1、通 信 原 理,1,通 信 原 理,张 伟 zhang_,2,通信原理：讨论什么？,通 信 原 理,如何传输信息？ 本门课程：信息传输的最基本的问题：简单基本的信道特征、信号在信道上的传输方法 研究的方法：数学模型，特别是概率模型。,3,通信原理：有什么用？,通 信 原 理,解决信息如何传输的最基本的原理。这些原理几乎适用目前的所有通信系统。是进一步研究通信系统的基础。 通信专业的学生的必备的基础知识。 一个知识系统，本身就具备了解的价值。 无论技术怎么发展，学校的课程怎么改革，基础的知识系统不会改变。,4,通信原理：系列课程中的地位,通 信 原 理,一、基础：数学，物理 二、专业基础：信号与
2、系统 电路分析 电磁学 三、专业基础：通信原理 电子电路 数字逻辑 计算机原理 信息论 数据结构 微波技术 天线 交换 通信网 专业课：移动通信 卫星通信 等等,5,通信原理：关系密切的先修课程,通 信 原 理,概率论与随机过程 线性代数 信号与系统,6,关于课程,通 信 原 理,学习方式：课堂教学/课后作业 考试方式：闭卷 成绩评定：70%考试成绩 + 30%平,7,主要参考书,通 信 原 理,樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社 周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社 曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社 Digital and Analog Communication System
3、s Edition). 清华大学出版社 Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业出版社 J.G.Proakis. Digital Communication(4rd Edition). 电子工业出版社 通信原理习题,8,课程的基本内容,通 信 原 理,通信基本概念 确定信号和随机信号分析 模拟调制系统 数字基带传输系统 正弦载波数字调制系统 数字信号的最佳接收 模拟信号的数字传输,9,通 信 原 理,第1章 绪论,什么是通信？ 通信的发展简史 通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信息及其度量 通信系统的主要性能指标 信道及其模型 噪声,10,1.
4、 什么是通信?,通 信 原 理,通信就是互通信息 本课程一般指电信，即远距离通信（telecommunication） 电报 电话 Etc.,11,1. 什么是通信?,通 信 原 理,通信：交流，传递消息；信息的传输与交换 消息文字、图象、符号、声音. 信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压(电流)。 通信系统中传送的是信号. 通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应,2. 通信的发展简史,通 信 原 理,12,最早的电通信设想,1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出
5、了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。,通 信 原 理,13,最早的有线电报,1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机, 发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。,莫尔斯发出第一封 电报设备的复制品,通 信 原 理,14,最早的有
6、线电话,1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,Alekander Graham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。 1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。,贝尔获得电话 的专利证书,通 信 原 理,15,电磁波的发现,1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实
7、了电磁波的存在。,通 信 原 理,16,最早的无线通信,1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。,波波夫实验用的无线电接收机,通 信 原 理,17,人类首次远距离无线电通信,1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。,通
8、 信 原 理,18,影响通信发展的重要发明或理论,1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。 1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。 1938年，电视广播开播。 1941年，John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。 1947年，贝尔实验室的Steve O.Rice给出了噪声的统计描述。,通 信 原 理,19,1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。,1948年，Claude E.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：,C 信道容量 B 信号带宽 S/N 信号与噪声的功率之比,影响
9、通信发展的重要发明或理论,通 信 原 理,20,1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。 1958年，发明了集成电路。 1964年，电子电话交换机投入使用。 1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。,影响通信发展的重要发明或理论,通 信 原 理,21,1976年，出现个人计算机。 1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。 1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。 1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署 。 1
10、995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。,影响通信发展的重要发明或理论,通 信 原 理,22,23,3. 通信系统的组成(1),通 信 原 理,通信系统模型,信息源,24,3. 通信系统的组成(2),通 信 原 理,模拟通信和数字通信 模拟(连续)消息：状态连续变化，例如语音，图像数字(离散)消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据 模拟信号：载荷消息的电参量连续取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值 模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报,25,模拟信号,通 信 原 理,26,数字信号,通 信 原 理,27,3. 通信系统的组成
11、(3),通 信 原 理,模拟通信系统模型,模拟信息源,基带 信号,已调 信号,已调 信号,基带 信号,28,3. 通信系统的组成(4),通 信 原 理,数字通信系统模型,29,3. 通信系统的组成(5),通 信 原 理,数字通信的优点： 抗干扰能力强(消除噪声积累；差错可控) 便于处理和管理，便于传输和交换 便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变换、存储，形成智能网； 便于集成化，微型化； 便于加密处理 数字通信的缺点： 频带利用率低：一路模拟电话：4KHz，接近同样话音质量的一路数字电话：64K。 对同步要求高，系统设备比较复杂。,30,通 信 原 理,31,3. 通信系统的组成(6),
