通信原理-教學(xué)課件-1市公開課一等獎(jiǎng)百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課金獎(jiǎng)名師賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

通信原理國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院主講：唐朝京73401東堂75776箱：dongtangma@gfkd.mtn1/691課程介紹主要內(nèi)容：

信息傳輸基本理論和主要技術(shù)預(yù)修課程：電子線路、信號(hào)與系統(tǒng)、隨機(jī)信號(hào)分析等后續(xù)課程：

編碼理論、通信系統(tǒng)、無線通信等考評(píng)方式：

筆試（試驗(yàn)合格為前提）2/692學(xué)科基礎(chǔ)電路類課程信號(hào)與系統(tǒng)隨機(jī)信號(hào)分析與處理專業(yè)基礎(chǔ)通信原理專業(yè)課無線通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)保密通信信息安全信息論與編碼基礎(chǔ)基礎(chǔ)性、重要性對(duì)前修課程的要求對(duì)后續(xù)課程的支撐對(duì)個(gè)人專業(yè)發(fā)展的支持課程介紹3/693課時(shí)安排總課時(shí)56=44+4+8講授內(nèi)容安排講授課時(shí)試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)課時(shí)第1章緒論2第2章信道2第3章模擬調(diào)制系統(tǒng)4第4章模擬信號(hào)數(shù)字化8PCM和

M2第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)8HDB32第6章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)6DPSK、串行通信和FSK2第7章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)4第８章數(shù)字信號(hào)最正確接收6第９章同時(shí)原理4位同時(shí)2合計(jì)44+484/694教材“通信原理”（第6版）樊昌信、曹麗娜編著，國(guó)防工業(yè)出版社5/695參考書“當(dāng)代通信原理”曹志剛、錢亞生，清華大學(xué)出版社“當(dāng)代通信系統(tǒng)”R.Block，電子工業(yè)出版社“通信系統(tǒng)”

S.Haykin，電子工業(yè)出版社6/696第一章緒論２０１０年４月１２日7/697第一章緒論通信系統(tǒng)根本任務(wù)：克服距離上障礙實(shí)現(xiàn)有用信息快速準(zhǔn)確傳遞。通信系統(tǒng)基本技術(shù)要求：功率利用率高頻帶利用率高接收信噪比高傳輸錯(cuò)誤率低8/698第一章緒論軍事通信能力要求:立體覆蓋能力互聯(lián)互通能力寬帶傳輸、交換能力多業(yè)務(wù)綜合能力多功效綜合能力運(yùn)動(dòng)中通信能力保密與抗干擾能力9/699第一章緒論本課程學(xué)習(xí)關(guān)鍵點(diǎn)：著眼系統(tǒng)學(xué)原理著眼信號(hào)學(xué)原理著眼隨機(jī)性學(xué)原理10/6910第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)11/6911第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)12/69121.1通信基本概念烽火狼煙是中國(guó)古代一個(gè)主要通信方式利用驛站傳遞文書1837年莫爾斯電報(bào)發(fā)報(bào)收?qǐng)?bào)傳輸線1.1.1通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史通信技術(shù)是伴伴隨人類生產(chǎn)力發(fā)展而不停進(jìn)步。13/69131.1通信基本概念

話筒耳機(jī)1876年貝爾電話1864年麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波存在1887年赫茲試驗(yàn)證實(shí)了電磁波存在1.1.1通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史14/69141.1通信基本概念1896年無線電通信創(chuàng)造創(chuàng)造人：意大利人馬可尼（博洛尼亞大學(xué)）

