通信原理基础知识1课件

简介课程目的本课程为计算机通信专业、网络工程专业，及计算机科学与技术专业的学生开设。其目的是使计算机学院毕业的学生具有一定的通信知识背景，了解和掌握现代通信的基本原理及相关技术，尤其是数字通信的基本原理，为进一步学习后续通信和网络专业课程打下基础教材《通信原理》（第6版）樊昌信预备知识电子电路、数字电路、信号与系统、电路分析基础、概率论与随机过程课程介绍是一门介绍信息传输基本原理（理论和技术）的课程。它的研究对象是通信系统。考核方式作业10%，期中考试30%，期末考试60%作业周二交作业光-视觉：烽火，火炬声波：击鼓鸣金信鸽、旗语古代的通信方法烽火台1837年SamuelMorse发明电报1876年AlexanderGrahamBell发明电话1895年GuglielmoMarconi发明无线电1906年电子管的发明使模拟通信得到发展1928年Nyquist取样定理和1948年shannon定理在理论上为数字通信奠定了基础20世纪50年代、60年代半导体和集成电路的发展使数字通信得到发展1945年第一台电子计算机的问世到80年代计算机的飞速发展使数据通信成为可能1963年第一次实现同步卫星通信20世纪70年代光导纤维的发明实现了光纤通信1974年美国Bell实验室提出蜂窝移动通信概念18世纪以来的通信方法课程要求希望学生尽可能做到课前预习、课上认真听讲、课后及时复习、按时独立完成规定作业、遇到疑难问题应尽快通过答疑、讨论等环节来解决，以便更好地学好本课程。教学内容绪论确知信号随机过程信道模拟调制系统数字基带传输系统数字带通传输系统新型数字带通调制技术模拟信号的数字传输差错控制编码正交编码与伪随机序列同步原理第一章绪论1.1通信系统模型1.2通信系统的分类与通信方式

1.3信息极其度量1.4主要性能指标1.5通信发展简史1.1通信系统模型一、通信系统二、通信系统模型三、模拟通信与数字通信四、模拟通信系统五、数字通信系统六、数字通信的特点一、通信系统通信——消息由一地向另一地的传递。即通过某种媒体进行的信息传递。

通信系统——完成通信过程的全部设备和传输媒质。二、通信系统模型信源信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为基带信号。电话机、手机、计算机等各种数字终端设备就是信源。模拟信源，输出的是模拟信号；数字信源，输出离散的数字信号。发送设备发送设备的基本功能是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。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，发送设备常常包括信源编码、信道编码、波形设计以及数字调制方式。对于多路传输系统，还包括多路复用设备。信道-狭义的信道信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。噪声源噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码等。其任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。信宿信宿是传输信息的归宿点。其作用是将复原的原始电信号转换成相应的消息。三、模拟通信与数字通信

消息分：连续消息（模拟消息）——消息状态连续变化。如：语音、图像离散消息（数字消息）——消息状态可数或离散。如：符号、文字、数据

信号是消息的表现形式，消息被承载在电信号的某一参量上。因此信号分：模拟信号——电信号的该参量连续取值。如：普通电话机发的语音信号数字信号——电信号的该参量离散取值。如：计算机内总线的信号

