通信原理教案(第1章)李白萍

第1章绪论本章教学基本要求：掌握：1.通信基本概念2.信息量、主要性能指标计算3.数字通信系统的组成理解：1.通信系统的分类2.通信系统的发展本章核心内容：一、通信的基本概念二、通信系统的组成、分类三、数字通信系统的性能指标四、数字通信技术及发展一、通信的基本概念1.通信：消息传递的全过程，即信息的传输与交换。2.消息：是有待于传输的语言、活动图片和文字、数据等。3.信息：消息中包含的有意义的内容。4.信号：信息的物质载体。5.信息量：度量信息多少的量值，它和消息的总类，消息的重要程度无关，它只反应一个量值。1）信息量的计算消息中所含信息量与消息出现的概率有关。（1）信息量（I）是消息出现的概率（P(x)）的函数：I=I[P(x)]（2）消息出现的概率愈小，它所包含信息量愈大；反之信息量愈小。且P(x)=1时，I=0，P(x)=0时，I=（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和。I[P(x1)P(x2)…P(xn)]=I[P(x1)]+I[P(x2)]+…+IP(xn)]所以，I=loga)(1xp=-logap(x)信息量I的单位与对数的底数有关：当对数底a取2时，信息量的单位为比特（bit）；当对数底a取e时，信息量的单位为奈特（nit）；当对数底a取10时，信息量的单位为哈特（hart）。通常使用的单位为比特。1比特（bit）的含义：是信息量的度量单位；一位二进制数不经压缩所含的信息量；一个脉冲波形所含的信息量；一比特等于488微秒。2）离散信源的平均信息量（1）离散等概时信息量的计算假设有M(M=2K)个消息，它们是等概的，每条消息的概率P(x)=M1，以2为底时：I=lb)(1xP=lbM=K(bit)（2）离散不等概时信息量的计算某离散信息源输出x1,x2,…,xMM个不同符号，它们出现的概率分别为P(x1),P(x2),…,P(xM)。那么每个符号所含平均信息量（信息源的熵）为H=-MiiixlbPxP1)()(=-[)()(11xlbPxP+)()(22xlbPxP+…+)()(MMxlbPxP]bit/符号（3）最大信息量（最大熵）：等概时H=lbMP(xi)=M1二、通信系统的组成、分类1.通信系统的组成（1）一般组成模型发端收端（2）数字通信系统的组成框图二二三、四五、九六八信源发送设备接收设备信道信源编码信道编码调制信源信宿信源解码信道解码=解调再生信道噪声噪声信宿*信源和信宿：信源的作用是把消息转换成原始的电信号，完成非电/电的转换；信宿的作用是把复原的电信号转换成相应的消息。*信源编码和信源解码：信源编码有两个作用，其一，进行模/数转换，其二，数据压缩，即设法降低数字信号的数码率；信源解码是信源编码的逆过程。*信道编码与解码：数字信号在信道中传输时，由于噪声影响，会引起差错。使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码。信道编码的目的就是提高通信系统的抗干扰能力，尽量控制差错，保证通信质量。信道解码是信道编码的反变换。*调制和解调：数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。经变换后已调信号有两个基本特征：一是携带信息，二是适应在信道中传输。数字解调是数字调制的逆变换。*信道：信道是信号传输的通道(媒质)。信道分为有线信道、无线信道。在某些有线信道中，若传输距离不远，通信容量不大时，数字基带信号可以直接传送，称为基带传输；而在无线信道和光缆信道中，数字基带信号必须经过调制，即把信号频谱搬移到高频处才能传输，这种传输称为频带传输。有线：明线、电缆（基带传输）、光缆（频带传输）信道短波电离层移动通信系统（频带传输）无线微波视距微波中继系统卫星卫星系统*最佳接收和同步：依据最小差错准则进行接收，可以合理设计接收机达到最佳。同步是使收发两端信号在时间上保持步调一致，按照同步的作用不同，分为载波同步、位同步、群同步和网同步。同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。（3）PCM系统PAM（模拟）量化PAMPCMA/DD/A2.模拟通信和数字通信模拟信号：幅度连续数字信号：幅度离散（可数）模拟通信系统：在通信中传输模拟信号的系统数字通信系统：在通信中传输数字信号的系统数字通信的特点：优点：（相对于模拟通信系统的优势）（1）抗干扰能力强，无噪声积累。（2）便于加密，保密性好。（3）差错可控。（4）便于集成化，使通信设备微型化。（5）便于对信息进行处理、存储、交换、传输。信源抽样量化编码码型变换信道噪声信宿解码低通重建码型反变换再生缺点：（相对于模拟通信系统的不足）（1）占据频带宽，频带利用率低。（2）对同步要求高，系统设备较复杂。3.通信系统的分类（1）按通信的业务内容分类：（狭义）电话，电报，数据，图像通信等。（广义）遥测，遥控，遥感，遥调通信等。（2）按调制方式分类：基带传输和频带传输。（3）按信号特征分类：模拟通信和数字通信。（4）按传输媒介分类：有线通信和无线通信。（5）按信号复用方式分类：FDM,TDM,CDM.（6）按通信方式分类：单工,半双工，双工通信。（7）按通信网络分类：专线通信（点对点），网通信三、数字通信系统的性能指标设计或评价一个通信系统时将涉及到通信系统的质量指标。它们是从整个系统上综合提出或规定的。一般通信系统的质量指标有：有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性、维修性等。从研究消息的传输来说，有效性和可靠性是最重要的两个性能指标。通信系统的有效性和可靠性性能指标，是一对矛盾。一般情况下，要增加系统的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。在实际中，常常依据实际系统要求采取相对统一的办法，即在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速率，即有效性；或者，在维持一定有效性条件下，尽可能提高系统的可靠性。