通信原理第一章PPT.ppt

1、安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 2012年2月,主講教師：劉 瑜 ： 通信原理,教材：通信原理簡(jiǎn)明教程，南利平等編著，清華大學(xué)出版社 本教材有一定深度，希望同學(xué)們結(jié)合講課材料和其他參考書來學(xué)習(xí)。 推薦參考書： 通信原理， 樊昌信，國(guó)防工業(yè)出版社 通信原理概論，賀貴明，華中科技大學(xué)出版社 通信原理學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與習(xí)題解答，教材的配套習(xí)題集 李學(xué)華等 清華大學(xué)出版社,關(guān)于本課程的先修基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)習(xí)注意點(diǎn) 先修基礎(chǔ)知識(shí)： 基本的電子電路知識(shí) 概率論與隨機(jī)過程的基本知識(shí) 信號(hào)與系統(tǒng)，特別是傅里葉變換的概念與應(yīng)用 學(xué)習(xí)注意點(diǎn)： 本課程作為電子信息類的選修科目，側(cè)重于通信基本 概念和原理的

2、應(yīng)用，不同于通信類專業(yè)的必修要求（96學(xué)時(shí)），由于課時(shí)數(shù)較少（54學(xué)時(shí)），學(xué)習(xí)的內(nèi)容深度要求相對(duì)要淺顯一些，主要目標(biāo)是使電子類專業(yè)學(xué)生能在通信原理方面學(xué)到概論性的知識(shí)和技術(shù)。,考核方式,通信原理的分?jǐn)?shù)由平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)兩部分組成。 考試成績(jī)即期末統(tǒng)一考試成績(jī)占70%。 平時(shí)成績(jī)占30%，上課隨機(jī)點(diǎn)名三次不到者，平時(shí)成績(jī)不及格。,第一章 緒論,主要內(nèi)容 1.1 引言 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) 1.6 通信技術(shù)的發(fā)展概況,主要目的 1、學(xué)習(xí)通信原理的意義； 2、明確通信理論和技術(shù)的部分主要概念； 3、串接通信理論

3、和技術(shù)的主要知識(shí)框架。,物質(zhì)、能源、信息是人類生存的三大要素資源。 物質(zhì)與能源：大學(xué)物理課程（基本性質(zhì)與基本方法） 信息：通信原理課程論述了信息傳輸與處理的基本過程與方法，是進(jìn)一步掌握信息科學(xué)的必由之路。 對(duì)于電子類專業(yè)學(xué)生，也是拓寬知識(shí)面，從而為一系列相關(guān)學(xué)科（通信電子、自控、遙控遙測(cè)、儀表、家電、智能樓宇等）的創(chuàng)造性工作奠定必要的信息科學(xué)背景基礎(chǔ)。,為什么需要學(xué)習(xí)通信原理？,1.1 引言,一、什么是通信 （1）通信的通俗定義： 一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳遞消息的過程 （2）通信的專業(yè)定義： 利用信號(hào)（電、光、聲音或煙火、旗幟等）的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（如電波的振幅、頻率、相位等）的變化承載信息，在特定物理

4、媒介（稱“信道”）中傳輸、交換和處理的過程。 （3）現(xiàn)代通信 一般是指“電（光）通信”，通常以語音、圖象、數(shù)據(jù)為媒體，通過電信號(hào)(光信號(hào))將信息由一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方 通信包括傳輸、復(fù)用、交換和網(wǎng)絡(luò)等四大技術(shù)，本課程主要涉及傳輸原理,二 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史,1.第一階段 信號(hào)、語言 古代通信的起源 烽火戲諸侯,相傳，周幽王為博取愛妃褒姒一笑，曾在驪山烽火臺(tái)舉烽火戲弄諸侯。而當(dāng)犬戎攻入驪山，幽王再次下令點(diǎn)燃烽火時(shí)，各諸侯卻無人來救，幽王被殺，褒姒被擄，西周滅亡,蔡倫，東漢桂陽人，中國(guó)“蔡侯紙”的發(fā)明者。元興元年 (公元105年)用樹皮、麻頭、破布、舊魚網(wǎng)造出了達(dá)到書寫實(shí)用水平的植物纖維紙，成為中國(guó)

