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1、通信原理,主讲教师：李长红 自动化工程学院Email：Tel：0532-85953711办公地点：行思楼404,善教者，使人继其事。,Please shut off your Mobilephone!,青岛大学,3,2022/12/19,关于课程,学时安排：60学时学习方式：课堂教学/课后学习考查方式：闭卷考试成绩评定：80%试卷+20%作业平时先修课程：信号与系统，概率论课程性质：专业必修课 电子通信类考研课,青岛大学,4,2022/12/19,学习要求,掌握通信系统的基本概念和分析方法掌握信息传输的基本原理熟悉各种通信技术的基本特点及性能研究通信系统的设计了解通信发展方向,青岛大学,5,2
2、022/12/19,研究的主要问题,通信系统如何工作？微积分运算及性质傅氏变换及性质卷积变换及性质通信系统的性能分析，有噪声时性能如何？概率论随机过程特殊函数,青岛大学,6,2022/12/19,主要参考书目,樊昌信 通信原理教程 电子工业出版社曹志刚 现代通信原理 清华大学出版社周炯磐 通信原理 北邮出版社王秉钧 通信原理 清华大学出版社李晓峰 通信原理 清华大学出版社南利平 通信原理简明教程 清华大学出版社,青岛大学,7,2022/12/19,课程的基本内容,绪论信号模拟调制系统模拟信号数字化数字信号基带传输数字信号频带传输数字信号的最佳接收信道编码与差错控制同步多路复用和多址技术先进的数
3、字带通调制和解调,第一章绪 论,青岛大学,9,2022/12/19,第一章 绪论,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,青岛大学,10,2022/12/19,通信的发展什么是通信,信息的传递与交换传统理解通信+传感+计算机技术信息社会的高级神经中枢通信的实现：功能：将信息由乙方传输到另一方；媒体：语言、图像、数据；载体：光、电信号；通信的载体信号：消息对应的物理量（振幅、频率、相位等）通信是一种产业产品是信息在空间的转换,青岛大学,11,2022/12/19,通信的发展简史,雏形：手势、对话、烽火、旗语、灯光、信鸽、邮政。现代通
4、信：电信(Telecommunication)远距离通信,I Love You,电报 电话 电视,网络 Etc,青岛大学,12,2022/12/19,通信的发展简史,1837年 F.B.Morse发明有线电报1864年 J.C.Maxwell提出电磁场理论1875年 A.G.Bell发明电话1887年 H.Hertz证明电磁波存在1895年 G.Marconi发明无线电报1901年 G.Marconi英国纽芬兰跨大西洋无线通信实验成功1906年 Lee DeForst发明真空管1918年 E.H.Armstrong 发明调幅无线电广播、超外差接收机1936年 E.H.Armstrong 发明调
5、频无线电广播开播1937年 A.Reeves发明脉冲编码调制原理数字化1938年 开始电视广播开播1940-1945 雷达、微波通信技术迅猛发展,青岛大学,13,2022/12/19,通信的发展简史,1948年C.Shannon发表通信的数学理论，提出通信系统的一般模型信息论W.H.Brattain发明晶体管集成电路1950年时分多路通信应用于电话1953年第一条越洋电话电缆（36路）敷设1957年前苏联发射第一颗人造通信卫星1958年第一块集成电路问世1960年发明激光器1964年全电子电话系统问世1972年Motorola发明蜂窝电话1976年个人电脑PC问世1989年便携式蜂窝电话问世1
6、990年超大规模集成电路大量使用；PC与通信互补兼容；,青岛大学,14,2022/12/19,通信的发展方向,数字化易于加密，无噪声积累二战，美军24路PCM系统开始应用70s，商用90s，Internet，GSM系统促进数字化发展发展，广播系统远程和大容量介质：明线同轴电缆光纤技术：短波：容量小，通信质量差，间断；微波：容量大，可传输距离有限；卫星：地球外中继，远程、静止、稳定、质量好；,青岛大学,15,2022/12/19,通信的发展方向,网络化与综合化早期通信：点对点限制了接入的用户数目转接交换引入增加用户数，节省线路费用步进式自动电话交换机（1892年）电子电话交换机程控数字交换机(1
7、970年)计算机引入交换设备全球公用交换电话网(PSTN)高性能、高可靠传真网、电报网、电视转播网分组交换非实时交换，Internet综合化80s JapNTT：综合业务数字网（ISDN）数据+语音90s 宽带综合业务网(B- ISDN)三网融合：通信网、电视网、计算机网物联网,青岛大学,16,2022/12/19,通信的发展方向,移动化与个人化19C：船舶短波通信20C，40s，美国汽车电话网蜂窝移动电话70s，美无绳电话数字无绳电话90s，西欧时分多址技术，TDMA；美CDMA21C，3G第三代移动通信系统目标：5W通信,WhoeverWheneverWhereverWhomeverWha
