通信原理电子教案

第一讲绪论[键入文字]问题讨论1：谈谈对通信的认识。如：你见到过或接触的与通信相关的内容有些什么？列举一些通信的实例。可以得出通信的概念：克服距离上的障碍，交换和传递信息，将信息从发送者传送到接收者的整个过程。问题讨论2：通信原理应该解决通信过程中的哪些问题？你对什么技术最感兴趣？你想要的通信方式是怎样的？通信原理的授课内容：调制技术、模拟信号数字化技术；数字基带传输技术；数字频带传输技术；复用技术与同步原理；差错控制技术等。通信技术的发展：电报、无线电、电话、电视(模拟)、数字通信技术、计算机网络、卫星通信、光纤通信等。通信的基本知识：１、消息：被传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等，是信息的载体。２、信号：指消息的电量形式，与消息是一一对应的。基带信号：信源发出的未经调制的信号。频带信号：经过调制具有较高频率的信号。３、信息：是事物的状态及其随时间发生的变化反映。指消息中的有效内容，可以用量化的形式来表示，它与消息出现的概率密切相关。通信系统的组成及分类通信系统的一般模型１、信息源实际上是一个转换设备，它将消息转换成原始的电信号。可分为：模拟信源和数字信源。２、发送设备的基本功能是将信息源产生的消息信号转换成适合信道中传输的信号，即完成信息源与信道的匹配功能。模拟通信系统通过调制将信号进行频谱搬移，数字通信系统采用抽样编码、扰码、调制等方式进行匹配。第一讲绪论[键入文字]３、信道是指传输信息的通道，即信号传输的媒介。可分为有线信道和无线信道。４、接收设备主要完成发送设备的反变换功能，如解调、译码等。接收设备是从带有干扰的接收信号中正确分离出相应的原始电信号，因而接收设备的质量将直接决定通信的质量。５、收信者也叫信宿，它将原始的电信号恢复成相应的消息。调制及调制的目的１、模拟通信系统发送设备的核心是调制器。原始信号大都属于基带信号范畴，如话音信号：300~3400Ｈz，图像信号0~6MHz。这些信号不适合在信道中直接传输，要经过调制。２、调制：发送设备的核心是调制器，就是用基带信号m(t)去控制载波c(t)的某个参数，使这个参数随调制信号m(t)的规律成比例变化。３、调制的目的提高信号频率以便天线辐射改变信号占用带宽实现信道复用改善系统性能模拟通信系统模型数字基带通信模型第一讲绪论[键入文字]数字通信系统模型数字系统编码信源编码和信道编码信源编码：实现模拟信号数字化，数据压缩等信道编码：使数字信号与信道传输匹配；实现保密通信及差错控制等。数字通信系统的主要优缺点1、更好的抗失真和干扰的能力2、容易实现，成本低，更具灵活性3、差错控制编码4、容易实现保密通信5、更适合数字业务，容易实现多网合一缺点：数字信号具有更宽的频带同步设备复杂第二讲绪论[键入文字]通信系统的分类按照通信的业务和用途常规通信、控制通信按照调制方式基带通信、调制通信按照传输信号特征模拟通信、数字通信按照传输信号的复用方式频分复用、时分复用、码分复用按照通信方式单工通信、半双工通信、全双工通信按照传输媒介有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆）无线通信（微波中继通信、卫星通信、移动通信）按照工作波长长波通信、中波通信、短波通信、微波通信通信系统的常用信道有线信道：同轴电缆、光纤等无线信道：微波通信通信系统的性能度量有效性、可靠性、标准性、经济性、适应性、保密性等。有效性与可靠性是主要指标。有效性是指在给定信道和时间内传输信息的多少。可靠性是通信系统传输信息质量上的象征，指的是接收信息的准确程度。模拟通信中，有效性与可靠性由传输带宽和信噪比保证。数字通信中，有效性与可靠性由传输速率和误码率、误比特率保证。数字通信的传输速率码元：携带消息的信号单元，通常是多元数码，也可以是二元数码。码元传输速率Rs：单位时间内传输的码元个数，单位为波特(Baud)。信息传输速率Rb：单位时间内传输的信息量(或者是比特数)，单位是比特/第二讲绪论[键入文字]秒,bit/s,bps。1个N进制码元，用二元码表示应有多少比特(bit)？Rb=Rs.log2Nbit/s例1-1：已知某八进制数字传输系统，发送端在3秒钟内共发送9600个码元。计算该系统的码元传输速率和信息传输速率。误码率Pb与误比特率Pe误码率Pb与误比特率Pe的关系：当二元码传输时，两者相等，其它情况下2(1)ebNPPN,其中Ｎ为进制数。例1-2:已知某四进制数字传输系统，其信息传输速率为2400bit/s，接收端在一小时内共接收到216个错误码元，计算该系统的误码率和误比特率。频带利用率：单位频带内的码元传输速率，单位为波特/赫兹（Baud/Hz）,显然系统的频带利用率越高，则系统的有效性越好。例1-3:在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为355Mbit，假设系统的信息速率为1200Kbps。（1）系统的误比特率。（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码元传输速率。第三讲香农定理[键入文字]信息量和熵信息量：信息多少的量度。1928年R.V.L.哈特莱首先提出信息定量化的初步设想，他将消息数的对数定义为信息量。信源熵：信源各个离散消息的信息量的数学期望（即概率加权的统计平均值）信源熵的单位是Bit/sign。哈特莱信息度量关系若以2为底时单位是“比特”（bit）若以e为底时单位是“奈特”（nat）若以10为底时单位是“哈特”（Hart）例2-1:已知某离散信源由A、B、C、D四个符号组成，其发送概率分别为符号ABCD概率1/41/81/21/8若每个符号的出现都是统计独立的。求传送“BABCCDBDCBBAAB”所包含的信息量。离散信源的熵离散信源的熵即指离散信源的平均信息量。21()()log()miiiHXpxpx例2-2：求上例离散信源的熵。)(log)(1logxpxpIaa第三讲香农定理[键入文字]最大离散熵定理当且仅当各消息出现概率相等时，2()logHXm信道容量指信道在无差错传输信息时的最大信息传输速率。它反映了信道的传输能力。香农定理2log(1)SCBN，C:信道容量(bit/s)B：传输带宽S/N：信噪比香农公式的重要结论1、当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越大。