、俄國(guó)人波波夫（圣彼得堡電子科技大學(xué)）二戰(zhàn)期間微波通信問世并得到廣泛應(yīng)用二十世紀(jì)六十年代衛(wèi)星通信出現(xiàn)七十年代光纖通信創(chuàng)造，蜂窩移動(dòng)通信出現(xiàn)1.1.1通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史15/6915圣彼得堡電子科學(xué)與技術(shù)大學(xué)波波夫試驗(yàn)室1.1通信基本概念16/6916圣彼得堡電子科學(xué)與技術(shù)大學(xué)波波夫試驗(yàn)室1.1通信基本概念17/6917圣彼得堡電子科學(xué)與技術(shù)大學(xué)波波夫試驗(yàn)室1.1通信基本概念18/69181.1通信基本概念1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)問世。1969年APARNET問世，隨之互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用快速發(fā)展。1.1.1通信技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史信息時(shí)代是因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)，并將伴隨通信技術(shù)深入發(fā)展而發(fā)展。19/6919一個(gè)半世紀(jì)以來人類通信能力增加示意圖

公里Ｘ每秒比特1.1通信基本概念20/69201.1通信基本概念1.1.2通信信息系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層次邏輯層次物理層次信號(hào)傳輸信息傳遞信息利用傳統(tǒng)意義上通信負(fù)責(zé)完成低兩層工作，分別表現(xiàn)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和網(wǎng)絡(luò)化通信。信號(hào)傳輸是通信基礎(chǔ)技術(shù)。21/69211.1通信基本概念1.1.2通信信息系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)三類主要設(shè)備：傳輸、交換、終端。網(wǎng)絡(luò)中全部設(shè)備按照通信協(xié)議要求而協(xié)調(diào)工作。終端交換中繼傳輸用戶線傳輸名詞辨析：通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)示意圖22/6922第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)23/6923通信系統(tǒng)：傳輸信息所需技術(shù)設(shè)備總和。噪聲信道信源信宿傳輸媒介發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備通信系統(tǒng)普通模型產(chǎn)生或發(fā)出消息人或機(jī)器接收消息人或機(jī)器

將信源產(chǎn)生消息信號(hào)變換成便于傳送形式從帶有干擾接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始信號(hào)1.2.1通信系統(tǒng)普通模型1.2通信系統(tǒng)組成24/69241.2通信系統(tǒng)組成信源信源即信息發(fā)送源。信息經(jīng)過信號(hào)承載。信源信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：特征量取值連續(xù)信號(hào)(幅度、頻率或相位)數(shù)字信號(hào)：特征量取值離散信號(hào)(幅度、頻率或相位)1.2.1通信系統(tǒng)普通模型25/69251.2通信系統(tǒng)組成連續(xù)信號(hào)tf(t)tf(nt)抽樣信號(hào)模擬信號(hào)波形模擬信號(hào)特征量取值連續(xù)信號(hào)數(shù)字信號(hào)波形f(t)031231多進(jìn)制碼t3210數(shù)字信號(hào)特征量取值離散信號(hào)110010二進(jìn)制碼tf(t)101.2.1通信系統(tǒng)普通模型26/69261.2通信系統(tǒng)組成發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備功效是將信源和傳輸媒介匹配起來，將信源產(chǎn)生信號(hào)變換為便于發(fā)送形式。發(fā)送包含基帶傳輸和頻帶傳輸（帶通傳輸）兩種方式。

頻帶傳輸不但可用于無線通信，也大量用于有線通信。頻帶傳輸必須先經(jīng)過調(diào)制。1.2.1通信系統(tǒng)普通模型27/69271.2通信系統(tǒng)組成

實(shí)際應(yīng)用重點(diǎn)：數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸。1.2.1通信系統(tǒng)普通模型基帶傳輸與頻帶傳輸示意圖28/69281.2通信系統(tǒng)組成信道從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過媒介。信道分為無線信道和有線信道。信道特征及其引入噪聲直接關(guān)系到通信質(zhì)量。接收設(shè)備完成發(fā)送設(shè)備反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等等。1.2.1通信系統(tǒng)普通模型29/6929通信系統(tǒng)依據(jù)所傳信息信號(hào)表示形式，可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)——利用模擬信號(hào)傳輸信息系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)——利用數(shù)字信號(hào)傳輸信息系統(tǒng)。1.2通信系統(tǒng)組成1.2.1通信系統(tǒng)普通模型名詞辨析：模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)：特征量取值連續(xù)信號(hào)(幅度、頻率或相位)數(shù)字信號(hào)：特征量取值離散信號(hào)(幅度、頻率或相位)30/6930信源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信宿噪聲調(diào)制解調(diào)信

