電子科技大學(xué)通信原理(李曉峰版)第1章(緒論)課件

1/17/20231上課學(xué)時：56學(xué)時答疑地點：科B232(A)答疑時間：周二、周四下午2：30---4：001/17/20232我命在我，不在天地。天助自助者。主動還是被動是成功與失敗的關(guān)鍵。梅花香自苦寒來。上好每堂課，做好每次作業(yè)。學(xué)會讀書，讀專業(yè)書，讀文學(xué)作品（修身養(yǎng)性）。從現(xiàn)在做起。1/17/20233第1章緒論1/17/20235現(xiàn)代信息社會中，充分利用與交流信息——通信通信原理——闡述通信及其系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)與分析方法。1.1通信的基本概念1.2歷史回顧1.3信源與常見的消息1.4信道1.5頻帶與電波傳播1.6數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)1.7通信網(wǎng)絡(luò)1/17/202361.1

通信的基本概念

1/17/20237

信號波形的中心頻率及其帶寬。

信號波形的功率和能量。

信號波形的抗干擾能力如何？

在發(fā)送端：產(chǎn)生該波形的代價如何？

在接收端：檢測該波形的代價又如何？信號波形設(shè)計取決于如下幾個因素：1/17/202392.通信系統(tǒng)（communicationsystems）TransmitterReceiverChannel信源：一個換能器其他能量電能信宿:一個換能器電能其他能量原始信息信號原始信息信號通信系統(tǒng)——發(fā)送器，信道與接收器。InformationsourceInformationsink終端：1）信源——發(fā)信者2）信宿——接收者1/17/202310發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信息信號來。信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。1/17/202311摩爾斯電報系統(tǒng)——最古老的電信系統(tǒng)，傳送文字消息。誕生于1837年，以不同長度的聲音表示字符——電碼信號。電子系統(tǒng)——通過電信號來實現(xiàn)信息的傳遞術(shù)語：“通信”與“電信”。（communication）（telecommunication）1/17/202313兩種基本通信方式：廣播方式：信息同時送到多個收信者點—點方式：一個信源對一個收信者基于傳輸方向的特點：單工系統(tǒng)：只能沿一個固定方向傳輸信息。如，電視廣播中、遙測、遙控、無線尋呼雙工系統(tǒng)：能夠同時沿兩個方向傳輸信息。如，電話通信。半雙工系統(tǒng)：任何時候只能沿一個方向傳輸信息，但可以切換傳輸方向。如，對講機通信。

1/17/202314發(fā)端收端信道（1）單工系統(tǒng)（2）雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端信道（3）半雙工系統(tǒng)收端發(fā)端信道收端發(fā)端1/17/202315要求：了解到200多年來通信的發(fā)展歷程：電報與電話通信的重要作用收音、電視廣播、衛(wèi)星通信、移動電話系統(tǒng)等重要的系統(tǒng)數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化過程信息論與通信理論的發(fā)展通信朝著數(shù)字化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、移動與個人化方向發(fā)展1/17/2023171.3

信源與常見的消息

1/17/202318數(shù)字信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）數(shù)是有限的

如：計算機的輸出模擬信源:產(chǎn)生的消息的狀態(tài)（取值）是連續(xù)變化的、數(shù)目無限的。1.3.1數(shù)字與模擬信源如：鍵盤。如：語音源。2.數(shù)字與模擬信源1.信息、消息與信號Digitalandanaloginformationsource如：漢字集。1/17/202319數(shù)字消息序列：其中xm

取中N個值之一。圖1.3.1數(shù)字消息信號示例1/17/2023213.數(shù)字與模擬信源的基本指標(biāo)符號速率：M元數(shù)字信源：指數(shù)字信源具有M種符號最基本的是二元數(shù)字信源：具有2種符號，可以用1位二進制編碼表示，稱為1bit.多元數(shù)字信源：如M元，可以用n位二進制編碼表示數(shù)字信源的基本指標(biāo):消息符號數(shù)字信源的元數(shù)：一般，1/17/202322例：假設(shè)計算機的終端鍵盤上有110字符，每個字符用二進制代碼組來表示。問每個字符需要用幾位二進制代碼?解:故需要7bits代碼來表示每個字符.1/17/202323模擬信源的基本指標(biāo):頻帶的寬度（赫或赫茲，Hz）

如：語音的音量電信號電信號1/17/202325

(補充)

