第一章通信原理概述课件讲义.ppt

1、通通 信信 原原 理理一、课程教学目的与作用一、课程教学目的与作用 电子信息类电子工程、通信工程专业学生开设的电子信息类电子工程、通信工程专业学生开设的一门主干一门主干学科基础课学科基础课。理论：理论：通信系统基础理论知识，典型通信系统的组成、通信系统基础理论知识，典型通信系统的组成、工作原理、性能特点、基本分析方法、工程计算方法工作原理、性能特点、基本分析方法、工程计算方法。能力：能力：掌握通信原理的基础知识和基本技能，掌握通信掌握通信原理的基础知识和基本技能，掌握通信系统分析问题的一般方法。系统分析问题的一般方法。桥梁作用：桥梁作用：为为理解、研究、设计理解、研究、设计各种通信系统奠定必要

2、各种通信系统奠定必要的基础。的基础。二、参考文献二、参考文献 1.曹志刚曹志刚.现代通信原理现代通信原理.清华大学出版社清华大学出版社 2.沈振元沈振元.通信系统原理通信系统原理.西安电子科大出版社西安电子科大出版社 3.John G.Proakis（普罗科斯）.数字通信（第五版）数字通信（第五版）电子工业出版社电子工业出版社三、学习方法三、学习方法 及时复习、做习题、参考学习网站、追踪现代通信技术及时复习、做习题、参考学习网站、追踪现代通信技术等。等。先修知识：先修知识：概率与数理统计、信号与线性系统、数字电路、通信电子线路。概率与数理统计、信号与线性系统、数字电路、通信电子线路。信息信息(

3、Message)(Message)：人们待知的消息的内容。：人们待知的消息的内容。消息消息(Information)(Information)：用以表达信息的某种物理形式。：用以表达信息的某种物理形式。什么是通信？什么是通信？通信的要求通信的要求 可靠可靠:尽可能准确无误！尽可能准确无误！有效有效:尽可能多而快！尽可能多而快！宽泛意义的通信宽泛意义的通信还包括信号变换、检测、处理、识别等。还包括信号变换、检测、处理、识别等。随着科学技术与社会的发展，随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高对通信的要求也越来越高。美国宇航局美国宇航局20052005年年1 1月月1212日发射了用来探测

4、彗星的日发射了用来探测彗星的“深度撞击深度撞击”号探测器，它的目标是号探测器，它的目标是“坦普尔一号坦普尔一号”彗星的彗核。彗星的彗核。“深度撞击深度撞击”发射了一发发射了一发“炮弹炮弹”于于7 7月月4 4日与彗星日与彗星TEMPEL1TEMPEL1在距地球在距地球1.321.32亿公里亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约7474分分钟）。钟）。对空通信、卫星通信对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）对潜通信（水声）通信侦察、通信对抗通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、内部通信（语音

5、、数据、图像）图像）甲板话音通信甲板话音通信通信的发展简史通信的发展简史 按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：划分以下几个阶段：第一阶段第一阶段 语言语言 第二阶段第二阶段 文字、邮政文字、邮政 第三阶段第三阶段 印刷术、出版物印刷术、出版物 第四阶段第四阶段 电报、电话、广播电报、电话、广播 第五阶段第五阶段 通信与计算机的结合、网络通信与计算机的结合、网络莫尔斯发出第一封莫尔斯发出第一封电报设备的复制品电报设备的复制品 贝尔获得电话贝尔获得电话的专利证书的专利证书 波波夫实验用的无线电接收机波波夫实验用的无线电接收机 我

