2014課件通信原理第1章

通信原理

夏冬240925851392095643063081913@dxia@二0一四年

課程總體介紹選用教材《通信原理》第6版樊昌信曹麗娜編著國防工業(yè)出版社說明參考書《現(xiàn)代通信原理》曹志剛錢亞生清華大學(xué)出版社學(xué)時分配：（通信原理Ⅱ總學(xué)時80）☆課堂教學(xué)66學(xué)時☆實驗教學(xué)12學(xué)時（必作實驗每實驗2學(xué)時）☆總復(fù)習(xí)4學(xué)時第1章緒論4學(xué)時4學(xué)時第2章確知信號1學(xué)時第4章信道3學(xué)時第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)6學(xué)時第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)10學(xué)時第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)8學(xué)時第8章新型數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)4學(xué)時第9章模擬信號的數(shù)字傳輸7學(xué)時第10章數(shù)字信號的最佳接收5學(xué)時第11章差錯控制編碼9學(xué)時第12章正交編碼與偽隨機序列2學(xué)時第13章同步原理5學(xué)時實驗1數(shù)字基帶信號實驗2數(shù)字調(diào)制實驗3數(shù)字解調(diào)實驗4PCM實驗5TDM數(shù)字基帶系統(tǒng)實驗6TDM數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)說明－學(xué)時分配：（通信原理Ⅰ總學(xué)時36）☆課堂教學(xué)34學(xué)時☆實驗教學(xué)0學(xué)時（必作實驗每實驗0學(xué)時）☆總復(fù)習(xí)2學(xué)時第1章緒論4學(xué)時第2章確知信號1學(xué)時第4章信道3學(xué)時第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)4學(xué)時第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)6學(xué)時第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)6學(xué)時第8章新型數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)4學(xué)時第9章模擬信號的數(shù)字傳輸4學(xué)時第13章同步原理2學(xué)時實驗1數(shù)字基帶信號實驗2數(shù)字調(diào)制實驗3數(shù)字解調(diào)實驗4PCM實驗5TDM數(shù)字基帶系統(tǒng)實驗6TDM數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)說明—學(xué)時分配：（通信原理

總學(xué)時54）☆課堂教學(xué)44學(xué)時☆實驗教學(xué)8學(xué)時（選作5個實驗每實驗2學(xué)時）☆總復(fù)習(xí)2學(xué)時第1章緒論4學(xué)時4學(xué)時第4章信道4學(xué)時第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)6學(xué)時第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)10學(xué)時第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)8學(xué)時第8章新型數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)2學(xué)時第9章模擬信號的數(shù)字傳輸8學(xué)時第10章數(shù)字信號的最佳接收6學(xué)時實驗1數(shù)字基帶信號實驗2數(shù)字調(diào)制實驗3數(shù)字解調(diào)實驗4PCM實驗5TDM數(shù)字基帶系統(tǒng)實驗6TDM數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)說明－第一章緒論(4學(xué)時)1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成

1.2.1通信系統(tǒng)一般模型〔最簡單的點對點（單工）〕1.2.2模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型

1.2.3數(shù)字通信的特點1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

1.3.1通信系統(tǒng)分類

1.3.2通信方式1.4信息及其度量1.5

主要性能指標(biāo)了解：通信的基本概念。通信系統(tǒng)的分類與通信方式。理解：模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型及其特點。熟練掌握：信息量的計算。主要性能指標(biāo)有效性和可靠性的表示。學(xué)習(xí)要求：說明1.1通信的基本概念通信就是“傳輸信息”，或“信息媒體的時空轉(zhuǎn)移”?，F(xiàn)代通信指電通信即“傳輸載有信息的信號的過程”。通信目的：傳輸信息信息：人們待知的消息。信息媒體：信息的表現(xiàn)形式。文字、圖形、聲音、視頻等。信號：信息或信息媒體的物理表現(xiàn)形式。對通信的要求可靠---盡可能準(zhǔn)確無誤！有效---盡可能多而快！通信-----將含有信息的信號有效而可靠地由一地傳輸?shù)搅硪坏兀ㄆ渌胤剑┑倪^程。轉(zhuǎn)換設(shè)備－信號傳輸－信號交換－通信協(xié)議－傳輸－甲地乙地信息媒體－信息媒體－課程介紹研究對象:通信系統(tǒng)研究內(nèi)容：介紹信息傳輸基本原理研究目的：利用盡可能小的通信資源，獲得盡可能高的通信質(zhì)量課程主線系統(tǒng)性能提高有效性可靠性平衡通信技術(shù)的發(fā)展

－遠古通信長城烽火臺旗語通信技術(shù)的發(fā)展虎符鴻雁傳書魚傳尺素風(fēng)箏通信嵩云蘇樹久離居雙鯉迢迢一紙書寄令狐郎中李商隱通信技術(shù)的發(fā)展通信技術(shù)的發(fā)展

