第1章 通信原理概述課件

1、專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課40現(xiàn)代通信原理，曹志剛，清華大學(xué)出版社現(xiàn)代通信原理，曹志剛，清華大學(xué)出版社 通信原理，樊昌信，國(guó)防工業(yè)出版社通信原理，樊昌信，國(guó)防工業(yè)出版社 通信系統(tǒng)原理教程，王興亮，西安電子科技大學(xué)出版社通信系統(tǒng)原理教程，王興亮，西安電子科技大學(xué)出版社平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)30（作業(yè)、課堂、考勤）（作業(yè)、課堂、考勤） 期末考試期末考試70（閉卷）（閉卷）第第1 1章章 概述概述 1.1 通信的發(fā)展通信的發(fā)展 1.2 通信的概念通信的概念 1.3 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 1.4 信息論基礎(chǔ)信息論基礎(chǔ) 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1.1 通信的發(fā)展通信的發(fā)展 1.1.1 1.

2、1.1 通信發(fā)展簡(jiǎn)史通信發(fā)展簡(jiǎn)史1838年，年，摩爾斯摩爾斯發(fā)明發(fā)明有線電報(bào)有線電報(bào)，開始了電通信階段，開始了電通信階段 1864年，年，麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)立了創(chuàng)立了電磁輻射理論電磁輻射理論1876年，年，貝爾貝爾利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電話電話 1888年，年，赫茲赫茲用實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)證明電磁理論證明電磁理論，促使后來無線通信的出現(xiàn)，促使后來無線通信的出現(xiàn) 1896年，年，馬可尼馬可尼發(fā)明發(fā)明無線電報(bào)無線電報(bào)1937年，年，雷沃斯雷沃斯發(fā)明發(fā)明脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制，奠定了數(shù)字通信基礎(chǔ)，奠定了數(shù)字通信基礎(chǔ) 1946年，第一臺(tái)數(shù)字年，第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)問世問世 1

3、947年，年，晶體管晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，為通信器件的進(jìn)步創(chuàng)造了條件在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，為通信器件的進(jìn)步創(chuàng)造了條件1948年，香農(nóng)提出了年，香農(nóng)提出了信息論信息論，建立了通信統(tǒng)計(jì)理論，建立了通信統(tǒng)計(jì)理論 1961年，發(fā)明年，發(fā)明集成電路集成電路20世紀(jì)世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)年代，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)局域網(wǎng)出現(xiàn)出現(xiàn) 20世紀(jì)世紀(jì)90年代，年代，蜂窩電話蜂窩電話系統(tǒng)開通系統(tǒng)開通1.1.2 1.1.2 通信技術(shù)的發(fā)展與展望通信技術(shù)的發(fā)展與展望電纜通信 （有線）微波中繼通信 （無線）光纖通信 （有線）衛(wèi)星通信 （無線）移動(dòng)通信 （無線）1.2 通通 信信 的的 概概 念念 1.2.1 1.2.1 通信的定義通信

4、的定義通信(Communication)就是信息的傳遞，是指由一地向另一地進(jìn)行信息的傳輸與交換，其目的是傳輸消息。1.2.2 1.2.2 通信的分類通信的分類1. 1. 按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)的不同， 通信可分為有線通信和無線通信。 有線通信特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見，摸得著。 無線通信特點(diǎn)是傳輸媒質(zhì)看不見、摸不著。 2. 2. 按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類模擬信號(hào)是指信號(hào)的某一參量有無限個(gè)取值。 數(shù)字信號(hào)是指信號(hào)的某一參量只有有限個(gè)取值。 參量可以是連續(xù)波的振幅、頻率、相位或是脈沖波的振幅、寬度、位置等。3. 3. 按工作頻段分類按工作頻段分類根據(jù)通信設(shè)備的工作頻率不

