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1欢迎各位同学光临《通信原理》课程禹思敏2前言本电子教案是应西安电子科技大学出版社邀请,计划将于2008年底出版一部有关适合于一般本科院校的《通信原理》教材而编写的。目前,已出版的许多有关《通信原理》教材(包括我们正在使用的教材)不太适合于一般本科院校的教学,主要问题是这些教材在内容安排方面一般都偏深偏难,教材体系庞大而繁杂、讲究面面俱到、数学推导过于抽象。为了解决这一问题,本人编写了这部电子教案。本教案不追求过高过深的内容,力求以讲清楚基本概念、基本内容和基本方法为主要目标,从而达到便于教学和学习之目的。本教案仅仅是一个教学改革的尝试,期待同学们与老师的合作与努力。谢谢!3第1章绪论1.1通信的基本概念1.1.1通信的定义利用电子技术手段,借助电信号实现从一地向另一地进行信息的有效而可靠的传输与交换称为通信。4语言文字图像数据等等它们不能直接传输在发送端需要将它们转换成为电信号语音和图像信号都是电信号经信道传输到接收端再将其还原成语音或者图像信号等5无线通信有线通信按传输媒质分数字通信模拟通信按所传信号分微波通信等短波通信中波通信长波通信按工作频率分1.1.2通信的分类6频带传输基带传输按是否调制分移动通信固定通信按接收信号是否运动分)()()(CDMATDMAFDMA码分多址通信时分多址通信频分多址通信按多址方式分71.1.3通信与传输方式1、单工通信方式单工通信,是指消息只能单方向进行传送的一种通信工作方式,如下图所示。例如目前的广播、电视等仍属于单工通信方式。发送端信道接收端82、半双工通信方式半双工通信,是指通信双方都能收发信息,但不能同时进行收和发的形式,如下图所示。如对讲机,收发报机等都是这种通信方式。接收端信道发送端接收端发送端93、全双工通信方式全双工通信,是指通信信双方可同时进行双向传输信息的工作方式.如普通电话、手机等。发送端信道接收端接收端发送端104、传输方式:串行传输与并行传输发送端接收端101101011010110并行传输串行传输发送端接收端1011011利用串/并和并/串转换实现并行传输或串行传输串/并转换并/串转换10110信源10110串行传输1011010110公共通道并行传输信宿10110串行传输发送端接收端12利用串/并和并/串转换实现并行传输或串行传输10110公共通道串行传输信源并/串转换101101011010110发送端串/并转换信宿101101011010110接收端举例说明:利用移位寄存器就可实现串/并或并/串转换131.2通信系统的组成1.2.1模拟通信系统:传输与处理模拟信号的通信系统称为模拟通信系统.模拟调制器信道接收端信源噪声模拟解调器模拟通信系统141.2.2数字通信系统:传输与处理数字信号的通信系统称为数字通信系统.信源数字加密器数字编码器数字调制器数字信道数字解调器数字译码器数字解密器信宿噪声151.2.3模拟信号的数字化传输通信系统.信源模数转换数字通信系统数模转换信宿模拟通信系统161.2.4数字通信的主要优缺点1、主要优点:(1)抗干扰能力强(举例说明)(2)可纠错编码(3)可进行数据存贮(4)易加密(5)便于数字信号处理2、主要缺点:(1)占用较宽的频带(举例说明)(2)需要严格的同步系统17抗干扰能力强是数字信号的主要优点:数字信号在中继或接收端利用判决系统进行判1或判0,实现整形和再生,只要干扰不是太大,就能恢复出原信号,因为它是二值电平,而模拟信号由于是连续信号,则一般较难恢复。用判决系统恢复原数字信号的判决方法是:若信号电平大于判决电平,则判为1,若信号电平小于判决电平,则判为0。从而可得到下面图中所恢复的波形,只干扰不是太大,超出判决电平的范围就能完全恢复出原数字信号。18经信道传输后干扰信号判决系统整形再生011100011100判决电平经信道传输后能否恢复?19占用较宽的频带是数字信号的主要缺点:011100(1)数字信号带宽T带宽为B=1/T,即数字信号的带宽与信号码元宽度成反比(2)模拟信号带宽tf(t)fF(f)fm(3)取样定理tf(t)4.14.96.2mSSffT2111001011100TS2TS3TS20倍对应的模拟信号带宽的即数字信号的带宽是相带宽为其相对应的数字信号的位编码采用将其数字后为例如设语言信号的带宽则其带宽为位编码若采用则数字信号的带宽为宽度为的码元假设采用三位编码转换后的数字信号经1664482162,8,8,,422,231231313)(A/D)4(kHzfNfBNkHzfNffNBNfTBffTTmmdmmmdmddmSSd211.3通信技术发展趋势1、光纤通信2、卫星通信3、移动通信4、微波中继通信5、扩频通信6、保密通信221.4信息及其定量描述根据Shannon的信息理论,信息是可进行定量描述。信息量的大小与事件出现的概率有关,有如下规律:(1)信息量I是事件出现概率P(x)的函数:I=I[P(x)](2)事件出现的概率越小,所含信息量越大,反之亦然(举例说明:刘翔得金牌,广州下雪等)(3)信息量满足叠加性:I=I[P1(x)P2(x)…Pn(x)]=I[P1(x)]+I[P2(x)]+…+I[Pn(x)]23根据以上三点,可得信息量的定量表达式为)()()(1log2比特bitxpI例1-1等概二进制和M进制时每个符号的信息量:(1)等概二进制:)(12log)0()1(2/1)0()1(2bitIIpp这就是大家熟悉的结论:每一个二进制码元提供一比特的信息量。