率碼元頻帶利用率：數(shù)字通信系統(tǒng)的碼元速率RB與其所占頻率帶寬B的比值，即信息頻帶利用率數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率Rb