《通信原理項目式教程》課件項目1 初識通信系統(tǒng)

項目1初識通信系統(tǒng)任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成任務(wù)1.3計算信息量任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)

日常生活、生產(chǎn)中存在著各種各樣的通信系統(tǒng)。通過學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，了解各種通信系統(tǒng)的存在形式，掌握它們各自的特點(diǎn)，學(xué)會對其進(jìn)行分類。子任務(wù)1：了解通信發(fā)展的歷史子任務(wù)2：掌握“通信”的概念子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式任務(wù)要求：任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)1：了解通信發(fā)展的歷史最終目標(biāo)——5W

（Whenever,Wherever,Whoever,HoweverandWhatever）古代通信消息樹烽火臺驛馬傳令書信現(xiàn)代通信電報電話廣播電視遙控遙測莫爾斯電磁式電報機(jī)海底電纜越洋電報電話機(jī)有線電報有線電話無線電報微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信和計算機(jī)通信任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)2：掌握“通信”的概念通信：將信息有效而可靠地由一地傳輸?shù)搅硪坏氐倪^程。通信的目的是傳輸信息信息的傳輸必須是有效而可靠的信息的傳輸在異地之間，要經(jīng)歷一段時間，要采用某種的具體形式，要克服路徑中的干擾和距離上的障礙。任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式一、通信系統(tǒng)的分類1、按通信的業(yè)務(wù)和用途分類

話務(wù)通信

常規(guī)通信非話務(wù)通信

控制通信4、按傳輸媒介分類

有線通信

無線通信5、按工作波段分類

長波通信

中波通信短波通信超短波通信微波通信紅外線通信2、按調(diào)制與否分類

基帶傳輸

頻帶傳輸3、按信號特征分類

數(shù)字通信

模擬通信6、按信號復(fù)用方式頻分復(fù)用

時分復(fù)用

碼分復(fù)用

空分復(fù)用

波分復(fù)用任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。差錯可控。便于進(jìn)行加工和處理。易集成。易加密，保密性強(qiáng)。靈活性好，通用性強(qiáng)。

這些優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價而換取的。任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式工作頻率和波長的換算公式為：式中，f為工作頻率（單位為Hz），

λ為工作波長（單位為m），

c為光速（單位為m/s）。任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式通信波段

與常用傳輸媒質(zhì)：任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式二、通信傳輸方式1、按消息傳遞的方向與時間關(guān)系劃分任務(wù)1.1學(xué)會辨識通信系統(tǒng)子任務(wù)3：學(xué)會辨識通信系統(tǒng)的分類與傳輸方式二、通信傳輸方式2、按數(shù)字信號碼元的排列方法劃分任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成

了解通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、構(gòu)成要素和系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)。學(xué)會對日常生活、生產(chǎn)中的通信系統(tǒng)進(jìn)行簡單的分析。子任務(wù)1：了解通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素子任務(wù)2：了解模擬通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握調(diào)制的概念和分類子任務(wù)3：了解數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握信源編碼、信道編碼、加密和解密、加擾和解擾、同步等技術(shù)的基本概念任務(wù)要求：任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)1：了解通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素通信系統(tǒng)的一般模型：任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)2：了解模擬通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握調(diào)制的概念和分類模擬通信系統(tǒng)模型：為什么要進(jìn)行調(diào)制？需要將基帶信號進(jìn)行頻譜搬移，變換為適合于信道的形式再進(jìn)行傳輸；實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用；無線通信中減小天線的尺寸。任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)2：了解模擬通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握調(diào)制的概念和分類調(diào)制的相關(guān)分類：（1）按調(diào)制信號的種類：模擬調(diào)制——調(diào)制信號為模擬信號，比如正弦型信號；數(shù)字調(diào)制——調(diào)制信號為數(shù)字信號，比如二進(jìn)制序列。（2）按載波的種類：連續(xù)波調(diào)制——載波為連續(xù)信號，比如正弦型信號

