通信原理-第1章(緒論)課件

通信原理任通菊12/6/20231/87上課學時：56學時答疑地點：科B232(A)答疑時間：周二、周四下午2：30---4：0012/6/20232我命在我，不在天地。天助自助者。主動還是被動是成功與失敗的關鍵。梅花香自苦寒來。上好每堂課，做好每次作業(yè)。學會讀書，讀專業(yè)書，讀文學作品（修身養(yǎng)性）。從現(xiàn)在做起。12/6/20233參考書：《通信原理教程》樊昌信等電子工業(yè)出版社《通信原理簡明教程》南利平清華大學出版社《通信原理學習指導與題解》王福昌編著華中科技大學出版社《現(xiàn)代通信原理》曹志剛等清華大學出版社《通信原理》（合訂本）周炯槃等北京郵電大學出版社《數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)》LeonW.Couch著電子工業(yè)出版社12/6/20234第1章緒論12/6/20235現(xiàn)代信息社會中，充分利用與交流信息——通信通信原理——闡述通信及其系統(tǒng)的基礎理論、技術與分析方法。1.1通信的基本概念1.2歷史回顧1.3信源與常見的消息1.4信道1.5頻帶與電波傳播1.6數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)1.7通信網(wǎng)絡12/6/202361.1

通信的基本概念

12/6/20237

1.幾個術語

通信(communication)

通信就是溝通信息。

信息(information)我們感興趣的事物的狀態(tài)和狀態(tài)變化。消息(message)消息是信息的載體。

信號(signal)信號是消息的載體。12/6/20238信號波形的中心頻率及其帶寬。信號波形的功率和能量。信號波形的抗干擾能力如何？在發(fā)送端：產(chǎn)生該波形的代價如何？在接收端：檢測該波形的代價又如何？信號波形設計取決于如下幾個因素：12/6/202392.通信系統(tǒng)（communicationsystems）TransmitterReceiverChannel信源：一個換能器其他能量電能信宿:一個換能器電能其他能量原始信息信號原始信息信號通信系統(tǒng)——發(fā)送器，信道與接收器。InformationsourceInformationsink終端：1）信源——發(fā)信者2）信宿——接收者12/6/202310發(fā)送設備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換，它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始信息信號來。信道是指傳輸信號的物理媒質。有線和無線信道均有多種物理媒質。12/6/202311信道要強調的是在通信中，信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量就越大。通信系統(tǒng)中還存在噪聲，噪聲也是無法預知的，噪聲限制了通信的能力。12/6/202312摩爾斯電報系統(tǒng)——最古老的電信系統(tǒng)，傳送文字消息。誕生于1837年，以不同長度的聲音表示字符——電碼信號。電子系統(tǒng)——通過電信號來實現(xiàn)信息的傳遞術語：“通信”與“電信”。（communication）（telecommunication）12/6/202313兩種基本通信方式：廣播方式：信息同時送到多個收信者點—點方式：一個信源對一個收信者基于傳輸方向的特點：單工系統(tǒng)：只能沿一個固定方向傳輸信息。如，電視廣播中、遙測、遙控、無線尋呼雙工系統(tǒng)：能夠同時沿兩個方向傳輸信息。如，電話通信。半雙工系統(tǒng)：任何時候只能沿一個方向傳輸信息，但可以切換傳輸方向。如，對講機通信。

12/6/202314發(fā)端收端信道（1）單工系統(tǒng)（2）雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端信道（3）半雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端12/6/2023151.2

歷史回顧

（自學）12/6/202316要求：了解到200多年來通信的發(fā)展歷程：電報與電話通信的重要作用收音、電視廣播、衛(wèi)星通信、移動電話系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)數(shù)字化與網(wǎng)絡化過程信息論與通信理論的發(fā)展通信朝著數(shù)字化、寬帶化、網(wǎng)絡化、綜合化、移動與個人化方向發(fā)展12/6/2023171.3

信源與常見的消息

12/6/202318數(shù)字信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）數(shù)是有限的

如：計算機的輸出模擬信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）是連續(xù)變化的、數(shù)目無限的。1.3.1數(shù)字與模擬信源如：鍵盤。如：語音源。2.數(shù)字與模擬信源1.信息、消息與信號Digitalandanaloginformationsource如：漢字集。12/6/202319消息符號（messagesymbol）：數(shù)字消息的每一種狀態(tài)或者取值稱為一種消息符號消息符號集：數(shù)字消息源的所有狀態(tài)或者取值的集合如：具有N種取值的數(shù)字信源數(shù)字消息源:消息符號、消息符號集、數(shù)字消息序列（數(shù)字信號）12/6/202320數(shù)字消息序列：其中xm

