北郵通信原理課件A-1緒論

1、通信原理通信的發(fā)展通信是信息的傳輸通信是信息的傳輸以語(yǔ)言方式的通信人力、馬力及烽火臺(tái)以文字方式的郵政、報(bào)刊通信電氣時(shí)代的通信電報(bào)、電話和廣播信息時(shí)代的通信固定和移動(dòng)的綜合通信系統(tǒng)（話音、數(shù)據(jù)和圖象的分別傳輸走向融合）互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)電話通信網(wǎng)電電 話話 時(shí)時(shí) 代代話音通信為基礎(chǔ)，連接你我他互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)101210111010 109 108107消費(fèi)品 貨柜貨箱機(jī)器家電 手持機(jī)計(jì)算機(jī)物物 聯(lián)聯(lián) 時(shí)時(shí) 代代信息世界與物理世界的有機(jī)融合APIP 核心網(wǎng)RGWAPAPARWimaxDMB2G. 3G.4G.5G蜂窩網(wǎng)蜂窩網(wǎng)Pico-CellMicro-CellMacro-

2、CellMega-CellARHomeWLANAP異構(gòu) 無(wú)線 接入Linear-Cell家庭網(wǎng)絡(luò)PANAPAd-hocZigBeeBlueToothWi-Fi NFCUWBRFID通信技術(shù)一個(gè)完整的通信系統(tǒng)信源/發(fā)信者傳輸系統(tǒng)交換系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)信宿/收信者電路分組 ATM IP有線、無(wú)線、衛(wèi)星簡(jiǎn)介課程目標(biāo)：了解通信的基本概念和原理，適應(yīng)計(jì)算機(jī)與通信相融合的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)教材：通信原理（第7版） 樊昌信國(guó)防工業(yè)出版社參考書(shū)：通信原理（第7版）學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與考研指導(dǎo) ，曹麗娜，國(guó)防Communication Systems (4 Edition), S.Haykin&JohnWiley通信原理簡(jiǎn)明

3、教程，南利華等，清華現(xiàn)代通信原理，曹志剛，清華通信原理，周炯磐等，北郵預(yù)備知識(shí)：電子電路、數(shù)字電路、概率論與隨機(jī)過(guò)程考核方式：作業(yè)15%、小測(cè)驗(yàn)25%、期末考試60%作業(yè)：自覺(jué)獨(dú)立完成基于Matlab的演示實(shí)驗(yàn)：自愿學(xué)習(xí)課程主要內(nèi)容緒論確知信號(hào)分析隨機(jī)過(guò)程分析信道模擬調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)信源編碼差錯(cuò)控制編碼第一章緒論通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式信息及其度量信息及其度量主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)1.1 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型一、通信和通信系統(tǒng)的概念二、通信系統(tǒng)模型三、模擬通信與數(shù)字通信四、模擬通信系統(tǒng)五、數(shù)字通信系統(tǒng)六、數(shù)字通信的特

4、點(diǎn)一、通信和通信系統(tǒng)通信的目的通信的目的傳遞消息消息中所包含的信息信息。消息消息message：信息的物理表現(xiàn)，如：語(yǔ)音、圖像、音樂(lè)、數(shù)據(jù)信息信息information：消息中所包含的有效內(nèi)容信號(hào)信號(hào)signal：與消息相對(duì)應(yīng)的電量，是消息的物理載體通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)完成通信過(guò)程的全部設(shè)備和傳輸媒質(zhì)。通信系統(tǒng)舉例：電話系統(tǒng)、Internet二、通信系統(tǒng)模型噪聲源原始電信號(hào)消 信息源息受信者 消息原始電信號(hào)發(fā)送設(shè)備 傳輸 信道 傳輸接收設(shè)備信號(hào)信號(hào)發(fā)送端接收端三、模擬通信與數(shù)字通信 消息分：連續(xù)消息（模擬消息）消息狀態(tài)連續(xù)變化。如：語(yǔ)音、圖象離散消息（數(shù)字消息）消息狀態(tài)可數(shù)或離散。如：符號(hào)、文字、

