通信原理完整86046415ppt课件

.,通信原理,第1章绪论,.,基础课程,概率论与数理统计信号与系统数字电子技术数字信号处理信息论与编码高频电子线路,.,3,为什么要学习通信原理？,.,通信系统（设备）开发的一般步骤：,通过选片：DSP、FPGA或嵌入式系统芯片进行硬件设计，继而进行软件开发,.,学习通信原理的目的：解决通信系统开发的前两步。对现存的各种通信系统进行数学建模，通过数学分析得出各系统的性能指标，总结出这些系统的优点和缺点，并对缺点进行改进。要求能够通过Matlab对通信系统进行仿真，给出相关的仿真图。,.,本章学习目标：,常用通信术语；模拟信号与数字信号的区别；基带信号与已调信号的区别；通信系统的组成、分类及通信方式；数字通信系统的主要特点；离散信源的信息量、平均信息量（熵）的计算；码元速率、信息速率和频带利用率的定义、计算及其关系；误码率和误信率的定义及其关系。,.,1.1常用术语,（1）通信利用电（或光）信号将消息中所包含的信息从信源传送到一个或多个目的地。（2）消息信息的物理表现形式，如文字、符号、数据、话音和活动图片等。（3）信息消息的内涵，即消息中所包含的受信者原来不知而待知的有效内容。（4）信号消息的电的表现形式，即与消息相对应的电量或光量。在电通信中，消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的。消息携载在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率、相位；脉冲波的幅度、宽度和位置）。,.,1.2通信系统的组成,通信系统的定义：传递信息所需的一切技术设备（包括信道）的总和。通信系统的作用：将信息从信源发送到一个或多个目的地。,.,1.2.1通信系统的一般模型,信息源,发送设备,信道,噪声源,接收设备,受信者,信息源（信源）：把各种消息转换成原始电信号（基带信号），即完成非电量电量的转换。例：电话听筒、麦克风等属于模拟信源，送出的是模拟信号。电传机、计算机等属于数字信源，送出的是数字信号。发送设备：将信源和信道匹配起来，其目的是把信源产生的消息信号变换成适合于在信道中传输的信号。变换方法有很多种，如调制、放大、滤波、编码等。,发送端,.,1.2.1通信系统的一般模型,信息源,发送设备,信道,噪声源,接收设备,受信者,信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线和无线两大类。信道既给信号以通路，也会对信号产生损耗和干扰。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,接收端,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.1模拟信号和数字信号的区别（1）区分标准：按照信号参量的取值方式不同。若代表消息的信号参量取值连续（不可数、无穷多），例如麦克风输出电压，则为模拟信号；若代表消息的信号参量取值离散（可数的、有限个），例如电报信号、计算机输入输出信号，则为数字信号；,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.1模拟信号和数字信号的区别例：,(a)话音信号,(b)抽样信号,模拟信号,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.1模拟信号和数字信号的区别例：,2FSK信号,数字信号,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.1模拟信号和数字信号的区别结论：区别模拟信号和数字信号的关键，是看携载消息的信号参量（如幅值、频率、相位）的取值是连续的还是离散的，而不是看时间。,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.2模拟通信系统模型利用模拟信号来传递信息的通信系统两种重要变换：模拟消息原始电信号（基带信号）基带信号已调信号（带通信号）,.,16,信息源,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,基带信号、载波信号和已调信号,基带信号：来自信源的消息信号,即原始电信号（也称调制信号）。它可以是模拟的也可以是数字的。基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如话音信号的频率范围是300Hz3400Hz，图像信号的频率范围是06MHz。,载波信号：指未受调制的高频振荡信号。,已调信号：参量受到调制后的已调载波信号。,已调信号具有三个基本特征：（1）携带有信息；（2）适合在信道中传送；（3）信号的频谱具有带通形式，且中心频率远离零频，因而又称频带信号（带通信号）,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,1.2.2.3数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统,数字通信系统模型,.,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型,信源编码与译码目的:（1）完成模/数转换（2）将数字信号进行压缩处理，提高信息传输的有效性（减少码元数目或降低码元速率）加密与解密目的：保证所传信息的安全（密钥）信道编码与译码目的：增强抗干扰能力（加入监督码元）数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致,数字通信系统模型,.,1.2.3数字通信的优缺点,与模拟通信相比，数字通信具有以下主要优点：（1）抗干扰能力强，且噪声不累积（利用中继技术）；（2）传输差错可控（利用信道编码技术）；（3）便于进行信号加工、处理、变换和存储，从而可以将来自不同信源的信号综合到一起传输；（4）易于集成，使通信设备小型化；（5）易于加密处理，且保密性好。,.,1.2.3数字通信的优缺点,数字通信的缺点：（1）占用较大的传输带宽；（2）对同步要求高，因而系统设备较复杂。