通信原理第1章-緒論概要

通信原理與系統(tǒng)張濤信息學(xué)wgcn@1632關(guān)于本課程《通信原理》為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，要求重點(diǎn)駕馭通信系統(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，探討通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解通信發(fā)展方向先修課程：《信號與系統(tǒng)》、《概率論與隨機(jī)過程》等學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)/課后作業(yè)考試方式：筆試，閉卷成果評定：70%期末+30%平常3運(yùn)用教材樊昌信等編，《通信原理》，第5/6版，國防工業(yè)出版社4主要參考書周炯磐等編，通信原理，北京郵電高校出版社曹志剛等編，現(xiàn)代通信原理，清華高校出版社DigitalandAnalogCommunicationSystems(5thor6thEdition).清華高校出版社（影印版：數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)）SimonHaykin,CommunicationSystems,電子工業(yè)出版社（影印版：通信系統(tǒng)）J.G.Proakis.DigitalCommunication(4rdEdition).電子工業(yè)出版社（影印版：數(shù)字通信）5課程的基本內(nèi)容緒論隨機(jī)信號分析信道模擬通信系統(tǒng)數(shù)字信號的基帶傳輸數(shù)字信號的頻帶傳輸(正弦載波調(diào)制系統(tǒng))模擬信號的數(shù)字傳輸數(shù)字信號的最佳接收差錯(cuò)限制編碼同步原理6第一章緒論什么是通信？通信的發(fā)展簡史通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的分類和通信方式信息及其度量通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)71.什么是通信?通信：溝通，傳遞消息；信息的傳輸與交換信息是要表示和傳送的對象.消息是表示信息的媒體，象語言、文字、圖象、符號、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，即對接收者的不確定性.信號是消息的承載者，信號常常由消息變換而來，它是與消息對應(yīng)的某種物理量，通常是時(shí)間的函數(shù)，例如隨著時(shí)間變更的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號.通信就是以語言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電(光)信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环叫畔⑹且环N資源，其最大特點(diǎn)是能夠流通、共享和重復(fù)運(yùn)用；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)82.通信的發(fā)展簡史18世紀(jì)，提出用電流進(jìn)行通信的設(shè)想1838年，F(xiàn).B.Morse獨(dú)創(chuàng)有線電報(bào)1864年，J.C.Maxwell提出電磁輻射方程1876年，A.G.Bell獨(dú)創(chuàng)電話1896年，G.Marconi獨(dú)創(chuàng)無線電報(bào)1901年，橫跨大西洋的無線通信成功1906年，LeedeForst獨(dú)創(chuàng)真空管1918年，E.H.Armstrong獨(dú)創(chuàng)AM廣播，超外差接收機(jī)1925年，起先接受三路明線載波電話，多路通信91936年，E.H.Armstrong獨(dú)創(chuàng)FM廣播1937年，A.Reeves獨(dú)創(chuàng)PCM調(diào)制原理1938年，電視廣播起先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，獨(dú)創(chuàng)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)放射第一顆人造地球通信衛(wèi)星2.通信的發(fā)展簡史101958年，獨(dú)創(chuàng)第一塊集成電路1961年，F(xiàn)M立體聲廣播開播1964年，第一臺全電子電話系統(tǒng)問世1972年，Motorola獨(dú)創(chuàng)蜂窩電話1976年，個(gè)人PC問世1989年，“便攜式”蜂窩電話問世1990－，超大規(guī)模集成電路的大量運(yùn)用，計(jì)算機(jī)和通信正向著兼容互補(bǔ)的方向發(fā)展2.通信的發(fā)展簡史113.通信系統(tǒng)的組成