6、国通信的历史我国通信的历史18711871年年，英国、俄罗斯、丹麦敷设的香港至上海、长崎至上海的水，英国、俄罗斯、丹麦敷设的香港至上海、长崎至上海的水线，全长线，全长22372237海里。于海里。于18711871年年4 4月，违反清政府不得登陆的规定，月，违反清政府不得登陆的规定，由丹麦大北电报公司出面，秘密从海上将海缆引出，沿扬子江、黄由丹麦大北电报公司出面，秘密从海上将海缆引出，沿扬子江、黄浦江敷设到上海市内登陆，并在南京路浦江敷设到上海市内登陆，并在南京路1212号设立报房。于号设立报房。于18711871年年6 6月月3 3日开始通报。这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海日开

7、始通报。这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海租界设立的电报局。租界设立的电报局。18751875年年，福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报。，福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报。18751875年在福建船政学年在福建船政学堂附设了电报学堂，培训电报技术人员。这是中国第一所电报学堂。堂附设了电报学堂，培训电报技术人员。这是中国第一所电报学堂。我国通信的历史我国通信的历史18991899年年，我国最早使用无线电通信的地区是广州。早在，我国最早使用无线电通信的地区是广州。早在18991899年年，就在广州督署、马口、前山、威远等要塞以及，就在广州督署、马口、前山、威远等要塞以及广海、宝壁、龙骧、江大、

8、江巩等江防军舰上设立无线广海、宝壁、龙骧、江大、江巩等江防军舰上设立无线电机。电机。19081908年年，英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线，英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线电台，与海上船舶通报。后由清政府收买，移装到上海电台，与海上船舶通报。后由清政府收买，移装到上海电报总局内，这是上海地区最早的无线电台。电报总局内，这是上海地区最早的无线电台。19211921年年1 1月月7 7日日，中国加入国际电报公约，中国加入国际电报公约我国通信的历史我国通信的历史19331933年年,中国电报通信首次使用打字电报机中国电报通信首次使用打字电报机19501950年年1212月月1212日

9、日，我国第一条有线国际电话电路，我国第一条有线国际电话电路-北京北京至莫斯科的电话电路开通。经由苏联转接通往东欧各国至莫斯科的电话电路开通。经由苏联转接通往东欧各国的国际电话电路也陆续开通。的国际电话电路也陆续开通。19581958年年，上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机，上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机 ，第一套国产明线第一套国产明线1212路载波电话机研制成功路载波电话机研制成功 19701970年年，我国第一颗人造卫星（东方红，我国第一颗人造卫星（东方红1 1号）发射成功。号）发射成功。我国通信的历史我国通信的历史19841984年年5 5月月1 1日日，广州用，广州用150M

10、Hz150MHz频段开通了我国第一个数频段开通了我国第一个数字寻呼系统。程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用字寻呼系统。程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用。首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机。首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机（HJ09HJ09型）研制成功。型）研制成功。19871987年年1111月月，广州开通了我国第一个移动电话局，首批，广州开通了我国第一个移动电话局，首批用户有用户有700700个。个。-我国第一个我国第一个160160人工信息台在上海投入人工信息台在上海投入使用。使用。19931993年年9 9月月1919日日,我国第一个数字移动电话通信网于在

11、浙我国第一个数字移动电话通信网于在浙江省嘉兴市首先开通。江省嘉兴市首先开通。19981998年年5 5月月1515日日，北京电信长城，北京电信长城CDMACDMA网商用试验网网商用试验网-133-133网，在北京、上海、广州、西安投入试验。网，在北京、上海、广州、西安投入试验。近年来移动通信的发展近年来移动通信的发展一、通信系统一般模型一、通信系统一般模型Source of informationTransmitterChannelReceiver User of informationNoisesource将基带信号将基带信号转变为发送转变为发送信号信号噪声集中噪声集中表示表示在背景噪在背景

12、噪声中提取声中提取有用信号有用信号基带信号基带信号变换为原变换为原始消息始消息有线信道有线信道无线信道无线信道将原始消息将原始消息转变为基带转变为基带信号信号ModulatorChannelNoise sourceDemodulatorUser of informationSource of information两个重要变换两个重要变换连续消息连续消息 基带信号（低通型）基带信号（低通型）基带信号基带信号 频带信号（高通型）频带信号（高通型）信源信源信宿信宿调制调制解调解调 基带信号特性 调制、解调原理 信道与噪声统计特性及其对信号传输影响 各类调制方式系统的抗干扰性能（2 2）模拟通信系统

