通信原理與通信技術(shù)課件

通信原理與通信技術(shù)Email：Principles&TechnologyofCommunications計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生為何要學(xué)習(xí)通信原理？1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使通信與計(jì)算機(jī)廣泛地融合，單一的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)早已不能滿足社會的需要。2.通信原理是學(xué)習(xí)和掌握任何一個通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。所選教材：《通信原理與通信技術(shù)》－－西安電子科技大學(xué)出版社。－－是專為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)通信技術(shù)的最新最全面的教材。包括三個部分：1.通信原理2.數(shù)據(jù)通信3.現(xiàn)代通訊技術(shù)第二篇數(shù)據(jù)通信討論的主要問題數(shù)據(jù)通信；如何更可靠地傳輸數(shù)據(jù)；通信網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)通信設(shè)備；數(shù)據(jù)交換技術(shù)。各種通信系統(tǒng)中所涉及的技術(shù)：接入網(wǎng)技術(shù)無線個人區(qū)域網(wǎng)技術(shù)IP電話技術(shù)光纖通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù)移動通信技術(shù)微波中繼通信技術(shù)智能運(yùn)輸系統(tǒng)中的通信技術(shù)第三篇現(xiàn)代通信技術(shù)討論的主要問題本課程只講述第一篇通信原理第1章通信與通信系統(tǒng)的基本概念（12學(xué)時）第2章模擬調(diào)制（8學(xué)時）第3章脈沖編碼調(diào)制(PCM)（4學(xué)時）第4章增量調(diào)制（2學(xué)時）第5章數(shù)字復(fù)接與SDH（3學(xué)時）第6章數(shù)字信號的基帶傳輸（5學(xué)時）第7章數(shù)字信號的頻帶傳輸（4學(xué)時）第8章差錯控制編碼（6學(xué)時）考試:閉卷考試平時成績占20分（課堂＋作業(yè)）主要內(nèi)容：通信的基本概念與基本方式通信系統(tǒng)及其一般模型信道與傳輸介質(zhì)信號與噪聲信號頻譜的概念信息量與香農(nóng)公式多路復(fù)用的基本概念常用的通信手段通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)第1章通信與通信系統(tǒng)的基本概念一、通信的概念例1：打電話，發(fā)短信，發(fā)Email等等。1、定義：所謂通信就是信息的傳遞，是指將信息從源傳到目的。所以本課程的研究內(nèi)容：如何把信息大量地、快速地、準(zhǔn)確地、廣泛的、方便的、經(jīng)濟(jì)的、安全的從信源通過傳輸介質(zhì)傳送到信宿。

2、分類：廣義通信－－通過各種方式進(jìn)行的通信；狹義通信－－特指利用電信號和光信號作為通信信號的電通信和光通信。4、模型中各組成部分的作用：

信宿接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備信道信源噪聲信源：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號；發(fā)送設(shè)備：對基帶信號進(jìn)行某種變換或處理，使之適應(yīng)信道的傳輸特性要求；信道：信號的傳輸介質(zhì)；接收設(shè)備：作用正好相反于發(fā)送設(shè)備，它從收到的信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號；信宿：將復(fù)原的原始基帶信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。三、通信系統(tǒng)的分類1.按信號特征分：

－－模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型信道編碼調(diào)制信道解調(diào)信道解碼噪聲信源信源編碼信源解碼信宿區(qū)別：多了信源編碼和信源解碼信源編碼：進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；信源解碼：信源編碼的逆過程。區(qū)別：多了信道編碼和信道解碼信道編碼：將信源編碼輸出的數(shù)字信號變成適合于信道傳輸?shù)拇a型。其目的是提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，盡量控制差錯，保證通信質(zhì)量。信道解碼：信道編碼的反變換?？垢蓴_能力強(qiáng)，無噪聲積累；便于進(jìn)行信號加工和處理；傳輸中出現(xiàn)的誤碼可以設(shè)法控制；易于加密，且保密性強(qiáng)；能夠傳輸語音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等多種信息。相比于模擬通信系統(tǒng)，數(shù)字通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：模擬信號與數(shù)字信號的比較：1）定義：模擬信號：參量的取值是連續(xù)變化的信號數(shù)字信號：參量的取值是離散的信號例：為什么數(shù)字通信系統(tǒng)會有這些優(yōu)點(diǎn)呢？模擬信號數(shù)字信號2.通信系統(tǒng)按傳輸介質(zhì)分類有線通信系統(tǒng)－－用導(dǎo)線（電纜、光纜、波導(dǎo)等）作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)；無線通信系統(tǒng)

