1、通信原理通信的发展通信是信息的传输通信是信息的传输以语言方式的通信人力、马力及烽火台以文字方式的邮政、报刊通信电气时代的通信电报、电话和广播信息时代的通信固定和移动的综合通信系统（话音、数据和图象的分别传输走向融合）互联网、移动互联网、物联网、泛在网电话通信网电电 话话 时时 代代话音通信为基础，连接你我他互联网移动互联网物联网101210111010 109 108107消费品 货柜货箱机器家电 手持机计算机物物 联联 时时 代代信息世界与物理世界的有机融合APIP 核心网RGWAPAPARWimaxDMB2G. 3G.4G.5G蜂窝网蜂窝网Pico-CellMicro-CellMacro-
2、CellMega-CellARHomeWLANAP异构 无线 接入Linear-Cell家庭网络PANAPAd-hocZigBeeBlueToothWi-Fi NFCUWBRFID通信技术一个完整的通信系统信源/发信者传输系统交换系统传输系统信宿/收信者电路分组 ATM IP有线、无线、卫星简介课程目标：了解通信的基本概念和原理，适应计算机与通信相融合的技术发展趋势教材：通信原理（第7版） 樊昌信国防工业出版社参考书：通信原理（第7版）学习辅导与考研指导 ，曹丽娜，国防Communication Systems (4 Edition), S.Haykin&JohnWiley通信原理简明教程，南
3、利华等，清华现代通信原理，曹志刚，清华通信原理，周炯磐等，北邮预备知识：电子电路、数字电路、概率论与随机过程考核方式：作业15%、小测验25%、期末考试60%作业：自觉独立完成基于Matlab的演示实验：自愿学习课程主要内容绪论确知信号分析随机过程分析信道模拟调制系统数字基带传输系统数字带通传输系统信源编码差错控制编码第一章绪论通信系统模型通信系统模型通信系统的分类与通信方式通信系统的分类与通信方式信息及其度量信息及其度量主要性能指标主要性能指标1.1 通信系统模型通信系统模型一、通信和通信系统的概念二、通信系统模型三、模拟通信与数字通信四、模拟通信系统五、数字通信系统六、数字通信的特点一、通
4、信和通信系统通信的目的通信的目的传递消息消息中所包含的信息信息。消息消息message：信息的物理表现，如：语音、图像、音乐、数据信息信息information：消息中所包含的有效内容信号信号signal：与消息相对应的电量，是消息的物理载体通信系统通信系统完成通信过程的全部设备和传输媒质。通信系统举例：电话系统、Internet二、通信系统模型噪声源原始电信号消 信息源息受信者 消息原始电信号发送设备 传输 信道 传输接收设备信号信号发送端接收端三、模拟通信与数字通信 消息分：连续消息（模拟消息）消息状态连续变化。如：语音、图象离散消息（数字消息）消息状态可数或离散。如：符号、文字、数据 信
5、号是消息的表现形式，消息被承载在电信号的某一参量上。因此信号分：模拟信号模拟信号电信号的该参量连续取值。如：普通电话机发的语音信号数字信号数字信号电信号的该参量离散取值。如：计算机内总线的信号模拟信号举例模拟信号举例基带信号基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态数无限，如语音信号、图像信号等。已调信号已调信号(载波一般为正弦信号)的参数A.F.P状态数无限。P M :F M :A M :语音：基带信号的瞬时值状态数有限。如计算机.电报机等输出的信号。已调信号的参数A.F.P状态数有限。二 进 制 代 码二 电 平 信 号10tttt2 A S K2 F S K2 P S K数字数字信信号号
6、举举例例模拟信号和数字信号可以互相转换。因此，任模拟信号和数字信号可以互相转换。因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示。数字信号表示。信道中传输的是模拟信号模拟通信系统；传输的是数字信号数字通信系统。四、模拟通信系统 基带信号基带信号由消息转化而来的原始模拟信号。信号的频谱从零频附近开始。 已调信号已调信号由基带信号转化来的，频带适合信道传输的信号。又称频带信号/带通信号。要求：携带消息多，适合信道传输。 信道频段举例信道频段举例FM：87-108M，模拟电视：108M-550M；WiFi/蓝牙：2.4G；GSM：900/1800M