數(shù)字波形與模擬波形（傳輸波形）對于數(shù)字信源可以用二元（二進制）波形（信號）傳輸，也可以用多元（多進制）波形（信號）傳輸。數(shù)字波形：信號的傳信息的參量只取有限個值。二進制（binary）信號:1bit二進制代碼用一個脈沖傳，故在一個Ts時隙內(nèi)傳兩種不同的脈沖之一.Ts：Timeslot1/17/202326例1：二進制波形（二電平波形）電平A和0抽象為符號和，兩個符號稱為二元（二進制）符號。符號周期或碼元寬度數(shù)字基帶信號信道符號頻譜在零頻附近1/17/202327傳輸速率：比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)

單位:bits/sb/sbps符號速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖數(shù)（符號數(shù)）

單位:symbol/sBaudBdRb和Rs的關(guān)系:信道符號1/17/202329對于模擬信源模擬波形：信號的傳信息的參量的取值是連續(xù)變化的模擬波形在模擬通信系統(tǒng)中傳輸。模擬波形經(jīng)過A/D變換變成數(shù)字波形，也可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸。1/17/202330數(shù)字消息——用離散型隨機變量描述N元消息源:數(shù)字消息序列——隨機序列1.3.2隨機信號與確定信號隨機性——信息對于接收者必須是新的，即事先未知的且無法預(yù)知的。數(shù)字信號（波形）——隨機波形1/17/202331模擬消息——用連續(xù)型隨機變量描述模擬消息信號是隨機過程x(t)，概率密度函數(shù)fx(t)(x)通信系統(tǒng)中的確定信號：正弦波與矩形脈沖等，用于協(xié)助傳送消息信號通信系統(tǒng)中常常傳送：1/17/2023321.3.3信息的度量單個消息的信息量

設(shè):離散信源X蘊含的信息量為：消息攜帶的信息量的大小與消息出現(xiàn)的不確定程度有關(guān)。1/17/202333以2為底時單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）以e為底時單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）以10為底時單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）注意：對于單條消息，其pi越小，則Ii越大；Ii大小與消息的內(nèi)容是否有實際意義無關(guān)1/17/2023343.信息速率（熵率）一個信源的信息速率為:其中:H為信源熵.

T

為發(fā)送一條消息的時間.

R

為每秒內(nèi)發(fā)送的信息量從信息的角度看，熵與熵率是信源的基本指標(biāo)。2.信源熵H(X)數(shù)字信源每個符號出現(xiàn)所帶來的平均信息量entropy1/17/202335例1.1二元消息源X1、X2與X3的取值概率為：

解：1/17/202336例1.2數(shù)字信源X—4元等概，Y—2元等概，求它們的熵。

解：1/17/202337例：計算信息速率。某電話鍵盤:0,1,…9,*,#，其中P[*]=P[#]=0.005，P[0]=P[1]=…=P[9]=0.099。如果按鍵速率為2keys/s,計算該信源的信息速率解:作業(yè)：1.21.41.61/17/202338（自學(xué)）要求：了解各種消息源的特點及基本指標(biāo)1/17/202339模擬消息1/17/202340模擬消息1/17/202341模擬消息1/17/202342數(shù)字消息1/17/2023431.4

信道

1/17/202344信道——介于發(fā)信者與收信者之間，供消息信號經(jīng)過的通道，是傳輸電、電磁波或光信號的物理媒質(zhì)。兩大類：（1）有線信道：普通導(dǎo)線、電話線、電纜、波導(dǎo)與光纖；（2）無線信道：大氣、真空與海水等。1/17/202345引入乘性噪聲1.4.1信道的影響1.加性噪聲——以相加的形式混入的噪聲。噪聲是隨機的，典型的為熱噪聲。其他干擾：1）自然界的干擾，如雷電等；2）人為干擾。2.信道的傳輸特性可能引起信號的畸變，使信號發(fā)生某種形式的失真。變參信道——參數(shù)特性是時變的，甚至是隨機變化的。1/17/2023461.4.2加性噪聲信道模型加性信道一般模型：加性高斯白噪聲信道（AWGN）——通常n(t)為熱噪聲，具有高斯白噪聲特性，功率譜密度值：，反映的是每Hz頻帶內(nèi)噪聲的平均功率。1/17/202347全通濾波器:帶通濾波器:低通濾波器:理想信道模型:線性時不變系統(tǒng)1/17/202348（自學(xué)）要求：了解各種信道的特點及基本指標(biāo)（帶寬）1/17/2023491/17/202350光纖有以下的一些獨特的優(yōu)點：頻帶寬，容量大：潛在帶寬可達Hz2.傳輸損耗低：無中繼傳輸幾百公里。3.光信號不受電磁干擾，抗噪聲好、保密性強。4.體積小、質(zhì)量輕、易于使用；材料豐富、價格低廉。長途電話網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)中常用光纖作為其傳輸媒質(zhì)。