5、古代四大發(fā)明之一。安帝元初元年(公元114年)封為龍亭侯。建光元年(公元121年)因?qū)m廷斗爭(zhēng)被迫服毒自盡,蔡 倫 字敬仲(？公元121年),2.第二階段文字、印刷、郵政 運(yùn)動(dòng)通信,北宋杭州著名印刷匠，他于10411051年間，創(chuàng)制了一套膠泥活字，發(fā)明了活字印刷、木活字排版；還采用兩塊鐵板互換，一版印刷，另一版排版，印刷效率大為提高。畢升的活字印刷，包括了造活字、排版和拆版一整套完備的過程，其原理和今天鉛字排印基本相同,畢 升,王 選,計(jì)算機(jī)漢字激光照排系統(tǒng),3.第三階段電氣通信,塞繆爾莫爾斯 (Samuel Finley Breese Morse，17911872),在一次遠(yuǎn)洋旅途中，莫爾斯結(jié)

6、識(shí)了杰克遜醫(yī)生(一位電學(xué)博士)。閑聊中談到電磁感應(yīng)現(xiàn)象從此，莫爾斯走上了科學(xué)發(fā)明的崎嶇道路。終于在1837年9月4日，莫爾斯制造出了一臺(tái)電報(bào)機(jī),1844年5月24日，在華盛頓國(guó)會(huì)大廈聯(lián)邦最高法院會(huì)議廳里，莫爾斯發(fā)出人類歷史上的第一份電報(bào)：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”,一名成功的畫家。1826年至1842年任美國(guó)畫家協(xié)會(huì)主席,1862年31歲，發(fā)表了第二篇論文論物理力線，進(jìn)一步發(fā)展了法拉第的思想，擴(kuò)充到磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電場(chǎng)，而且得到了新的結(jié)果：電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)，由此預(yù)言了電磁波的存在，并證明了這種波的速度等于光速，揭示了光的電磁本質(zhì),麥克斯韋,1864年他的第三篇論文電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論，從幾個(gè)基本實(shí)驗(yàn)

7、事實(shí)出發(fā)，運(yùn)用場(chǎng)論的觀點(diǎn)，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁理論 1873年出版的電學(xué)和磁學(xué)論一書是集電磁學(xué)大成的劃時(shí)代著作，全面地總結(jié)了19世紀(jì)中葉以前對(duì)電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理、達(dá)爾文的物種起源和賴爾的地質(zhì)學(xué)原理相媲美的里程碑式的著作,1876年3月10日歷史上最偉大的發(fā)明之一：電話誕生了?！拔稚壬?，請(qǐng)立刻過來，我需要幫助?！边@是貝爾通過電話傳出的第一句話,1847年3月3日生于英國(guó)蘇格蘭愛丁堡，1873年被聘為美國(guó)波士頓大學(xué)發(fā)聲生理學(xué)教授。當(dāng)時(shí)電報(bào)已很發(fā)達(dá)，貝爾研究利用一條線路進(jìn)行多路電報(bào)通信的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，他萌發(fā)在電報(bào)線路上通話

8、的設(shè)想 1876年在J.亨利的鼓勵(lì)和T.A.沃森的協(xié)助下，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于試驗(yàn)電話通話成功 1878年貝爾和沃森成功的在相距300KM的波士頓和紐約之間作了長(zhǎng)途電話通話公開實(shí)驗(yàn)，三個(gè)月后他成立了貝爾電話公司，從此電話得到了迅速發(fā)展,貝 爾 Bell，AlexanderGraham(18471922),赫 茲 早逝的物理學(xué)家,1894年逝世時(shí)僅37歲,其后不到6年，意大利的馬可尼、俄國(guó)的波波夫分別實(shí)現(xiàn)了無線電傳播。無線電報(bào)(1894年)、無線電廣播(1906年)、無線電導(dǎo)航(1911年)、無線電話(1916年)、短波通訊(1921年)、無線電傳真(1923年)、電視(1929年)、微波通訊(1

