通信原理教案-ch1-緒論辯析

1、系 部： 信電學(xué)院任課教師： 課時安排： 理論4課時課題第1章 緒論課型新知課教學(xué)目標(biāo)1.本書內(nèi)容簡介、重點、教輔書籍、考核方式。2.使學(xué)生了解通信的發(fā)展歷史與發(fā)展前景，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。3.講述通信系統(tǒng)的構(gòu)成，包括香農(nóng)模型、數(shù)字通信系統(tǒng)模型、模擬通信系統(tǒng)模型，已及通信網(wǎng)的構(gòu)成。4.給出通信系統(tǒng)有效性與可靠性的目標(biāo)，介紹熵、帶寬、波特率、比特率、頻譜效率、誤符號率、誤比特率、信噪比(功率信噪比、歸一化信噪比)的基本概念。重點1 通信系統(tǒng)的構(gòu)成，數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)成、模擬通信系統(tǒng)構(gòu)成2 有效性：帶寬、頻譜效率及其相關(guān)物理量，熵、波特率、比特率3 可靠性：信噪比、誤碼率(誤比特率、誤符號率)難點1 培養(yǎng)學(xué)

2、生的學(xué)習(xí)興趣2 區(qū)分通信系統(tǒng)的不同模型的適用范圍與內(nèi)部基本功能模塊間的關(guān)系3 區(qū)分模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性與可靠性參數(shù)4 掌握熵的計算、兩種信噪比間的換算教學(xué)手段、方法理論講解教具教學(xué)過程1.課程簡介與教學(xué)要求1.1 課程簡介1.講授內(nèi)容：主要講授通信的基本原理，以點對點的數(shù)字傳輸理論和技術(shù)為主。主要內(nèi)容包括(隨機(jī)信號分析)、傳輸信道、模擬調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸、模擬信號數(shù)字化、正弦載波數(shù)字調(diào)制、最佳接收理論、差錯控制、同步原理等。2.教材：樊昌信 等，人民郵電出版社3.參考教材：參考教材：曹志剛，錢亞生，現(xiàn)代通信原理，北京：清華大學(xué)出版社， 1992；樊昌信 等，通信原理，第六版，北京

3、：國防工業(yè)出版社，2006。4.先修課程要求：高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、概率論、通信電子線路、信號與系統(tǒng)、 (隨機(jī)信號分析)5.對教材講授內(nèi)容的說明：(1)第2章信號分析確知信號部分在信號與系統(tǒng)課程中有詳細(xì)講授，不深入講解。信號的時域分析和頻域分析方法是必須掌握的基本理論知識，在本課程和其他后續(xù)課程都會大量運(yùn)用。隨機(jī)信號多在先修課程隨機(jī)信號分析中詳細(xì)講授，亦不深入講解，如未講這里作簡要講解。隨機(jī)信號分析同確知信號分析有密切聯(lián)系，但又有其自身特點概率統(tǒng)計特性。主要內(nèi)容：隨機(jī)過程數(shù)字特征、平穩(wěn)與各態(tài)歷經(jīng)、相關(guān)函數(shù)、功率譜、通過線性系統(tǒng)、窄帶隨機(jī)過程等。在本課程中的主要應(yīng)用：噪聲分析、通信系統(tǒng)差錯特性分析

4、。(2)第8章差錯控制在后續(xù)課程編碼技術(shù)中深入講授。差錯控制編碼已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。(3)第9章同步原理同步原理的深入會涉及到不少鎖相環(huán)知識，在鎖相與頻率合成課程深入講授。1.1.2 課程重要性1. 課程重要性 專業(yè)基礎(chǔ)課程，是由基礎(chǔ)進(jìn)入實用的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)，是畢業(yè)后進(jìn)入工作的一道橋梁。 承前啟后：是前面所學(xué)基礎(chǔ)知識的總檢驗和應(yīng)用，是后續(xù)通信工程專業(yè)課程的先修基礎(chǔ)。2. 課程目標(biāo)充分理解、熟練掌握教材的內(nèi)容。熟練掌握基本的數(shù)學(xué)概念和定理。熟練掌握通信與信息工程中基本研究對象的數(shù)學(xué)描述。通過學(xué)習(xí)和習(xí)題練習(xí)，具備一定的解決問題分析問題的能力。掌握一定的科學(xué)思想方法。3. 學(xué)習(xí)要求 課前：