取中N個值之一。圖1.3.1數(shù)字消息信號示例12/6/2023213.數(shù)字與模擬信源的基本指標符號速率：M元數(shù)字信源：指數(shù)字信源具有M種符號最基本的是二元數(shù)字信源：具有2種符號，可以用1位二進制編碼表示，稱為1bit.多元數(shù)字信源：如M元，可以用n位二進制編碼表示數(shù)字信源的基本指標:消息符號數(shù)字信源的元數(shù)：一般，12/6/202322例：假設計算機的終端鍵盤上有110字符，每個字符用二進制代碼組來表示。問每個字符需要用幾位二進制代碼?解:故需要7bits代碼來表示每個字符.12/6/202323習題1.1考慮手機短消息通信，以你自己或其他某人的經(jīng)驗，試估計（1）按鍵速率；（2）假定每個中文字符轉換為2字節(jié)表示，短消息的二元符號速率是多少？解：（1）經(jīng)過多次試驗，按鍵速率為2.03key/s（2）短消息的二元符號速率為12/6/202324模擬信源的基本指標:頻帶的寬度（赫或赫茲，Hz）

如：語音的音量電信號電信號12/6/202325(補充)

數(shù)字波形與模擬波形（傳輸波形）對于數(shù)字信源可以用二元（二進制）波形（信號）傳輸，也可以用多元（多進制）波形（信號）傳輸。數(shù)字波形：信號的傳信息的參量只取有限個值。二進制（binary）信號:1bit二進制代碼用一個脈沖傳，故在一個Ts時隙內傳兩種不同的脈沖之一.Ts：Timeslot12/6/202326例1：二進制波形（二電平波形）電平A和0抽象為符號和，兩個符號稱為二元（二進制）符號。符號周期或碼元寬度數(shù)字基帶信號信道符號頻譜在零頻附近12/6/202327多進制(M-ary)信號:n

bit二進制代碼用一個脈沖傳，在一個Ts時隙內傳M種不同的脈沖之一.一般，例2：4進制波形4個電平抽象為符號，4個符號稱為4元（4進制）符號。數(shù)字基帶信號符號周期或碼元寬度信道符號12/6/202328傳輸速率：比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)

單位:bits/sb/sbps符號速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖數(shù)（符號數(shù)）

單位:symbol/sBaudBdRb和Rs的關系:信道符號12/6/202329對于模擬信源模擬波形：信號的傳信息的參量的取值是連續(xù)變化的模擬波形在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。模擬波形經(jīng)過A/D變換變成數(shù)字波形，也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。12/6/202330數(shù)字消息——用離散型隨機變量描述N元消息源:數(shù)字消息序列——隨機序列1.3.2隨機信號與確定信號隨機性——信息對于接收者必須是新的，即事先未知的且無法預知的。數(shù)字信號（波形）——隨機波形12/6/202331模擬消息——用連續(xù)型隨機變量描述模擬消息信號是隨機過程x(t)，概率密度函數(shù)fx(t)(x)通信系統(tǒng)中的確定信號：正弦波與矩形脈沖等，用于協(xié)助傳送消息信號通信系統(tǒng)中常常傳送：12/6/2023321.3.3信息的度量單個消息的信息量

設:離散信源X蘊含的信息量為：消息攜帶的信息量的大小與消息出現(xiàn)的不確定程度有關。12/6/202333以2為底時單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）以e為底時單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）以10為底時單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）注意：對于單條消息，其pi越小，則Ii越大；Ii大小與消息的內容是否有實際意義無關12/6/2023343.信息速率（熵率）一個信源的信息速率為:其中:H為信源熵.

T

為發(fā)送一條消息的時間.

R

為每秒內發(fā)送的信息量從信息的角度看，熵與熵率是信源的基本指標。2.信源熵H(X)數(shù)字信源每個符號出現(xiàn)所帶來的平均信息量entropy12/6/202335例1.1二元消息源X1、X2與X3的取值概率為：

解：12/6/202336例1.2數(shù)字信源X—4元等概，Y—2元等概，求它們的熵。

解：12/6/202337例：計算信息速率。某電話鍵盤:0,1,…9,*,#，其中P[*]=P[#]=0.005，P[0]=P[1]=…=P[9]=0.099。如果按鍵速率為2keys/s,計算該信源的信息速率解:作業(yè)：1.21.41.612/6/202338（自學）要求：了解各種消息源的特點及基本指標12/6/202339模擬消息12/6/202340模擬消息12/6/202341模擬消息12/6/202342數(shù)字消息12/6/2023431.4