8、tever,青岛大学,17,2022/12/19,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,第一章 绪论,青岛大学,18,2022/12/19,消息、信息和信号概念,消息：信源产生的信息的物理表现形式；信息：消息的内涵，消息中有意义的内容；各种不同形式的消息具有相同的内涵。广义来说，信息是受者从不知到确知过程的内涵实体。信号：消息的物理载体，是消息对应的物理量； 如：连续波的振幅、频率、相位； 脉冲的幅度、宽度、时间位置；是通信系统的物质载体：电信号、光信号；,北京时间3点整,青岛大学,19,2022/12/19,消息、信息和信号概念,信号的分类根据信号参量的取值方式分类模拟信号取值
9、连续，且有无穷多个对应：连续信息，如语音、图像等；特点：形象直观，一般波形时间连续；特例：PAM信号，时间不连续，但取值连续，且值的个数无穷。信息体现：包含在波形中；,青岛大学,20,2022/12/19,消息、信息和信号概念,数字信号：取值离散，且数目有限波形表示：用时间间隔相同的信号表示取值有限的数字信号；时间间隔T：符号长度/码元周期/码元长度；T间隔内的信号成为一个码元；信息体现：包含在不同的码元组合中；,与模拟信号的区别：取值大小是否连续；取值个数是否有限；与时间无关。,青岛大学,21,2022/12/19,消息、信息和信号信息的度量,信息度量：由事件发生的不确定程度，即概率确定消息
10、 x ，出现概率P(x)，含有信息量 I(x) ：I (x) = I P(x)I 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I =信息量 I 的定义单位：决定于底数aa =2: 比特(bit)a =e: 奈特(nit)a =10: 哈特莱(hartley),1bit的含义：理论：出现概率为1/2的 消息所含的信息量；工程：一个二进制数字；,青岛大学,22,2022/12/19,消息、信息和信号信息的度量,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 , ) = I P(x1) + I P(x2) + 举例：独立、等概、离散消
11、息的信息量： 某离散信源，可发送M(=2k)个符号，且各符号发送概率相同， 求：发送其中任一符号所含的信息量。解：任一符号出现的概率为：P(x)=1/M， 由 得：任一符号所含信息量： 取 a=2 时，I(x)=log22k=k (bit),M(M=2k)进制M个独立等概可取值;每个可取值的信息量kbit;可用k个二进制码元表示；,青岛大学,23,2022/12/19,消息、信息和信号信息的度量,平均信息量信源熵H(x)信源发送所有符号所含信息量的统计平均值。N个符号：,x1， x2， xNP(x1), P(x2), P(xN),等概条件时，信源平均信息量最大，为k（bit/符号）,其中：k=
12、log2N,青岛大学,24,2022/12/19,消息、信息和信号信息的度量,举例：某离散信源由0、1、2、3四种符号组成，其概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且独立出现，该信源发出一段消息：201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210； 求：(1) 各个符号的信息量； (2) 信源平均信息量； (3) 该段消息的信息量。分析： 各符号信息量：I(x)=-log2P(x) (bit); 信源平均信息量：H(x)=I(x)P(x); 整段消息信息量：I= I(x); I=nH(
13、x),青岛大学,25,2022/12/19,消息、信息和信号信息的度量,解： (1)各符号信息量： 由I(x)=-log2P(x)得：I(0)=-log23/8=1.415 (bit)I(1)=-log21/4=2 (bit)I(2)=-log21/4=2 (bit)I(3)=-log21/8=3 (bit)(2)信源熵，平均信息量： 由H(x)= I(x)P(x) 得：H(x)=1.4153/8+21/4+21/4+31/8 =1.9056 (bit/符号),(3)该段消息的信息量：方法1:由：I=I(x)= I(x)= niI(xi)=23 I(0)+14 I(1) +13 I(2)+7
14、I(3)=107.55 (bit)方法2：由I=nH(x)得：I=571.9056=108.62(bit),青岛大学,26,2022/12/19,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,第一章 绪论,青岛大学,27,2022/12/19,数字通信基本概念,数字通信系统利用数字信号传递信息模拟通信系统利用模拟信号传递信息,信息源,基带信号,已调信号,已调信号,基带信号,调制的作用 与信道相适配 更充分地利用信道 改善通信系统的性能,传输问题：噪声与干扰 后果：信号失真,噪声与干扰：通信系统设计中所要解决的基本问题之一。,青岛大学,28,2022/12/19,数字通信通信系统比较,模拟
