通信原理chapter1绪论

1、通信原理通信原理主讲教师：李长红主讲教师：李长红 自动化工程学院自动化工程学院EmailEmail：TelTel：0532-859507060532-85950706办公地点：行思楼办公地点：行思楼30930922022-5-9学习要求学习要求v掌握通信系统的基本概念和分析方法掌握通信系统的基本概念和分析方法v掌握信息传输的基本原理掌握信息传输的基本原理v熟悉各种通信技术的基本特点及性能熟悉各种通信技术的基本特点及性能v研究通信系统的设计研究通信系统的设计v了解通信发展方向了解通信发展方向32022-5-9研究的主要问题研究的主要问题v通信系统如何工作？通信系统如何工作？ 微积分运算及性质微积

2、分运算及性质 傅氏变换及性质傅氏变换及性质 卷积变换及性质卷积变换及性质v通信系统的性能分析，有噪声时性能如何？通信系统的性能分析，有噪声时性能如何？ 概率论概率论 随机过程随机过程 特殊函数特殊函数42022-5-9课程的基本内容课程的基本内容v绪论绪论v信号信号v模拟调制系统模拟调制系统v模拟信号数字化模拟信号数字化v数字信号基带传输数字信号基带传输v数字信号频带传输数字信号频带传输v数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收v信道编码与差错控制信道编码与差错控制v同步同步v先进的数字带通调制和解调先进的数字带通调制和解调第一章第一章绪绪 论论62022-5-9第一章第一章 绪论绪论v通信的发展

3、通信的发展v消息、信息和信号消息、信息和信号v数字通信数字通信v信道信道v信道中的噪声信道中的噪声v通信的发展通信的发展v消息、信息和信号消息、信息和信号v数字通信数字通信v信道信道v信道中的噪声信道中的噪声72022-5-9通信的发展通信的发展什么是通信什么是通信v信息的传递与交换信息的传递与交换传统理解传统理解v通信通信+传感传感+计算机技术计算机技术信息社会的高级神经中枢信息社会的高级神经中枢v通信的实现：通信的实现： 功能：将信息由一方传输到另一方；功能：将信息由一方传输到另一方； 媒介：语音、图像、数据；媒介：语音、图像、数据； 载体：光、电信号；载体：光、电信号；v通信的载体通信的

4、载体信号信号：消息对应的物理量（振幅、频率、消息对应的物理量（振幅、频率、相位等）相位等）v通信是一种产业通信是一种产业产品是信息在空间的转换产品是信息在空间的转换82022-5-9通信的发展通信的发展简史简史v雏形：雏形：手势、对话、烽火、灯光、信鸽、邮政、旗语。手势、对话、烽火、灯光、信鸽、邮政、旗语。v现代通信：现代通信：电信电信(Telecommunication)远距离通信远距离通信In 电报电报n 电话电话n 电视电视n 网络网络n EtcLoveYou92022-5-9通信的发展通信的发展简史简史v 1837年年 F.B.Morse发明有线电报发明有线电报v 1864年年 J.C

5、.Maxwell提出电磁场理论提出电磁场理论v 1875年年 A.G.Bell发明电话发明电话v 1887年年 H.Hertz证明电磁波存在证明电磁波存在v 1895年年 G.Marconi发明无线电报发明无线电报v 1901年年 G.Marconi英国英国纽芬兰跨大西洋无线通信实验成功纽芬兰跨大西洋无线通信实验成功v 1906年年 Lee DeForst发明真空管发明真空管v 1918年年 E.H.Armstrong 发明调幅无线电广播、超外差接收机发明调幅无线电广播、超外差接收机v 1936年年 E.H.Armstrong 发明调频无线电广播开播发明调频无线电广播开播v 1937年年 A.

