通信原理第一章

電子工程系通信系統(tǒng)原理第一章緒論第二章信號(hào)變換與分析第三章隨機(jī)信號(hào)分析第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)第五章模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)诹聰?shù)字信號(hào)的基帶傳輸?shù)谄哒聰?shù)字調(diào)制系統(tǒng)第八章同步原理課程主要內(nèi)容第一章緒論

通信的概念與發(fā)展通信系統(tǒng)組成與模型信息及其量度通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)1.1通信的概念與發(fā)展

1.通信：把信息從一地向另一地傳輸。完成信息的傳遞和交換?，F(xiàn)代通信主要就是指電通信。電通信telecommunication的發(fā)起與起源：十九世紀(jì)三十年代低級(jí)有線電報(bào)出現(xiàn)是真正電通信的標(biāo)志。莫爾斯十九世紀(jì)七十年代出線電話機(jī)。貝爾、里程碑十九世紀(jì)末又出現(xiàn)了無線通信方式，無線電報(bào)。之后，隨著電子管、晶體管的出現(xiàn)，通信的內(nèi)容就更廣泛，到了二十世紀(jì)中期，隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，通信的對(duì)象不僅是語言、文字，而且是音樂、圖像、數(shù)據(jù)都可以作為通信的對(duì)象。通信發(fā)展是一個(gè)國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志。后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。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。

這些都與通信有關(guān)1838莫爾斯有線電報(bào)1948晶體管香農(nóng)通信統(tǒng)計(jì)理論建立1864麥克斯韋爾電磁輻射方程1950時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話1876貝爾電話1956越洋電話鋪設(shè)1896馬克尼無線電報(bào)1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射1906真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射1918調(diào)幅廣播超外差接收機(jī)1960激光發(fā)明1925三路明線載波電話多路通信1961集成電路發(fā)明1936調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星PCM實(shí)用1937脈沖編碼調(diào)制PCM1960彩電數(shù)字傳輸理論高速計(jì)算機(jī)1938電視廣播1970LSI商用衛(wèi)星程控交換光纖通訊1940二戰(zhàn)刺激雷達(dá)和微波系統(tǒng)1980SLSI長波光纖通信ISDN3G計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)多媒體通信

多媒體通信是指在一次呼叫過程中能同時(shí)提供多種媒體信息(聲音、圖像、圖形、數(shù)據(jù)、文本等)的通信方式，它是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物。利用多媒體通信，相隔萬里的用戶不僅能利用聲像圖文并茂地交流信息，使分布在不同地點(diǎn)的多媒體信息能步調(diào)一致地作為一個(gè)完整的信息呈現(xiàn)在用戶面前，而且用戶對(duì)通信全過程具有完備的交互控制能力。這就是多媒體通信的分布性、同步性和交互性特點(diǎn)

1958年8月1日我國第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)誕生，103機(jī)是每秒30次運(yùn)算速度的電子管計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（TheInternetofthing）物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的網(wǎng)”定義：物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，使用LAN、GPRS、Wi-Fi、Bluetooth等進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。門窗安全無線傳感器通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.數(shù)字化2.微型化3.標(biāo)準(zhǔn)化4.智能化5.全球化6.個(gè)人化通信的發(fā)展目標(biāo)---個(gè)人通信目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)：個(gè)人通信系統(tǒng)(PCN)

無論任何人

(Whoever)

在任何時(shí)候

(Whenever)

在任何地方

(Wherever)

與另一個(gè)人

(Whomever)

