通信原理第一章PPT

通信原理

樊昌信

第六版Why?InformationAgeInformationSuperhighway目录（学习内容）

第一章

绪论第二章信号、信道与噪声

第三章模拟调制系统

第四章数字基带调制系统第五章数字频带调制系统目录第六章模拟信号的数字传输第七章差错控制编码第八章伪随机序列第九章同步原理

主要参考书目[1]通信原理及其应用，王秉钧窦晋江张广森葛方辉，天津大学出版，2000年8月，￥19*[2]现代通信系统原理（修订版），王秉钧孙学军王少勇田宝玉，天大，1999.8，￥26[3]通信概论，吴德本王新允，人民邮电出版社，1994.4，￥14*[4]现代通信原理，徐佩霞黄胜华，中国科学技术大学出版社，1989[5]通信原理，冯子裘，西北工业大学出版社，1990.1[6]通信系统原理，张树京，上海铁道学院，1992，￥5.2[7]通信系统原理习题集，冯玉珉，北方交通大学，1992，￥4.0[8]通信系统原理，沈振元等，西安电子科技大学，1995，￥17.8成绩计算1、考勤：20%2、作业：20%3、考试：60%，闭卷我的联络方式：办公室：南海楼501室手机mail:minls@163.comThepropertyofthebookandmethodsoflearningit1)Propertyofthebooka.fromeasinesstodifficultyb.fromconcepttoperformanceanalysis2)Methodsoflearningita.readingitagainandagainb.graspingtheimportantconceptc.understandingthebasiccommunicationsystembyderivingsomekeyformula——学好通信原理离不开数学Understand+Remember第一章绪论本章主要内容：1、常用的通信术语2、通信系统的一般模型及各部分的作用3、数字通信系统的优缺点4、通信系统的分类及通信方式5、通信发展的历史及其特点6、信息量及其度量7、通信系统的主要技术指标1、1绪论1.1通信(communication)的基本概念1、通信:

信息传输或交换的过程。 信息的传递有两种类型： 1、时间上－－信息的储存（非通信） 2、空间上－－由一地方到另一地方（通信）2、消息（message)和信息(information)消息：

有待于传输的文字、符号、数据、语音、图象等

信息：

按信息论的观点，信息是指消息中所包含的对受信者有意义的内容。如通信前不知道，通信后才知道的东西。消息的有效内容,不同消息可有相同内容3、信号(signal)：信息的物质载体。数字信号（digitalsignal)：电信号的某个参量是离散的取值

。模拟信号（analogsignal)：电信号的某个参量是连续的取值。凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散模拟信号波形数字信号波形通信(communication)的基本概念4、波形（waveform):电信号的时域表现形式

5、通信系统(communicationsystem)：传递信息所需的一切技术设备和传输媒质的总称

模拟信号－－－－－－－》模拟通信系统 数字信号－－－－－－－》数字通信系统通信(communication)的基本概念6、点对点通信与网通信通信网：为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程,一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。通信网的构成

1）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）等

2）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等

3）交换设备：程控交换、ATM交换、光交换等

4）协议和准则本课程的主要任务主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统的组成、工作原理和性能指标

↑↑↑以功能框的形式表示理论分析数学计算1、2通信系统的组成及其各部分作用一、通信系统的一般模型信息源发送设备信道接收设备信宿噪声源发送端接收端各部分作用1、信息源：把各种可能的消息变成模拟信号、数字信号信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号2、发送设备：

将信源和信道匹配起来，即把信源产生的原 始电信号变换成适合在信道中传输的信号3、信道：

是信号传输的通道。可分为有线、无线信道4、接收设备：基本功能与发送设备相反，即从带有干扰的接 收信号中正确恢复出相应的原始信号5、信宿：

将复原的原始信号转换成相应的信息模拟通信系统模型模拟通信系统两种变换连续消息与基带信号的变换基带信号与频带信号之间的变换实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。模拟通信的主要特点1）抗干扰能力差

