通信原理第1章.ppt

1、同济大学浙江学院通 信 原 理主讲教师：李凯本课程重要性及相关课程 电子信息类通信技术专业的核心专业基础课技术，研究生入学考试的考试内容。重要性：以信号与系统概率论信息论通信电子线路为基础，为学习移动通信光纤通信计算机通信等后继专业课打下基础。相关课程：教材及参考书目教材及参考书目 教材：通信原理教程樊昌信主编，电子工业出版社。樊昌信主编，电子工业出版社。特点：较经典的通信理论，很多高校选用教材，考研指定教材。参考书目：通信原理王秉钧主编，清华大学出版社王秉钧主编，清华大学出版社 特点：内容丰富，技术先进，与当前的先进通信技术结合较好。现代通信原理曹志刚主编，清华大学出版社曹志刚主编，清华大学

2、出版社 特点：数学推导较多，理论全面，适合深入研究者。本课程主要内容 主要学习通信的主要学习通信的基础理论知识和基本技术基础理论知识和基本技术，掌握，掌握通信系统通信系统一般问题一般问题的分析方法，了解当前先进的通信的分析方法，了解当前先进的通信技术。技术。五个部分：五个部分：1 1，基础知识，基础知识 2 2，模拟通信，模拟通信 3 3，数字通信，数字通信 4 4，通信中同步，通信中同步 5 5，先进的通信技术，先进的通信技术第1章 绪论1.了解通信基本概念，了解通信基本概念，掌握通信系统的基本模型掌握通信系统的基本模型2.了解通信系统分类与通信方式了解通信系统分类与通信方式3.掌握信息量的

3、计算方法掌握信息量的计算方法4.了解信道和噪声了解信道和噪声5.掌握通信系统的主要性能指标掌握通信系统的主要性能指标1.1 1.1 通信与通信系统通信与通信系统一、通信的定义 通信：把信息从一个地方传输到另一个地方，通信：把信息从一个地方传输到另一个地方，即即“信息传输信息传输”。实时通信：实时通信：发送端信号一产生接收端几乎同时（微小的传输时延）能发送端信号一产生接收端几乎同时（微小的传输时延）能 收到信号，如电话（收到信号，如电话（电通信电通信）。）。非实时通信：非实时通信：发送端信号产生后不能直接到达接收端，而需要进行发送端信号产生后不能直接到达接收端，而需要进行 缓存、处理、等待、存储

4、再现等，存在较大传输时延，缓存、处理、等待、存储再现等，存在较大传输时延，如邮政信件类（如邮政信件类（运动通信运动通信）、录像节目（）、录像节目（电通信电通信）。）。按照信息传输时延的大小可分：按照信息传输时延的大小可分：1.1 通信与通信系统二、通信系统二、通信系统基本基本模型模型1.1 通信与通信系统二、通信系统二、通信系统基本基本模型模型信源：产生消息（人或机器）发信机：转换为适合于在信道中传输的信号，包括变换、调制、编码信道：信号传输媒介（有线和无线）收信机：信号转换为消息，包括解调、解码收信者（信宿）：消息传输的目标对象（人或机器）将完成通信的全部设备和传输媒介根据共性可概括为：1.

5、1 通信与通信系统三、模拟通信、数字通信和数据通信模拟通信系统数字通信系统数据通信：数据通信：如果如果信源信源本身发出的消息是本身发出的消息是数字数字形式的信号形式的信号（数字、字母或符号），无论（数字、字母或符号），无论传输方式传输方式是模拟的是模拟的还是数字的，均称为数据通信。还是数字的，均称为数据通信。按按信道中传输信道中传输的信号可将通信系统分为：的信号可将通信系统分为：模拟通信系统：模拟通信系统中两种重要变换：模拟通信系统中两种重要变换：（1 1）非电信号与电信号相互变换，）非电信号与电信号相互变换，如话机的话筒和听筒。如话机的话筒和听筒。（2 2）基带信号基带信号与与调制信号调制信