進(jìn)行任何類型

(Whatever)3、通信的分類（1）按傳輸信道分：有線：電磁波在導(dǎo)線中傳輸。（光纖、雙絞線、同軸電纜）

無線：電磁波在空間中傳輸。（無線電、微波、衛(wèi)星）（2）按信號(hào)的形式不同分：模擬通信：傳輸信號(hào)是連續(xù)變化的。如話音、AM、FM數(shù)字通信：系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)是離散的。如PCM、數(shù)字廣播、數(shù)字電視等P5數(shù)字通信近年來發(fā)展迅速，并且正在取代原有的模擬通信方式，其原因：①大規(guī)模集成電路的發(fā)展，有了發(fā)展數(shù)字通信的技術(shù)基礎(chǔ)；②數(shù)字通信具有抗干擾能力強(qiáng)，噪聲無積累，保密性好的優(yōu)點(diǎn)；③數(shù)字信號(hào)便于計(jì)算機(jī)處理。（5）按工作頻段分：長波通信中波通信短波通信微波通信等（3）按信號(hào)的復(fù)用方式：頻分頻率不同時(shí)分時(shí)間不同碼分碼型不同（4）按通信連接情況：點(diǎn)—點(diǎn)電話點(diǎn)—多點(diǎn)廣播多點(diǎn)間的（6）按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)（7）按通信業(yè)務(wù)類型分：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)數(shù)字微波通信系統(tǒng)微波通信系統(tǒng)設(shè)備衛(wèi)星通信系統(tǒng)1.2通信方式①按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛐裕簡喂ねㄐ牛盒盘?hào)傳輸是單向的。兩個(gè)通信終端間的信號(hào)傳輸只能在一個(gè)方向傳輸，一方僅發(fā)，另一方僅收。廣播P6半雙工通信：雙方可以互傳數(shù)據(jù)信息，但不能同時(shí)發(fā)送。在同一時(shí)間，一方發(fā)，另一方收。對(duì)講機(jī)全雙工通信：可以在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)傳輸。電話②按在信道上傳輸?shù)姆绞剑捍袀鬏敚褐皇褂靡粋€(gè)傳輸信道，數(shù)據(jù)的若干位順序的按位串行排列成數(shù)據(jù)流。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省信道利于遠(yuǎn)程傳輸。并行傳輸：數(shù)據(jù)的每一位各占用一條信道，即數(shù)據(jù)的每一位放在多條并行的信道上同時(shí)傳送。特點(diǎn)：提高傳輸速率，硬件成本提高了。1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。信源：是發(fā)出信息的源。（模擬信源和數(shù)字信源）P2信源和信宿可以是人，也可以是機(jī)器設(shè)備，因而既可以實(shí)現(xiàn)人—人通信，也可以實(shí)現(xiàn)人—機(jī)或機(jī)—機(jī)通信。通信源發(fā)出的信號(hào)可以是語音信號(hào)，也可以是數(shù)字、符號(hào)、圖像等非語音信號(hào)。1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。發(fā)送設(shè)備：為了使這個(gè)原始信號(hào)適合在信道中傳輸，由發(fā)送設(shè)備對(duì)原始信號(hào)完成某種變換，然后進(jìn)入信道。接收設(shè)備與發(fā)送設(shè)備相反1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。信道：傳輸信號(hào)的通道。（有線、無線）無線信道可組成無線通信系統(tǒng)，如微波中繼通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等。廣義的信道還包括一些信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，如天線、饋線、調(diào)制、解調(diào)等。如微波天線從廣義上也屬于信道。1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。接收設(shè)備：從接收信號(hào)中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號(hào)。1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。信宿（受信者）：將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。1.2通信系統(tǒng)組成與模型1、通信系統(tǒng)一般模型。噪聲源：是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其它各處的噪聲的集中表示。按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)的把通信系統(tǒng)分成兩類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1、模擬通信系統(tǒng)（傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)。）P3模擬通信中需要兩種變換：第一種：發(fā)送端的連續(xù)消息要變換成原始電信號(hào)，接收端收到的信號(hào)要反變換成原始連續(xù)信號(hào)。第二種：調(diào)制和解調(diào)調(diào)制：將原始電信號(hào)變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?hào)；解調(diào)：在接收端將信道中傳輸?shù)男盘?hào)還原成原始的電信號(hào)。基帶信號(hào)基帶信號(hào)頻帶信號(hào)2、數(shù)字通信系統(tǒng)

利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)。變換器的作用是把信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字基帶信號(hào)。P4信源編碼與譯碼的主要任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)挠行?。信源編碼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信道編碼的任務(wù)是提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。其基本做法是在信息碼組中按一定的規(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(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，信道編碼也稱糾錯(cuò)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(gè)非常重要的控制單元，即同步系統(tǒng)。使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致

3、數(shù)字通信的主要特點(diǎn)目前，無論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來越高的要求，數(shù)字通信技術(shù)已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，它有如下優(yōu)點(diǎn)：1、抗干擾、抗噪聲性能好2、差錯(cuò)可控3、易加密4、數(shù)字通信設(shè)備和模擬通信設(shè)備相比，設(shè)計(jì)和制造更容易，體積更小，重量更輕。5、數(shù)字信號(hào)便于計(jì)算機(jī)處理，數(shù)字信號(hào)可以通過信源編碼進(jìn)行壓縮，以減少冗余度，提高信道利用率。6、易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬。模擬電話4KHz,數(shù)字電話20-64KHz對(duì)同步要求高4、數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)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)?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話。頻帶傳輸是對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。（經(jīng)過調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)）1-3信息及其量度一、基本概念消息：指通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象、特點(diǎn)：隨機(jī)性的，無法預(yù)知的。信號(hào)：反映消息的電信號(hào)。信息：把消息中的內(nèi)容用概率統(tǒng)計(jì)的方法抽象出來。信息是消息和信號(hào)中包含的某種有意義的抽象的東西。P72、信息量：是信息或消息的一種度量。信息的大小由信息量來衡量。不同的消息人們對(duì)它的反映是不同的，如：下雨、地震下雨：經(jīng)常發(fā)生，不足為奇，信息量??；地震：不常發(fā)生，很驚訝，信息量大。（太陽從東方升起）（太陽從西方升起）消息出現(xiàn)的概率越大，則消息中包含的信息量越??；消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量越大?！逷（x）＝1必然事件I＝0P（x）＝0不可能發(fā)生事件I＝∞∴信息量是與事件發(fā)生的概率成反比。信息量：Iinformation定義：P（x）：消息的概率a：2的整數(shù)次冪P8信息量的單位的確定取決于底數(shù)a：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)用單位例1、一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)的信息量為多少？二進(jìn)制碼0、1出現(xiàn)的概率是等概的（一個(gè)二進(jìn)制碼所代表的信息量為多少比特？）解：

