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1、通信原理,通信原理是电子信息与科学技术专业专业课,理论是52(72)学时,实验24学时参考书1.现代通信原理 曹志刚 钱亚生 清华大学出版社 2001年3月 2.通信原理简明教程 南利平 编著清华大学出版社 1999年11月,通信原理,3.通信原理(第四版)樊昌信 徐炳祥 吴成柯编著 国防工业出版社 我们以樊昌信通信原理(第五版)的内容来讲,具体要求由西北工业大学的要求,对考研的同学也有利的。要学好这门课:(1)概念清楚;(2)框图的理解(包括波形);(3)数学知识 抓住这3点,第1章 绪论,第1章的主要内容有以下几个 1.通信的基本概念;2.通信系统的组成及分类;3.信息及其度量;4.通信系
2、统的主要性能指标;,1.1引言,通信发展非常快,现在社会发展中必不可少的,有的书上说没有通信,人类社会是不可想象的,社会生产力水平要求通信水平与之相适应。以下看几个概念。1.通信:消息传递的全过程,即信息的传输与交换。,2.消息:是有待于传输的语言,活动图片和文字,数据等。前者称为连续消息,后者称为离散消息,它们均具有不确定性(随机性)。3.信息:消息中包含的有意义的内容。不同形式的消息可以包含相同的信息。4.信号:与信息一一对应的电量,是信息的物质载体.它有模拟信号和数字信号之分。,1.2通信系统的组成,通信的目的是传递消息,目前通信业务可分为:电报,电话,传真,数据传输及可视电话等。如广义
3、角度看,则广播,电视,雷达,导航,遥测,遥控等也可列入通信的范畴。基本的点对点通信,均是把发端的消息传递到接收端。,1.2.1 通信系统模型,1.通信系统模型,当今社会的三大资源:信息.物质.能源,消息的发出者,将原始电信号转换成适合信道中传输的形式,信号的传输通道,完成与发送设备工作相反过程,消息的接收者,线路及系统各部分的噪声集中体现,2.各框的作用,(1)信息源:是把各种可能消息转换成原始电信号(非电/电转换)。,(2)发送设备:为了原始电信号适合在信道中传输,由发送设备对原始电信号完成某种变换(包括,编码和调制),然后再送入信道。基本功能是将信源和信道匹配。,(3)信道:是指信号传输的
4、通道,即传输媒质,分为有线和无线两类。,(4)噪声源:是信道中的噪声以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示。,(5)接收设备:接收设备的功能与发送设备的相反的,它能从接收信号中恢复出相应的原始信,号,而受信者(信宿)是将复原的原始信号转换成相应的消息。,信息源和发送设备统称为发送端;接收设备和受信者统称为接收端。,模拟通信与数字通信系统模型,因为消息有离散消息与连续消息,与它对应的信号有模拟信号和数字信号,所以就有模拟通信与数字通信系统之分。,1.模拟通信系统模型,信道,信息源,调制器,解调器,受信者,噪声,该模型与简化模型比较的话发端多个调制器(或发送设备用调制器换了),接收端的接收设备
5、用解调器换的。,模拟通信中的两种变换:(1)发送端的连续消息要变换成原始电信号(非电/电转换),接收端收到的信号要反变换成连续消息(电/非电转换)。即非电/电转换和电/非电转换。(2)将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号,称为调制,接收端进行反变换,称为解调。(3)经过调制后的信号称为已调信号,有两个基本特征:一是携带有消息;二是适应在信道中传输。,(4)发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号,原始信号也称基带信号,而已调信号称为频带信号。但模拟通信系统不仅以上两种变换外还有,滤波器,放大,变频,辐射等。,2.数字通信系统模型,(1)数字通信系统模型,数字通信系统频带传输(需要载波
6、的通信),数字通信系统基带传输(不需要载波的通信),信源和受信者_信源的作用是把消息转换成原始的电信号,即基带信号,完成非电/电的 转换(A/D);受信者的作用是把复原的电信号转换成相应的消息,即基带信号,完成电/非电的转换(D/A)。,(2)数字通信系统各部分的作用,信源编码和信源解码,信源编码有两个作用,其一:进行模/数转换(A/D),其二:数据压缩,即设法降低数字信号的数码率;,信源解码是信源编码的逆过程。,信道编码与解码 数字信号在信道中传输时,由于噪声影响,会引起差错.使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码。信道编码的目的就是提高通信系统的抗干扰能力尽量控制差错,保证通信质量。,
