哈工大 通信原理

通信原理

PrinciplesofCommunications哈工大（威海）通信工程系1課程簡介教材及參考書樊昌信等，《通信原理》，國防工業(yè)出版社周炯磐等,《通信原理》

，北京郵電大學(xué)出版社課程內(nèi)容點對點物理層算法級2－第一章緒論－學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及方法熟悉《信號與系統(tǒng)》中傅立葉變換及性質(zhì)熟悉《隨機過程》中的基本概念熟悉各種常用模塊的信號變換關(guān)系基于系統(tǒng)模型掌握各種通信系統(tǒng)實驗教學(xué)硬件實驗軟件仿真SystemViewmatlab3－第一章緒論－第一章緒論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)分類及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標41.1通信的基本概念

在人類社會歷史的長河中，人際之間進行思想情感的交流離不開信息的傳遞。古代的烽火臺、驛站；現(xiàn)代的電報、電話、傳真、電子信箱、廣播、電視等都是傳遞信息的手段和方式。自然界中，人們聽到、觀察到的現(xiàn)象，可用語言、文字、圖像等信息來表達、存儲或傳遞。信息被認為是人類社會重要資源之一，在政治、軍事、生產(chǎn)乃至人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩?－第一章緒論－語言、數(shù)據(jù)、圖像等信息是不能直接在通信系統(tǒng)中傳遞，為此需在發(fā)送端將它們轉(zhuǎn)換成電（光）信號（即信源）來載荷這些信息。電（光）信號經(jīng)通信系統(tǒng)傳送至接收端，收端將電（光）信號還原成語言、數(shù)據(jù)、圖像等信息。

通信就是傳輸信息，以語言、圖像、數(shù)據(jù)為媒體，通過電（或光）信號將信息由一方傳輸?shù)搅硪环健?－第一章緒論－1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型我們把實現(xiàn)信息傳輸所需一切設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體稱為通信系統(tǒng)。以點對點通信為例，通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-1所示。7－第一章緒論－發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備信息源信道受信者噪聲源發(fā)送端接收端圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

8－第一章緒論－發(fā)送端:信息源的作用是把信息轉(zhuǎn)換成原始電信號，該原始電信號稱為基帶信號；

發(fā)送設(shè)備將原始電信號處理成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｋ瓿傻墓δ芎芏?，例如調(diào)制、放大、濾波和發(fā)射等，在數(shù)字通信系統(tǒng)中發(fā)送設(shè)備又常包含信源編碼和信道編碼等。

信道是指信號傳輸通道，按傳輸媒介的不同，可分為有線信道和無線信道兩大類。

噪聲源，是信道中的所有噪聲以及分散在通信系統(tǒng)中其它各處噪聲的集合。9－第一章緒論－接收端：接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，即進行解調(diào)、譯碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始電信號；受信者將復(fù)原電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。10－第一章緒論－1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型

傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。信息源調(diào)制器信道解調(diào)器收信者噪聲源圖1-2模擬通信系統(tǒng)模型

模擬廣播通信系統(tǒng)11－第一章緒論－以語音信號為例來說明下圖模擬通信系統(tǒng)模型各部分的作用。12－第一章緒論－發(fā)信人講話的語音信息首先經(jīng)變換器將語音信息變成電信號（模擬信源），然后電信號經(jīng)放大設(shè)備后可以直接在信道中傳輸。為了提高頻帶利用率，使多路信號同時在信道中傳輸，原始的電信號（基帶信號）一般要進行調(diào)制才能傳輸?shù)叫诺乐腥?。調(diào)制是信號的一種變換，通常是將不便于信道直接傳輸?shù)幕鶐盘栕儞Q成適合信道中傳輸?shù)男盘枺@一過程由調(diào)制器完成，經(jīng)過調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。在收端，經(jīng)解調(diào)器和逆變換器還原成語音信息。13－第一章緒論－1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)?？蛇M一步細分為數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。一、數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)如圖1-3所示。信源編碼的主要任務(wù)是提高數(shù)字信號傳輸?shù)挠行浴Ｐ旁淳幋a器的輸出就是信息碼元,此外，話音和圖像壓縮編碼等都是在信源編碼器內(nèi)完成。接收端信源譯碼則是信源編碼的逆過程。14－第一章緒論－信息源信道噪聲源信源編碼信道編碼調(diào)制器解調(diào)器信道譯碼信源解碼收信者GSM通信系統(tǒng)計算機通過網(wǎng)線連接圖1-3數(shù)字通信系統(tǒng)模型

