1、1,教师：董文会 电话：15253437596 邮箱：dongwh_,通信原理,2,关于本课程,课程介绍 通信原理是通信工程、电子信息工程专业、信息处理等专业学生的必修课，还是相关专业硕士研究生入学考试科目之一。课程的主要任务是比较全面系统地讲述现代通信系统的基本原理、基本性能和基本分析方法。内容主要覆盖模拟/数字调制、信源/信道编码、信道、扩频通信等等。,3,先修课程高等数学 概率论与随机过程线性代数 信号与系统 线性电路基础 模拟电子线路数字电子线路,4,课程内容 本学期16周，本课程周3学时，共48学时。第1章绪论。第3章随机过程。第4章信道。第5章模拟调制系统。第6章数字基带传输。第7
2、章数字带通传输。第9章模拟信号的数字传输。,考核方式,平时成绩(作业+实验) ，期末考试（闭卷）。,5,通信原理（第六版），樊昌信等编,国防工业出版社. 现代通信原理，曹志刚等编，清华大学出版社 通信原理，周炯磐等编，北京邮电大学出版社. 通信原理学习辅导与考研指导(第6版)，曹丽娜等，国防工业出版社,教材及参考书目,6,1.1通信的基本概念 1.2通信系统的组成 1.3通信系统分类及通信方式 1.4信息及其度量 1.5主要性能指标 习题 本章重点 本章思考 作业,第1章 绪论,7,常用通信术语模拟信号与数字信号的区别通信系统的组成和分类、通信方式数字通信系统的主要特点离散消息的信息量，平均信
3、息量（信源熵）通信系统的主要性能指标,学习目标,8,1.通信(Communication) ：是指信息的传输与交换(即：transmitting information) 。利用“电平”来传递信息的方式称为“电通信”，简称通信。,1.1引言,当前与通信有关的行业：邮电、气象、广播、电视、航空、航海、计算机网络、军事、地质、金融、商业等。,任务：克服空间障碍，迅速，准确的传递信息。,9,消息（message)：待于传输的语音、图像以及电 报、文字、数据等。,2. 几个常用术语,信号（signal)：消息的物理体现，与消息一一对应的电量，是消息的物质载体。,10,信息（information)：信
4、息是认识主体（人、生物、机器）可感受到的或所表达的事物的运动状态或运动状态的变化方式。隐含在消息中抽象的东西，或者对接收者来说事先不知道的消息。信息是消息的实质、抽象的意识或知识；是消息中有意义的内容。,3.实现通信的方式和手段 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。,11,1.2通信系统的组成,1.2.1通信系统的一般模型 通信系统(communication system)：是指实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。,12,信源（信息源） 信源是发出信息的源。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。 信
5、源的作用是将各种可能的消息转换成原始的电信号，称为消息信号或基带信号。 信源可以是数字信源，输出离散的数字信号；也可以是模拟信源，输出模拟信号。,13,发送设备 发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。 变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。 发送设备还包括为达到某些特殊要求而进行的种种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。,14,信道 信道：传输信号的物理媒质,或传输的通道 信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。 信道既给信号以通路，也要对信号产生各种干扰。 传输媒介
6、的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。,15,干扰源（噪声源 ） 噪声源：通信系统中各种干扰的集中体现。不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道所固有的。 噪声的来源多样：内部噪声和外部噪声 外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。,16,接收设备 接收设备：完成发送设备的反变换（解调、译码、解码等），即从带有干扰的信号中正确恢复出原始电信号来。对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,17,信宿（受信者） 信宿是传输信息的归宿点。 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,18,1.2.2模拟通信系统模型和数字通
7、信系统模型,1、模拟信号和数字信号按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号。,模拟信号 信号参量取值是连续的或取无穷多个值的信号，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如下图所示的脉冲振幅调制信号。,19,数字信号 信号参量只能取有限个值的信号，并且常常不直接与消息相对应的信号。 如电报信号、计算机输入/输出信号等。 数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。,20,2.模拟通信系统模型 模拟通信系统：是利用模拟信号来传
8、递信息的通信系统。（信道中传输的是模拟信号）,状态连续的模拟信源,进行频谱搬移，将来自信源的基带信号变成适合在信道传输的已调信号的设备,将已调信号还原为基带信号，与调制相反过程的设备,21,已调信号有三个基本特征： 携带有信息 适合在信道中传输 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。,两种变换 连续消息与基带信号的变换（非电信号与电信号的变换） 基带信号与频带信号之间的变换,22,实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为
9、是理想的而不予讨论。,23,模拟通信的主要特点 1）抗干扰能力差 2）不易于保密通信 3）设备不易于大规模集成 4）不适应飞速发展的计算机通信的要求 5）简单、易于实现,24,数字通信系统模型方框图,3.数字通信系统模型数字通信：用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、数字数据等数字信号，也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。,25,信源编码与译码 作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。 作用二: 是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源
10、编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。第9章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。 信源译码是信源编码的逆过程。,26,加密与解密 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。加密编码可以采用周期非常长的伪随机序列，甚至采用完全无规律的噪声码。 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。,27,信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护
