通信原理第1章- 绪论讲解

通信原理与系统,张 涛 信息学院 13637550990 awgcn,2,关于本课程,通信原理为专业技术基础课程，要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能；在此基础上，研究通信系统的设计，了解通信发展方向 先修课程：信号与系统、概率论与随机过程等 学习方式：课堂教学/课后作业 考试方式：笔试，闭卷 成绩评定：70%期末 + 30%平时,3,使用教材,樊昌信等编，通信原理，第5/6版，国防工业出版社,4,主要参考书,周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication Systems (5th or 6th Edition). 清华大学出版社（影印版：数字与模拟通信系统） Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业出版社（影印版：通信系统） J.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社（影印版：数字通信）,5,课程的基本内容,绪论 随机信号分析 信道 模拟通信系统 数字信号的基带传输 数字信号的频带传输(正弦载波调制系统) 模拟信号的数字传输 数字信号的最佳接收 差错控制编码 同步原理,6,第一章 绪论,什么是通信？ 通信的发展简史 通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标,7,1. 什么是通信?,通信：交流，传递消息；信息的传输与交换 信息是要表示和传送的对象. 消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不确定性，即有效(有用)的东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性. 信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。通信系统中传送的是信号. 通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一方 信息是一种资源，其最大特点是能够流通、共享和重复使用；通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应,8,2. 通信的发展简史,18世纪，提出用电流进行通信的设想 1838年，F.B. Morse 发明有线电报 1864年，J.C. Maxwell提出电磁辐射方程 1876年，A. G. Bell 发明电话 1896年，G. Marconi发明无线电报 1901年，横跨大西洋的无线通信成功 1906年，Lee deForst 发明真空管 1918年，E.H. Armstrong发明AM广播，超外差接收机 1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通信,9,1936年，E. H. Armstrong发明FM广播 1937年，A. Reeves发明PCM调制原理 1938年，电视广播开始 1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展 1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表通信的数学理论 1950年，时分多路通信应用于电话 1953年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路) 1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星,2. 通信的发展简史,10,1958年，发明第一块集成电路 1961年，FM立体声广播开播 1964年，第一台全电子电话系统问世 1972年，Motorola发明蜂窝电话 1976年，个人PC问世 1989年，“便携式”蜂窝电话问世 1990，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展,2. 通信的发展简史,11,3. 通信系统的组成,通信系统模型,信息源,信息源(发终端)：把消息转换成原始电信号 发送设备：对原始信号完成某种变换，使之适合于信道传输 接收设备：从接收信号中恢复出原始信号，发送设备的逆变换和克服噪声的干扰 受信者（收终端）：将复原的原始信号转换成相应的消息 噪声源：信道中及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示,12,模拟通信和数字通信 模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像 数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据 模拟信号：载荷消息的电参量连续取值 数字信号：载荷消息的电参量离散取值 模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话 数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报,3. 通信系统的组成,13,模拟通信系统模型,模拟信息源,模拟通信强调已调参量与基带信号成比例,3. 通信系统的组成,14,数字通信系统模型,1、差错原则上可控（差错控制编码）； 2、需要保密时可进行加密； 3、数字信号单元(码元)按节拍传送，要求收发节拍一致-同步:位同步、符号同步、帧同步，群同步,3. 通信系统的组成,15,数字通信系统模型,数字通信强调已调参量与基带信号的一一对应,3. 通信系统的组成,16,基带数字通信系统模型,3. 通信系统的组成,17,数字通信的优点： 抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，传输性能好； 便于处理和管理，便于传输和交换 便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能网； 便于集成化，从而使通信设备微型化； 便于加密处理，且保密程度高。 数字通信的缺点： 频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量的一路数字电话：20-60KHz。 对同步要求高，系统设备比较复杂。,3. 通信系统的组成,18,两种应用 利用数字通信系统传送模拟消息 A/D，D/A变换，例如电话 利用模拟通信系统传送数字信号 加装数字终端，例如调制解调器,3. 