15－第一章緒論－

信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃??；咀龇ㄊ窃谛畔⒋a組中按一定的規(guī)則附加一些監(jiān)督碼元，以使接收端根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則進行檢錯和糾錯，信道編碼也稱糾錯編碼。接收端信道譯碼是其相反的過程。數(shù)字通信系統(tǒng)還有一個非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)（圖1-3沒有畫出）。它可以使通信系統(tǒng)的收、發(fā)兩端或整個通信系統(tǒng)，以精度很高的時鐘提供定時，以使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流能與發(fā)送端同步、有序而準確地接收與恢復(fù)原信息。16－第一章緒論－二、數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)與頻帶傳輸系統(tǒng)相對應(yīng)，我們把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如圖1-4所示。圖中基帶信號形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。圖1-4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型

17－第一章緒論－數(shù)字通信與模擬通信比較模擬信號與數(shù)字信號

根據(jù)電信號參量是否離散進行判斷二進制與多進制模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)模擬系統(tǒng)接收機必須處理無窮多個波形數(shù)字系統(tǒng)接收機處理已知波形集中有限個波形之一數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點更好的抗失真和干擾的能力18－第一章緒論－容易實現(xiàn)，成本低，更具靈活性差錯控制編碼容易實現(xiàn)保密通信更適合數(shù)字業(yè)務(wù)，容易實現(xiàn)多網(wǎng)合一數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點數(shù)字信號具有更寬的頻帶同步設(shè)備復(fù)雜19－第一章緒論－1834年，高斯與韋伯制造出電磁式電報機；1837年，莫爾斯發(fā)明有線電報；1842年，實現(xiàn)莫爾斯電報通信；1864年，馬克斯韋爾提出電磁輻射方程；1876年，貝爾發(fā)明電話；1896年，馬可尼發(fā)明無線電報；1918年，調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世；1925年，開始采用三路明線載波電話、多路通信；1936年，調(diào)頻無線電廣播開播；通信發(fā)展概況20－第一章緒論－1937年，發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理；1938年，電視廣播開播；1940—1945年，“二次大戰(zhàn)”刺激了雷達和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展；1948年，發(fā)明晶體管，香農(nóng)提出了信息論；1950年，時分多路通信應(yīng)用于電話；1957年，發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星；1958年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星；1960年，發(fā)明激光；1961年，發(fā)明集成電路；21－第一章緒論－1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，脈沖編碼調(diào)制進入實用階段；1960一1970年，彩色電視問世、阿波羅宇宙飛船登月、數(shù)字傳遙的理論和技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)高速數(shù)字電子計算機；1970一1980年，大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)、微處理機等迅速發(fā)展；1980年以后，超大規(guī)模集成電路、長波長光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)崛起；1990年以后，衛(wèi)星通信、移動通信、光纖通信等進一步發(fā)展，DTV(清晰度電視)，HDTV(高清晰度電視)不斷成熟，GPS(全球定位系統(tǒng))廣泛應(yīng)用。2000年以后，GSM，CDMA等移動通信迅速增長，通信飛躍發(fā)展。22－第一章緒論－1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按照媒質(zhì)的類型劃分有線通信系統(tǒng)

用導(dǎo)線或?qū)бw作為傳輸媒質(zhì)完成通信。如架空明線、同軸電纜、海底電纜、光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等。無線通信系統(tǒng)