11、成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。 接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。 信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。,28,数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处， 形成适合在信道中传输的频带信号。 基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。 对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。,29,同步 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。 按照同步的
12、功用不同，可分为：载波同步、位同步、群同步和网同步,30,如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时， 数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输 数字电话系统 数字信号也可以在模拟通信系统中传输 计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。 模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。,31,数字通信的基本特征：它传送的信号是“离散”的或数字的，强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。 数字通
13、信的主要特点 1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。 2）需要保密时可对基带信号人为“扰乱” 加密、解密3）传输中是按节拍逐个传送脉冲单元信号，称之为码元。 收发须同步控制。,32,相对于模拟通信系统来说，主要有以下两个缺点：数字信号占用的频带宽。模拟电话4KHz,数字电话20-64KHz.对同步要求高，系统设备比较复杂。,数字通信的优点：1)数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声的积累2)传输差错可以控制,从而改善了传输质量3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理4)数字信息易于作高保密性的加密处理5)数字信息可以综合传递各种消息,使通信
14、系统功能增强,33,1.3通信系统分类与通信方式,1.3.1通信系统的分类 说明：根据不同的目的，通信系统有不同的分类方法。 1.按消息的物理特征分类： 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统。 2.按调制方式分类：根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。 基带传输 是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。 频带传输 是对各种信号调制后传输的总称。,34,35,36,3.按信号特征分类：按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。 4.按传输媒质分类：按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两
15、大类。 有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、 光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。 无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。,37,6.按信号复用方式分类：传输多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围。时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间。码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号，主要用于空间通信的扩频通信中。,5.按工作波段分类：按通信设备的工作频率不同分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红
16、外线通信等。,38,按消息传递的方向与时间关系分：通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。 单工通信：是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。,1.3.2通信方式,39,半双工通信：是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。,40,全双工通信： 是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。,41,在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。 并行传输：是将代表信息的数字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。,42,串行传输：是数字序列以串行
17、方式一个接一个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 措施通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,43,信号是消息的载体，而信息是其内涵。 对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。 根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。 消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。 信息量：恒量信息多少的物理量，是对消息中不确定性的度量，是用统计方法来定性的。,1.4 信息及其度量,一 信息的描述,44,消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系反映如下规律： （1）消
18、息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即（2）消息出现的概率愈小，它所包含信息量愈大；反之信息量愈小。且（3）若干个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的和,也就是说，信息具有相加性：,45,可以看出与间应满足以上三点，则它们有如下关系式：( 1.4-1),信息量 I 的单位与对数的底数a有关：a=2时， 信息量的单位为比特(bit)； a=e时， 信息量的单位为奈特(nit)； a=10时，信息量的单位为哈特莱(hart)。 目前广泛使用的单位为比特。,46,二 信息的度量,1、独立等概率出现的离散消息,1）设有二进制，等概率出现的离散消息，0、1消息 p (x1
19、 )=p (x2 )= 1/2,结论：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为1 bit。,47,2） 对M进制，等概率出现的离散消息0，1， 2 , , M-1 消息 p( x1 )=p (x2 )= =1/M,从波形上看，M进制有M种波性，每一种波形等概率出现， 所以M 是波形数，p (xi ) = 1/M 是每一波形出现的概率。,( 1.4-4),48,综上所述，只要每一传送波形是独立等概出现的，则一个波形所能传送的信息量为：(bit) （1.47） 或(bit) （1.48）,49,设离散信息源有n个符号组成，各符号出现的概率为且 则每个符号所含平均信息量为：( 1.4-6 )由于 同热
20、力学中的熵形式一样，故通常称之为信息源的熵，单位为bit/符号。,2、非等概情况,50,可以证明，信息源的最大熵发生在信息源中每个符号等概独立出现时，此时最大熵为( bit/符号 ),总信息量： 若符号集的平均信息量为H(x)，则当该符号集发送m个符号（从而组成一则消息）所发送的信息量为：,51,例1.4.1 一离散信源由0、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20102013021300120321 0100321010023102002010312032100120210的信息量。,解 此消息中，0出现23