模拟信号和数字信号可以互相转换。因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示。信道中传输的是模拟信号——模拟通信系统 模拟调制传输系统、模拟基带传输系统传输的是数字信号——数字通信系统数字调制传输系统、数字基带传输系统四、模拟通信系统基带信号——由消息转化而来的原始模拟信号。一般含直流和低频，不宜直接传输。已调信号——由基带信号转化来的，频带适合信道传输的信号。又称带通信号（也称频带信号）。模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。基带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。由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。频带信号经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征：携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称带通信号或频带信号。基本变换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。模拟通信系统的主要工作是研究不同信道时采用的调制解调技术模拟通信的主要特点抗干扰能力差不易于保密通信在信息安全方面，模拟通信传送的电信号，很容易被“窃听”，我们平时打电话，有时能听到一些不相干的串音，就是如此。为了通信保密，可以采取加密措施，使信息密化。但模拟信号加密和解密都比较困难，而且保密程度不可能很高。有时，制造一台模拟信号保密机，所花的时间甚至比制造通信设备本身还长，所花费的资金甚至比通信设备还昂贵。设备不易于大规模集成不适应飞速发展的计算机通信的要求简单、易于实现。五、数字通信系统信源编/译码器——模拟数字信号转换加/解密器——保密传输信道编/译码器——差错控制调制/解调器——传输、复用以上各个功能框可根据需要设置。数字通信系统的主要内容就是研究这些功能框的实现方法。信源编码与译码作用一：是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。作用二：是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。信源编码方法：波形编码（PCM、ADPCM、DM）、参数编码（LPC）。信源译码是信源编码的逆过程。信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督码元），组成所谓“抗干扰编码”，即差错控制。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。信道编码：线性分组码、循环码、卷积码等。加密与解密加密：在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码。（MD5）解密：在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。数字调制与解调数字调制：是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式：振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对相移键控DPSK。解调：对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。同步同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步位同步帧同步网同步六、数字通信的特点再生中继，抗干扰能力强差错控制，改善传输质量支持各种消息的传递集成化，小型化保密性强数字通信由于传输的数字信号是离散电信号，很难被人听清，本身就具有较高的保密性。而为了密上加密，还可以很方便地进行加密处理。而且加密的规律愈复杂，通信保密的程度就愈高，敌方愈不容易破译。可己方联络对象，只要利用相应的解密设备就可以进行信息还原。代价：频带利用率低，同步技术复杂MPC8347MPC8347评估板示例音频传感器节点1.2通信系统的分类与通信方式一、通信系统分类二、通信方式一、通信系统分类按通信业务分：电报系统、电话系统、数据系统、图像系统按调制方式分：基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）按信号特征分：模拟通信系统、数字通信系统传输媒质（信道）分：有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤）、无线系统按工作波段分：长波、中波、短波、微波、卫星按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用二、通信方式

按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工按数字信号的排列顺序分：串序、并序按连接形式分：专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）通信方式（续）单工通信：是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼通信方式（续）半双工通信：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。通信方式（续）全双工通信：是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式，计算机之间的高速数据通信也是这种方式。通信方式（续）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。通信方式（续）并行和串行通信方式示意图1.3 信息极其度量通信的目的是传递信息。信息可以被理解为消息中包含的有意义的内容。当得到消息后，若事先猜测消息中所描述的事件发生的可能性越小，则此消息的信息量越大。信息量可以用消息所描述的事件发生的概率来描述。信息量的定义等概率离散消息的信息量不等概离散消息的信息量连续消息的平均信息量一、信息量的定义信息：包含在消息中，认为是消息中有意义的内容，更具普遍性和抽象性。信息量特性：消息中所含信息量与消息出现的概率有关，消息出现的概率愈大，则所含信息量就愈少。独立事件构成的消息所含信息量为各事件所含信息量的和。一、信息量的定义（续）设消息所代表的事件出现的概率为P(x)，则该消息所含的信息量I为：I=-logaP(x)a=2单位：比特（bit）a=e单位：奈特（nit）a=10单位：哈特莱二、等概率离散消息的信息量信源有M种消息，这M种消息独立等概率出现，传送M个消息中的一个，等价于传送一个M进制的码元（波形）。一个M进制码元（波形）的信息量：

I=-log2(1/M)=log2M(bit)一个二元码的信息量I=log22=1(bit)三、不等概离散消息的信息量设信源由n个符号组成，各个符号xi出现的概率为P(xi)，则每一符号的平均信息量（信源的熵）为：(bit/符号)当各符号等概率时，信源熵值最大： Hmax=log2n(bit/符号)设消息包含m个符号，该消息的信息量为： I=mH(bit)例例1：二元离散信源由“0”和“1”两个符号组成，其中p(0)=1/3，p(1)=2/3，则出现符号“1”的信息量

解：I=-log22/3=0.585bit例2：某离散信源由0、1、2、3四个符号组成，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，求消息2013021103200120033020320102223的信息量。 解：I=-Σnilog2p(xi) =-（11×log23/8+5×log21/4+9×log21/4+6 ×log21/8） =-(15.62+28.09+18.06)=61.77bit例例3：某离散信源由0、1、2、3四个符号组成，出现概率相同，求消息2013021103200120033020320102223的信息量。方法1：按H(x)=-Σp(xi)·log2p(xi) I=符号个数×H(x)方法2：I=-Σni·log2p(xi)四、连续消息的平均信息量f(x)——连续消息出现的概率密度1.4主要性能指标性能指标有：有效性（速度）、可靠性（质量）、适应性、经济性、可维护性等模拟通信系统性能指标数字通信系统性能指标一、模拟通信系统性能指标速度指标：单位时间内传输的信息量。

通常用频带利用率来衡量质量指标：接收信号与发送信号的均方误差。

对于加性噪声系统，通常用输出信噪比表示。

二、数字通信系统性能指标速度指标码元速率RB：每秒传送码元的数目。单位：波特（Baud）BRB=1/T