6、Reeves发明脉冲编码调制原理发明脉冲编码调制原理数字化数字化v 1938年年 开始电视广播开播开始电视广播开播v 1940-1945 雷达、微波通信技术迅猛发展雷达、微波通信技术迅猛发展102022-5-9通信的发展通信的发展简史简史v 1948年年C.Shannon发表通信的数学理论，提出通信系统发表通信的数学理论，提出通信系统的一般模型的一般模型信息论信息论W.H.Brattain发明晶体管发明晶体管集成电路集成电路v 1950年年时分多路通信应用于电话时分多路通信应用于电话v 1953年年第一条越洋电话电缆（第一条越洋电话电缆（36路）敷设路）敷设v 1957年年前苏联发射第一颗人造

7、通信卫星前苏联发射第一颗人造通信卫星v 1958年年第一块集成电路问世第一块集成电路问世v 1960年年发明激光器发明激光器v 1964年年全电子电话系统问世全电子电话系统问世v 1972年年Motorola发明蜂窝电话发明蜂窝电话v 1976年年个人电脑个人电脑PC问世问世v 1989年年便携式蜂窝电话问世便携式蜂窝电话问世v 1990年年超大规模集成电路大量使用；超大规模集成电路大量使用；PC与通信互补兼容；与通信互补兼容；通信的发展通信的发展简史简史122022-5-9通信的发展通信的发展方向方向v数字化数字化 易于加密，无噪声积累易于加密，无噪声积累 二战，美军二战，美军24路路PCM

8、系统开始应用系统开始应用 70s，商用，商用 90s，Internet，GSM系统促进数字化发展系统促进数字化发展 发展，广播系统发展，广播系统v远程和大容量远程和大容量 介质：明线介质：明线同轴电缆同轴电缆光纤光纤 技术：技术：短波：容量小，通信质量差，间断；短波：容量小，通信质量差，间断；微波：容量大，可传输距离有限；微波：容量大，可传输距离有限；卫星：地球外中继，远程、静止、稳定、质量好；卫星：地球外中继，远程、静止、稳定、质量好；132022-5-9通信的发展通信的发展方向方向v网络化与综合化网络化与综合化 早期通信：点对点早期通信：点对点限制了接入的用户数目限制了接入的用户数目 转接

9、交换引入转接交换引入增加用户数，节省线路费用增加用户数，节省线路费用步进式自动电话交换机（步进式自动电话交换机（1892年）年）电子电话交换机电子电话交换机程控数字交换机程控数字交换机(1970年年)计算机引入交换设备计算机引入交换设备全球公用交换电话网全球公用交换电话网(PSTN)高性能、高可靠高性能、高可靠传真网、电报网、电视转播网传真网、电报网、电视转播网分组交换分组交换非实时交换，非实时交换，Internet 综合化综合化80s JapNTT：综合业务数字网（：综合业务数字网（ISDN）数据数据+语音语音90s 宽带综合业务网宽带综合业务网(B- ISDN)三网融合：通信网、电视网、计

10、算机网三网融合：通信网、电视网、计算机网物联网物联网142022-5-9通信的发展通信的发展方向方向v移动化与个人化移动化与个人化 19C：船舶短波通信：船舶短波通信 20C，40s，美国汽车电话网，美国汽车电话网蜂窝移动电话蜂窝移动电话 70s，美，美 无绳电话无绳电话数字无绳电话数字无绳电话 90s90s，西欧，西欧 时分多址技术，时分多址技术，TDMATDMA；美；美 CDMACDMA 21C21C，3G3G第三代移动通信系统第三代移动通信系统 目标：目标：5W5W通信通信WhoeverWheneverWhereverWhomeverWhatever152022-5-9v通信的发展通信的

11、发展v消息、信息和信号消息、信息和信号v数字通信数字通信v信道信道v信道中的噪声信道中的噪声第一章第一章 绪论绪论162022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号概念概念v消息：信源产生的信息的物理表现形式；消息：信源产生的信息的物理表现形式；v信息：消息的内涵，消息中有意义的内容；信息：消息的内涵，消息中有意义的内容；各种不同形式的消息具有相同的内涵。各种不同形式的消息具有相同的内涵。广义来说，信息是受者从不知到确知过程的内涵实体。广义来说，信息是受者从不知到确知过程的内涵实体。v信号：消息的物理载体，是消息对应的物理量；信号：消息的物理载体，是消息对应的物理量； 如：连续波的振幅、频率