当噪声功率趋近0时，信道容量趋近无穷。2、当接收端的信噪比一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也越大。当信道带宽趋于无穷时，信道容量并不趋于无穷，而是趋于一个固定值。0222200000limlimlog(1)limlog(1)limlog(1)log1.44BBBBnBSSSSSSCBBeNnBnSnBnn3、当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过增加系统的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求，即以牺牲系统的有效性来换取系统的可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。例2-3：例：已知彩色电视图像由500000个像素组成，设每个像素有64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。计算：1）每秒传送100个画面所需的信道容量。2）若接收机的信噪比为30dB，则所需的传输带宽为多少。第三讲香农定理[键入文字]例.如果一个由字母ABCD组成的字，将每个字母用两位二进制脉冲编码，其中00代表A，01代表B，10代表C，11代表D，每位宽度为5ms。（1）当不同的字母等概出现时，计算传输的平均信息速率。（2）若每个字母出现的概率分别为PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10,计算传输的信息速率。例.在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为355Mbit，假设系统的信息速率为1200Kbps。（1）系统的误比特率。（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码元传输速率。例.某信息源包含XYZW四个符号，这四个符号出现的概率相等，传输时采用二进制进行，已知信息传输速率为1Mbps。（1）码元传输速率（2）该信息源工作一小时后发出的信息量第四讲复习与作业评讲[键入文字]第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]调制的概念用基带信号(调制信号)去控制载波的某一个参数，使这个参数随调制信号的规律成比例的变化。经过调制以后的信号称为已调信号。调制的目的及功能1、利于信号辐射：通过调制技术将低通型的信息信号的频谱搬移到较高的频率上，从而进行有效的辐射。２、实现信道复用和频率分配：调制可以实现多个信号在同一个信道中同时传输，以提高信道频带的利用率。３、提高抗干扰性：信息传输系统抗干扰的能力是衡量系统性能优劣的一个重要标准，选择合适的调制方式，可以改进系统的抗干扰能力。调制的分类1.按调制信号不同来划分：①模拟调制：调制信号是连续变化的模拟量。②数字调制：调制信号是离散的数字量2.按载波信号不同划分：①连续波调制：载波信号是连续波形。②脉冲调制：载波信号是脉冲波形。3.按调制实现的功能不同来划分：①幅度调制：载波信号的幅度随调制信号线性变化的调制。②频率调制：载波信号的频率随调制信号线性变化的调制。③相位调制：载波信号的相位随调制信号线性变化的调制。4.按调制器的传输函数来划分：①线性调制：已调信号的频谱与输入调制信号的频谱之间是线性搬移②非线性调制：已调信号频谱与输入调制信号的频谱之间是非线性搬移第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]幅度调制(连续波模拟调制)，它属于线性调制。模拟调制的分类AMDSB幅度调制SSB模拟调制VSBFM角度调制PM常规双边带调幅(AM)一、调幅信号的时间表示及产生如果输出已调信号的幅度与输入调制信号是线性对应关系，或者说载波的幅度在平均值处随调制信号线性变化，且载波是单频余弦信号时，就称为常规双边带调幅(标准调幅)。0()[()]cosAMcstftAt从时间波形上可以看出，要使AM信号的波形与输入信号成比例变化，应该满足：0max()Aft这时已调信号的包络与调制信号成线性关系，如果不满足这个条件，则将出现过调制现象，已调波就会出现失真。第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]过调制如果A0不够大，已调信号的包络不一定与f(t)成正比，这样无法采用包络检波的方法检出其包络，无法无失真地恢复消息信号f(t)。此时已调信号的包络与调制信号之间已无线性的对应关系，包络与调制信号相比，出现了严重的失真，通常称这种现象为过调制。二、AM信号的频谱00()[()]cos1()[()()][()()]2AMcAMccccstAfttsAFF2AMmBW，已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。由于已调信号的频谱只是把基带信号的频谱搬移到了0处,而没有产生新的频谱成分，因此标准调幅属于线性调制。第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]单频调制()cosmmftAt0000()(cos)cos(1cos)cos(1cos)cosmAMmmcmcAMmcAstAAttAttAAtt其中：AM为调制指数，11AMAM不会产生过调制产生过调制第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]1AM1AM第五讲模拟调制技术(AM和DSB)[键入文字]1AM常规双边带调幅的特点已调信号的包络与调制信号成线性关系(正比)。已调信号的频谱中，在载波处有两个冲激，但不携带调制信号信息，且需要消耗大量功率。已调信号频谱中具有两个上下对称的边带分量，所以已调信号的传输带宽是调制信号带宽的两倍。抑制载波双边带调幅(DSB-SC)双边带调制的时间表示式()()cosDSBCstftt已调信号的频谱为1()[()()]2DSBccsFF2DSBmBW双边带调制信号的频谱是基带信号的线性搬移，它也是线性调制DSB的特点已调信号的包络与调制信号不再呈线性关系，已调信号中无直流功率。已调信号频谱中具有两个上下