5、數(shù)據(jù) 信號(hào)是消息的表現(xiàn)形式，消息被承載在電信號(hào)的某一參量上。因此信號(hào)分：模擬信號(hào)模擬信號(hào)電信號(hào)的該參量連續(xù)取值。如：普通電話機(jī)發(fā)的語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)電信號(hào)的該參量離散取值。如：計(jì)算機(jī)內(nèi)總線的信號(hào)模擬信號(hào)舉例模擬信號(hào)舉例基帶信號(hào)基帶信號(hào)(一般指未調(diào)制過(guò)的信號(hào))瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)無(wú)限，如語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)等。已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)(載波一般為正弦信號(hào))的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)無(wú)限。P M :F M :A M :語(yǔ)音：基帶信號(hào)的瞬時(shí)值狀態(tài)數(shù)有限。如計(jì)算機(jī).電報(bào)機(jī)等輸出的信號(hào)。已調(diào)信號(hào)的參數(shù)A.F.P狀態(tài)數(shù)有限。二 進(jìn) 制 代 碼二 電 平 信 號(hào)10tttt2 A S K2 F S K2 P S K數(shù)字?jǐn)?shù)字

6、信信號(hào)號(hào)舉舉例例模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以互相轉(zhuǎn)換。因此，任模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以互相轉(zhuǎn)換。因此，任何一個(gè)消息既可以用模擬信號(hào)表示，也可以用何一個(gè)消息既可以用模擬信號(hào)表示，也可以用數(shù)字信號(hào)表示。數(shù)字信號(hào)表示。信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)模擬通信系統(tǒng)；傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)數(shù)字通信系統(tǒng)。四、模擬通信系統(tǒng) 基帶信號(hào)基帶信號(hào)由消息轉(zhuǎn)化而來(lái)的原始模擬信號(hào)。信號(hào)的頻譜從零頻附近開(kāi)始。 已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)由基帶信號(hào)轉(zhuǎn)化來(lái)的，頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?hào)。又稱頻帶信號(hào)/帶通信號(hào)。要求：攜帶消息多，適合信道傳輸。 信道頻段舉例信道頻段舉例FM：87-108M，模擬電視：108M-550M；WiFi/藍(lán)牙：2.4G；GSM：900/1

7、800M,3G: 1800/1900/2000M模擬通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容是研究不同信道條件下不同的調(diào)制模擬通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容是研究不同信道條件下不同的調(diào)制解調(diào)方法。解調(diào)方法。信號(hào)受信者基帶信號(hào)信息源 基帶調(diào)制器已調(diào) 信道 已調(diào)信號(hào)信號(hào)噪聲源解調(diào)器五、數(shù)字通信系統(tǒng)噪聲源已調(diào)信號(hào)基帶數(shù)字序列信息源受信者模擬信號(hào)調(diào)制器信道解調(diào)器信 源編 碼器信 源解 碼器加密器解密器信 道編 碼器信 道解 碼器基帶數(shù)字信號(hào)基帶數(shù)字序列同 步系 統(tǒng)信源編/譯碼器模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)壓縮；提高傳輸效率加/解密器保密傳輸信道編/譯碼器差錯(cuò)控制，提高抗干擾能力調(diào)制/解調(diào)器傳輸、復(fù)用同步保證收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上步調(diào)一致以上各個(gè)功能

8、框可根據(jù)需要設(shè)置（同步必須有）。數(shù)字通以上各個(gè)功能框可根據(jù)需要設(shè)置（同步必須有）。數(shù)字通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容就是研究這些功能框的實(shí)現(xiàn)方信系統(tǒng)的主要內(nèi)容就是研究這些功能框的實(shí)現(xiàn)方法法。數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型信道噪聲號(hào)形基成帶器信信息源接收濾波器受信者六、數(shù)字通信的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，再生中繼，噪聲不積累傳輸差錯(cuò)可控，差錯(cuò)控制改善傳輸質(zhì)量支持各種消息的傳遞保密性強(qiáng)集成化，小型化代價(jià)：頻帶利用率低傳輸系統(tǒng)傳一個(gè)完整的通信系統(tǒng)信源/發(fā)信者輸系統(tǒng)信宿/收信者信道交信換系道統(tǒng)信道發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備1.2 通信系統(tǒng)的分類與通信方式一、通信系統(tǒng)分類二、通信方式一、通信系統(tǒng)分類按消息分：電報(bào)系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、圖象

