北京工业大学《通信原理》课件第一章

通信系统原理通信系统原理.edu信息与通信工程学院课程介绍通信系统原理本课程先修课信号与系统、电路分析、数字电路、概率论等本课程后续课某著名企业通信、卫星通信、光纤通信信息与通信工程学院2课程介绍通信系统原理【教学目标】本课程是电子通信类专业的一门重要课程，既是基础理论课，又是一门专业性的课程。通过该课程的学习，使学生打下良好的理论基础，并初步培养对通信系统进行分析和设计的能力。【课程要求】掌握数字通信的基本概念、基本理论以及基本的分析方法；熟悉通信系统的组成和工作原理；了解通信系统主要组成部分的实现方法。信息与通信工程学院3参考书目通信系统原理•

樊昌信等，《通信原理》，(第6版)，国防工业出版社•

等，《现代通信系统原理》，天津大学出版社•

曹志刚等，《现代通信原理》，清华大学出版社•

【美】约翰

G.Proakis

著，《数字通信》，电子工业出版社信息与通信工程学院4课程内容通信系统原理5•第一章绪论与信道基础•第二章确知信号•第三章随机信号分析•第四章模拟调制系统•第五章数字基带传输系统•第六章数字带通传输系统•第七章模拟信号的数字传输•第八章数字信号的最佳接收•第九章差错控制编码•第十章同步原理信息与通信工程学院课程内容第一章绪论1.1通信系统的基本组成1.2通信系统的分类及信息传输方式1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标1.5信道信息与通信工程学院6课程内容1.1通信系统的基本组成基本概念信息：人们待知的有效内容。消息：用以表达信息的某种物理形式，如符号、文字、语言、音乐、图像等。信号：寄载消息的某种物理形式，如某著名企业号、光信号等。信息与通信工程学院7课程内容1.1通信系统的基本组成◼通信的定义通信：将含有信息的消息有效而可靠地由一地传输到另一地（其它地方）的过程◼通信的目的传输含有信息的消息◼通信的实现方法把消息变成对应的信号来传递，信号实际上就是消息的承载者。◼

通信系统的组成：通信系统是指完成通信过程的全部设备和传输介质，由传输设备和线路组成。信息与通信工程学院8系统模型1.1通信系统的基本组成•

1)

一般模型•

消息形式：符号、文字、语音、音乐、数据、图片、活动图象等•

信源：产生消息，消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始某著名企业号。•

消息:承载信息的有次序的符号序列(如字母、数字等离散消息)或连续的时间函数(如语言、活动图像等连续消息)•

消息分类：离散消息和连续消息。这里“离散”或“连续”是对时间而言的信息与通信工程学院9系统模型1.1通信系统的基本组成•

发信机：将消息转换为适合信道中传输的信号。完成编码、调制等任务信号是消息的承载者。在时间上为连续函数时，称为“连续信号”或“模拟信号”。在时间上离散时，称为离散信号。在时间上和取值上都是离散时，称为数字信号。•

信号分类：模拟信号和数字信号。•

信道：信号传输的通道，将信号由发信机传输到收信机的媒介或途径(通道)。•

信道种类：有线信道和无线信道。•

噪声源：噪声来源。噪声散布在系统各点，为了分析方便，一般将噪声源集中表示在一个方框里。•

收信机：完成解调、译码等任务，将信号转换为消息。•

收信者：消息传输的目标对象。信源和收信者可以是人，也可以是设备，统称为发端和收端。信息与通信工程学院10系统模型1.1通信系统的基本组成•

模拟信号和数字信号•

模拟信号•

参量

(幅度、频率或相位)随着消息连续变化或不可数的信号。•

特点：•

幅度连续•

时间上可连续也可不连续例如：语音信号和脉冲幅度调制(PAM)信号等信息与通信工程学院11系统模型1.1通信系统的基本组成•

数字信号•

幅度（电压或电流）的取值不仅是时间的离散函数，而且取值也是有限可数的离散值。例如：计算机输入输出信号和各种数据信号，电报信号，脉冲编码调制PCM信号等信息与通信工程学院12系统模型1.1通信系统的基本组成模拟通信：用模拟信号传递消息的通信数字通信：用数字信号传递消息的通信相应地通信系统称为模拟通信系统和数字通信系统。•

