1、通信原理,信息與通信工程學(xué)院 2009年9月,主講教師：邢林海 ： 前言,教材：現(xiàn)代通信原理及應(yīng)用，苗長云等編著，電子工業(yè)出版社 本教材有一定深度，希望同學(xué)們一定要結(jié)合其他參考書來學(xué)習(xí)。 推薦參考書： 通信原理，樊昌信，國防工業(yè)出版社 現(xiàn)代通信原理，沈葆鎖，國防工業(yè)出版社 現(xiàn)代通信原理習(xí)題指南，上書的配套習(xí)題,準備考天大研究生的同學(xué)尤其要關(guān)注這兩本書,前言（續(xù)）,課時安排：理論課（60）實驗（15） 每周一、三：上理論課 每周五（本周除外）：算實驗課時（不上課） 答疑： 地點：主A514 時間：每周二晚（18:3021:00） 每周四晚（18:3021:00）,前言（

2、續(xù)）,關(guān)于本課程的基礎(chǔ)知識和學(xué)習(xí)方法 基礎(chǔ)知識： 電路基礎(chǔ) 概率論的基本知識 信號與系統(tǒng)中的付利葉變換（教材P15列出常用） 學(xué)習(xí)方法： 不準備考研的同學(xué)：側(cè)重于基本原理和公式的應(yīng)用 考研的同學(xué)：不僅要會用，還要知道來龍去脈 考不同學(xué)校的研究生要看不同的參考書，因為側(cè)重點和難度差別很大,第一章 緒論,主要內(nèi)容 1.1 通信的基本概念 1.2 通信系統(tǒng)的組成 1.3 通信系統(tǒng)分類及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標 重點為1.4和1.5,1.1 通信的基本概念,一、通信的幾種定義 （1）通信的通俗定義： 一點向另一點傳遞消息的過程 （2）通信的專業(yè)定義： 利用電（或光

3、）信號的某一個或幾個參數(shù)（如振幅、頻率等）的變化承載信息，在特定物理媒介（稱“信道”）中傳輸、交換和處理的過程。 （3）數(shù)字通信的本質(zhì)定義（引用美國數(shù)學(xué)家和信息論創(chuàng)始人Shannon的話）： 通信是在一點盡力恢復(fù)另一點“選擇”的過程,1.1 通信的基本概念（續(xù)）,二、信號的基本分類 消息的載體是信號，而信號可分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號,連續(xù)的模擬信號,t,t,離散的模擬信號,信號的基本分類（續(xù)）,2進制數(shù)字信號,連續(xù)的數(shù)字信號 （2進制）,t,1 0 0 1 0,離散的數(shù)字信號 （2進制）,t,1 0 0 1 0,注意：“數(shù)字”信號的特點是在取值上（即縱坐標）是有限多個值的集合,多進制數(shù)字

4、信號,連續(xù)的數(shù)字信號 （4進制）,t（秒）,00 01 10 11 01,0,1,2,3,稱為1個碼元周期Tb,注意：在多進制數(shù)字信號中， 碼元比特,1,2,3,4,1.2 通信系統(tǒng)的組成,由前面通信的定義，我們可知，要完成通信的過程至少要有： 發(fā)送信息者（稱“信源”） 接收信息者（稱“信宿” ） 傳輸信息的通道（稱“信道” ） 但是很多信號（如語音），如果不經(jīng)過處理，傳輸距離很短，而且很容易被干擾； 所以在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，需要“發(fā)送設(shè)備”和“接收設(shè)備”，它們作用就是使信號傳輸?shù)酶h，質(zhì)量更好； 它們具體包含了那些部件，其實就是我們這門課要討論的主要內(nèi)容。,1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型,如

5、下圖所示：,信源,在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備，如麥克風(fēng)等,發(fā)送設(shè)備,信道,噪聲源,接收設(shè)備,信宿,如調(diào)制器、功率放大器、天線等,如雙絞線、光纖、同軸電纜等。 注意：自由空間也是一種信道,是一種隨機信號，對通信有害， 但不可避免。,與是發(fā)送設(shè)備處理的“逆過程”,在本書中，特指將電信號還原成原始信息的設(shè)備，如揚聲器等,在上述通用模型中，發(fā)送設(shè)備對來自信源的信號的處理可能有2種情況： 一、直接對模擬信號進行放大和傳輸（例如無線廣播電臺、第一代移動通信系統(tǒng)“大哥大”） 二、把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（提高抗噪聲性能、且易于加密）后，再進行處理和傳輸，如數(shù)字電視、網(wǎng)絡(luò)電臺、2G/3G/4G