；脈沖調(diào)制——載波為脈沖信號，比如矩形脈沖序列

。（3）按調(diào)制參數(shù)的種類：幅度調(diào)制——載波的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化；頻率調(diào)制——載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化；相位調(diào)制——載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)2：了解模擬通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握調(diào)制的概念和分類常見的調(diào)制方式：任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)3：了解數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握信源編碼、信道編碼、加密和解密、加擾和解擾、同步等技術(shù)的基本概念數(shù)字通信系統(tǒng)模型：數(shù)字系統(tǒng)中的匹配對：任務(wù)1.2認(rèn)識通信系統(tǒng)的組成子任務(wù)3：了解數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)成要素，掌握信源編碼、信道編碼、加密和解密、加擾和解擾、同步等技術(shù)的基本概念信源編碼的目的是為了提高系統(tǒng)的有效性。信源編碼的作用：設(shè)法減少碼元（M進(jìn)制系統(tǒng)中共有M種消息符號，每個消息符號又稱為一個碼元）數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。當(dāng)信息源產(chǎn)生的是模擬信號時，將模擬信號變換成數(shù)字信號，即通常所說的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。信道編碼是利用差錯控制技術(shù)使系統(tǒng)具有檢錯、糾錯能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。任務(wù)1.3計算信息量

如前所述，通信的目的是有效而可靠地傳輸信息。為了衡量傳輸?shù)挠行?，有必要引入一個量綱，以計算傳輸信息的多少，這就是信息量。信息量是度量信息內(nèi)容多少的量綱。本節(jié)的任務(wù)是學(xué)會單個符號的信息量、信源的平均信息量和消息序列的總信息量的計算方法。子任務(wù)1：學(xué)會計算單個符號的信息量子任務(wù)2：學(xué)會計算平均信息量（信源的熵）子任務(wù)3：學(xué)會計算消息的總信息量任務(wù)要求：任務(wù)1.3計算信息量子任務(wù)1：學(xué)會計算單個符號的信息量信息量計算公式：其中底數(shù)a可有三種取值：2、10或e。取值不同，信息量I的單位不同。在等概二進(jìn)制系統(tǒng)中，每個二進(jìn)制符號都攜帶1bit的信息量。在等概M進(jìn)制通信系統(tǒng)中，每個符號所攜帶的信息量為：任務(wù)1.3計算信息量子任務(wù)2：學(xué)會計算平均信息量（信源的熵）平均信息量計算公式：平均信息量H(x)又稱為信源的熵，其單位為比特/符號（或bit/symbol）?？梢宰C明，在等概的情況下，平均信息量的值就等于每個符號攜帶的信息量，且信息源的熵有最大值。任務(wù)1.3計算信息量子任務(wù)3：學(xué)會計算消息的總信息量由于信息具有相加性，即多個相互獨(dú)立的消息所攜帶的總信息量等于每個消息所含信息量的線性疊加?？傂畔⒘坑嬎愎剑嚎梢岳眠@個特性來求解消息序列的總信息量。案例分析：解法1：利用信息的相加性來求解法2：利用平均信息量來求解法1的結(jié)果更準(zhǔn)確，這是因?yàn)槠骄畔⒘矿w現(xiàn)的是統(tǒng)計平均值，而每個具體消息序列中符號出現(xiàn)的比例并不一定與其出現(xiàn)概率完全一致。因此，消息序列越長，利用平均信息量進(jìn)行計算的結(jié)果越準(zhǔn)確。當(dāng)消息序列趨于無窮時，兩種解法的計算誤差將趨于零。任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣

通信系統(tǒng)多種多樣，如何評價一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，設(shè)計和使用一個通信系統(tǒng)又有什么依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)呢？這就需要確定反映通信系統(tǒng)性能的各種技術(shù)指標(biāo)，如有效性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、便捷性、經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性等。其中，有效性和可靠性是評價通信系統(tǒng)性能的最主要指標(biāo)。有效性主要涉及信息傳輸?shù)摹八俣取眴栴}，而可靠性主要涉及信息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。二者相互聯(lián)系又相互制約，在實(shí)際應(yīng)用時必須統(tǒng)籌兼顧。本節(jié)的任務(wù)是熟悉通信系統(tǒng)中的各種可靠性和有效性指標(biāo)，掌握相關(guān)計算，并學(xué)會利用這些指標(biāo)來評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。子任務(wù)1：學(xué)會評價模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)劣子任務(wù)2：學(xué)會評價數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)劣任務(wù)要求：任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣子任務(wù)1：學(xué)會評價模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)劣有效性：系統(tǒng)的有效傳輸頻帶寬度。

