通信原理课件

通信原理简明教程南利平目录•绪论•预备知识•模拟线性调制•模拟角调制•模拟信号的波形编码•数字信号的基带传输•数字信号的调制传输•现代数字调制技术•差错控制编码现代通信与信息社会语言文字图像人力马力电话、广播信鸽、邮政电报Email烽火台电视视频会议信息社会信号弹1绪论1.1通信和通信系统的一般概念1、通信的目的：传递消息中所包含的信息。2、消息的表达形式：语言、文字、图像、数据等3、实现通信的方式：目前最广泛的是电通信4、电通信的概念：用电信号携带所要传递的消息，然后经过各种电信道进行传输，达到通信的目的。5、电通信的优势：能使消息几乎在任意的通信距离上实现迅速而又准确的传递。6、按媒质的不同，通信方式分为：有线通信：用导线作为传输媒质：如架空明线、电缆。。。无线通信：利用无线电波在空间的传播7、通信系统的定义：为完成通信任务所需要的一切技术设备和传输媒质所构成的总体。8、通信系统的组成受信者输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器噪声源信息源1.2通信系统的分类•传输方式：基带传输，频带传输•复用方式：频分，时分，码分和空分•调制方式连续波脉冲调制ASK，FSK，PSK，QAM线性AM，SSB，VSB非线性FM，PM模拟数字模拟数字PAM，PPMPCM，ADPCM，CVSD，△M音频或视频信号音频或视频放大调制高频功放高频放大混频中频放大解调音频或视频功放本地振荡高频放大倍频高频振荡无线模拟发送、接收系统方框图音频或视频信号音频或视频放大信源编码信道编码高频放大倍频高频振荡调制高频功放高频放大混频中频放大解调音频或视频功放本地振荡信道译码信源译码无线数字频带传输发送、接收系统方框图无线电通信波段1.3通信技术发展概况1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立1864麦克斯韦尔电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话1876贝尔电话1956越洋电话铺设1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电数字传输理论高速计算机1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通讯1940二战刺激雷达和微波系统发展1980SLSI长波光纤通信ISDN3G塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。1826年至1842年任美国画家协会主席。在一次远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克逊把话题转到电磁感应现象上。从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于1836年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍然继续从事电报发明工作。终于在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝创造了何等的奇迹!”1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文《论物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（MaxPlankl858—1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝世时，年仅37岁。1886年29岁发现电磁波，其后不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。信息论的创始人香农Shannon，1916年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代数。1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。后来，香农到贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。无失真变长信源编码定理(香农第一定理)有噪信道编码定理(香农第二定理)保真准则下信源编码定理(香农第三定理)1.4.1信息量1、信息的概念：收信者在收到消息之前对消息的不确定性。注：消息出现的可能性越小，则此消息携带的信息越多。