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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(shū)：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(xué)習(xí)指導(dǎo)》；浙大高等數(shù)學(xué)教研室，《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》；于洪珍，《通信電子電路》；,其他學(xué)習(xí)資料——專(zhuān)業(yè)期刊雜志《通信學(xué)報(bào)》《電子學(xué)報(bào)》《無(wú)線通信技術(shù)》《IEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS》,通信專(zhuān)業(yè)相關(guān)網(wǎng)址電信博物館：,,“任何時(shí)間”要求支持動(dòng)中通信（無(wú)線通信是前提）以及通信的暢通無(wú)阻；“任何人”要求支持巨大用戶(hù)量：但頻譜資源有限“任何地點(diǎn)”要求無(wú)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(lái)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(jì)算機(jī)通信、圖像處理與傳輸?shù)葘?zhuān)業(yè)的必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，且是以上專(zhuān)業(yè)考研、考博的專(zhuān)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(hào)調(diào)制技術(shù)、語(yǔ)音編碼、多路復(fù)用、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)取?課程內(nèi)容,學(xué)習(xí)方法要求,,主動(dòng)聽(tīng)課熟練掌握基本概念，原理和性能/結(jié)論用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法分析問(wèn)題注意相關(guān)知識(shí)的回顧及時(shí)復(fù)習(xí)與答疑作業(yè)與上課紀(jì)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(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。,人類(lèi)通信發(fā)展的幾個(gè)主要階段,通過(guò)語(yǔ)言、聲、光等直覺(jué)的方式傳遞信息。如：人力、馬力和烽火臺(tái)等；,文字、印刷術(shù)的發(fā)明，郵政的出現(xiàn)；,電氣通信時(shí)代：電報(bào)、電話(huà)、廣播電視；,信息時(shí)代：計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)；,未來(lái)：……,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(jiǎn)稱(chēng)信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類(lèi)。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。,接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)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(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：,,(a)話(huà)音信號(hào)(b)抽樣信號(hào)圖1-2模擬信號(hào),第1章緒論,數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，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(hào)(b)2PSK信號(hào)圖1-3數(shù)字信號(hào),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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)即A/D轉(zhuǎn)換；降低數(shù)字信號(hào)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(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；,調(diào)制變換：波形編碼，信號(hào)調(diào)制，使基帶信號(hào)適合在特定的信道中傳輸。,傳輸媒介：有線、無(wú)線信道，網(wǎng)絡(luò)交互設(shè)備。,解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼：對(duì)信號(hào)作上述處理相反對(duì)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(hào)(消息信號(hào)或稱(chēng)基帶信號(hào))的來(lái)源，分為模擬信源和數(shù)字信源。,數(shù)字通信的特點(diǎn),信號(hào)容易再生，抗干擾能力強(qiáng)；,便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理（如差錯(cuò)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(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的綜合傳輸。（數(shù)字信號(hào)的處理、傳輸、存儲(chǔ)……）,1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式,調(diào)制方式分類(lèi),按傳輸信號(hào)的特征分類(lèi),按傳輸媒介分類(lèi),按傳輸信號(hào)的復(fù)用方式分類(lèi),按通信方式分類(lèi),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(shí)收發(fā)的工作方式全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式,,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(hào)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,,第1章緒論,串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)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其他分類(lèi)方式：同步通信和異步通信專(zhuān)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(lèi)無(wú)關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無(wú)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(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(lái)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(shè)：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(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＝?；滿(mǎn)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(duì)數(shù)的底：若a=2，信息量的單位稱(chēng)為比特(bit)，可簡(jiǎn)記為b若a=e，信息量的單位稱(chēng)為奈特(nat)，若a=10，信息量的單位稱(chēng)為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有(b)【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)輸出的信息含量為在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)作1比特,,,第1章緒論,若有M個(gè)等概率波形（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。,,,第1章緒論,對(duì)于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)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(hào)所含平均信息量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱(chēng)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(gè)符號(hào)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(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)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(gè)符號(hào)，故該消息的信息量每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為,,,,第1章緒論,若用熵的概念來(lái)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(hào)數(shù)的增加而減小。當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)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(lái)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(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題。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(wèn)題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：可用有效傳輸頻帶來(lái)度量?？煽啃裕嚎捎媒邮斩俗罱K輸出信噪比來(lái)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(lái)衡量。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(jiǎn)記為B。式中T－碼元的持續(xù)時(shí)間（秒）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(jiǎn)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(jìn)制數(shù)字信號(hào)：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。對(duì)于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)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(chēng)誤比特率在二進(jìn)制中有,,,,,,數(shù)字話(huà)音通信：要求Pb在10-3～10-6之間；計(jì)算機(jī)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(hào)與數(shù)字信號(hào)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(jì)算方法5.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),本章作業(yè)習(xí)題：1－1，2，3，7，9，10,