北邮通信原理老师课件第1章-绪论

通信原理通信原理(I)(I)教程教程信息与通信工程学院无线通信系统与网络实验室(WCSN)刘刘丹丹谱谱[e-mail]@bupt.edu.cn62282289622822892关于本课程„通信原理为专业技术基础课程，要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能；在此基础上，研究通信系统的设计，了解通信发展方向(教学大纲网上查询)„先修课程：《信号与系统》、《概率论与随机过程》等„学习方式：课堂教学/课后作业„考试方式：笔试，闭卷„成绩评定：40%期末+40%期中+20%平时3主要参考书„周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社„樊昌信等编，通信原理，第5版，国防工业出版社„曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社„L.W.Couch,DigitalandAnalogCommunicationSystems(5thor6thEdition),清华大学出版社影印版„StephenG.Wilson,DigitalModulationandCoding,电子工业出版社影印版,1998年„J.G.Proakis,DigitalCommunications(4rdEdition).电子工业出版社影印版„课程的基本内容„绪论„确定信号分析„随机过程„模拟通信系统„数字信号的基带传输„数字信号的频带传输„信源和信源编码5第一章绪论„什么是通信？„通信的发展简史„通信系统的组成„通信系统的分类和通信方式„信息及其度量„通信系统的主要性能指标61.什么是通信?„通信：交流，传递消息；信息的传输与交换„信息是要表示和传送的对象.„消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信息是包信息是包含在消息中的不确定性，即有效含在消息中的不确定性，即有效((有用有用))的东西。的东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性.„信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。通信系统中传送的是信号通信系统中传送的是信号..„通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一方„通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应72.通信的发展简史(1)„18世纪，提出用电流进行通信的设想„1838年，F.B.Morse发明有线电报„1864年，J.C.Maxwell提出电磁辐射方程„1876年，A.G.Bell发明电话„1896年，G.Marconi发明无线电报„1901年，横跨大西洋的无线通信成功„1906年，LeedeForst发明真空管„1918年，E.H.Armstrong发明AM广播，超外差接收机„1925年，开始采用三路明线载波电话，多路通信82.通信的发展简史(2)„1936年，E.H.Armstrong发明FM广播„1937年，A.Reeves发明PCM调制原理„1938年，电视广播开始„1940-45年，二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展„1948年，发明了晶体三极管；统计理论建立；Shannon发表《通信的数学理论》„1950年，时分多路通信应用于电话„1953年，敷设了第一条越洋电话电缆(36话路)„1957年，前苏联发射第一颗人造地球通信卫星92.通信的发展简史(3)„1958年，发明第一块集成电路„1961年，FM立体声广播开播„1964年，第一台全电子电话系统问世„1972年，Motorola发明蜂窝电话„1976年，个人PC问世„1989年，“便携式”蜂窝电话问世„1990－，超大规模集成电路的大量使用，计算机和通信正向着兼容互补的方向发展„未来的通信103.通信系统的组成(1)„通信系统模型„信息源(信源)：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风„发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。„信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。„接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。„受信者(信宿)：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等„噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源113.通信系统的组成(2)„模拟通信和数字通信„模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据„模拟信号：载荷消息的电参量连续取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值„模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如传统广播和电视数字通信系统：信道中传输数字信号，例如2G,3Gtt数字信号tt模拟信号123.通信系统的组成(3)„模拟通信系统模型„两种变换：模拟消息Ù原始电信号（基带信号）基带信号Ù已调信号（带通信号）模拟信息源调制器信道解调器受信者噪声源基带信号已调信号已调信号基带信号133.通信系统的组成(4)„数字通信系统模型„信源编码与译码：提高信息传输的有效性;完成模/数转换„加密与解密：保证所传信息的安全„信道编码与译码：增强抗干扰能力„数字调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信号„同步：使收发两端的信号在时间上保持步调一致143.通信系统的组成(5)„数字通信的优点：„抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，传输性能好；„便于处理和管理，便于传输和交换„便于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；„便于集成化，从而使通信设备微型化；„便于加密处理，且保密程度高。„数字通信的缺点：„频带利用率低：比模拟通信占据更宽的系统频带。