13、主要讨论的问题）模拟通信系统主要讨论的问题信息源信源编码信道编码信道信道译码调制器信源解码解调器噪声源受信者2.2.数字通信系统模型数字通信系统模型 （1 1）数字频带通信系统模型）数字频带通信系统模型作用作用:降低信号多余度的降低信号多余度的编码编码,降低码元速率，降低码元速率，以提高信息传输的以提高信息传输的有效有效性性.如：压缩编码或如：压缩编码或PCMPCM，ADPCMADPCM，M M。由于信道噪声造成数字信号出现由于信道噪声造成数字信号出现差错差错,通过信道编码来实现纠错，通过信道编码来实现纠错，提高信息传输的提高信息传输的可靠性可靠性.如：线如：线性分组码、循环码、卷积码等性分组

14、码、循环码、卷积码等。各类数字调制方各类数字调制方式。如：式。如：ASKASK、FSKFSK、PSKPSK、QPSKQPSK、QAMQAM、MSKMSK等。等。（2 2）数字基带通信系统模型）数字基带通信系统模型 （3 3）数字通信研究的几个特殊问题）数字通信研究的几个特殊问题 差错控制编码差错控制编码 保密通信保密通信 收、发系统的同步收、发系统的同步Source of informationChannel User of informationNoise sourceReceivefilterTransmitfilter码型、波码型、波形变换形变换最佳接收、最佳接收、均衡器均衡器（4 4）

15、数字通信特点）数字通信特点例如例如:一路模拟电话：一路模拟电话：4KHz,4KHz,一路数字电话：约一路数字电话：约202064KHz64KHz通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式 1.按信号特征数字通信模拟通信有线通信无线通信2.按传输媒质一、通信系统分类一、通信系统分类AMSSBDSBVSBFMPMASKFSKPSKDPSKQAMMSK常规幅度调制单边带调制线性调制双边带调制残留边带调制频率调制非线性调制相位调制振幅键控频移键控数字调制相移键控、其他高效数字调制、等3.按调制方式分类1.2 通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式PAMPDMPPMPCMDMMDPCM脉

16、幅调制脉冲模拟调制 脉宽调制脉位调制脉码调制脉冲数字调制 增量调制（）差分脉码调制1.2 通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式频分复用（Frequency Division Multiplexing,FDM）时分复用（TDM）码分复用（CDM）长波通信长波通信中波通信中波通信短波通信短波通信微波通信微波通信光波通信光波通信电报电报电话电话图像图像数据数据5.5.按工作频率按工作频率6.6.按通信业务按通信业务1.2 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式1.单工、半双工和全双工单工、半双工和全双工2.串序传输与并序传输串序传输与并序传输发送设备接收设备(a)串行传输发送设

17、备接收设备（b）并行传输消息消息（Message）：人能够感知的描述。：人能够感知的描述。比如：声音、文字、图像等。比如：声音、文字、图像等。信息信息（InformationInformation）：）：是消息中包含的有效内容。是消息中包含的有效内容。信号（信号（SignalSignal）：是消息传输的物理形式。）：是消息传输的物理形式。（特指电信号）（特指电信号）信息量含义信息量含义举例：举例：“今年冬天比去年冷今年冬天比去年冷”“今年冬天和去年夏天一样热今年冬天和去年夏天一样热”可能性越小，信息量越大！可能性越小，信息量越大！用概率描述用概率描述（概率概率信息量信息量，P=0P=0时信息量