道信道低噪放大功率放大調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相1.2通信系統(tǒng)組成1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型31/69311.2通信系統(tǒng)組成1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備32/69321.2通信系統(tǒng)組成1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型調(diào)制：用基帶信號(hào)對(duì)載波信號(hào)特定參數(shù)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)有用信息寄載，并將基帶信號(hào)頻譜搬移到適當(dāng)頻段以適應(yīng)信道傳輸。信源編碼：提升信息傳輸有效性，壓縮信源中信息冗余度。對(duì)于模擬信源，還要先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信道編碼：提升信息傳輸可靠性，發(fā)端按特定規(guī)則加入保護(hù)碼元，收端進(jìn)行對(duì)應(yīng)譯碼，以糾正傳輸過程中引入錯(cuò)誤。名詞辨析：傳輸調(diào)制與中間調(diào)制。33/69331.2通信系統(tǒng)組成數(shù)字通信主要優(yōu)點(diǎn)：1、抗干擾能力強(qiáng)，噪聲不積累2、易于采取糾錯(cuò)編碼控制傳輸差錯(cuò)3、易于加密處理，且保密度高4、便于處理、變換和存放5、易于集成，方便小型化數(shù)字通信主要不足：１、數(shù)據(jù)率高２、同時(shí)要求高３、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型34/69341.2通信系統(tǒng)組成數(shù)字通信包括主要技術(shù)：信源編碼與解碼技術(shù)：預(yù)測(cè)編碼，變換編碼加密與解密技術(shù)：對(duì)稱密鑰體制，公鑰體制信道編碼與解碼技術(shù)：BCH，TURBO，LDPC調(diào)制與解調(diào)技術(shù)：FSK，PSK，QAM多路復(fù)用技術(shù)：頻分復(fù)用，時(shí)分復(fù)用定時(shí)與同時(shí)技術(shù)：載波同時(shí)，位同時(shí)，網(wǎng)同時(shí)1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型35/69351.2通信系統(tǒng)組成1.2.4通信系統(tǒng)中復(fù)接與同時(shí)復(fù)接與分接復(fù)接是將多路（基帶）信號(hào)集中為一路，方便于統(tǒng)一傳輸，又稱為多路復(fù)用。分接是其逆過程。復(fù)接對(duì)象能夠是單路信號(hào)，也能夠是已經(jīng)過復(fù)接群路信號(hào)。復(fù)接調(diào)制信道解調(diào)分接36/69361.2通信系統(tǒng)組成1.2.4通信系統(tǒng)中復(fù)接與同時(shí)復(fù)接與分接單路信號(hào)復(fù)接主要有頻分復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing)和時(shí)分復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing)。37/69371.2通信系統(tǒng)組成1.2.4通信系統(tǒng)中復(fù)接與同時(shí)群路信號(hào)（數(shù)字）復(fù)接包含同時(shí)數(shù)字系列（SDH）與準(zhǔn)同時(shí)數(shù)字系列（PDH）兩種形式。群路信號(hào)復(fù)接主要用于光纖、微波等高速數(shù)字通信系統(tǒng)中。復(fù)接與分接38/69381.2通信系統(tǒng)組成1.2.4通信系統(tǒng)中復(fù)接與同時(shí)同時(shí)同時(shí)是通信系統(tǒng)尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)最主要基礎(chǔ)技術(shù)之一。同時(shí)包含載波同時(shí)、位同時(shí)、群同時(shí)和網(wǎng)同時(shí)等幾個(gè)。39/69391.2通信系統(tǒng)組成1.2.4通信系統(tǒng)中復(fù)接與同時(shí)同時(shí)載波同時(shí)是在接收端取得與發(fā)送載波同頻同相振蕩信號(hào)，用于相干解調(diào)。位同時(shí)是從已解調(diào)信號(hào)中提取出碼元時(shí)鐘，用于恢復(fù)基帶數(shù)字碼元。群同時(shí)用于從碼元序列中正確地界定出特定分幀。網(wǎng)同時(shí)用于為大規(guī)模數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一高精度碼元時(shí)鐘基準(zhǔn)。40/6940第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)41/69411.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類按通信業(yè)務(wù)分有：電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)、多媒體通信系統(tǒng)。按是否采取調(diào)制分有：基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸（帶通傳輸）系統(tǒng)。按傳輸媒質(zhì)分有：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。當(dāng)前有線通信以光纖通信為主；無線通信以無線電通信為主。42/69421.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類按工作波段，無線電通信又可分為：長(zhǎng)波通信、短波通信、超短波通信、微波通信等系統(tǒng)。按接入方式，無線電通信又可分為：頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址等系統(tǒng)。（容量不一樣）按頻帶利用方式，無線電通信又可分為：定頻窄帶通信、跳頻通信、擴(kuò)頻通信等系統(tǒng)。

