第1章-通信原理-绪论解析.ppt

通信原理,第0章关于通信原理的学习,0.1通信原理课在通信专业学习中的地位和作用1地位：是构建通信专业知识的主干2.目的：掌握通信系统的基本原理以及分析和解决问题的基本方法。3.研究方法：是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。在给定系统参数的情况下，估算系统的性能（系统分析）；在给定系统性能要求的情况下，设计和优化系统的参数（系统设计）。在系统的数学模型比较复杂时，可以采用计算机模拟仿真（如：用MATLAB软件仿真）的方法获得这些参数之间的关系，达到优化通信系统的目的。0.2该课程的特点、难点和学习中应注意的方法1特点：由于是专业基础课，所以既有基础课的理论推导和计算，又有专业课极强的物理意义的存在，且是一个系统级分析、研究和设计。因此，就要求在学习中，改进以往的学习方法，决不能只停留在会模仿计算上，同样不能只满足于知道或记住结论。,2难点：在掌握理论推导的基础上，弄清其物理意义有部分随机信号分析的方法大量采用付立叶变换的谱分析方法3方法：抓住系统框图，理清分析思路弄清推导思路，学会分析方法深入领会结论，灵活应用解题提倡简单预习，重听更重思考认真完成作业，障碍及时清扫0.3参考书1现代通信原理清华曹志刚2通信原理北邮周炯磐3通信原理简明教程清华南利平4数字信号-基础与应用电子徐平平等译现代通信系统-使用Matlab西交大刘树棠译现代通信原理与技术李永忠编，国防工业出版社,学时数：80学时，其中68-70学时理论课、12-10学时习题课课程性质：必修课相关课程：高频电路、信号与系统、电磁场与电磁波随机信号分析、信息论移动通信、卫星通信、高频通信、光纤通信等教材：通信原理樊昌信编，国防工业出版社,课程概括介绍,0.4课堂要求1带计算器，考试时不能带有记忆功能的计算器2不迟到3不说与讲课内容无关的话，不清楚随时提问0.5其它1每周一交作业2答疑：时间、地点(3号实验楼3层338通信基础教研室)3考试：期中和期末4SystemView和Matlab仿真软件建议大家积极尝试和使用有答案书，可以参考，但不要一抄了事，要弄懂,通信原理,第1章绪论,第1章绪论,1.1通信的基本概念通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。,第1章绪论,电信发明史1837年：莫尔斯发明有线电报1876年：贝尔发明有线电话1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世1936年：商业电视广播开播后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。,我们所知道的通信,古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信。现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式,目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。,Electrictransmission(GrahamBell),1stwirelesstransmissions(Marconi),1stanalogcellularnetwork,DigitalTechnology(1stdigitalswitch),1stpublicmobiletelephone,1stGSMcommunication(digitalcellularnetwork),10101010,里程碑,里程碑,Electricalsource(Volta),Telegraph(Morse),里程碑,AM,FM,贝尔实验室生产出了第一台实用的PCM数字通信设备,近代深空通信的一个成功范例,美国宇航局2005年1月12日发射了用来探测彗星的“深度撞击”号探测器，它的目标是“坦普尔一号”彗星的彗核。“深度撞击”发射了一发“炮弹”于7月4日与彗星TEMPEL1在距地球1.32亿千米处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约74分钟）。,海上舰船通信,海上舰船通信,对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、图像）甲板话音通信,第1章绪论,1.2通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。,第1章绪论,接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。,第1章绪论,1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟信号和数字信号模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：,(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号,第1章绪论,数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号,第1章绪论,模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：两种变换：模拟消息原始电信号（基带信号）基带信号已调信号（带通信号）,图1-4模拟通信系统模型,模拟通信系统模型,信源,干扰源,信宿,调制器,解调器,第1章绪论,数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致,图1-5数字通信系统模型,数字通信系统模型,干扰源,信宿,调制器,解调器,信源,编码器,解码器,第1章绪论,1.2.3数字通信的特点优点抗干扰能力强，且噪声不积累传输差错可控便于处理、变换、存储便于将来自不同信源的信号综合到一起传输易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于加密处理，且保密性好缺点：需要较大的传输带宽对同步要求高,第1章绪论,1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用,通信系统分类,按信道复用方式划分,Power,Frequency,Time,Frequency,Time,Power,FDMA,TDMA,CDMA,第1章绪论,1.3.2通信方式单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式,第1章绪论,并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高,第1章绪论,串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信,第1章绪论,1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效内容如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。,第1章绪论,度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：P(x)消息x发生的概率，I消息中所含的信息量，则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：IIP(x)P(x)，I；P(x)，I；P(x)=1时，I0；P(x)=0时，I；满足上述3条件的关系式如下：信息量的定义,第1章绪论,上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)，若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特,第1章绪论,若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为若M是2的整幂次，即M=2k，则有当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。,第1章绪论,对于非等概率情况设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即且有则x1,x2,x3,xM所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵,第1章绪论,【例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为,第1章绪论,若用熵的概念来计算：则该消息的信息量以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。