1、通通 信信 原原 理理 安建偉安建偉 北京科技大學(xué)通信工程系北京科技大學(xué)通信工程系 通信原理2教材教材： 周炯槃周炯槃 等編，等編，通信原理通信原理(第第3版版) 北京郵電大學(xué)出版社，北京郵電大學(xué)出版社，2008年年. 參考書(shū)參考書(shū)： 樊昌信編，樊昌信編，通信原理教程通信原理教程， 電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2005年年7月月通信原理3v要求：要求： 結(jié)業(yè)成績(jī)平時(shí)結(jié)業(yè)成績(jī)平時(shí)30期終考試期終考試70 按時(shí)交作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。按時(shí)交作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。v網(wǎng)址網(wǎng)址: http:/ 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題： 攜帶信息的波形選擇攜帶信息的波形選擇 波形的功率和帶寬如何確定波

2、形的功率和帶寬如何確定 系統(tǒng)噪聲對(duì)接收信息的影響系統(tǒng)噪聲對(duì)接收信息的影響 系統(tǒng)的成本系統(tǒng)的成本v學(xué)習(xí)目的：通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目的：通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通信原理5本課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容本課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容信號(hào)分析的基本理論（復(fù)習(xí)）信號(hào)分析的基本理論（復(fù)習(xí)）隨機(jī)信號(hào)基本知識(shí)（復(fù)習(xí)）隨機(jī)信號(hào)基本知識(shí)（復(fù)習(xí)）模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)基帶通信系統(tǒng)基帶通信系統(tǒng)頻帶通信系統(tǒng)頻帶通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)原理及調(diào)制解調(diào)原理及通信系統(tǒng)的性能分析通信系統(tǒng)的性能分析通信原理6 1.1 引言引言 1.2 通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望 1.3 通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的構(gòu)成 1.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要

3、性能指標(biāo) 第第1章章 緒緒 論論第第1 1章章 緒論緒論通信原理7 香農(nóng)香農(nóng)(C.Shannon)在概率論的基礎(chǔ)上定在概率論的基礎(chǔ)上定義了信息熵，對(duì)于信息技術(shù)的發(fā)展起到奠義了信息熵，對(duì)于信息技術(shù)的發(fā)展起到奠基作用?；饔?。 信息技術(shù)有三大類(lèi)：電信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技信息技術(shù)有三大類(lèi)：電信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和三遙技術(shù)（即遙測(cè)、遙感和遙控）。術(shù)和三遙技術(shù)（即遙測(cè)、遙感和遙控）。 通信技術(shù)就是通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的技術(shù)。通信技術(shù)就是通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的技術(shù)。1.1 引言引言第第1 1章章 緒論緒論通信原理81837年年 莫爾斯發(fā)明有線(xiàn)電報(bào)，數(shù)字通信的開(kāi)始莫爾斯發(fā)明有線(xiàn)電報(bào)，數(shù)字通信的開(kāi)始1864年年 麥克斯韋提出

4、電磁場(chǎng)理論麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論1875年年 貝爾發(fā)明電話(huà)，模擬通信的先驅(qū)貝爾發(fā)明電話(huà)，模擬通信的先驅(qū)1887年年 赫茲證明電磁波存在赫茲證明電磁波存在1918年年 調(diào)幅無(wú)線(xiàn)電廣播、超外差接收機(jī)調(diào)幅無(wú)線(xiàn)電廣播、超外差接收機(jī)1936年年 調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電廣播開(kāi)播調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電廣播開(kāi)播1937年年 發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理，促進(jìn)了數(shù)字化發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理，促進(jìn)了數(shù)字化1938年年 電視廣播開(kāi)播電視廣播開(kāi)播1948年年 香農(nóng)提出了信息論，電信重要的一年香農(nóng)提出了信息論，電信重要的一年1950年年 時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話(huà)時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話(huà)1.2 通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望第第1 1章章 緒論緒論通信

5、原理91.2 通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望1957年年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星1958年年發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星1961年年發(fā)明集成電路發(fā)明集成電路1960 1970年年 出現(xiàn)高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)1970 1980年年 大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、 程控程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理機(jī)等迅速數(shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理機(jī)等迅速發(fā)展發(fā)展1971年年 投入使用阿巴網(wǎng)投入使用阿巴網(wǎng)1980年年超大規(guī)模集成電路、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)超大規(guī)模集成電路、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)1990年年因特網(wǎng)飛速發(fā)展；移動(dòng)通信因特網(wǎng)飛速發(fā)展

6、；移動(dòng)通信第第1 1章章 緒論緒論通信原理第第1 1章章 緒論緒論通信原理第第1 1章章 緒論緒論通信原理第第1 1章章 緒論緒論通信原理第第1 1章章 緒論緒論通信原理14數(shù)字化數(shù)字化通信通信發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)遠(yuǎn)程與大容量化遠(yuǎn)程與大容量化網(wǎng)絡(luò)與綜合化網(wǎng)絡(luò)與綜合化移動(dòng)與個(gè)人化移動(dòng)與個(gè)人化1.2 通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望通信發(fā)展簡(jiǎn)史和展望第第1 1章章 緒論緒論通信原理151.3 通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的構(gòu)成通信系統(tǒng)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信所需的所有設(shè)備。通信系統(tǒng)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信所需的所有設(shè)備。通信網(wǎng)：由許多通信系統(tǒng)組成的多點(diǎn)之間通信網(wǎng)：由許多通信系統(tǒng)組成的多點(diǎn)之間能相互通信的全部設(shè)施能相互通信的全部設(shè)