12、、相位；如：连续波的振幅、频率、相位； 脉冲的幅度、宽度、时间位置；脉冲的幅度、宽度、时间位置；是通信系统的物质载体：电信号、光信号；是通信系统的物质载体：电信号、光信号；北京时间北京时间3 3点整点整172022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号概念概念v信号的分类信号的分类根据信号参量的根据信号参量的取值方式取值方式分类分类 模拟信号模拟信号取值连续，且有无穷多个取值连续，且有无穷多个对应：连续信息，如语音、图像等；对应：连续信息，如语音、图像等；特点：形象直观，一般波形时间连续；特点：形象直观，一般波形时间连续；特例：特例：PAM信号，时间不连续，但取值连续，且值的信号，时间不连续

13、，但取值连续，且值的个数无穷。个数无穷。信息体现：包含在波形中；信息体现：包含在波形中；182022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号概念概念 数字信号：取值离散，且数目有限数字信号：取值离散，且数目有限波形表示：用时间间隔相同的信号表示取值有限的数波形表示：用时间间隔相同的信号表示取值有限的数字信号；字信号；时间间隔时间间隔T：符号长度：符号长度/码元周期码元周期/码元长度；码元长度；T间隔内的信号成为一个码元；间隔内的信号成为一个码元；信息体现：包含在不同的码元组合中；信息体现：包含在不同的码元组合中；与模拟信号的区别：与模拟信号的区别： 取值大小是否连续；取值大小是否连续； 取值个

14、数是否有限；取值个数是否有限；与时间无关。与时间无关。192022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号信息的度量信息的度量v 信息度量：信息度量：由事件发生的不确定程度，即概率确定由事件发生的不确定程度，即概率确定 消息消息 x ，出现概率出现概率P(x)，含有信息量含有信息量 I(x) ： I (x) = I P(x) I 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I = v 信息量信息量 I 的定义的定义 单位：决定于底数单位：决定于底数aa =2: 比特比特(bit)a =e: 奈特奈特(nit)a =10: 哈特莱哈特莱(hartley) 1 loglo

15、g aaIP xP x 1bit的含义：的含义：v 理论：出现概率为理论：出现概率为1/2的的 消息所含的信息量；消息所含的信息量；v 工程：一个二进制数字；工程：一个二进制数字；202022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号信息的度量信息的度量v 若干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之和：若干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之和： I (x1 , x2 , ) = I P(x1) + I P(x2) + 举例：独立、等概、离散消息的信息量：举例：独立、等概、离散消息的信息量： 某离散信源，可发送某离散信源，可发送M(=2M(=2k k) )个

16、符号，且各符号发送概率相同，个符号，且各符号发送概率相同， 求：发送其中任一符号所含的信息量。求：发送其中任一符号所含的信息量。解：任一符号出现的概率为：解：任一符号出现的概率为：P(x)=1/M， 由由 得：任一符号所含信息量：得：任一符号所含信息量： 取取 a=2 时，时，I(x)=log22k=k (bit)log 1( )aIP x 1( )log 1logaaI xMMM(M=2k)进制进制lM个独立等概可取值个独立等概可取值;l每个可取值的信息量每个可取值的信息量kbit;l可用可用k个二进制码元表示；个二进制码元表示；212022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号信息的度量

17、信息的度量v 平均信息量平均信息量信源熵信源熵H(x)信源发送所有符号所含信息量的信源发送所有符号所含信息量的统计平均值。统计平均值。N个符号：个符号：各符号信息量：各符号信息量：平均信息量：平均信息量： x1， x2， xNP(x1), P(x2), P(xN) I(x1), I(x2), I(xN)2( )() () ()log()()/iiiiiiH xP x I xP xP xbit 符符号号等概条件时，信源平均信息量最大，为等概条件时，信源平均信息量最大，为k k（bit/bit/符号）符号）其中：其中：k=log2N222022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号信息的度量信息

18、的度量v 举例：某离散信源由举例：某离散信源由0 0、1 1、2 2、3 3四种符号组成，其概率四种符号组成，其概率分别为分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/83/8, 1/4, 1/4, 1/8，且独立出现，该信源发出，且独立出现，该信源发出一段消息：一段消息：201 020 130 213 001 203 210 100 321 201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210010 023 102 002 010 312 032 100 120 210； 求求：(1) 各个符号的信息

