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1、现代通信原理与技术 Principles and Techniques of Modern Communications,深圳大学电子科学与技术学院陈红艺,授课教师,陈红艺，副教授，博士。2002年本科毕业于清华大学现代应用物理专业，同年保送至清华大学物理系光学专业直接攻博，2008年6月获得物理学博士学位。主要从事左手材料，光子学物理，超快光学等方面的研究，发表论文10余篇。主持国家青年基金项目等。办公室：南区1001Email：,课程简介,教材及参考书张辉等，现代通信原理与技术，西安电子科技大学出版社樊昌信等，通信原理，国防工业出版社学习基础熟悉信号与系统中傅立叶变换及性质熟悉随机过程中的
2、基本概念学习方法基本方法、基本概念，重要知识点，难点自备一本习题参考书（例：林霏等，通信原理辅导及习题精解，延边大学出版社）,课程内容,绪论：理解通信系统的组成模型、通信系统的分类及通信方式。掌握信息及其度量、通信系统的主要性能指标。（教材第一章；2学时）随机信号分析：了解高斯白噪声、窄带随机过程。理解随机过程的一般表述，随机过程通过线性系统。掌握平稳随机过程、平稳随机过程的相关函数与功率谱密度。（第二章；10学时）信道：了解信道的定义和模型、随参信道和恒参信道的概念。理解加性噪声。掌握信道容量的概念以及连续信道容量与信噪功率比、信道带宽的相互关系。（第三章；2学时）模拟传输系统（幅度调制）：
3、理解幅度调制(线性调制)的概念。掌握各种线性调制（AM、DSB、SSB等）的产生与解调方法，以及各种线性调制系统的抗噪声性能。（第四章；11学时）,课程内容,模拟传输系统（角度调制）：了解各种模拟调制系统的优缺点及应用领域。理解角度调制(非线性调制)、宽带调频与窄带调频的概念。掌握调频信号的产生与解调原理，以及调频系统的抗噪声性能。（第四章；11学时）数字基带传输系统：了解数字基带传输系统的组成、基带传输的常用码型以及马建串扰的概念。掌握基本数字基带信号波形及频谱特性，无码间串扰的基带传输系统的特点及眼图的相关分析。（第五章；14学时）脉冲调制系统：了解脉冲编码调制(PCM)的基本原理。掌握抽
4、样定理，模拟信号的量化。（第七章，4学时）总共54学时；因放假等因素会适当调整。教材其余部分供自学,考试与成绩评定方式,学期总成绩包括平时成绩和期末考试成绩两部分组成。平时成绩包括平时记录的出勤情况、课堂提问、以及课后作业等占30，期末成绩占70。鼓励课题交流和提问，活跃气氛有问题和困难尽早反馈，共同解决,通信系统概述,概 述通信系统模型通信系统分类系统工作方式信息及其度量主要性能指标,什么是通信,通：交流；信：信息；通信：信息的传输与交换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。信息是包含在消息中的不确定性，即有效(有用)的东西。消息的本质和价值
5、取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性.信息=编码+不确定性消息从发信者到收信者的有效传递非电信号 电(光)信号主流电信号传输的目的迅速、准确、可靠现代通信的定义 利用电子等技术手段，借助电(光)信号实现消息的有效传递和交换。现代通信已经成为一种产业。,信息,No news is good news.小故事,信息,小故事,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术
6、与社会的发展，对通信的要求也越来越高,通信的发展简史,按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：第一阶段 语言 第二阶段 文字、邮政 第三阶段 印刷术、出版物 第四阶段 电报、电话、广播 第五阶段 通信与计算机的结合、网络,通信的发展简史,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，
7、从而起到远距离传递信息的作用。,最早的电通信设想,通信的发展简史,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。,莫尔斯发出第一封电报设备的复制品,最早的有线电报,通信的发展简史,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装
8、置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,最早的有线电话,贝尔获得电话的专利证书,通信的发展简史,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。,电磁波的发现,通信的发展简史,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文
9、，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,最早的无线通信,波波夫实验用的无线电接收机,通信的发展简史,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,人类首次远距离无线电通信,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有
10、实用价值的电视机。1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。,影响通信发展的重要发明或理论,1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。1976年，出现
11、个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署。1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。当前：高速无线网络；物联网；量子通信,通信系统一般模型,通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。,通信系统的发展可以归结为五部分中的某一或某些部分的发展,通信系统一般模
12、型,信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。发送设备将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。,通信系统一般模型,信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响
13、。,通信系统一般模型,噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的不是人为加入的设备，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,通信系统一般模型,信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,通信系统一般模型,消息 消息的状态连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动
14、图片等离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。,消息 的传递是通过它的物质载体 电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。,hello,通信系统一般模型,信号 信号参量的取值方式模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。,通信系统一般模型,t,f(t),0,时间
15、连续、参量连续,时间离散、参量离散,抽样,量化,通信系统一般模型,信号 信道中传输的是模拟信号还是数字信号模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统。,模拟通信系统,数字通信系统模型,数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、以及加/解密等,信源,信源编码,信道编码,加密,调制,信道,噪声,数字通信系统,模拟 VS 数字通信系统,模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解