5、同，可分為長(zhǎng)波通信、 中波通信、短波通信、微波通信等。通信的中工作頻率和工作波長(zhǎng)可互換， 公式為 fC式中, 為工作波長(zhǎng)；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認(rèn)為C=3108 m/s。 4. 4. 按調(diào)制方式分類按調(diào)制方式分類根據(jù)消息在送到信道之前是否采用調(diào)制，通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸?；鶐鬏敚盒盘?hào)沒有經(jīng)過調(diào)制而直接送到信道中去傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑活l帶傳輸：信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后再送到信道中傳輸，接收端有相應(yīng)解調(diào)措施的通信方式。常用的調(diào)制方式 調(diào) 制 方 式 用 途 常規(guī)雙邊帶調(diào)幅 AM 廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 DSB 立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅 SSB 載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳 線性調(diào)

6、制 殘留邊帶調(diào)幅 VSB 電視廣播、數(shù)傳、傳真 頻率調(diào)制 FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 非線性調(diào)制 相位調(diào)制 PM 中間調(diào)制方式 幅度鍵控 ASK 數(shù)據(jù)傳輸 頻率鍵控 FSK 數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控 PSK、DPSK、QPSK 等 數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信 連 續(xù) 波 調(diào) 制 數(shù)字調(diào)制 其他高效數(shù)字調(diào)制 QAM、MSK 等 數(shù)字微波、空間通信 脈幅調(diào)制 PAM 中間調(diào)制方式、遙測(cè) 脈寬調(diào)制 PDM(PWM) 中間調(diào)制方式 脈沖模擬調(diào)制 脈位調(diào)制 PPM 遙測(cè)、光纖傳輸 脈碼調(diào)制 PCM 市話、衛(wèi)星、空間通信 增量調(diào)制 DM 軍用、民用電話 差分脈碼調(diào)制 DPCM 電視電話、圖像編碼 脈 沖

7、調(diào) 制 脈沖數(shù)字調(diào)制 其他語言編碼方式 ADPCM、APC、LPC 中低速數(shù)字電話 1.2.3 1.2.3 通信的方式通信的方式1. 1. 按消息傳送的方向與時(shí)間分類按消息傳送的方向與時(shí)間分類按消息傳送的方向與時(shí)間不同，可分為單工通信、 半雙工通信及全雙工通信。 （a） 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式 2. 2. 按數(shù)字信號(hào)排序分類按數(shù)字信號(hào)排序分類按照數(shù)字信號(hào)排列的順序， 分為串序傳輸和并序傳輸。串序傳輸：數(shù)字信號(hào)序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑徊⑿騻鬏敚簲?shù)字信號(hào)序列被分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)序列同時(shí)在信道上傳輸。 按數(shù)字信號(hào)排序劃分的通信方式

8、(a) 串序傳輸方式 ； (b) 并序傳輸方式 3. 3. 按通信網(wǎng)絡(luò)形式分類按通信網(wǎng)絡(luò)形式分類通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式。 (a) 兩點(diǎn)間直通方式； (b) 分支方式； (c) 交換方式 分支方式及交換方式均屬網(wǎng)通信的范疇。無疑，它們和兩點(diǎn)間直通方式相比，還有其特殊的一面。例如，網(wǎng)通信中有一套具體的線路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等，其中既有信息控制問題，也有網(wǎng)同步問題等，盡管如此，網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信。 因此，本書只把注意力集中到點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上，而對(duì)網(wǎng)通信只限于基礎(chǔ)知識(shí)介紹。 1.3 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng) 1.3.1 1.3.1 通信系統(tǒng)的模

9、型通信系統(tǒng)的模型1.3.2 1.3.2 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)1.3.3 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)1. 1. 數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)2. 2. 數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)與頻帶傳輸系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，我們把沒有調(diào)制器/解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。3. 3. 模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)在日常生活中，大部分信號(hào)(如語音信號(hào))為連續(xù)變化的模擬信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，則必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。1.3.4 1.3.4 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)數(shù)