6、移動通信等 根據(jù)這兩種不同情況，我們把通信系統(tǒng)分為：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)2大類,要點提示：區(qū)分模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，要看信道中傳輸?shù)氖?模擬信號和還是數(shù)字信號,1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型,如下圖所示（以調(diào)幅/AM廣播為例）：,模擬信源,調(diào)制器,人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去,從這個過程中我們可以知道，實際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能,1.2.3 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,數(shù)字通信系統(tǒng)又可分為 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)（用以傳輸數(shù)字基帶信號） 數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)（又稱“數(shù)字調(diào)制通信系統(tǒng)”，用以傳輸數(shù)字頻帶信號） 那么，什么是“數(shù)字基帶信號”？什么是“數(shù)字頻帶信

7、號”呢？,補充知識：基帶信號與頻帶信號,基帶信號： 很多信源輸出的信號，含有豐富的低頻成分，即，其頻譜在低頻附近（例如我們說的語音在3004kHz，再例如數(shù)字電路輸出的TTL信號）。這些信號我們統(tǒng)稱為基帶信號 頻帶信號： 將基帶信號從低頻段調(diào)制到高頻段后的信號（又稱“已調(diào)信號/已調(diào)波”）,1、數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型,如下圖所示,其原理將在第7章詳細介紹，此處知道即可,例如局域網(wǎng)通信、USB串口通信都屬于這一類,2、數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型（教材P3的圖1.3,大家可加上“頻帶”2字）,信 源,可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計算機）,信 源 編 碼,如果信源是數(shù)字信源，主要對其壓縮、

8、加密等； 如果是信源是模擬信源，則先進行A/D變換再進行壓縮、加密,信 道 編 碼,主要功能是檢錯和糾錯，將在第12章詳細介紹。 主要目的是為了保證通信的可靠性,數(shù) 字 調(diào) 制,與模擬調(diào)制的作用是類似的：都是為了使通信傳輸?shù)男畔⒏h、更多、更抗干擾，將在第8章詳細介紹,是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述,隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信道編碼與數(shù)字調(diào)制有融合的趨勢,怎樣理解信源編碼和信道編碼,信源編碼：根據(jù)信源的特點進行的相應(yīng)的編碼處理（主要指的是壓縮）。 例如語音可采用PCM編碼（第6章要講），靜止圖像有jpg編碼，動態(tài)圖像有mpeg編碼，音樂有mp3編碼等等 可以看出不同的信源往往有不同的信源編

9、碼（這是因為不同的信源的統(tǒng)計特性是不同的） 目的：提高通信的有效性,怎樣理解信源編碼和信道編碼,信道編碼：根據(jù)信道的特點進行相應(yīng)的編碼，以使信號適合在這種信道中傳輸，主要指的是檢錯、糾錯。 如在計算機中普遍用的CRC(循環(huán)冗余)編碼等 不同的信道往往采用不同的信道編碼（因為不同的信道有不同的誤碼特性） 目的：提高通信的可靠性,1.3 通信系統(tǒng)的分類及通信方式,1.3.1 通信系統(tǒng)的分類 按信道傳輸?shù)男盘柗N類來分 按傳輸?shù)拿浇榉N類來分 按信號是否經(jīng)過調(diào)制,模擬通信系統(tǒng),數(shù)字通信系統(tǒng),有線通信系統(tǒng),無線通信系統(tǒng),基帶通信系統(tǒng),頻帶（調(diào)制）通信系統(tǒng),根據(jù)實際情況來確定 （如傳輸距離）,1.3.1 通

