通信原理緒論解析課件

1、通信系統(tǒng)原理北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院通信工程教研室郭宇春 鄭宏云1第1頁，共46頁。2022/7/292課程描述（1）通信工程專業(yè)本科生的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程和必修課程深入、系統(tǒng)地闡述了通信系統(tǒng)的基本原理，包括模擬通信和數(shù)字通信，其中以數(shù)字通信為主目的使學(xué)生系統(tǒng)地掌握通信系統(tǒng)的基本原理及其性能的基本分析方法了解當(dāng)前通信狀況及發(fā)展方向為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程提供必要的基礎(chǔ)知識和理論依據(jù)為形成良好的專業(yè)素質(zhì)打好基礎(chǔ)第2頁，共46頁。2022/7/293課程描述（2）課程特點和學(xué)習(xí)建議理論性較強(qiáng)系統(tǒng)概念, 物理思想, 系統(tǒng)分析方法（基于“信號分析”和“隨機(jī)過程”）知識點多縱向：模塊各章內(nèi)知識點獨立

2、橫向：關(guān)聯(lián)各章模塊間的聯(lián)系承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，有一定的知識面且和計算機(jī)緊密聯(lián)系在一起。需要進(jìn)行一定的實驗和參觀實踐，以了解通信技術(shù)和通信系統(tǒng)適當(dāng)多做習(xí)題，加深對基本概念的理解 注重課堂聽講、認(rèn)真筆記、課后及時消化、獨立完成作業(yè)、擴(kuò)展知識面、培養(yǎng)專業(yè)興趣第3頁，共46頁。2022/7/294課程描述（3）先修課程：信號與系統(tǒng), 概率論教學(xué)內(nèi)容及形式：1-9章課堂教學(xué)、課后習(xí)題、理論研討、仿真分析討論、指導(dǎo)自學(xué)（自學(xué)內(nèi)容并非不重要內(nèi)容，而是鍛煉自學(xué)能力的內(nèi)容）第4頁，共46頁。2022/7/295課程描述（4）教材通信系統(tǒng)原理（第2版），馮玉珉，清華、北方交通大學(xué)出版社，2011年參考書：現(xiàn)代通

3、信系統(tǒng)原理王秉鈞，天津大學(xué)出版社現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理宋祖順，電子工業(yè)出版社通信原理樊昌信，國防工業(yè)出版社通信系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)指南，馮玉珉等，清華、北方交通大學(xué)出版社考核方式：平時成績：作業(yè)、隨堂測試、研討報告、考勤 30%期末成績：閉卷考試 70%第5頁，共46頁。聯(lián)系方式地點：九教南306時間：每周二,五 14:3017:30Email: 第6頁，共46頁。2022/7/297Chap 1 緒論1.1 信息的概念信息與信號信息量1.2 通信系統(tǒng)概述通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)分類通信方式分類1.3 通信系統(tǒng)性能指標(biāo)1.4 信道與干擾信道通信頻段劃分（自學(xué)）干擾信道容量1.5 通信技術(shù)發(fā)展簡介（自學(xué)）第7頁，

4、共46頁。通信和通信系統(tǒng)通信（ communication）：信息或其表示方式的時空轉(zhuǎn)移 Tele-communication通信、電信 電通信：利用電（電流或電波，包括光的特征值）來傳遞信息通信系統(tǒng)（ communication system)：完成傳遞信息任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體 第8頁，共46頁。1.1 信息的概念信息與信號信息量第9頁，共46頁。2022/7/29通信系統(tǒng)原理10消息與信號消息 message：人或事物情況的報告 信號 signal：消息的載體（攜帶者）電/光信號、模擬/數(shù)字信號模擬(數(shù)字)信號：凡信號參量是連續(xù)的或取無限多個值（只能取有限個值），

5、且與消息對應(yīng)的信號。第10頁，共46頁。2022/7/2911信息information定義通俗信息論: 不確定性的消息與消息的區(qū)別消息本身是不可測度的信息更抽象，用來測度消息的不確定性任何消息包含一定的信息量（最少為零，最大為無窮）第11頁，共46頁。信息量（1）信息量對信息大小的度量定義式I(A)=-log2P(A)P(A):事件A或者信源符號A發(fā)生的概率算算最小和最大信息量？單位比特（bit)，哈特（Hat,以10為底)，奈特（net,以e為底）第12頁，共46頁。例1-1（教材P3）解：8bit碼字共有 256個，任一碼字發(fā)生概率P1=1/256 4bit碼字共有 16個，任一碼字發(fā)生