19、量；各个符号的信息量； (2) 信源平均信息量；信源平均信息量； (3) 该段消息的信息量。该段消息的信息量。分析：分析： 各符号信息量：各符号信息量：I(x)=-log2P(x) (bit); 信源平均信息量：信源平均信息量：H(x)=I(x)P(x); 整段消息信息量：整段消息信息量：I= I(x); I=nH(x)232022-5-9消息、信息和信号消息、信息和信号信息的度量信息的度量v 解解： (1)各符号信息量：各符号信息量： 由由I(x)=-log2P(x)得：得：I(0)=-log23/8=1.415 (bit)I(1)=-log21/4=2 (bit)I(2)=-log21/4

20、=2 (bit)I(3)=-log21/8=3 (bit)(2)信源熵，平均信息量：信源熵，平均信息量： 由由H(x)= I(x)P(x) 得：得：H(x)=1.415 3/8+2 1/4+2 1/4+3 1/8 =1.9056 (bit/符号符号)(3)该段消息的信息量：该段消息的信息量：方法方法1:由：由：I=I(x)= I(x)= niI(xi)=23 I(0)+14 I(1) +13 I(2)+7 I(3)=107.55 (bit)方法方法2：由由I=n H(x)得：得：I=57 1.9056=108.62(bit)242022-5-9v通信的发展通信的发展v消息、信息和信号消息、信息

21、和信号v数字通信数字通信v信道信道v信道中的噪声信道中的噪声第一章第一章 绪论绪论252022-5-9数字通信数字通信基本概念基本概念v数字通信系统数字通信系统利用数字信号传递信息利用数字信号传递信息v模拟通信系统模拟通信系统利用模拟信号传递信息利用模拟信号传递信息信息源调制器信道解调器受信者噪声源基带基带信号信号已调已调信号信号已调已调信号信号基带基带信号信号n 调制的作用调制的作用n 与信道相适配与信道相适配n 更充分地利用信道更充分地利用信道n 改善通信系统的性能改善通信系统的性能n 传输问题：噪声与传输问题：噪声与干扰干扰n 后果：信号失真后果：信号失真噪声与干扰：通信系统设计中噪声与

22、干扰：通信系统设计中所要解决的基本问题之一。所要解决的基本问题之一。262022-5-9数字通信数字通信通信系统比较通信系统比较v 模拟通信系统模拟通信系统 信号取值连续，信息包含信号取值连续，信息包含在波形中；在波形中； 系统要求：波形不失真，系统要求：波形不失真，接收端的高保真度；接收端的高保真度； 通信质量判断：信噪比，通信质量判断：信噪比，信号与噪声的功率比；信号与噪声的功率比； 主要理论：连续波的参量主要理论：连续波的参量估值理论；估值理论；v 数字通信系统数字通信系统 信号取值离散，信息包含信号取值离散，信息包含在码元组合中；在码元组合中； 系统要求：接收离散值的系统要求：接收离散

23、值的正确判决；正确判决； 通信质量的判决准则：产通信质量的判决准则：产生错误判断的概率；生错误判断的概率； 主要理论：统计判决理论；主要理论：统计判决理论；272022-5-9数字通信数字通信数字通信的优缺点数字通信的优缺点v数字通信的优点：数字通信的优点： 抗干扰能力强抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控消除噪声积累；差错可控) 差错可控差错可控 保密性强保密性强 灵活性高，可适用于各种终端和业务灵活性高，可适用于各种终端和业务 便于集成化，微型化和网络化；便于集成化，微型化和网络化；v数字通信的缺点：数字通信的缺点： 频带利用率低：频带利用率低：一路模拟电话：一路模拟电话：B=4kHz；同