跳頻通信與擴(kuò)頻通信含有較強(qiáng)抗有意干擾能力，是軍事通信主要伎倆。43/6943fLfH慢速跳頻通信即可反抗定頻干擾跳頻信號(hào)干擾信號(hào)1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類跳頻通信是收發(fā)雙方按照偽隨機(jī)規(guī)律快速改變發(fā)射和接收頻率以躲避敵方干擾無線通信技術(shù)。

44/6944fLfH工作時(shí)間工作頻率1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式跳頻信號(hào)干擾信號(hào)快速跳頻通信可反抗跟蹤式干擾45/69451.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類擴(kuò)頻（直擴(kuò)）是用速率比信息碼高得多偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼改造發(fā)送信號(hào)，使發(fā)射信號(hào)頻譜大大展寬，在接收端經(jīng)過對(duì)應(yīng)解擴(kuò)處理恢復(fù)原始信息、同時(shí)抑制干擾信號(hào)通信技術(shù)。46/6946普通窄帶系統(tǒng)頻率幅度fc發(fā)送端窄帶信號(hào)頻譜接收信號(hào)頻譜頻率幅度fc窄帶信號(hào)頻譜擴(kuò)頻通信系統(tǒng)頻率幅度fc擴(kuò)頻后發(fā)送信號(hào)頻譜擴(kuò)頻處理頻率幅度fc接收信號(hào)頻譜解擴(kuò)處理頻率幅度fc恢復(fù)發(fā)送端窄帶信號(hào)47/6947頻率幅度fc解擴(kuò)后信號(hào)頻譜存在窄帶干擾時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)頻率幅度fc窄帶信號(hào)頻譜頻率幅度fc擴(kuò)頻后發(fā)送信號(hào)頻譜擴(kuò)頻處理解擴(kuò)處理頻率幅度fc疊加干擾干擾信號(hào)頻譜頻率幅度fc接收信號(hào)頻譜經(jīng)濾波可濾除大部分干擾能量而保留有用信號(hào)能量，使系統(tǒng)在強(qiáng)干擾存在時(shí)仍能正常工作。48/69481.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)分類擴(kuò)頻（直擴(kuò)）是用速率比信息碼高得多偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼改造發(fā)送信號(hào)，使發(fā)射信號(hào)頻譜大大展寬，在接收端經(jīng)過對(duì)應(yīng)解擴(kuò)處理恢復(fù)原始信息、同時(shí)抑制干擾信號(hào)通信技術(shù)。廣義地講，跳頻也屬于擴(kuò)頻通信范圍。49/69491.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2主要通信方式按消息傳送方向與時(shí)間分單工通信消息只能單向傳輸通信工作方式廣播、遙控、無線尋呼等半雙工通信通信雙方都具備收發(fā)能力，但收發(fā)不能同時(shí)工作單條信道全雙工通信（FullDuplex）收發(fā)雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向消息傳輸方式需雙向信道TD-SCDMA（TD：Time-divisionDuplex）50/69501.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2主要通信方式按數(shù)據(jù)代碼排列方式分并行傳輸：速度快，但多個(gè)并行信道成本高；串行傳輸：速度慢，但只需單個(gè)信道。并行傳輸不但可用于基帶傳輸系統(tǒng)，還可用于頻帶傳輸系統(tǒng)中，如多載波調(diào)制（ＭＣＭ）。其中最主要技術(shù)是正交頻分復(fù)用ＯＦＤＭ。51/69511.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2主要通信方式特點(diǎn)：以增加處理運(yùn)算量為代價(jià)，采取多個(gè)信道傳輸，大大降低了每個(gè)子信道碼元傳輸速率，可有效抵抗信道干擾，降低傳輸差錯(cuò)率。52/69521.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2主要通信方式ＯＦＤＭＦＤＭ當(dāng)滿足一定條件，ＯＦＤＭ各子載波相互正交，在接收端能完全區(qū)分，從而可正確解調(diào)。ＯＦＤＭ系統(tǒng)含有很高頻帶利用率。53/69531.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.2主要通信方式ＯＦＤＭ系統(tǒng)框圖：54/6954第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)55/6955內(nèi)涵載體載體載體傳輸內(nèi)涵1.4信息及其度量1.3.2消息、信號(hào)和信息消息是一組有序符號(hào)序列（文字、語音、圖像等）信號(hào)是消息詳細(xì)表現(xiàn)形式（聲、光、電等信號(hào)）信息是消息中包含某種有意義抽象東西。56/6956消息中包含信息量與消息出現(xiàn)概率之間關(guān)系應(yīng)反應(yīng)以下規(guī)律：消息中所含信息量是出現(xiàn)該消息概率函數(shù)，即：消息出現(xiàn)概率越小，它所含信息量越大；反之信息量越小，且當(dāng)時(shí)，;“廢話少說！”若干個(gè)相互獨(dú)立事件組成消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量和，即：1.4信息及其度量1.3.2信息度量57/69571.4信息及其度量