6、概率P2=1/16（1）預(yù)警發(fā)生的概率=2*1/256*(1/16)=2-11信息量=-log2P1(A)= 11 bit （每個預(yù)警事件）(2)告警發(fā)生的概率=1/256*(1/16)=2-12信息量=-log2P2(A)= 12 bit第13頁，共46頁。信息量是事件發(fā)生概率的函數(shù), I=P(A)P(A)越小，I越大；反之，I越小 P(A)=1， I=0; P(A)=0, I= 若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，即信息量具有可加性，I=i(Ii)第14頁，共46頁。例1-2某離散信源由0,1,2,3四種符號組成，出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4和1/8

7、。求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的信息量解：共57個符號，其中0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次。此消息的信息量I= i(Ii)=-23log2(3/8) -14log2(1/4) -13log2(1/4) -7log2(1/8)=108.55 bit第15頁，共46頁。信息量（2）平均信息量熵（entropy）含義:每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值定義式離散信源是由n個符號組成的符號集，每個符號xi(i=1,2,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，則每個符號的

8、平均信息量 H(A)=-i=1,nP(xi) log2P(xi)單位 bit/符號第16頁，共46頁。例1-3求例1-2中消息的平均信息量。比較：例1-2中算出的消息信息量與用該平均信息量算出的消息信息量注意：信源熵什么時候取得最大值？P(xi) 相等時， P(xi) =1/mH=-i=1,nP(xi) log2P(xi) =-i1/m*log21/m=log2m第17頁，共46頁。 1.2 通信系統(tǒng)概述 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)分類通信方式分類2022/7/2918第18頁，共46頁。2022/7/2919通信系統(tǒng)模型一般模型信宿接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備信源消息原始電信號消息原始電信號（sec.1.4，

9、 chap.2） 圖 第19頁，共46頁。2022/7/2920聲音的波形幅度隨時間的變化干凈語音信號時間波形（英文發(fā)音）第20頁，共46頁。2022/7/2921干凈語音信號頻譜圖實際應(yīng)用中，語音信號的帶寬：300-3400 Hz第21頁，共46頁。第22頁，共46頁。2022/7/2923通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)模型 信宿解調(diào)器噪聲源信道調(diào)制器信源基帶信號頻帶信號基帶信號頻帶信號chap.3 模擬調(diào)制系統(tǒng)第23頁，共46頁。2022/7/2924通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信宿信源編碼信源模擬信號信道編碼數(shù)字頻帶信號數(shù)字調(diào)制噪聲源信道復(fù)用加密信源譯碼信道譯碼數(shù)字解調(diào)解復(fù)用解密數(shù)字基帶

10、信號Chap 4. 信源編碼Chap 5. 數(shù)字信號基帶傳輸Chap 6. 數(shù)字信號頻帶傳輸Chap 7. 數(shù)字信號最佳接收Chap 8. 信道編碼第24頁，共46頁。通信方式分類單工通信發(fā)送站接收站信息流向例如：廣播電視傳送系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)。發(fā)送接收例如：對講機(jī)、計算機(jī)與終端間的通信。接收發(fā)送信息流向信息流向例如：電話信息流向發(fā)送接收接收發(fā)送半雙工通信全雙工通信第25頁，共46頁。1.3 通信系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo) 有效性可靠性指標(biāo)及其含義 2022/7/2926第26頁，共46頁。有效性在給定的信道內(nèi)能夠容納多少信息量指標(biāo) 模擬通信系統(tǒng)：有效傳輸帶寬Bc , Bs數(shù)字通信系統(tǒng)：信道通過的

11、信息傳輸速率，傳信率或比特率 Rb bit/秒,bps 傳碼率：單位時間內(nèi)傳輸?shù)姆枺ùa元）數(shù)，RB 波特 Rb = RB log2M M=2k2022/7/2927第27頁，共46頁?？煽啃栽诮o定的信道內(nèi)接收到信息的可靠程度模擬通信系統(tǒng)：輸出信噪比 通信系統(tǒng)輸出信號平均功率與噪聲平均功率之比 So/No數(shù)學(xué)通信系統(tǒng)：誤碼率，接收到信息發(fā)生錯誤的比例 Pe2022/7/2928模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)有效性Bc , Bs Rb , RB 可靠性So/NoPe第28頁，共46頁。例1-4已知二進(jìn)制數(shù)字信號在2分鐘內(nèi)共傳遞了72000個碼元(1) 求其碼元速率和信息速率各為多少？(2) 如果碼元寬度不變（