通信系统的组成,19,4.1 通信系统的分类,根据信号特征 模拟通信系统 数字通信系统 根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等 根据调制方式 基带传输：周期性脉冲序列作为载波 频带传输：正弦型载波 根据传输媒介 有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤 无线传输,20,无线电(9KHz400GHz),红外线,紫外线,可见光,微波(300MHz300GHz),Hz,21,根据信号复用方式 频分复用(FDM)（频谱搬移）,时分复用(TDM) （抽样或脉冲调制）,码分复用(CDM)（码组）,FDM: 模拟和数字通信 TDM和CDM：数字通信,22,4.2 点到点的通信方式,按消息传送方向与时间关系 单工：消息只能单向传输，如遥测、遥控、寻呼 半双工：通信双方都能收发消息，但不能同时无线电对讲机(同一载频) 全双工通信：电话,23,按数字信号的码元排列方法 串行传输：数字信号码元序列按时间顺序，远距离数字通信 并行传输：数字信号码元分路，同时传输，近距离数字通信,24,5 信息及其度量,信息：消息中所含有的特定内容 信息的度量：信息量 信息量与消息的种类、特定内容及重要程度无关。信息量仅与消息中包含的不确定度有关，即消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈小，则此消息所含的信息量愈大。如果消息发生的概率趋于零（不可能事件），则它的信息量趋于无穷大；如果消息发生的概率为1（必然事件），则此消息所含的信息量为零。,25,概括： 1、信息量与消息的种类及重要程度无关； 2、事件发生的不确定程度越大，信息量越大。 3、消息 x 中所含信息量 I 与消息出现概率 P(x) 关 系：I (x) = I P(x) P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I = 4、若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和 I (x1 , x2 , ) = I (x1) + I(x2) +,26,在信息论中，消息所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)的关系式为：,I（信息量）代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有的信息量。 信息量的单位由对数底的取值决定。 对数以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）；以e为底时单位是“奈特”（natnature unit的缩写）；以10为底时单位是“哈特莱”（Hart Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。,27,若干互相独立事件构成的消息所含信息量等于各独立事件信息量之和,28,5.1 离散消息的度量,各符号 x1 x2 xn 所包含的信息量分别为,设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且,每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)为,29,信息源的最大熵 如果各符号x1 x2 xn等概出现，即P(xi)=1/n，则有,结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时,用平均信息量计算消息的信息量 若消息传送的符号总数为m，则 I = m H(x) (bit) 例信息源由独立等概的符号0, 1组成，n = 2, H(x)=1bit/符号，符号数与比特数相等。,30,例1.4.1 一信息源由四个符号0, 1, 2, 3组成，它们出现的概率分别为3/8, ¼, ¼, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息201020130(57个符号：023, 114, 213, 37)的信息量。,方法一：,方法二：,31,5.2 连续消息的度量 连续信源的熵是一个相对熵(比多出的相对量)，而离散信源的熵是一个绝对熵,连续信源的熵不具有非负性,32,6. 主要性能指标,设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。,33,有效性：指消息传输的“速度”问题，即在给定的信道内能够容纳多大的信息量，或允许传输多高的信息率(考虑单位时间、单位带宽)。 可靠性：指消息传输的“质量”问题，即信息传输的准确程度。 根据信息论观点，通信系统的有效性和可靠性常常是一对矛盾。也就是说有效性很高的通信系统往往带来可靠性不足的缺点；或者是保证了很高的可靠性，但导致有效性的降低。可靠性是矛盾的主要方面，即发送消息在接收端的准确还原。 形成矛盾的根本原因：信道不理想 带宽、时间受限 噪声和干扰,34,6.1 模拟通信系统的性能指标 有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。 可靠性：均方误差（衡量发送的模拟信号与接收端复制的模拟信号之间误差程度）, 越小，说明复制的信号越逼真。 在今后的讨论中，主要研究加性干扰的影响 输出信噪比(仅考虑加性干扰)：均方误差大小完全取决于接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比(SNR) 电话：SNR 40dB, 话音清晰度 95% 电视：SNR = 4060dB,35,离散数字信号的表示： 离散信源的 N = 2k 种可能状态可以用 k 位二进制数字或一位 N 进制数字表示 用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或 N 进制数字 这个间隔称为符号/码元长度 间隔内的信号称为符号/码元(二进制或 N 进制),AB C D,00 01 10 11,0 1 2 3,36,6.2 数字通信系统的性能指标 传输速率和差错率 符号(码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单位为“波特”(baud或B)，又称传码率 信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为“比特/秒”(bit/s)、bps，又称传信率 符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为Rs，信息速率为Rb，每个符号有 N 种可能状态，则有,Rb Rs log2 N (bit/s) Rs Rb /log2 N (baud),频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hz或Baud/Hz,37,误符号率(误码率) ：符号在传输系统中被传错的概率,误比特率(误信率)：符号信息量在传输系统中被丢失的概率,38,思考题和作业,什么是通信？通信的目