通信原理-教学课件-1市公开课一等奖百校联赛优质课金奖名师赛课获奖课件

通信原理国防科技大学电子科学与工程学院主讲：唐朝京73401东堂75776箱：dongtangma@gfkd.mtn1/691课程介绍主要内容：

信息传输基本理论和主要技术预修课程：电子线路、信号与系统、随机信号分析等后续课程：

编码理论、通信系统、无线通信等考评方式：

笔试（试验合格为前提）2/692学科基础电路类课程信号与系统随机信号分析与处理专业基础通信原理专业课无线通信基础通信系统保密通信信息安全信息论与编码基础基础性、重要性对前修课程的要求对后续课程的支撑对个人专业发展的支持课程介绍3/693课时安排总课时56=44+4+8讲授内容安排讲授课时试验内容试验课时第1章绪论2第2章信道2第3章模拟调制系统4第4章模拟信号数字化8PCM和

M2第5章数字基带传输系统8HDB32第6章数字带通传输系统6DPSK、串行通信和FSK2第7章新型数字带通调制技术4第８章数字信号最正确接收6第９章同时原理4位同时2合计44+484/694教材“通信原理”（第6版）樊昌信、曹丽娜编著，国防工业出版社5/695参考书“当代通信原理”曹志刚、钱亚生，清华大学出版社“当代通信系统”R.Block，电子工业出版社“通信系统”

S.Haykin，电子工业出版社6/696第一章绪论２０１０年４月１２日7/697第一章绪论通信系统根本任务：克服距离上障碍实现有用信息快速准确传递。通信系统基本技术要求：功率利用率高频带利用率高接收信噪比高传输错误率低8/698第一章绪论军事通信能力要求:立体覆盖能力互联互通能力宽带传输、交换能力多业务综合能力多功效综合能力运动中通信能力保密与抗干扰能力9/699第一章绪论本课程学习关键点：着眼系统学原理着眼信号学原理着眼随机性学原理10/6910第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标11/6911第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标12/69121.1通信基本概念烽火狼烟是中国古代一个主要通信方式利用驿站传递文书1837年莫尔斯电报发报收报传输线1.1.1通信技术发展简史通信技术是伴伴随人类生产力发展而不停进步。13/69131.1通信基本概念

话筒耳机1876年贝尔电话1864年麦克斯韦从理论上预言了电磁波存在1887年赫兹试验证实了电磁波存在1.1.1通信技术发展简史14/69141.1通信基本概念1896年无线电通信创造创造人：意大利人马可尼（博洛尼亚大学）

、俄国人波波夫（圣彼得堡电子科技大学）二战期间微波通信问世并得到广泛应用二十世纪六十年代卫星通信出现七十年代光纤通信创造，蜂窝移动通信出现1.1.1通信技术发展简史15/6915圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫试验室1.1通信基本概念16/6916圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫试验室1.1通信基本概念17/6917圣彼得堡电子科学与技术大学波波夫试验室1.1通信基本概念18/69181.1通信基本概念1946年第一台计算机问世。1969年APARNET问世，随之互联网技术及其应用快速发展。1.1.1通信技术发展简史信息时代是因为通信技术飞速发展和广泛应用而实现，并将伴随通信技术深入发展而发展。19/6919一个半世纪以来人类通信能力增加示意图

公里Ｘ每秒比特1.1通信基本概念20/69201.1通信基本概念1.1.2通信信息系统层次结构系统层次逻辑层次物理层次信号传输信息传递信息利用传统意义上通信负责完成低两层工作，分别表现为点对点传输和网络化通信。信号传输是通信基础技术。21/69211.1通信基本概念1.1.2通信信息系统层次结构通信网络三类主要设备：传输、交换、终端。网络中全部设备按照通信协议要求而协调工作。终端交换中继传输用户线传输名词辨析：通信系统与通信网络。通信网络示意图22/6922第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标23/6923通信系统：传输信息所需技术设备总和。噪声信道信源信宿传输媒介发送设备接收设备通信系统普通模型产生或发出消息人或机器接收消息人或机器

将信源产生消息信号变换成便于传送形式从带有干扰接收信号中正确恢复出原始信号1.2.1通信系统普通模型1.2通信系统组成24/69241.2通信系统组成信源信源即信息发送源。信息经过信号承载。信源信号分为模拟信号和数字信号模拟信号：特征量取值连续信号(幅度、频率或相位)数字信号：特征量取值离散信号(幅度、频率或相位)1.2.1通信系统普通模型25/69251.2通信系统组成连续信号tf(t)tf(nt)抽样信号模拟信号波形模拟信号特征量取值连续信号数字信号波形f(t)031231多进制码t3210数字信号特征量取值离散信号110010二进制码tf(t)101.2.1通信系统普通模型26/69261.2通信系统组成发送设备发送设备功效是将信源和传输媒介匹配起来，将信源产生信号变换为便于发送形式。发送包含基带传输和频带传输（带通传输）两种方式。

