通信原理電子教案課件

2009年9月主講教師：邢林海：：前言教材：《現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用》，苗長(zhǎng)云等編著，電子工業(yè)出版社本教材有一定深度，希望同學(xué)們一定要結(jié)合其他參考書來(lái)學(xué)習(xí)。推薦參考書：《通信原理》，樊昌信，國(guó)防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理》，沈葆鎖，國(guó)防工業(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理習(xí)題指南》，上書的配套習(xí)題準(zhǔn)備考天大研究生的同學(xué)尤其要關(guān)注這兩本書前言（續(xù)）課時(shí)安排：理論課（60）實(shí)驗(yàn)（15）每周一、三：上理論課每周五（本周除外）：算實(shí)驗(yàn)課時(shí)（不上課）答疑：地點(diǎn)：主A514時(shí)間：每周二晚（18:30~21:00）每周四晚（18:30~21:00）第一章緒論主要內(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(biāo)重點(diǎn)為§1.4和§1.5§1.1通信的基本概念一、通信的幾種定義（1）通信的通俗定義：一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳遞消息的過(guò)程（2）通信的專業(yè)定義：利用電（或光）信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（如振幅、頻率等）的變化承載信息，在特定物理媒介（稱“信道”）中傳輸、交換和處理的過(guò)程。（3）數(shù)字通信的本質(zhì)定義（引用美國(guó)數(shù)學(xué)家和信息論創(chuàng)始人Shannon的話）：通信是在一點(diǎn)盡力恢復(fù)另一點(diǎn)“選擇”的過(guò)程§1.1通信的基本概念（續(xù)）二、信號(hào)的基本分類消息的載體是信號(hào)，而信號(hào)可分為兩大類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)連續(xù)的模擬信號(hào)tt離散的模擬信號(hào)多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)連續(xù)的數(shù)字信號(hào)（4進(jìn)制）t（秒）00011011010123稱為1個(gè)碼元周期Tb注意：在多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)中，碼元≠比特1234§1.2通信系統(tǒng)的組成由前面通信的定義，我們可知，要完成通信的過(guò)程至少要有：發(fā)送信息者（稱“信源”）接收信息者（稱“信宿”）傳輸信息的通道（稱“信道”）但是很多信號(hào)（如語(yǔ)音），如果不經(jīng)過(guò)處理，傳輸距離很短，而且很容易被干擾；所以在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，需要“發(fā)送設(shè)備”和“接收設(shè)備”，它們作用就是使信號(hào)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，質(zhì)量更好；它們具體包含了那些部件，其實(shí)就是我們這門課要討論的主要內(nèi)容?！?.2.1通信系統(tǒng)的一般模型如下圖所示：信源在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備，如麥克風(fēng)等發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備信宿如調(diào)制器、功率放大器、天線等如雙絞線、光纖、同軸電纜等。注意：自由空間也是一種信道是一種隨機(jī)信號(hào)，對(duì)通信有害，但不可避免。與是發(fā)送設(shè)備處理的“逆過(guò)程”在本書中，特指將電信號(hào)還原成原始信息的設(shè)備，如揚(yáng)聲器等§1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿人的語(yǔ)音頻率在300Hz到4000Hz之間，無(wú)法通過(guò)天線發(fā)射出去從這個(gè)過(guò)程中我們可以知道，實(shí)際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能§1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)又可分為數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（用以傳輸數(shù)字基帶信號(hào)）數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（又稱“數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)”，用以傳輸數(shù)字頻帶信號(hào)）那么，什么是“數(shù)字基帶信號(hào)”？什么是“數(shù)字頻帶信號(hào)”呢？補(bǔ)充知識(shí)：基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)基帶信號(hào)：很多信源輸出的信號(hào)，含有豐富的低頻成分，即，其頻譜在低頻附近（例如我們說(shuō)的語(yǔ)音在300~4kHz，再例如數(shù)字電路輸出的TTL信號(hào)）。這些信號(hào)我們統(tǒng)稱為基帶信號(hào)頻帶信號(hào)：將基帶信號(hào)從低頻段調(diào)制到高頻段后的信號(hào)（又稱“已調(diào)信號(hào)/已調(diào)波”）2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型