7、,3G: 1800/1900/2000M模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制模拟通信系统的主要内容是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。解调方法。信号受信者基带信号信息源 基带调制器已调 信道 已调信号信号噪声源解调器五、数字通信系统噪声源已调信号基带数字序列信息源受信者模拟信号调制器信道解调器信 源编 码器信 源解 码器加密器解密器信 道编 码器信 道解 码器基带数字信号基带数字序列同 步系 统信源编/译码器模数转换；数据压缩；提高传输效率加/解密器保密传输信道编/译码器差错控制，提高抗干扰能力调制/解调器传输、复用同步保证收发两端的信号在时间上步调一致以上各个功能框可根据
8、需要设置（同步必须有）。数字通以上各个功能框可根据需要设置（同步必须有）。数字通信系统的主要内容就是研究这些功能框的实现方信系统的主要内容就是研究这些功能框的实现方法法。数字基带通信系统模型信道噪声号形基成带器信信息源接收滤波器受信者六、数字通信的特点抗干扰能力强，再生中继，噪声不积累传输差错可控，差错控制改善传输质量支持各种消息的传递保密性强集成化，小型化代价：频带利用率低传输系统传一个完整的通信系统信源/发信者输系统信宿/收信者信道交信换系道统信道发送设备接收设备1.2 通信系统的分类与通信方式一、通信系统分类二、通信方式一、通信系统分类按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图象系统按调
9、制方式分：基带传输、载波传输连续载波：调幅、调频、调相脉冲载波：脉幅、脉宽、脉位按工作波段分：长波、中波、短波、红外媒质上的信号分：模拟系统、数字系统传输媒质（信道）分：有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统（长波、中波、短波、微波、卫星）按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用二、通信方式按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工发端信道收端发端信道收端收端发端发端收端收端发端信道信道二、通信方式（续）按数字信号的排列顺序分：串序、并序按连接形式分：专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）发送设备接收设备发送设备接收设备1.3 信息及其度量通通信信的的目的是传
10、递信目的是传递信息息。信息可以被理解为消息。信息可以被理解为消息中中包包含含的的有有意义意义的的内容内容。当当得得到到消息后，若事消息后，若事先先猜测消息中所描述的事件猜测消息中所描述的事件发发生生的的可可能能性越性越小小，则此消息的信息量越大，则此消息的信息量越大。信息量可以用消息所描述的事件发生的概率来描述。信息量可以用消息所描述的事件发生的概率来描述。信息量的定义等概率离散消息的信息量不等概离散消息的信息量连续消息的平均信息量信息量函数I=FP(x)的特征必然事件 P(x)=1， 信息量I为不可能事件 P(x)=0，小概率事件 P(x) 小，大概率事件 P(x) 大，信息量I为信息量I信
11、息量I0大小由若干独立事件构成的消息，总信息量=各事件信息量之和，即FP(x1)P(x2)=FP(x1)+FP(x2)+一、信息量的定义设消息所代表的事件出现的概率为P(x)，则该消息所含的信息量I为：I = - log a P (x)a = 2单位：比特（bit）a = e单位：奈特（nit）a = 10单位：哈特莱二、等概率离散消息的信息量信源有M种消息，这M种消息独立等概率出现，传送M个消息中的一个，等价于传送一个M进制的码元（波形）。一个M进制码元（波形）的信息量：I = - log 2 (1/M) = log 2 M (bit)一个二元码的信息量 I = log 2 2 = 1 (b