通信系統(tǒng)模型信息源發(fā)送設(shè)備傳輸媒介接收設(shè)備受信者噪聲源信息源(發(fā)終端)：把消息轉(zhuǎn)換成原始電信號發(fā)送設(shè)備：對原始信號完成某種變換，使之適合于信道傳輸接收設(shè)備：從接收信號中復(fù)原出原始信號，發(fā)送設(shè)備的逆變換和克服噪聲的干擾受信者（收終端）：將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息噪聲源：信道中及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示12模擬通信和數(shù)字通信模擬(連續(xù))消息：狀態(tài)連續(xù)變更，例如語音，圖像數(shù)字(離散)消息：狀態(tài)可數(shù)或離散，如符號，文字，數(shù)據(jù)模擬信號：載荷消息的電參量連續(xù)取值數(shù)字信號：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，例如電話數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳輸數(shù)字信號，例如電報(bào)3.通信系統(tǒng)的組成

13模擬通信系統(tǒng)模型模擬信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源

模擬通信強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與基帶信號成比例3.通信系統(tǒng)的組成

14數(shù)字通信系統(tǒng)模型1、差錯(cuò)原則上可控（差錯(cuò)限制編碼）；2、須要保密時(shí)可進(jìn)行加密；3、數(shù)字信號單元(碼元)按節(jié)拍傳送，要求收發(fā)節(jié)拍一樣-》同步:位同步、符號同步、幀同步，群同步3.通信系統(tǒng)的組成

15數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量與基帶信號的一一對應(yīng)3.通信系統(tǒng)的組成

16基帶數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字信息源波形形成信道接收濾波受信者噪聲源3.通信系統(tǒng)的組成

17數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾實(shí)力強(qiáng)，可消退噪聲積累；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)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲，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。對同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較困難。3.通信系統(tǒng)的組成

18兩種應(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)字信號加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器電話網(wǎng)因特網(wǎng)3.通信系統(tǒng)的組成

194.1通信系統(tǒng)的分類依據(jù)信號特征模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)依據(jù)消息的物理特征：電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)、圖象等依據(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：正弦型載波依據(jù)傳輸媒介有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖無線傳輸20雙絞線電話業(yè)務(wù)同軸電纜AM無線電FM無線電和TV地面微波接力

光纖

衛(wèi)星1021031041051061071081091010101110121013101410151016無線電(9KHz~400GHz)紅外線紫外線可見光微波(300MHz~300GHz)

Hz海事無線電21依據(jù)信號復(fù)用方式頻分復(fù)用(FDM)（頻譜搬移）1時(shí)間頻率234

時(shí)分復(fù)用(TDM)（抽樣或脈沖調(diào)制）1時(shí)間頻率2341

碼分復(fù)用(CDM)（碼組）1234時(shí)間頻率FDM:模擬和數(shù)字通信TDM和CDM：數(shù)字通信224.2點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式按消息傳送方向與時(shí)間關(guān)系單工：消息只能單向傳輸，如遙測、遙控、尋呼半雙工：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)無線電對講機(jī)(同一載頻)全雙工通信：電話發(fā)送端信道接收端發(fā)送端信道發(fā)送端接收端接收端發(fā)送端信道接收端接收端發(fā)送端信道23按數(shù)字信號的碼元排列方法串行傳輸：數(shù)字信號碼元序列按時(shí)間依次，遠(yuǎn)距離數(shù)字通信并行傳輸：數(shù)字信號碼元分路，同時(shí)傳輸，近距離數(shù)字通信發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備...245信息及其度量信息：消息中所含有的特定內(nèi)容信息的度量：信息量信息量與消息的種類、特定內(nèi)容及重要程度無關(guān)。信息量僅與消息中包含的不確定度有關(guān)，即消息中所含信息量與消息發(fā)生的概率親密相關(guān)。消息發(fā)生概率愈小，則此消息所含的信息量愈大。假如消息發(fā)生的概率趨于零（不行能事務(wù)），則它的信息量趨于無窮大；假如消息發(fā)生的概率為1（必定事務(wù)），則此消息所含的信息量為零。25概括：1、信息量與消息的種類及重要程度無關(guān)；2、事務(wù)發(fā)生的不確定程度越大，信息量越大。3、消息x中所含信息量I與消息出現(xiàn)概率P(x)關(guān)系：I(x)=I[P(x)]P(x)=1,I=0;P(x)=0,I=4、若干相互獨(dú)立事務(wù)構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事務(wù)信息量之和I(x1,x2,…)=I(x1)+I(x2)+…26

