1、通 信 原 理第1章 CH1緒論1通 信 原 理Communications PrinciplesPrinciples of CommunicationsCommunication systemsCourse Info2Course Info先修課程：概率與統(tǒng)計隨機信號與系統(tǒng)電磁場與電磁波通信電子線路信號與系統(tǒng)數(shù)字電路與系統(tǒng)模擬電子線路后續(xù)課程：光纖通信衛(wèi)星通信移動通信現(xiàn)代交換技術(shù)現(xiàn)代通信系統(tǒng)實驗3Course Info教材樊昌信,曹麗娜.通信原理(第6版).北京：國防工業(yè)出版社，2006.其他參考書目：1. 曹志剛, 錢亞生著. 現(xiàn)代通信原理. 北京:清華大學(xué)出版社, 1992 2. Leo

2、n W. Couch II著. 數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)(第5版)(英文版). 北京:清華大學(xué)出版社, 1998 3. John G. Proakis著. 數(shù)字通信（第四版）. 北京：電子工業(yè)出版社，20014. Theodore S. Rappaportz著. 無線通信原理與應(yīng)用（英文版）. 北京：電子工業(yè)出版社，1998 4Course InfoEE解決的問題：Production and Transmission of Electrical Energy(把物理信號用電信號的形式來描述、處理、傳送)Transmission or Processing of Information（信息的傳遞、

3、處理）消息傳遞？通信系統(tǒng)的根本任務(wù)5Syllabus 本課主要內(nèi)容緒論：基本的概念，信號基礎(chǔ)(CH1、CH2、CH3)信息論基礎(chǔ)：信源部分、信道部分(CH1、CH4)數(shù)字基帶傳輸(CH6)模擬信號的數(shù)字傳輸(CH9)頻帶傳輸：模擬頻帶傳輸(CH5) 數(shù)字頻帶傳輸(CH7、CH8)數(shù)字最佳接收(CH10)信道編碼(CH11)碼分復(fù)用與擴頻通信(CH12)6CH1 緒論通信發(fā)展簡史狼煙、烽火電報機(S. Morse1837)電話機(Bell 1876)無線電報(Marconi 1895)調(diào)幅廣播 AM broadcasting電視 TV broadcasting微波中繼通信蜂窩移動通信Cellul

4、ar system光纖通信 Fiber Optics衛(wèi)星通信 Satellite Bell and TelephoneMarconi720世紀(jì)早期通信工程的發(fā)展?fàn)顩r模擬通信占大多數(shù)沒有系統(tǒng)的設(shè)計方法，沒有定量的分析方法，處于經(jīng)驗科學(xué)的階段 Is there a general methodology for designing communication systems?Is there a limit to how fast one can communicate?通信發(fā)展簡史 A brief history of communication)8香農(nóng) Claude Shannonfather

5、 of information theory and digital communication“A Mathematical Theory of Communication”(1948)通信發(fā)展簡史 A brief history of communication)9通信發(fā)展簡史 A brief history of communication)現(xiàn)在數(shù)字化為主（包括轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、記錄）數(shù)字通信的理論基礎(chǔ)主要來自香農(nóng)等創(chuàng)立的信息理論InternetSD10通信系統(tǒng)一般模型CHANNEL11信源：發(fā)送各種形式的消息（符號、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖像）發(fā)送設(shè)備：將消息轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)男盘栃问叫?/p>

6、道：信號傳輸?shù)拿浇?、路徑（噪聲使信號失真）接收設(shè)備：發(fā)送設(shè)備的逆變換過程，從接收信號中恢復(fù)消息受信者 （信宿）：消息的接收者信道P2 圖1-1 通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型12模擬與數(shù)字信號tx(t)tx(t)tx(t)1000110T模擬信號 Analog signals 取值連續(xù)變化數(shù)字信號 Digital signals 從有限集合中取值二進(jìn)制信號 Binary signals13模擬通信的主要特點優(yōu)點 歷史悠久、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、簡單、易于實現(xiàn)。缺點：1 ）抗干擾能力差2） 不易于保密通信3） 設(shè)備不易于大規(guī)模集成4） 不適應(yīng)飛速發(fā)展的計算機通信的要求14數(shù)字通信的特點(P5P6

7、)數(shù)字通信的特點(P5P6)優(yōu)勢：(1) 抗干擾能力強，且噪聲不積累(2) 傳輸差錯可控，提高傳輸可靠性(3) 便于與各種數(shù)字終端接口(4) 便于集成化，便于采用數(shù)字信號處理技術(shù)(5) 便于加密,保密處理。 不足： (1) 占用帶寬大； (2) 需要同步。15數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型(P4)發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備P4 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型16數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型（P4）信源編碼譯碼(Source CODEC)提高信息傳輸有效性（JPEG、MPEG-1、2、4）模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換(模擬信號的數(shù)字傳輸)信道編碼譯碼(Channel CODEC)提高信息傳輸可靠性加密與解密(Encryption /