18、为时信息量为 ）.1.3 信息及其度量信息及其度量n哈特莱（哈特莱（HartleyHartley）和香农香农(C.E.ShannonC.E.Shannon)从消息的统计特性出发，从信息的不确定性和概率测度测度的角度定义了通信中信息量的概念，并给出了信息度量的方法。19481948年，美国数学家年，美国数学家克芬克芬特特仙农仙农(Claude Elwood Shannon)研究密码通信，发表了他的著名论研究密码通信，发表了他的著名论文文通信的数学理论通信的数学理论，奠定了信，奠定了信息论的基础，第一次把信息通信领息论的基础，第一次把信息通信领域的概念确切化了，而且域的概念确切化了，而且从概率论从

19、概率论的观点，提出了信息量的概念的观点，提出了信息量的概念。信息论知识结构组成信息论知识结构组成1.3 信息及其度量信息及其度量n假设假设P(x)是一个消息发生的概率，是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信是从该消息获悉的信息。息。（1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fP(x)（2）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且 P(x)1时，时，I0；P(x)0时，时，In3）若干个互相独立事件构成的消息，若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于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，各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有

20、相加性，即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+1loglog()()aaIp xp x=-概率大概率大 可能性大可能性大 不确定性小不确定性小一、信息量（一、信息量（I I）与概率（）与概率（P(xP(x)）的关系）的关系 二、二、信息量单位信息量单位 a=2a=2，信息量的单位为比特，信息量的单位为比特(bit)(bit)a=e a=e，信息量的单位为奈特，信息量的单位为奈特(natnat)a=10 a=10，信息量的单位为哈特莱，信息量的单位为哈特莱1.3 信息及其度量信息及其度量)(1logxPIa三、三、等概率等概率离散消息的信息量计算离散消息的信息量计算 (1)(

21、1)二进制波形二进制波形 (2)M (2)M进制波形进制波形 若若 M=2M=2k k ,则则221Iloglog 21()1/2bit221Iloglog M(bit)1/Mk22Ilog Mlog 2k(bit)1.3 信息及其度量信息及其度量)(1logxPIan例 1 1 设二进制离散信源，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nP=1/4的信息量为2比特nP=1/8的信息量为3比特nP=1/M的信息量为log2 M(bit)n若M是2的整幂次，n则22211(0)(1)logloglog 211()2IIp x=2KM=221lo glo g2()1KIKb itM=

22、四、非等概离散消息的信息量计算四、非等概离散消息的信息量计算且12n12nx,x,xP(x),P(x),P(x)nii 1P(x)11.1.平均信息量（平均信息量（热力学中的熵形式一样热力学中的熵形式一样：熵熵）1.3 信息及其度量信息及其度量2.2.最大熵最大熵 H Hm m (等概传输等概传输)/(log2symbolbitMHm)/()(1log)(21symbolbitxPxPHinii最大熵采取的原则就是：保留全部的不确定性，将风险降到最小。最大熵采取的原则就是：保留全部的不确定性，将风险降到最小。通信的主要任务是传递信息（消息）。传递信息（消息）。通信系统的性能指标有性能指标有：有

23、效性、可靠性、有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。适应性、标准性、经济性及维护使用等。从信息传输的角度来说：最主要最主要的性能指标是信息传输的有效性有效性指标和可靠性可靠性指标。通信系统的性能度量通信系统的性能度量1.4 1.4 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标一、主要指标一、主要指标1.1.有效性有效性:信息传输的速度。信息传输的速度。2.2.可靠性可靠性:信息传输的质量，即抗加性干扰能力。信息传输的质量，即抗加性干扰能力。加性干扰加性干扰：信号传输时叠加的噪声（自然噪声、：信号传输时叠加的噪声（自然噪声、内部噪声、人为噪声）。内部噪声、人为噪声）。乘性干扰：信道传输