7、施。第第1 1章章 緒論緒論通信原理16圖圖11 通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 第第1 1章章 緒論緒論通信原理17模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型信源信源收信者收信者編碼編碼譯碼譯碼信道信道噪聲源噪聲源解調(diào)器解調(diào)器調(diào)制器調(diào)制器 信源：信息源。原始消息變換為電信號(hào)信源：信息源。原始消息變換為電信號(hào)( (模擬、數(shù)字模擬、數(shù)字) ) 原始信號(hào)：基帶信號(hào)。語(yǔ)音：原始信號(hào)：基帶信號(hào)。語(yǔ)音：0.3k3.4k，圖像：，圖像：06M 調(diào)制器：原始信號(hào)變換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制器：原始信號(hào)變換為適合信道傳輸?shù)男盘?hào)( (頻帶信號(hào)）頻帶信號(hào)） 信道：傳輸媒介。有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等信道：傳輸媒介。有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等 解調(diào)器：恢復(fù)原

8、始信號(hào)，盡量減小失真解調(diào)器：恢復(fù)原始信號(hào)，盡量減小失真 信宿：受信者?；謴?fù)信號(hào)的原始消息形式信宿：受信者?；謴?fù)信號(hào)的原始消息形式 噪聲源：信道噪聲及分散在系統(tǒng)各處的噪聲的集中表示噪聲源：信道噪聲及分散在系統(tǒng)各處的噪聲的集中表示第第1 1章章 緒論緒論通信原理18數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信源編碼、譯碼器信源編碼、譯碼器：模數(shù)變換、數(shù)據(jù)壓縮、保密：模數(shù)變換、數(shù)據(jù)壓縮、保密 信道編碼、譯碼器信道編碼、譯碼器：差錯(cuò)控制，提高系統(tǒng)可靠性：差錯(cuò)控制，提高系統(tǒng)可靠性 數(shù)字調(diào)制、解調(diào)器數(shù)字調(diào)制、解調(diào)器：信息傳輸。適合信道的頻帶信號(hào)：信息傳輸。適合信道的頻帶信號(hào)信信源源信信源源編編碼碼信信道道編編碼碼

9、數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制信信源源譯譯碼碼信信道道譯譯碼碼數(shù)數(shù)字字解解制制收收信信者者信道信道噪聲源噪聲源第第1 1章章 緒論緒論通信原理19 電路交換網(wǎng)：用呼叫等信令將用戶(hù)間的電路接通進(jìn)電路交換網(wǎng)：用呼叫等信令將用戶(hù)間的電路接通進(jìn)行通信。模擬采用空分交換，數(shù)字采用程控交換。行通信。模擬采用空分交換，數(shù)字采用程控交換。 信息交換網(wǎng)：采用信息交換網(wǎng)：采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式以信息包進(jìn)行交換。以信息包進(jìn)行交換。適用于實(shí)時(shí)性要求不高的突發(fā)型信息。適用于實(shí)時(shí)性要求不高的突發(fā)型信息。交換設(shè)備交換設(shè)備第第1 1章章 緒論緒論通信原理201.4 主要性能指標(biāo)（補(bǔ)充）主要性能指標(biāo)（補(bǔ)充）評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性

10、能指標(biāo)是評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是 系統(tǒng)的系統(tǒng)的有效性有效性和和可靠性可靠性。第第1 1章章 緒論緒論通信原理21 信息定義信息定義：消息中包含的有意義的內(nèi)容。消息中包含的有意義的內(nèi)容。1.1.信息量的計(jì)算信息量的計(jì)算)(log)(1logxPxPIaa信息量的單位取決于對(duì)數(shù)底數(shù)信息量的單位取決于對(duì)數(shù)底數(shù)a的取值：的取值： a = 2 a = 2 單位為比特（單位為比特（bitbit，簡(jiǎn)寫(xiě)為，簡(jiǎn)寫(xiě)為b b） a = a = e e 單位為奈特（單位為奈特（natnat，簡(jiǎn)寫(xiě)為，簡(jiǎn)寫(xiě)為n n） a a = 10 = 10 單位為哈特萊。單位為哈特萊。第第1 1章章 緒論緒論通信原理22