7、信道解码是信道编码反过程。,调制和解调:数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。经变换后的已调信号有两个基本特征:一是携带信息,二是适应在信道中传输。数字解调是数字调制的逆变换。,信道:信道是信号传输的通道(媒质)。信道分为有线和无线信道.在某些有线信道中,若传输距离不远,通信容量不大时,数字基带信号可以直接传送,称为基带传输;而在无线信道和光缆信道中,数字基带信号必须经过调制,即把信号频谱搬移到高处才能传输,这种传输称为频带传输。,最佳接收和同步:依据最小差错准则进行接收,可以合理设计接收机达到最佳。同步是使收发两端信号在时间上保持步调一致，按照同步的作用不同，
8、分为载波同步、位同步和网同步。同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。,3.数字通信系统的特点,相对模拟通信系统而言的,（1）优点 抗干扰能力强，无噪声积累；便于加密处理，保密性强；采用差错控制技术，改善传输质量；便于集成化，使通信设备微型化；利用现代计算机技术，便于对信息进行处理、存储、变换。（2）缺点 占据系统频带宽，频带利用率不高。一路模拟电话占4KHz带宽，而一路数字电话占2064KHz带宽；对同步要求高，系统设备比较复杂。,通信系统蜂窝移动通信系统,1.3通信系统的组成,通信系统分类,1.按消息的物理特征分类:（1）狭义上,电话、电报、数据、图像通信系统等；（2）广义上
9、,遥测、遥控、遥感、遥调通信系统等。,2.按调制方式分为:（1）基带传输，把基带信号直接传送（如市内音频电话）；（2）频带传输，对各种信号调制后传输的总称。调制方式,很多，P5.表1-1,表中有载波调制和脉冲调制等。3.按信号特征分类:模拟通信系统和数字通信系统。4.按传输媒介分类:有线(包括光纤)和无线之分。可以查看表1-2。5.按信号复用方式分类:有3种,(1)频分复用:是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围(FDM,模拟通信用的);,2,(2)时分复用:是用抽样或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区间(TDM,GSM就是数字通信用的).,(3)码分复用:是用一组包含互相正交的码
10、子的码组携带多路信号(CDM,现在CDMA就是这种通,信,可以说绿色手机之称,信号幅度非常小,无辐射,对脑子没有害处,不仅的2、3年移动也要用CDMA技术)。,6.按通信网络分类:专线通信（点对点）、网通信（多点间）。,通信方式,对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系通信方式可分为单工通信、半双工通信、全双工通信三种。1.单工通信:是指消息只能单方向传输的工作方式。,单工通信,半双工通信,2.半双工通信:是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式，如同一载频的无线对讲机。示意图如下,3.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，如电话等。示意图如下,全双工通信
11、,4.数字通信的串行传输与并行传输（1）串行传输：是将数字信号码元序列按时间循序一个接一个地在信道中传输。如下图所示.（2）并行传输：是将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输的方式。示意图如下(b)所示。,通信发展历史回顾,发送设备,接收设备,发送设备,接收设备,1 0 1,（a）串行传输（b）并行传输,（a）,（b）,1.息信量的计算 概率论告诉我们,事件的不确定程度,可以用其,1.4信息及其度量,出现的概率来描述。亦即事件出现的可能性愈小，则概率就愈小；反之，则概率就愈大。据于这样认识，我们得到，消息中的信息量与信息发生的概率紧密相关，消息出现的概率愈小，
12、则消息中包含的信息量就愈大。如果事件是必然的（概率为1），则它传递的信息量为零；如果事件是不可能的（概率为0），则它将有无穷的信息量，即P（概率为P）I(信息量用I）,P I。如果我们得到不是由一个事件构成而是由若干个独立事件构成的消息，那么我们得,到的总的信息量，就是若干个独立事件的信息量的总和。综上，I与消息x出现的概率p(x)有如下规律：（）消息中所含的信息量I是出现该消息的概率p(x)的函数，即（.）（）消息的出现概率越小，它所含的息信量越大；反之信息量越小，且p(x)时，I。（）若干个互相独立的事件构成的消息，所含息信量等于各独立事件息信量之和，即（.）,（）I与p(x)的关系为，不
