課程名稱通信系統(tǒng)原理CommunicationSystemsConcepts

1、課程名稱通信系統(tǒng)原理Communication Systems Concepts1開(kāi)場(chǎng)白一、本課的重要性：1、 入專業(yè)之門。2、 墊專業(yè)之底。3、 領(lǐng)專業(yè)之路。 通信系統(tǒng)原理是一門介紹信息傳輸基本原理（理論和技術(shù)）的課程。 它的研究對(duì)象是通信系統(tǒng)。2 二、目的要求： 三、學(xué)習(xí)要領(lǐng)：1、明白原理。 1、求真知。2、學(xué)會(huì)計(jì)算。 2、常復(fù)習(xí)。3、聯(lián)系實(shí)際。 3、重自學(xué)。通信網(wǎng)中涉及傳輸（Transmission）、復(fù)用（Multiplexing）、交換（Switching）、網(wǎng)絡(luò)（Network）四大技術(shù)，通信系統(tǒng)原理重點(diǎn)介紹傳輸和復(fù)用。3教材及參考書教材通信原理教程達(dá)新宇等北京郵電大學(xué)出版社參考書

2、通信原理（第5版） 樊昌信等 國(guó)防工業(yè)出版社通信原理 馬海武等北京郵電大學(xué)出版社現(xiàn)代通信原理 曹志剛、錢亞生 清華大學(xué)出版社通信系統(tǒng)（第四版）英文版加Simon Haykin 電子工業(yè)出版社Digital and Analog Communication Systems（第五版）Leon W. Couch II 清華大學(xué)出版社（影印版 )通信原理學(xué)習(xí)與考研指導(dǎo)沙濟(jì)彰等科學(xué)出版社通信原理考研指導(dǎo)信息通信專業(yè)考研指導(dǎo)叢書郝建軍、尹長(zhǎng)川 北京郵電大學(xué)出版社通信原理習(xí)題集 楊鴻文、桑林北京郵電大學(xué)出版社 4第1章 緒 論本章教學(xué)要求：1、掌握信息量和通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的計(jì)算；掌握恒參信道和隨參信道特

3、性及對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?、熟悉通信基本概念（通信、消息、信號(hào)、信息等）3、理解信道的定義和模型。4、了解通信系統(tǒng)模型、分類和通信方式。5主要外語(yǔ)詞匯通信（Communication） 電信（Telecommunication） 消息(Message)信號(hào)(Signal)信息（Information）模擬通信（Analog Communication） 數(shù)字通信（Digital Communication）信息量（Amount of Information）信道（Channels） 信道容量（Channel Capacity）信噪比（Signal-to-noise ratio，簡(jiǎn)寫 SNR）噪聲

4、（Noise） 信息熵（Information Entropy）6作業(yè)P213，4，7，8，18，197本章主要內(nèi)容1.1 通信的基本概念1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3通信發(fā)展概況1.4 信息及其量度1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1.6信道 1.6.1 信道的分類和有關(guān)概念 1.6.2 恒參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?1.6.3 隨參信道特性及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊? 1.1 通信的基本概念一、 通信的定義 通信（communication）指從一個(gè)地方向另一個(gè)地方進(jìn)行消息的有效傳遞與交換。電信（Telecommunication）利用電子等技術(shù)手段，借助電信號(hào)（含光信號(hào)）實(shí)現(xiàn)從一地向另一地進(jìn)

5、行消息的有效傳遞與交換。9二、現(xiàn)代通信的業(yè)務(wù)內(nèi)容1、電報(bào) 4、廣播2、電話 5、電視3、傳真 6、因特網(wǎng)未來(lái)的個(gè)人通信任何人（Whoever）在任何時(shí)候（Whenever）和任何地方（Wherever）與另一人（Whomever）以任何方式（Whatever）進(jìn)行信息的實(shí)地實(shí)時(shí)全天候的交互。 10三、消息、信號(hào)和信息1、消息（message）有待傳輸?shù)姆?hào)、文字、數(shù)據(jù) 和語(yǔ)聲等。2、信號(hào)（signal）與消息相對(duì)應(yīng)的電或光的波形， 是消息的物質(zhì)載體。3、信息（information）消息中包含的有意義（有用） 的內(nèi)容。 不同形式的消息可包含相同信息。11四、 通信系統(tǒng)的分類 1、 按信號(hào)形式分

6、： 模擬通信和數(shù)字通信2、 按傳輸媒介分： 有線通信和無(wú)線通信 3、 按通信業(yè)務(wù)分： 電報(bào)、電話、傳真、 數(shù)據(jù)傳輸、 可視 電話、無(wú)線尋呼等4、按調(diào)制方式分： 基帶傳輸和頻帶傳輸 5、按復(fù)用方式分： 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用 6、按工作頻段分：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信和微波通 信 7、 按收信者是否運(yùn)動(dòng)分：移動(dòng)通信和固定通信12五、通信方式1. 按消息傳送的方向與時(shí)間分 圖 1-1 按消息傳送的方向和時(shí)間劃分的通信方式(a) 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式 132. 按數(shù)字信號(hào)排序分 圖 1-2 按數(shù)字信號(hào)排序劃分的通信方式(a) 串行傳輸方式 ； (b) 并行傳