12、it)一个四元码的信息量 I = log 2 4 = 2 (bit)三、不等概离散消息的信息量n设信源由n个符号组成，各个符号xi出现的概率为P(xi)，且独立出现，则每一符号的平均信息量（信源的熵）为：H P(xi) log2 P(xi) (bit /符号)i1当各符号等概率（ P(xi) =1/n）时，信源熵值最大：Hmax= log2n (bit /符号)设消息包含m个符号，该消息的信息量为：I = mH (bit)例题一信源由4个符号0，1，2，3组成，出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号独立出现。求消息201020130213001203210100321010
13、023102002010312032100120210的信息量。解法一：按算术平均的方法，I 23log2 8 / 3 14 log2 4 13log2 4 7 log2 8 108(bit )I 108 / 57 1.89(b / 符号)解法二：按统计平均的方法，即熵的概念8442 82 42 82 4I 57 H 108.64(bit )当消息足够长时，统计计算结果接近实际值，但计算过程简单许多当消息足够长时，统计计算结果接近实际值，但计算过程简单许多1 1 log1 1 logH 3 log3 1 log81 1.906(b / 符号)四、连续消息的平均信息量f (x)连续消息出现的概率
14、密度f (x)dxH1 f (x) loge1.4 主要性能指标性能指标有：有效性（速度）、可靠性（质量）、适应性、经济性、可维护性等模拟通信系统性能指标数字通信系统性能指标一、模拟通信系统性能指标有效性指标有效性指标：单位时间(带宽)内传输的信息量。可用频带利用率来衡量同样的信源，传输带宽越小，频带利用率越高同样的信源，传输带宽越小，频带利用率越高可靠性指标可靠性指标：接收信号与发送信号的均方误差。对于加性噪声系统，通常用输出信噪比表示对于加性噪声系统，通常用输出信噪比表示。噪声平均功率信噪比 信号平均功率二、数字通信系统性能指标有效性指标有效性指标频带利用率频带利用率单位带宽上可以传送的码
15、元速率或信息速率码元速率RB：每秒传送码元的数目，波特率。单位：Baud。TB(s)为码元宽度信息速率Rb：每秒传送的信息量，比特率。对M进制码元 Rb= RB log2 M (bit/s)单位：b/s, bpsB RB (Baud / Hz)BRbb(b /(s Hz)TBRB 1 (Baud )二进制代码二进制信号1001110010四进制代码四进制信号1-13-31TB2TB2:二进制代码宽度TB4TB4:四进制代码宽度TB4=2TB2RB4=RB2/2例如，若TB2=1ms， 则RB2=1000B，RB4=500B，但Rb都是1000bps又如，若某八进制系统的码元速率RB为1200B
16、，则该系统的信息速率Rb为3600bit/s。二、数字通信系统性能指标（续）可靠性指标可靠性指标误码率误码率Pe：码元被错误接收的概率，即码元在传输系统中被传错的概率。误信率Pb：传输每比特信息发生错误接收的概率，即码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。单位时间内系统传输的总码元数单位时间内接收的错误码元数eP 单位时间内系统传输的总比特数（总信息量）单位时间内接收的错误比特数（信息量）bP 误码率和误信率之间的关系误码率和误信率之间的关系对于二进制而言，误码率和误比特率显然相等对于二进制而言，误码率和误比特率显然相等而而M进制信号的每个码元含有进制信号的每个码元含有n=log2M比特，并且比
17、特，并且一个特定的错误码元可以有一个特定的错误码元可以有(M-1)种不同的错误样式种不同的错误样式其中恰好错其中恰好错i比特的错误样式有比特的错误样式有个个i nCi nCi1M 12(M 1)M 1nnn1 1 i2 ME(n) E一个码元中的比特数错误比特数假假设设这这些些错错误样式以误样式以等等概概率出率出现现，则当则当一一个个码码元元发生错误时，发生错误时，在在n个比特个比特中中错错误比误比特特所所占比占比例例的的数数学期望值等于学期望值等于:所以，当所以，当M大时，误比特率等于大时，误比特率等于: :ee2MP 1 P2(M 1)Pb E(n)Pe 在在某某些些通通信信系统中，系统中，例例如如在采在采用用格格雷雷(Gray)码的多码的多相相制制系系统统中中，错误码，错误码元元中中仅发仅发生生1比比特特错误错误的的概概率率最最大大。这这时时，近似地有近似地有：b2Pelog MP 作业思考题 1-1，4，10，14习题 1-3，6，7，8