模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，如数字电话以数字方式传输模拟话音•

数字信号也可以通过调制后在模拟通信系统(传统电话网)传输信息与通信工程学院13系统模型1.1通信系统的基本组成•

1)

模拟通信系统信源调制器信道解调器信宿噪声源•

发信机简化为模拟调制器，收信机简化为模拟解调器。调制在通信系统中主要用来变换信号。•

从消息变换过来的原始信号称为基带信号（或低通信号）.•

特点：其频谱由零频附近开始延伸到某个通常小于几兆赫的有限值。直接传输基带信号，称为基带传输，如有线广播、直流电报。•

调制和解调对信号变换起着决定性的作用，它们是保证通信质量的关键。其它处理过程都不会使信号发生质的变化，一般视为理想的，可将它们合并到信道中去。信息与通信工程学院14系统模型1.1通信系统的基本组成•

2)

数字通信系统•

编码：为了某种目的而对数字信号进行的变换。•

信源编码：用来提高信息传输的有效性而对信号采取的处理措施，如压缩编码，教材中的数字加密模块在此归并到了信源编码中。•

信道编码：提高信息传输的可靠性而对信号采取的处理措施，如纠错编码。•

数字调制：将数字基带信号的频谱搬移到高频，以便适合于信道传输•

同步:使收发两端的信号在时间上保持步调一致，在数字通信系统中是不可缺少的，它的位置往往不固定，图中没有画出。信息与通信工程学院15系统模型1.1通信系统的基本组成数字通信特点（优点）抗干扰能力强，无噪声积累（可进行信码判决再生，去掉传输过程的噪声积累）可靠性高，通过编码进行检测与纠错密通用性、灵活性高（缺点）占用的频带宽数字通信的点都是以比模拟通信占据更宽的带宽为代价的对同步的要求高从而系统设备较复杂信息与通信工程学院16课程内容第一章绪论1.1通信系统的基本组成1.2通信系统的分类及信息传输方式1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标1.5信道信息与通信工程学院17系统分类1.2通信系统的分类及信息传输方式1.2.1通信系统分类–按消息的物理特征分--电报、电话、数据、图像通信–按调制方式分类--基带、频带传输系统–按信号特征分类--模拟、数字通信–按传输媒质分类--有线、无线通信–按信号复用方式分--FDM、TDM、CDM...–按工作波段分—长波、中波、短波通信–按通信范围分：点对点、点对多点、网络通信等。信息与通信工程学院18传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式1.2.1通信传输方式–按消息传递的方向和时间分

双工、半双工、单工通信–按数据代码排列方式分

串行、并行传输信息与通信工程学院19传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式(1)单工(Simplex)特点：仅能进行一个方向的数据传送信息与通信工程学院20传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式(2)半双工(HalfDuplex)•

特点：数据可以在两个方向上进行传送，但不能同时进行数据传输，必须交替进行，同一时间只允个方向传送。[双向，但不同时]每端需有一个收/发切换电子开关。信息与通信工程学院21传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式(3)全双工(FullDuplex)通信双方能够在同时进行发送和接收数据的工作方式，数据的发送和接收分别由两根可以在两个不同的站点同时发送和接收的传输线进行传送信息与通信工程学院22传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式•

串行通信：将数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输。数据的各位依次由源到达目的地。串行通信适于长距离、中低速通信。实现容易，是一种常用传输方式。信息与通信工程学院23传输方式1.2通信系统的分类及信息传输方式•

并行通信：将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。数据的各位同时由源到达目的地。适合近距离、高速通信。常用于现场通信或计算机与外设之间的数据传输。信息与通信工程学院24课程内容第一章绪论1.1通信系统的基本组成1.2通信系统的分类及信息传输方式1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标1.5信道信息与通信工程学院251.3信息及其度量•

信息：对消息统计特性的一种定量描述。当人们得到消息之前，对它的内容有一种“不确定性”，信息就是对这种不确定性的定量描述。•

信息的量值与消息所代表事件的随机性或事件发生的概率有关。把度量信息大小的物理量称为信息量。•

设消息所代表的事件出现的概率为P(x)，则所含有的信息量•I=loga1=−logaPx()Px()•

当a=2时，信息量的单位为比特(bit)