8、Secrecy code)信息安全、保密通信17數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型（P5）數(shù)字調(diào)制解調(diào)(Digital Modulation)實現(xiàn)頻帶傳輸（窄帶、帶通）同步 數(shù)字系統(tǒng)準(zhǔn)確、有序、可靠工作181.3.1 通信系統(tǒng)的分類 （P6）按通信業(yè)務(wù)分類:電報、電話、數(shù)據(jù)、圖像(話務(wù)、非話務(wù))按信號特征分類:模擬信號還是數(shù)字信號按傳輸媒質(zhì)分類:有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按信號復(fù)用方式分類: 頻分復(fù)用(FDM:Frequency Division Multiplexing) 時分復(fù)用(TDM:Time Division Multiplexing) 碼分復(fù)用(CDM:Code Division Multipl

9、exing)19按調(diào)制方式分類:基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸 （P6 表1-1）調(diào) 制 方 式 用途 連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅 立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無線電臺、數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)幅VSB 電視廣播、 數(shù)傳、 傳真 非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控數(shù)據(jù)傳輸 脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、 空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、 MSK等 數(shù)字微波、 空間通信 脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、 遙測 脈寬調(diào)

10、制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制PPM 遙測、 光纖傳輸 脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(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 其他語音編碼方式ADPCM 中低速數(shù)字電話 20按工作波段分類：P7 表1-2頻率范圍 Hz波長 m名稱典型應(yīng)用330107 108極低頻ELF遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信30300106 107超低頻SLF水下通信3003k105 106特低頻ULF遠(yuǎn)程通信3 k30 k 104105 甚低頻VLF遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信、聲納30k300 k 103104 低頻LF 導(dǎo)航、 水下通信、信標(biāo) 300 k3 M 1

11、02103 中頻MF 調(diào)幅廣播、海事通信、業(yè)余無線電 3M30 M 10102 高頻HF 遠(yuǎn)程廣播、電報、海上通信、 短波廣播定點軍用通信、 業(yè)余無線電 30300 MHz 110 甚高頻VHF 電視、 調(diào)頻廣播、 空中管制、 車輛、 通信、 導(dǎo)航 、航空通信c = f21按工作波段分類：P7 表1-2（續(xù)）頻率范圍Hz 波長m 符號 用途300 M3 G10-1100特高頻UHF電視、地面移動通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、GPS3G30 G10-210-1超高頻SHF 衛(wèi)星通信、微波接力、 衛(wèi)星和空間通信、 雷達(dá) 30G300 G 10-310-2極高頻EHF 雷達(dá)、衛(wèi)星通信、 微波接力、 射電天文

12、學(xué) 3T以上 10-3紫外可見光紅外 光通信 221.3.2 通信方式 （P8）(1) 按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分 單 工 舉例 半雙工 全雙工（Duplex）(2) 按數(shù)字信號排列順序分串行并行231.4 信息及其度量 （P10）通信的目的是傳輸信息（消息）信號（signal）是消息（message）的載體，而信息（Information）是包含在消息中的。信源產(chǎn)生的消息輸出具有不確定性。信息量消息的不確定性的度量。事件的不確定性用概率來描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。簡單地說：信息一定具有不確定性。241.4 信息及其度量 （P10）假設(shè)P(x)是一個消息發(fā)生的概率，

13、I是從該消息獲悉的信息。（1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I = fP(x)（2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且P(x)1時， I0； P(x)0時， I I與P(x)之間的關(guān)系為：（3） 若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+251.4 信息及其度量 （P10）信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)a=2時， 信息量的單位為比特(bit)；a=e時， 信息量的單位為奈特(nat)； a=10時，信息量的單位為哈特萊(Hartley)。 數(shù)字通信中目前廣泛使用的單位為比特(

14、bit) 。 二進(jìn)制表示。261.4 信息及其度量 （P11）例 1 1(等概分布) 設(shè)二進(jìn)制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個輸出的信息含量為 P=1/4的信息量為I=2 bitP=1/8的信息量為I=3 bitP=1/M的信息量為I=log2 M (bit) （1.4-4）若M是2的整冪次，M=2K 則271.4 信息及其度量 （P11） 設(shè)離散信源是一個由M個符號組成的符號集， 其中每個符號xi(i=1, 2, 3, ,M)出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有由于H同熱力學(xué)中的熵形式相似， 故通常又稱它為信息源的 熵（Entropy），其單位為bit/符號。則x1, x2, ,

15、 xn 所包含的信息量分別為 log2 P(x1), log2 P(x2) , , log2 P(xM)于是，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為(1.4-6)281.4 信息及其度量 （P11） 離散信源的最大熵： 信源符號等概分布且統(tǒng)計獨立，具有最大熵： （這種信源又稱為無記憶離散信源） 即：291.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) （P12）有效性和可靠性。 有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}； 可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。二者對立統(tǒng)一，系統(tǒng)中可折中、互換。301.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) （P12）有效性傳輸速率、

16、傳信率?？煽啃圆铄e率、誤碼率。數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性傳輸帶寬?？煽啃暂敵鲂旁氡?。模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)311.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) （P13）（1） 碼元傳輸速率碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱碼元速率、符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):（1.5-1）321.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) （P13）（2） 信息傳輸速率信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。二進(jìn)制表示 它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)。單位是比特/秒，可記為bit/s