－－利用無線電波、紅外線、超聲波、激光進(jìn)行通信的系統(tǒng)。說明，數(shù)字通信優(yōu)點(diǎn)是以：

信號占頻帶寬→頻帶利用率低，為代價的。5.通信系統(tǒng)按工作波段分類長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)。1.3通信方式

1、定義：

通信雙方之間的工作形式和信號傳輸方式。2、分類：按通信對象數(shù)量的不同；按信號傳輸方向與傳輸時間的不同；按通信終端之間的連接方式的不同；按數(shù)字信號傳輸順序的不同；按同步方式的不同。1.4信道和傳輸介質(zhì)

一、信道1.概念：信號傳輸?shù)耐緩?。從狹義上理解：傳輸介質(zhì)；從廣義上理解：信號經(jīng)過的途徑，所以還包括對信號進(jìn)行處理的各種通信設(shè)備。

2.分類：把廣義信道分為調(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道（模擬信道）——從調(diào)制器輸出到解調(diào)器輸入之間的信號傳輸途徑。模擬信道——傳輸模擬信號的信道。編碼信道（數(shù)字信道）——從編碼器輸出到解碼器輸入之間的信號傳輸途徑。數(shù)字信道——傳輸數(shù)字信號的信道。調(diào)制信道包含在編碼信道之中。二、傳輸介質(zhì)（分為兩種）1、有線介質(zhì)——各種線纜和光纜。①雙絞線(TwistedPair)②同軸電纜(CoaxialCable)③光纖(OpticalFiber)雙絞線(TwistedPair)非屏蔽雙絞線(UTP：UnShieldTwistedPair)：1995年“商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)”EIA/TIA-586-A公布的5種UTP標(biāo)準(zhǔn)：一類UTP：即普通電話線，適于語言傳輸；二類UTP：適于語音與數(shù)據(jù)傳輸。4Mb/s；三類UTP：10Mb/s，用于局域網(wǎng)；四類UTP：16Mb/s，用于令牌環(huán)網(wǎng)；五類UTP：100Mb/s，超五類UTP：155Mb/s。用于光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI、快速以太網(wǎng)、ATM。五類比三類UTP：絞合得更緊密，設(shè)計(jì)得更精密，抗干擾能力增強(qiáng)，傳輸特性大大提高

屏蔽雙絞線(STP：ShieldTwistedPair)同軸電纜（CoaxialCable）1、同軸電纜的結(jié)構(gòu)同軸電纜由：內(nèi)導(dǎo)線銅質(zhì)芯線（單股或多股絞合）、內(nèi)部絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層、和保護(hù)塑料外層組成。3、同軸電纜的分類：50歐姆基帶同軸電纜：帶寬20Mb/s，能以10Mb/s的速率將基帶數(shù)字信號傳輸1～1.2km。基帶數(shù)字信號：數(shù)字信號不經(jīng)調(diào)制，直接以信號位流的形式進(jìn)行的傳輸。75歐姆寬帶同軸電纜：帶寬300～450Mb/s，可將寬帶數(shù)字信號傳輸100km。寬帶數(shù)字信號：利用多路復(fù)用技術(shù)將多路信號同時進(jìn)行的傳輸。2、同軸電纜的特點(diǎn)：高帶寬、

