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通信原理,電子教研室：李春杰Tel:8163093987656139(辦)E-mail:licj@,教材：樊昌信等，《通信原理》參考書：曹志剛等，《現(xiàn)代通信原理》，第2版；張輝、曹麗娜編著，《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》；張輝、曹麗娜編著，《通信原理學習指導》；浙大高等數(shù)學教研室，《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》；于洪珍，《通信電子電路》；,其他學習資料——專業(yè)期刊雜志《通信學報》《電子學報》《無線通信技術(shù)》《IEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS》,通信專業(yè)相關(guān)網(wǎng)址電信博物館：,,“任何時間”要求支持動中通信（無線通信是前提）以及通信的暢通無阻；“任何人”要求支持巨大用戶量：但頻譜資源有限“任何地點”要求無縫覆蓋：但傳輸能力有限“任何形式”要求傳輸各種多媒體信息：但處理能力有限,需要相關(guān)的、新的通信原理和技術(shù)來解決,通信原理——重要地位！！,《通信原理》是通信工程、電子工程、信息工程、計算機通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎課，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，主要講述通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的基本原理。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、多路復用、數(shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)取?課程內(nèi)容,學習方法要求,,主動聽課熟練掌握基本概念，原理和性能/結(jié)論用系統(tǒng)的觀點和方法分析問題注意相關(guān)知識的回顧及時復習與答疑作業(yè)與上課紀律要求,通信原理,第1章緒論,第1章緒論,1.1通信的基本概念通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。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)、圖片或活動圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。,人類通信發(fā)展的幾個主要階段,通過語言、聲、光等直覺的方式傳遞信息。如：人力、馬力和烽火臺等；,文字、印刷術(shù)的發(fā)明，郵政的出現(xiàn)；,電氣通信時代：電報、電話、廣播電視；,信息時代：計算機和互聯(lián)網(wǎng)；,未來：……,1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道：將來自發(fā)送設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。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。,接收設備：從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器等。,1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風輸出電壓：,,(a)話音信號(b)抽樣信號圖1-2模擬信號,第1章緒論,數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。,,(a)二進制信號(b)2PSK信號圖1-3數(shù)字信號,數(shù)字通信系統(tǒng)模型,信源,信源編碼,,信道編碼,,調(diào)制（信道編碼）,,,傳輸信道,,信宿,,,,,,噪聲源,信源編碼：模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號即A/D轉(zhuǎn)換；降低數(shù)字信號的數(shù)碼率即數(shù)據(jù)壓縮；,信道編碼：由于噪聲、衰落和干擾會引起差錯，進行檢錯、糾錯編碼，從而提高抗干擾能力；,調(diào)制變換：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。,傳輸媒介：有線、無線信道，網(wǎng)絡交互設備。,解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼：對信號作上述處理相反對變換。,噪聲源：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。,信源：原始電信號(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。,數(shù)字通信的特點,信號容易再生，抗干擾能力強；,便于對信號進行處理（如差錯控制編碼、加密等），從而提高傳輸?shù)目煽啃浴⒂行院捅Ｃ苄裕?器件易于集成化；,有利于實現(xiàn)各種業(yè)務的綜合傳輸。（數(shù)字信號的處理、傳輸、存儲……）,1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式,調(diào)制方式分類,按傳輸信號的特征分類,按傳輸媒介分類,按傳輸信號的復用方式分類,按通信方式分類,其他,1.3.2通信方式單工、半雙工和全雙工通信單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式,,第1章緒論,并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：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傳輸優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施缺點：需要n條通信線路，成本高,,第1章緒論,串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設費用缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信,,第1章緒論,1.4信息及其度量信息：是消息中包含的有效內(nèi)容如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。度量方法應該與消息的重要程度無關(guān)。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：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。,第1章緒論,度量信息量的方法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。設：P(x)－消息發(fā)生的概率，I－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應該有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)?，I?；P(x)?，I?；P(x)=1時，I＝0；P(x)=0時，I＝?；滿足上述3條件的關(guān)系式如下：－信息量的定義,,,第1章緒論,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)。通常廣泛使用的單位為比特，這時有(b)【例】設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特,,,第1章緒論,若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為若M是2的整冪次，即M=2k，則有當M=4時，即4進制波形，I=2比特，當M=8時，即8進制波形，I=3比特。,,,第1章緒論,對于非等概率情況設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即且有則x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分別為于是，每個符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵,,,,,第1章緒論,【例1】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【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個符號，故該消息的信息量每個符號的算術(shù)平均信息量為,,,,第1章緒論,若用熵的概念來計算：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。當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。,,,第1章緒論,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?？梢宰C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。,,第1章緒論,1.5通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和可靠性有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏蚀_程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。,第1章緒論,數(shù)字通信系統(tǒng)有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。碼元傳輸速率（波特率）RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。式中T－碼元的持續(xù)時間（秒）信息傳輸速率（比特率）Rb：定義為單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為b/s，或bps,,第1章緒論,碼元速率和信息速率的關(guān)系或?qū)τ诙M制數(shù)字信號：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。對于多進制，例如在八進制（M=8）中，若碼元速率為1200B，，則信息速率為3600b/s。,,,第1章緒論,頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率在二進制中有,,,,,,數(shù)字話音通信：要求Pb在10-3～10-6之間；計算機系統(tǒng)：要求Pb在10-7以下。,第1章緒論,1.6小結(jié),1.掌握模擬信號與數(shù)字信號的定義和特點2.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4.掌握離散信息源平均信息量的計算方法5.掌握衡量模擬通信系統(tǒng)的性能指標6.掌握數(shù)字通信的特點及主要性能指標,本章作業(yè)習題：1－1，2，3，7，9，10,