一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量的一路数字电话：20-60KHz。„对同步要求高，系统设备比较复杂。153.通信系统的组成(6)„两种应用„利用数字通信系统传送模拟消息„A/D，D/A变换，例如电话„利用模拟通信系统传送数字信号„加装数字终端，例如调制解调器电话网电话网因特网因特网164.1通信系统的分类(1)„根据信号特征„模拟通信系统„数字通信系统„根据消息的物理特征：电话、数据、电视等„根据调制方式„基带传输：周期性脉冲序列作为载波„频带传输：正弦型载波„根据传输媒介„有线传输：双绞线、同轴电缆、光纤„无线传输174.1通信系统的分类(2)双绞线双绞线电话业务电话业务同轴电缆同轴电缆AMAMFMFM和和TVTV地面微波接力地面微波接力光纤光纤卫星卫星10102210103310104410105510106610107710108810109910101010101011111010121210101313101014141010151510101616无线电无线电(9KHz~400GHz)(9KHz~400GHz)红外线红外线紫外线紫外线可见光可见光微波微波(300MHz~300GHz)(300MHz~300GHz)HzHz海事无线电海事无线电数字移动通信数字移动通信184.1通信系统的分类(3)„根据信号复用方式„频分复用(FDM)11时间时间频率频率223344„时分复用(TDM)11时间时间频率频率22334411„码分复用(CDM)11223344时间时间频率频率194.2点到点的通信方式(1)„按消息传送方向与时间关系„单工：遥测、遥控、寻呼„半双工：无线电对讲机(同一载频)„全双工通信：电话发送端信道接收端发送端信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道204.2点到点的通信方式(2)„按数字信号的码元排列方法„串行传输：远距离数字通信„并行传输：近距离数字通信发送设备接收设备101发送设备接收设备...214.3实际通信系统„通信网和专线TTTT225信息及其度量(1)„信息：消息中包含的有意义的内容„信息的度量：信息量„与消息的种类及重要程度无关„事件的不确定程度越大，信息量越大„消息x中所含信息量I与消息出现概率P(x)„I(x)=I[P(x)]„P(x)=1,I=0;P(x)=0,I=∞„若干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之和I(x1,x2,…,xn)=I(x1)+I(x2)+…+I(xn)235信息及其度量(2)„信息量I的定义()()1logaIxPx=„a=2:比特(bit)()()()121loganPxPxPx=()logaPx=−()1lognaiiPx==−∑()12,,,nIxxx()121log,,,anPxxx=()1bitIx=()12Px=时，„a=e:奈特(nit)„a=10:哈特莱()1niiIx==∑245信息及其度量(3)„离散消息的度量„各符号x1x2…xM所包含的信息量分别为()()()()121211MMMxxxiPxPxPxiPx⎡⎤⎢⎥⎣⎦==∑,且设离散信息源是一个由M个符号组成的符号集，且()()()21222loglog,,logMPxPxPx−−−…，„每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)为信息源的熵信息源的熵()()()()()()1212222logloglogMMPxPxPxPxPxPx⎡⎤=−+⎣⎦⎡⎤⎡⎤−+−⎣⎦⎣⎦…()()()21log/MiiiPxPxbit=⎡⎤=−⎣⎦∑符号()Hx()EIx⎡⎤=⎣⎦255信息及其度量(4)„信息源的昀大熵，发生在每一个符号等概率出现时如果各符号x1x2…xM等概出现，即P(xi)=1/M，则有()()()()12221loglog/IxIxHxMbitM===−=…符号()()22,log2/kkMHxkbit===例如符号„用平均信息量计算消息的信息量若消息传送的符号总数为m，例信息源由独立等概的符号0,1组成，M=2则I=mH(x)(bit)H(x)=log2M=1bit/符号此时符号数与比特数相等。265信息及其度量(5)例1.4.1一信息源由四个符号0,1,2,3组成，它们出现的概率分别为3/8,¼,¼,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息201020130……(57个符号：0~23,1~14,2~13,3~7)的信息量。()2222311123log14log13log7log8448108Ibit=−−−−=„方法一：()222233111111loglogloglog884444881.906/Hbit=−−−−=符号„方法二：()1081.89/57Ibit==符号()57108.64IHbit=∗=275信息及其度量(6)„连续消息的度量„连续信源的熵是一个相对熵(比∞多出的相对量)，而离散信源的熵是一个绝对熵„连续信源的熵不具有非负性()()()()1log,aHxpxpxdxpx∞−∞=−∫∼其中连续消息出现的概率密度函数()()1,,0,axbbapxxbxa⎧−=⎨⎩例.则或()()111loglogbaHxdxbababa=−=−−−∫()110baHx−若，则286.主要性能指标(1)„有效性：系统传输消息的效率/通信资源(频率、时间)的充分利用，在给定的信道内能够容纳多大的信息量，或允许传输多高的信息率„可靠性：信息传输的准确程度，传送消息的准确还原„根据信息论观点，通信系统的有效性和可靠性常常是一对矛盾。也就是说有效性很高的通信系统往往带来可靠性不足的缺点；或者是保证了很高的可靠性，但导致有效性的降低。可靠性是矛盾的主要方面，即发送消息在接收端的准确还原。„形成矛盾的根本原因：信道不理想„噪声和干扰„带宽、时间受限296.主要性能指标(2)„模拟通信系统的性能指标„有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征„可靠性：均方误差„输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比(SNR)„电话：SNR40dB,话音清晰度95%„电视：SNR=40~60dB306.主要性能指标(3)„离散数字信号的表示„离散信源的M=2k种可能状态可以用k位二进制数字或一位M进制数字表示„用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或M进制数