5、課前要對將講到的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，明確哪些是自己明白的，哪些是自己還不懂的。涉及到以前所學(xué)知識時，要勤于翻書，復(fù)習(xí)鞏固以前所學(xué)知識。 課上：帶著問題認(rèn)真聽講，在課堂上注意學(xué)習(xí)解決問題的思路。注意嚴(yán)格執(zhí)行課堂紀(jì)律，不得遲到、早退、缺課，上課時請關(guān)閉手機(jī)。 課后：課后認(rèn)真復(fù)習(xí)消化、鞏固所學(xué)知識。作業(yè)是對所學(xué)新知識掌握程度的檢驗和考核，是對知識的進(jìn)一步深化，一定要認(rèn)真獨立完成。對不明白之處要多提問，不要聽之任之。經(jīng)常進(jìn)行階段復(fù)習(xí)。注意作業(yè)不得用紙片信紙之類，必須使用作業(yè)本，逾期未交的作業(yè)及紙片做的作業(yè)恕不批改。1.1.3 考核方式平時成績占15%，實驗成績占15%，期終考試成績占70%。2. 緒論2.1

6、 通信與通信系統(tǒng)的一般概念1. 通信：傳輸與交換消息的過程。專業(yè)術(shù)語解釋：通信是在傳輸媒體上 (即信道 Channel)將信息 (Information)由一點 (發(fā)信方)傳輸?shù)搅硪稽c (收信方)的過程。顯然由于通過存在噪聲和干擾的信道，收信方無法完全準(zhǔn)確再現(xiàn)原始信息。2. 電通信：用電信號攜帶所要傳遞的消息，然后經(jīng)過各種電信道進(jìn)行傳輸與交換，以達(dá)到通信的目的。 3. 通信系統(tǒng)：為完成通信任務(wù)所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的總體。 4. 需要解決的概念問題1. 信息是什么？與信息有何差別？信息消息2. 用電信號傳輸信息，電信號形式？如何攜帶信息？3. 如何對抗噪聲和干擾 = 抗干擾技術(shù)4.

7、 適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞?，保證：大的信息容量、安全可靠、遠(yuǎn)距離2.2 通信系統(tǒng)的組成 1. 信源：原始信號的來源，其作用是將消息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。(如電話機(jī)、話筒、攝像機(jī)、計算機(jī)以及各種數(shù)字終端設(shè)備) 2. 發(fā)送設(shè)備：對原始電信號進(jìn)行各種處理和變換，使它變換成適合于信道中傳輸?shù)男问健?調(diào)制、放大、濾波及數(shù)字發(fā)送設(shè)備中的編碼功能等) 3. 信道(傳輸媒介)：發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號的媒介(有線和無線兩大類) 4. 接收設(shè)備：對接收的信號進(jìn)行處理和變換，以便恢復(fù)出對應(yīng)于發(fā)送端的原始信號(放大、濾波、解調(diào)及數(shù)字接收設(shè)備中的譯碼等功能) 5. 信宿(收信者)：原始信號的最終接收者，其作用是把接收設(shè)

8、備恢復(fù)出來的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息(人、各種終端設(shè)備、計算機(jī))6. 噪聲源：是信道中的噪聲和通信系統(tǒng)中其他部分所產(chǎn)生的噪聲的集中表示。2.3 模擬通信與數(shù)字通信 1. 模擬信號：凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號 2. 數(shù)字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號。 3. 模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別：模擬(連續(xù))信號不一定在時間上也連續(xù)；數(shù)字(離散)信號不一定在時間上也離散4. 電信號的載體 正弦信號 A cos(0t +)，包括振幅A、頻率0和相位三個可變的電參量 脈沖信號：有幅度、脈沖寬度(脈寬)、脈沖出現(xiàn)的時間位置(脈位)三個可變

