通信原理(第1章)课件

通信原理茅正冲135850018112信息作为一种资源，只有通过广泛地传播与交流，才能产生利用价值、促进社会成员之间的合作、推动社会生产力的发展、创造出巨大的经济效益。本门课程主要讨论信息的传输和交换的基本原理，即通信系统的基本原理，基本性质和基本的分析方法。3绪论确知信号、随机信号、信道模拟调制系统模拟信号的数字传输数字基带传输系统数字频带传输系统新型数字带通传输技术差错控制编码课程内容4第1章绪论通信的基本概念通信系统组成通信系统的分类信息及其度量主要性能指标51.1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。信号----信号是指随时间变化的物理量。因为消息不适合于在信道中直接传输，需将其调制成适合在信道中传输的信号。信号可以分为连续时间信号和离散时间信号信息是指消息中所包含的有意义的内容，消息是信息的载体，消息又是以具体信号形式表现出来的。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。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息。“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。61.1通信的基本概念通信发展史1837年电报开始的通信初级阶段1948年香农提出信息论开始的近代通信阶段80年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段71.1通信的基本概念通信初级阶段1837年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段1843年，亚历山大·本取得电传打字电报的专利1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明，促使了后来无线通信的出现1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话1879年，第一个专用人工电话交换系统投入运行1880年，第一个付费电话系统运营1892年，加拿大政府开始规定电话速率1896年，马可尼发明无线电报1907年，电子管问世，通信进入电子信息时代1915年，横贯大陆电话开通;实现越洋语音连接1918年，调幅无线电广播、超外差式接收机问世1925年，开通三路明线载波电话，开始多路通信1936年，调频无线电广播开播1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础1938年，电视广播开播20世纪40年代二战期间，雷达与微波通信得到发展1946年，第一台数字电子计算机问世1947年，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件81.1通信的基本概念近代通信阶段1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论1950年，时分多路通信应用于电话系统1951年，直拨长途电话开通1956年，敷设越洋通信电缆1957年，发射第一颗人造地球卫星1958年，发射第一颗通信卫星1962年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段20世纪60年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现1969年，电视电话业务开通20世纪70年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构91.1通信的基本概念现代通信阶段--通信革命

20世纪80年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定20世纪90年代，蜂窝电话系统开通，各种无线通信和数据移动通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网和多媒体通信技术得到极大发展，1997年，68个国家签定国际协定，互相开放电信市场数据通信计算机科学技术与通信技术相结合的产物计算机以及各种数据设备之间经由数据通路（专线或通信网络）所进行的数据交换计算机通信指两台或多台“自治”的计算机之间的数据交换不能“自治”的各种数据设备之间的数据交换属于数据通信，但不是计算机通信数据/计算机通信的革命始于20世纪70/80年代90年代Internet普及与多媒体通信技术发展加速了变革数据通信与计算机通信逐渐融合通信产业与计算机产业日趋重合10

1.2通信系统组成1.2.1通信系统的一般模型图1-1通信系统的一般模型11

1.2通信系统组成1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟信号：代表消息的信号参量取值连续例如麦克风输出电压图1-2模拟信号波形◆模拟信号和数字信号12

1.2通信系统组成数字信号：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(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号波形通常，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。13

1.2通信系统组成◆模拟通信系统模型经过调制后的信号成为已调信号;发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。通常具有很高的中心频率，直接可以在信道中传输。基本特征：1、携带有信息；2、适合在信道中传输；3、信号的频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。如语音信号300~3400Hz带通信号通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。如语音信号300~3400Hz基带信号模拟信息源调制器信道解调器受信者图1-4模拟通信系统模型14

1.2通信系统组成◆数字通信系统模型图1-5数字通信系统模型在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以不经过调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输，我们称之为数字信号的基带传输。与此相应，另外一些信道，比如在无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的频带传输。15

1.2通信系统组成

A抗干扰能力强，且可消除噪声积累

B差错可控

C易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理

D易于集成化

数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。E易于加密处理

1.2.3数字通信的特点16

1.3通信系统的分类与通信方式

分类按信号特征分类

按信号复用方式分类1.3.1通信系统的分类按调制方式分类

按通信业务分类按工作波段分类

按传输媒介分类

17

1.3通信系统的分类与通信方式

1.3.2通信方式◆按消息传递的方向与时间关系分

单工通信半双工通信全双工通信18

1.3通信系统的分类与通信方式

◆按码元排列顺序分

并行传输

串行传输

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。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。1.3.2通信方式19

1.4信息及其度量

一、离散消息的信息量信息

是消息中包含的有效内容如何度量呢？消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。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。举例：两则消息①大陆和台湾统一；②今天下雨。其中，①比②包含有更多的信息。20

1.4信息及其度量

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：①I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]②P(x)，I；P(x)

，IP(x)=1时，I

＝0；P(x)→0，I

＝③

I[P(x1)P(x2)···]=I[P(x1)]+I[P(x2)]···满足上述4条件的关系式如下：信息量的定义21

1.4信息及其度量

式中：P(x)为该消息发生的概率。当对数底a=2时，信息量的单位为比特（bit） a=e时，信息量的单位为奈特（nit） a=10时，信息量的单位为哈特莱通常广泛使用的单位为比特，这时有(bit)22

1.4信息及其度量

例1.4-1已知二进制离散信源（0，1），若“0”出现的概率为1/3，求出现“1”的信息量。解：由于全概率为1，即P(0)+P(1)=1则出现“1”的概率P(1)=2/3故出现“1”的信息量为bit例1.4-2已知二进制离散信息源（0，1），每一符号波形等概率独立发送，求传送二进制波形之一的信息量。解：由于每一波形出现的概率为P(x)=1/2，故其信息量为bit23

1.4信息及其度量

例1.4-3已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概率发送，求传送每一波形的信息量。

解：由于每一波形出现的概率为P(x)=1/4，故其信息量为bit结论：①

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②若M是2的整幂次，即M=2k，则有24

1.4信息及其度量

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，即且有则整个消息的信息量式中：ni

为第i

个符号出现的次数

P(xi)为第个符号出现的概率

n

为离散消息源的符号数目n=n1+n2+…+nm25

1.4信息及其度量

例1.4-4一离散信源由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：在此消息中，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26

1.4信息及其度量

二、离散信源的平均信息量H所谓平均信息量是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。统计独立的个符号的离散信息源的平均信息量为（bit/符号）由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵。信源中每个符号等概率独立出现，则得最大信息熵（bit/符号）27

1.4信息及其度量

例1.4-5利用统计平均值的方法（熵的概念），重现计算 例1.4-4。解：信息熵为(bit/符号)则该消息所含信息量为I=57×1.906=108.64(bit)28

1.4信息及其度量

三、连续信源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。29有效性给定信道内所传输的信息内容的多少，即传输的“速度”问题。可靠性接收信息的准确程度，即传输的“质量”问题。

主要性能指标

1.5通信系统主要性能指标

30用有效传输频带来度量

用接收端最终输出信噪比来度量

有效性可靠性

1.5通信系统主要性能指标

一、模拟通信系统的性能指标信噪比=信号平均功率/噪声平均功率=S/N

31用传输速率和频带利用率来衡量

用差错率来衡量

有效性可靠性

1.5通信系统主要性能指标

二、数字通信系统的性能指标32

1.5通信系统主要性能指标

1、传输速率◆码元传输速率，又称码元速率或传