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1、通信原理,电子与信息工程学院2014年9月,主讲教师：李建雄,前言,教材：现代通信原理及应用第二版，苗长云等编著，电子工业出版社本教材有一定深度，希望同学们一定要结合其他参考书来学习。推荐参考书：通信原理，樊昌信，国防工业出版社现代通信原理，沈葆锁，国防工业出版社现代通信原理习题指南，上书的配套习题,准备考天津大学研究生的同学尤其要关注这两本书,外文书：Fundamentals of Communications Systems,美国Michael P. Fitz,前言（续）,课时安排：理论课（60）实验（15）每周三、五：上理论课从第六周开始的双周周二：上实验课； 地址：4B-405 实验课
2、的主讲教师：高怀举 老师 电子1101,1102 ： 每双周的周二第一大节 电子1103,1104： 每双周的周二第三大节,前言（续）,关于本课程的基础知识和学习方法基础知识： 电路基础概率论的基本知识信号与系统中的傅里叶变换（教材P15列出常用）学习方法：不准备考研的同学：侧重于基本原理和公式的应用考研的同学：不仅要会用，还要知道来龙去脉考不同学校的研究生要看不同的参考书，因为侧重点和难度差别很大,第一章 绪论,主要内容1.1 通信的基本概念1.2 通信系统的组成1.3 通信系统分类及通信方式1.4 信息及其度量1.5 通信系统的主要性能指标重点为1.4和1.5,1.1 通信的基本概念,一、
3、通信的几种定义（1）通信的通俗定义：由一点向另一点传递消息的过程（2）通信的专业定义：利用信息载体（如电或光信号）的某一个或几个参数（如振幅、频率等）的变化承载信息，在特定物理媒介（称“信道”）中传输、交换的过程。本课的重点是“传输”，而“交换”将在程控交换等课中讲（3）数字通信的本质定义（引用美国数学家和信息论创始人Shannon的话）：通信是在一点（接收端）尽力恢复另一点（发送端）的“选择”的过程,1.1 通信的基本概念（续）,二、信号的基本分类消息的载体是信号，而信号可分为两大类：模拟信号和数字信号,连续的模拟信号,t,t,离散的模拟信号,注意：“模拟”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是
4、连续的,信号的基本分类（续）,2进制数字信号,连续的数字信号（2进制）,t,1 0 0 1 0,离散的数字信号（2进制）,t,1 0 0 1 0,注意：“数字”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是有限多个值的集合,多进制数字信号,连续的数字信号（4进制）,t（秒）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,称为1个码元周期Tb,注意：在多进制数字信号中，码元比特,1,2,3,4,1.2 通信系统的组成,由前面通信的定义，我们可知，要完成通信的过程至少要有：发送信息者（称“信源”）接收信息者（称“信宿” ）传输信息的通道（称“信道” ）但是很多信号（如语音），如果不经过处理，传输距离很短，而且
5、很容易被干扰；所以在大多数通信系统中，需要“发送设备”和“接收设备”，它们作用就是使信号传输得更远，质量更好；,1.2.1 通信系统的一般模型,如下图所示：,信源,在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等,发送设备,信道,噪声源,接收设备,信宿,如调制器、功率放大器、天线等,如双绞线、光纤、同轴电缆等。注意：自由空间也是一种信道,是一种随机信号，对通信有害，但不可避免。,是发送设备处理的“逆过程”,在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等,在上述通用模型中，发送设备对来自信源的信号的处理可能有2种情况：一、直接对模拟信号进行放大和传输（例如无线广播电台、第一代移动通
6、信系统“大哥大”）二、把模拟信号转换成数字信号（提高抗噪声性能、且易于加密）后，再进行处理和传输，如数字电视、网络电台、2G/3G/4G移动通信等根据这两种不同情况，我们把通信系统分为：模拟通信系统和数字通信系统2大类,要点提示：区分模拟还是数字通信系统，要看信道中传输的是 模拟信号和还是数字信号,1.2.2 模拟通信系统模型,如下图所示（以调幅/AM广播为例）：,模拟信源,调制器,人的语音频率在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去,从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了放大功能,补充知识：基带信号与频带信号,基带信号：很多信源输出的信号，含有丰富的低频成
7、分，即，其频谱在低频附近（例如我们说的语音在3004kHz，再例如数字电路输出的TTL信号）。这些信号我们统称为基带信号频带信号：将基带信号从低频段调制到高频段后的信号（又称“已调信号/已调波”）,如下图所示（以调幅/AM广播为例）：,模拟信源,调制器,基带信号,频带信号已调信号,频带信号已调信号,基带信号,调制的目的,1. 将基带信号变换为适合于信道传输的频带信号，如在无线通信中，必须将基带信号载在高频上才能发射出去；2. 改善系统性能；3. 实现信道复用，提高信道利用率。,模拟通信研究的基本问题,1. 收发两端的换能过程及基带信号的特性；2. 调制与解调原理；3. 信道与噪声特性及其对信号