－電通信電報機莫爾斯1844.5.24莫爾斯發(fā)出第一封電報的設(shè)備復(fù)制品通信技術(shù)的發(fā)展貝爾與電話1875.6.2龍圖案電話機（清末）中國第一個電話局1882通信技術(shù)的發(fā)展美制便攜式交換機共電式人工交換機人工交換機通信技術(shù)的發(fā)展數(shù)字程控電話交換機通信技術(shù)的發(fā)展

－電磁波的發(fā)現(xiàn)奧斯特（丹麥）(1819)

電磁轉(zhuǎn)動（1821）電磁感應(yīng)現(xiàn)象（1831）法拉第（英1791～1867）

麥克斯韋（英1831～1879

）(建立系統(tǒng)的電磁理論

1864)1887年通信技術(shù)的發(fā)展

1895年馬可尼（1874-1937）研制的第一臺無線電發(fā)報裝置通信技術(shù)的發(fā)展

－無線電通信通信技術(shù)的發(fā)展"小八一"無線收發(fā)報機(前)手搖發(fā)電機(后)通信技術(shù)的發(fā)展

美國物理學(xué)家費森登1906年12月24日第一次無線電廣播老式收音機摩托羅拉尋呼機隨時隨地傳信息通信技術(shù)的發(fā)展

－個人通信時代如今的手機代替電腦通信技術(shù)的發(fā)展

－衛(wèi)星通信前蘇聯(lián)通信衛(wèi)星“閃電號”中國的第一顆靜止軌道通信衛(wèi)星1984年4月8日發(fā)射東方紅二號通信技術(shù)的發(fā)展同步衛(wèi)星系統(tǒng)通信示意圖通信技術(shù)的發(fā)展

－光纖通信包層纖芯包層與纖芯的主要材料均為玻璃但它們摻雜不同的雜質(zhì)，使包層與纖芯具有不同的折射率。包層的外面還有一層保護層保護光纖用戶纜第一臺電子計算機ENIAC即“埃尼阿克”問世（1946年2月14日）由17468個電子管、6萬個電阻器、1萬個電容器和6千個開關(guān)組成，重達30噸，占地160平方米，耗電174千瓦，耗資45萬美元通信發(fā)展和物理發(fā)現(xiàn)物理發(fā)現(xiàn)通信發(fā)展麥克斯韋的電磁場理論1895年馬可尼發(fā)明無線電1906年發(fā)明電子管開辟了模擬通信的新紀(jì)元1928年奈奎斯特準(zhǔn)則和取樣定理1948年香農(nóng)定理理論上為數(shù)字通信準(zhǔn)備了條件20世紀(jì)50年代發(fā)明半導(dǎo)體20世紀(jì)60年代發(fā)明集成電路開辟了數(shù)字通信的新紀(jì)元20世紀(jì)50年代航天技術(shù)1963年實現(xiàn)同步衛(wèi)星通信開辟空間通信的新紀(jì)元20世紀(jì)70年代發(fā)明光導(dǎo)纖維光纖通信得到發(fā)展第1章緒論電信發(fā)明史1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報1876年：貝爾發(fā)明有線電話1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機問世1936年：商業(yè)電視廣播開播

……………后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。第1章緒論1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。第1章緒論接收設(shè)備：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。第1章緒論1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：(a)話音信號(b)抽樣信號圖1-2模擬信號第1章緒論數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。(a)二進制信號(b)2PSK信號圖1-3數(shù)字信號第1章緒論模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)：兩種變換： 模擬消息原始電信號（基帶信號） 基帶信號已調(diào)信號（帶通信號）圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型第1章緒論數(shù)字通信系統(tǒng)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)信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型第1章緒論1.2.3數(shù)字通信的特點優(yōu)點抗干擾能力強，且噪聲不積累傳輸差錯可控便于處理、變換、存儲便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕易于加密處理，且保密性好缺點：需要較大的傳輸帶寬對同步要求高第1章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)……按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見書中表1-1。按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信……按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用第1章緒論1.3.1通信系統(tǒng)的分類按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信……第1章緒論1.3.1通信系統(tǒng)的分類按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用第1章緒論1.3.2通信方式單工、半雙工和全雙工通信單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收 發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式第1章緒論并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號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傳輸 優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施 缺點：需要n條通信線路，成本高第1章緒論串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸 優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用 缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信第1章緒論1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)

【例】“某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。

第1章緒論度量信息量的方法事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。設(shè)：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I

－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)

，I；

P(x)=1時，I

＝0；P(x)=0時，I

＝；

滿足上述3條件的關(guān)系式如下： －信息量的定義第1章緒論上式中對數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)，可簡記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時有

(b)【例】

設(shè)一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進制碼元稱作1比特第1章緒論若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有 當(dāng)M=4時，即4進制波形，I=2比特， 當(dāng)M=8時，即8進制波形，I=3比特。第1章緒論對于非等概率情況 設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有 則x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分別為 于是，每個符號所含平均信息量為 由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵

第1章緒論【例1】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅校?”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量

每個符號的算術(shù)平均信息量為

第1章緒論若用熵的概念來計算：則該消息的信息量

以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。 當(dāng)消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。第1章緒論連續(xù)消息的信息量