10、信系統(tǒng)的分類（續(xù)）,按通信系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)種類分,電報通信系統(tǒng),電話通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),圖像通信系統(tǒng)等,Service,按復(fù)用的方式分,頻分復(fù)用（FDM）通信系統(tǒng),時分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng),碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng),在11章將詳細介紹,這些復(fù)用方式并不互相排斥，可能同時使用在一個通信系統(tǒng)中，例如在TD-SCDMA中就同時使用了TDM和CDM,1.3.2 通信的方式,1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時間關(guān)系劃分通信方式分：,1.3.2 通信的方式（續(xù)）,2、按數(shù)字信號碼元排列方式劃分通信方式,如打印機與計算機之間,如USB、RS-232等,1.3.2 通信的方式（續(xù)）,3、按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分通信方式,

11、1.4 信息及其量度(重點章節(jié)),鐵路系統(tǒng)運送貨物量多少采用“貨運量”（不管運送什么貨物）來度量 通信系統(tǒng)中傳輸信息的多少采用“信息量”來度量。 注意：信息量的大小實際上與內(nèi)容無關(guān) 一個消息對于接收者很有價值（即信息量大）在于這個消息是他不知道的事情或覺得不可能發(fā)生的事情（即小概率事件）。,1.4 信息及其量度（續(xù)）,即，一條信息發(fā)生的概率越小，信息量越大；概率越大（一種極端情況是“必然的事情”信息量為0）則信息量越小 于是，對于一條信息x，人們用下列公式表示其信息量I：,（式1-4-1）,之所以取對數(shù)是由于信息量的“累加性”決定的,1.4 信息及其量度（續(xù)）,信息量的單位由對數(shù)底的取值決定。

12、 若對數(shù)以2為底時單位是“比特”（bit binary unit的縮寫）； 若以e為底時單位是“奈特”（natnature unit的縮寫）； 若以10為底時單位是“哈特”（Hart Hartley的縮寫）。 通常采用“比特”作為信息量的實用單位。,同學(xué)們要掌握的,例題1.4.1（順便引出“信息熵”的概念）,某信源每天播報某地的天氣預(yù)報，此地晴天、多云、陰、雨的概率分別為1/2、1/4、1/8、1/8 求： （1）晴、多云、陰、雨的各自所含信息量 （2）信息串“晴-多云-陰-晴-晴-晴-多云-雨”所含的總信息量 （3）此信源的每個消息的平均信息量（稱為“信息熵”）,例題1.4.1（解）,例題1

13、.4.1（解）,稱為信息熵，因為其通用公式為,這個公式與物理熱力學(xué)中的熵很相似。但熱力學(xué)中的熵總是增加的，而信息熵在通信過程中則總是減小的。,請注意其量綱,（即信息熵）,1.5 通信系統(tǒng)的性能指標(重點章節(jié)),通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標。 所謂有效性，是指消息傳輸?shù)摹八俣取眴栴} 而可靠性主要是指消息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題,二者是“對立統(tǒng)一”體,例如：在一段固定時間的強干擾下，傳輸速率越大則誤碼越多；,檢錯糾錯碼加入的冗余信息越多，則越可靠,1.5.1 模擬通信系統(tǒng)的指標,模擬通信系統(tǒng)的有效性指標用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。 例如收音機調(diào)幅電臺的帶寬通常在10kHz左右，而

14、調(diào)頻電臺的帶寬通常在180kHz左右 模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。 調(diào)頻的音質(zhì)明顯好于調(diào)幅電臺,1.5.2 數(shù)字通信系統(tǒng)的指標,一、有效性指標 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標用傳輸速率和頻帶利用率來表征。 1、傳輸速率 傳輸速率有兩種表示方法：碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb 碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。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 信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它是指系統(tǒng)每秒鐘傳送的信息量，單位是比特/秒，常用符號“bit/s”表示。,碼元速率RB與信息速率Rb的關(guān)系,在等概率條件下， 4進制符號每符號的概率為1/4，所含信息量為2bit 8進制符號每符號的概率為1/8，所含信息量為3bit 可以看出對于等概率N進制信源 每傳1個符號等于傳了log2N(bit)信息，所以,對于考研同學(xué)的擴展知識,若信源各符號不是等概率的，則,注意：這和上頁的結(jié)論并不矛盾。 因為N進制等概率的信源的熵就是log2N(bit/符號),有效性指標之2、頻帶利用率,又分為碼元頻帶利用率和信息頻帶利用率 碼元頻帶利用率： 數(shù)字通信系統(tǒng)的碼元速率RB與其所占頻率帶寬B的比值，即 信息