频带传输不但可用于无线通信，也大量用于有线通信。频带传输必须先经过调制。1.2.1通信系统普通模型27/69271.2通信系统组成

实际应用重点：数字信号频带传输。1.2.1通信系统普通模型基带传输与频带传输示意图28/69281.2通信系统组成信道从发送设备到接收设备之间信号传递所经过媒介。信道分为无线信道和有线信道。信道特征及其引入噪声直接关系到通信质量。接收设备完成发送设备反变换，即进行解调、译码、解码等等。1.2.1通信系统普通模型29/6929通信系统依据所传信息信号表示形式，可分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统——利用模拟信号传输信息系统。数字通信系统——利用数字信号传输信息系统。1.2通信系统组成1.2.1通信系统普通模型名词辨析：模拟信号与数字信号。模拟信号：特征量取值连续信号(幅度、频率或相位)数字信号：特征量取值离散信号(幅度、频率或相位)30/6930信源发送设备接收设备信宿噪声调制解调信

道信道低噪放大功率放大调幅、调频、调相1.2通信系统组成1.2.2模拟通信系统模型31/69311.2通信系统组成1.2.3数字通信系统模型接收设备发送设备32/69321.2通信系统组成1.2.3数字通信系统模型调制：用基带信号对载波信号特定参数进行控制，以实现有用信息寄载，并将基带信号频谱搬移到适当频段以适应信道传输。信源编码：提升信息传输有效性，压缩信源中信息冗余度。对于模拟信源，还要先进行模数转换。信道编码：提升信息传输可靠性，发端按特定规则加入保护码元，收端进行对应译码，以纠正传输过程中引入错误。名词辨析：传输调制与中间调制。33/69331.2通信系统组成数字通信主要优点：1、抗干扰能力强，噪声不积累2、易于采取纠错编码控制传输差错3、易于加密处理，且保密度高4、便于处理、变换和存放5、易于集成，方便小型化数字通信主要不足：１、数据率高２、同时要求高３、实现复杂度高1.2.3数字通信系统模型34/69341.2通信系统组成数字通信包括主要技术：信源编码与解码技术：预测编码，变换编码加密与解密技术：对称密钥体制，公钥体制信道编码与解码技术：BCH，TURBO，LDPC调制与解调技术：FSK，PSK，QAM多路复用技术：频分复用，时分复用定时与同时技术：载波同时，位同时，网同时1.2.3数字通信系统模型35/69351.2通信系统组成1.2.4通信系统中复接与同时复接与分接复接是将多路（基带）信号集中为一路，方便于统一传输，又称为多路复用。分接是其逆过程。复接对象能够是单路信号，也能够是已经过复接群路信号。复接调制信道解调分接36/69361.2通信系统组成1.2.4通信系统中复接与同时复接与分接单路信号复接主要有频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing)和时分复用(TimeDivisionMultiplexing)。37/69371.2通信系统组成1.2.4通信系统中复接与同时群路信号（数字）复接包含同时数字系列（SDH）与准同时数字系列（PDH）两种形式。群路信号复接主要用于光纤、微波等高速数字通信系统中。复接与分接38/69381.2通信系统组成1.2.4通信系统中复接与同时同时同时是通信系统尤其是数字通信系统最主要基础技术之一。同时包含载波同时、位同时、群同时和网同时等几个。39/69391.2通信系统组成1.2.4通信系统中复接与同时同时载波同时是在接收端取得与发送载波同频同相振荡信号，用于相干解调。位同时是从已解调信号中提取出码元时钟，用于恢复基带数字码元。群同时用于从码元序列中正确地界定出特定分帧。网同时用于为大规模数字通信网络提供统一高精度码元时钟基准。40/6940第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标41/69411.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统分类按通信业务分有：电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统、多媒体通信系统。按是否采取调制分有：基带传输系统和频带传输（带通传输）系统。按传输媒质分有：有线通信系统和无线通信系统。当前有线通信以光纤通信为主；无线通信以无线电通信为主。42/69421.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统分类按工作波段，无线电通信又可分为：长波通信、短波通信、超短波通信、微波通信等系统。按接入方式，无线电通信又可分为：频分多址、时分多址、码分多址等系统。（容量不一样）按频带利用方式，无线电通信又可分为：定频窄带通信、跳频通信、扩频通信等系统。

跳频通信与扩频通信含有较强抗有意干扰能力，是军事通信主要伎俩。43/6943fLfH慢速跳频通信即可反抗定频干扰跳频信号干扰信号1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统分类跳频通信是收发双方按照伪随机规律快速改变发射和接收频率以躲避敌方干扰无线通信技术。