9、933年)、雷達(dá)(1935年)以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化,1886年29歲時(shí)做了關(guān)于電磁波的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波，為無線電技術(shù)的發(fā)展開拓了新的道路，構(gòu)成了現(xiàn)代文明的骨架，后人為了紀(jì)念他，把頻率的單位定為赫茲,1894年當(dāng)他讀到赫茲的電磁波存在時(shí)，對(duì)無線電產(chǎn)生了興趣，便開始嘗試一連串的實(shí)驗(yàn)。那一年他20歲，剛剛被Bologna大學(xué)拒絕入學(xué) 1895年成功地將無線信號(hào)傳遞到一座小山后面，建立了約1.6公里間的無線電通訊 1896年因意大利拒絕受理他的專利申請(qǐng)，2月來到英國(guó)，同年取得第一個(gè)無線電電報(bào)專利權(quán) 1897年他得到1.5萬英鎊的資助，在倫敦成立了無線電

10、報(bào)公司 1899年第一個(gè)無線電信息從法國(guó)傳到英國(guó) 1901年他做了一個(gè)歷史性的試驗(yàn)，成功地將無線信號(hào)從英國(guó)跨越了大西洋傳遞到了紐芬蘭，這一年他27歲 1909年他與布勞(C.F.Braun,18501918)因發(fā)展了無線電電報(bào)，共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng),馬可尼 G. Marconi(1874 1937年),馬可尼是家喻戶曉的名人，但幾乎沒有人知道布勞。事實(shí)上從許多方面看來，是布勞的工作引導(dǎo)了近代無線電發(fā)展的方向。原因是馬可尼以專利來保護(hù)自己的各種發(fā)明，布勞則將其所有的發(fā)現(xiàn)以論文的形式發(fā)表出來！這”小小“的差異導(dǎo)致他們“完全不同”的命運(yùn)，除了都獲得諾貝爾獎(jiǎng)外。,現(xiàn)代信息論的創(chuàng)始人，1938年發(fā)表了著

11、名的論文繼電器和開關(guān)電路的符號(hào)分析，首次用布爾代數(shù)進(jìn)行開關(guān)電路分析，并證明布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算，可以通過繼電器電路來實(shí)現(xiàn)，明確地給出了實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除等運(yùn)算的電子電路的設(shè)計(jì)方法。這篇論文成為開關(guān)電路理論的開端,香農(nóng)在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)進(jìn)一步證明了可以采用能實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)運(yùn)算的繼電器或電子元件來制造計(jì)算機(jī)，香農(nóng)的理論還為計(jì)算機(jī)具有邏輯功能奠定了基礎(chǔ)，從而使電子計(jì)算機(jī)既能用于數(shù)值計(jì)算，又具有各種非數(shù)值應(yīng)用功能，使得以后的計(jì)算機(jī)在幾乎任何領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用,無失真變長(zhǎng)信源編碼定理(香農(nóng)第一定理) 有噪信道編碼定理(香農(nóng)第二定理) 保真準(zhǔn)則下信源編碼定理(香農(nóng)第三定理),香 農(nóng) Shannon,60

12、年代在英國(guó)發(fā)明了光纖 70年代，美國(guó)康寧公司將它商業(yè)化 7080年代，光纖被用于短距離傳輸，但價(jià)格十分昂貴 1987年發(fā)明了光纖放大器，光纖產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展 2009年獲諾貝爾物理獎(jiǎng),高 錕 華裔通信科學(xué)家,4.第四階段多媒體通信,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)技術(shù)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