7、輸方式 143. 按通信網(wǎng)絡(luò)形式分 圖 1-3 按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式(a) 兩點(diǎn)間直通方式； (b) 廣播方式； (c) 交換方式 15 1.2 通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)模型：圖 1-4 通信系統(tǒng)的模型 16數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)模擬信號(hào)：代表消息的參量是連續(xù)的或在某一范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值，時(shí)間上不一定連續(xù)；數(shù)字信號(hào)：代表消息的參量是離散或可數(shù)的，時(shí)間上不一定離散；17模擬信號(hào)波形 數(shù)字信號(hào)波形(a)連續(xù)信號(hào) (a) 二進(jìn)制波形(b) 抽樣信號(hào) (b) 2PSK波形18二、模擬通信系統(tǒng)（第3章） （Analog Communication） 信源調(diào)制信道解調(diào)信宿噪聲源圖 1-5 模擬通信系

8、統(tǒng)的模型 19三、數(shù)字通信系統(tǒng)（Digital Communication） 1、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（第4章）信源編碼信道解碼信宿噪聲源圖 1-6 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的模型 202、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)（第5章）圖 1-7 數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)的模型 21四、數(shù)字通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與模擬通信比較，數(shù)字通信主要有以下五大好處： 1、 通信質(zhì)量好，噪聲不累積。 2、可以通過(guò)編碼進(jìn)行差錯(cuò)控制，改善傳輸質(zhì)量。 3、可利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理數(shù)字信息。 4、可加密，保安全。 5、可實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)，使通信功能增強(qiáng)。 22圖1-8 兩類通信方式抗干擾性能比較 (a)模擬信號(hào)；(b)數(shù)字信號(hào) 23模擬信號(hào)數(shù)字化通信系統(tǒng)（第6

9、章）模擬信源A/D數(shù)字通信系 統(tǒng)D/A模擬信宿A/D轉(zhuǎn)換（Analogdigital conversion）：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換（Digitalanalog conversion）：數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。圖 1-9 模擬信號(hào)數(shù)字化通信系統(tǒng)的模型 24 1.3 通信技術(shù)發(fā)展概況一、 通信發(fā)展簡(jiǎn)史 25表 1-1 通信重大事件表26二、 通信技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)（第11章） 1. 光纖通信 光纖通信具有容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且不怕電磁干擾，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。因此，自1977年世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)在芝加哥投入運(yùn)行以來(lái)，光纖通信發(fā)展極為迅速，新器件、新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，性

10、能日臻完善。由于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器和單模光纖的出現(xiàn) ，使每芯光纖通話路數(shù)可高達(dá)百萬(wàn)路，中繼距離將達(dá)到100 km，市話中繼光纖成本也連續(xù)大幅度下降。 我國(guó)近幾年來(lái)光纖通信已得到了快速發(fā)展，目前光纜長(zhǎng)度累計(jì)近幾十萬(wàn)km。我國(guó)已不再敷設(shè)同軸電纜，新的工程將全部采用光纖通信新技術(shù)。27 2. 衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)， 覆蓋面積廣， 不受地理?xiàng)l件限制，可以大容量傳輸，建設(shè)周期短，可靠性高等。自1960年第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來(lái)，衛(wèi)星通信發(fā)展特別迅猛。 目前， 衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球，僅國(guó)際衛(wèi)星通信組織就擁有數(shù)十萬(wàn)條話路。衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，使國(guó)際間重大活動(dòng)能及時(shí)得以實(shí)況轉(zhuǎn)播， 它使全世界人

11、與人之間的“距離”縮短。 28 3. 移動(dòng)通信 移動(dòng)通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段，它是隨著汽車、飛機(jī)、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來(lái)的。 近10年來(lái)， 在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，移動(dòng)通信從過(guò)去簡(jiǎn)單的無(wú)線對(duì)講或廣播方式發(fā)展成為一個(gè)把有線、 無(wú)線融為一體，固定、移動(dòng)相互連通的全國(guó)規(guī)模，甚至全球范圍的通信系統(tǒng)。 移動(dòng)通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標(biāo)準(zhǔn)化。20世紀(jì)90年代是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在多種不同的技術(shù)體制，互不兼容，因此標(biāo)準(zhǔn)化成為當(dāng)務(wù)之急。數(shù)字化的關(guān)鍵是調(diào)制、糾錯(cuò)編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標(biāo)是研制重量非常輕的個(gè)人攜帶的手機(jī)。 29