（教材P3的圖1.3,大家可加上“頻帶”2字）信源可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計(jì)算機(jī)）信源編碼如果信源是數(shù)字信源，主要對(duì)其壓縮、加密等；如果是信源是模擬信源，則先進(jìn)行A/D變換再進(jìn)行壓縮、加密信道編碼主要功能是檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，將在第12章詳細(xì)介紹。主要目的是為了保證通信的可靠性數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h(yuǎn)、更多、更抗干擾，將在第8章詳細(xì)介紹信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼信宿是發(fā)送端處理的“逆過(guò)程”，不再贅述隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調(diào)制有融合的趨勢(shì)怎樣理解信源編碼和信道編碼信源編碼：根據(jù)信源的特點(diǎn)進(jìn)行的相應(yīng)的編碼處理（主要指的是壓縮）。例如語(yǔ)音可采用PCM編碼（第6章要講），靜止圖像有jpg編碼，動(dòng)態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂(lè)有mp3編碼等等…可以看出不同的信源往往有不同的信源編碼（這是因?yàn)椴煌男旁吹慕y(tǒng)計(jì)特性是不同的）目的：提高通信的有效性怎樣理解信源編碼和信道編碼信道編碼：根據(jù)信道的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的編碼，以使信號(hào)適合在這種信道中傳輸，主要指的是檢錯(cuò)、糾錯(cuò)。如在計(jì)算機(jī)中普遍用的CRC(循環(huán)冗余)編碼等不同的信道往往采用不同的信道編碼（因?yàn)椴煌男诺烙胁煌恼`碼特性）目的：提高通信的可靠性§1.3.1通信系統(tǒng)的分類（續(xù)）按通信系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)種類分電報(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Service按復(fù)用的方式分頻分復(fù)用（FDM）通信系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng)碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng)在11章將詳細(xì)介紹這些復(fù)用方式并不互相排斥，可能同時(shí)使用在一個(gè)通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時(shí)使用了TDM和CDM§1.3.2通信的方式1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系劃分通信方式分：§1.3.2通信的方式（續(xù)）2、按數(shù)字信號(hào)碼元排列方式劃分通信方式如打印機(jī)與計(jì)算機(jī)之間如USB、RS-232等§1.4信息及其量度(重點(diǎn)章節(jié))鐵路系統(tǒng)運(yùn)送貨物量多少采用“貨運(yùn)量”（不管運(yùn)送什么貨物）來(lái)度量通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來(lái)度量。注意：信息量的大小實(shí)際上與內(nèi)容無(wú)關(guān)一個(gè)消息對(duì)于接收者很有價(jià)值（即信息量大）在于這個(gè)消息是他不知道的事情或覺(jué)得不可能發(fā)生的事情（即小概率事件）?！?.4信息及其量度（續(xù)）即，一條信息發(fā)生的概率越小，信息量越大；概率越大（一種極端情況是“必然的事情”信息量為0）則信息量越小于是，對(duì)于一條信息x，人們用下列公式表示其信息量I：（式1-4-1）

之所以取對(duì)數(shù)是由于信息量的“累加性”決定的§1.4信息及其量度（續(xù)）信息量的單位由對(duì)數(shù)底的取值決定。若對(duì)數(shù)以2為底時(shí)單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）；若以e為底時(shí)單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）；若以10為底時(shí)單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）。通常采用“比特”作為信息量的實(shí)用單位。同學(xué)們要掌握的[例題1.4.1]（解）[例題1.4.1]（解）稱為信息熵，因?yàn)槠渫ㄓ霉綖檫@個(gè)公式與物理熱力學(xué)中的熵很相似。但熱力學(xué)中的熵總是增加的，而信息熵在通信過(guò)程中則總是減小的。請(qǐng)注意其量綱（即信息熵）§1.5通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)(重點(diǎn)章節(jié))通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題二者是“對(duì)立統(tǒng)一”體例如：在一段固定時(shí)間的強(qiáng)干擾下，傳輸速率越大則誤碼越多；檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼加入的冗余信息越多，則越可靠§1.5.1模擬通信系統(tǒng)的指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用所傳信號(hào)的有效傳輸帶寬來(lái)表征。例如收音機(jī)調(diào)幅電臺(tái)的帶寬通常在10kHz左右，而調(diào)頻電臺(tái)的帶寬通常在180kHz左右模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)用整個(gè)通信系統(tǒng)的輸出信噪比來(lái)衡量。調(diào)頻的音質(zhì)明顯好于調(diào)幅電臺(tái)§1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)的指標(biāo)一、有效性指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)用傳輸速率和頻帶利用率來(lái)表征。1、傳輸速率傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb

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信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號(hào)“bit/s”表示。碼元速率RB與信息速率Rb的關(guān)系在等概率條件下，4進(jìn)制符號(hào)每符號(hào)的概率為1/4，所含信息量為2bit8進(jìn)制符號(hào)每符號(hào)的概率為1/8，所含信息量為3bit……可以看出對(duì)于等概率N進(jìn)制信源每傳1個(gè)符號(hào)等于傳了log2N(bit)信息，所以對(duì)于考研同學(xué)的擴(kuò)展知識(shí)若信源各符號(hào)不是等概率的，則注意：這和上頁(yè)的結(jié)論并不矛盾。因?yàn)镹進(jìn)制等概率的信源的熵就是log2N(bit/符號(hào))有效性指標(biāo)之2、頻帶利用率又分為碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率碼元頻帶利用率：數(shù)字通信系統(tǒng)的碼元速率RB與其所占頻率帶寬B的比值，即信息頻帶利用率數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率Rb