6、号的变换；的变换；为什么将基带信号转化成调制信号？为什么将基带信号转化成调制信号？（1 1）基带信号具有较低的频谱分量，低频不适合天线辐射。）基带信号具有较低的频谱分量，低频不适合天线辐射。（2 2）低频成分易受外界干扰。）低频成分易受外界干扰。将低频基带信号转换成适合信道传输的射频信号，该转将低频基带信号转换成适合信道传输的射频信号，该转换过程称为换过程称为调制调制，调制后的信号称为，调制后的信号称为调制信号或已调信号调制信号或已调信号。基带信号：基带信号：信源输出的信号为基带信号，即没有经过转信源输出的信号为基带信号，即没有经过转换的原始电信号，一般为换的原始电信号，一般为低频低频信号，如

7、图像信号信号，如图像信号为为06MHz06MHz，语音信号为，语音信号为3003400Hz3003400Hz。低频信号低频信号射频信号射频信号频谱搬移频谱搬移（3 3）实现信道的复用。）实现信道的复用。数字通信系统：1.1 通信与通信系统（1 1）易于计算机相连，实现网络通信；）易于计算机相连，实现网络通信；（2 2）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（3 3）能远距离通信；）能远距离通信；（4 4）易于加密处理；）易于加密处理；（5 5）易于集成实现；）易于集成实现；数字通信系统的特点1.1 通信与通信系统 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失真和恢复(a)失真的数字信号失真的数字信号(b)

8、中继站整形后的数字信号中继站整形后的数字信号1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类一、通信系统的分类根据通信业务分类：话音（电话）、非话音（电报、数据、图像等）（业务可相互兼容）根据传输媒介分类：有线通信、无线通信根据传输信号分类：模拟通信系统、数字通信系统根据调制方式分类：基带传输、频带传输根据复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用、空分复用二、通信方式二、通信方式广播、寻呼、遥控对讲机电话1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式（按消息传送方向与时间的关系分）优点：节省传输时间优点：节省传输时间缺点：通路较多缺点：通路较多 适合近距离通信适合

9、近距离通信适合远距离通信二、通信方式1.2 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式（按数字信号的排列顺序分）1.3 信息及其度量信息及其度量信息量大小与事件的什么因素有关？“明天降雨量将有一毫米明天降雨量将有一毫米”-信息量小信息量小 “明天降雨量将达到一米明天降雨量将达到一米”-信息量大信息量大“明日太阳将从东方升起明日太阳将从东方升起”-信息量零信息量零 信息量的大小与消息对人体大脑皮层的刺激程度有关，而消息发生的信息量的大小与消息对人体大脑皮层的刺激程度有关，而消息发生的概率越大，对大脑皮层的刺激越小，消息发生的概率越小，对大脑皮层的概率越大，对大脑皮层的刺激越小，消息发生的概率越

10、小，对大脑皮层的刺激越大。刺激越大。信息量大小与事件发生概率有关！例例1.3 信息及其度量信息及其度量一、信息量 如果对数底a=2，则信息量单位为比特（bit）如果对数底a=e，则信息量单位为奈特（nit）如果对数底a=10，则信息量单位为（哈特莱）消息事件出现的概率消息事件出现的概率（单消息事件）单位：求一个求一个m位的二进制数的自信息量。位的二进制数的自信息量。例例解：解：需求需求m位位2进制数出现的概率。进制数出现的概率。m位位2进制数有多少个？进制数有多少个？若等概出现，则概率为多少？若等概出现，则概率为多少？自信息量为：自信息量为：1.3 信息及其度量信息及其度量2022/11/10

11、23l离散独立非等概消息的信息量离散独立非等概消息的信息量（1 1）平均信息量）平均信息量信息熵信息熵H(X)H(X)信源符号集中每个符号所包含的平均信息量，称为信源熵。信源符号集中每个符号所包含的平均信息量，称为信源熵。设离散信源的概率为：设离散信源的概率为：2022/11/1024则信源的熵为：则信源的熵为：（2 2）总信息量）总信息量若某符号集的熵为若某符号集的熵为H(X),H(X),则当符号集发送则当符号集发送m m个符号个符号（组成一则消息）时，所发送的总信息量为（组成一则消息）时，所发送的总信息量为：当信源中每个符号等概率独立出现时，信源的熵有当信源中每个符号等概率独立出现时，信源