13、通信的分布性、同步性和交互性特點(diǎn),1958年8月1日我國(guó)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) 2008年9月18日曙光5000A實(shí)現(xiàn)了每秒230萬億次運(yùn)算速度,ENIAC,三 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,實(shí)現(xiàn)消息傳遞所需的一切設(shè)備、傳輸媒質(zhì)和通信協(xié)議的總和稱為通信系統(tǒng)。 從現(xiàn)代通信系統(tǒng)的構(gòu)成來看，一個(gè)通信系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)備可能非常多，擁有成千上萬的用戶終端，而且在系統(tǒng)內(nèi)部的不同環(huán)節(jié)，其傳輸媒質(zhì)和信號(hào)傳輸方式也可能有所不同。,1.2 通信系統(tǒng)的組成,下圖所示的是公共電話系統(tǒng)和移動(dòng)電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其中，

14、移動(dòng)用戶與基站之間是無線傳輸方式； 基站與移動(dòng)電話交換局之間，以及移動(dòng)電話交換局與移動(dòng)電話交換局之間的傳輸媒質(zhì)可能是光纖或電纜； 長(zhǎng)途交換網(wǎng)之間的傳輸信道可以是光纖信道、衛(wèi)星信道和微波接力信道。,對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間，要完成通信的過程至少要有： 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)（如語音），如果不經(jīng)過處理，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)就是通信原理這門課要討論的主要內(nèi)容。,不論一個(gè)通信系統(tǒng)有多么復(fù)雜，從兩個(gè)用

15、戶之間的一次通信過程來看，都可以看成一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)之間的通信系統(tǒng)。因此，點(diǎn)與點(diǎn)之間建立的通信系統(tǒng)是通信的最基本形式，也是研究其它較復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)。,1.2.1 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,在上述通用模型中，發(fā)送設(shè)備對(duì)來自信源的信號(hào)的處理可能有2種情況： 一、直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放

16、大和傳輸（例如無線廣播電臺(tái)、第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)“大哥大”） 二、把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（提高抗噪聲性能、且易于加密）后，再進(jìn)行處理和傳輸，如數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、2G/3G/4G移動(dòng)通信等 根據(jù)這兩種不同情況，我們把通信系統(tǒng)分為：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)2大類,要點(diǎn)提示：區(qū)分模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，要看信道中傳輸?shù)氖?模擬信號(hào)和還是數(shù)字信號(hào),模擬通信模型和數(shù)字通信模型,連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、活動(dòng)圖片等。 離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的， 即把消息承載在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率

17、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可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為模擬信號(hào)，如電話機(jī)送出的語音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。 模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(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)， 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM（脈沖編碼調(diào)制）信號(hào)等。 數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。

18、,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),t,t,離散的模擬信號(hào),2進(jìn)制數(shù)字信號(hào),連續(xù)的數(shù)字信號(hào) （2進(jìn)制）,離散的數(shù)字信號(hào) （2進(jìn)制）,注意：“數(shù)字”信號(hào)的特點(diǎn)是在取值上（即縱坐標(biāo)）是有限多個(gè)值的集合,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）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,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,1,2,3,4,1.2.2 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,人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去,從這個(gè)過程中我們可

19、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,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（例如我們說的語音在3004kHz，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”）,已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征： 攜帶有信息 適合在信道中傳輸 信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱頻帶信號(hào)。,兩種變換 連續(xù)消息與基帶信號(hào)的變換 基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的變換 實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。 由于調(diào)制與解調(diào)兩

20、種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是理想的，而不是通信原理的重點(diǎn)討論內(nèi)容。,模擬通信的主要特點(diǎn)1） 抗干擾能力差2） 不易于保密通信3） 設(shè)備不易于大規(guī)模集成4） 不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求5） 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。,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)）,1、數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型,如下圖所示,在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)

21、字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)，例如局域網(wǎng)通信、USB串口通信都屬于這一類。,2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型,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)，將在后續(xù)章節(jié)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，將在以后詳細(xì)介紹,是發(fā)送端處理的“逆過程”，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

22、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（主要指的是模/數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮）。 例如語音可采用PCM編碼，靜止圖像有jpg編碼，動(dòng)態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂有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,加密與解密,在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為

23、了保證所傳信息的安全， 人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過程叫加密。 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，叫解密。,同步與數(shù)字復(fù)接,同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。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。 按照同步的功用不同，可分為 載波同步、位同步、群同步等 數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。,信號(hào)與通信系統(tǒng)模型,模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸 數(shù)字電話系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以