1/17/2023511/17/2023521/17/2023531/17/2023541.5

頻帶與電波傳播

1/17/2023551.5.1頻帶的名稱頻帶——某個頻率范圍。頻率與波長關(guān)系：

信號的頻帶（帶寬）——信號的絕大部分能量或功率集中的頻率范圍。信道的頻帶（帶寬）——信道能傳送信號的頻率范圍。1/17/202356海底通信等調(diào)幅廣播等短波廣播等頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

1/17/202357頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

調(diào)頻廣播、電視廣播等微波通信、電視廣播、個人通信系統(tǒng)等光通信1/17/202358幾千赫以上的信號可以用于無線電通信，電波傳播特性主要由其頻率值決定。要有效地輻射電磁能量，天線的物理尺寸必須大于電磁波波長的1/10中頻、低頻、甚低頻3MHz以下1.5.2無線電波的傳播地波模式——電波沿地表面彎曲傳播的方式。較低頻率電波的主要傳播方式，如，MF的調(diào)幅(AM）廣播。1/17/202359天波模式——電波經(jīng)天空中的電離層反射而折回地面的傳播方式。HF（3~30MHz）電波主要以天波模式傳播。位于地面上方60~400km處D,E,F1,F2層1/17/202360電離層——大氣層中環(huán)繞地球的離子層?；疽?guī)律：白天由于太陽充足，D層濃度高，能大量吸收2MHz以下的電波；夜晚D層濃度低，電波可達F層，30MHz以下的電波反射回來。常見問題是多徑傳播，造成頻率選擇性衰落。1/17/2023612.也可以用于地面的視距傳播1.30M以上的電磁波向上傳播時會穿過電離層而不被反射回來，可以用于衛(wèi)星通信和外太空通信視線傳播模式——電波像光波作直線傳播的方式，是VHF及更高的頻率（30MHz以上）電波的主要工作模式?？捎糜谛l(wèi)星和外太空通信。1/17/202362視距的計算：在地面應(yīng)用時，地球表面的彎曲限制了傳播的距離。1/17/202363（自學(xué)）1.5.3無線頻譜及其管理無線信道是人類共有的自由空間，開放給所有發(fā)送與接收用戶的共享資源。為了維護秩序，協(xié)調(diào)通信應(yīng)用，減少干擾，各個國家都建立了有關(guān)政府部門進行管理。國際機構(gòu)為國際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)，其前身是:國際電話與電報咨詢委員會（CCITT）和國際無線電咨詢委員會（CCIR）。1/17/202364FrequencyDivisionMultiplexing管理無線頻帶的基本方法1.5.4頻分復(fù)用（FDM）頻分復(fù)用——

多個信號錯開頻率位置共用頻帶的方法FDM這種思想也大量用在有線信道內(nèi)。從FDM可見，帶寬是信道本質(zhì)上的資源。1/17/2023651.6數(shù)字與模擬

通信系統(tǒng)

1/17/2023661.6.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)——信道中傳輸模擬波形的通信系統(tǒng)。信源調(diào)制器發(fā)射機信道接收機解調(diào)器信宿噪聲發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備系統(tǒng)的核心：調(diào)制與解調(diào)單元?；鶐盘柣鶐盘?/17/202367調(diào)制——借助于正弦載波形成頻帶信號：R(t)或θ(t)（或兩者同時）隨信息m(t)變化。調(diào)制：基帶信號頻帶信號modulation依據(jù)變化方式的不同，調(diào)制有各種制式，相應(yīng)的帶寬與抗噪聲能力也不同。解調(diào)——調(diào)制的逆過程。解調(diào)：頻帶信號基帶信號demodulation調(diào)制解調(diào)器（modem）1/17/2023681.6.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)——信道中傳輸數(shù)字波形的通信系統(tǒng)。一個較為完善的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)：

