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1、通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理電子教研室 ：李春杰Tel:81630939 87656139(辦辦)E-mail: 通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)“任何時(shí)間任何時(shí)間”要求支持動(dòng)中通信要求支持動(dòng)中通信（無線通信是前提）（無線通信是前提） 以及通信的暢通無阻；以及通信的暢通無阻；“任何人任何人”要求支持巨大用戶量：要求支持巨大用戶量：但頻譜資源有限但頻譜資源有限“任何地點(diǎn)任何地點(diǎn)”要求無縫覆蓋：要求無縫覆蓋：但傳輸能力有限但傳輸能力有限“任何形式任何形式”要求傳輸各種多媒

2、體信息：要求傳輸各種多媒體信息：但處理能力有限但處理能力有限通信原理第1章(樊昌信第5版) 通信原理通信原理是通信工程、電子工程、信息工程、是通信工程、電子工程、信息工程、計(jì)算機(jī)通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，且是以上專業(yè)考研、考博的專業(yè)課程之一。課，且是以上專業(yè)考研、考博的專業(yè)課程之一。 本課將以通信系統(tǒng)為背景，本課將以通信系統(tǒng)為背景，主要講述通信系統(tǒng)和主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的基本原理通信技術(shù)的基本原理。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、。內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念、信息論初步、模擬信號調(diào)制技術(shù)、語音編碼、多路復(fù)信息論初步、模擬信號調(diào)制

3、技術(shù)、語音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)取Ｓ?、?shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)?。通信原理?章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第第1章章 緒論緒論通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。n消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。通信原理第1章(樊昌信第5版)n通過語言、聲、光等直覺的方式傳遞通過語言、聲、光等直覺的方式傳遞信息。如：人力、馬力和烽火臺(tái)等；信息。如：人力、馬力和烽火臺(tái)等；n文字、印刷術(shù)的

4、發(fā)明，郵政的出現(xiàn)；文字、印刷術(shù)的發(fā)明，郵政的出現(xiàn)； n電氣通信時(shí)代：電報(bào)、電話、廣播電視；電氣通信時(shí)代：電報(bào)、電話、廣播電視；n信息時(shí)代：計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)；信息時(shí)代：計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)；n未來：未來： 通信原理第1章(樊昌信第5版)l1.2 通信系統(tǒng)的組成n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型u信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。u發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。u信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。通信原理第1章(樊昌信第5版)u接收設(shè)備：從受到減損的接收

5、信號中正確恢復(fù)出原始電信號。 u受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。通信原理第1章(樊昌信第5版)n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型u模擬信號和數(shù)字信號p模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號圖1-2 模擬信號通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號：u通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 (a) 二進(jìn)制信號 (b) 2PSK信號圖1-3 數(shù)字信號通信原理第1章

6、(樊昌信第5版)信源信源信源編碼信源編碼信道編碼信道編碼調(diào)制調(diào)制（信道編碼）（信道編碼）傳輸信道傳輸信道信宿信宿信源解碼信源解碼解調(diào)解調(diào)信道解碼信道解碼噪聲源噪聲源模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號即模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號即A/DA/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換； 降低數(shù)字信號的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；降低數(shù)字信號的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；由于噪聲、衰落和干擾會(huì)引起差錯(cuò)，由于噪聲、衰落和干擾會(huì)引起差錯(cuò)，進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)編碼，從而提高抗干擾能力；進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)編碼，從而提高抗干擾能力；n 波形編碼，信號調(diào)制，使基帶信號波形編碼，信號調(diào)制，使基帶信號 適合在特定的信道中傳輸。適合在特定的信道中傳輸。有線、無線信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。有線、無線

7、信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。 對信號作上述處理相反對變換。對信號作上述處理相反對變換。信道中以及分散在通信系統(tǒng)中其他各信道中以及分散在通信系統(tǒng)中其他各 處的噪聲的集中表示。處的噪聲的集中表示。原始電信號原始電信號( (消息信號或稱基帶信號消息信號或稱基帶信號) ) 的來源，分為模擬信源和數(shù)字信源。的來源，分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送發(fā)送設(shè)備設(shè)備接收接收設(shè)備設(shè)備模擬模擬通信原理第1章(樊昌信第5版)n n 以犧牲系統(tǒng)頻帶為代價(jià)！以犧牲系統(tǒng)頻帶為代價(jià)！通信原理第1章(樊昌信第5版)1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)有線有線無線無線單工單工半

8、雙工半雙工全雙工全雙工串行串行并行并行，專線專線通信網(wǎng)通信網(wǎng)FDMTDMCDMWDM通信原理第1章(樊昌信第5版)n1.3.2 通信方式u單工、半雙工和全雙工通信p單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞絧半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式p全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u并行傳輸和串行傳輸p并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒

9、論緒論p串行傳輸 ：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施u其他分類方式：p同步通信和異步通信p專線通信和網(wǎng)通信通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容n如何度量離散消息中所含的信息量?u度量信息量的原則p能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。p度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。p消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】 “某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達(dá)的事件越

10、不可能發(fā)生，信息量就越大。 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u度量信息量的方法p事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 p設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， p則 P(x) 和 I 之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x)P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； p 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章

11、章 緒論緒論p上式中對數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。p通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有(b)p【例】例】 設(shè)一個(gè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個(gè)輸出的信息含量為 p在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 )(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p若有M個(gè)等概率波形（

12、P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為p若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當(dāng)M = 4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特，當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p對于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號組成的集合，其中每個(gè)符號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個(gè)符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相

13、似，故稱它為信息源的熵 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log( )log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號）通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u【例例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息20 32120120210的信息量?！窘狻俊?/p>

14、解】此消息中，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號，故該消息的信息量每個(gè)符號的算術(shù)平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log232222I符號）比特符號數(shù)/(89. 157108II通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論若用熵的概念來計(jì)算：則該消息的信息量 以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。當(dāng)消息序列較長時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。符號）（比特/906. 181log8141log4141log4183

15、log832222H)b(64.108906.157I通信原理第1章(樊昌信第5版)通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論n連續(xù)消息的信息量關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述。可以證明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。 ( )logaH xfxfx dx 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性u有效性：指傳輸一定信息量時(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。u可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問

16、題。n模擬通信系統(tǒng)：u有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論n數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 p碼元傳輸速率（波特率）RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。p式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） p信息傳輸速率（比特率）Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps )B(1TRB通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論p碼元速率和信息速率的關(guān)系或 對于二進(jìn)制數(shù)字信號：M = 2，碼元速率和信息速率在

17、數(shù)量上相等。 對于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論u頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或n可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。u誤碼率u誤信率，又稱誤比特率在二進(jìn)制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)eP傳輸總比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)bPebPP 要求要求Pb在在10-310-6之間；之間；要求要求Pb在在10-7以下。以下。通信原理第1章(樊昌信第5版)第第1章章 緒論緒論l1.6 小結(jié)小結(jié)1. 掌握模擬信號與數(shù)字信號的定義和特點(diǎn)掌握模擬信號與數(shù)字信號的定義和特點(diǎn)2. 了解模擬通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式了解模擬通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式3. 了解數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式了解數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成和工作方式4. 掌握離散信息源平均信息量的計(jì)算方法掌握離散信息源平均信息量的計(jì)算方法5. 掌握衡量模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)掌握衡量模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)6. 掌握數(shù)字通信的特點(diǎn)及主要性能指標(biāo)掌握數(shù)字通信的特點(diǎn)及主要性能指標(biāo) 通信原理第1章(樊昌信第5版)本章作業(yè)本章作業(yè)習(xí)題：習(xí)題：11，2，3，7，9，10