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通信原理,东北大学信息科学与工程学院 通信与信息系统研究所 教师：冯建新 405,课程设置,先修课程：信号与系统、高频电子线路、概率与数理统计 学时分配：60学时授课，20学时实验 考试形式：70%考试，20%实验，10%平时成绩,主要参考书,曹志刚. 现代通信原理，清华大学出版社 宋祖顺. 现代通信原理，电子工业出版社 刘颖. 数字通信原理与技术，北京邮电大学出版社 樊昌信. 通信原理，国防工业出版社,内容简介,1 绪论 2 随机信号分析 3 信道 4 数字基带传输系统 5 数字调制系统 6 模拟信号的数字传输 7 信道编码与差错控制 8 同步,1 绪论,1.1 通信的基本概念 1.2 信息、消息和信号 1.3 通信系统的构成 1.4 离散消息的信息量 1.5 通信的主要性能指标,1.1 通信的基本概念 1.1.1 什么是通信,通信：信息的传递；信息的传输和交换 利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。 通信的目的：传递信息。 通信作为一门科学、一种技术，研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。,1.1.2 通信技术发展历史,1.1.3 频段与通信应用,1.2 信息、消息、信号 1.2.1 基本概念,信息：表示和传送的对象，不知到知的概念 消息：信息的媒体，信息的物理表现形式 。 信号：与消息对应的某种物理量，通常它是时间的函数。,消息传递的物质载体是信号，消息的内涵是信息。,1.2.2 消息特点,同一条信息可以用不同的消息表示 连续消息：可能取值连续的、不可数的 离散消息：可能取值是离散的、可数的,1.2.3 信号特点,电信号、光信号 模拟信号、数字信号：参量的取值方式,不一定以时间为参量,启示,通信：克服距离传递信号。 进行通信通信系统 通信系统要解决的问题包括两个方面： 信息的表示 信息的有效传输,1.3 通信系统构成 1.3.1 通信系统一般模型,一般模型,把待传输的消息转换成原始电信号； 信源和信道匹配； 信号传输的通道； 从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号； 将复原的原始电信号转换成相应的消息。 噪声源：通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现,电梯用综合电缆,75射频同轴电缆,室外非金属光缆布线,金属光缆,1.3.1 通信系统一般模型,通信系统实例,1.3.2 通信系统分类,传输媒质（信道）：有线通信和无线通信； 信道中所传信号的特征：模拟通信系统与数字通信系统； 按调制方式：基带传输和频带传输； 工作频段：长波、中波、短波、微波； 信号复用方式：FDM，TDM，CDM； 消息的物理特征：电话、电报、数据、图像等。,1.3.3 模拟和数字通信系统,线性关系,一一对应,1.3.4 数字通信的主要特点,主要优点 抗干扰能力强，消除噪声累加； 差错可控，可传输性能好； 易加密，保密强度高； 易于与现代技术相结合。 亟待解决的问题 频带利用率低：1路模拟电话4kHz，同样语音质量 的数字电话20-60kHz； 同步要求高，设备复杂。,数字基带系统,数字频带系统,1.3.5 通信方式,消息传送的方向与时间,1.3.5 通信方式,数字信号排序,1.3.5 通信方式,传输方式,1.3.5 通信方式,通信网络形式,(a) 两点间直通方式 (b) 分支方式 (c) 交换方式,1.4 离散消息的信息量,信息：消息中包含的有意义的内容。,信息量与消息出现的概率有关： （1）消息中所含信息量是消息出现概率的函数； I(x)=I(P(x) （2）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小； I(x) P(x) （3）若干个互相独立事件构成的消息所含信息量等于各独立事件信息量的和。 I(P(x1)P(xM)=I(P(x1) +I(P(x2)+I(P(xM),信息量 I 和消息出现概率P(x)的关系为： 信息量的单位取决于对数底数a的取值： a = 2 单位为比特（bit，简写为b）； a = e 单位为奈特（nat，简写为n）； a = 10 单位为哈特莱。,1.4 离散消息的信息量,例 设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。 解:二进制等概率时 有 即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。,1.4 离散消息的信息量,思考：传送等概率的4/8进制离散信源？在非等概条件下呢？,各个符号出现概率不等时，常用平均信息量 。 平均信息量 ：每个符号所含信息的平均值。 多进制时，设各符号出现的概率为： 且 ，则,1.4 离散消息的信息量,消息集的符号熵 信源的熵,1.4 离散消息的信息量,例 某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率为： 求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的信息量。,1.4 离散消息的信息量,解：此消息总长为57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。,1.4 离散消息的信息量,解：此消息总长为57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。,I=571.906108.64 bit,随着消息中符号数的增加，这种误差会逐渐减小,1.5 通信系统的性能指标,主要指标是通信的有效性和可靠性 有效性和可靠性是根据对通信质量的要求而定义出的客观标准，但它们是抽象的，没有可操作性，也很难量化。 因此必须在通信系统中找到具体的、可以操作且能够反映有效性和可靠性的参数或指标。,1.5.1 通信系统的有效性,1.5.2 通信系统的可靠性,1.5.3 数字通信系统的主要指标-传输速率,码元传输速率RB (调制速率码元速率符号速率)：单位时间(s)内传输码元的数目，单位为波特，记为Baud或B。与进制数无关，只与传输的码元长度TB有关。 RB= 1/TB 信息传输速率Rb(传信率信息速率)：单位时间(s)内传递的信息量（bit数），单位是比特/秒，记为bit/s或bps。 二者关系： Rb= RB,思考：信源符号怎样发送，Rb最大？,补充内容-进制关系,若有信号x1x2.x256（共N种信号）,在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：,RB2=RBMlog2 M (B),1.5.3 数字通信系统的主要指标-频带利用率,单位带宽中的传码率： B/(sHz) 单位带宽内的传信率 ： bit/(sHz) 严格讲，第二种表示方法更为确切地反映了系统的频带利用率。,补充内容：带宽,通常指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。 对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz，一个Pal-D电视频道的带宽为8MHz（含保护带宽）。 对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。 由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。