12、4. 微波中繼通信 微波中繼通信始于20世紀(jì)60年代，它較一般電纜通信具有易架設(shè)，建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它是目前通信的主要手段之一，主要用來(lái)傳輸長(zhǎng)途電話和電視節(jié)目，其調(diào)制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中繼通信的主要發(fā)展方向是數(shù)字微波，同時(shí)要不斷增加系統(tǒng)容量，增加容量的途徑是向多電平調(diào)制技術(shù)發(fā)展。目前采用的調(diào)制方式有16QAM和64QAM，并已出現(xiàn)256QAM、1024QAM等超多電平調(diào)制的方式。采用多電平調(diào)制，在40 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻道間隔內(nèi)，可傳送1920至7680路PCM數(shù)字電話。 30 1.4 信息及其量度我們定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用 I 表示。 這說(shuō)明信息有

13、量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越感興趣，信息量就越大。顯然，信息量與事件發(fā)生的概率有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率為1，則它傳遞的信息量就為0。31一、信息量的定義：1、信息是消息（信號(hào)）的不確定性的度量。有不確定性，才有“惑”要解。確定事物不含信息。通信是消除不確定性的過(guò)程?？捎猛ㄐ潘牟淮_定性的多少來(lái)定義所傳輸信息的多少。2、不確定性來(lái)自客觀事物本身的隨機(jī)性，可以用概率統(tǒng)計(jì)來(lái)定量描述之。3、概率為1的事件，不存在不確定性；概率越小，不確定性越大。用不確定性的大小表達(dá)信息，應(yīng)與概率的倒數(shù)有關(guān)。I 1 / P324、若干獨(dú)立事件的總信息量應(yīng)等于各事件

14、信息量的總和；而獨(dú)立事件聯(lián)合概率是各事件概率的乘積。 為此定義： Ilog（1 / P）log P則有：當(dāng)PP1P2Pn 時(shí)，I=I1+I2+In5、對(duì)數(shù)以2為底時(shí)，信息量的單位叫“比特”。 （bit）對(duì)數(shù)以e為底時(shí)，信息量的單位叫“奈特”。（nit）對(duì)數(shù)以10為底時(shí)，信息量的單位叫“哈特萊”。（hartley）通常廣泛使用的單位為比特。33二 、信息熵（平均信息量）所謂平均信息量是指每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。1離散信源的熵已知信源發(fā)出M個(gè)不同消息（符號(hào)）的概率分別為Pi，（i1、2、3M）則發(fā)不同消息（符號(hào)）時(shí)各信息量不同：（i1、2、3M）平均而言，發(fā)出一個(gè)符號(hào)的信息量為 ：342離

15、散信源的最大熵H0=Hmax=log2 M 發(fā)生在 P1=P2=PM=1/M 的等概情況下。二元等概信源 H0=log22=1 ，每位碼元所含信息量為1比特。3連續(xù)信源的熵（相對(duì)熵）式中f(x)為連續(xù)消息x出現(xiàn)的概率密度函數(shù)。35例 1設(shè)由5個(gè)符號(hào)組成的信息源，相應(yīng)概率為 36 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)一、一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：1、有效性 5、保密性2、可靠性 6、標(biāo)準(zhǔn)性3、適應(yīng)性 7、維修性4、經(jīng)濟(jì)性 8、工藝性37 通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性 是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取?/p>

16、問(wèn)題；可靠性 是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。 38二、模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性指標(biāo)：有效性可用帶寬（信號(hào)所占用的頻率范圍的寬度）來(lái)度量?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出信噪比來(lái)度量。S為信號(hào)功率，N為噪聲功率。 39三、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性指標(biāo)：1、有效性數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。（1）碼元傳輸速率RB簡(jiǎn)稱傳碼率，又稱符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為 B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只

17、與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):40 通常在給出碼元速率時(shí)，有必要說(shuō)明碼元的進(jìn)制。在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： RB2=RBMlog2 M (B) M=2k (k=1,2,3)注：log2 lb（2）信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。 41（3）碼元速率RB和信息速率Rb的關(guān)系 Rb=RBH (b/s) 式中，H為信源中每個(gè)符號(hào)所含的平均信息量（熵）。 等概傳輸時(shí)，熵有最大值H=log2M，信息速率也達(dá)到最大，即 Rb=RB l

18、og2 M (b/s)式中，M為符號(hào)的進(jìn)制數(shù)。例如碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（M=8）時(shí)，最大信息速率為3600b/s；采用二進(jìn)制（M=2）時(shí)，最大信息速率為1200b/s?？梢?jiàn)，二進(jìn)制的碼元速率和最大信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡(jiǎn)稱它們?yōu)閿?shù)碼率。 42頻帶利用率：比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占用信道的頻帶寬度。所以，真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的碼元或信息傳輸速率，即B/Hz b/s/Hz 43例1已知二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)在2mins內(nèi)共傳送了72000個(gè)碼元。問(wèn)其碼元速率和信息速率各為多少?如果碼元寬度不變(即碼元速率不變)，但改為八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)， 則其碼元速率為多少? 信息速率又為多少?44 解: (1) 在260s內(nèi)傳送了72000個(gè)碼元RB2=72 000 / (260)=600 (B)Rb2=RB2=600 (b/s)(2) 若改為8進(jìn)制 碼元寬度不變(即碼