在信息論中，消息所含的信息量I與消息x出現(xiàn)的概率P(x)的關(guān)系式為：I（信息量）代表兩種含義：當(dāng)事務(wù)x發(fā)生以前，表示事務(wù)x發(fā)生的不確定性；當(dāng)事務(wù)x發(fā)生以后，表示事務(wù)x所含有的信息量。信息量的單位由對數(shù)底的取值確定。對數(shù)以2為底時(shí)單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）；以e為底時(shí)單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）；以10為底時(shí)單位是“哈特萊”（Hart—Hartley的縮寫）。通常接受“比特”作為信息量的好用單位。27若干相互獨(dú)立事務(wù)構(gòu)成的消息所含信息量等于各獨(dú)立事務(wù)信息量之和285.1離散消息的度量

各符號x1x2…

xn

所包含的信息量分別為設(shè)離散信息源是一個(gè)由n個(gè)符號組成的符號集，且

每個(gè)符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值(平均信息量)為

信息源的熵29信息源的最大熵假如各符號x1x2…xn等概出現(xiàn)，即P(xi)=1/n，則有結(jié)論：信息源的最大熵，發(fā)生在每一個(gè)符號等概率出現(xiàn)時(shí)

用平均信息量計(jì)算消息的信息量若消息傳送的符號總數(shù)為m，則I=mH(x)(bit)

例信息源由獨(dú)立等概的符號0,1組成，n=2,H(x)=1bit/符號，符號數(shù)與比特?cái)?shù)相等。30例1.4.1一信息源由四個(gè)符號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)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某個(gè)消息201020130……(57個(gè)符號：0~23,1~14,2~13,3~7)的信息量。

方法一：

方法二：315.2連續(xù)消息的度量連續(xù)信源的熵是一個(gè)相對熵(比多出的相對量)，而離散信源的熵是一個(gè)確定熵

連續(xù)信源的熵不具有非負(fù)性326.主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)和評價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)，往往要涉及到很多性能指標(biāo)，如系統(tǒng)的有效性、牢靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)用維護(hù)便利性等。這些指標(biāo)可從各個(gè)方面評價(jià)通信系統(tǒng)的性能，但從探討信息傳輸方面考慮，通信的有效性和牢靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。33有效性：指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}，即在給定的信道內(nèi)能夠容納多大的信息量，或允許傳輸多高的信息率(考慮單位時(shí)間、單位帶寬)。牢靠性：指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題，即信息傳輸?shù)木_程度。依據(jù)信息論觀點(diǎn)，通信系統(tǒng)的有效性和牢靠性常常是一對沖突。也就是說有效性很高的通信系統(tǒng)往往帶來牢靠性不足的缺點(diǎn)；或者是保證了很高的牢靠性，但導(dǎo)致有效性的降低。牢靠性是沖突的主要方面，即發(fā)送消息在接收端的精確還原。形成沖突的根本緣由：信道不志向帶寬、時(shí)間受限噪聲和干擾346.1模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性：用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。牢靠性：均方誤差（衡量發(fā)送的模擬信號與接收端復(fù)制的模擬信號之間誤差程度）,越小，說明復(fù)制的信號越逼真。在今后的探討中，主要探討加性干擾的影響輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：均方誤差大小完全取決于接收端輸出的信號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=40~60dB35

離散數(shù)字信號的表示：離散信源的N=2k種可能狀態(tài)可以用k位二進(jìn)制數(shù)字或一位N進(jìn)制數(shù)字表示用時(shí)間間隔相同的信號來表示一位二進(jìn)制或N進(jìn)制數(shù)字這個(gè)間隔稱為符號/碼元長度間隔內(nèi)的信號稱為符號/碼元(二進(jìn)制或N進(jìn)制)ABCD000110110123TtTt1Tt2-1Tt-2T2Tt1T