1、2022-12-171/87通信原理任通菊2/872022-12-17q 上课学时：上课学时：5656学时学时q 答疑地点：科答疑地点：科B232B232(A)(A)q 答疑时间：答疑时间：周二、周四下午周二、周四下午2 2：30-430-4：00003/872022-12-17l 我命在我，不在天地。我命在我，不在天地。l 天助自助者。天助自助者。l 主动还是被动是成功与失败的关键。主动还是被动是成功与失败的关键。l 梅花香自苦寒来。梅花香自苦寒来。l 上好每堂课，做好每次作业。上好每堂课，做好每次作业。l 学会读书，读专业书，读文学作品（修身养性学会读书，读专业书，读文学作品（修身养性）。
2、）。l 从现在做起。从现在做起。4/872022-12-17参考书：参考书：通信原理教程通信原理教程 樊昌信等樊昌信等 电子工业出版社电子工业出版社通信原理简明教程通信原理简明教程 南利平南利平 清华大学出版社清华大学出版社通信原理通信原理学习指导与题解学习指导与题解 王福昌编著王福昌编著 华中科技大学出版社华中科技大学出版社现代通信原理现代通信原理 曹志刚等曹志刚等 清华大学出版社清华大学出版社通信原理通信原理（合订本）（合订本）周炯槃等周炯槃等 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社 数字与模拟通信系统数字与模拟通信系统 Leon W.Couch著著 电子工业出版社电子工业出版社5/8720
3、22-12-17第第1 1章章 绪论绪论6/872022-12-17现代信息社会中，充分利用与交流信息现代信息社会中，充分利用与交流信息通信通信通信原理通信原理阐述通信及其系统的基础理论、技术阐述通信及其系统的基础理论、技术与分析方法。与分析方法。1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.2 历史回顾历史回顾1.3 信源与常见的消息信源与常见的消息1.4 信道信道1.5 频带与电波传播频带与电波传播1.6 数字与模拟通信系统数字与模拟通信系统1.7 通信网络通信网络7/872022-12-171.1 通信的基本概念 8/872022-12-17 1.几个术语 通信通信(communication
4、)通信就是沟通信息。通信就是沟通信息。信息信息(information)我们感兴趣的事物的状态和状态变化。我们感兴趣的事物的状态和状态变化。消息消息(message)消息是信息的载体。消息是信息的载体。信号信号(signal)信号是消息的载体。信号是消息的载体。9/872022-12-17 信号波形的中心频率及其带宽。信号波形的中心频率及其带宽。信号波形的功率和能量。信号波形的功率和能量。信号波形的抗干扰能力如何？信号波形的抗干扰能力如何？在发送端：产生该波形的代价如何？在发送端：产生该波形的代价如何？在接收端：检测该波形的代价又如何？在接收端：检测该波形的代价又如何？q信号波形设计取决于如下
5、几个因素：信号波形设计取决于如下几个因素：10/872022-12-172.通信系统（communication systems）TransmitterReceiverChannel信源信源：一个换能器一个换能器其他能量其他能量 电能电能信宿信宿:一个换能器一个换能器电能电能 其他能量其他能量原始信息信号原始信息信号原始信息信号原始信息信号通信系统通信系统发送器，信道与接收器。发送器，信道与接收器。Information sourceInformation sink终端终端：1）信源信源发信者发信者 2）信宿信宿接收者接收者 11/872022-12-17发送设备发送设备的基本功能是将信源和信
6、道匹配起来，即将信源的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信息信是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信息信号来。号来。信道信道是指传输信号的物理媒质。有线和无线信道均有多种是指传输信号的物理媒质。有线和无线信道均有多种物理媒质。物理媒质。12/872022-12-17信道信道要强调的是在通信中，要强调的是在通信中，信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量信
7、息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量就越大。就越大。通信系统中还存在噪声，噪声也是无法预知的，噪声通信系统中还存在噪声，噪声也是无法预知的，噪声限制了通信的能力。限制了通信的能力。13/872022-12-17摩尔斯电报系统摩尔斯电报系统最古老的电信系统，传送文字消息。诞生最古老的电信系统，传送文字消息。诞生于于1837年，以不同长度的声音表示字符年，以不同长度的声音表示字符电码信号。电码信号。电子系统电子系统通过电信号来实现信息的传递通过电信号来实现信息的传递术语：术语：“通信通信”与与“电信电信”。（communication）（telecommunication）14/87202
8、2-12-17两种基本通信方式：两种基本通信方式：广播广播方式：信息同时送到多个收信者方式：信息同时送到多个收信者点点点点方式：一个信源对一个收信者方式：一个信源对一个收信者 基于传输方向的特点：基于传输方向的特点：单工单工系统：只能沿一个固定方向传输信息。系统：只能沿一个固定方向传输信息。如，电视广播中、如，电视广播中、遥测、遥控、无线寻呼遥测、遥控、无线寻呼双工双工系统：能够同时沿两个方向传输信息。系统：能够同时沿两个方向传输信息。如，电话通信。如，电话通信。半双工半双工系统：任何时候只能沿一个方向传输信息，但可系统：任何时候只能沿一个方向传输信息，但可以切换传输方向。以切换传输方向。如，
9、对讲机通信。如，对讲机通信。15/872022-12-17发端发端收端收端信道信道（1 1）单工系统）单工系统（2 2）双工系统）双工系统收端收端发端发端信道信道收端收端发端发端信道信道（3 3）半双工系统）半双工系统收端收端发端发端信道信道收端收端发端发端16/872022-12-171.2 历史回顾 （自学）（自学）17/872022-12-17要求：要求：了解到了解到200多年来通信的发展历程：多年来通信的发展历程：n 电报与电话通信的重要作用电报与电话通信的重要作用n 收音、电视广播、卫星通信、移动电话系统等重要的系统收音、电视广播、卫星通信、移动电话系统等重要的系统n 数字化与网络化
10、过程数字化与网络化过程n 信息论与通信理论的发展信息论与通信理论的发展n 通信朝着数字化、宽带化、网络化、综合化、移动与个人通信朝着数字化、宽带化、网络化、综合化、移动与个人化方向发展化方向发展 18/872022-12-171.3 信源与常见的消息 19/872022-12-17数字信源数字信源:产生的消息的状态（取值）数是有限的产生的消息的状态（取值）数是有限的 如：计算机的输出如：计算机的输出模拟信源模拟信源:产生的消息的状态产生的消息的状态（取值）（取值）是连续变化的、数目无限的。是连续变化的、数目无限的。1.3.1 数字与模拟信源0,1如：键盘。如：键盘。如：语音源。如：语音源。2.