对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统有效带宽和输出信噪比（或均方误差）来衡量。模拟系统的有效传输带宽越大，系统同时传输的话路数也就越多，有效性就越好。对于数字通信系统而言，系统的有效性和可靠性具体可用传输速率和误码率来衡量。1.有效性指标：指速度衡量标准：（1）信息传输速率Rb：(传信率，比特率，数码率)单位时间传送信息量的多少（bit/s或bps）。（2）码元传输速率RB：单位时间传送码元个数的多少（波特：B）。码元速率RB与码元宽度BT有关。码元速率RB与信息速率Rb的关系：二进制时，22bBRR，多进制时，bNBNRRlbN。（3）频带利用率f：单位频带内传送Rb(RB)的多少b/s.Hz(Baud/Hz)。在比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还应看在这样传输速率下所占的信道的频带宽度。因为传输速率越高，所占用的信道频带越宽，因此，能够真正体现出信息的传输效率的指标应该是频带利用率，即单位频带内的传输速率。2.可靠性指标：指质量衡量标准：（1）误码率：指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例，1BBRT更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。用表达式可表示成：Pe=单位时间内错误接收的码元数单位时间内系统传输的总码元数（2）误比特率：是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示成：Pb=单位时间内错误接收的比特数单位时间内系统传输的总比特数四、数字通信技术及发展1.数字通信技术从系统模型可以看出，数字通信涉及的技术问题很多：（1）信道与噪声对通信来说，信道和噪声都是必须涉及的基本问题。在第2章中简单介绍信道的概念、常用信道特性及对所传信号的影响，克服不良信道特性的办法；同时还将介绍通信中常见噪声的统计特性和一般分析方法，得出随机信号通过线性系统后的结论。（2）数字终端技术数字终端技术包括发端、收端对信号进行处理过程中所涉及到的技术。模拟信号数字化中的信源编码/译码；数据压缩处理，语音压缩编码技术；多路复用、数字复接技术等，在第3章和第4章中讨论。（3）数字基带传输技术数字基带传输系统所涉及的一系列技术，如信号传输码型，码间干扰问题，实现无码间干扰传输的理想条件及减少码间干扰的部分响应技术和均衡技术，在第5章中讨论。（4）数字频带传输技术数字频带传输技术主要是指数字调制/解调技术，即将输入的数字信号（基带数字信号）变换为适合于信道传输的频带信号。常见的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）和相对（差分）相移键控（DPSK）四种。数字调制/解调内容将在第6章专门讨论，另外，还将讨论一些其他类型的调制方式。（5）数字同步技术同步是数字通信系统的基本组成部分。同步系统性能的好坏，直接影响着通信系统性能的优劣。所谓同步就是要使系统的收发两端在时间上保持步调一致。同步技术中主要包括载波同步、位同步、群同步和网同步，第8章具体介绍。（6）差错控制编码技术差错控制编码/译码，属信道编码范畴。主要研究检错、纠错码概念及基本实现方法。在第9章中讨论纠错编码/译码的问题，包括纠错码的基本概念，分组码、循环码与卷积码的编译码方法，最后简要介绍一些新的纠错编码/译码技术。在数字通信系统中，除以上几个主要方面外，还有其它一些技术问题，如保密编码/译码技术、最佳接收技术（第7章）、信号处理技术和数字交换技术等。2.通信技术的发展电通信的历史并不长，从19世纪开始，至今不到200年的时间，通信技术的发展速度很快，特别是上世纪50年代以后发展更为迅速，通信发展简史介绍如下：1838年摩尔斯发明有线电报，标志着电通信的开始，通信距离只有70km。1869年马克斯韦尔提出电磁辐射方程。1876年贝尔发明电话，被称为现代电通信的开端，第一个人工交换局只有21个用户。1896年马可尼发明无线电报，开创了无线电通信发展的道路。1906年发明真空电子管，迅速提高了无线通信及有线通信的水平。1918年调幅无线电广播、超外差接收机问世。1925年开始采用三路明线载波电话、多路通信。1936年调频无线电广播开播。l937年形成脉冲编码调制原理。1938年电视广播开播。l940-1945年二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展。1948年发明晶体管；香农提出了信息论，通信统计理论开始建立。1950年时分多路通信应用于电话。1956年敷设了越洋电缆。1957年发射第一颗人造卫星。1958年发射第一颗通信卫星。1960年发明激光。1961年发明集成电路。1962年发射第一颗同步通信卫星，脉冲编码调制通信进入实用阶段。1960-1970年彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输的理论和技术得到了迅速发展；出现高速数字电子计算机。1970-1980年大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展。80年代以来，超大规模集成电路发展起来；长波长光纤通信系统广泛应用；除了传统的电话网、电报网以外，各种先进的通信网蓬勃发展，如移动通信网、综合业务数字网、公用数据网、智能网、宽带交换网等。先进的通信网络使通信不断朝着综合化、宽带化、自动化和智能化的方向发展。由此可以看出通信技术由模拟到数字的发展过程。最早出现的电报是一种最简单的数字通信，随着真空管的出现，模拟通信得到了发展。此后由于脉冲编码原理和信息论的提出以及晶体管和集成电路的发明，数字通信进入全盛时期。数字通信是目前和今后通信技术的发展方向。为人类提供方便快捷的服务，是通信技术追求的目的。作业：P12-13，习题1-2，1-3（任选1题）习题1-7，1-9（任选1题）习题1-8、1-12习题1-10，1-11（任选1题）薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