21、次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为,每个符号的算术平均信息量为,52,总,若用熵的概念来计算， 由式（1.4 - 9）得,可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。,53,3 连续消息的信息量用概率密度来描述 f (x),54,1.5主要性能指标,通信的任务是快速、准确地传递信息；因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性 是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 是指接收信息的准确程度，
22、也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。,55,1、有效传输带宽（有效性）同样的消息采用的调制方式不同，则所需带宽不同。频带宽度越窄，有效性越好。,一、模拟通信系统的性能指标,2、接收端输出信噪比（可靠性） 用接收端最终的输出信噪比（SN）来度量可靠性，信噪比越大，通信质量越高。信噪比是由信号功率和传输中引入的噪声功率所决定的。,56,二、数字通信系统的性能指标,数字信号的描述：二进制：0、1 两个状态N 进制：0、1、2 N-1 N个状态,进制之间的相互转换关系：例：N = 4 表示4进制的每个状态可用2位二进制状态描述； 若为小数，则取大于此值的第一个
23、整数。,57,码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间隔称为码元长度。在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。同理 N 进制的每个码元时间上也等长。,数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。 可靠性可用差错率来衡量。 ,58,1. 传输速率 码元传输速率RB:简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud）,记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:,59,通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由
24、于N进制的一个码元可以用 log2N个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，N进制的码元速率RBN与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系： RB2=RBNlog2N (B) ,60,信息传输速率Rb: 简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s 或 b/s 或bps。,Rb=RBH (b/s) 式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量。,每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即:,61,等概传输时，熵有最大值log2N，信息速率也达到最大，即 Rb=RBN log2 N (b/
25、s) (1.5 - 1) 或 RB= ,式中，N为符号的进制数。例如码元速率为1200B，采用八进制（N=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（N=2）时， 信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率。 ,62,频带利用率,数字信号的传输带宽B取决于码元速率RB，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率， 又可定义频带利用率为：,单位频带内的码元传输速率。即：,63,2. 差错率衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率， 常用误码率和误信率表示。 ,误信率（信息差错率）Pb是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的
26、比例，(码元的信息量在传输系统中被丢失的概率) ，即,误码率（码元差错率）Pe 是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即,64,通常指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。 对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz，一个Pal-D电视频道的带宽为8MHz（含保护带宽）。 对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。 由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽
27、进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。,补充知识：带宽的概念,65,1-4、 一个由字母A、B、C、D组成的字，对于传输的每一个字母用二进制编码，00代替A， 01代替B， 10代替C，11代替D，每个脉冲宽度为5ms. (1)不同字母等概率出现时的平均信息速率。 (2)若每个字母出现概率分别为PA=1/5，PB=1/4，PC=1/4，PD=3/10，计算平均信息速率。,练习题,66,平均信息速率：Rb=RBH (b/s),码元速率：,67,1.5国际莫尔斯电码用点和画的序列发送英文字母，划用持续3单位的电流脉冲表示，点用持续1单位的电流脉冲表示；且划出现的概率是点出现概率的
28、1/3。 （1）求点和画的信息量； （2）求点和画的平均信息量。,解： P点 P划1 P划= P点/3 P点=3/4 P划=1/4点的信息量为I1,划的信息量为I2,68,1.6、设一信息源的输出由128个不同符号组成，其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的概率为1/224。信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试求该信息源的平均信息速率。,则信息源的平均速率为Rb=RBH =1000 6.417 =6417bit/s,解：平均信息量,69,1-8某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一个符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。
29、如果信息源以1000B速率传送信息，则传送1小时的信息量为多少？传送1小时可能达到的最大信息量为多少？,信息速率：Rb=RBH (b/s),70,解:(1),传送1小时的信息量 I=TRb=3600 2230=8. 028 106bit,（2）等概率时，其信息量最大。,传送1小时的最大信息量 I=TRbmax=3600 2320=8.352 106bit,71,第 1 章 绪论,常用通信术语通信、通信系统、信(息)源、信宿、调制、 解调、基带信号、 频带信号、 信息 、消息 、信号 通信系统的组成和分类 几种通信方式 数字通信系统的主要特点 离散信源的信息量 码元速率与信息速率的关系 误码率的概念,72,本章思考题,如何判断一个通信系统是模拟系统还是数字通信系统？ 消息中的信息量与消息发生的概率有什么样的关系？ 离散消息中包含的信息量是如何度量的？ 如何衡量一个数字通信系统的质量？ 如何衡量一个模拟通信系统的质量？,73,1-4； 1-9,作 业,
