通信原理第一章课件

使用教材：

通信原理第6版，樊昌信，曹丽娜编著，国防工业出版社，2012.8

授课学时：64，其中实验16考核方式：闭卷考试Email：61777100@手机：;CommunicationSystemsConcepts通信原理通信原理是电子、通信、计算机、信息处理等专业的重要专业基础课。课程主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性能指标和基本分析方法。以各种调制技术的分析作为主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾进行分析，并对各种通信系统的性能指标进行评价与比较。课程简介：2/6/20232第1章绪论1、掌握模拟通信和数字通信的基本理论，各种调制解调性能比较，为进一步学习各种信息传输系统打下理论基础。2、掌握数字通信系统的基本组成、工作原理、常用的性能指标。3、理解模拟信号数字化的过程，掌握PCM调制等常用的数字化方法。4、掌握数字通信中常用的调制和解调方法。课程要求：2/6/20233第1章绪论本章教学要求1、了解通信系统组成、分类和通信方式。2、熟悉通信基本概念（模拟通信与数字通信）。3、理解信道的定义和模型4、掌握信息量和通信系统主要性能指标的计算。我们所知道的通信古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信

这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信。

现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。传统通信的几种形式古代峰火边防海军旗语信鸽传书1.1通信的基本概念所谓通信，就是信息的传递。传递是一种信息传输的过程或方式。

消息包括话音、文字、数据、图片、视频等。信息是消息中的有用内容。消息中包含信息，是信息的载体。得到消息，从而获得信息。所讨论的通信均指电通信，即利用各种电信号，包括光信号作为通信信号。现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。通信原理就是介绍支撑各种通信技术的基本概念和数学理论基础。1.2通信系统的组成一、通信系统一般模型用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本要素，因此在定义中加入软件这一模块。从硬件上看，通信系统主要由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿（受信者）五部分组成。干扰可以理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个通信系统无法彻底消除干扰。通信系统的一般模型实际通信系统模型如下图：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号（基带信号）。将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。信道中的噪声及分布在通信系统其他各处噪声的集中表示。传输信号的物理媒质传输信息的归宿点，其作用是将接收设备恢复出的原始信号转换成相应的消息

例：广播通信系统包括话筒、发送设备、无线电波传输、接收设备、扬声器等。二、模拟通信系统和数字通信系统1.模拟信源与数字信源产生模拟信号的信源是模拟信源，如话音、图像；产生数字信号的信源是数字信源，如符号、文字；2.模拟通信与数字通信不论是那种信源，模拟通信与数字通信的区别在于：模拟通信在信道中传输的是模拟信号；数字通信在信道中传输的是数字信号；图1-6模拟通信系统的模型特点：1、信源发出模拟信号，信道中传输的也是模拟信号；2、发送设备和接收设备主要功能是完成调制与解调。图1-7数字基带通信系统的模型特点：1、信源发出的与信道中传输的都是基带数字信号；2、发送和接收设备主要是完成编码与解码功能。3.模拟信号数字化传输通信系统在日常生活中大部分信号为模拟信号,实现模拟信号在数字系统中的传输则必须:发端进行A/D;收端进行D/A

三、数字通信的特点

1、抗干扰能力强比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪声影响，5V变成8V，而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了。一般可以将大于2.5v的信号都判为1，小于2.5v都判为0。如果0V受干扰也可能变成8V，以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后，数据0不是用简单的低电平表示，因此，这种误码出现的可能性很小。3、便于进行信号加工与处理由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。4、传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量5、数字信息易于加密且保密性强。6、能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类

1.按传输介质分类分为无线通信系统与有线通信系统。利用无线电波、红外线、激光等进行通信的系统统称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通信系统、电视系统等都是无线通信系统。用导线(包括电缆、光缆和波导等)作为介质的通信系统为有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。通信系统有线通信系统有线载波通信光通信架空明线对称电缆同轴电缆空间光通信光纤通信无线通信系统微波中继通信卫星通信移动通信微波散射通信流星余迹通信二、通信方式通信方式指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。根据不同的标准，通信方式有多种分类法：1、按通信对象数量的不同，可分为：点到点通信(通信在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)。