9、的電參量。5. 數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)相比，其主要優(yōu)點在于： 抗噪聲性能好； 數(shù)字接力通信(中繼)時可以消除噪聲的積累； 可以采用信道編碼降低誤碼率，提高通信質(zhì)量； 便于加密，實現(xiàn)保密通信； 便于處理、存儲、交換； 便于和計算機(jī)等連接，綜合傳遞各種消息，使通信系統(tǒng)功 能增強(qiáng)。 5. 數(shù)字通信的主要缺點：它比模擬通信占據(jù)數(shù)倍甚至數(shù)十倍寬的系統(tǒng)頻帶。(以電話為例，一路模擬電話通常占據(jù)4KHz的帶寬，但一路數(shù)字電路所要占據(jù)20KHz60KHz的帶寬，因此在頻帶時分緊張而對通信質(zhì)量沒有特殊要求的場合，仍將沿用模擬通信。其優(yōu)點是以占據(jù)更多系統(tǒng)頻帶為代價的。) 問題1 語音信號為模擬信號，所以傳輸語音

10、信號的系統(tǒng)一定是模擬通信系統(tǒng)，此說法正確嗎？為何？答：不對。因為語音信號可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。問題2 數(shù)字電話與模擬電話有什么區(qū)別？ 答：區(qū)別在于數(shù)字電話是數(shù)字通信系統(tǒng)，語音信號在信道中已經(jīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；而模擬電話是模擬通信系統(tǒng)，語音信號在信道中仍然為模擬信號。2.4 通信系統(tǒng)模型2.4.1 模擬通信系統(tǒng)1. 信源(Source)：將連續(xù)消息變換成模擬電信號(基帶Baseband 信號)的設(shè)備模擬信源；信宿(Destination)：逆變換設(shè)備。2. 調(diào)制(Modulation)：匹配信道傳輸?shù)男盘栕儞Q器，使傳輸信號的已調(diào)參量與基帶信號成線性關(guān)

11、系。目的：保證傳輸，優(yōu)點：效率高、損耗??；安全可靠、抗干擾性強(qiáng)。因此調(diào)制主要用于頻帶信道傳輸。調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號、帶通信號、頻帶信號。3. 解調(diào)(Demodulation)：調(diào)制的逆變換。調(diào)制解調(diào)統(tǒng)稱為MODEM。4. 信道(Channel)：由傳輸媒質(zhì)與相應(yīng)交換、中繼、收發(fā)信機(jī)與天饋線等構(gòu)成的信號傳輸通道。 若信源信號直接傳送，則為基帶信道，主要是低頻基帶信號；若用信源信號經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)信號(頻帶信號) 進(jìn)行傳輸，則為頻帶信道。2.4.2 數(shù)字通信系統(tǒng)1. 信源編碼(Source coding)：信源編碼是數(shù)字信源具備的功能，其主要目的是提高信息傳輸?shù)挠行?(Efficiency)(

12、提高信息的傳輸速率)，如數(shù)字壓縮編碼。2. 信道編碼(Channel coding)： 包括抗干擾的糾錯編碼和用于信息安全的加密 (Encryption)，目的是提高信息傳輸?shù)目煽啃?(Reliability)。3. 調(diào)制：載波數(shù)字調(diào)制，使已調(diào)參量與基帶信號的狀態(tài)一一對應(yīng)。注意與模擬調(diào)制之間的區(qū)別！在數(shù)字通信系統(tǒng)中，針對不同的傳輸信道形式有不同的調(diào)制思想。對于基帶信道，調(diào)制主要是碼型變換；對于頻帶信道，以載波數(shù)字調(diào)制/解調(diào)為主。2.5 通信系統(tǒng)的分類1、按消息的物理特征分類(業(yè)務(wù))     如電報、電話、數(shù)據(jù)、圖像通信系統(tǒng) 2、按調(diào)制