8、传输的影响；4. 存在噪声时的系统性能。,1.2.3 数字通信系统模型,数字通信系统又可分为数字基带通信系统（用以传输数字基带信号）数字频带通信系统（又称“数字调制通信系统”，用以传输数字频带信号）那么，什么是“数字基带信号”？什么是“数字频带信号”呢？,1、数字基带通信系统模型,如下图所示,其原理将在第7章详细介绍，此处知道即可,例如局域网通信、USB串口通信都属于这一类,2、数字频带通信系统模型（教材P2的图1.3,大家可加上“频带”2字）,信源,可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）,信源编码,如果信源是数字信源，主要对其压缩、加密等；如果是信源是模拟信源，则先进行A/
9、D变换再进行压缩、加密,信道编码,主要功能是检错和纠错，将在第12章详细介绍。主要目的是为了保证通信的可靠性,数字调制,与模拟调制的作用是类似的：都是为了使通信传输的信息更远、更多、更抗干扰，将在第8章详细介绍,是发送端处理的“逆过程”，不再赘述,随着通信技术的飞速发展，信道编码与数字调制有融合的趋势,怎样理解信源编码和信道编码,信源编码：根据信源的特点进行的相应的编码处理（主要指的是压缩，还包括数字加密等）。目的：提高通信的有效性，即用适当的方法降低数字信号的码元速率以压缩频带。例如语音可采用PCM编码（第6章要讲），静止图像有jpg编码，动态图像有mpeg编码，音乐有mp3编码等等可以看出
10、不同的信源往往有不同的信源编码（这是因为不同的信源的统计特性是不同的）,怎样理解信源编码和信道编码,信道编码：根据信道的特点进行相应的编码，以使信号适合在这种信道中传输，主要指的是检错、纠错。目的：提高通信的可靠性如在计算机中普遍用的CRC(循环冗余)编码等不同的信道往往采用不同的信道编码（因为不同的信道有不同的误码特性）,数字通信研究的基本问题,1. 收、发两端的换能过程，模拟信号数字化及数字式基带信号的特征；2. 数字调制与解调原理；3. 信道与噪声的特性及其对信号传输的影响；4. 抗干扰编码和译码，即差错控制与编码；5. 通信保密；6. 同步。,数字通信与模拟通信相比的优点,1. 数字传
11、输的抗噪声（抗干扰）能力强，数字信号传输中可通过中继再生消除噪声的累积；2. 数字通信可以通过差错控制编码技术，提高通信的可靠性；3. 数字通信便于利用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理；4. 数字通信中的信息易于加密，且保密性强；5. 数字通信可以传递各种消息（模拟的和数字的），使通信系统灵活性好、通用性强；,数字通信与模拟通信相比的缺点,信号占用的频带宽。例如，一路模拟电话仅占4kHz带宽，而一路数字电话要占2064kHz的带宽。,6. 数字通信采用数字集成电路，具有体积小、重量轻、可靠性高及调整调试方便的优点。,1.3 通信系统的分类及通信方式,1.3.1 通信系统的分类按信道传输的
12、信号种类来分按传输的媒介种类来分按信号是否经过调制,模拟通信系统,数字通信系统,有线通信系统,无线通信系统,基带通信系统,频带（调制）通信系统,根据实际情况来确定（如传输距离）,1.3.1 通信系统的分类（续）,按通信系统承载的业务种类分,电报通信系统,电话通信系统,数据通信系统,图像通信系统等,Service,按复用的方式分,频分复用（FDM）通信系统,时分复用（TDM）通信系统,码分复用（CDM）通信系统,在11章将详细介绍,这些复用方式并不互相排斥，可能同时使用在一个通信系统中，例如在TD-SCDMA中就同时使用了TDM和CDM,1.3.2 通信的方式,1、按信息传输的方向与时间关系划分
13、通信方式分：,1.3.2 通信的方式（续）,2、按数字信号码元排列方式划分通信方式,如打印机与计算机之间,如USB、RS-232等,1.3.2 通信的方式（续）,3、按照网络结构划分通信方式,1.4 信息及其量度(重点章节),消息，信息与信号的区别消息：通常把语言和声音、音乐、文字、符号、数据、图象等统称为消息。 信息：消息中所给予收信者的新知识或消息中包含的有意义的内容。信号：描写与消息相对应的电信号或光信号，是传递信息的载体。,1.4 信息及其量度(重点章节),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。注意：信息量的大小实际
14、上与内容无关一个消息对于接收者很有价值（即信息量大）在于这个消息是他不知道的事情或觉得不可能发生的事情（即小概率事件）。信息量与消息的种类、含义及重要程度无关，它仅与消息中包含的不确定性有关。,1.4 信息及其量度（续）,即，消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。 一条信息发生的概率越小，信息量越大；概率越大，则信息量越小； 一种极端情况是“必然的事情”信息量为0。于是，对于一条信息x，人们用下列公式表示其信息量I：,（式1.4.1）,1.4 信息及其量度（续）,信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特
15、”（natnature unit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart Hartley的缩写）。,同学们要掌握的,1.4 信息及其量度（续）,通常采用“比特”作为信息量的实用单位。在通信系统中，当传输M个等概率的消息之一时，每个消息出现的概率为1/M，任一消息所包含的信息量为若M=2K，则,1.4 信息及其量度（续）,非等概率：设信息源中包含有n个消息符号，每个消息xi出现的概率为p(xi)，则各消息出现的概率为则x1, x2, xi所包含的信息量分别为 -log2p(x1), -log2p(x2), , -log2p(xn)。,1.4 信息及其量度（续）,平均信息量 （信息熵）每个