；当a=e时，信息量的单位为奈特(nat)；当a=10时，信息量的单位为哈莱特(Hartley)。目前广泛使用的单位为bit。•

消息所包含的信息量与消息发生的概率成反比信息与通信工程学院261.3信息及其度量•

离散信源的平均信息量(信源熵)

设信源输出M个统计独立的符号xx,

21,...,xM，它们出现的概率分别为

px(),(

2px

),...,(pxM

)

，则每个符号所含信息量的统计平均1值即离散信源的平均信息量为Hx()M=−

i=1px()logi2px()i(bit/符号)信源的平均信息量又被称为信源熵。信息论已经证明，最大信源熵发生在信源的每个符号独立等概率出现时，有最大信源熵，Hmax()x=log2M(bit/符号)27信息与通信工程学院1.3信息及其度量•

信道容量的定义：信道无差错传输信息的最大信息速率，记为C；•

连续信道的信道容量由香农公式决定•

式中，B为信道带宽(Hz)，S为信号平均功率(W)，n0为噪声单边功率谱密度(W/Hz)，N=n0B为噪声功率(W)。信息与通信工程学院281.3信息及其度量•

香农公式结论–信道容量C随S/N增大而增大，当n0→0时C→∞，即无干扰信道的容量为无穷大；–信道容量C随着B的增大而增大，但不能无限增大，即当B→∞时，C→1.44（S/n0）；–C一定时，B与(S/N)可以互换。•

理论意义–香农公式给出了在有扰信道中无误传输信息的最大信息速率。由于噪声和信道不理想，人们不可能实现信息的无误传输，但是可以采用各种方法以尽可能小的错误概率传输香农公式的极限信息速率；–香农公式指出在不同的信道环境下，可以采用不同的信号实现无差错传输信息与通信工程学院291.3信息及其度量例：黑白电视图像每帧含有30万个像素，每个像素有16个独立等概出现的亮度等级。要求每秒钟传输30帧图像。若信道输出S/N=30dB，计算传输该黑白电视图像所要求的信道的最小带宽。解：每个像素携带的平均信息量为H(x)=log162=4bit/符号一帧图像的平均信息量为I=4310

5=1210

5bitSN)=3.61MHz30每秒钟传输30帧图像时的信息速率为Rb=1210

5

30=36Mbits/令Rb=C=Blog(12+SN)，得B=Rblog(12+信息与通信工程学院1.3信息及其度量•

某信源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4、1/8、1/8、3/16和5/16；信源以1000Bd速率传送信息。(1)求传送1小时的信息量；(2)求传送1小时可能达到的最大信息量。解：（1）信源熵为2222316+log2516=2.23bit/符号平均信息速率为Rb=RB

H(x)=10002.23=2.2310bit/s

1小时传输的信息量为I=2.2310

3600=8.028Mbit（2）等概率时信源熵为最大值，即H(x)=log5=2.322bit/符号max

21小时传输的最大信息量为Imax=2.32210003600=8.359

Mbit信息与通信工程学院31第一章绪论1.1通信系统的基本组成1.2通信系统的分类及信息传输方式1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标1.5信道信息与通信工程学院321.4通信系统的主要性能指标•

通信系统的性能指标是衡量通信系统质量好坏的一个标准。•

性能指标涉及到系统的各个方面：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性以及维护性等。•

对消息的传输，有效性和可靠性是最主要的。•

有效性是指“速度”问题，要求高效率地传输消息。讨论怎样以最合理、最经济的方法来传输最大数量的消息。•

可靠性是指“质量”问题，要求准确可靠地传输消息。是消息收发的相似程度的一种度量。•

有效性和可靠性二者相互矛盾和相互统一的•

模拟通信系统：多路复用技术可提高有效性，用有效传输频带度量。可靠性用输出信噪比衡量。•对信号传输的影响：信息与通信工程学院33•(1)

随机噪声，称为加性干扰；•(2)