13、方式分類   基帶傳輸：未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳輸(音頻和數(shù)字基帶)    調(diào)制傳輸：對各種信號變換方式后進(jìn)行傳輸?shù)目偡Q。 3、按信號特征分類 最常用分為模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類 4、按信號復(fù)用方式分類  頻分復(fù)用：用頻譜搬移使不用信號占據(jù)不同的頻率范圍(主要用于模擬通信)     時分復(fù)用：用脈沖調(diào)制使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間(主要用于數(shù)字通信)      碼分復(fù)用：用一組正交的脈沖序列分別攜帶不

14、同的信號(主要用于擴(kuò)頻通信)5、按傳輸媒介分類 最常用分為有線(包括光纖)與無線 2.6 通信方式分類1、按消息傳輸?shù)姆较蚺c時間關(guān)系分  單工：單方向傳輸(一點發(fā)、一點收)。例如遙控。  半雙工：通信雙方(兩點)均能收發(fā)消息但不能同時收發(fā)。例如無線對講機(jī)。  全雙工：通信雙方(兩點)能同時收發(fā)信號。例如電話。 2、按數(shù)字信號碼元的排列方式分  串序傳輸：將數(shù)字信號按時間順序一個接一個的傳輸，它占用一條通路。適合遠(yuǎn)距離。  并序傳輸：將數(shù)字信號碼元序列分割成多路同時傳輸，適合近距離2.7 通信發(fā)展簡史1838年

15、60;          有線電報發(fā)明，成為使用電通信的標(biāo)志。 1876年           有線電話發(fā)明，是現(xiàn)代通信的開端。 1878年           第一個人工交換局，21個用戶。 1896年    

16、;       無線電報發(fā)明，無線通信的開端。 1906年           電子管的發(fā)明，使有線、無線通信迅速發(fā)展。 20世紀(jì)30年代    通信理論體系形成。 20世紀(jì)50年代    晶體管和集成電路問世，模擬通信高速發(fā)展，數(shù)字通信方式形成，計算機(jī)和通信技術(shù)密切結(jié)合，人機(jī)通信、機(jī)器與機(jī)器之間的通信逐漸實

17、現(xiàn)。 20世紀(jì)80年代    通信網(wǎng)迅速發(fā)展，除傳統(tǒng)的電話網(wǎng)、電報網(wǎng)以外，其它先進(jìn)的通信網(wǎng)蓬勃發(fā)展，如移動通信網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)、智能網(wǎng)、寬帶交換網(wǎng)等。2.8 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)主要有：有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用等。其中最主要的是有效性和可靠性，它們二者是對立統(tǒng)一的。1. 模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 有效性 有效性可用單位時間內(nèi)傳送的信息量來衡量。模擬通信的有效性是指傳輸一定的信息量所消耗的信道資源數(shù)(帶寬或時間)，通常用有效傳輸帶寬來衡量。同樣的消息采用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶

18、寬度。頻帶寬度越窄，則有效性越好。   可靠性 可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，模擬通信用均方差來衡量發(fā)送的模擬信號與接收端恢復(fù)的模擬信號之間的誤差程度。在實際的模擬通信系統(tǒng)中，其可靠性是用接收終端的輸出信噪比來度量的，這是因為在信道是理想的情況下，誤差是由信號傳輸時的加性噪聲產(chǎn)生的，而加性噪聲一般用信噪比衡量。信噪比越大，通信質(zhì)量越高。 2. 數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo) 有效性 數(shù)字通信的有效性用傳輸速率來衡量。(1) 碼元速率(傳碼率)碼元及碼元長(寬)度：在數(shù)字通信中常用時間間隔相同的符號來表示一位N進(jìn)制信號，此時間間隔內(nèi)的信號稱為N進(jìn)制碼元，時間間隔的長度稱為碼元長度。 碼元速率：指單位時間傳輸?shù)拇a元數(shù)，以Rs表示，單位：baud(波特，簡記Bd)。Rs=1/Ts，Ts為碼元長度。 碼元速率與數(shù)字信號進(jìn)制沒有關(guān)系，只與碼元長度有關(guān)。 (2) 信息速率(傳信率