24、样话音质量的一路数字电话：同样话音质量的一路数字电话：B=20-60kHz。 对同步要求高，系统设备比较复杂。对同步要求高，系统设备比较复杂。282022-5-9数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型同步同步信源编码信源编码信源解码信源解码292022-5-9数字通信数字通信主要性能指标主要性能指标v 有效性：给定信道内能够容纳的信息量或允许的信息传有效性：给定信道内能够容纳的信息量或允许的信息传 输速率。系统传输效率，占用频带和时间输速率。系统传输效率，占用频带和时间v 可靠性：系统传输的准确程度；可靠性：系统传输的准确程度；v 信息论观点：二者相互矛盾，此消彼长。信息论观点：二者

25、相互矛盾，此消彼长。v 矛盾原因：矛盾原因： 通信资源有限：可用频带带宽、时间受限通信资源有限：可用频带带宽、时间受限 信道不理想：噪声和干扰无法完全消除信道不理想：噪声和干扰无法完全消除302022-5-9数字通信数字通信主要性能指标主要性能指标v模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的性能指标 有效性：带宽有效性：带宽B，所传信号的有效传输带宽；，所传信号的有效传输带宽； 可靠性：信噪比，接收端输出信号平均功率与噪声功可靠性：信噪比，接收端输出信号平均功率与噪声功率之比；率之比；电话：电话：SNR40dB;电视：电视：SNR=4060dB;v数字通信系统的性能指标数字通信系统的性能指标传输速率

26、，频带利用率，能量利用率；错误率传输速率，频带利用率，能量利用率；错误率312022-5-9数字通信数字通信主要性能指标主要性能指标v 离散数字信号的表示：离散数字信号的表示： 离散信源的离散信源的 N = 2k 种可能状态可以用种可能状态可以用 k 位二进制数字或一位位二进制数字或一位 N 进制数字表示；进制数字表示； 用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或 N 进制数字；进制数字；这个间隔称为符号这个间隔称为符号/码元长度；码元长度；间隔内的信号称为符号间隔内的信号称为符号/码元码元(二进制或二进制或 N 进制进制)；T tT t1T t2-1T t-

27、2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1322022-5-9l信息传输速率信息传输速率Rb：单位时间传送的信单位时间传送的信息量，传信率；息量，传信率；v 数字通信系统的性能指标：数字通信系统的性能指标：传输速率传输速率数字通信数字通信主要性能指标主要性能指标1BRTbIRTRb=I(x)RB=H(x)RB(等概等概)Rb RB log2 M (bit/s)RB Rb /log2 M (baud)l符号符号( (码元码元) )传输速率传输速率RB：单位时间传送的符号数量，单位时间传送的符号数量，传码率：传码率：单位：波特，单位：波特，baud，B单位：比特单位：比特/

28、秒，秒，bit/s, bps传码率传码率RB与传信率与传信率Rb的关系：的关系：每个符号有每个符号有 M 种可能状态，则种可能状态，则l频带利用率频带利用率 ：传输速率与系统带传输速率与系统带宽之比：宽之比：(/), (/)bBRRBaud Hzbps HzBB332022-5-9v 数字通信系统的性能指标：数字通信系统的性能指标：差错率差错率数字通信数字通信主要性能指标主要性能指标eP 错错误误符符号号数数传传输输总总符符号号数数bP 错错误误比比特特数数传传输输总总比比特特数数l误码率误码率( (BER) )：码元码元/ /符号在系统符号在系统中传错的概率中传错的概率l误比特率误比特率(

29、(误信误信率率) )：符号信息量：符号信息量在传输系统中被在传输系统中被丢失的概率丢失的概率l误字率：接收字误字率：接收字数在传输系统中数在传输系统中被传错的概率被传错的概率wP 错错误误字字数数传传输输总总字字数数二进制：二进制：Pe=Pb211/2bebeMMPPMMPP 进进制制：（）较较大大时时：一个字由一个字由k个二进个二进制码元组成时：制码元组成时：Pw=1-(1-Pe)k342022-5-9v通信的发展通信的发展v消息、信息和信号消息、信息和信号v数字通信数字通信v信道信道v信道中的噪声信道中的噪声第一章第一章 绪论绪论352022-5-9信道（自学）信道（自学）v无线信道：种类