抗干擾能力強(qiáng)。兩種光纖傳輸示意圖2、光纖的分類多模光纖：一條光纖中可以有多條不同角度入射的光線同時傳播。單模光纖：光在光纖中的傳播沒有反射，沿直線傳播。（光纖直徑降至一個光波波長）3、多模光纖與單模光纖的比較項(xiàng)目單模光纖多模光纖距離長短數(shù)據(jù)傳輸率高低光源激光發(fā)光二極管信號衰減小大端接較難較易造價高低4、光纖的優(yōu)缺點(diǎn)光纖的優(yōu)點(diǎn)：高帶寬(108MHz量級)、長距離、高保密性；不受電磁干擾；輕、細(xì)；對濕氣等環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)力。光纖的缺點(diǎn):費(fèi)用；安裝—維護(hù)比較困難；脆弱。一、信號1、定義：信號是信息的載體，通常以某種客觀的物理量、客觀現(xiàn)象或語言文字等形式表現(xiàn)出來。信號必須具有可觀測性、可變化性、可實(shí)現(xiàn)性。1.5信號與噪聲2、分類（從七個方面進(jìn)行）④按信號的特征分為：模擬信號和數(shù)字信號。a、模擬信號：分為簡單信號和復(fù)雜信號；簡單模擬信號是正弦波，它不能再被分解為更簡單的模擬信號。正弦波的三個要素：振幅、周期（或頻率）和相位。振幅：波上任一點(diǎn)的值，反映了信號的高度；最大振幅？周期：信號完成一次波形循環(huán)所要經(jīng)歷的時間；頻率：周期的倒數(shù)，即波形相對時間的變化率；高頻率？低頻率？相位：波形相對時間零點(diǎn)的位置。例：正弦波相對時間軸零點(diǎn)偏移1/6周期，相位？任一時刻t的振幅t最大振幅T模擬信號——時間上連續(xù)，取值也連續(xù)的信號。

取值離散→？數(shù)字信號？離散信號——時間上離散，取值連續(xù)→抽樣信號；

取值離散→數(shù)字信號；數(shù)字信號——時間上離散，取值也離散的信號?；脽羝?5準(zhǔn)確定義：自變量取離散值，參量取有限個經(jīng)過量化的離散值的信號。真正使用的數(shù)字信號：只有“0”和“1”兩個取值的脈沖序列?；脽羝?6幻燈片34數(shù)字信號的兩要素：比特間隔：發(fā)送一比特所需要的時間；比特率：比特間隔的倒數(shù)，指每秒發(fā)送的比特數(shù)；常以bps（比特/秒）為單位。提醒：比特間隔和周期是兩個不同的概念；比特率和頻率也是兩個不同的概念。101001⑥按信號的變化特點(diǎn)分為：周期信號和非周期信號。＊已經(jīng)證明：可以利用“傅立葉變化”將非周期信號分解為無數(shù)個周期信號的疊加。一、頻譜的概念1、信號的描述方式：時域圖和頻域圖a、時域圖——也稱波形圖，自變量是時間，描述信號參量與時間的關(guān)系；f(t)稱為時間函數(shù)；b、頻域圖——也稱頻譜圖，自變量是頻率，描述信號參量與頻率的關(guān)系；F(f)或F(w)稱為頻譜函數(shù)。以最大振幅－頻率圖為例：1.6信號頻譜與信道通頻帶

1sat1sat1、傅里葉級數(shù)高數(shù)中學(xué)過：任意一個周期信號f(t)＝f(t+nT0)，如果滿足狄里赫利條件，則f(t)可表示為三角函數(shù)的線性組合：二、周期信號的頻譜其中是常數(shù)，表示直流分量，其頻率為0。n＝1時，a1cosw0t+b1sinw0t稱為基波，或一次諧波，它是以基本角頻率w0為頻率的正弦波；n＝2時，a2cos2w0t+b2sin2w0t稱為二次諧波，它是以基波角頻率的2倍，2w0為頻率的正弦波；以此類推，ancosnw0t+bnsinnw0t稱為n次諧波。結(jié)論：一個周期信號可近似用一直流分量和以其頻率為基頻的各次諧波的線性疊加表示。對稱方波的諧波逼近示意圖

傅里葉級數(shù)進(jìn)一步可表示為：最大振幅－頻率圖表示：c0c3c2c1c4w/w01234引入歐拉公式：c0c3c2c1c4w/w01234F0F3F2F1F4w/w01234例1：求典型周期矩形脈沖信號的頻譜函數(shù)…………解：Sa(x)與周期矩形脈沖信號頻譜示意圖結(jié)果:從例1得出，周期信號頻譜的特點(diǎn):離散、諧波、收斂譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍處→離散譜；譜線的大小隨諧波次數(shù)的增加而逐漸減小→逐漸收斂；諧波振幅隨頻率的衰減速度與時域波形有關(guān)。三、非周期信號的頻譜：