信道

12/6/202344信道——介于發(fā)信者與收信者之間，供消息信號經(jīng)過的通道，是傳輸電、電磁波或光信號的物理媒質。兩大類：（1）有線信道：普通導線、電話線、電纜、波導與光纖；（2）無線信道：大氣、真空與海水等。12/6/202345引入乘性噪聲1.4.1信道的影響1.加性噪聲——以相加的形式混入的噪聲。噪聲是隨機的，典型的為熱噪聲。其他干擾：1）自然界的干擾，如雷電等；2）人為干擾。2.信道的傳輸特性可能引起信號的畸變，使信號發(fā)生某種形式的失真。變參信道——參數(shù)特性是時變的，甚至是隨機變化的。12/6/2023461.4.2加性噪聲信道模型加性信道一般模型：加性高斯白噪聲信道（AWGN）——通常n(t)為熱噪聲，具有高斯白噪聲特性，功率譜密度值：，反映的是每Hz頻帶內噪聲的平均功率。12/6/202347全通濾波器:帶通濾波器:低通濾波器:理想信道模型:線性時不變系統(tǒng)12/6/202348（自學）要求：了解各種信道的特點及基本指標（帶寬）12/6/20234912/6/202350光纖有以下的一些獨特的優(yōu)點：頻帶寬，容量大：潛在帶寬可達Hz2.傳輸損耗低：無中繼傳輸幾百公里。3.光信號不受電磁干擾，抗噪聲好、保密性強。4.體積小、質量輕、易于使用；材料豐富、價格低廉。長途電話網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)中常用光纖作為其傳輸媒質。

12/6/20235112/6/20235212/6/20235312/6/2023541.5

頻帶與電波傳播

12/6/2023551.5.1頻帶的名稱頻帶——某個頻率范圍。頻率與波長關系：

信號的頻帶（帶寬）——信號的絕大部分能量或功率集中的頻率范圍。信道的頻帶（帶寬）——信道能傳送信號的頻率范圍。12/6/202356海底通信等調幅廣播等短波廣播等頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

12/6/202357頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

調頻廣播、電視廣播等微波通信、電視廣播、個人通信系統(tǒng)等光通信12/6/202358幾千赫以上的信號可以用于無線電通信，電波傳播特性主要由其頻率值決定。要有效地輻射電磁能量，天線的物理尺寸必須大于電磁波波長的1/10中頻、低頻、甚低頻3MHz以下1.5.2無線電波的傳播地波模式——電波沿地表面彎曲傳播的方式。較低頻率電波的主要傳播方式，如，MF的調幅(AM）廣播。12/6/202359天波模式——電波經(jīng)天空中的電離層反射而折回地面的傳播方式。HF（3~30MHz）電波主要以天波模式傳播。位于地面上方60~400km處D,E,F1,F2層12/6/202360電離層——大氣層中環(huán)繞地球的離子層?；疽?guī)律：白天由于太陽充足，D層濃度高，能大量吸收2MHz以下的電波；夜晚D層濃度低，電波可達F層，30MHz以下的電波反射回來。常見問題是多徑傳播，造成頻率選擇性衰落。12/6/2023612.也可以用于地面的視距傳播1.30M以上的電磁波向上傳播時會穿過電離層而不被反射回來，可以用于衛(wèi)星通信和外太空通信視線傳播模式——電波像光波作直線傳播的方式，是VHF及更高的頻率（30MHz以上）電波的主要工作模式。可用于衛(wèi)星和外太空通信。12/6/202362視距的計算：在地面應用時，地球表面的彎曲限制了傳播的距離。12/6/202363（自學）1.5.3無線頻譜及其管理無線信道是人類共有的自由空間，開放給所有發(fā)送與接收用戶的共享資源。為了維護秩序，協(xié)調通信應用，減少干擾，各個國家都建立了有關政府部門進行管理。國際機構為國際電信聯(lián)盟（ITU）負責，其前身是:國際電話與電報咨詢委員會（CCITT）和國際無線電咨詢委員會（CCIR）。12/6/202364FrequencyDivisionMultiplexing管理無線頻帶的基本方法1.5.4頻分復用（FDM）頻分復用——

多個信號錯開頻率位置共用頻帶的方法FDM這種思想也大量用在有線信道內。從FDM可見，帶寬是信道本質上的資源。12/6/2023651.6數(shù)字與模擬

通信系統(tǒng)

