01 第一章 通信原理绪论.pptx

第1页：通信原理

通信原理

第2页：教学参考书

教学参考书

• 教材：樊昌信，《通信原理》
• 参考书
• 曹志刚，《现代通信原理》
• 南利平，《通信原理简明教程》
• Simon Haykin，《通信系统》

第3页：教学内容和重点《通信原理》将

教学内容和重点《通信原理》将

以通信系统为背景，主要讲述信息传输的通信理论。内容包括：通信系统基本概念随机信号分析信道建模模拟信号调制技术数字信号基带传输数字信号频带传输模拟信号的数字化传输同步技术重点以数字通信为主，以上内容作为信息类学生必须掌握的知识，以作为进一步深入该领域的先修知识

第4页：教学要求

教学要求

• 了解通信系统的组成和性能指标
• 了解信道噪声的特性
• 掌握模拟调制的原理和性能
• 掌握数字信号基带传输的原理和性能
• 掌握数字调制的原理和性能
• 掌握脉冲编码调制的原理
• 了解数字同步技术的基本原理
• 能够对通信系统的常见信号和噪声进行分析，了解基本传输理论

第5页：学好通信的经验

学好通信的经验

• 选修几门基础课程，掌握通信信号的分析方法信号与系统移动通信信息论与编码概率论随机过程通信系统原理通信电路原理卫星通信光纤通信数字通信
• 掌握信号传输的基本原理
• 多做练习

第6页：第1章绪论

第1章绪论

• 引言
• 通信系统的组成
• 通信系统的分类
• 信息及度量
• 通信系统的主要性能指标

第7页：一、通信的概念

一、通信的概念

通信的定义克服距离上的障碍，快速、准确地传输交换信息。communication，信息交流Telecommunication，电信号的处理和传输1.1引言

第8页：通信的目的：传递消息中所包含的信息

通信的目的：传递消息中所包含的信息

• 消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。
• 信息：是消息中包含的有效内容。
• 实现通信的方式：
• 非电的：如旌旗、消息树、烽火台…
• 电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。

第9页：信息社会

信息社会

信息网，通信网多媒体信息语言文字图像人力马力电话、广播邮政电报Email烽火台电视信息社会

第10页：二、通信发展简史

二、通信发展简史

• 19世纪电通信（电报、电话）
• 20世纪前50年：模拟通信（真空管、电视、电话）
• 20世纪后50年：数字通信（shannon信息论、晶体管、计算机）
• 从模拟->数字通信

第11页：通信技术发展历史事件

通信技术发展历史事件

• 通信技术发展历史事件1.有线通信1799年Volta发明电池
• 1858年第一条横跨大西洋的越洋电报电缆建成
• 1875年E. Baudet发明定长信源码
• 1837年S. Morse发明电报（变长度信源码）1844年华盛顿—巴尔的摩电报演示

第12页：1906年De Forest发明电子三极管放大

1906年De Forest发明电子三极管放大

• 1915年实现横跨美洲大陆的电话
• 二次大战和经济大萧条推迟了越洋电话业务
• 1953年建立第一条横越大西洋电话电缆
• 1897年Strowger发明步进制自动交换
• 1960年Bell实验室发明数字交换
• 在过去50年中电话有极大发展，光纤代替铜缆
• 1876年Bell申请电话专利
• 1877年建立Bell电话公司

第13页：无线通信

无线通信

• 1831年Faraday发现导线作切割磁力线运动产生感应电流
• 1864年Maxwell提出电磁场方程，预言电磁波存在

第14页：无线电报和电话

无线电报和电话

1895年Marconi发明的无线电报，传输2公里；1897年Marconi申请无线电报专利，建立无线电报公司；1901年12月12日Marconi在加拿大纽芬兰岛收到从英国Cornwall发出的无线信号，传输距离1700mile.1900年专利《调谐电话》获得批准，专利号为No.7777；

同年公司改名为Marconi公司；1907年获诺贝尔物理奖

第15页：广播1904年Flemin发明电子二极管

广播1904年Flemin发明电子二极管

• 1906年De Forest发明电子三极管放大
• 1920年AM广播在美国Pittsburgh开通
• 在一次大战中E. Armstrong发明超外差AM接收机
• 1933年E. Armstrong发明FM
• 1929年美国人Zworykin发明电视
• 1933年英国BBC广播电视开通