2、根据信号传输方向与传输时间的不同，任意两点间的通信方式可分为：单工通信(Simplex)半双工通信(Half―Duplex)：双工通信(Full―Duplex)：通信方式示意图1.4信息及其度量传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。信息是一个抽象的概念，能否被量化？如何量化？例：信息“明天太阳从东边出来”和“明天太阳从西边出来”，后者对信息的受者更有吸引力。信息量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量就为0。信息量与事件概率之间的关系式为：P表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得到的信息量。如果消息由若干个互相独立的事件构成，则该消息所含信息量等于各独立事件所含信息量之和。且有，则每个符号所含信息量的分别为每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为整个消息的信息量为n为不同符号的个数；ni代表概率为P(xi)字符的个数。平均信息量也称为信息源的熵。bit/符号例：已知英文字母e和z出现的概率分别为0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。

解：e的信息量

z的信息量:例：某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率场为

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息总长为N=57个符号，其中0出现23次(n1=23)，1出现14次(n2=14)，2出现13次(n3=13)，3出现7次(n4=17)。求得此消息总的信息量。例：求上例中消息的平均信息量。解：每个符号的平均信息量(信源的熵)/符号消息有N=57个符号，所以该消息所含总信息量为I=1.906N≈108.64bit两种方法求总信息量，结果略有差异，原因在于两者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加，这种误差会逐渐减小。不同的离散信息源可能有不同的熵值。可以证明，在信息源的最大熵发生在每一个符号等概率出现时，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为f(x)是连续消息出现的概率密度。1.5通信系统主要性能指标根据各种不同的划分标准，通信系统多种多样。如何评价一个通信系统性能的优劣？信息必须依赖于具体电信号的某项参数的变化进行传输。若参数变化的速度越快，则单位时间内信号所携带或传输的信息量就越大。定义信息传输速率来衡量信息传输的快慢。单位时间传输的信息量叫做信息传输速率。信息传输速率的单位除了基本的比特/秒(常记作b/s)外，还有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它们之间的关系为：1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。比如，一个周期电压方波信号，其幅值变化的频率为10Hz，即每秒变化10个周期，若给每个周期(两个码元)赋予一定的信息量，假设为2bit，则该信号传输的信息速率为20b/s(bitpersecond)；如果有另一个周期电压信号，其幅值变化的频率为1000Hz，同样给每个周期赋予2bit信息量，则该信号传输的信息速率就为2000b/s。研究通信系统性能指标是一个非常复杂的问题，包括的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、快速性、方便性、经济性以及实用维护等诸多方面。通信的有效性和可靠性是首要考虑的问题，把通信的有效性和可靠性作为评价通信系统性能的主要指标。对于模拟通信系统，有效性常用系统的传输频带宽度来衡量，而可靠性则用接收端最终输出的信噪比S/N来评价。电视信号S/N一般要求大于40~60dB；电话一般要求S/N为20~40dB。注意dB的定义方法!系统的传输带宽主要取决于传输介质和对信号的处理方式。在数字通信系统中，用信息传输速率来衡量系统的有效性。定义单位时间传输的码元个数为码元传输速率，其单位为波特(Baud)，故也常常称为波特率。在数字通信中，常用时间间隔相同的信号来表示一位二进制数字，这个时间间隔被称为二进制码元长度，即表示0和1的脉冲时间称为码元长度。同样，N进制信号也是等长的，被称为N进制码元。一个系统1秒钟传送了1200个二进制码元，其波特率就是1200Baud。波特率仅仅说明系统传输数字信号的能力，还不知其传输信息的多少。在数字通信系统中可以采用多进制(M进制)信号，即M进制信号，通常M取为2的各次幂，比如4、8、16等，那么在传输多进制信号时就需要多种码元。再定义一个信息传输速率：单位时间传输的信息量。由于信息量的单位是比特，因此信息传输速率也称为比特率。二进制数字信号的码元速率和信息速率在数值上相等。波特率、比特率与数制三者之间的关系比如波特率还是1200Baud的通信系统，现改为传输四进制信号，则其信息传输速率就为2400b/s，比二进制信号提高了一倍。

式中,Rb为信息传输速率(b/s)；RB为码元传输速率(Baud)；M为采用信号的进制数。频带利用率：单位带宽内的传输速率。数字通信系统的可靠性用差错率衡量。差错率包括两个内容：误码率和误信率。误码率指错误接收的码元数在传输的总码元数中所占的比例。或者说是码元在传输中被传错的概率。用下式表示：误码率(Pe)=错误的码