24、通過模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。 模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類。,數(shù)字通信的主要特點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng)。 差錯(cuò)可控。 易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。 但是，數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。,一路模擬電話帶寬4kHz，而一路相同質(zhì)量的數(shù)字電話帶寬64kHz，經(jīng)過壓縮處理后也要20kHz以上。,1.3 通信系統(tǒng)的分類及通信方式,1.3.1

25、 通信系統(tǒng)的分類 按信道傳輸?shù)男盘?hào)種類來分 按傳輸?shù)拿浇榉N類來分 按信號(hào)是否經(jīng)過調(diào)制,模擬通信系統(tǒng),數(shù)字通信系統(tǒng),有線通信系統(tǒng),無線通信系統(tǒng),基帶通信系統(tǒng),頻帶（調(diào)制）通信系統(tǒng),根據(jù)實(shí)際情況來確定是否需要調(diào)制（如傳輸距離）,表 1- 1常見的調(diào)制方式（后續(xù)章節(jié)詳細(xì)介紹）,續(xù)表（2）,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)（廣播）,時(shí)分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng)（PCM電話）,碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng)（中國(guó)電信CDMA移動(dòng)電話）,后續(xù)章節(jié)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)

26、通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時(shí)使用了TDM和CDM,按工作頻段(波長(zhǎng))劃分,1.3.2通信方式,前述通信系統(tǒng)模型都是單向通信系統(tǒng) 但在多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為信宿，需要雙向通信，電話就是一個(gè)最好的例子 這時(shí)通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備，并需要各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個(gè)信道，就必須用頻率或時(shí)間分割的方法來共享信道。因此，通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。,1、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，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。,單工通信， 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個(gè)信道。 廣播、遙測(cè)、遙控、無線尋呼等。 半雙工通信，是指通信

27、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。 使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問詢、檢索、科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)通信。 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。 普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式， 計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。,單工、 半雙工和全雙工通信方式示意圖 (a) 單工； (b) 半雙工； (c) 全雙工,2、按數(shù)字信號(hào)碼元排列方式劃分通信方式：并行傳輸和串行傳輸 并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)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，如打印通信接口等。 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同

28、步措施 缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高,串行傳輸 ：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，如USB通信，RS-232等。 優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用，通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 缺點(diǎn)：需要外加碼組或字符同步措施。,3、按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分通信方式,由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。,1.4 信息及其量度,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，通過體積與重量?jī)蓚€(gè)參數(shù)進(jìn)行折算）來度量。 通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。 信息量的概念與消息、信號(hào)、信息的準(zhǔn)確概念密切

29、相關(guān)。,1.消息 消息是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，是人能夠感知的描述，在不同時(shí)間有不同的表現(xiàn)形式。例如：文字、數(shù)據(jù)、話音、音樂、圖形、圖象 前者稱為離散消息消息的狀態(tài)是可數(shù)或離散的；后者稱為連續(xù)消息消息的狀態(tài)是連續(xù)變化的。 2.信息 消息的有效內(nèi)容，不同消息可有相同內(nèi)容，消息也可以不包含有效內(nèi)容。 3.信號(hào) 信號(hào)是消息傳遞的物質(zhì)載體，在電通信中，信號(hào)表現(xiàn)為與消息一一對(duì)應(yīng)的電參數(shù)，消息是承載在電信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參量上。 4.簡(jiǎn)單的類比 消息：語言文字； 信號(hào)：說話聲音； 信息：思想內(nèi)容。 思想（信息）通過語言文字（消息）來表達(dá)，語言（消息）通過聲音（信號(hào)）來傳輸，這就是信號(hào)、信息和消息三者之間

30、的關(guān)系。,信息是消息中的有效內(nèi)容，在一切有意義的通信中，消息的傳遞就意味著信息的傳遞。但是對(duì)接收者而言，消息傳遞的信息多少是不同的。例如，“明天太陽從東邊出來”絕對(duì)沒有“明天太陽從西邊出來”對(duì)人的吸引力大。這說明信息是有量值的。 5.信息量 信息量-衡量信息多少的物理量 如何度量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(jī)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(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。,度量信息量的方法 事件的不確定程度可