,第1章绪论,连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)连续消息出现的概率密度。,第1章绪论,1.5通信系统主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。,第1章绪论,数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T码元的持续时间（秒）信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps,第1章绪论,码元速率和信息速率的关系或对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，则信息速率为3600b/s。,第1章绪论,频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率误信率，又称误比特率在二进制中有,第1章绪论,1.6小结:本章重点1.掌握通信系统模型、分类2.理解数字通信的主要优缺点3.掌握信息量的度量4.理解通信系统的主要质量指标,1.5通信系统仿真工具介绍,计算机辅助设计与仿真的概念计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。,计算机仿真的概念仿真的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。计算机仿真的定义计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。,1、模型的定义模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。2、模型的分类（1）物理模型指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）数学模型是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。（3）仿真模型指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。,计算机仿真模型,计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）1、三要素（1）系统：研究的对象（2）模型：系统的抽象（3）计算机：工具与手段,2、基本步骤包括三个基本的内容：建模仿真实验结果分析,1.5.1MATLAB语言概述,一、MATLAB语言的发展MATLAB语言是由美国的CleverMoler博士于1980年开发的设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题取名MATLAB即MatrixLaboratory矩阵实验室的意思,它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设计语言容易MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言,它以超群的风格与性能风靡全世界,成功地应用于各工程学科的研究领域MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一(C,FORTRAN,ASSEMBLER,MATLAB)近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校MATLAB语言不受计算机硬件的影响，286以上的计算机都可以使用,二、matlab能在各领域做什麽工业研究与开发数学教学，特别是线性代数数值分析和科学计算方面的教学与研究电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究,例、用一个简单命令求解线性系统3x1+x2-x3=3.6x1+2x2+4x3=2.1-x1+4x2+5x3=-1.4A=31-1;124;-145;b=3.6;2.1;-1.4;x=Abx=1.4818-0.46060.3848,对于线性系统有Ax=b,例、用简短命令计算并绘制在0x6范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。x=linspace(0,6)y1=sin(2*x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;plot(x,y1,x,y2,x,y3),阶梯图,用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形,MATLAB工具箱,MATLAB工具箱已经成为一个系列产品，MATLAB主工具箱和各种工具箱（toolbox）。,功能型工具箱通用型功能型工具箱主要用来扩充MATLAB的数值计算、符号运算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，能够用于多种学科。,领域型工具箱专用型领域型工具箱是学科专用工具箱，其专业性很强，比如控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）；信号处理工具箱（SignalProcessingToolbox）；财政金融工具箱（FinancialToolbox）等等。,MATLABMainToolboxMATLAB主工具箱ControlSystemToolbox控制系统工具箱CommunicationToolbox通讯工具箱FinancialToolbox财政金融工具箱SystemIdentificationToolbox系统辨识工具箱FuzzyLogicToolbox模糊逻辑工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox高阶谱分析工具箱,MATLAB常用工具箱,Simulink动态仿真工具箱,simulink工具箱简介simulink是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，使得MATLAB的功能得到进一步扩展，它可以非常容易的实现可视化建模，把理论研究和工程实践有机的结合在一起。大部分专用工具箱只要以MATLAB主包为基础就能运行，有少数工具箱（通讯工具箱、信号处理工具箱等）则要求有simulink工具箱的支持。,Simulink优点适应面广：包括线性、非线性系统；离散、连续系统结构和流程清晰：以方块图形式呈现，仿真精细、贴近实际simulink的模型：simulink模型在视觉上表现为方框图，在文件上则是扩展名为m的ASCII代码（matlab6是扩展名为mdl的ASCII代码）；在数学上体现为一组微分方程或差分方程；在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态特性。simulink的一般结构：,输入,系统,输出,仿真原理当在框图视窗中进行仿真的同时，MATLAB实际上是运行保存于simulink内存中s函数的映象文件，而不是解释运行该m文件。s函数并不是标准m文件，它m文件的一种特殊形式。结构图创建方法一个动态系统的创建过程，就是一个方框图的绘制过程,具体步骤：在MATLAB命令窗口键入simulink,选则Fine菜单New选项，出现一个新窗口，即可绘制结构图。,例：模拟一个微分方程x=-2x+u,.,方框图绘制完毕，一个动态系统模型也就创建好了。选择File菜单Save保存图形，就自动生成一个可在MATLAB命令窗口运行的m文件。然后就可用simulation菜单中start开始仿真了。,仿真结果：,t,x,y=sim(sim5,20);plot(t,y),plot(t,yout),1.5.2SystemView简介,一、SystemViewSystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。,SystemView特点,能仿真大量的应用系统能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计。快速方便的动态系统设计用熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。,SystemView特点,提供基于组织结构图方式的设计通过利用SystemView中的图符和MetaSystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView能很容易地建立复杂的系统。先进的信号分析和数据块处理SystemView提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境。分析窗口还提供一个能对仿真生成数据