譜老師課件上冊(cè)07lec

1、通信原理(I)電信數(shù)字通信與信息網(wǎng)絡(luò)劉丹譜62282289關(guān)于本課程通信原理為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，要求重點(diǎn)掌握通信系統(tǒng)的基本概念和分析方法，以及信息傳輸?shù)幕驹?；熟悉各種通信技術(shù)的基本特點(diǎn)以及性能；在此基礎(chǔ)上，研究通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解通信發(fā)展方向(教學(xué)大綱網(wǎng)上查詢)先修課程：信號(hào)與系統(tǒng)、概率論與隨機(jī)過(guò)程等學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)/課后作業(yè)方式：筆試，閉卷成績(jī)?cè)u(píng)定：40%期末 + 40%期中 + 20%平時(shí)2主要參考書(shū)等編，通信原理，郵電大學(xué)等編，通信原理，第5版，國(guó)防工業(yè)等編，現(xiàn)代通信原理，L.W.Couch,DigitalandogCommunication影印Systems(5thor6thEd

2、ition),版Stephen G. Wilson, Digital Modulation and Coding, 電影印版, 1998年子工業(yè)J. G. Proakis, Digital Communication(4rd Edition).電子工業(yè)影印版3課程的基本內(nèi)容緒論確定信號(hào)分析隨機(jī)過(guò)程模擬通信系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸信源和信源編碼4第一章緒論通信？通信的發(fā)展簡(jiǎn)史通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的分類和通信方式信息及其度量通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)51.通信?通信：交流，傳遞消息；信息的傳輸與交換信息是要表示和傳送的對(duì)象.消息是表示信息的，象語(yǔ)言、文字、圖象、符號(hào)、聲音等。同一條信

3、息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不確定性，即有效(有用)的東西。消息的本質(zhì)和價(jià)值取決于它所包含的信息量，即對(duì)接收者的不確定性.信號(hào)是消息的承載者，信號(hào)常常由消息變換而來(lái)，它是與消息對(duì)應(yīng)的某種物理量，通常是時(shí)間的函數(shù)，例如隨著時(shí)間變化的電壓(電流)。通信系統(tǒng)中傳送的是信號(hào).通信就是以語(yǔ)言、圖像、數(shù)據(jù)為將信息由一方傳輸?shù)搅硪环剑ㄟ^(guò)電(光)信號(hào)通信是一種產(chǎn)業(yè)，它生產(chǎn)的是一種信息在空間轉(zhuǎn)移的效應(yīng)62. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(1)18世紀(jì)，提出用電流進(jìn)行通信的設(shè)想1838年，F(xiàn).B. Morse 發(fā)明有線電報(bào)1864年，J.C. Maxwell提出電磁輻射方程1876年，A. G. Bell 發(fā)

4、明1896年，G. Marconi發(fā)明無(wú)線電報(bào)1901年，橫跨的無(wú)線通信成功1906年，Lee deForst 發(fā)明真空管1918年，E.H. Armstrong發(fā)明AM廣播，超外差1925年，開(kāi)始采用三信線載波，多路通72. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(2)1936年，E. H. Armstrong發(fā)明FM廣播1937年，A. Reeves發(fā)明PCM調(diào)制原理1938年，電視廣播開(kāi)始1940-45年，二次大戰(zhàn)刺激了統(tǒng)的發(fā)展和微波通信系1948年，發(fā)明了晶體三極管；統(tǒng)計(jì)理論建立；Shannon通信的數(shù)學(xué)理論1950年，時(shí)分多路通信應(yīng)用于1953年，敷設(shè)了第一條越洋電纜(36話路)1957年，前發(fā)射第一顆人造

5、地球通信82. 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史(3)1958年，發(fā)明第一塊集成電路1961年，F(xiàn)M聲廣播開(kāi)播1964年，第一臺(tái)全電子1972年，Motorola發(fā)明蜂窩1976年，個(gè)人PC問(wèn)世系統(tǒng)問(wèn)世，“便攜式”蜂窩問(wèn)世1990，超大規(guī)模集成電路的大量使用，計(jì)算機(jī)和通信正向著兼容互補(bǔ)的方向發(fā)展93. 通信系統(tǒng)的組成(1)通信系統(tǒng)模型10噪聲源受信者接收設(shè)備傳輸媒介發(fā)送設(shè)備信息源3. 通信系統(tǒng)的組成(2)模擬通信和數(shù)字通信模擬(連續(xù))消息：狀態(tài)連續(xù)變化，例如語(yǔ)音，圖像數(shù)字( 離散) 消息： 狀態(tài)可數(shù)或離散，如符號(hào)，文字，數(shù)據(jù)模擬信號(hào)：載荷消息的電參量連續(xù)取值數(shù)字信號(hào)：載荷消息的電參量離散取值模擬通信系統(tǒng)：信道中