依靠電磁波在空間傳播達到傳遞信息的目的。如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。23－第一章緒論－按照信道傳輸信號類型劃分模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)按照調(diào)制方式劃分基帶傳輸系統(tǒng)是將沒有經(jīng)過調(diào)制的信號直接傳送。如音頻市內(nèi)電話。頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)是對基帶信號調(diào)制后再送到信道中傳輸。24－第一章緒論－按照信號復(fù)用方式劃分頻分復(fù)用時分復(fù)用碼分復(fù)用按照消息的物理特征劃分電報通信系統(tǒng)電話通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)25－第一章緒論－1.3.2通信方式按消息傳送的方向與時間關(guān)系劃分單工通信半雙工通信全雙工通信單工通信是指信息只能單方向進行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，如圖1-5（a）所示。單工通信的例子很多，如廣播、遙控、無線尋呼等。這里信號只從廣播發(fā)射臺、遙控器和無線尋呼中心分別傳到收音機、遙控對象和BP機上。26－第一章緒論－半雙工通信方式是指通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式，如圖1-5（b）所示。例如無線對講機、收發(fā)報機等都是這種通信方式。全雙工通信是指通信雙方可同時進行雙向傳輸信息的工作方式，如圖1-5（c）所示。例如普通電話、計算機通信網(wǎng)絡(luò)等采用的就是全雙工通信方式。27－第一章緒論－圖1-5通信方式示意圖28－第一章緒論－按數(shù)字信號碼元排列方法劃分并行通信

將代表信息的數(shù)字信號碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號序列同時在信道上傳輸，則稱為并行傳輸通信方式，如圖1-6（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是速度快、節(jié)省傳輸時間，但需占用頻帶寬，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。29－第一章緒論－串行通信將代表信息的數(shù)字信號碼元序列按時間順序一個接一個地在信道中傳輸，如圖1-6（b）所示。通常，一般的遠距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。圖1-6并行和串行通信方式30－第一章緒論－

按照通信設(shè)備與傳輸線路連接劃分專門為兩點之間設(shè)立傳輸線的通信稱為點對點通信（專線通信）。多點間的通信屬于網(wǎng)通信。網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點對點通信。本書重點討論點對點通信。

31－第一章緒論－通信系統(tǒng)舉例－計算機網(wǎng)絡(luò)集線器32－第一章緒論－通信系統(tǒng)舉例-電話網(wǎng)絡(luò)移動業(yè)務(wù)交換中心市話局中繼線Modem33－第一章緒論－1.4信息及其度量通信的目的在于信息的傳遞和交換。人們常將語言、文字、圖像和數(shù)據(jù)等信息的傳遞俗稱消息的傳遞。信息可理解為消息中所含有的特定內(nèi)容。如鐵路系統(tǒng)運送貨物量多少采用“貨運量”（不管運送什么貨物）來度量，通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。當人們在通信中獲得消息之前，對它的特定內(nèi)容有一種“不確定性”，事件的不確定程度只能就其出現(xiàn)的概率來描述。34－第一章緒論－信息量與消息的種類、特定內(nèi)容及重要程度無關(guān)，它僅與消息中包含的不確定度有關(guān)。也就是說消息中所含信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息發(fā)生概率愈小，愈使人感到意外和驚奇，則此消息所含的信息量愈大。例如，一方告訴另一方一件幾乎不可能發(fā)生的消息包含的信息量比可能發(fā)生的消息包含的信息量大。如果消息發(fā)生的概率趨于零（不可能事件），則它的信息量趨于無窮大；如果消息發(fā)生的概率為1（必然事件），則此消息所含的信息量為零。35－第一章緒論－在信息論中，單個消息所含信息量I與消息x出現(xiàn)概率p(x)的關(guān)系式為

I代表兩種含義：當事件x發(fā)生以前，表示事件x發(fā)生的不確定性；當事件x發(fā)生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。信息量的單位由對數(shù)底的取值決定。

a=2,比特（bit—binaryunit的縮寫）；

a=10,哈特萊（nat—natureunit的縮寫）；

a=e,奈特（Hart—Hartley的縮寫）。通常采用“比特”作為信息量的實用單位。36－第一章緒論－離散信源等概M個消息之一M進制波形之一，且概率相等,每個波形攜帶信息量若M=2k,I=k(bit)非等概37－第一章緒論－最大信源熵發(fā)生在信源的每個符號等概獨立出現(xiàn)時，最大信源熵為38－第一章緒論－39－第一章緒論－以上我們討論了離散消息的度量。類似，關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量（相對熵）為式中,f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。有興趣的同學(xué)，可參考信息論有關(guān)專著。40－第一章緒論－1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標通信的有效性和可靠性