P（1）＝P（0）＝1/2所以一個(gè)二進(jìn)制碼代表的信息量為一比特。例2、四進(jìn)制碼0、1、2、3中每個(gè)碼元出現(xiàn)的概率相同，即P(0)=P(1)=P(2)=P(3)=1/4一個(gè)四進(jìn)制碼代表的信息量為二比特。對(duì)于M進(jìn)制碼，M個(gè)數(shù)等概率出現(xiàn)時(shí)，一個(gè)碼元所攜帶的信息量為如：對(duì)于八進(jìn)制碼等概出現(xiàn)時(shí)一個(gè)碼元所攜帶的信息量為：如上：一個(gè)二進(jìn)制碼代表的信息量為1bit；一個(gè)四進(jìn)制碼代表的信息量為2bit；一個(gè)八進(jìn)制碼代表的信息量為3bit。

0

1

2

3

4

5

6

7二進(jìn)制0

1四進(jìn)制00

01

10

11八進(jìn)制000

001

010

011

100

101

110

1113、平均信息量（非等概情況）一個(gè)消息由多個(gè)符號(hào)組成，每個(gè)符號(hào)所含的信息量的統(tǒng)計(jì)平均值稱為符號(hào)的平均信息量。平均算數(shù)平均統(tǒng)計(jì)平均統(tǒng)計(jì)平均平均信息量是由每個(gè)消息的信息量的概率加權(quán)和得到的。例：有A、B、C三個(gè)事件，每個(gè)事件發(fā)生的概率為P（A）、P（B）、P（C），則該信源中每個(gè)事件的平均信息量為：H=-[P(A)log2P(A)+P(B)log2P(B)+P(C)log2P(C)]若：一個(gè)信源是由n個(gè)獨(dú)立的符號(hào)ｘ1ｘ2,……,ｘn所構(gòu)成，且每一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為p(ｘ1)、p(ｘ2)……p(ｘn)則此信源中每個(gè)符號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均信息量為：如果：上式中p(ｘ1)=p(ｘ2)=……=p(ｘn)=1/n則：P8∴在等概出現(xiàn)的二進(jìn)制碼中，每個(gè)碼的平均信息量為1bit；在等概出現(xiàn)的四進(jìn)制碼中，每個(gè)碼的平均信息量為2bit；在等概出現(xiàn)的八進(jìn)制碼中，每個(gè)碼的平均信息量為3bit。1-4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有：信號(hào)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴Ｓ行裕褐附o定信道內(nèi)傳輸信息的多少——速度可靠性：指在給定信道內(nèi)接收的信號(hào)的準(zhǔn)確程度——質(zhì)量P91、模擬通信系統(tǒng)①有效性：指有效傳輸頻帶。信號(hào)帶寬→小好信道帶寬→寬好f②可靠性：用系統(tǒng)輸出的信噪比來衡量。信噪比：信號(hào)功率與噪聲功率之比。單位：分貝dB定義：S：single信號(hào)平均功率N：Noise噪聲平均功率SN（）dB=10lgSN（dB）S→大，→大，可靠性→高。SN2、數(shù)字通信系統(tǒng)一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用三個(gè)指標(biāo)來說明有效性：①碼元速率RB（傳碼率）：單位時(shí)間內(nèi)傳遞碼元的數(shù)目。單位：Baud波特簡寫（Bd、B）例：如某系統(tǒng)每秒鐘傳送4800個(gè)碼元，則該系統(tǒng)的傳碼率為4800B。（2）信息速率（傳信率）Rb：單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?。單位：bit/s、b/s、bps、比特/秒例：如某信息源每秒鐘傳送1200個(gè)碼元，而每個(gè)碼元的平均信息量為1bit，則該信息源的信息速度為1200bit/s或1200bps。傳碼率RB和傳信率Rb在二進(jìn)制碼元的傳輸中在數(shù)值上是相等的，而在多進(jìn)制脈沖傳輸中傳碼率與傳信率是不等的。例：二進(jìn)制碼RB=1200BdRb=1200bps=RB·log22