12、通 信 原 理,两种应用 利用数字通信系统传送模拟消息 A/D，D/A变换，例如电话 利用模拟通信系统传送数字信号 加装数字终端，例如调制解调器,32,4 通信系统的分类(1),通 信 原 理,根据信号特征 模拟通信系统 数字通信系统 根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等 根据调制方式 基带传输： 频带传输： 根据传输媒介 有线传输 无线传输,33,4 通信系统的分类(2),通 信 原 理,根据信号复用方式 频分复用(FDM) 时分复用(TDM) 码分复用(CDM),34,4 通信系统的分类(3),通 信 原 理,按消息传送方向与时间关系 单工：遥测、遥控、寻呼 半双工：无线电对讲机(
13、同一载频) 全双工通信：电话,35,4 通信系统的分类(4),通 信 原 理,按数字信号的码元排列方法 串行传输：远距离数字通信 并行传输：近距离数字通信,36,5 信息及其度量(1),通 信 原 理,信息：消息中包含的有意义的内容 信息的度量：信息量 与消息的种类及重要程度无关 事件的不确定程度越大，信息量越大 消息 x 中所含信息量 I 与消息出现概率 P(x) I (x) = I P(x) I 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I = 若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和I (x1 , x2 , ) = I P(x1) + I
14、 P(x2) +,37,5 信息及其度量(2),通 信 原 理,信息量 I 的定义a =2: 比特(bit) a =e: 奈特(nit) a =10: 哈特莱,38,5 信息及其度量(3),通 信 原 理,离散消息的度量,设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且,各符号 x1 x2 xn 所包含的信息量分别为,每个符号所含信息量的统计平均值(平均信息量)为,39,5 信息及其度量(4),通 信 原 理,信息源的最大熵如果各符号x1 x2 xn等概出现，即P(xi)=1/n，则有,结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时,用平均信息量计算消息的信息量若消息传送的符号总数为m，则 I
15、 = m H(x) (bit)例:信息源由独立等概的符号0, 1组成，n = 2, H(x)=1bit/符号，符号数与比特数相等。,40,5 信息及其度量(5),通 信 原 理,例 一信息源由四个符号0, 1, 2, 3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。试求某个消息201020130(57个符号：023, 114, 213, 37)的信息量。,41,6. 主要性能指标(1),通 信 原 理,有效性： 可靠性： 信息论观点，有效性和可靠性常常是一对矛盾。,42,6. 主要性能指标(2),通 信 原 理,实现最佳通信系统设计的关键。 设计原
16、则(基本出发点)：在一定代价下使系统最优化 在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去提高系统的有效性； 在一定有效性的要求下，如何最大限度地去提高可靠性。 这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基本动力,43,6. 主要性能指标(3),通 信 原 理,模拟通信系统的性能指标 有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。显然信道的传输频带越宽，则能够容纳的信息量就越大。 可靠性：均方误差 输出信噪比(仅考虑加性干扰)：接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比(SNR) 电话：SNR 40dB, 话音清晰度95% 电视：SNR = 4060dB,44,6. 主要性能指标(4),通 信 原 理,离散数字信号
17、的表示 离散信源的 N = 2k 种可能状态可以用 k 位二进制数字或一位 N 进制数字表示 用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或 N 进制数字 这个间隔称为符号/码元长度 间隔内的信号称为符号/码元(二进制或 N 进制),AB C D,00 01 10 11,0 1 2 3,45,6. 主要性能指标(5),通 信 原 理,数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率 符号(码元)传输速率：每秒钟传送的符号数量，单位为“波特”(baud或B)，又称传码率 信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为“比特/秒”(bit/s)，又称传信率 符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为Rs，信息速率为R
18、b，每个符号有 N 种可能状态，则有,Rb Rs log2 N (bit/s) Rs Rb /log2 N (baud),频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hz或Baud/Hz,46,6. 主要性能指标(6),通 信 原 理,误符号率(误码率) ：符号在传输系统中被传错的概率误比特率(误信率)：符号信息量在传输系统中被丢失的概率,47,7. 信道(1),通 信 原 理,信道的定义：,48,7. 信道(2),通 信 原 理,信道模型 调制信道模型: 对于单“端对”信道eo(t) = f ei(t) + n(t) 式中 ei(t) 输入的已调信号；eo(t) 输出信号；n(t)
19、 加性噪声，它与ei(t)相互独立。f ei(t) 与输入有关的一个函数,表示信道对于信号的影响。,49,7. 信道(3),通 信 原 理,通常， f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t)，此时， eo(t) = k(t) ei(t) + n(t) 其中k(t)表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。k(t) 一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟 等。最简单情况：k(t) = 常数，表示衰减。当k(t) =常数，称为恒(定)参(量)信道例如，同轴电缆当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道例如，移动蜂窝网通信信道,50,7. 信道(4),通 信 原 理,编码信道模型: 二进制信号、无记忆信道，其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率P(0/1), P(1/0) 错误转移概率转移概率 决定于编码信道的特性P(0/0) = 1 - P(1/0)P(1/1) = 1 - P(0/1),51,8. 信道中的噪声,通 信 原 理,按照来源分类： 人为噪声：电火花、家用电器 自然噪声：闪电、大气噪声、热噪声 按照性质分类： 脉冲噪声 窄带噪声 起伏噪声 今后讨论通信系统时主要涉及：白噪声 热噪声是一种典型白噪声。,52,9. 作业,通 信 原 理,1.21.5,通 信 原 理,53,Thank You,