第16页：1955年Bell实验室皮尔斯（Pirece）提

1955年Bell实验室皮尔斯（Pirece）提

• 1955年Bell实验室皮尔斯（Pirece）提出卫星通信
• 1962年Telstar I卫星发射，转播欧、美之间电视广播
• 1965年发射商用通信卫星
• 1947年Brattain, Bardeen, Shockley发明晶体管
• 3.近50年来通信的发展1958年Townes, Schawlow发明激光
• 1966年英国学者高昆（K.C.Kao）与霍克汗姆预言光纤损耗可以降到20db/km以下，使光纤通信成为可能
• 1958年Kilby发明集成电路

第17页：70年代末Bell实验室提出蜂窝式无线移

70年代末Bell实验室提出蜂窝式无线移

动通信网；2G→3G→B3G->4G；Clinton总统給R. Frenkiel授奖

第18页：1924年奈奎斯特（Nyquist）研究表明

1924年奈奎斯特（Nyquist）研究表明

带宽为W的信道最多可以支持每秒2W个符号的无码间干扰传输，现代数字通信的开端。1928年维纳（Wiener）提出滤波理论和预测理论，奠定了控制论；1943年诺斯（D.O.North）提出了匹配滤波器理论；

1947年苏联学者卡捷尔尼可夫（Kotelnikov）发展了信号的几何表示理论，并建立了信号的潜在抗干扰理论；上世纪40年代，赖斯（O.Rice）关于随机噪声的数学研究；三、通信系统理论研究

第19页：1948年Shannon建立信息论

1948年Shannon建立信息论

通信的数学理论）1950年Hamming提出纠错编码；之后在Shannon理论指导下，各种信道纠错编码，信源压缩编码，调制方式，多用户通信理论，网络理论，扩谱理论，多天线理论，合作通信理论等蓬勃发展起来；

C. Shannon (1916-2001

第20页：四、通信技术领域

四、通信技术领域

• 电缆通信
• 微波中继通信
• 光纤通信
• 卫星通信
• 移动通信
• 计算机通信

第21页：通信的发展动态一

通信的发展动态一

电话网的发展网络能力：建成了以光缆为主，微波、卫星综合利用，固定电话、移动通信、多媒体通信多网并存的大容量、高速度、安全可靠的电信网先进技术：SDH（10Gb/s），光复用技术（波分复用、时分复用、码分复用）光交换技术、全光网二、移动通信第一代：AMPS、TACS、NMT——模拟第二代：GSM (Global System for Mobile)、IS-95 CDMA、PDC__数字第三代：WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA

第22页：4G关键技术

4G关键技术

OFDM技术信道编码技术MIMO技术高阶调制高性能的接收机智能天线技术HARQ自适应技术三、计算机互联网（Internet）1.网络宽带化增加骨干网带宽IP over ATM(IP Over Asynchronous Transfer Mode)IP over SDH/SONET (Synchronous Optical Network)Internet接入速率提高

第23页：协议不断改进IPV

协议不断改进IPV

IPV63、应用与电信业务结合发展（1）Internet与电话结合——Internet电话（2）Internet与传真结合——Internet传真（3）Internet与电子商务结合——Internet电子商务（4）Internet与寻呼系统结合——Internet寻呼（5）Internet与会议电视结合——Internet会议电视四、三网融合三网：电信网、有线电视网、计算机网三网融合的技术基础：数字技术、光通信技术、软件技术、TCP/IP协议

第24页：以蜂窝移动通信系统为例

以蜂窝移动通信系统为例

第25页：通信系统传递消息所需的一切技术

通信系统传递消息所需的一切技术

设备的总和一、通信系统的一般模型1.2通信系统的组成信源发送设备信道接收设备信宿噪声

第26页：信源/信宿

信源/信宿

• 信源：消息->电信号有模拟和数字之分
• 信宿：电信号->消息
• 信道
• 传输信号的通道，信道特性不理想和噪声导致信号传输畸变。有无线和有线之分。
• 发送/接收设备
• 将信源信号->适于在信道中传输的信号

