通信原理课件第一章.ppt

通信原理电子科技大学成都学院电子信息工程系CommunicationTheory王珂Email：[e-mail]2课程任务及目的本课程以数字通信原理为重点，讲述通信系统的组成、性能指标、工作原理性能分析和设计方法.通过本课程的学习，使大家掌握有关的通信技术及方法，了解通信技术在计算机、电子工程、自动控制、通信工程等信息科学技术领域的许多应用。3教材及参考文献教材《通信原理》（第2版），樊昌信等编著，（北京）电子工业出版社参考文献《现代通信原理》曹志刚、钱亚生编著，清华大学出版社《现代通信原理与技术》张辉、曹丽娜编著，西安电子科技大学出版社《通信原理》（第五版），樊昌信等编著4第1章概论1.1通信的发展1.2消息、信息和信号1.3数字通信1.4信道1.5信道中的噪声1.6小结51.1通信的发展我们所熟悉的通信原始的光通信：利用有或无光信号表示有或无“敌情”；二进制数字通信典故：周幽王烽火戏诸侯古代：击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信、快马传书等等这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。61.1通信的发展通信的定义：传递信息通信方式：运动通信（利用人力或机械的方式传递信息）电通信（利用电传递信息）71.1通信的发展早期电通信的发展1820年安培(A.M.Ampere)电报通信1838年莫尔斯(seSamuelF.B.Morse)电报通信的实用阶段1876年贝尔(A.G.Bell)电话数字通信的开始模拟通信的开始81.1通信的发展近代电通信的发展在20世纪前半叶，由于电话通信的实时性和交互式都比电报更便于使用，所以这种采用模拟通信技术的电话通信技术和电话通信网，比电报得到更加快速和广泛的发展。20世纪60年代以后，随着半导体、计算机和激光技术的出现和发展，传输字符和计算机数据的数字通信技术进入高级发展阶段。当今信息社会，通信与传感、计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”，从某种程度上，可以说通信技术的发达程度反映了一个社会的现代化程度。91.2消息、信息和信号一、消息、信息和信号的定义消息：语音、文字、图形、图像等信息：消息中包含的有效内容（有意义的内容）★不同形式的消息可以载有相同内容的信息信号：消息的载体★通信系统中传输的是信号101.2消息、信息和信号二、信息及其度量信息量：是评价传输信息多少的一种度量。在一切有意义的通信中，同样的消息包含的信息量可能不同。例：“明天降雨量将有一毫米”--信息量小“明天降雨量将达到一米”--信息量大“明日太阳将从东方升起”--信息量零★消息中确有可能包含不同的信息量，消息所表达的事件越不可能发生，越使人意外，则信息量越大。因此，我们可以从事件的不确定程度，即其发生的概率来描述信息量的大小。11事件的不确定程度可以用其出现的概率来表述。消息中所含的信息量I可以按如下方法定义：消息中所含的信息量I是出现该消息的概率P(x)的函数，即I=I[P(x)]消息出现的概率越小，它所含的信息量越大；反之信息量越小，且当P(x)=1时，I=0。若干个独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即I[P(x1)P(x2)…]=I[P(x1)]+I[P(x2)]+…1.2消息、信息和信号12若要满足上述定义，则I与P(x)间的关系式应当满足)(log)(1logxpxpIaaI代表两种含义：当事件x发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。上式中信息量单位的确定取决于对数底a的确定。若a=2，则信息量I的单位为比特（bit）；若a=e，则信息量I的单位为奈特（nit）；若a=10，则信息量I的单位为哈特莱（hartley）。通常广泛适用的单位是比特。1.2消息、信息和信号13若需要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，且认为每一消息的出现概率是相同的。当M=2时，P(x)=1/2；则信息量为221loglog21()1/2Ibit221loglog(bit)1/IMM对于M2时，P(x)=1/M；则信息量为如果M是2的整次幂，即M=2K(K=1,2,3,…),则信息量为22loglog2(bit)kIMk等概率出现的离散消息的信息含量1.2消息、信息和信号14设离散消息源是一个有n个符号组成的集合，符号集中的每一个符号在消息中是按一定概率独立出现的，设符号集中各符号出现的概率为，并且有ixiP(x)12n12nx,x,,xP(x),P(x),,P(x)nii1P(x)1不等概出现的离散消息的度量1.2消息、信息和信号15则所包含的信息量分别是则每个符号所包含信息量的统计平均值为12nx,x,,x21222nlogP(x),logP(x),,logP(x)121222n2nHP(x)logP(x)P(x)logP(x)P(x)logP(x)ni2ii1P(x)logP(x)(/bit符号）1.2消息、信息和信号平均信息量显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时有最大值。161.3.1基本概念1.3数字通信1、信号的分类（按取值方式不同）连续信号（模拟信号）：是指取值连续的信号，如语音信号；离散信号（数字信号）：是指取值离散的信号，如代表文字的编码、计算机数据等。★区分模拟信号和数字信号的准绳，是看其取值是连续的还是离散的，而不是看时间。171.3数字通信模拟信号数字信号ts(t)ts(t)s(t)t码元ts(t)图1.3.1模拟信号和数字信号18按消息的物理特征分类电报电话数据图像★随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都可以在统一的综合业务通信网中传送。1.3数字通信2、通信系统的分类19按调制方式分类1.3数字通信基带调制频带调制按传输媒介分类有线通信系统无线通信系统按信号复用方式分类频分复用通信系统时分复用通信系统码分复用通信系统20按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统1.3数字通信通信系统设计的基本问题之一就是解决噪声和干扰的影响。模拟通信系统要求－高保真度准则－信号噪声功率（电压）比手段－参量估值方法数字通信系统要求－正确准则－错误率手段－统计判决理论21对于点对点之间的通信，按照消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为发收发收收发发收收发单工通信：消息只能单方向传输的工作方式；如遥测、遥控半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式；如对讲机全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式。