2、信息量：衡量信息多少的物理量⑴信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关⑵信息量应该是消息出现概率的单调递减函数⑶当有若干个互相独立的消息，则信息量还应满足相加性的条件3、信息量的定义：（离散消息的信息量）当对数以2为底时，信息量的单位为比特（bit）;以e为底时，为奈特（nit）1.4信息及其度量1()loglog()()iiiIxPxPx1.4.2平均信息量1、对以串符号构成的消息，设各符号的出现是相互独立的，则：1log()NiiiInPx2、平均信息量（信息的熵）1()()log()NiiiHxPxPx注意：单位是bit/sym则总信息量为：()IHxn3、当信源中每种符号出现的概率相等，且各符号的出现为统计独立时，H(x)最大max111()loglogNiHxNNN注：工程上常用比特表示二进制码的位数1.5通信系统的质量指标1、包含：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。其中有效性和可靠性最为重要。2、有效性：传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间）可靠性：是接收信息的准确程度注：两者之间相互矛盾，相互依赖1.5.1模拟通信系统的质量指标1、有效性：用有效传输带宽来度量频带宽度越窄，有效性越好2、可靠性：用接收端最终的输出信噪比来度量信噪比越大，通信质量越高注：信噪比是由信号功率和传输中引入的噪声功率决定的。1.5.2数字通信系统的质量指标1、有效性：用传输速率和频带利用率来衡量（1）传输速率sR单位时间传输的码元数单位：码元/秒（baud）bR单位时间传输的信息量单位：bit/s两者关系：22log(bit/s)(Baud)logbsbsRRMRRM注：波特率与码元进制数无关，只与码元的持续时间（码元宽度）有关。（2）频带利用率：码元频带利用率：(/)ssRbaudHzB信息频带利用率：(/())bbRbitsHzB2、可靠性：用差错率来衡量bsPP错误比特数误比特率传输总比特数错误码元数误码元率传输的总码元数作业：1.11.21.41.61.82预备知识2.2.3信号的能量谱与功率谱1、能量信号：2()Eftdt该积分值为有限时信号为能量信号2、功率信号：/22/21lim()TTTPftdtT若信号能量趋于无穷大，且此积分为大于零的有限值，则为功率信号。注：对于能量信号，可用其频谱密度函数及信号的能量谱密度函数来描述；对于功率信号，常用信号的功率谱来描述功率信号。这是时间信号的另一个重要特征。周期信号时功率信号，非周期信号可以是功率信号，也可以是能量信号。3、巴塞伐尔定理（重要）221()()2ftdtFd221()nftdtnTF能量信号周期信号()E()P2.2.4波形的互相关和自相关（相关是信号检测和提取的方法）通常用相关函数衡量波形之间关联或相似程度。相关函数是描述两个波形信号（或一个波形信号）在间隔时间的两点上的信号取值互相依赖程度的函数，相关函数值越大，表明依赖程度越大，相关性越强。1、互相关函数12()Rt对两能量信号12()()ftft、则1212()()()Rtfftd对两功率信号，则/21212/21()lim()()TTTRtfftdT对两周期为T的信号，则/21212/21()()()TTRtfftdT2、互相关函数的重要特性：①若对所有的t,,则两个信号为互不相关②当时，互相关函数表达式中与的前后次序不同，结果不同，即而有12()0Rt0t1()ft2()ft1221()()RtRt1221()()RtRt③当t=0时，12(0)R表示12()()ftft、在无时差时的相关性。④12（归一化相关系数）1213、自相关函数()Rt（两信号形式完全相同）4、自相关函数的重要特性5、相关函数与能量谱密度或功率谱密度之间的确定关系12212()()()()()(t)()()()(t)E()RtFFRFFFR能量信号互能量谱密度(t)P()R（功率信号）（维纳辛钦关系）综上所诉，一个信号的自相关函数与其谱密度之间有确定的傅里叶变换关系。只要变换是存在的，则傅里叶变换的所有运算性质都适用于自相关函数与谱密度之间。6、信号带宽定义的方法①根据占总能量或总功率的百分数确定带宽。20202()90%(95%,99%)2lim()90%(95%,99%)BBTFfdfEFfdfP或或或②根据能量谱或功率谱从最大值到下降3dB处所对应的频率间隔定义带宽。③满足等式()P()2(0)2(0)EfdffdfBBEP或的带宽称为等效矩形带宽2.2.6希尔伯特变换1、希尔伯特变换的定义11()()[()]()()1()()[()]fftHftdtftftftftHftdt和称为希尔伯特变换对1()()*ftftt2、频域的变换11()(),0()sgn,0htHttjHjj结论：由2jej和2jej可看出希尔伯特变换等效为一个理想相移器，在0域相移2，在0域相移23、希尔伯特变换的性质2.2.7解析信号在通信系统中，常常借助于一种复信号即解析信号来分析一些频带信号（即频谱集中在某一频率附近的信号），特别是利用解析信号表示窄带信