12、即碼元速率不變）, 但改為八進(jìn)制數(shù)字信號，信息速率又是多少？第29頁，共46頁。例1-5一個由字母A,B,C,D組成的字，對于傳輸?shù)拿恳粋€字母用二進(jìn)制脈沖編碼，00代表A，01代表B，10代表C，11代表D,每個脈沖寬度為5ms。（1）若不同的字母是等可能出現(xiàn)的，平均信息速率是多少？（2）若每個字母出現(xiàn)的可能性分別為PA=1/5, PB=1/4, PC=1/4, PD=3/10,平均信息速率是多少？第30頁，共46頁。例1-6已知某八進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為12000b/s，在收端半小時內(nèi)共測得216個錯誤碼元，試求系統(tǒng)的誤碼率第31頁，共46頁。2022/7/29321.4 信道與干擾信

13、道定義：用來連接發(fā)信與收信設(shè)備的物理媒體分類：狹義信道：傳輸媒體或傳輸媒介廣義信道：除了傳輸媒介以外，還包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，如發(fā)送設(shè)備、接送設(shè)備、調(diào)制器、解調(diào)器等。這種范圍擴(kuò)大的信道稱為廣義信道。自學(xué)： 主要的有線介質(zhì)和無線介質(zhì)的主要種類、結(jié)構(gòu)特點、傳輸特點和主要應(yīng)用第32頁，共46頁。2022/7/2933廣義信道分類調(diào)制信道：從研究調(diào)制與解調(diào)的角度定義，范圍編碼信道：從研究編碼和解碼的角度定義，范圍信宿解調(diào)器狹義信道編碼器調(diào)制器發(fā)轉(zhuǎn)換器收轉(zhuǎn)換器解碼 器信源調(diào)制信道編碼信道第33頁，共46頁。2022/7/29通信系統(tǒng)原理34廣義信道模型調(diào)制信道編碼信道 線性時變網(wǎng)絡(luò)ei(t)eo(t)第3

14、4頁，共46頁。2022/7/2935干擾干擾加性干擾 chap2乘性干擾恒參信道隨參信道輸入信號輸出信號乘性干擾加性干擾第35頁，共46頁。恒參信道（1）幅頻和相頻特性不隨時間t變化第36頁，共46頁。恒參信道（2）引入均衡技術(shù)幅度均衡相位均衡把恒參信道改造成為幅度平坦、相位線性的信道第37頁，共46頁。隨參信道信號的衰耗隨時間變化信號的傳播時延隨時間變化存在多徑傳播（圖1-4）慢衰落快衰落選擇性衰落（圖1-5）第38頁，共46頁。干擾 InterferenceInterference represents man-made signals. Telephone lines are subj

15、ect to power-line interference (in the United States a distorted 60Hz sinusoid). Cellular telephone channels are subject to adjacent-cell phone conversations using the same signal frequency. The problem with such interference is that it occupies the same frequency band as the desired communication s

16、ignal, and has a similar structureBecause interference has man-made structure, we can write an explicit expression for it that may contain some unknown aspects (how large it is, for example). 第39頁，共46頁。噪聲 NoiseNoise signals have little structure and arise from both human and natural sources. Satelli

17、te channels are subject to deep space noise arising from electromagnetic radiation pervasive in the galaxy. Thermal noise plagues all electronic circuits that contain resistors. Thus, in receiving small amplitude signals, receiver amplifiers will most certainly add noise as they boost the signals am

18、plitude. All channels are subject to noise, and we need a way of describing such signals despite the fact we cant write a formula for the noise signal like we can for interference. （chap 2）第40頁，共46頁。2022/7/2941香農(nóng)(Shannon)信道容量公式信道容量：信道最大無差錯傳輸速率連續(xù)信道的信道容量（加性高斯白噪聲）給定信道，實際速率不可能超過CC一定，信道帶寬和信噪比之間互換增大帶寬，只能一定條件下對提高信道容量有