10、字通信的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 1. 1. 數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn) (1) 抗干擾、抗噪聲性能好。 (2) 差錯(cuò)可控。 (3) 易加密。(4) 易于與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。2. 2. 數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)數(shù)字通信相對(duì)于模擬通信來說，主要有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：(1) 頻帶利用率不高。數(shù)字通信中，數(shù)字信號(hào)占用的頻帶較寬。以電話為例，一路數(shù)字電話一般要占據(jù)約2060 kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用約4 kHz的帶寬。 (2) 需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。數(shù)字通信中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號(hào)，必須要求接收端和發(fā)送端保持嚴(yán)格同步。因此，數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜，體積較大。1.4 信信 息息 論論

11、基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 1.4.1 1.4.1 信息的度量信息的度量“信息”(information)與消息(message)信息：消息中包含的有意義的內(nèi)容；傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進(jìn)行衡量。對(duì)接收者來說，事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外，則信息量就愈大。 由概率論可知，事件的不確定程度可用事件出現(xiàn)的概率來描述，事件出現(xiàn)(發(fā)生)的可能性愈小，概率愈小；反之，概率愈大。 因此，消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)，消息出現(xiàn)的概率愈小，消息中包含的信息量就愈大，且概率為零時(shí)(不可能發(fā)生事件)信息量為無窮大， 概率為1時(shí)(必然事件)信息量為0。 綜上所述，可以得出消息中所含信息量與消息出現(xiàn)的概率

12、之間的關(guān)系應(yīng)反映如下規(guī)律： (1) 消息中所含信息量I是消息出現(xiàn)的概率P(x)的函數(shù)， 即 I=IP(x) (2) 消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大，反之信息量愈小，即 P=1時(shí) I=0P=0時(shí) I= (3) 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 其所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量的和， 即 )()()()(2121xPIxPIxPxPI可以看出，I與P(x)間若滿足以上三點(diǎn)， 則它們有如下關(guān)系式： )(log)(1logxPxPIaa信息量I的單位與對(duì)數(shù)的底數(shù)a有關(guān)：a=2 單位為比特(bit，或b)；a=e 單位為奈特(nat，或n)；a=10 單位為笛特(Det)或稱為十進(jìn)制單位；a=r 單

13、位稱為r進(jìn)制單位。 【例】 試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)等概率和多進(jìn)制(M進(jìn)制)等概率時(shí)每個(gè)符號(hào)的信息量。解解：二進(jìn)制等概率時(shí)，即P(1)=P(0)=1/2(bit)121log)0() 1 (2 IIM進(jìn)制等概率時(shí)，有 P(1)=P(2)=P(M)=1/M 11log)()2() 1 (MMIIIM(M進(jìn)制單位) =log2M (bit) 【例】 試計(jì)算二進(jìn)制符號(hào)不等概率時(shí)的信息量(設(shè)P(1)=P)。 解解 P(1)=P， 故P(0)=1-P，則 )bit( )(1log)0(log)0()bit(log) 1 (log) 1 (2222PPIPPI可見, 不等概率時(shí)， 每個(gè)符號(hào)的信息量不同。 1.4.

14、2 1.4.2 平均信息量平均信息量 平均信息量等于各個(gè)符號(hào)的信息量乘以各自出現(xiàn)的概率之和。 二進(jìn)制時(shí)： )0(log)0() 1 (log) 1 (22PPPPI把P(1)=P代入，則 符號(hào)）/()1 (log) 1(log)1 (log)1 (log2222bitPPPPPPPPI下面計(jì)算多個(gè)信息符號(hào)的平均信息量。設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為 niinnxPxPxPxPxxx121211)()(),(),(,且則每個(gè)符號(hào)所含信息的平均值(平均信息量)為 )(log)()(log)()(log)()(log)(122222121niiinnxPxPxPxPxPxPxPxPI由于平均信息量同熱力學(xué)中的