6、傳輸模擬信號(hào)，例如傳統(tǒng)廣播和電視數(shù)字通信系統(tǒng)：信道中傳輸數(shù)字信號(hào)，例如2G, 3G113. 通信系統(tǒng)的組成(3)模擬通信系統(tǒng)模型12噪聲源受信者解調(diào)器信道調(diào)制器模擬信息源3. 通信系統(tǒng)的組成(4)數(shù)字通信系統(tǒng)模型噪聲干擾13解調(diào)器信道譯碼解密器信源譯碼信宿信道調(diào)制器信道編碼加密器信源編碼信源3. 通信系統(tǒng)的組成(5)基帶數(shù)字通信系統(tǒng)模型14噪聲源受信者接收濾波信道波形形成數(shù)字信息源3. 通信系統(tǒng)的組成(5)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：能力強(qiáng)，可消除噪聲積累；差錯(cuò)可控，傳輸性能好；便于處理和管理，便于傳輸和交換便于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、，形成智能網(wǎng)；便于集成化，從而使

7、通信設(shè)備微型化；便于加理，且程度高。數(shù)字通信的缺點(diǎn)：頻帶利用率低：比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶。：4KHz，接近同樣話音質(zhì)量的一路數(shù)一路模擬：20-60KHz。字對(duì)同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。153. 通信系統(tǒng)的組成(6)兩種應(yīng)用利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳送模擬消息A/D，D/A變換，例如利用模擬通信系統(tǒng)傳送數(shù)字信號(hào)加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)因特網(wǎng)164.1 通信系統(tǒng)的分類(1)根據(jù)信號(hào)特征模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)消息的物理特征：根據(jù)調(diào)制方式、數(shù)據(jù)、電視等基帶傳輸：周期性脈沖序列作為載波頻帶傳輸：正弦型載波根據(jù)傳輸媒介有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖無(wú)線傳輸174.1 通信系統(tǒng)的分類(2)1

8、0151016Hz10210310410510610710810910101011101210131014雙絞線數(shù)字移動(dòng)通信同軸電纜業(yè)務(wù)FM 和 TV光纖AM地面微波接力海事無(wú)線電紅外線紫外線無(wú)線電(9KHz400GHz)可見(jiàn)光微波(300MHz300GHz)184.1 通信系統(tǒng)的分類(3)根據(jù)信號(hào)復(fù)用方式時(shí)分復(fù)用(TDM)頻分復(fù)用(FDM)頻率頻率1234時(shí)間時(shí)間碼分復(fù)用(CDM)12頻率34時(shí)間1912344.2 點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式(1)按消息傳送方向與時(shí)間關(guān)系單工：遙測(cè)、尋呼半雙工：無(wú)線電對(duì)講機(jī)(同一載頻)全雙工通信：20發(fā)送端接收端信道信道接收端發(fā)送端接收端接收端信道發(fā)送端發(fā)送端接收端信

9、道發(fā)送端4.2點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式(2)按數(shù)字信號(hào)的碼元排列方法串行傳輸：遠(yuǎn)距離數(shù)字通信并行傳輸：近距離數(shù)字通信10121接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備.發(fā)送設(shè)備4.3 實(shí)際通信系統(tǒng)通信網(wǎng)和專線22TTTT5信息及其度量(1)信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容信息的度量：信息量與消息的種類及重要程度無(wú)關(guān)事件的不確定程度越大，信息量越大消息 x 中所含信息量 I 與消息出現(xiàn)概率 P(x)I (x) = I P(x)P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I = 若干互相獨(dú)立事件的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和I (x1 , x2 , , xn ) = I (x1) + I(x2) + I

10、(xn )235信息及其度量(2)信息量 I 的定義1I x log log P x P x aaP x 1 2 時(shí)，I x 1bita =2: 比特(bit)a =e: 奈特(nit)a =10: 哈特萊1 logInaPnn1n loga i 1i 1logaPxIx24P x P x P xii12n5信息及其度量(3)離散消息的度量設(shè)離散信息源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，且nPx1i 1n,且 P xP xP xi12n各符號(hào) x1 x2 xn 所包含的信息量分別為 log 2 P x1 ， log 2 P x2 , , log 2 P xn 每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值(平均信息