非周期信號f(t)可以看作是一個周期T0→∞的周期信號，即：這個連續(xù)的函數(shù)F(w)，為f(t)單位頻率上的頻譜函數(shù)，即頻譜密度函數(shù)，簡稱頻譜函數(shù)。(1)(2)共同被稱為傅立葉變換對：F(w)=?正變換

f(t)=?逆變換非周期信號的頻譜→傅立葉變換記為：f(t)F(w)，傅立葉變換對。F(w)稱為f(t)的頻譜函數(shù)。四、非周期信號的帶寬B根據(jù)頻譜寬度，非周期信號分為：1）頻帶有限信號低通信號帶通信號2）頻帶無限信號五、總結(jié)信號頻譜的特點(diǎn)1）頻譜關(guān)于0點(diǎn)偶對稱；由歐拉公式引入了不存在的負(fù)頻率。應(yīng)理解為：將負(fù)頻率對折疊加到正頻率頻譜上。2）周期信號具有離散譜；3）非周期信號具有連續(xù)譜。六、信道通頻帶（帶寬）信道對信號的影響：對不同頻率信號的幅度衰減；對不同頻率信號的延遲。－－用幅頻特性和相頻特性來表示。信道的頻響特性1、幅頻特性：輸出信號的幅值隨頻率變化的關(guān)系；2、相頻特性：輸出信號的相位隨頻率變化的關(guān)系。定義：以輸出信號幅度的最大值Umax為標(biāo)準(zhǔn)，定義在輸出幅值U下降到最大值Umax的70％時所對應(yīng)的兩個頻率之間的頻段為該信道的通頻帶、也稱帶寬，用B表示。將幅頻特性畫圖→頻響曲線；大多數(shù)信道的頻響曲線→帶通型。頻率小的：下截止頻率頻率大的：上截止頻率20lg(U/Umax)=20lg(0.7)=-3(dB)故稱截止頻率為3分貝頻率;也稱半功率點(diǎn)。通頻帶實(shí)例示意圖:分貝：常用來表示信噪比S/N、電壓增益等。20lg(電壓)改稱：電平；20lg(電壓(比))單位：分貝dB；10lg(功率(比))單位：分貝dB。補(bǔ)充：特殊信號及其頻譜δ(t)1Gτ(t)cos(ω0t)sin(ω0t)1、δ(t)：單位沖擊函數(shù)

tδ(t)(1)02)、3個特點(diǎn)：出現(xiàn)的時間極短；t=0時，函數(shù)值∞；面積為1。不是通常意義下的函數(shù)，是廣義函數(shù)，或稱分配函數(shù)。沖擊函數(shù)是對集中于一個瞬間(或一點(diǎn))所出現(xiàn)的物理量的一種理想描述；面積為1表示沖擊的強(qiáng)度，強(qiáng)度值標(biāo)在箭頭旁邊的括號內(nèi)。由對另一個函數(shù)(常稱測試函數(shù))的作用效果來定義；普通函數(shù)－－用它“是”什么來定義；沖擊函數(shù)－－而用它“做”什么來定義。3)、性質(zhì)：抽樣性問1：求δ(t)的傅里葉變換？

問2：求δ(w)的傅里葉變換？

總結(jié)：時域－－沖擊，頻域－－常數(shù)；時域－－常數(shù)，頻域－－沖擊。傅里葉變換的對稱性:若則對稱性的例子1:3、Rect(t)的傅里葉變換2、1的傅里葉變換：1、定義下列運(yùn)算為函數(shù)的卷積運(yùn)算：求：f(t)*δ(t-t0)2、求Rect(t)的傅里葉變換，并畫出其頻譜圖。作業(yè)