15、熵形式相似，故通常又稱它為信息源的熵，平均信息量的單位為bit/符號(hào)(比特/符號(hào))。當(dāng)離散信息源中每個(gè)符號(hào)等概出現(xiàn)，而且各符號(hào)的出現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)，該信息源的信息量最大。此時(shí)最大熵（平均信息量）為 NxPxPIniNNniii2112112maxloglog )(log)(例例 設(shè)由5個(gè)符號(hào)組成的信息源， 其相應(yīng)概率為 161161814121EDCBA試求信源的平均信息量I。 解解 符號(hào)）/(875. 116416483212116log16116log1618log814log412log2122222bitI5個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí) )/(322. 25loglog22max符號(hào)bitNI【例

16、】 一信息源由4個(gè)符號(hào)A、B、C、D組成，它們出現(xiàn)的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABDCACBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。解解：信源輸出的信息序列中，A出現(xiàn)23次，B出現(xiàn)14次，C出現(xiàn)13次，D出現(xiàn)7次，共有57個(gè)。則出現(xiàn)A的信息量為 )bit(11.302357log232出現(xiàn)B的信息量為 )bit(35.281457l142 og出現(xiàn)C的信息量為 )bit(72.271357log132出現(xiàn)D的信息量為 )bit(18.21757log72該信息源總的信息

17、量為 I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36 (bit)每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為 )/bit(88. 15736.107符號(hào)符號(hào)總數(shù)II上面計(jì)算中，我們沒有利用每個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率來計(jì)算，而是用每個(gè)符號(hào)在57個(gè)符號(hào)中出現(xiàn)的次數(shù)(頻度)來計(jì)算的。 實(shí)際上，用平均信息量公式直接計(jì)算可得 )/bit(90. 18log814log24138log83222符號(hào)I總的信息量為 I=571.90=108.30 (bit) 可以看出，本例中兩種方法的計(jì)算結(jié)果是有差異的，原因就是前一種方法中把頻度視為概率來計(jì)算。當(dāng)信源中符號(hào)出現(xiàn)的數(shù)目m時(shí)，則上兩種計(jì)算方法結(jié)果一樣。 當(dāng)57個(gè)符號(hào)等概

18、率出現(xiàn)時(shí) )/(bi833. 557logl22max符號(hào)tNogI1.5 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1.5.1 1.5.1 一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性和可靠性。有效性是指要求通信系統(tǒng)高效率地傳輸消息。 可靠性是指要求通信系統(tǒng)可靠地傳輸消息。 兩者是相互矛盾的。1.5.2 通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo) 1. 1. 碼元傳輸速率碼元傳輸速率R RB B又可稱為碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、 碼率、信號(hào)速率或波形速率。碼元速率是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud)， 常用符號(hào)“B”表示(注意，不能用小寫)。例如，系

19、統(tǒng)在2s內(nèi)共傳送了4800個(gè)碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。 碼元速率RB與信號(hào)的進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān)。 bTR1B通常在給出系統(tǒng)碼元速率時(shí)，有必要說明碼元的進(jìn)制， 多進(jìn)制(N)碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2，在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下可相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為 RB2=RBNlog2N (B) 式中，N=，k=2, 3, 4 2. 信息傳輸速率信息傳輸速率又可稱為信息速率、傳信率、比特率等。指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳送的信息量，單位為比特/秒(bit/s)，簡(jiǎn)記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內(nèi)傳送1200個(gè)符號(hào)，且每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為1(bit)，則該信源的=1200b/s或1200 bps。因?yàn)樾畔⒘颗c信號(hào)進(jìn)制數(shù)N有關(guān)，因此，也與N有關(guān)。 bRbR3.Rb與與RB之間的互換之間的互換在二進(jìn)制中，碼元速率RB2同信息速率Rb2在數(shù)值上相等， 但單位不同。 在多進(jìn)制中，RBN與RbN之間數(shù)值不同，單位亦不同。它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系式: NRRBNN2blog(1-9) 在碼元速率保持不變的條件下，二進(jìn)制信息速率R