《通信原理项目式教程》课件项目1 初识通信系统

项目1初识通信系统任务1.1学会辨识通信系统任务1.2认识通信系统的组成任务1.3计算信息量任务1.4评价通信系统的优劣任务1.5对信号进行时频域变换任务1.6掌握信道相关概念和计算任务1.1学会辨识通信系统

日常生活、生产中存在着各种各样的通信系统。通过学习和独立思考，了解各种通信系统的存在形式，掌握它们各自的特点，学会对其进行分类。子任务1：了解通信发展的历史子任务2：掌握“通信”的概念子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式任务要求：任务1.1学会辨识通信系统子任务1：了解通信发展的历史最终目标——5W

（Whenever,Wherever,Whoever,HoweverandWhatever）古代通信消息树烽火台驿马传令书信现代通信电报电话广播电视遥控遥测莫尔斯电磁式电报机海底电缆越洋电报电话机有线电报有线电话无线电报微波通信、卫星通信、光纤通信、移动通信和计算机通信任务1.1学会辨识通信系统子任务2：掌握“通信”的概念通信：将信息有效而可靠地由一地传输到另一地的过程。通信的目的是传输信息信息的传输必须是有效而可靠的信息的传输在异地之间，要经历一段时间，要采用某种的具体形式，要克服路径中的干扰和距离上的障碍。任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式一、通信系统的分类1、按通信的业务和用途分类

话务通信

常规通信非话务通信

控制通信4、按传输媒介分类

有线通信

无线通信5、按工作波段分类

长波通信

中波通信短波通信超短波通信微波通信红外线通信2、按调制与否分类

基带传输

频带传输3、按信号特征分类

数字通信

模拟通信6、按信号复用方式频分复用

时分复用

码分复用

空分复用

波分复用任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式数字通信的优点：抗干扰能力强。差错可控。便于进行加工和处理。易集成。易加密，保密性强。灵活性好，通用性强。

这些优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式工作频率和波长的换算公式为：式中，f为工作频率（单位为Hz），

λ为工作波长（单位为m），

c为光速（单位为m/s）。任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式通信波段

与常用传输媒质：任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式二、通信传输方式1、按消息传递的方向与时间关系划分任务1.1学会辨识通信系统子任务3：学会辨识通信系统的分类与传输方式二、通信传输方式2、按数字信号码元的排列方法划分任务1.2认识通信系统的组成

了解通信系统的组成结构、构成要素和系统中采用的关键技术。学会对日常生活、生产中的通信系统进行简单的分析。子任务1：了解通信系统的基本组成结构和构成要素子任务2：了解模拟通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握调制的概念和分类子任务3：了解数字通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握信源编码、信道编码、加密和解密、加扰和解扰、同步等技术的基本概念任务要求：任务1.2认识通信系统的组成子任务1：了解通信系统的基本组成结构和构成要素通信系统的一般模型：任务1.2认识通信系统的组成子任务2：了解模拟通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握调制的概念和分类模拟通信系统模型：为什么要进行调制？需要将基带信号进行频谱搬移，变换为适合于信道的形式再进行传输；实现频分复用；无线通信中减小天线的尺寸。任务1.2认识通信系统的组成子任务2：了解模拟通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握调制的概念和分类调制的相关分类：（1）按调制信号的种类：模拟调制——调制信号为模拟信号，比如正弦型信号；数字调制——调制信号为数字信号，比如二进制序列。（2）按载波的种类：连续波调制——载波为连续信号，比如正弦型信号

；脉冲调制——载波为脉冲信号，比如矩形脉冲序列

。（3）按调制参数的种类：幅度调制——载波的幅值随调制信号的变化而变化；频率调制——载波的频率随调制信号的变化而变化；相位调制——载波的相位随调制信号的变化而变化。任务1.2认识通信系统的组成子任务2：了解模拟通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握调制的概念和分类常见的调制方式：任务1.2认识通信系统的组成子任务3：了解数字通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握信源编码、信道编码、加密和解密、加扰和解扰、同步等技术的基本概念数字通信系统模型：数字系统中的匹配对：任务1.2认识通信系统的组成子任务3：了解数字通信系统的基本组成结构和构成要素，掌握信源编码、信道编码、加密和解密、加扰和解扰、同步等技术的基本概念信源编码的目的是为了提高系统的有效性。信源编码的作用：设法减少码元（M进制系统中共有M种消息符号，每个消息符号又称为一个码元）数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。当信息源产生的是模拟信号时，将模拟信号变换成数字信号，即通常所说的模/数转换。信道编码是利用差错控制技术使系统具有检错、纠错能力，以提高系统的可靠性。任务1.3计算信息量