16、符号所包含的信息量的统计平均值,请注意其量纲,这个公式与物理热力学中的熵很相似。但热力学中的熵总是增加的，而信息熵在通信过程中则总是减小的。,例题1.4.1,一信息源由4个符号0、1、2、3组成，它们出现的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。若消息序列长为57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，试求消息序列所包含的信息量和平均信息量。解：,消息序列的平均信息量,例题1.4.2,某信源每天播报某地的天气预报，此地晴天、多云、阴、雨的概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8求：（1）晴、多云、阴、雨的各自所含信息量（2）信息串“晴-多
17、云-阴-晴-晴-晴-多云-雨”所含的总信息量（3）此信源的每个消息的平均信息量（称为“信息熵”）,例题1.4.2（解）,例题1.4.2（解）,解：该信息源符号的平均信息量为,例1.4.3 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一个符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8， 1/8， 3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量（即信息熵）。,1.5 通信系统的性能指标(重点章节),通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。所谓有效性，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,二者是“对立统一”体,例如：在一段固定时间的强干扰下，传输速率越大则误码
18、越多；,检错纠错码加入的冗余信息越多，则越可靠,1.5.1 模拟通信系统的指标,模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征。例如收音机调幅电台的带宽通常在10kHz左右，而调频电台的带宽通常在180kHz左右模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量。调频的音质明显好于调幅电台,1.5.2 数字通信系统的指标,一、有效性指标数字通信系统的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
19、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，或bps。注意：与Bps的区别,码元速率RB与信息速率Rb的关系,在等概率条件下，4进制符号每符号的概率为1/4，所含信息量为2bit8进制符号每符号的概率为1/8，所含信息量为3bit 可以看出对于等概率N进制信源每传1个符号等于传了log2N(bit)信息，所以,对于考研同学的扩展知识,若信源各符号不是等概率的，则,注意：这和上页的结论并不矛盾。因为N进制等概率的信源的熵就是log2N(bit/符号),有效性指标之2、频带利用率,又分为码元频带利用率和信息频带利用率码元频带利用率：数字通
20、信系统的码元速率RB与其所占频率带宽B的比值，即信息频带利用率（衡量有效性的最佳指标）数字通信系统的信息速率Rb与其所占频率带宽B的比值，即,二、数字通信系统的可靠性指标,主要掌握这个公式,1、误码率：是指通信过程中，系统传错码元的数目与所传输的总码元数目之比，也就是传错码元的概率,2、误信率：又称误比特率，是指错误接收的信息量（传错的比特数）与传输的总信息量（传输的总比特数）的比，也就是传输中出现错误信息量的概率，,解：每个符号的平均信息量为,已知 码元速率RB=1000B，故该信息源的平均信息速率为,例1.5.1设一个信息源的输出由128个不同符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余
21、112个出现的概率为1/224。信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立，试计算该信息源的平均信息速率。,例1.5.2一个离散信号源每毫秒发出4种符号中的一个，各相应独立符号出现的概率为0.4、0.3、0.2、0.1，求该信号源的平均信息量与信息传输速率。,解：,例1.5.3已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000bit/s，在接收端10分钟内共测得出现18个错误码元，试求该系统的误码率。,解： 依题意,则,例1.5.4已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400bit/s，接收端在半小时内共收到216个错误码元，求该系统的误码率.,解：,本章重点小结,1、单个符号的信息量、信源的平均信息量（即“信息熵”）的计算2、符号速率（又叫“码元速率”、“传号率”）与信息速率（又叫“比特率”、“传信率”）的关系（重点掌握等概率的公式）3、频带利用率的概念4、误码率的计算,第一章 作业,教材P11 习题1.9和1.10,