15、通信系统信号取值连续，信息包含在波形中；系统要求：波形不失真，接收端的高保真度；通信质量判断：信噪比，信号与噪声的功率比；主要理论：连续波的参量估值理论；,数字通信系统信号取值离散，信息包含在码元组合中；系统要求：接收离散值的正确判决；通信质量的判决准则：产生错误判断的概率；主要理论：统计判决理论；,青岛大学,29,2022/12/19,数字通信数字通信的优缺点,数字通信的优点：抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控)差错可控保密性强灵活性高，可适用于各种终端和业务便于集成化，微型化和网络化；数字通信的缺点：频带利用率低：一路模拟电话：B=4kHz；同样话音质量的一路数字电话：B=20-60kH
16、z。对同步要求高，系统设备比较复杂。,青岛大学,30,2022/12/19,数字通信数字通信系统模型,同步,信源编码,信源解码,青岛大学,31,2022/12/19,数字通信主要性能指标,有效性：系统传输效率，占用频带和时间可靠性：系统传输的准确程度信息论观点：二者相互矛盾，此消彼长。矛盾原因：通信资源有限：可用频带带宽、时间受限信道不理想：噪声和干扰无法完全消除,青岛大学,32,2022/12/19,数字通信主要性能指标,模拟通信系统的性能指标有效性：带宽B，所传信号的有效传输带宽；可靠性：信噪比，接收端输出信号平均功率与噪声功率之比；电话：SNR40dB;电视：SNR=4060dB;数字通
17、信系统的性能指标传输速率，频带利用率，能量利用率；错误率,青岛大学,33,2022/12/19,数字通信主要性能指标,离散数字信号的表示：离散信源的 N = 2k 种可能状态可以用 k 位二进制数字或一位 N 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 N 进制数字；这个间隔称为符号/码元长度；间隔内的信号称为符号/码元(二进制或 N 进制)；,AB CD,00011011,0123,青岛大学,34,2022/12/19,信息传输速率Rb：单位时间传送的信息速率，传信率；,数字通信系统的性能指标：传输速率,数字通信主要性能指标,Rb=I(x)RB=H(x)RB(等概)Rb RB lo
18、g2 N (bit/s)RB Rb /log2 N (baud),符号(码元)传输速率RB：单位时间传送的符号数量，传码率：,单位：波特，baud，B,单位：比特/秒，bit/s, bps,传码率RB与传信率Rb的关系：每个符号有 N 种可能状态，则,频带利用率 ：传输速率与系统带宽之比：,青岛大学,35,2022/12/19,数字通信系统的性能指标：差错率,数字通信主要性能指标,误码率(BER)：码元/符号在系统中传错的概率,误比特率(误信率)：符号信息量在传输系统中被丢失的概率,误字率：接收字数在传输系统中被传错的概率,二进制：Pe=Pb,一个字由k个二进制码元组成时：Pw=1-(1-Pe
19、)k,青岛大学,36,2022/12/19,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,第一章 绪论,青岛大学,37,2022/12/19,信道（自学）,无线信道：种类，频段，传输特点， 存在问题，解决措施，发展方向；有线信道：种类，结构，特性，优缺点；,青岛大学,38,2022/12/19,信道模型,狭义信道：传输煤质或途径广义信道：信道模型,调制信道,编码信道,青岛大学,39,2022/12/19,信道模型调制信道,加性噪声,k(t)乘性噪声，反映信道特性.,基本不随时间变化的信道，称为恒参信道。,随时间变化的信道，称为随参信道。,如各种有线信道、视距/卫星中继信道。,如地波、天波
20、及各种散射传播（电离层散射、对流层散射等）无线信道。,青岛大学,40,2022/12/19,信道模型编码信道,转移概率矩阵,无记忆信道对称信道,信道特性对信号传输的影响,1. 恒参信道对信号传输的影响,2. 随参信道对信号传输的影响： 多径传播,线性失真： 幅度失真、相位失真非线性失真： 频率偏移、相位抖动,青岛大学,41,2022/12/19,通信的发展消息、信息和信号数字通信信道信道中的噪声,第一章 绪论,青岛大学,42,2022/12/19,信道中的噪声,按来源分外部噪声人为噪声：工业射电辐射引起的噪声及干扰；自然噪声：自然界存在的各种电磁辐射；内部噪声：信道内部的各种电子元器件；,按性
21、质分脉冲噪声窄带噪声起伏噪声：热噪声无处不在，是影响通信质量的主要因素,白噪声：在整个频率段上(01012Hz)，均匀分布。,可消除或减小,热噪声电压,青岛大学,43,2022/12/19,本章作业,自学笔记；教材：P211.1，1.2，1.3，1.5，1.6；,青岛大学,44,2022/12/19,Thank you all for your attention!,Any Question and Suggestion are welcome!,Email: Tel: 0532-85953711,青岛大学,45,2022/12/19,青岛大学,46,2022/12/19,I Love you,青岛大学,47,2022/12/19,信息量的度量,青岛大学,48,2022/12/19,青岛大学,49,2022/12/19,青岛大学,50,2022/12/19,参考教材,