16、调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,模拟 VS 数字通信系统,数字通信的主要特点抗干扰能力强。差错可控。易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，从而形成智能网。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于加密处理，且保密强度高。数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。,通信系统分类,按照消息的物理特征划分电报通信系统电话通信系统数据通信系统按照媒质上传输信号的频率范围划分基带通信系统调制通信系统按照信道
17、传输信号类型划分模拟通信系统数字通信系统按照媒质的类型划分有线通信系统无线通信系统按照工作波段划分长波、中波、短波等按照信号复用方式划分频分复用（FDMA）时分复用（TDMA）码分复用（CDMA）,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信系统分类,通信方式,按消息传递的方向与时间关系分：对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道
18、必须是双向信道。按数字信号码元排列方法划分并行通信并行通信串行通信点对点通信与通信网,通信方式,发送,信道,接收,单工：广播,发送,信道,接收,双工：手机,发送,信道,接收,半双工：对讲机,40,通信系统举例计算机网络,集线器,41,通信系统举例-电话网络,移动业务交换中心,市话局,中继线,Modem,信息及其度量（重点）,信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。,信息及其度量,从常识的角度
19、来感觉三条消息：太阳从东方升起；太阳比往日大两倍；太阳将从西方升起。,第一条几乎没有带来任何信息 第二条带来了大量信息第三条带来的信息多于第二条,第一事件是一个必然事件，人们不足为奇；第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息,信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。,信息及其度量,根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。,信息及其度量,
20、假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息根据上面的认知，显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，即 I=fP(x)（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且 P(x)1时，I0 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之和，也就是说，信息具有相加性，即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,信息及其度量,信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为十进制
21、单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。【例】设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为 I(0)=I(1)=log22=1(bit),传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为,信息及其度量,信息及其度量,如果是非等概情况，设离散信源是
22、一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为P(xi)，且有P(xi)=1,则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1),-log2 P(x2)，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为 通常又称它为信息源的 熵，其单位为bit/符号。显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。,信息及其度量,【例】一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，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。试求某消息20102013021300120321010032101002
23、3102002010312032100120210的信息量。解 此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为 每个符号的算术平均信息量为,信息及其度量,若用熵的概念来计算 可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。思考：出现这种差别的原因在哪？,主要性能指标（重点）,通信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，
24、也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,主要性能指标,模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用差错率来衡量,主要性能指标,传输速率：码元传输速率和信息传输速率 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。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,主要性能指标,通
25、常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：RB2=RBM log2 M(B),主要性能指标,信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或 b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RBH(b/s)式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。等概传输时，熵有最大值log2 M，信息速率也达到最大，
26、即Rb=RB log2 M(b/s),主要性能指标,【例】码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率,主要性能指标,频带利用率比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率，RB而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为,差错率衡量数字通信系统可靠
27、性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。误码率（码元差错率）Pe是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即 误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即,主要性能指标,b,第一章习题,1-6 1-8已知二进制数字信号在2min内共传送72000个码元，且0、1等概，问：1）码元速率和信息速率各为多少？2）如果码元宽度不变，改为8进制数字信号，码元速率与信息速率分别为多少？3）在2）的条件下，如果误码率为10-3，两分钟内错误的符号个数为多少；如果错误的比特数为54，误比特率为多少？,已知二进制数字信号在2min内共传送72000个码元，且0、1等概，问：1）码元速率和信息速率各为多少？码元速率RB=72000/2/60=600Baud 信息速率Rb=72000/2/60=600bit/s2）如果码元宽度不变，改为8进制数字信号，码元速率与信息速率分别为多少？由于Ts不变，因此RB=1/Ts不变，即 码元速率RB=72000/2/60=600Baud Rb=RBlog2M=1800(bit/s),在2）的条件下，如果误码率为10-3，两分钟内错误的符号个数为多少；如果错误的比特数为54，误比特率为多少？错误的符号个数：60012010-3=72(个)误比特率:,