9、系統(tǒng)按調(diào)制方式分：基帶傳輸、載波傳輸連續(xù)載波：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相脈沖載波：脈幅、脈寬、脈位按工作波段分：長(zhǎng)波、中波、短波、紅外媒質(zhì)上的信號(hào)分：模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)傳輸媒質(zhì)（信道）分：有線系統(tǒng)（架空明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜、光纖、波導(dǎo)）、無(wú)線系統(tǒng)（長(zhǎng)波、中波、短波、微波、衛(wèi)星）按復(fù)用方式分：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用二、通信方式按消息傳送的方向和時(shí)間分：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工發(fā)端信道收端發(fā)端信道收端收端發(fā)端發(fā)端收端收端發(fā)端信道信道二、通信方式（續(xù)）按數(shù)字信號(hào)的排列順序分：串序、并序按連接形式分：專線直通（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）、交換網(wǎng)絡(luò)（多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備1.3 信息及其度量通通信信的的

10、目的是傳遞信目的是傳遞信息息。信息可以被理解為消息。信息可以被理解為消息中中包包含含的的有有意義意義的的內(nèi)容內(nèi)容。當(dāng)當(dāng)?shù)玫玫降较⒑?，若事消息后，若事先先猜測(cè)消息中所描述的事件猜測(cè)消息中所描述的事件發(fā)發(fā)生生的的可可能能性越性越小小，則此消息的信息量越大，則此消息的信息量越大。信息量可以用消息所描述的事件發(fā)生的概率來(lái)描述。信息量可以用消息所描述的事件發(fā)生的概率來(lái)描述。信息量的定義等概率離散消息的信息量不等概離散消息的信息量連續(xù)消息的平均信息量信息量函數(shù)I=FP(x)的特征必然事件 P(x)=1， 信息量I為不可能事件 P(x)=0，小概率事件 P(x) 小，大概率事件 P(x) 大，信息量I為信

11、息量I信息量I0大小由若干獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，總信息量=各事件信息量之和，即FP(x1)P(x2)=FP(x1)+FP(x2)+一、信息量的定義設(shè)消息所代表的事件出現(xiàn)的概率為P(x)，則該消息所含的信息量I為：I = - log a P (x)a = 2單位：比特（bit）a = e單位：奈特（nit）a = 10單位：哈特萊二、等概率離散消息的信息量信源有M種消息，這M種消息獨(dú)立等概率出現(xiàn)，傳送M個(gè)消息中的一個(gè)，等價(jià)于傳送一個(gè)M進(jìn)制的碼元（波形）。一個(gè)M進(jìn)制碼元（波形）的信息量：I = - log 2 (1/M) = log 2 M (bit)一個(gè)二元碼的信息量 I = log 2 2 =

12、1 (bit)一個(gè)四元碼的信息量 I = log 2 4 = 2 (bit)三、不等概離散消息的信息量n設(shè)信源由n個(gè)符號(hào)組成，各個(gè)符號(hào)xi出現(xiàn)的概率為P(xi)，且獨(dú)立出現(xiàn)，則每一符號(hào)的平均信息量（信源的熵）為：H P(xi) log2 P(xi) (bit /符號(hào))i1當(dāng)各符號(hào)等概率（ P(xi) =1/n）時(shí)，信源熵值最大：Hmax= log2n (bit /符號(hào))設(shè)消息包含m個(gè)符號(hào)，該消息的信息量為：I = mH (bit)例題一信源由4個(gè)符號(hào)0，1，2，3組成，出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)。求消息20102013021300120321010032