信號的有效傳輸帶寬與調(diào)制方式有關(guān)。如傳輸一路模擬話音，采用常規(guī)調(diào)幅（AM）需要占用8kHz帶寬，而采用單邊帶調(diào)幅（SSB）4kHz帶寬就夠了，因此，SSB比AM的有效性高?？煽啃裕航邮諜C(jī)最終輸出的信噪比S/N，代表著系統(tǒng)的抗噪聲性能。

信噪比即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比。

如無線廣播，調(diào)頻（FM）信號比調(diào)幅（AM）信號的抗噪聲性能就好。但調(diào)頻信號占用的頻帶寬度更寬，即有效性要差，這是通信系統(tǒng)兩個主要性能指標(biāo)相互制約的具體表現(xiàn)。案例分析：

信噪比往往用功率增益的單位dB來表示，定義10lg(S/N)的單位即為dB。任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣子任務(wù)2：學(xué)會評價數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)劣1、有效性（1）碼元速率RB

定義為每秒鐘傳輸碼元的個數(shù)，又稱碼元傳輸速率或傳碼率，單位為波特（Baud）。（2）信息速率Rb

定義為每秒鐘所傳輸?shù)男畔⒘?，又稱信息傳輸速率或傳信率，單位為比特/秒（bit/s或b/s或bps）。

信息速率與碼元速率的關(guān)系為：（3）系統(tǒng)頻帶利用率ηb或ηB

系統(tǒng)信息量頻帶利用率ηb定義為單位頻帶內(nèi)的信息傳輸速率，即

系統(tǒng)碼元頻帶利用率ηB定義為單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，即任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣子任務(wù)2：學(xué)會評價數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)劣2、可靠性（1）誤碼率Pe

定義為信息在傳輸過程中，發(fā)生差錯的碼元的個數(shù)與傳輸總碼元個數(shù)的比值（2）誤信率Pb

又稱誤比特率，定義為信息在傳輸過程中，發(fā)生差錯的信息量（錯誤的比特數(shù)）與傳輸?shù)目傂畔⒘浚▊鬏數(shù)目偙忍財?shù)）的比值

二進(jìn)制系統(tǒng)的Pb＝Pe，而多進(jìn)制系統(tǒng)的Pb≤Pe。

數(shù)字電話系統(tǒng)中誤信率在10－3～10－6之間即可滿足正常通話的要求，而計算機(jī)通信對誤信率要求更高，一般必須小于10－9。任務(wù)1.4評價通信系統(tǒng)的優(yōu)劣子任務(wù)2：學(xué)會評價數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)劣案例分析：2、3、任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