第27页：语音:采用300–3100 Hz频段

语音:采用300–3100 Hz频段

• 音乐:最高15 kHz
• 图片
• 动态(例如电视)或静态(例如传真)
• 宽带信号
• 计算机数据
• 美国标准信息交换码(ASCII)
• 宽带信号
• 突发性数据
• 压缩四种基本类型的信源信号:

第28页：两种基本的通信方式

两种基本的通信方式

• 广播
• 一对多的通信
• 单方向信息传输
• 例如无线广播和电视
• 点到点的通信
• 一对一的通信
• 双向信息传输
• 例如电话和卫星通信
• 通信系统的共同特征:
• 本质上都是随机信号的传输

第29页：发送功率:发送信号的平均功率

发送功率:发送信号的平均功率

• 信道带宽:分配给发射信号的频率带宽
• 两种类型的通信信道:
• 功率受限:例如卫星信道
• 带宽受限:例如电话线路主要的通信资源

第30页：二、模拟通信系统和数字通信系统模型

二、模拟通信系统和数字通信系统模型

• 模拟信号和数字信号
• 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压(a)话音信号(b)抽样信号模拟信号

第31页：数字信号

数字信号

代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号(b) 2PSK信号数字信号

第32页：调制的目的？（1）模拟通信系统模型

调制的目的？（1）模拟通信系统模型

信源调制信道解调信宿噪声基带信号频带信号

第33页：通信系统中的发送与接收设备---调幅

通信系统中的发送与接收设备---调幅

发射机方框原理图缓冲级倍频器放大级调制器高频功放振荡器低频功放低频放大

第34页：超外差接收机方框原理图高频放大混频

超外差接收机方框原理图高频放大混频

器中频放大解调器低频放大输入回路自动增益控制本地振荡器

第35页：数字通信系统模型信道噪声信源信源编

数字通信系统模型信道噪声信源信源编

信源编码信道编码调制解调信道译码信源译码信宿

第36页：信源编码与译码目

信源编码与译码目

• 提高信息传输的有效性
• 完成模/数转换
• 信道编码与译码：增强抗干扰能力
• 加密与解密：保证所传信息的安全
• 数字调制与解调：形成适合在信道中传输的带通信号
• 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致

第37页：数字通信系统的例子

数字通信系统的例子

第38页：三、数字通信系统特点

三、数字通信系统特点

• 系统复杂,包括
• 信源编码-译码
• 信道编码-译码
• 调制-解调
• 容易构造
• 系统高效可靠随着VLSI电路的快速发展,数字通信日益流行

第39页：模拟通信系统特点

模拟通信系统特点

• 系统结构简单
• 构造困难
• 线性要求严格
• 系统调试困难要求高速度和低功耗的通信系统可考虑采用模拟方式。

第40页：数字通信系统Vs模拟通信

数字通信系统Vs模拟通信

• 优点
• 信源便于加密
• 传输可靠、差错可控
• 便于信号的处理
• 可以进行综合业务传输
• 代价
• 需要更多的系统带宽换取可靠性
• 技术更加复杂，要求同步

第41页：通信业务电话、数据、图像

通信业务电话、数据、图像

• 信号特征模拟、数字
• 工作波段长波、中波、短波通信…
• 传输媒介无线、有线1.3通信系统的分类

第42页：传输方式：基带传输，频带传输

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

第43页：通信方式

通信方式

单工

消息只能单方向传输的工作方式

半双工

通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式

全双工

通信双方可同时进行收发消息的工作方式

第44页：并行传输

并行传输

将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要n条通信线路，成本高并行传输和串行传输

第45页：将数字信号码元序列以串行方式一个码

将数字信号码元序列以串行方式一个码

• 将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施
• 其他分类方式：
• 同步通信和异步通信
• 专线通信和网通信串行传输

第46页：1.4信息及其度量

1.4信息及其度量

信息

是消息的内容

消息

是信息的形式Hartley和香农(C.E.Shannon)从消息的统计特性出发，从信息的不确定性和概率测度的角度定义了通信中信息量的概念，并给出了信息度量的方法。

第47页：如何度量离散消息中所含的信息量?

如何度量离散消息中所含的信息量?