如电话1.3数字通信3、通信方式22在数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，有串行传输和并行传输之分。串行传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个一个地在信道中传输；并行传输：将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。发送设备接收设备(a)串行传输发送设备接收设备（b）并行传输图1-6串行和并行方式传输1.3数字通信23图1.3.2数字信号波形的失真和恢复(a)失真的数字信号波形(b)中继站整形后的数字信号波形1.3数字通信1.3.2数字通信的优点取值有限，在失真没有超过定值的情况下，能正确接收；241.3.2数字通信的优点1.3数字通信可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性；数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制。可采用高保密性能的数字加密技术；数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。可综合传输各种模拟和数字输入信号；易于设计、制造，体积小、重量轻；可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率；输出信噪比随带宽按指数规律增长。25数字通信的缺点1.占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。2.数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。不过，随着光纤等的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。1.3数字通信261、通信系统模型信息源受信者发送设备信道接收设备噪声源接收端发送端基站（MBS)移动用户（MSS)图1-1通信系统的一般模型1.3数字通信1.3.3数字通信系统模型27信息源：把需要传输的消息转换为原始电信号；发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中传输，发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道；接收设备：接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信息；噪声源：是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。1.3数字通信282.数字通信系统模型1.3数字通信图1.3.3数字通信系统模型发送端接收端信源信道编码调制信道压缩编码解调信宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码29各部分功能信源：把消息转换成电信号的设备；信源编码：减小数字信号的冗余，提高数字信号的有效性；信道编码：提高信号传输的可靠性；调制：使经过编码的信号特性与信道特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输；（区分基带信号与频带信号）信道：信号传输的通道，分为基带信道和带通信道；噪声：外来干扰以及系统内部各个元器件产生的总的噪声；同步：从发送信号中提取的同步信息，以便接收端准确知道接收的数字信号中每个符号（码元）的起止时刻。1.3数字通信30模拟通信系统模型图1.3.4模拟通信系统模型发送端接收端噪声调制信道解调信宿信源1.3数字通信31通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等等，但是，从研究消息的传输来说，通信的有效性与可靠性将是主要的矛盾所在。有效性：是指消息传输的“速度”问题；可靠性：是指消息传输的“质量”问题。在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者，在维持一定有效性下，使消息传送质量尽可能提高。1.3数字通信1.3.4数字通信系统的性能指标32传输速率(三种定义)数字通信系统的有效性指标用传输速率和差错率来表征。1.码元速率RB，单位时间传输的码元数目，单位为波特(B)。2.信息速率Rb，单位时间传输的信息量，单位为比特/秒(b/s)。3.消息速率RM，单位时间传输的消息数目，传输文字时单位为字/s。1.3数字通信33在二进制下，码元速率与信息速率在数值上相等，即Rb=RB2，但两者单位不同。在M进制下有Rb=RBlog2M(bit/s)RB=Rb/log2M(B)码元速率与信息速率的关系（等概情况下）1.3数字通信34差错率(三种定义)1.误码率(Pe)：指错误接收码元数目在传输码元总数中所占的比例。Pe=错误接收码元/传输的码元总数；2.误比特率(Pb)：指错误接收比特数在传输总比特数中所占的比例。Pb=错误接收比特数/传输总比特数；3.误字率(Pw)：指错误接收字数在传输总字数中所占的比例。1.3数字通信35•误码率和误比特率的关系在传输二进制码时有：Pb=Pe当M大时，Pb=PexM/[2(M-1)]Pe/2•误字率和误比特率的关系对于二进制，若一个字由k比特组成，则Pw＝1–(1–Pe)k误码率与误比特率、误字率的关系1.3数字通信频道利用率：单位频带内所能达到的信息速率；能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。36研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，它突出了影响通信质量的关键部件。在这里强调了调制和解调在通信系统中的重要作用，对数字通信来说，编码和解码也是很重要的。M个等概率出现的离散消息的信息量；非等概率出现的离散消息的每个符号所含的平均信息量。通常从信号传输的有效性和可靠性两方面来衡量通信质量的好坏。对数字通信系统为传输速率和误码率。1.3数字通信37例题例1-1.某数字通信系统用正弦载波的四个相位0、π/2、π、3π/2来传输信息，这四个相位是互相独立的。(1)每秒钟内这四个相位出现的次数都为250，求此通信系统的码速率和信息速率。(2)每秒钟内0、π/2、π、3π/2出现的次数分别为500、125、125、250，求此