11、 信息熵信息熵：用來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的信息傳輸能力：用來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的信息傳輸能力設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為：設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為： 且且 則平均信息量（熵）為：則平均信息量（熵）為：)(,),(),(,21, 2, 1nnxPxPxPxxxniixP11)(121221( )log( )( )log( )( )log( )nnniiiH IPxPxPxPxPxPxbit 符 號(hào)第第1 1章章 緒論緒論通信原理23 獨(dú)立等概時(shí)，離散信源達(dá)到最大熵獨(dú)立等概時(shí)，離散信源達(dá)到最大熵等概離散消息等概離散消息(M個(gè)個(gè))結(jié)論結(jié)論例例 某離散信源由某離散信源由0 0，1 1，2 2，3 3四種符號(hào)組成，其概率場(chǎng)為：四種符號(hào)組

12、成，其概率場(chǎng)為： 求消息求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210002 010 312 032 100 120 210的信息量和平均信息量。的信息量和平均信息量。解：解：此消息總長(zhǎng)此消息總長(zhǎng)5757個(gè)字符，其中個(gè)字符，其中0 0出現(xiàn)出現(xiàn)2323次，次，1 1出現(xiàn)出現(xiàn)1414次，次，2 2出現(xiàn)出現(xiàn)1313次，次，3 3出現(xiàn)出現(xiàn)7 7次。則可求得此消息的信息量為在：次。則可求得此消息的信息

13、量為在：8/1, 4/1, 4/1, 8/3, 3, 2, 1, 04iii 12222In logp(x )311123log14log13log7log108.55(bit)8448 22222331111115 3Hloglogloglog- log 3(bit/)884444882 8符號(hào)第第1 1章章 緒論緒論通信原理251.4.2 模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有效性有效性(速度指標(biāo)速度指標(biāo))：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚簡(jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?可靠性可靠性(質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo))：接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的均方誤差：接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)的均方誤差 第第1 1章章 緒論緒論通信原理2

14、6第第1 1章章 緒論緒論通信原理27 有效性指標(biāo)有效性指標(biāo)又稱(chēng)傳碼率或符號(hào)速率或波特率）又稱(chēng)傳碼率或符號(hào)速率或波特率） 定義：定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目；單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目； 單位：?jiǎn)挝唬翰ㄌ兀úㄌ兀˙aud），）， 用符號(hào)用符號(hào)“B”表示；表示； 符號(hào)：符號(hào)： ，Tb為碼元寬度。為碼元寬度。bBTR1第第1 1章章 緒論緒論通信原理28 定義：定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?；單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚?單位：?jiǎn)挝唬罕忍乇忍?秒秒(bit/s) ， 簡(jiǎn)記為簡(jiǎn)記為b/s或或bps； 符號(hào)：符號(hào)： , ,它它與與N有關(guān)有關(guān)。 bR第第1 1章章 緒論緒論通信原理29 l N N進(jìn)制數(shù)等概傳

15、輸時(shí)，熵有最大值進(jìn)制數(shù)等概傳輸時(shí)，熵有最大值loglog2 2N N，信息速率也達(dá)到最大信息速率也達(dá)到最大 bRBRRb=RBNH (b/s)第第1 1章章 緒論緒論通信原理30 可靠性的指標(biāo)：可靠性的指標(biāo)： 碼元差錯(cuò)率（碼元差錯(cuò)率（誤碼率誤碼率 ） 發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，也就是說(shuō)的比例，也就是說(shuō)，誤碼率就是碼元在傳，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。 系系統(tǒng)統(tǒng)傳傳輸輸?shù)牡目偪偞a碼元元數(shù)數(shù)接接收收的的錯(cuò)錯(cuò)誤誤碼碼元元數(shù)數(shù) eP第第1 1章章 緒論緒論通信原理31 信息差錯(cuò)率（信息差錯(cuò)率（誤信率誤信率） 發(fā)生差

16、錯(cuò)的信息量在信息傳輸總量中所發(fā)生差錯(cuò)的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，或者說(shuō)，它是碼元的信息量在占的比例，或者說(shuō)，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。 ebP =系統(tǒng)傳輸中出錯(cuò)的比特?cái)?shù)系統(tǒng)傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)第第1 1章章 緒論緒論通信原理32 作業(yè)：作業(yè)：一個(gè)離散信號(hào)每毫秒發(fā)出一個(gè)離散信號(hào)每毫秒發(fā)出4種符號(hào)中的種符號(hào)中的一個(gè)，各相互獨(dú)立符號(hào)出現(xiàn)的概率分別一個(gè)，各相互獨(dú)立符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為為0.4，0.3，0.2，0.1。求該信號(hào)源的平。求該信號(hào)源的平均信息量和信息速率。均信息量和信息速率。一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)碼元時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)碼元時(shí)間長(zhǎng)度為0.1s，在傳輸過(guò)程中平均每隔，在傳輸過(guò)程中平均每隔2.5s產(chǎn)生產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)碼，求其平均誤碼率。一個(gè)錯(cuò)碼，求其平均誤碼率。第第1 1章章 緒論緒論通信原理33本章小結(jié)本章小結(jié)衡量一個(gè)通信系統(tǒng)好壞的主要指標(biāo)是有效性和衡量一個(gè)通信系統(tǒng)好壞的主要指標(biāo)是有效性和可靠性。信源編譯碼的目的是提高系統(tǒng)的有效可