12/6/2023661.6.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)——信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)。信源調制器發(fā)射機信道接收機解調器信宿噪聲發(fā)送設備接收設備系統(tǒng)的核心：調制與解調單元?；鶐盘柣鶐盘?2/6/202367調制——借助于正弦載波形成頻帶信號：R(t)或θ(t)（或兩者同時）隨信息m(t)變化。調制：基帶信號頻帶信號modulation依據(jù)變化方式的不同，調制有各種制式，相應的帶寬與抗噪聲能力也不同。解調——調制的逆過程。解調：頻帶信號基帶信號demodulation調制解調器（modem）12/6/2023681.6.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)——信道中傳輸數(shù)字波形的通信系統(tǒng)。一個較為完善的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)：

基本的——白色實線框；可選的——灰色虛線框。12/6/202369收發(fā)兩端結構基本對稱，相應的單元彼此互逆。12/6/202370信道噪聲接收設備信源信宿格式化脈沖基帶調制發(fā)送設備信源編碼信道編碼加密頻帶調制發(fā)射機格式化脈沖基帶檢測信源譯碼信道譯碼解密頻帶解調接收機數(shù)字通信系統(tǒng)簡化模型信號處理信號處理基帶信號基帶信號12/6/202371發(fā)格式化：把來自信源的消息信號整理為二進制序列。收格式化：把收到的二進制序列還原為原始消息信號。格式化：對于模擬信源，格式化還包括A/D和D/A變換。

脈沖基帶調制和基帶檢測脈沖基帶調制:把二進制序列變換成二元或多元傳輸波形基帶檢測:把二元或多元傳輸波形還原為二進制序列。通過對基帶波形進行抽樣和判決實現(xiàn)。

同步單元為整個數(shù)字傳輸系統(tǒng)提供各種定時時鐘，使各個單元能夠正確、有序地工作。12/6/202372信源編碼和信源譯碼

信源編碼:為了改善傳輸效率（壓縮編碼）

信源譯碼:為了恢復原始信號，作相反的變換

信道編碼和信道譯碼

信道編碼:為了改善傳輸?shù)目煽啃裕ㄐ诺兰m錯編碼）

信道譯碼:為了恢復原始信號，作相反的變換

加密和解密

加密:為信息傳輸提供保密性

解密:作相反的變換12/6/202373數(shù)字通信系統(tǒng)(相比模擬系統(tǒng))突出的優(yōu)點：（1）信號狀態(tài)有限，抗干擾能力強，可實現(xiàn)低誤碼率。中繼再生可以避免噪聲積累，利于長距離傳輸；（2）由信道糾錯編碼技術可進一步降低誤碼率；（3）易于進行加密處理；（4）易于進行壓縮，以減少冗余度，提高信道利用率。（5）易于不同種類的信源數(shù)據(jù)，共用數(shù)字通信系統(tǒng)；（6）便于計算機與網(wǎng)絡通信；缺點：（1）通常需要更多的帶寬；（2）復雜的同步系統(tǒng)。12/6/202374characteristicsmeasure1.6.3通信系統(tǒng)的基本性能指標通信系統(tǒng)的基本性能指標：有效性——給定的時間內能傳輸?shù)男畔热莸亩嗌伲豢煽啃浴邮盏降男畔⒌臏蚀_程度。12/6/202375數(shù)字通信系統(tǒng)比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)單位:bits/sb/sbps符號速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖（信道符號）數(shù)單位:symbol/sBaudBd頻帶利用率：平均每赫茲所能提供的傳輸速率（bps/Hz）。B:數(shù)字波形的帶寬Rb:數(shù)字波形的bit率1.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性：傳輸速率：

碼元速率12/6/2023762.數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性：

誤比特率(BER):模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)的有效性——傳輸帶寬；模擬通信系統(tǒng)的可靠性——接收端輸出信號的信噪比（SNR）12/6/2023776.4信道的容量1.

信道容量C:

即能通無誤過信道的最大信息速率.香農(nóng)指出——信道有一個傳輸信息的“能力”，稱為信道容量，是無差錯傳輸?shù)乃俾噬辖纭?channelcapacity)12/6/2023782.香農(nóng)公式設:信道H(w)=1，BW=B信道帶寬為BHzAGWNN:信號帶寬內的噪聲功率則:揭示了通信系統(tǒng)的容量與帶寬、信號功率和噪聲功率之間的關聯(lián)。shannonformula12/6/2023793.香農(nóng)公式的意義其中:為信道三要素（1）當給定B、S/N時，信道的極限傳輸能力C（信道容量）即確定。如果信道實際的信息傳輸速率R小于或等于C時，此時能做到無差錯傳輸（差錯率可任意?。?。如果R大于C，那么無差錯傳輸在理論上是不可能的。12