如前所述，通信的目的是有效而可靠地传输信息。为了衡量传输的有效性，有必要引入一个量纲，以计算传输信息的多少，这就是信息量。信息量是度量信息内容多少的量纲。本节的任务是学会单个符号的信息量、信源的平均信息量和消息序列的总信息量的计算方法。子任务1：学会计算单个符号的信息量子任务2：学会计算平均信息量（信源的熵）子任务3：学会计算消息的总信息量任务要求：任务1.3计算信息量子任务1：学会计算单个符号的信息量信息量计算公式：其中底数a可有三种取值：2、10或e。取值不同，信息量I的单位不同。在等概二进制系统中，每个二进制符号都携带1bit的信息量。在等概M进制通信系统中，每个符号所携带的信息量为：任务1.3计算信息量子任务2：学会计算平均信息量（信源的熵）平均信息量计算公式：平均信息量H(x)又称为信源的熵，其单位为比特/符号（或bit/symbol）。可以证明，在等概的情况下，平均信息量的值就等于每个符号携带的信息量，且信息源的熵有最大值。任务1.3计算信息量子任务3：学会计算消息的总信息量由于信息具有相加性，即多个相互独立的消息所携带的总信息量等于每个消息所含信息量的线性叠加。总信息量计算公式：可以利用这个特性来求解消息序列的总信息量。案例分析：解法1：利用信息的相加性来求解法2：利用平均信息量来求解法1的结果更准确，这是因为平均信息量体现的是统计平均值，而每个具体消息序列中符号出现的比例并不一定与其出现概率完全一致。因此，消息序列越长，利用平均信息量进行计算的结果越准确。当消息序列趋于无穷时，两种解法的计算误差将趋于零。任务1.4评价通信系统的优劣

通信系统多种多样，如何评价一个通信系统的优劣，设计和使用一个通信系统又有什么依据标准呢？这就需要确定反映通信系统性能的各种技术指标，如有效性、可靠性、标准化程度、便捷性、经济性及实用性等。其中，有效性和可靠性是评价通信系统性能的最主要指标。有效性主要涉及信息传输的“速度”问题，而可靠性主要涉及信息传输的“质量”问题。二者相互联系又相互制约，在实际应用时必须统筹兼顾。本节的任务是熟悉通信系统中的各种可靠性和有效性指标，掌握相关计算，并学会利用这些指标来评价通信系统的优劣。子任务1：学会评价模拟通信系统的优劣子任务2：学会评价数字通信系统的优劣任务要求：任务1.4评价通信系统的优劣子任务1：学会评价模拟通信系统的优劣有效性：系统的有效传输频带宽度。

信号的有效传输带宽与调制方式有关。如传输一路模拟话音，采用常规调幅（AM）需要占用8kHz带宽，而采用单边带调幅（SSB）4kHz带宽就够了，因此，SSB比AM的有效性高。可靠性：接收机最终输出的信噪比S/N，代表着系统的抗噪声性能。

信噪比即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。

如无线广播，调频（FM）信号比调幅（AM）信号的抗噪声性能就好。但调频信号占用的频带宽度更宽，即有效性要差，这是通信系统两个主要性能指标相互制约的具体表现。案例分析：

信噪比往往用功率增益的单位dB来表示，定义10lg(S/N)的单位即为dB。任务1.4评价通信系统的优劣子任务2：学会评价数字通信系统的优劣1、有效性（1）码元速率RB

定义为每秒钟传输码元的个数，又称码元传输速率或传码率，单位为波特（Baud）。（2）信息速率Rb

定义为每秒钟所传输的信息量，又称信息传输速率或传信率，单位为比特/秒（bit/s或b/s或bps）。

信息速率与码元速率的关系为：（3）系统频带利用率ηb或ηB

系统信息量频带利用率ηb定义为单位频带内的信息传输速率，即

系统码元频带利用率ηB定义为单位频带内的码元传输速率，即任务1.4评价通信系统的优劣子任务2：学会评价数字通信系统的优劣2、可靠性（1）误码率Pe

定义为信息在传输过程中，发生差错的码元的个数与传输总码元个数的比值（2）误信率Pb

又称误比特率，定义为信息在传输过程中，发生差错的信息量（错误的比特数）与传输的总信息量（传输的总比特数）的比值

二进制系统的Pb＝Pe，而多进制系统的Pb≤Pe。

数字电话系统中误信率在10－3～10－6之间即可满足正常通话的要求，而计算机通信对误信率要求更高，一般必须小于10－9。任务1.4评价通信系统的优劣子任务2：学会评价数字通信系统的优劣案例分析：2、3、任务1.5对信号进行时频域变换

