通信基础理论1

教师：刘涛电话：[phone]办公室：北教2-303通信基础理论·课件主要内容1绪论4信道9模拟信号的数字传输2确知信号7数字带通传输系统3随机过程5模拟调制系统8新型带通数字调制技术*6数字基带传输系统《通信基础理论》是电子信息工程等专业基础课程。使学生掌握通信系统的基本概念、基本理论、基本技术和系统性能分析方法，掌握基本的分析、设计思想和方法，熟悉仿真工具的应用，了解通信新技术的应用和发展第1章绪论课程总体目标前修课程概率论（随机变量，概率分布，统计特性，随机过程）线性系统分析（傅里叶变换，传递函数，滤波等）；1.1通信定义•通信（communication，fromLatincommūnicāre,meaning“toshare”）：是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。•通信传输的内容：消息（message）：整体概念信息（information）：有用的部分信号（signal）：声波、光信号、电信号1.2通信系统的组成（1）一般模型1.2通信系统的组成（2）模拟通信系统模型传输模拟的电信号1.2通信系统的组成（3）数字通信系统模型1.2通信系统的组成•数字通信的主要特点目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，它有如下优点：1、抗干扰、抗噪声性能好1.2通信系统的组成•在数字通信系统中，传输的信号是数字信号。以二进制为例，信号的取值只有两个，这样发端传输的和收端接收和判决的电平也只有两个值，若“1”码时取值为A，“0”码时取值为0，传输过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真，在接收端恢复信号时，首先对其进行抽样判决，才能确定是“1”码还是“0”码，并再生“1”，“0”码的波形。因此只要不影响判决的正确性，即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。1.2通信系统的组成2、差错可控，数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制。3、易加密，数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计和制造更容易，体积更小，重量更轻。5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。6、易于与现代技术相结合。1.3通信系统分类及通信方式分类：按照不同的方法，可以分成不同的类别。1.按传输媒质分：有线通信和无线通信系统；2.按信号特征分：模拟通信和数字通信系统；3.按工作频段分：长波通信、短波通信、微波通信系统等；4.按调制方式分：基带传输和频带传输系统；5.按通信业务分：电话、数据、图像通信系统；6.按信号复用分：频分，时分，码分通信系统；频率范围波长频段名称常用传输媒介用途3Hz～30kHz108～104m甚低频VLF有线线对超长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标30～300kHz104～103m102～10m有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz～3MHz103～102m中频MF同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3～30MHz102～10m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电30～300MHz10～1m甚高频VHF同轴电缆超短波/米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼300MHz～3GHz100～10cm特高频UHF波导微波/分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3～30GHz10～1cm超高频SHF波导微波/厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30～300GHz10～1mm极高频EHF波导微波/毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105～l07GHz3×10-4～3×10-6cm红外、可见光、紫外光纤激光空间传播光通信1.3通信系统分类及通信方式•通信方式(1)按信息传输的方向与时间关系划分通信方式1.3通信系统分类及通信方式（2）按数字信号码元排列方式划分通信方式（3）按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。本课重点讨论点对点通信的原理。1.4信息及其度量通信的目的在于信息的传递和交换。人们常将语言、文字、图像和数据等信息的传递俗称消息的传递。信息与消息在概念上相近，但信息一词对通信来说，更贴切、更具普遍性，信息可理解为消息中所含有的特定内容。各种各样的消息，其中有意义的特定内容，均可用信息一词来表述。如铁路系统运送货物量多少采用“货运量”（不管运送什么货物）来度量，通信系统中传输信息的多少采用“信息量”来度量。当人们在通信中获得消息之前，对它的特定内容有一种“不确定性”，事件的不确定程度只能就其出现的概率来描述。1.4信息及其度量•信息量与消息的种类、特定内容及重要程度无关，它仅与消息中包含的不确定度有关。也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈小，则此消息所含的信息量愈大。例如，一方告诉另一方一件几乎不可能发生的消息包含的信息量比可能发生的消息包含的信息量大。如果消息发生的概率趋于零（不可能事件），则它的信息量趋于无穷大；如果消息发生的概率为1（必然事件），则此消息所含的信息量为零。