• 度量信息量的原则
• 能度量任何消息，并与消息的种类无关。
• 度量方法应该与消息的重要程度无关。
• 消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。

第48页：度量信息量的方法

度量信息量的方法

• 事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大设：P(x)－消息发生的概率，I－消息中所含的信息量，
• 则P(x)和I之间应该有如下关系：
• I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]
• P(x)
• ，I
• ；P(x)
• ，I
• ；P(x) = 1时，I＝0；P(x) = 0时，I＝
• ；
• 满足上述3条件的关系式如下：－信息量的定义

第49页：一、单一符号的信息量u1u2u3…uN，ui

一、单一符号的信息量u1u2u3…uN，ui

• {xj},j=1,…,k,概率为P(xj)
• Hartley定义
• 单位：
• 对数以2为底，单位为比特(bit)
• 对数以e为底，单位为奈特(nit)
• 对数以10为底，单位为哈特莱(Hartley)

第50页：例设一个二进制离散信源

例设一个二进制离散信源

• 【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为
• 在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特

第51页：等概情形

等概情形

• 若有M个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为
• 若M是2的整幂次，即M= 2k，则有当M= 4时，即4进制波形，I= 2比特，当M= 8时，即8进制波形，I= 3比特。

第52页：非等概情形

非等概情形

• 离散信源
• 连续信源
• 独立：不独立：
• 描述方法：随机过程

第53页：二、独立离散信源的平均信息量

二、独立离散信源的平均信息量

• u1u2u3…uN，ui
• {xi},i=1,…,M,概率为P(xi)，则信源的平均信息量(熵)为：bit/符号由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵

第54页：两个例子说明熵定义的合理性[例1]设X

两个例子说明熵定义的合理性[例1]设X

Y、Z是三个二元随机变量，它们的概率分布分别为

第55页：[例2]设随机变量X等可能地取4个值

[例2]设随机变量X等可能地取4个值

而Y等可能地取二个值，即

第56页：三、信源的最大熵

三、信源的最大熵

• 不等概信源
• 等概信源

第57页：例1一离散信源由“0”，“1”

例1一离散信源由“0”，“1”

1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。

【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为

第58页：若用熵的概念来计算

若用熵的概念来计算

则该消息的信息量以上两种结果略有差别的原因在于，前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便

第59页：连续消息的信息量关于连续消息

连续消息的信息量关于连续消息

的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)－连续消息出现的概率密度

第60页：1.5通信系统主要性能指标

1.5通信系统主要性能指标

通信系统的主要性能指标

有效性和可靠性

有效性

指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。

可靠性

指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。

第61页：一、有效性

一、有效性

模拟通信系统

有效传输频带

数字通信系统

传输速率和频带利用率

第62页：①符号速率

①符号速率

码元速率)：每秒传送的符号数目，用RB表示,单位“波特（Baud）”。②比特速率(信息速率)：每秒传送的比特数目，用Rb表示，单位是“比特/秒（bit/s，bps）”。式中T－码元的持续时间（秒）（1）信息速率或

第63页：码元速率和信息速率的关系

码元速率和信息速率的关系

• 对于二进制数字信号：M= 2，码元速率和信息速率在数量上相等。
• 对于多进制，例如在八进制（M= 8）中，若码元速率为1200 B，，则信息速率为3600 b/s。

第64页：频带利用率定义为单位带宽

频带利用率定义为单位带宽

位带宽（1赫兹）内的传输速率，频带利用率和调制方式与编码方式有关。频带利用率：（Baud/Hz

第65页：指接收信息的准确程度

指接收信息的准确程度

模拟系统

输出信噪比(dB)

语音

>20dB

图像

>40dB (4级)二、可靠性

第66页：数字系统的可靠性

数字系统的可靠性

• 用误码率、误信率、误帧率表示。
• 误码率
• 误信率，又称误比特率在二进制中有PCM语音：Pb<10-3Data信息：Pb<10-6
• 误帧率：=错误码字数（误帧数）/总码字数（总帧数）

第67页：第1章绪论：小结

第1章绪论：小结

• 小结
• 通信的目的、电信发明史
• 数字/模拟通信系统的模型及各部分功能
• 通信系统的分类：基带、频带
• 数字通信相比模拟通信系统特点
• 通信的方式：单工、(半)全双工通信;并/串行传输
• 信息及其度量:符号信息量和平均信息量
• 数字/模拟通信系统的有效性和可靠性指标