12、的熵有最大值。此时，最大值。此时，P(xP(xi i)=1/M)=1/M，则则2022/11/1025数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标有效性和可靠性的关系（速度有效性和可靠性的关系（速度-质量）质量）l传输速率：传输速率：n码元速率码元速率R RB B:波特波特(Baud),(Baud),单位时间内传输的码元数目单位时间内传输的码元数目n信息速率信息速率R Rb b :比特比特/秒秒(b/s),(b/s),单位时间内传输的信息量单位时间内传输的信息量 对对M M 进制：每个码元所含的信息量进制：每个码元所含的信息量I IM M loglog2 2 M M（等概时）（等概时）

13、则则 R Rb b=R RB B loglog2 2 MMn消消息息速速率率R RM M：单单位位时时间间内内传传输输的的消消息息数数目目。传传输输文文字字时时单单位位是是“字字/s/s”。在在不不同同的的系系统统中中消消息息速速率率与与码码元元速率的关系是不同的。速率的关系是不同的。2022/11/1026l错误率：错误率：n误码率误码率P Pe e=错误接收码元数错误接收码元数/传输码元总数传输码元总数n误比特率误比特率P Pb b=错误接收比特数错误接收比特数/传输总比特数传输总比特数n误码率和误比特率的关系误码率和误比特率的关系 对于二进制，误码率和误比特率相等，对于对于二进制，误码率

14、和误比特率相等，对于MM进制，进制，则则 P Pb b=P Pe e *MM/2(/2(MM-1)-1)P Pe e/2/2（MM较大时）较大时）l频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率，与所频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率，与所采用的调制及编码方式有关。采用的调制及编码方式有关。l能量利用率：传输一比特所需的信号能量。能量利用率：传输一比特所需的信号能量。1.4.1 有线信道光纤架空明线双绞线同轴电缆1.4.2 无线信道对流层对流层地球地球010 km电离层电离层60300 km平流层平流层 低频（2MHz以下）无线电波沿着地球表面传播。主要传播特点：电磁波的绕射，有较强的穿透海水

15、和土壤的能力，通信距离可达数百Km。应用范围：低频及甚低频远距离无线电导航、广播、对潜通信等。1 1、地波传播、地波传播2、天波传播、天波传播优点：传输损耗小、可利用较小功率进行远距离（4000Km）通信。缺点：由于电离层的特点，会产生多径传输、衰落、极化面旋转甚至 中断通信等。频率范围频率范围230MHz230MHz的信号经由电离层反射的一种传播方式。的信号经由电离层反射的一种传播方式。3、视距传播视距传播 频率大于30MHz的信号将穿透电离层，不能被反射回来，而且沿地面绕射能力也很弱，因此只能类似光波那样做视线传播，称为视距传播，即在发射天线和接收天线间能相互看见的距离内，电波直接从发射点

16、沿直线传到接收点的一种传播方式。当信号频率大于30M且发射端和接收端距离较远时，可在发射端和接收端中途增设一些中继天线来完成远距离通信，此时称为无线电视距中继信道。4、无线电视距中继信道5、卫星中继信道：利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号。四、信道模型四、信道模型1、广义信道发信者发信者收信者收信者 e eo o(t t)=)=f f e ei i(t t)+)+n n(t t)式中：式中：式中：式中：e ei i(t t)：输入信号；输入信号；输入信号；输入信号；e eo o(t t)：输出信号；：输出信号；：输出信号；：输出信号；n n(t t)：加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与加性噪声，它与e ei i(t t)相互独立。相互独立。相互独立。相互独立。f f e ei i(t)(t)：与输入有关的函数：与输入有关的函数：与输入有关的函数：与输入有关的函数,表示信道对信号的影响。表示信道对信号的影响。表示信道对信号的影响。表示信道对信号的影响。四、信道模型四、信道模型2、调制信道模型叠加有噪声的时变线性网络e ei i(t t)e eo o(t t)调制调制调制调制