考研西北工业大学825通信原理强化精讲绪论课件

1专业课强化精讲课程专业课强化精讲课程通通 信信 原原 理理2专业课强化精讲课程专业课强化精讲课程第第1 1讲讲绪绪 论论3通信原理通信原理考试大纲考试大纲考试内容：通信系统组成；信息及其度量；码元考试内容：通信系统组成；信息及其度量；码元速率、信息速率、频带利用率、误码率。速率、信息速率、频带利用率、误码率。通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，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：相应地把通信系统分为：模拟通信系统模拟通信系统 数字通信系统数字通信系统41.2 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 信源（信息源）：把待传输的消息转换成原始电信号，如信源（信息源）：把待传输的消息转换成原始电信号，如麦克风。可分为模拟信源和数字信源。麦克风。可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号信源和信发送设备：产生适合于在信道中传输的信号信源和信道匹配。道匹配。1.2.1 1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型 5 信道：信号传输的通道。将来自发送设备的信号传送到接信道：信号传输的通道。将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。信号。信宿（受信者）：将复原的原始电信号还原成相应的消息。信宿（受信者）：将复原的原始电信号还原成相应的消息。如扬声器。如扬声器。61.2.2 1.2.2 模拟通信系统模拟通信系统 是利用模拟信号来传递信息的通信系统。可由一般通信系是利用模拟信号来传递信息的通信系统。可由一般通信系统模型略加改变而成。统模型略加改变而成。1.1.研究的问题研究的问题 （1 1）模拟通信系统中两种重要变换：）模拟通信系统中两种重要变换：消息消息原始电信号（基带信号）原始电信号（基带信号）调制信号（基带信号）调制信号（基带信号）已调信号（频带信号）已调信号（频带信号）（第（第5 5章）章）（2 2）信号受噪声干扰的影响噪声背景下的信号传输。）信号受噪声干扰的影响噪声背景下的信号传输。（第（第3 3、4 4章）章）7 2.2.调制的功用调制的功用 提高频率，便于辐射；提高频率，便于辐射；（辐射：天线尺寸（辐射：天线尺寸1/10 1/10 波长）波长）频率分配；频率分配；实现频分复用；实现频分复用；FDMFDM 改善系统性能。改善系统性能。fC8 3.3.已调信号有三个基本特征：已调信号有三个基本特征：（1 1）携带有消息；）携带有消息；（2 2）适合在信道中传输；）适合在信道中传输；（3 3）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频频带信号。）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频频带信号。如：卫星电视信号（中心频率如：卫星电视信号（中心频率6/4GHz6/4GHz、带宽、带宽36MHz36MHz）相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流/低频低频分量丰富基带信号。分量丰富基带信号。如：话音信号：如：话音信号：3003003.4kHz3.4kHz；全电视信号：；全电视信号：0 08MHz8MHz。91.2.3 1.2.3 数字通信系统数字通信系统 （1 1）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。（2 2）基本特征）基本特征 消息或信号具有消息或信号具有“数字数字”的特性；的特性；强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。(模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性的基带信号之间的比例特性)。（3 3）数字通信的主要特点）数字通信的主要特点 抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累；抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累；信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的差错可控：检错、纠错；差错可控：检错、纠错；易加密（进行人为的扰乱）；易加密（进行人为的扰乱）；易于与现代技术相结合（数字终端、计算机等）。易于与现代技术相结合（数字终端、计算机等）。10（4 4）数字通信需要解决的问题：）数字通信需要解决的问题：差错可控：通过信道编码实现（第差错可控：通过信道编码实现（第1111章）章）；加密：通过加密、解密实现；加密：通过加密、解密实现；节拍一致：位同步节拍一致：位同步/帧同步（第帧同步（第1313章）章）。（5 5）分类）分类 数字基带传输通信系统（第数字基带传输通信系统（第6 6章）章）数字频带传输通信系统（第数字频带传输通信系统（第7 7、8 8章）章）模拟信号的数字传输系统（第模拟信号的数字传输系统（第9 9章）章）11 数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 数字通信系统的一般模型数字通信系统的一般模型注：注：加密加密/解密解密 、编码、编码/译码不为必须译码不为必须 ，但一旦存在，必，但一旦存在，必须成对；须成对；关键必需含调制关键必需含调制/解调器。解调器。信源编码与译码：提高信息传输的有效性信源编码与译码：提高信息传输的有效性信道编码与译码：增强抗干扰能力信道编码与译码：增强抗干扰能力12注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；变换等；接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。关键：不含调制关键：不含调制/解调器。解调器。数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统模型：模型：13 3.3.模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统解决问题：模拟信源、数字通信系统如何对接。解决问题：模拟信源、数字通信系统如何对接。模型：模型：关键：模拟信号数字化及其反之。关键：模拟信号数字化及其反之。A/DA/D转换器组成：抽样、量化、编码。转换器组成：抽样、量化、编码。发端将模拟信号数字化，即进行发端将模拟信号数字化，即进行A/DA/D转换；转换；接收端需进行相反的转换，即接收端需进行相反的转换，即D/AD/A转换。转换。