24(2)等概M进制等等若若),(3,8),(2,4)(log)2()1(/1)()2()1(2bitIMbitIMbitMIIMMPPP例1-2非等概二进制符号的信息量:)()1(log11log)0(1log)0()(log1log)1(1log)1(1)0(,)1(222222bitPPpIbitPPpIPpPp25非等概时的平均信息量:设各个符号出现的概率为niiiniiiniinnxpxpxpxpIxpxpxpxpxxx121212121)(log)()(1log)(:)(1)()()()(则平均信息量可表为必然事件26)/(875.1164164832121)!,log,1()2,2:(16log16116log1618log814log412log2116log16116log1618log814log412log21:161161814121EDCBA,53122222符号是错误的没有这种记法注意书中的符号常常不写为底时约定解求信源的平均信息量相应概率为个符号组成的信息源设由例bitbII27例1—4一信息源由四个符号A、B、C、D组成,它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8,且每个符号出现都是独立的。试求信息源输出为CABACABDACBDAABCADCBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。28)/(88.157/36.107/)(36.107)()()()()(28.21757log7)(:)(72.271357log13)(:)(35.281457log14)(:)(11.302357log23)(:,57,7,13,14,23,.)(:)1(:符号符号总数息量为则每一个符号的平均信量为则该信源提供总的信息所提供的信息量为出现所提供的信息量为出现所提供的信息量为出现所提供的信息量为出现则个共有次出现次出现次出现次出现在信源输出的序列中来计算频度用符号出现的次数方法一解bitIIbitDICIBIAIIbitDIDbitCICbitBIBbitAIADCBA29.,,.,m,,:)3()(11157:),/(90.18log814log414log4138log83.:)2(必须掌握用的近似方法方法一是一种较常但从另一方面看方法二的结果相同方法一才能和时只有当符号总数一个近似结果而方法一只是方法二显然准确两种方法的比较总的信息量为符号算用符号出现的概率来计方法二bitIIbitI301.5通信系统的主要性能指标通信系统有多个性能指标,其中有效性和可靠性是两个最为重要的指标,必须掌握。有效性和可靠性往往是矛盾的,不可兼得。研究通信系统的目标是:使有效性和可靠性达到最优化。一、数字通信系统的有效性指标数字通信系统的有效性指标可用传输速率来衡量。传输速率越高,则有效性越好。通常有以下三个不同的角度来定义传输速率:311、码元传输速率RB码元传输速率通常又可称为码元速率、数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率,用符号RB来表示。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目,单位为波特(Baud),常用符号“B”表示(注意,不能用小写)。例如,某系统在2秒内共传送4800个码元,则系统的传码率为2400B。数字信号一般有二进制与多进制之分,但码元速率RB与信号的进制数无关,只与码元宽度Tb有关。请见下面的图示。32tf1(t)tf2(t)100111120230TbbBBTRR14233.log,,,log,,log,)(,)(log,,,)(,,2222倍进制所需带宽的二进制所需带宽是下在传送相同信息的情况者说或倍小比二进制的码率进制的码率说或者倍大进制的码率要比二进制的码率的情况下即信息速率不变在传送相同信息上式说明转换关系为相互可以转换变的情况下在保证系统信息速率不间之与二进制码元速率码元速率多进制进制有必要说明码元的率时通常在给出系统码元速NNNRRNNRNRBNRRRRNBBNBNBBNBBBN注意这个前提!342、信息传输速率Rb信息传输速率简称信息速率,又可称为传信率、比特率等。用符号Rb表示。Rb是指单位时间(每秒钟)内传送的信息量,单位为比特/秒(bit/s),简记为b/s或bps。例如,若某信源在1秒钟内传送1200个符号,且每个符号的平均信息量为1bit,则该信源的Rb=1200b/s或1200bps。因为信息量与信号进制数N有关,因此,信息传输速率Rb也与N有关。35NRRNRRRRNRRRRRRRRbbNbNbbNbBNbNbNBNbBBbloglog,(3)log,,,(2).,,(1).322222之间的关系为与多进制信息速率二进制信息速率情况下在码元速率保持不变的它们之间在数值上满足相同单位也不在数值上不相等与在多进制中但单位不同相等在数值上与信息速率码元速率在二进制中之间的互换与364、频带利用率η频带利用率指的是传输效率问题,也就是说,我们不仅关心通信系统的传输速率,还要看在这样的传输速率下所占用的信道频带宽度是多少。如果频带利用率高,说明通信系统的传输效率高,反之亦然。频带利用率的定义是单位频带内信息传输速率的大小,即η=Rb/B(b/(s.Hz))(1)37.log,)1(.log,,)2(.log),1(,log,,,)1(?,2倍进制的频带利用率的进制的频带利用率是二同样得根据公式倍进制频带的但是二进制的频带则为的信息速率相同进制二进制与况下若在信息速率相同的情倍用率的用率是二进制的频带利进制的频带利得根据公式倍的信息速率是二进制进制的信息速率但均为的频带相同进制二进制与况下若在码元速率相同的情高哪个低进制的频带利用率哪个说明二进制与下面我们举一例来重要频带利用率的概念非常NNNNNNNNRRNBNNbbN38.,,,,,N,,.,.,,log,.log:,,误码率必然会提高个电平判决进制则为而码率低误二制制是二个电平判决主要原因是进制的可靠性高传送二进制要比传送必然会降低可靠性提高了有效性不可兼得可靠性是一对矛盾但通信系统的有效性和提高通信的有效性进制来我们希望通过传送从这个角度来说倍高进制的有
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