1.4信息及其度量•在信息论中，消息所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)的关系式为)(log)(1logxpxpIaa若对数以2为底时单位是“比特”（bit—binaryunit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特”（nat—natureunit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart—Hartley的缩写）；通常采用“比特”作为信息量的实用单位。1.4信息及其度量•平均信息量一般用信息熵来表示：H(x)=P(x1)[-log2P(x1)]+P(x2)[-log2P(x2)]+…+P(x1)[-log2P(x1)]=ΣP(xi)[-log2P(xi)](b/符号)•这主要是考虑信息种类很多和数量很大的时候，方便进行计算使用。1.4信息及其度量[例题]一个离散信号源每毫秒发出4个符号中的一个，各符号相互独立，出现概率分表为0.4,0.3,0.2,0.1，求1分钟能够传输的信息量。Log20.4=-1.322Log20.3=-1.737Log20.2=-2.322Log20.1=-3.322有效性和可靠性有效性是指消息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。1.5通信系统的主要性能指标1.5通信系统的主要性能指标•模拟通信系统的主要性能指标•有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就越好。•可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。1.5通信系统的主要性能指标•数字通信系统的主要性能指标有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。1、传输速率传输速率有两种表示方法：码元传输速率RB和信息传输速率Rb。码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。1.5通信系统的主要性能指标码元传输速率和信息传输速率的关系是：当每个符号是等概率出现时，熵有最大值，信息速率也达到最大，即1.5通信系统的主要性能指标2.频带利用率在比较不同通信系统色有效性是，单看他们的传输速率是不够的，还要看在这样的传输速率下所占信道的频带宽度。频带利用率有两种表示方式：码元频带利用率信息频带利用率1.5通信系统的主要性能指标可靠性指标数字通信系统的可靠性指标用差错率来衡量，差错率越小，可靠性越高。差错率也有两种表示方方：误码率和误信率。误码率：误信率：1.5通信系统的主要性能指标•[例题]一个离散信号源每毫秒发出4个符号中的一个，各符号相互独立，出现概率分表为0.4,0.3,0.2,0.1，求信息速率是多少。该信号通过有噪声的信道，在接收端每分钟出现70bit差错，求误比特率。Log20.4=-1.322Log20.3=-1.737Log20.2=-2.322Log20.1=-3.322作业：该4个符号用一4进制码表示，求码元传输速率和误码率，并说明4个码出现概率为何种情况下，具有最大的信息熵。本课小结：•重点通信系统的一般模型：模拟通信系统模型数字通信系统模型通信系统的质量指标：可靠性和有效性信息量的计算：信息量定义、平均信息量、波特率、比特率码元（信息）传输速率和误码（信）率的计算。Theinternetin2010.第2章确知信号本章重点：主要内容是线性系统分析中学过的，复习一下通信系统所传输的信号的分类，了解确定信号的傅里叶变换和反变换的物理意义、运算特性、结论等。理解信号的能量谱和功率谱的定义。了解波形的自相关函数和互相关函数的意义。2.1信号的分类（1）模拟信号和数字信号模拟信号：在一定取值范围内，携带信息的信号参量取值连续无限数字信号：在一定取值范围内，携带信息的信号参量取值离散有限2.1信号的分类（2）周期信号和非周期信号周期信号满足：例如2.1信号的分类(3)确知信号和随机信号确知信号：可用明确的数学表达式表示随机信号：可用概率描述贝塞尔函数：2.1信号的分类•正态分布2.1信号的分类能量信号和功率信号：2.2确知信号的频域分析*时域频域12.2.1功率信号的频谱•我们分析的功率信号的频谱主要是周期性的功率信号，不是非周期性的（随机过程）。•设s(t)为周期性功率信号，T0为周期，则有•式中f0=1/T0•由傅里叶级数理论可知，上市就是周期性函数展开成傅里叶级数的系数，即可表示为：2/2/20000)(1)(TTnftjndtetsTnfCCntnfjeCts02n)(【例】试求全波整流后的正弦波的频谱。解：设此信号的表示式为•求频谱：信号的傅里叶级数表示式：ttftftttf)1()(10)sin()(10222/2/00)14(2)sin()(1)(000ndtetdtetsTjnCntjTTtjn1f(t)tnntjentf221412)(2.2.2能量信号的频谱密度•设一能量信号为s(t)，则其频谱密度为：S(f)的逆变换为原信号：能量信号的频谱密度S(f)和周期性功率信号的频谱Cn的主要区别是：S(f)是连续谱，Cn是离散谱；S(f)的单位是伏/赫兹，Cn的单位是伏。dtetsfSftj2)()(dtefStsftj2)()(【例】试求一个矩形脉冲的频谱密度。解：设此矩形脉冲的表示式为则它的频谱密度就是它的傅里叶变换：2/02/1)(tttg2/)2/sin()(1)(2/2/2/2/jjtjeejdteG信号带宽的定义2.2.3能量谱密度设一个能量信号s(t)的能量为E，则其能量由下式决定：•若此信号的频谱密度，为S(f)，则由巴塞伐尔定理得知：•上式中|S(f)|2称为能量谱密度，也可以看作是单位频带内的信号能量。上式可以改写为：•式中，G(f)＝|S(f)|2（J/Hz）为能量谱密度。•G(f)的性质：因s(t)是