30、，频段，传输特点，无线信道：种类，频段，传输特点， 存在问题，解决措施，发展方向；存在问题，解决措施，发展方向；v有线信道：种类，结构，特性，优缺点；有线信道：种类，结构，特性，优缺点；信道信道有线信道有线信道v 种类：明线，对称电缆，同轴电缆，光纤种类：明线，对称电缆，同轴电缆，光纤v 明线：平行架设在电线杆上的架空线路明线：平行架设在电线杆上的架空线路 结构：导电裸线、或带绝缘层的导线结构：导电裸线、或带绝缘层的导线 特点：特点：优点：传输损耗低优点：传输损耗低缺点：敏感，易受（缺点：敏感，易受（天气、环境、外界噪声）天气、环境、外界噪声）干扰干扰 难以（延同一路径）大量架设难以（延同一路

31、径）大量架设被电缆所代替被电缆所代替v 对称电缆：对称电缆： 结构：成对双绞线置于保护套内构成结构：成对双绞线置于保护套内构成双绞线：一对导线做成扭绞形状；扭绞形可减小各对导线间干扰。双绞线：一对导线做成扭绞形状；扭绞形可减小各对导线间干扰。保护套：几层金属屏蔽层保护套：几层金属屏蔽层+绝缘层；屏蔽干扰，加强机械强度。绝缘层；屏蔽干扰，加强机械强度。 特点：芯线比明线细，特点：芯线比明线细，0.41.4mm，故损耗大于明线，故损耗大于明线 但性能稳定，容量比明线大但性能稳定，容量比明线大信道信道有线信道有线信道v 同轴电缆：同轴电缆： 结构：内外两根同心圆柱形导体，两根导体间绝缘体隔开结构：内

32、外两根同心圆柱形导体，两根导体间绝缘体隔开内导体：实心导线内导体：实心导线外导体：空心导管外导体：空心导管内外导体间填充塑料或空气，内外导体间填充塑料或空气，并用塑料支架连接固定。并用塑料支架连接固定。 信道类型信道类型通话容量（路）通话容量（路）频率范围（频率范围（kHz）传输距离（传输距离（km）明线明线1+30.327300明线明线1+3+120.3150120对称电缆对称电缆241210835对称电缆对称电缆60122521218小同轴电缆小同轴电缆3006013008 小同轴电缆小同轴电缆9606041004中同轴电缆中同轴电缆180030090006中同轴电缆中同轴电缆270030

33、0120004.5中同轴电缆中同轴电缆10800300600001.5表表1.4.3 1.4.3 有线电信道的一般电气特性有线电信道的一般电气特性信道信道有线信道有线信道v 光纤：传输光信号的光导纤维光纤：传输光信号的光导纤维 结构：纤芯结构：纤芯n1+包层包层n2 （n1n2） 种类：阶跃光纤，渐变光纤种类：阶跃光纤，渐变光纤按折射率分布按折射率分布 单模光纤，多模光纤单模光纤，多模光纤按光纤传输模式数按光纤传输模式数 特点：特点：单模光纤：无失真带宽宽，传输容量大；单模光纤：无失真带宽宽，传输容量大； 直径小，光纤间对准困难；对应光源直径小，光纤间对准困难；对应光源LD成本高；成本高； 多

34、模光纤：无失真带宽窄，传输容量小；光源多模光纤：无失真带宽窄，传输容量小；光源LED成本低；成本低； 光纤低损窗口：光纤低损窗口：0.85m，1.31m，1.55m（0.2dB/km） 无中继传输距离：无中继传输距离：100km 单模光纤传输速率：单模光纤传输速率：10Gb/s392022-5-9信道模型信道模型v狭义信道：传输煤质或途径狭义信道：传输煤质或途径v广义信道：信道模型广义信道：信道模型调制信道调制信道编码信道编码信道译码器译码器输入输入发转换器发转换器 媒媒 质质收转换器收转换器 解调器解调器 调制器调制器编码器编码器输出输出402022-5-9信道模型信道模型调制信道调制信道( )ie t( )oet( ) ( )( )oie tf e tn t( ) ( )( )ik t e tn t( )n t加性噪声加性噪声k(t)乘性噪声，反映信道乘性噪声，反映信道特性特性