通信系统中实际传输的形式是信号。人们容易掌握信号的时域特性，但信号不只随时间变化，还具有频率方面的特性，要知道信号随着频率的变化是怎么变化的，就要对信号进行频域研究。有时，信号的频域形式能够更直观地体现出信号的特性。而且，人们发现时域信号的计算往往要用微分方程，而频域的计算就变成了代数方程，求解起来更方便。本节的任务是学习时频域变换的最常用方法——傅立叶变换。要熟记常用傅立叶变换的性质和常用的傅立叶变换对，掌握利用它们进行信号的时频域变换的方法，并学会对频域信号进行分析。子任务1：了解傅立叶变换相关概念子任务2：利用傅立叶变换的性质对信号进行时频域变换及分析子任务3：利用常用傅立叶变换对实现信号的时频域变换及分析任务要求：任务1.5对信号进行时频域变换子任务1：了解傅立叶变换相关概念傅里叶变换公式：傅氏变换对：任务1.5对信号进行时频域变换子任务2：利用傅立叶变换的性质对信号进行时频域变换及分析傅立叶变换基本性质：1、线性特性*2、对称性3、尺度变换特性任务1.5对信号进行时频域变换子任务2：利用傅立叶变换的性质对信号进行时频域变换及分析傅立叶变换基本性质：4、时移特性5、频移特性6、微分特性（1）时间微分（2）频域微分任务1.5对信号进行时频域变换子任务2：利用傅立叶变换的性质对信号进行时频域变换及分析傅立叶变换基本性质：7、积分特性（1）时间积分（2）频域积分8、卷积特性*（1）时间卷积（2）频域卷积9、调制特性*任务1.5对信号进行时频域变换

任务1.5对信号进行时频域变换子任务2：利用傅立叶变换的性质对信号进行时频域变换及分析案例分析：3、解：

任务1.5对信号进行时频域变换

任务1.5对信号进行时频域变换子任务3：利用常用傅立叶变换对实现信号的时频域变换及分析任务1.5对信号进行时频域变换子任务3：利用常用傅立叶变换对实现信号的时频域变换及分析任务1.5对信号进行时频域变换

任务1.5对信号进行时频域变换

任务1.5对信号进行时频域变换

任务1.6掌握信道相关概念和计算

在通信系统中，信道特性和信道中的噪声直接影响着通信的速率和质量。本节的任务是要对信道和噪声的定义和分类有所了解，学习与信道及噪声紧密相关的香农公式，学会利用香农公式正确解释现代通信中的各种现象和问题。子任务1：了解信道的定义和分类子任务2：了解噪声的来源和分类，掌握高斯白噪声的特性子任务3：掌握香农公式的相关计算，学会对香农公式进行分析以正确解释现代通信中的各种现象和问题任务要求：任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务1：了解信道的定义和分类信道：信号的传输媒介。任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务1：了解信道的定义和分类常用有线信道：调制信道与编码信道：任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务2：了解噪声的来源和分类，掌握高斯白噪声的特性干扰：周期性的、有规律的有害信号；噪声：干扰之外的其它有害信号。调制信道模型：时变线性网络的输入与输出之间关系：式中，ei(t)是信道输入信号；eo(t)是信道输出信号；

k(t)与输入信号是相乘的关系，称为乘性噪声；

n(t)与输入信号是相加的关系，称为加性噪声。任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务2：了解噪声的来源和分类，掌握高斯白噪声的特性噪声分类图：任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务2：了解噪声的来源和分类，掌握高斯白噪声的特性单频噪声：脉冲噪声和起伏噪声：任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务2：了解噪声的来源和分类，掌握高斯白噪声的特性高斯噪声：概率分布服从高斯分布的噪声白噪声：功率谱密度在（-∞～+∞）整个频率范围内都是均匀分布（常数）的噪声。任务1.6掌握信道相关概念和计算子任务3：掌握香农公式的相关计算，学会对香农公式进行分析以正确解释现代通信中的各种现象和问题信道容量：单位时间内信道所能传送的最大信息量。香农公式：式中，C为信道容量，单位为比特/秒（bit/s，b/s）；

B为信道带宽；

S为信道所传信号的平均功率；

N为加性高斯白噪声的平均功率；

S/N为信噪比。

香农公式表明了当信号和作用在信道上的噪声的