13、1010023102002010312032100120210的信息量。解法一：按算術(shù)平均的方法，I 23log2 8 / 3 14 log2 4 13log2 4 7 log2 8 108(bit )I 108 / 57 1.89(b / 符號(hào))解法二：按統(tǒng)計(jì)平均的方法，即熵的概念8442 82 42 82 4I 57 H 108.64(bit )當(dāng)消息足夠長(zhǎng)時(shí)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際值，但計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單許多當(dāng)消息足夠長(zhǎng)時(shí)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際值，但計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單許多1 1 log1 1 logH 3 log3 1 log81 1.906(b / 符號(hào))四、連續(xù)消息的平均信息量f (x)連續(xù)消息出

14、現(xiàn)的概率密度f(wàn) (x)dxH1 f (x) loge1.4 主要性能指標(biāo)性能指標(biāo)有：有效性（速度）、可靠性（質(zhì)量）、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性等模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)一、模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)有效性指標(biāo)有效性指標(biāo)：?jiǎn)挝粫r(shí)間(帶寬)內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘俊？捎妙l帶利用率來(lái)衡量同樣的信源，傳輸帶寬越小，頻帶利用率越高同樣的信源，傳輸帶寬越小，頻帶利用率越高可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)：接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的均方誤差。對(duì)于加性噪聲系統(tǒng)，通常用輸出信噪比表示對(duì)于加性噪聲系統(tǒng)，通常用輸出信噪比表示。噪聲平均功率信噪比 信號(hào)平均功率二、數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)有效性指標(biāo)有效性指標(biāo)頻帶利用率頻帶利用率單位帶寬上可以

15、傳送的碼元速率或信息速率碼元速率RB：每秒傳送碼元的數(shù)目，波特率。單位：Baud。TB(s)為碼元寬度信息速率Rb：每秒傳送的信息量，比特率。對(duì)M進(jìn)制碼元 Rb= RB log2 M (bit/s)單位：b/s, bpsB RB (Baud / Hz)BRbb(b /(s Hz)TBRB 1 (Baud )二進(jìn)制代碼二進(jìn)制信號(hào)1001110010四進(jìn)制代碼四進(jìn)制信號(hào)1-13-31TB2TB2:二進(jìn)制代碼寬度TB4TB4:四進(jìn)制代碼寬度TB4=2TB2RB4=RB2/2例如，若TB2=1ms， 則RB2=1000B，RB4=500B，但Rb都是1000bps又如，若某八進(jìn)制系統(tǒng)的碼元速率RB為1

16、200B，則該系統(tǒng)的信息速率Rb為3600bit/s。二、數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)（續(xù)）可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)誤碼率誤碼率Pe：碼元被錯(cuò)誤接收的概率，即碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。誤信率Pb：傳輸每比特信息發(fā)生錯(cuò)誤接收的概率，即碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)單位時(shí)間內(nèi)接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)eP 單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)（總信息量）單位時(shí)間內(nèi)接收的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)（信息量）bP 誤碼率和誤信率之間的關(guān)系誤碼率和誤信率之間的關(guān)系對(duì)于二進(jìn)制而言，誤碼率和誤比特率顯然相等對(duì)于二進(jìn)制而言，誤碼率和誤比特率顯然相等而而M進(jìn)制信號(hào)的每個(gè)碼元含有進(jìn)制信號(hào)的每個(gè)碼元含有n=log2M比特，并且比特，并且一個(gè)特定的錯(cuò)誤碼元可以有一個(gè)特定的錯(cuò)誤碼元可以有(M-1)種不同的錯(cuò)誤樣式種不同的錯(cuò)誤樣式其中恰好錯(cuò)其中恰好錯(cuò)i比特的錯(cuò)誤樣式有比特的錯(cuò)誤樣式有個(gè)個(gè)i nCi nCi1M 12(M 1)M 1nnn1 1 i2 ME(n) E一個(gè)碼元中的比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)假假設(shè)設(shè)這這些些錯(cuò)錯(cuò)誤樣式以誤樣式以等等概概率出率出現(xiàn)現(xiàn)，則當(dāng)則當(dāng)一一個(gè)個(gè)