基本的——白色實線框；可選的——灰色虛線框。1/17/202369收發(fā)兩端結(jié)構(gòu)基本對稱，相應(yīng)的單元彼此互逆。1/17/202370信道噪聲接收設(shè)備信源信宿格式化脈沖基帶調(diào)制發(fā)送設(shè)備信源編碼信道編碼加密頻帶調(diào)制發(fā)射機格式化脈沖基帶檢測信源譯碼信道譯碼解密頻帶解調(diào)接收機數(shù)字通信系統(tǒng)簡化模型信號處理信號處理基帶信號基帶信號1/17/202371發(fā)格式化：把來自信源的消息信號整理為二進制序列。收格式化：把收到的二進制序列還原為原始消息信號。格式化：對于模擬信源，格式化還包括A/D和D/A變換。

脈沖基帶調(diào)制和基帶檢測脈沖基帶調(diào)制:

把二進制序列變換成二元或多元傳輸波形基帶檢測:把二元或多元傳輸波形還原為二進制序列。通過對基帶波形進行抽樣和判決實現(xiàn)。

同步單元為整個數(shù)字傳輸系統(tǒng)提供各種定時時鐘，使各個單元能夠正確、有序地工作。1/17/202372信源編碼和信源譯碼

信源編碼:為了改善傳輸效率（壓縮編碼）

信源譯碼:為了恢復(fù)原始信號，作相反的變換

信道編碼和信道譯碼

信道編碼:為了改善傳輸?shù)目煽啃裕ㄐ诺兰m錯編碼）

信道譯碼:為了恢復(fù)原始信號，作相反的變換

加密和解密

加密:為信息傳輸提供保密性

解密:作相反的變換1/17/202373數(shù)字通信系統(tǒng)(相比模擬系統(tǒng))突出的優(yōu)點：（1）信號狀態(tài)有限，抗干擾能力強，可實現(xiàn)低誤碼率。中繼再生可以避免噪聲積累，利于長距離傳輸；（2）由信道糾錯編碼技術(shù)可進一步降低誤碼率；（3）易于進行加密處理；（4）易于進行壓縮，以減少冗余度，提高信道利用率。（5）易于不同種類的信源數(shù)據(jù)，共用數(shù)字通信系統(tǒng)；（6）便于計算機與網(wǎng)絡(luò)通信；缺點：（1）通常需要更多的帶寬；（2）復(fù)雜的同步系統(tǒng)。1/17/202374characteristicsmeasure1.6.3通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)：有效性——給定的時間內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少；可靠性——接收到的信息的準(zhǔn)確程度。1/17/202375數(shù)字通信系統(tǒng)比特率:Rb

每秒傳輸?shù)腷it數(shù)單位:bits/sb/sbps符號速率（波特率）:Rs每秒傳輸?shù)拿}沖（信道符號）數(shù)單位:symbol/sBaudBd頻帶利用率：平均每赫茲所能提供的傳輸速率（bps/Hz）。B:數(shù)字波形的帶寬Rb:數(shù)字波形的bit率1.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性：傳輸速率：

碼元速率1/17/2023762.數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性：

誤比特率(BER):模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)的有效性——傳輸帶寬；模擬通信系統(tǒng)的可靠性——接收端輸出信號的信噪比（SNR）1/17/2023776.4信道的容量1.

信道容量C:

即能通無誤過信道的最大信息速率.香農(nóng)指出——信道有一個傳輸信息的“能力”，稱為信道容量，是無差錯傳輸?shù)乃俾噬辖纭?channelcapacity)1/17/2023782.香農(nóng)公式設(shè):信道H(w)=1，BW=B信道帶寬為BHzAGWNN:信號帶寬內(nèi)的噪聲功率則:揭示了通信系統(tǒng)的容量與帶寬、信號功率和噪聲功率之間的關(guān)聯(lián)。shannonformula1/17/2023793.香農(nóng)公式的意義其中:為信道三要素（1）當(dāng)給定B、S/N時，信道的極限傳輸能力C（信道容量）即確定。如果信道實際的信息傳輸速率R小于或等于C時，此時能做到無差錯傳輸（差錯率可任意小）。如果R大于C，那么無差錯傳輸在理論上是不可能的。1/17/202380（2）提高信噪比S/N（通過減少n0或增大S），可提高信道容量C。特別是，若，則，這意味著無干擾信道容量為無窮大；（3）增加