13、难看出（.）（）I的单位：如果对数的底取a=2，则信息量的单位为比特（bit）；如果取e为对数的底，则信息量的单位为奈特（nit）；若取a=10为底，则信息量的单位称为十进制单位或哈特来（hart）；广泛使用比特（bit）。,例：当二进制符号“0”“1”等概独立出现时，每个符号所含信息量为多少?解:每个符号所含信息量为,例：M进制符号独立等概出现，则每个符号所含信息量为,例：二元离散信源由“0”和“1”两个符号组成，其中p（0）=1/3，p（1）=2/3，则出现符号“1”的信息量为：I=-log2（2/3）=0.585 bit,2.离散信源的平均信息量的计算 所谓平均信息量H是指信源中每个符号
14、所含信,息量的统计平均值。统计独立的N个符号的离散信息源的平均信息量为其中各符号出现的概率有关，即，且有，则,例：某离散信源由0、1、2、3四个符号组成，概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，求消息的信息量.,解：I=-nilog2 p(x)=-（11log3/8+5 log1/4+9 log1/4+6log1/8）=-(15.62+28.09+18.06)=61.77 bit,平均信息量,例:(习题的1题)英文字母E出现的概率为0.105，X出现的概率为0.002，试求E及X 的信息量。,解：该题是利用信息量的公式 来处理问题，由于E出现的概率为p(x)=0.105故信息量为：,X出现的
15、概率为p(x)=0.002故信息量为：,例：某离散信源由0、1、2、3四个符号组成，出现概率相同，求消息的信息量。,或,平均信息量H与热力学中的熵的形式一样，也叫信源的熵。,3.连续消息的平均信息量 连续消息的平均信息量可用概率密度来描述,平均信息量为:,1.5主要性能指标,通信的任务是能快速,准确地传送消息，从研究消息的传输来说,通信的有效性和可靠性是通信系,统的最主要的性能指标。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，主要是指信息传输的“速度”问题。而可靠性是指接收信息的准确程度，主要指信息传输的“质量”问题。两者相互矛盾又相互联系的。,衡量数字通信系统的有效性的主要性能指标是传输速
16、率和频带利用律。可靠性指标主要是差错率。下面来看一下吧。,（1）码元传输速率(RB)：简称“传码率”，又称“码元速率”或符号速率。它被定义为每秒种,传输速率有码元传输速率(RB)和信息传输速率(Rb)。,1.传输速率,传输码元的数目，单位为波特，可记为Baud或B。码元速率与所传的码元进制无关。通常N进,制的一个码元可以用lbN个二进制码元来表示。,若信源的码元速率为(RB)，熵为H，则该信,即：RB2=RBN lbN。例如，某系统每秒种传送4800个码元，所以RB=4800 Baud。（2）信息传输速率（Rb）：简称传信率、又称为信息速率、比特率、数码率。它被定义为每秒种传递的信息量（比特数
17、）的多少。单位是比特/每秒，记为bit/s。每个二进制码元规定含有1bit信息量。,Rb=RBH（bit/s）等概时,则有Rb=RB log2N或,如果码元速率为1200(Baud)，那么在二进制时的信息速率为1200(bit/s)；在四进制时的,源的平均信息速率为：,信息速率为Rb4=1200 log24=2400(bit/s)；同样在八进制时为Rb8=1200 log28=3600(bit/s),（3）二进制码元速率(RB)和信息速率在数值上相等，有时简称它们为数码率。,2.频带利用率,比较不同通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还要看在这样传输速率下，所占的信道的频带宽度。用频
18、带利用率 表示,，定义为：单位频带内能传输的信息速率或码元速率，单位为bit/（s.Hz）或Baud/（Hz）。,3.可靠性指标 衡量数字通信系统可靠性指标具体可用信号,若二进制传输的话=Rb/B(bit/sHz),即公式为：,在传输过程中出错的概率来描述，即用差错率。差错率越大，表明系统可靠性越差。差错率常用误码率和误信率表示。,（1）误码率（也称作误符号率）可表示为,误码率：,PCM语音：Pe10-3 Data信息：Pe10-6,误信（比特）率：,（2）误信率（也称作误比特率）可表示为,在二进制时有pb=pe,例:某离散信息源输出x1，x2，x8，8个不同符号，符号速率为2400Baud，其中4个符号的出现概率分别为其余符号等概出现，,解：由于信息速率定义为单位时间传送的信息量，所以一定时间T内所传送的总的信息量可以用I=TRb来进行计算。根据题意得：,（1）求该信息源的平均信息速率；（2）求传送1小时的信息量；（3）求传送1小时可能达到的最大信息量。,先求信源熵（平均信息量）：,（1）则平均信息速率为：Rb=RBH=24002.875=6900bit/s,（2）传送1小时的信息量为：I=TRb=36006900=2.484107bit,（3）最大信息量是在等概率时，,本章作业：1-2 1-4 1-6,