2）不易于保密通信

3）设备不易于大规模集成

4）不适应飞速发展的计算机通信的要求

5）简单、易于实现数字信息系统加密器噪声源解密器信源编码器调制器信道解调器译码器信宿发送端接收端各部分作用1、编码：信源编码:

(1)将模拟信号－》数字信号 (2)降低数字信号的数码率信道编码：抵抗噪声、衰落等干扰因素，提高通信的可靠性线路编码：便于基带信号系统传输数字通信系统模型发送端接收端信源信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码各部分作用2、加密：为了保证数字信号与所传信号的安全，可将信号 人为地扰乱3、数字调制器：把基带信号－》频带信号，实现频谱移4、同步：使收发两端的信号在时间上步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步5、数字复接：依据时分复用原理，把若干个低速数字信 号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输 容量和提高传输效率模拟与数字通信系统的区别与联系区别：以信道信号为准，而不是以信息源信号为准联系：模拟信号经A/D转换后，可以在数字通信系统中传输 数字信号经D/A转换后，可以在模拟通信系统中传输数字通信系统的主要优缺点优点：1、抗干扰能力强 2、信道的通融性好 3、可靠性强 4、保密性高 5、便于与计算机联系 6、易于集成，造价低数字通信系统的主要优缺点缺点：1、占用的频带较宽 2、设备较复杂 3、有量化误差Whatmustbeconsideredwhenyoudesignacommunicationsystem?1.Selectionoftheinformation-bearingwaveform2.Bandwidthandpowerofthewaveform3.Effectofsystemnoiseonthereceivedinformation4.Costofthesystem1、3通信系统的分类与通信方式一、分类1、按通信的业务和用途分类常规通信：话务通信电话信息业务 语音信箱业务 电话智能网业务 非话务通信数据通信 图象通信控制通信：遥测、遥控等通信系统的分类2、按调制方式分类根据是否采用调制基带传输：将未经调制的信号直接传输频带传输：对各种信号变换方式后传输调制的作用：1、便于信息的传输 2、实现信道的复用 3、改变信号占用的带宽 4、改善系统性能

表1-1常见的调制方式调制方式 用途连续波调制

线性调制 常规双边带调制 广播 抑制载波双边带调幅立体声广播

单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传

残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真 非线性调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播

相位调制PM 中间调制方式 数字调制 幅度键控ASK 数据传输 相位键控 数据传输频率键控数据传输续表

调制方式

用途

脉冲数字调制数字调制

相位键控PSK、数据传输、DPSK、QPSK等数字微波、空间通信

其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制

脉幅调制PAM中间调制方式、遥测

脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式

脉位调制PPM 遥测、光纤传输脉冲数字调制

脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信

增量调制DM 军用、民用电话

差分脉码调制DPCM 电视电话、图像编码

其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话通信系统的分类3、按信号特征分类 模拟通信系统、 数字通信系统4、按传输媒介分类 有线通信系统 无线通信系统5、按传输信号的复用方式分类 频分复用 时分复用 码分复用 波分复用通信方式1、按消息传输的方向与时间关系分： 单工通信：消息只是单方向传输 半双工通信：双方都能收发信息，但不能同时进行 全双工通信：双方可同时收发信息2、按有无交换分： 点对点通信：作为专线通信使用，不经济 网通信：作为公用通信使用，效益高由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上3、按数字信号排列顺序分在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数字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。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。并行和串行通信方式示意图

(a)并行传输；(b)串行传输1、4通信技术的发展概况及其特点＊通信的发展古代通信的起源近代通信的发展1、4通信技术的发展概况及其特点一、近代通信技术发展简史 1838年－－有线电报 1876年－－电话 1896年－－无线电报 1918年－－调幅无线电广播 1936年－－调频无线电广播 1938年－－电视（黑白）