24、特性不理想产生的误差。乘性干扰：信道传输特性不理想产生的误差。2.2.可靠性可靠性：用信噪比：用信噪比(Signal Noise RatioSignal Noise Ratio，SNRSNR)表示。表示。信噪比越高信噪比越高，信息传输的准确性就越高，信号波形的保真度越高，通信质量就越好通信质量就越好。1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标二、模拟通信系统主要指标二、模拟通信系统主要指标1.1.有效性有效性：有效传输带宽（：有效传输带宽（B B）传输给定的信号所需要的有效传输频带越窄信号所需要的有效传输频带越窄，或者说，在给定传输带宽的信道中，能同时传输的信号路数越多，则系统的传输

25、有效性就越高系统的传输有效性就越高。即信号的复用程度越高，有效性越好。三、三、数字通信系统的主要指标数字通信系统的主要指标 1.1.有效性有效性（1 1）码元速率（传码率）码元速率（传码率）R RB B R RB B:每秒钟传输的码元数。单位：每秒钟传输的码元数。单位：Baud(Baud(波特波特)，B B （2 2）信息速率（传信率，比特率）信息速率（传信率，比特率）R Rb b R Rb b:每秒钟传输的比特量。单位：每秒钟传输的比特量。单位：bit/sbit/s，或或 b/sb/s ，或，或bpsbps1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标nExp2、已知二进制数字信号在2

26、分钟内共传送了72000个码元。（1）问其码元速率和信息速率各为多少？（2）若码元宽度不变（即码元速率不变），但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少？信息速率又为多少？二进制二进制:R:Rb2b2=R=RB2 B2（bit/sbit/s）M M进制进制:R RbMbM=R=RBMBMloglog2 2M M （bit/sbit/s）（3）频带利用率频带利用率：单位带宽内的传输速率。：单位带宽内的传输速率。)/(HzBBRB或或)/(HzsbitBRb1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标比较不同数字通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信

27、道的传输速率下所占的信道的频带宽度。频带宽度。2.2.可靠性可靠性（1 1）误码率（误符号率）误码率（误符号率）PePe （2 2）误信率（误比特率）误信率（误比特率）P Pb b传输总的码元数错误码元数eP传输总的比特数错误比特数bP1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标举例3.3.对对R RB B、P Pe e的要求的要求1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 R RB B越大越大，有效性越高有效性越高，但占用传输带宽太宽，抗，但占用传输带宽太宽，抗干扰能力变差，干扰能力变差，P Pe e越大越大。P Pe e越小越小，可靠性越高可靠性越高。对。对P Pe e要

28、求视具体情况而定：要求视具体情况而定：数字电话数字电话PePe1010-3-3，数据信号，数据信号Pe10Pe10-5-5-10-10-6-6，光纤通，光纤通信信Pe10Pe10-11-11-10-10-9-9。结论：数字通信系统中，有效性和可靠性是一对相互矛盾的指标。其理论结论：数字通信系统中，有效性和可靠性是一对相互矛盾的指标。其理论依据由香农公式揭示。实际系统设计要根据实际需求在两者之间取舍。依据由香农公式揭示。实际系统设计要根据实际需求在两者之间取舍。19481948年，年，Claude Claude E.ShannonE.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：发表了信息论。著名

29、的香农公式：2log1SCBNC C 信道容量信道容量B B 信号带宽信号带宽S/NS/N 信号与噪声的功率之比信号与噪声的功率之比在香农容量定律里，香农容量，也就是最大可能的数字传输速度，和另外三个参量有关。一个是信道带宽，一个是信道带宽，一个是接收到的信号强度，还有一个就是噪声一个是接收到的信号强度，还有一个就是噪声。扩频通信扩频通信（1 1）I=IP(x)I=IP(x)（2 2）当）当P(x)=1P(x)=1时时,I=0;P(x),I=0;P(x)越小越小,I,I愈大愈大（3 3）IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+一、信息量（一、信息量（I I）与概率（）与概率（P(xP(x)）的关系）的关系1.3 信息及其度量信息及其度量)(1logxPIa概率大概率大 可能性大可能性大 不确定性小不确定性小