141.2.4 1.2.4 数字通信的主要特点数字通信的主要特点 1.1.优点优点 （1 1）抗干扰能力强；）抗干扰能力强；（2 2）差错可控；）差错可控；（3 3）易于加密处理，且保密性好；）易于加密处理，且保密性好；（4 4）便于处理、变换、存储；）便于处理、变换、存储；（5 5）便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；）便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；（6 6）易于集成，使通信设备微型化，重量轻。）易于集成，使通信设备微型化，重量轻。2.2.缺点缺点 （1 1）需要较大的传输带宽。）需要较大的传输带宽。（2 2）对同步要求高系统设备结构复杂。）对同步要求高系统设备结构复杂。151.3.2 1.3.2 通信方式通信方式 1.1.按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分 通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。消息只能单向消息只能单向传输传输双向双向不能同时收发不能同时收发双向双向可同时收发可同时收发162.2.按数字信号排序分按数字信号排序分 可将通信方式分为串序传输和并序传输。可将通信方式分为串序传输和并序传输。串行传输串行传输 ：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接：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。一个码元地在一条信道上传输。优点：只需一条信道、设备简单、传输距离远。优点：只需一条信道、设备简单、传输距离远。缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施。缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施。17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。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。优点：节省传输时间，速度快，不需要字符同步措施。缺点：需要缺点：需要 n n 条信道，设备复杂、成本高、传输距条信道，设备复杂、成本高、传输距离近。离近。181.4 1.4 信息及其度量信息及其度量 通信的主要目的在于传递信息！消息。通信的主要目的在于传递信息！消息。（1 1）信息的概念）信息的概念 定义：消息中包含的有意义的内容。定义：消息中包含的有意义的内容。信息社会信息社会 “信息信息”一词在概念上与消息的意义相似，但含义却更具一词在概念上与消息的意义相似，但含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种形式，但其内容可统一用信普遍性、抽象性。消息可以有各种形式，但其内容可统一用信息来表述。息来表述。在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。多的信息。例：非常可能发生的事情：例：非常可能发生的事情：“今年秋季比去年秋季冷今年秋季比去年秋季冷”。极不可能发生的事情：极不可能发生的事情：“今年秋季比去年冬季冷今年秋季比去年冬季冷”。消息所表达的事件越不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，消息所表达的事件越不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。信息量就愈大。19（2 2）信息的度量）信息的度量1 1）度量信息量的原则）度量信息量的原则 体现体现“事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大信息量就愈大”。度量消息中所含的信息量的方法，必须能够用来估计任度量消息中所含的信息量的方法，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。何消息的信息量，且与消息种类无关。消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。消息中所含信息量仅与消息内容的不确定性有关！消息中所含信息量仅与消息内容的不确定性有关！2 2）度量信息量的方法）度量信息量的方法 工具：概率论！由概率论可知，事件的不确定程度，可用工具：概率论！由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述：事件发生的可能性愈小，则概率愈事件出现的概率来描述：事件发生的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。小；反之，概率愈大。消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。20规律：信息量与消息出现概率关系。规律：信息量与消息出现概率关系。（1 1）消息）消息x x中所含信息量中所含信息量I I是消息出现概率是消息出现概率P P(x x)的函数：的函数：)(xPII （2 2）P P(x x)I I ；P P(x x)I I 特别特别P P(x x)=1)=1时，时，I I 0 0 P P(x x)=0)=0时，时，I I （3 3）若干个互相独立事件构成的消息（）若干个互相独立事件构成的消息（x x1 1，x x2 2 ，）所含信息量等于各独立事件所含信息量等于各独立事件x x1 1，x x2 2 ，信息量的和：信息量的和：)()()()(2121xPIxPIxPxPI不可能事件不可能事件必然事件必然事件21信息量的计算公式：信息量的计算公式：1loglog()()aaIP xP x 信息量的单位取决于对数底数信息量的单位取决于对数底数a a的取值：的取值：a a=2 =2 单位为比特（单位为比特（bitbit，简写为，简写为b b）；）；a a=e e 单位为奈特（单位为奈特（natnat，简写为，简写为n n）；）；a a=10 =10 单位为哈特莱（单位为哈特莱（HartleyHartley）。）。通常广泛使用的单位为比特：通常广泛使用的单位为比特：221loglog()()IP xP x 22显然，当信源中每个符号独立等概出现时，有显然，当信源中每个符号独立等概出现时，有符号bitxPxPxPxPxPxPxPxPIniiinn122222121)()()()()()()()(loglogloglog信息源的熵：信息源的熵：22loglog 2()KIMKbit可以证明，此时信息源的熵为最大值。可以证明，此时信息源的熵为最大值。23（3 3）连续消息的信息量）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。