信道，称为乘性干扰。•主要考虑加性干扰的影响。衡量：输出信噪比。1.4通信系统的主要性能指标•

数字通信系统有效性衡量：传输速率和频带利用率。•

分为：码元速率和信息速率。•

码元速率（传码率）－每秒钟传送的码元数，而不管码元是何进制，单位-“波特”(band)，符号-“B”•

信息速率（比特率）－每秒钟传送的信息量（不包括校验位）。•

单位：比特/秒；符号：b/s。•

二者关系

:

设信息速率为Rb

，N进制码元速率RBN：34•Rb=R

log

2BNR=

blog

2

NN(b/s)(B)•

或者RBN信息与通信工程学院1.4通信系统的主要性能指标•

例如，四进制码元速率为1200波特，则信息速率应为2400比特/秒。•

二进制R

=

Rb

B2•

数字通信系统可靠性用差错率来衡量，它是消息传输可靠程度的重要性能指标。•

差错率有两种：误码率和误比特率。•

误码率:

错误接收码元数在传输码元总数中所占的比例。确切地说，码元在传输中被错误接收的概率。•

误比特率:错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。确切地说，传输每比特信息被错误接收的概率。信息与通信工程学院35第一章绪论1.1通信系统的基本组成1.2通信系统的分类及信息传输方式1.3信息及其度量1.4通信系统的主要性能指标1.5信道信息与通信工程学院361.5信道•

1.5.1

信道•

信道分类：广义信道和狭义信道。•

在通信系统中，除了传输媒介外，还包括有关的部件和电路，如调制器与解调器等。这种范围扩大了的信道称为广义信道;

把仅指传输媒介的信道称为狭义信道。•

调制信道（广义信道）

范围：从调制器的输出端至解调器的输入端，如图。•

编码信道（广义信道）范围：从编码器输出端至解码器输入端，如图。信息与通信工程学院371.5信道从信道的物理形态来分，可将信道分为有线信道和无线信道；从信道的特征来分，可将信道分为恒参信道和随参信道；按在信道中传输的信号特点来分，可将信道划分为调制信道和编码信道。常称调制信道为连续信道，编码信道为离散信道信息与通信工程学院38调制信道模型et()o=1.5信道nt()数学模型：ktet()()i+调制信道的共性：（1）有一对(或多对)输入和输出端（2）绝大部分信道是线性的，满足叠加定理（3）具有延迟作用和损耗（4）无输入时（0输入）也有输出——噪声

模型——时变线性网络信息与通信工程学院39调制信道模型1.5信道据k(t)分:

恒参信道---k(t)不随时间变化(或变化缓慢)

随参信道---k(t)随时间随机变化信息与通信工程学院40编码信道模型1.5信道编码信道的输入输出信号都是数字序列，用错误概率描述编码信道的特性0P(0/0)0P(1/0)发送端

接收端P(0/1)1P(1/1)1二进制编码信道模型信息与通信工程学院41编码信道模型1.5信道•

特点:•

分类➢无记忆编码信道：前后码元发生错误是相互独立的➢有记忆编码信道：前后码元发生错误不是相互独立的信息与通信工程学院42恒参信道1.5信道•

恒参信道–信道的参数（特性）恒定不变的信道，称为恒参信道。恒参信道可以是线性的，也可以是非线性的。–恒参，也就参数是时不变的。–绝大多数时间的恒参信道都是线性的或近似线性的，可以用LTI系统建模，但也有少数信道是非线性的。–我们只讨论线性的恒参信道，可以用LTI系统建模。信息与通信工程学院43恒参信道1.5信道–AdditiveWhiteGaussianNoise(AWGN)，加性Gaussian白噪声信道；–是一种理想信道模型，信号通过信道后仅仅受到WGN噪声的加性干扰，如果忽略噪声的影响，信道是无失真传输系统；–它是通信系统中最重要、最基本的一种信道，是学习通信系统的基础。信息与通信工程学院44恒参信道1.5信道信号通过AWGN信道后，信道的输出信号（接收机接收到的信号）为：r(t)=s(t-t0)+n(t)

其中，t0为传输延迟n(t)为WGN噪声。对于模拟特性，这种传输延迟一般可以不必处理，对于数字通信，可以通过定时同步来解决。我们经常忽略传输延迟，而直接将接收信号写成：r(t)=s(t)+n(t)信息与通信工程学院45恒参信道1.5信道•

