黑大《通信原理》課件第一章

第1章緒論1．1通信的基本概念1．2通信系統(tǒng)的組成1．3通信系統(tǒng)分類與通信方式1．4信息及其度量1．5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)1．1通信的基本概念通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。消息（message）:是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映.例如，話音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等.人們接收消息，關(guān)心的是消息中所包含的有效內(nèi)容，即信息（information）。通信則是把消息從一方傳送到另一方?！巴ㄐ拧笔恰靶畔鬏敗被颉跋鬏敗?。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。1．2通信系統(tǒng)的組成1．2.1通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)目的地。電通信

1．信息源

信息源（簡(jiǎn)稱信源）的作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。信息源模擬信源輸出連續(xù)的模擬信號(hào)數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號(hào)通信系統(tǒng)2．發(fā)送設(shè)備

發(fā)送設(shè)備的作用是產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，即使發(fā)送信號(hào)的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干擾的能力，并且具有足夠的功率以滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰０l(fā)送設(shè)備可能包含變換、放大、濾波、編碼、調(diào)制等過程。對(duì)于多路傳輸系統(tǒng)，發(fā)送設(shè)備中還包括多路復(fù)用器。通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)

3．信道

信道是一種物理媒質(zhì)，用來將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端。 在無線信道中，信道可以是自由空間； 在有線信道中，可以是明線、電纜和光纖。信道既給信號(hào)以通路，也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲。

噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表示。 噪聲通常是隨機(jī)的，形式多樣的，它的出現(xiàn)干擾了正常信號(hào)的傳輸。通信系統(tǒng)4．接收設(shè)備

接收設(shè)備的功能是將信號(hào)放大和反變換（如譯碼、解調(diào)等），其目的是從收到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。5．受信者受信者（簡(jiǎn)稱信宿）其功能與信源相反，即把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息1．2．2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型消息連續(xù)消息離散消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或不可數(shù)的是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的消息的傳遞是通過它的物理載體——電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位，

脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號(hào)參量的取值方式不同，信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)電信號(hào)的參量取值連續(xù)（不可數(shù)、無窮多）模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這里連續(xù)的含義是指信號(hào)的某一參量連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)電信號(hào)的參量?jī)H可能取有限個(gè)值，指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散按照信道中傳輸?shù)男盘?hào)通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)1．模擬通信系統(tǒng)模型原始電信號(hào)基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)帶通信號(hào)頻帶信號(hào)應(yīng)有兩個(gè)基本特征：一是攜帶有信息；二是適應(yīng)在信道中傳輸連續(xù)消息2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)（DigitalCommunicationSystem，DCS）1）信源編碼與譯碼a）信源編碼有基本功能： 一是提高信息傳輸?shù)挠行?，即通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。碼元速率決定傳輸所占的帶寬。 二是模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換，即當(dāng)信息源輸出的是模擬信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸b）信源譯碼是信源編碼的逆過程

2）信道編碼與譯碼

信道編碼的目的是增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力。為了減小差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元）“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按相應(yīng)的逆規(guī)則進(jìn)行解碼，從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，提高通信系統(tǒng)的可靠性。

3）加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安全，人為地將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息。

4）數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。

5）同步同步是使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致，是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。按照同步的功用不同，分為載波同步、位同步、群（幀）同步和網(wǎng)同步。1．2．3數(shù)字通信的特點(diǎn)與模擬通信相比，數(shù)字通信具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。

1）抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。

2）傳輸差錯(cuò)可控。

3）便于用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)。

4）易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。

5）易于加密處理，且保密性好。數(shù)字通信的缺點(diǎn)是，一般需要較大的傳輸帶寬。1．3通信系統(tǒng)分類與通信方式1．3．1通信系統(tǒng)的分類

1．按通信業(yè)務(wù)分類電報(bào)通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)圖像通信系統(tǒng)等。最為發(fā)達(dá)普及綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)適用于各種類型業(yè)務(wù)的消息傳輸

2．按調(diào)制方式分類根據(jù)信道中傳輸?shù)男盘?hào)是否經(jīng)過調(diào)制基帶傳輸系統(tǒng)帶通（頻帶或調(diào)制）傳輸系統(tǒng)是將未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如市內(nèi)電話、有線廣播是對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸

3．按信號(hào)特征分類按照信道中所傳輸?shù)男盘?hào)模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)4．按傳輸媒質(zhì)分類有線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)是用導(dǎo)線（如架空明線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等）作為傳輸媒質(zhì)如市內(nèi)電話、有線電視、海底電纜通信等。是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。

5．按工作波段分類按通信設(shè)備的工作頻率或波長(zhǎng)長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、遠(yuǎn)紅外線通信等

6．按信號(hào)復(fù)用方式分類傳輸多路信號(hào)的復(fù)用方式頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用碼分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號(hào)1．3．2通信方式

1．單工、雙工和全雙工通信對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系通信方式單工半雙工全雙工通信（1）單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞街挥幸粋€(gè)進(jìn)行發(fā)送，另一個(gè)只能接收。2）半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式（3）全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道單工半雙工

2．并行傳輸和串行傳輸在數(shù)據(jù)通信中，按數(shù)據(jù)代碼排列的方式不同信號(hào)傳輸方式并行傳輸串行傳輸（1）并行傳輸是將碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸優(yōu)勢(shì)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快。

不需要另外的措施就實(shí)現(xiàn)了收發(fā)雙方的字符同步。缺點(diǎn)：是需要n條通信線路，成本高，只用于近距離通信（2）串行傳輸是將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸，遠(yuǎn)距離數(shù)字傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道

缺點(diǎn)：速度慢，需要外加同步措施以解決收、發(fā)雙方碼組或字符的同步問題。1．4信息及其度量一、信息量假設(shè)P(x)表示消息發(fā)生的概率，I表示消息中所含的信息量，有：（1）消息中所含的信息量是該消息出現(xiàn)的概率的函數(shù)，（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小；且當(dāng)P(x)＝1時(shí)，I＝0；P(x)＝0時(shí)，I＝∞。（3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，（信息具有相加性）消息x所含的信息量定義對(duì)數(shù)的底a信息量的單位2比特(bit)，簡(jiǎn)記be奈特(nat)10哈特萊（Hartley）[例]設(shè)一個(gè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個(gè)輸出的信息含量為二、等概率出現(xiàn)的信息量對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P＝1／M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為三、離散信息源的熵設(shè)離散信源是一個(gè)由M個(gè)符號(hào)組成的集合，每個(gè)符號(hào)xi（i＝1，2，3，…，M）按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，平均信息量（信息源的熵）當(dāng)P(xi)=1/M（每個(gè)符號(hào)等概率獨(dú)立出現(xiàn)）時(shí)，信源的熵有最大值。[例]一離散信源由0，1，2，3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8,且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。四、連續(xù)信息源的熵f(x)為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度1．5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性可靠性適應(yīng)性經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)性可維護(hù)性等從研究信息傳輸?shù)慕嵌仁侵饕?/p>

a)有效性是指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；

b)可靠性則是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，并且還可以進(jìn)行互換。一、模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性

1)有效性用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。話音信號(hào)的單邊帶調(diào)幅（SSB）占用的帶寬僅為4kHz，話音信號(hào)的寬帶調(diào)頻（WBFM）占用的帶寬則為48kHz(調(diào)頻指數(shù)為5時(shí))2)可靠性用接收端解調(diào)器輸出信噪比來度量。輸出信噪比越高，通信質(zhì)量就越好。調(diào)頻信號(hào)的抗干擾能力比調(diào)幅的好二、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性

1)有效性用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。傳輸速率有碼元傳輸速率和信息傳輸速率（1）碼元傳輸速率RB，又稱碼元速率、傳碼率。定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Band），簡(jiǎn)記為B。如，某系統(tǒng)每秒內(nèi)傳送2400個(gè)碼元，則該系統(tǒng)的傳碼率為2400B。沒有限定這時(shí)的碼元是何種進(jìn)制。若每個(gè)碼元的長(zhǎng)度為T秒，（2）信息傳輸速率Rb，簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率。定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為b/s或bps。在“0”、“1”等概率出現(xiàn)的二進(jìn)制碼元的傳輸中，每個(gè)碼元含有1b的信息量，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。在采用多（M）進(jìn)制等概率碼元的傳輸中，由于每個(gè)碼元攜帶log2M比特的信息量在八進(jìn)制（M＝8）中，已知碼元速率為1200B，