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可以证明，连续消息的平均信息量为 式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。比较：比较：()logaH xf xf x dx 21()log()niiiIP xP xbit 符号241.5 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.5.1 1.5.1 一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标 一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面:（1 1）有效性：通信系统传输消息的）有效性：通信系统传输消息的“速率速率”问题，即快慢问题，即快慢问题。问题。（2 2）可靠性：通信系统传输消息的）可靠性：通信系统传输消息的“质量质量”问题，即好坏问题，即好坏问题。问题。（3 3）适应性：通信系统对环境条件的适应性。）适应性：通信系统对环境条件的适应性。（4 4）经济性：系统的成本问题。）经济性：系统的成本问题。25（5 5）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤为重要。为重要。（6 6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。国际标准。（7 7）维修性：系统是否维修方便。）维修性：系统是否维修方便。（8 8）工艺性：通信系统各种工艺要求。）工艺性：通信系统各种工艺要求。通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标能指标。26对于模拟通信来说：对于模拟通信来说：有效性：可用有效传输频带来度量系统频带有效性：可用有效传输频带来度量系统频带 利用率。利用率。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。对于数字通信系统而言：对于数字通信系统而言：有效性：可有效性：可用传输速率和频带利用率来衡量。用传输速率和频带利用率来衡量。可靠性：可用误码率来衡量。可靠性：可用误码率来衡量。271.5.2 1.5.2 有效性指标的具体表述有效性指标的具体表述 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。通常有两种表示方法。率越高，系统的有效性越好。通常有两种表示方法。1.1.码元传输速率码元传输速率R RB B （数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率）（数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率）定义：单位时间（定义：单位时间（s s）内传输码元的数目；）内传输码元的数目；单位：波特（单位：波特（BaudBaud），用符号），用符号“B”B”表示；表示；bBTR1其中：其中：T Tb b为码元宽度。为码元宽度。数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率与信号的数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率与信号的进制数无关，只与码元宽度有关：进制数无关，只与码元宽度有关：282.2.信息传输速率信息传输速率R Rb b （传信率、比特率）（传信率、比特率）定义：单位时间内传输的信息量；定义：单位时间内传输的信息量；单位：比特单位：比特/秒秒(bit/s)(bit/s)，简记为，简记为b/sb/s或或bpsbps；因为信息量与信号进制数因为信息量与信号进制数M M有关，因此，有关，因此，R Rb b也与也与M M有关。有关。3.3.R Rb b与与R RB B之间的关系之间的关系 它们之间在数值上有如下关系：它们之间在数值上有如下关系：2logbMBMBMRRMkR2222log 2bBBRRR29 4.4.多进制与二进制传输速率之间的关系多进制与二进制传输速率之间的关系（1 1）码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率之）码元速率不变，二进制信息速率与多进制信息速率之间的关系：间的关系：22222bBBNbNRNNRNRRlogloglogBNbNbBRNRRR222logNRRBBN22log（2 2）系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率）系统信息速率不变，多进制码元速率与二进制码元速率之间的关系：之间的关系：2bNbRkR21BNBRRk305.5.频带利用率频带利用率定义为单位带宽（定义为单位带宽（1 1赫兹）内的传输速率，即赫兹）内的传输速率，即(B/Hz)BRBb/(s Hz)bbRB或或311.5.3 1.5.3 可靠性指标的具体表述可靠性指标的具体表述 数字通信系统可靠性的指标是利用差错率来衡量。差错数字通信系统可靠性的指标是利用差错率来衡量。差错率通常有两种表示方法。率通常有两种表示方法。1.1.码元差错率（误码率码元差错率（误码率 ）发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，也就发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，也就是说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。是说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。系统传输的总码元数接收的错误码元数eP微观微观322.2.信息差错率（误信率）信息差错率（误信率）发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，或发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。bP 系统传输中出错的比特数系统传输的总比特数二进制时：二进制时：bePP33例：已知某八进制数字通信系统的信息速率为例：已知某八进制数字通信系统的信息速率为3000b/s3000b/s，在，在收端收端1010分钟内共测得出现了分钟内共测得出现了1818个错误码元，试求系统的误码个错误码元，试求系统的误码率。率。sbRb/30008BRRbB10008log/28853 1010 60181000eP 注意注意:一定要把码元速率一定要把码元速率R RB B和信息速率和信息速率R Rb b的条件搞清楚，如的条件搞清楚，如不细心，此题容易误算出不细心，此题容易误算出P Pe e=10=10-5-5的结果的结果。由式（由式（1-161-16），得系统误码率），得系统误码率解解 依题意依题意