11、量)為 P x1 log 2 P x1 H x E I x P x2 log 2 P x2 P xn log 2 P xn n P xi log 2 P xi bit / 符號(hào)i 1信息源的熵255信息及其度量(4)信息源的最大熵，發(fā)生在每一個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí)如果各符號(hào)x1 x2 xn等概出現(xiàn)，即P(xi)=1/n，則有1I x I x H x log log n bit / 符號(hào)1222n k bit / 符號(hào)例如n 2k , H x log22k用平均信息量計(jì)算消息的信息量若消息傳送的符號(hào)總數(shù)為m，則 I = m H(x) (bit)例信息源由獨(dú)立等概的符號(hào)0, 1組成，n = 2H(x)

12、 = log2 n = 1bit/符號(hào)此時(shí)符號(hào)數(shù)與比特?cái)?shù)相等。265信息及其度量(5)例1.4.1 一信息源由四個(gè)符號(hào)0, 1, 2, 3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8, , , 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某個(gè)消息201020130(57個(gè)符號(hào)：023, 114, 213, 37)的信息量。3 14 log1 13 log1 7 log18方法一： I 23 log2222844 108 bit I 108 1.89bit / 符號(hào)57 3 log3 1 log1 1 log1 1 log18方法二： H22228844448 1.906 bit / 符號(hào)I 57 H 108.

13、64bit 275信息及其度量(6)連續(xù)消息的度量連續(xù)信源的熵是一個(gè)相對(duì)熵(比多出的相對(duì)量)，而離散信源的熵是一個(gè)絕對(duì)熵f x logaf x dx,Hx 1其中 f x 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度函數(shù)連續(xù)信源的熵不具有非負(fù)性例.f x 1 b a ,a x bx b或x a,則0,11H x bdx logb a log1b ab aa若b a 1，則H1 x 0286. 主要性能指標(biāo)(1)有效性：系統(tǒng)傳輸消息的效率/通信資源(頻率、時(shí)間)的充分利用，在給定的信道內(nèi)能夠容納多大的信息量，或允許傳輸多高的信息率可靠性：信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度，傳送消息的準(zhǔn)確還原根據(jù)信息論觀點(diǎn)，通信系統(tǒng)的有效性和可靠性常

14、常是一對(duì) 可靠性。也就是說(shuō)有效性很高的通信系統(tǒng)往往帶來(lái)的缺點(diǎn)；或者是保證了很高的可靠性，但導(dǎo)致有效性的降低。可靠性是送消息在接收端的準(zhǔn)確還原。的主要方面，即發(fā)形成的根本原因：信道不理想帶寬、時(shí)間受限噪聲和干擾296. 主要性能指標(biāo)(2)模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性：用所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬來(lái)表征可靠性：均方誤差輸出信噪比(僅考慮加性干擾)：接收端輸出的信號(hào)平均功率與噪聲平均功率之比(SNR)：SNR 40dB, 話音清晰度 95%電視：SNR = 4060dB306. 主要性能指標(biāo)(3)離散數(shù)字信號(hào)的表示離散信源的 N = 2k 種可能狀態(tài)可以用 k 位二進(jìn)制數(shù)或一位 N 進(jìn)制數(shù)字表示用時(shí)間間

15、隔相同的信號(hào)來(lái)表示一位二進(jìn)制或 N 進(jìn)制數(shù)字這個(gè)固定的時(shí)間間隔長(zhǎng)度稱為符號(hào)/碼元長(zhǎng)度時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)稱為符號(hào)/碼元(二進(jìn)制或 N 進(jìn)制)11A000TtT2Tt21B101TTttT2Tt1C210-1T2T2TttTTtD31131-1-26. 主要性能指標(biāo)(4)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)：傳輸速率和差錯(cuò)率符號(hào)(碼元)傳輸速率Rs：每秒鐘傳送的符號(hào)數(shù)量，為“波特”(baud或B)，又稱傳碼率信息傳輸速率Rb ：每秒鐘傳送的信息速率，“比特/秒”(bit/s)，又稱傳信率符號(hào)速率與信息速率之間的關(guān)系：若每個(gè)符號(hào)有種可能狀態(tài)(或稱N進(jìn)制符號(hào))，則有Rb Rs log2 N(bit/s)Rs Rb /log2 N (baud)頻帶利用率：傳輸速率與系統(tǒng)