,.,1.3.1通信系统的分类,.,1.3.2通信方式,通信双方或者多方之间的工作方式,.,1.3.2通信方式,单工通信：消息只能单方向传输的工作方式,半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式,全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式,.,1.3.2通信方式,并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输,优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高,.,1.3.2通信方式,串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输,优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施,.,1.4信息及其度量,（1）信息：是消息中包含的有效内容。（2）Q：信息如何度量？信息量对接受者而言，只有消息中不确定的内容才构成信息。（3）信息度量的准则：能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关。（4）度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。,.,1.4信息及其度量,（5）信息量与概率之间的关系设：P(x)消息发生的概率，I消息中所含的信息量则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：IIP(x)P(x)越大，I越小；P(x)越小，I越大；P(x)=1时，I0；P(x)=0时，I；满足上述条件的关系式如下：信息量的定义,.,1.4.1离散消息的信息量,上式中对数的底：若a=2，信息量的单位为比特(bit)；若a=e，loge=ln，信息量的单位为奈特(nat)；若a=10，log10=lg，信息量的单位为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有,.,29,1、二进制离散信源（0,1），每个符号波形等概率独立发送。求传送二进制波形之一的信息量。解（1）若0、1等概率出现，则P(0)=P(1)=1/2;I(0)=I(1)=-log2(1/2)=1bit注：对于等概信源，二进制的每个码元含1bit的信息量。在工程应用中习惯把一个二进制码元称作1比特。,例题：离散消息的信息量,2、四进制离散信源（0,1,2,3），每个符号等概率独立发送。求传送四进制波形之一的信息量。解（1）每一波形出现的概率P=1/4;故I=-log2(1/4)=2bit注：对于等概信源，M进制的每个码元含有log2Mbit的信息量。因此，每个M进制的波形需要用log2M个二进制码元表示。,.,1.4.2离散信源的平均信息量（熵）,设离散信源为，且则离散信源的平均信息量（信源中每个符号所含信息量的统计平均值）为：显然，当信源中的每个符号等概率独立出现时，信源的熵有最大值：,.,1.4.3总信息量,设某信源的熵为H(x)，则当该信源发送m个符号（构成一条消息）时，所发送的总信息量为I=m*H(x)(bit),.,例题,1、设有一个二进制离散信源（0,1），每个符号独立发送。（1）若0、1等概率出现，求每个符号的信息量和平均信息量（熵）（2）若0出现概率为1/3，重复（1）解（1）若0、1等概率出现，则P(0)=P(1)=1/2;I(0)=I(1)=-log2(1/2)=1bit平均信息量（熵）：（2）若P(0)=1/3,则P(1)=2/3;I(0)=-log2(1/3)=1.584bit；I(1)=-log2(2/3)=0.585bit；平均信息量（熵）：,.,例题,2、已知某四进制离散信源(0,1,2,3)中个符号出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号出现都是独立的，试求(1)信源的平均信息量（熵）；(2)信源发送2001010201301消息的信息量。其中0出现38次，1出现25次，2出现24次，3出现13次，共100个符号。解（1）信源的平均信息量（熵）：（2）若从信息相加概念计算：I=38I(0)+25I(1)+24I(2)+13I(3)=38log28/3+25log24+24log24+13log28=190.7bit若从熵的概念计算：I=100H(x)=190.6bit,.,1.4.4连续消息的信息量,连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。连续消息的平均信息量为f(x)连续消息出现的概率密度,.,1.5通信系统主要性能指标,通信的任务是快速、准确的传递信息，通信系统的主要性能指标有效性、可靠性。有效性“速度”，传输一定信息量时所占用的信道资源（频率范围或时间间隔）可靠性“质量”，接收信息的准确程度。,.,1.5模拟通信系统的主要性能指标,（1）有效性传输带宽B。传送同样的消息（可用不同的调制方式）所需的带宽越小，通信的有效性越好。（2）可靠性输出信噪比So/No。不同的通信业务，对信噪比的要求也不同。,.,1.5数字通信系统的主要性能指标,（1）有效性传输速率和频带利用率1、码元传输速率RB，简称码元速率、传码率，波特率。定义：单位时间（秒）传送码元的数目。单位：波特（Baud）注意：码元速率仅仅表征单位时间传送码元的数目，而没有限定码元是何种进制。因此，只要知道每个码元的持续时间（码元宽度）TS（秒），就可得：,.,1.5数字通信系统的主要性能指标,（1）有效性传输速率和频带利用率2、信息传输速率Rb，简称信息速率、传信率，比特率。定义：单位时间（秒）内传送的信息量或比特数。单位：比特/秒（bit/s）简记：b/s或bpsRb和RB的关系：若每个码元所包含的平均信息量为H，则,.,1.5数字通信系统的主要性能指标,Rb和RB的关系：若每个码元所包含的平均信息量为H，则等概率时，H=log2M（即M进制的每个码元携带log2M比特的信息量）或,.,例题,设某数字传输系统传送二进制码元的速率为1200B，试求该系统的信息速率；若该系统改为8进制信号码元，码元速率不变，则该系统的信息速率为多少？解：（1）Rb=1200b/s(2)Rb=RB*log2M=1200*log28=3600b/s,.,1.5数字通信系统的主要性能指标,3、频带利用率定义：单位带宽（Hz）内的传输速率，即或,.,例题,设系统A以2000b/s的比特率传输2PSK调制信号的带宽为2000Hz，B系统以2000b/s的比特率传输4PSK调制信号的带宽为1000Hz，试问：哪个系统更有效？解：A系统B系统两个传输速率相等的系统其