44/6944fLfH工作时间工作频率1.3通信系统分类与通信方式跳频信号干扰信号快速跳频通信可反抗跟踪式干扰45/69451.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统分类扩频（直扩）是用速率比信息码高得多伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过对应解扩处理恢复原始信息、同时抑制干扰信号通信技术。46/6946普通窄带系统频率幅度fc发送端窄带信号频谱接收信号频谱频率幅度fc窄带信号频谱扩频通信系统频率幅度fc扩频后发送信号频谱扩频处理频率幅度fc接收信号频谱解扩处理频率幅度fc恢复发送端窄带信号47/6947频率幅度fc解扩后信号频谱存在窄带干扰时扩频系统频率幅度fc窄带信号频谱频率幅度fc扩频后发送信号频谱扩频处理解扩处理频率幅度fc叠加干扰干扰信号频谱频率幅度fc接收信号频谱经滤波可滤除大部分干扰能量而保留有用信号能量，使系统在强干扰存在时仍能正常工作。48/69481.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统分类扩频（直扩）是用速率比信息码高得多伪随机扩频码改造发送信号，使发射信号频谱大大展宽，在接收端经过对应解扩处理恢复原始信息、同时抑制干扰信号通信技术。广义地讲，跳频也属于扩频通信范围。49/69491.3通信系统分类与通信方式1.3.2主要通信方式按消息传送方向与时间分单工通信消息只能单向传输通信工作方式广播、遥控、无线寻呼等半双工通信通信双方都具备收发能力，但收发不能同时工作单条信道全双工通信（FullDuplex）收发双方可同时进行双向消息传输方式需双向信道TD-SCDMA（TD：Time-divisionDuplex）50/69501.3通信系统分类与通信方式1.3.2主要通信方式按数据代码排列方式分并行传输：速度快，但多个并行信道成本高；串行传输：速度慢，但只需单个信道。并行传输不但可用于基带传输系统，还可用于频带传输系统中，如多载波调制（ＭＣＭ）。其中最主要技术是正交频分复用ＯＦＤＭ。51/69511.3通信系统分类与通信方式1.3.2主要通信方式特点：以增加处理运算量为代价，采取多个信道传输，大大降低了每个子信道码元传输速率，可有效抵抗信道干扰，降低传输差错率。52/69521.3通信系统分类与通信方式1.3.2主要通信方式ＯＦＤＭＦＤＭ当满足一定条件，ＯＦＤＭ各子载波相互正交，在接收端能完全区分，从而可正确解调。ＯＦＤＭ系统含有很高频带利用率。53/69531.3通信系统分类与通信方式1.3.2主要通信方式ＯＦＤＭ系统框图：54/6954第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标55/6955内涵载体载体载体传输内涵1.4信息及其度量1.3.2消息、信号和信息消息是一组有序符号序列（文字、语音、图像等）信号是消息详细表现形式（声、光、电等信号）信息是消息中包含某种有意义抽象东西。56/6956消息中包含信息量与消息出现概率之间关系应反应以下规律：消息中所含信息量是出现该消息概率函数，即：消息出现概率越小，它所含信息量越大；反之信息量越小，且当时，;“废话少说！”若干个相互独立事件组成消息，所含信息量等于各独立事件信息量和，即：1.4信息及其度量1.3.2信息度量57/69571.4信息及其度量

基于上述考虑，哈莱特首先提出采取消息出现概率对数作为该消息携带信息量。I：消息x所携带信息量P(x)：该消息发生概率信息量单位：

对数底为2→比特(bit)对数底为e→奈特(nat)对数底为10→哈特(十进制单位)58/6958例

已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现概率为1/2，求信源输出“1”信息量。1.4信息及其度量假如一个离散信源是由n个符号组成集合，符号集中每一个符号在消息中是以一定概率出现，即:

每个符号所包含信息量分别为59/69591.4信息及其度量信源X中每个符号所包含信息量统计平均值即平均信息量为：

与热力学中熵形式相同，故通常又称之为信息源熵，记作H(x)，单位为bit/符号。对于离散信源，当各信源符号等概分布时，信源熵最大。60/69601.4信息及其度量例：一个信息源由4个符号0，1，2，3组成，它们出现概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号出现都是相互独立。试求某个消息0213001203210100321010023100103210010信息量。解：此消息共57个符号，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。其中：出现0信息量为23log28/3=33bits出现1信息量为14log24=28bits出现2信息量为13log24=26bits出现3信息量为7log28=21bits

故该消息总信息量为：I=33+28+26+21=108bits该信源平均信息量为：61/6961第一章绪论1.1通信基本概念1.2通信系统组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标62/6