31、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： 1、I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x) 2、P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； 3、 滿足上述3條件的關(guān)系式如下： 信息量的定義,之所以取對(duì)數(shù)是由于信息量的“累加性”決定的,上式中對(duì)數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡(jiǎn)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(Hart

32、ley) 。 通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有 (b) 【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 在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 。,若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)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(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特， 當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。,對(duì)于非等概率情況 設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有 則x1 ,

33、 x2, x3, xM 所包含的信息量分別為 于是，每個(gè)符號(hào)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,【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2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量。 【解】此消息中，“0”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(gè)符號(hào)，故該消息的信息量 每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為,若用熵的概念來計(jì)算： 則該消息的信息

34、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(hào)數(shù)的增加而減小。 當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。,連續(xù)消息的信息量 關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為 式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。,例題1.4,某信源每天播報(bào)某地的天氣預(yù)報(bào)，此地晴天、多云、陰、雨的概率分別為1/2、1/4、1/8、1/8 求： （1）晴、多云、陰、雨的各自所含信息量 （2）信息串“晴-多云-陰-晴-晴-晴-多云-雨”所含的總信息量 （3）此信源的每個(gè)消息的平均信息量（ “信息熵”

35、）,例題1.4（解）,例題1.4（解）,信息熵其通用公式為,這個(gè)公式與熱力學(xué)中的熵相似，但熱力學(xué)中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。,（即信息熵）,1.5 通信系統(tǒng)的性能指標(biāo),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)摹八俣取眴栴} 而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題,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

36、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。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

37、信息量為2bit 8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,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與其所占頻率帶寬B的比值，即,二、數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),在二進(jìn)制中有,例 一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)一分鐘傳送了18 000 bit的信息量。 (1) 系統(tǒng)的碼元速率多大？ (2) 如果每分鐘傳送的信息量仍為18 000 bit，但改用八進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，其碼元速率多大？

38、,解（1）,（2）,例 設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為1200B，試求該系統(tǒng)的信息傳輸速率； 若該系統(tǒng)改為傳送四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，碼元速率為2400 B，則系統(tǒng)信息傳輸速率為多少？,解 (1) 已知二進(jìn)制碼元速率Rs=1200 B，則 Rb=Rslog22=12001=1200 b/s (2) 已知四進(jìn)制碼元速率Rs=2400 B，則 Rb=Rs log24=24002=4800 b/s,結(jié)論：采用多進(jìn)制傳輸可以提高有效性。,解 首先求出此數(shù)字系統(tǒng)的二進(jìn)制碼元速率 再求出在2 s內(nèi)收到的二進(jìn)制碼元總數(shù) 21062=4106 (個(gè)) 所以誤碼率為,例 設(shè)有一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，在125 s內(nèi)傳輸25

39、0個(gè)二進(jìn)制碼元。若該系統(tǒng)在2 s內(nèi)有3個(gè)碼元產(chǎn)生誤碼，試問其誤碼率是多少？,1.6 通信發(fā)展趨勢(shì),在過去三四十年間，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了通信技術(shù)的發(fā)展。 目前通信技術(shù)在以下領(lǐng)域正經(jīng)歷快速的進(jìn)展。 衛(wèi)星通信 光纖通信 移動(dòng)通信 微波通信,1 衛(wèi)星通信系統(tǒng),衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(fā)射來的無線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)地面站， 從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間的通信。 根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。靜止通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為35 780 km，采用三個(gè)相差120的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。 預(yù)計(jì)到2010年前， 星間激光通信的傳輸速率將達(dá)到40Gb/s，地面終端設(shè)備將日益小型化，,2 光纖通信系統(tǒng),光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)作為傳輸媒質(zhì)、以光波為運(yùn)載工具（載波）的通信方式。光纖通信具有容量大、 頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且成本低，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。 目前，單波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)速率已達(dá)10 Gb/s，其潛力已不大