通信系統(tǒng)中實(shí)際傳輸?shù)男问绞切盘?。人們?nèi)菀渍莆招盘柕臅r域特性，但信號不只隨時間變化，還具有頻率方面的特性，要知道信號隨著頻率的變化是怎么變化的，就要對信號進(jìn)行頻域研究。有時，信號的頻域形式能夠更直觀地體現(xiàn)出信號的特性。而且，人們發(fā)現(xiàn)時域信號的計算往往要用微分方程，而頻域的計算就變成了代數(shù)方程，求解起來更方便。本節(jié)的任務(wù)是學(xué)習(xí)時頻域變換的最常用方法——傅立葉變換。要熟記常用傅立葉變換的性質(zhì)和常用的傅立葉變換對，掌握利用它們進(jìn)行信號的時頻域變換的方法，并學(xué)會對頻域信號進(jìn)行分析。子任務(wù)1：了解傅立葉變換相關(guān)概念子任務(wù)2：利用傅立葉變換的性質(zhì)對信號進(jìn)行時頻域變換及分析子任務(wù)3：利用常用傅立葉變換對實(shí)現(xiàn)信號的時頻域變換及分析任務(wù)要求：任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)1：了解傅立葉變換相關(guān)概念傅里葉變換公式：傅氏變換對：任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)2：利用傅立葉變換的性質(zhì)對信號進(jìn)行時頻域變換及分析傅立葉變換基本性質(zhì)：1、線性特性*2、對稱性3、尺度變換特性任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)2：利用傅立葉變換的性質(zhì)對信號進(jìn)行時頻域變換及分析傅立葉變換基本性質(zhì)：4、時移特性5、頻移特性6、微分特性（1）時間微分（2）頻域微分任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)2：利用傅立葉變換的性質(zhì)對信號進(jìn)行時頻域變換及分析傅立葉變換基本性質(zhì)：7、積分特性（1）時間積分（2）頻域積分8、卷積特性*（1）時間卷積（2）頻域卷積9、調(diào)制特性*任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)2：利用傅立葉變換的性質(zhì)對信號進(jìn)行時頻域變換及分析案例分析：3、解：

任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)3：利用常用傅立葉變換對實(shí)現(xiàn)信號的時頻域變換及分析任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換子任務(wù)3：利用常用傅立葉變換對實(shí)現(xiàn)信號的時頻域變換及分析任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

任務(wù)1.5對信號進(jìn)行時頻域變換

任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算

在通信系統(tǒng)中，信道特性和信道中的噪聲直接影響著通信的速率和質(zhì)量。本節(jié)的任務(wù)是要對信道和噪聲的定義和分類有所了解，學(xué)習(xí)與信道及噪聲緊密相關(guān)的香農(nóng)公式，學(xué)會利用香農(nóng)公式正確解釋現(xiàn)代通信中的各種現(xiàn)象和問題。子任務(wù)1：了解信道的定義和分類子任務(wù)2：了解噪聲的來源和分類，掌握高斯白噪聲的特性子任務(wù)3：掌握香農(nóng)公式的相關(guān)計算，學(xué)會對香農(nóng)公式進(jìn)行分析以正確解釋現(xiàn)代通信中的各種現(xiàn)象和問題任務(wù)要求：任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)1：了解信道的定義和分類信道：信號的傳輸媒介。任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)1：了解信道的定義和分類常用有線信道：調(diào)制信道與編碼信道：任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)2：了解噪聲的來源和分類，掌握高斯白噪聲的特性干擾：周期性的、有規(guī)律的有害信號；噪聲：干擾之外的其它有害信號。調(diào)制信道模型：時變線性網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間關(guān)系：式中，ei(t)是信道輸入信號；eo(t)是信道輸出信號；

k(t)與輸入信號是相乘的關(guān)系，稱為乘性噪聲；

n(t)與輸入信號是相加的關(guān)系，稱為加性噪聲。任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)2：了解噪聲的來源和分類，掌握高斯白噪聲的特性噪聲分類圖：任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)2：了解噪聲的來源和分類，掌握高斯白噪聲的特性單頻噪聲：脈沖噪聲和起伏噪聲：任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)2：了解噪聲的來源和分類，掌握高斯白噪聲的特性高斯噪聲：概率分布服從高斯分布的噪聲白噪聲：功率譜密度在（-∞～+∞）整個頻率范圍內(nèi)都是均勻分布（常數(shù)）的噪聲。任務(wù)1.6掌握信道相關(guān)概念和計算子任務(wù)3：掌握香農(nóng)公式的相關(guān)計算，學(xué)會對香農(nóng)公式進(jìn)行分析以正確解釋現(xiàn)代通信中的各種現(xiàn)象和問題信道容量：單位時間內(nèi)信道所能傳送的最大信息量。香農(nóng)公式：式中，C為信道容量，單位為比特/秒（bit/s，b/s）；

B為信道帶寬；

S為信道所傳信號的平均功率；

N為加性高斯白噪聲的平均功率；

S/N為信噪比。

香農(nóng)公式表明了當(dāng)信號和作用在信道上的噪聲的