基于上述考慮，哈萊特首先提出采取消息出現(xiàn)概率對(duì)數(shù)作為該消息攜帶信息量。I：消息x所攜帶信息量P(x)：該消息發(fā)生概率信息量單位：

對(duì)數(shù)底為2→比特(bit)對(duì)數(shù)底為e→奈特(nat)對(duì)數(shù)底為10→哈特(十進(jìn)制單位)58/6958例

已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號(hào)，若“0”出現(xiàn)概率為1/2，求信源輸出“1”信息量。1.4信息及其度量假如一個(gè)離散信源是由n個(gè)符號(hào)組成集合，符號(hào)集中每一個(gè)符號(hào)在消息中是以一定概率出現(xiàn)，即:

每個(gè)符號(hào)所包含信息量分別為59/69591.4信息及其度量信源X中每個(gè)符號(hào)所包含信息量統(tǒng)計(jì)平均值即平均信息量為：

與熱力學(xué)中熵形式相同，故通常又稱之為信息源熵，記作H(x)，單位為bit/符號(hào)。對(duì)于離散信源，當(dāng)各信源符號(hào)等概分布時(shí)，信源熵最大。60/69601.4信息及其度量例：一個(gè)信息源由4個(gè)符號(hào)0，1，2，3組成，它們出現(xiàn)概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)都是相互獨(dú)立。試求某個(gè)消息0213001203210100321010023100103210010信息量。解：此消息共57個(gè)符號(hào)，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次。其中：出現(xiàn)0信息量為23log28/3=33bits出現(xiàn)1信息量為14log24=28bits出現(xiàn)2信息量為13log24=26bits出現(xiàn)3信息量為7log28=21bits

故該消息總信息量為：I=33+28+26+21=108bits該信源平均信息量為：61/6961第一章緒論1.1通信基本概念1.2通信系統(tǒng)組成1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)62/6