1940年——1945年：微波、雷达 1958年－－第一颗通信卫星发射近代通信技术发展简史1960－1970－－彩电、计算机1970－1980－－商用卫星通信等1980以后：综合业务数字网21世纪：全光网二、通信技术发展特点通信技术发展特点1、模 数2、无线 有线★1、5信息及其度量*制定度量方法考虑的原则 货物 消息 货运量 信息量 有多种 有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度无关和重要程度无关总量是单件独立总量是单件消息货运量之和 的信息量之和制定度量信息的方法：

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量将有一毫米”--信息量小 “明天降雨量将达到一米”--信息量大 “明日太阳将从东方升起”--信息量零1、5信息及其度量任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。信息量与消息的种类无关，与消息的重要性无关，信息含量只是对消息中这种不确定性的度量。根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。1、5信息及其度量1）、消息中含有的信息量I是出现该消息的概率P(x)的 函数

I＝I（P(x)）2）、消息中所含的信息量I与出现该消息的概率P(x)成反比 当P(x)＝1时，I＝0；

当P(x)＝0时，I＝∞；信息及其度量3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性：I[P(x1)P(x2)……]＝I[P(x1)]+I[P(x2)]+……综上所述：a=2，则信息量度量的单位为：bita＝e，则信息量度量的单位为：nita＝10，则信息量度量的单位为哈特莱1、离散消息的信息量1）等概率情况：设要传递M个消息，且每一消息出现的概率相等：例1–1已知二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为Question:已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概发送，求传送每个符号的信息量。P=1/4的信息量为2比特P=1/8的信息量为3比特P=1/M的信息量为log2M(bit)若M是2的整幂次，则2）非等概率情况设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集合：集合X中，包含该信源包含的所有可能输出的消息，集合P中包含对应消息的概率密度，各个消息的输出概率总和应该为1。则每一个符号所包含的信息量分别为：-log2P(Xi)例：设天气预报有两种消息，晴天和雨天，出现的概率分别为1/4和3/4，我们分别用a1来表示晴天，以a2来表示雨天，则我们的信源模型如下：

2、离散信息源的平均信息量－－熵平均信息量：信源中每一个符号所含信息量的统计平均值统计独立的M个符号的离散信息源的平均信息量为：H(x)＝P(a1)[-Log2P(a1)]＋P(a2)[-Log2P(a2)]＋…＋P(an)[-Log2P(an)]信息熵具有以下两种物理含义：1、表示信源输出前信源的平均不确定性2、表示信源输出后，每个符号所携带的平均信息量

例1-2一个信息源由4个符号0、1、2、3组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的，试求某个消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为：每个符号的算术平均信息量为若用熵的概念来计算，由式（1.3-5）得则该消息的总信息量为：信息熵的基本性质性质1：非负性：H(X)≥0由于0≤pi≤1,所以logpi≤0，-logpi≥0，则总有H(X)≥0性质2：对称性：根据加法交换律可以证明，当变量交换顺序时熵函数的值不变。信源的熵只与概率空间的总体结构有关，而与个概率分量对应的状态顺序无关信息熵的基本性质性质3：确定性；当信源X的信源空间[X，P]中，任一个概率分量等于1，根据完备空间特性，其它概率分量必为0，这时信源为一个确知信源，其熵为0。如果一个信源的输出符号几乎必然为某一状态，那么这个信源没有不确定性，信源输出符号后不提供任何信息量。信息熵的基本性质性质4：极值性上式表明，对于具有q个符号的离散信源，只有在q个信源符号等可能出现的情况下，信源熵才能达到最大值，这也表明等概分布的信源的平均不确定性最大，这是一个很重要的结论，称为最大离散熵定理例：对于一个二元信源

H(X)=H(1/2,1/2)=log2=1bit1、6通信系统的主要性能指标1、有效性－－消息的传输速度2、可靠性－－消息的传输质量3、适应性－－环境使用的条件4、标准性－－元件的标准性、互换性5、经济性－－成本是否最低6、保密性－－是否便于加密7、维护性－－是否便于使用、维护1、6通信系统的主要性能指标有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；而可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换模拟通信系统的质量指标1、有效性－－用有效传输