实际应用中，恒参信道是很常见的，例如：–绝大部分的有线信道可以认为是恒参信道，常见的如普通电话线信道，有线电视的电缆信道，光纤信道，等等。–少部分的无线信道在多数情况下也可以近似认为是恒参信道，例如，地面微波中继信道，卫星信道等等。信息与通信工程学院46信道容量1.5信道•

信道容量：信道可能传输的最大信息速率。•

连续信道，B－信道带宽，信道噪声－高斯白噪声，其容量•C=Blog2

1(+SN/)(b/s)•

N－噪声的平均功率，S—信号的平均功率，S/N－信噪比，

C－信道容量。•

结论：••••1）任何一个信道，都有信道容量C。如果信息速率R≤C，理论上存在一种方法，能以任意小的差错概率通过信道传输；如果R>C，在理论上无差错传输是不可能的。2)对于给定的C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输信息。3)信息速率C

=I/T，T为传输时间，代入上式I=TBlog(12+SN/)(b/s)•

当S/N一定时，给定的信息量可以用不同的带宽和时间T的组合来传输。带宽与时间可以互换。信息与通信工程学院47传输介质1.5信道•

传输介质：通信系统中连接收发双方的物理通路，也是通信过程中消息传送的载体。•

两类：硬传输介质和软传输介质。•

硬传输介质：双绞线、同轴电缆、光缆等。•

软传输介质：无线电波、地面微波、卫星链路、激光、红外线等。•

(1)

双绞线•

类型:屏蔽型（STP）和非屏蔽型(UTP)。结构如图。•

输入阻抗：100Ω和150Ω。信息与通信工程学院481.5信道•

用于传输模拟信号，每隔5Km～6Km需要一级放大；用于传输数字信号每隔2Km～3Km就要用转发器转发一次。用于远程中继线，最大传输距离为15Km.用于局域网，与集线器间的最大距离为100m。•

UTP电缆分为五类类别描述1语音或56kb/s以下的数据，不用于局域网21M/s以下的数据316Mb/s以下的数据420Mb/s以下的数据5100Mb/s以下的数据•

三类通常用于以太网和4Mb/s以下的令牌环局域网。五类支持100Mb/s的以太局域网及155Mb/sATM到桌面的连接。正在研制中的六类和七类，将分别支持超过200Mb/s和600Mb/s的速率。计算机网络中最常用三类和五类UTP。•

二者的不同：五类：每英寸3～4扭绞；三类：每英尺3～4扭绞。信息与通信工程学院49同轴电缆内导体绝缘层1.5信道•

结构：外导体外部保护层•

分类：视频（基带）电缆和射频（宽带）电缆。基带同轴电缆：用于直接传输数字数据信号；宽带同轴电缆：用于传输高频信号。基带同轴电缆的传输距离≤几Km;宽带同轴电缆的传输距离≤几十Km。•

优点：外导体接地、屏蔽干扰,屏蔽性优于双绞线。•

LAN用基带：50Ω、93Ω•

CATV：75Ω信息与通信工程学院50光纤1.5信道•

直径为50～100μm的、柔软的、能传导光波的介质，由玻璃和塑料构成，使用超高纯度石英玻璃制作的光纤具有最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，再用折射率较低的包层包住，就可以构成一条光通道.外面再加一保护套，即构成一单芯光导纤维电缆－单芯光缆，结构如下光纤芯包层外部保护层外壳外套芯封套(a)单根光纤结构(b)光缆结构51信息与通信工程学院1.5信道•

光导纤维通过全反射来传输光信号。保护套包层纤芯•

分类:多模与单模。•

多模光纤：允光沿纤芯反射传播.•

单模光纤：仅允波长的光沿纤芯直线传播，在其中不产生反射。•

直径：单模小，多模大。利用光脉冲来代表数据1和0，光纤传输系统如图。入发光纤收出光信号LED电光转换光电转换•

特点：频带宽，损耗小，数据传输速率高，误码率低，安全性好等。信息与通信工程学院521.5信道信息与通信工程学院53无线电波1.5信道1)

传播类型•

大气层分层：对流层和电离层。