傅里葉變換的疊加性:傅里葉變換的比例/壓擴(kuò)特性:f(t/2)壓縮擴(kuò)展時域壓縮(擴(kuò)展)等于頻域擴(kuò)展(壓縮)傅里葉變換的時移特性:若a<0,則取絕對值帶有比例變換的時移特性:傅里葉變換的頻移特性:4、cosω0t的傅里葉變換:f(t)cosω0t的傅里葉變換:5、sinω0t的傅里葉變換:課堂例題1、求信號f(t)=cosΩt·coswct的頻譜函數(shù)(wc=8Ω)，并畫頻譜圖。解：F(w)7Ωw-9Ω9Ω-7Ω(л/2)3、已知f(t)的頻譜函數(shù)如圖所示：作業(yè)F(w)w-wxwx01畫出f(t)cosw0t的頻譜函數(shù)圖？設(shè)w0=5wx。時域卷積定理:頻域卷積定理:信道的頻響特性:當(dāng)信道輸入端輸入單位沖激信號δ(t)時的輸出稱為該信道的單位沖激響應(yīng)h(t)。信道的頻率特性H(ω)實(shí)際是單位沖激響應(yīng)h(t)的頻譜密度函數(shù)。信道δ(t)h(t)ω10ω10H（ω）1.7信息的度量與香農(nóng)公式

一、信息量定義：信息量與消息發(fā)生的概率有關(guān)，設(shè)消息xi出現(xiàn)的概率為p(xi)，則xi所含的信息量為： I(xi)=log2(1/p(xi))(比特bit) I(xi)=loge(1/p(xi))(奈特nit) I(xi)=lg(1/p(xi))(哈特萊hatlit)必然事件的概率為1，即信息量為0。二、平均信息量由n個符號組成的離散信息源，每一個符號xi在消息中出現(xiàn)的概率為：則整個消息的信息量為：定義：離散消息的平均信息量指每個符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，又稱信息源的熵。例：P28同理連續(xù)消息：三、信息速率與碼元速率信息傳輸速率(信息速率、傳信率)：單位時間傳輸?shù)男畔⒘浚瑔挝粸閎it/s、kb/s、Mb/s、Gb/s或bps、kbps、Mbps、Gbps。1kb=1000b,1Mb=1000kb,1Gb=1000Mb1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB碼元傳輸速率(碼元速率、傳碼率)：單位時間傳輸?shù)拇a元個數(shù)，單位為波特(Baud)對二進(jìn)制碼元，1碼元的信息量為1bit。傳信率＝傳碼率對M進(jìn)制碼元，1碼元的信息量為log2M(bit)。傳信率Rb＝傳碼率RB×log2M。四、信道容量定義：單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，即信道的最大信息傳輸速率，單位：bit/s。模擬信道的信道容量數(shù)字信道的信道容量只討論有擾模擬信道的信道容量對于一個給定的有擾信道，若信息源的信息發(fā)出速率R≤信道容量C，則理論上存在一種方法可使信息以任意小的差錯概率通過該信道傳輸。反之，若R>C，則該信道將無法正確傳遞該信息。五、香農(nóng)定理香農(nóng)公式：公式說明：C與B、S、N相關(guān)。S/N↗→C↗。在保持C不變的情況下，B↗時可S/N↘；S/N↗時可允許B↘。C∝B，但B→∞時，C并不→∞。例：若一幀電視圖像的信息量為99600bit，電視的幀頻為30Hz，為使接收端收到良好的圖像，要求信道的信噪比S/N＝1000(10lgS/N＝30dB)，求信道的帶寬B。解：六、信道帶寬與信道容量的關(guān)系1、傅里葉分析(1)傅里葉級數(shù)：任何周期信號都可展開為無窮個諧波分量的和；(2)任何信道都有一定的帶寬，所以諧波信號只有一部分能通過信道；(3)信道帶寬越大，通過的諧波數(shù)n就越多，信號失真就越小。(4)∴當(dāng)B一定時，若想讓更多的諧波分量通過信道，則需要使基頻f0↘。即當(dāng)基頻f0↗時，通過信道的諧波分量↘，失真↗。2、從奈奎斯特(Nyquist)定理分析奈奎斯特(Nyquist)定理：無噪聲信道的最大傳輸速率為C＝2Blog2M(b/s)。式中，M是信號有效狀態(tài)的個數(shù)。

∴M↗→C↗，B↗→C↗3、從香農(nóng)公式分析信道容量與信道帶寬和信噪比相關(guān)，與信號有效狀態(tài)數(shù)無關(guān)。雖然以上三個分析角度完全不同，卻說明一個問題：在一般情況下，B↗→C↗。1.8多路復(fù)用的基本概念

一、物理信道與邏輯信道物理信道：指信號通過的通信設(shè)備和傳輸介質(zhì)。邏