11、数字与模拟信源1.信息、消息与信号Digital and analog information source 如：汉字集。如：汉字集。20/872022-12-17消息符号消息符号（message symbol）：数字消息的每一种状态或者：数字消息的每一种状态或者取值称为一种消息符号取值称为一种消息符号 消息符号集消息符号集：数字消息源的所有状态或者取值的集合：数字消息源的所有状态或者取值的集合 ,a aa12N如：具有如：具有N种取值的数字信源种取值的数字信源数字消息源数字消息源:消息符号消息符号、消息符号集消息符号集、数字消息序列数字消息序列（数字信号）（数字信号）21/872022-12
12、-17数字消息序列数字消息序列：,x xx12m其中其中 xm 取取 中中 N个值之一。个值之一。,a aa12N图图1.3.1 数字消息信号示例数字消息信号示例22/872022-12-173.数字与模拟信源的基本指标 符号速率：符号速率：(/)SRsym s符号/秒 或 M元数字信源：元数字信源：指数字信源具有指数字信源具有M种符号种符号最基本的是最基本的是二元数字信源：二元数字信源：具有具有2种符号，可以用种符号，可以用1位二进制编码表示，称为位二进制编码表示，称为1bit.多元数字信源：多元数字信源：如如M元，可以用元，可以用n位二进制编码表示位二进制编码表示2nM p 数字信源的基本
13、指标:消息符号消息符号数字信源的元数：数字信源的元数：一般，一般，23/872022-12-17例：假设计算机的终端键盘上有例：假设计算机的终端键盘上有 110 字符字符，每个字符用，每个字符用二进制代码组来表示。二进制代码组来表示。问每个字符需要用几位二进制代问每个字符需要用几位二进制代码码?解解:7110,2128,7Mn故需要故需要 7bits代码来表示每个字符代码来表示每个字符.2nM 24/872022-12-17习题习题1.1 1.1 考虑手机短消息通信，以你自己或其考虑手机短消息通信，以你自己或其他某人的经验，试估计（他某人的经验，试估计（1 1）按键速率；（）按键速率；（2 2
14、）假）假定每个中文字符转换为定每个中文字符转换为2 2字节表示，短消息的二字节表示，短消息的二元符号速率是多少？元符号速率是多少？解：解：（1 1）经过多次试验，按键速率为）经过多次试验，按键速率为2.03 key/s 2.03 key/s（2 2）短消息的二元符号速率为）短消息的二元符号速率为 2 8/2.03/32.48/bits keykey sbits s25/872022-12-17p 模拟信源的基本指标:频带的宽度（赫赫或赫兹赫兹，Hz）如：语音的音量如：语音的音量 电信号电信号电信号电信号26/872022-12-17u (补充)数字波形与模拟波形（传输波形）p 对于数字信源对于
15、数字信源可以用二元（二进制）波形（信号）传输，也可以用多元（多进制）波形可以用二元（二进制）波形（信号）传输，也可以用多元（多进制）波形（信号）传输。（信号）传输。数字波形：信号的传信息的参量只取有限个值。信号的传信息的参量只取有限个值。二进制二进制（binary）信号信号:1 bit二进制代码用一个脉冲传，故二进制代码用一个脉冲传，故 在一个在一个 Ts 时隙内传两种不同的脉冲之一时隙内传两种不同的脉冲之一.Ts：Time slot27/872022-12-17例例1：二进制波形（二电平波形）：二进制波形（二电平波形）x tt电平电平A和和0抽象为符号抽象为符号 和和 ，两个符号称为二，两个
16、符号称为二元（二进制）符号。元（二进制）符号。1a0a:sT符号周期或码元宽度符号周期或码元宽度数字数字基带信号基带信号信道符号信道符号频谱在零频附近频谱在零频附近28/872022-12-17多进制多进制(M-ary)信号信号:n bit二进制代码用一个脉冲传，二进制代码用一个脉冲传，在一个在一个 Ts 时隙内传时隙内传M种不同的脉冲之一种不同的脉冲之一.一般，一般，2nM 例例2：4进制波形进制波形2442000011110003V a1011V a210 1V a311 3V a4,2Mn 4个电平抽象为符号个电平抽象为符号 ，4个符号称个符号称为为4元（元（4进制）符号。进制）符号。0
17、123,a a a a数字基带信号数字基带信号:sT符号周期或码元宽度符号周期或码元宽度sT信道符号信道符号29/872022-12-17传输速率：传输速率：比特率比特率:Rb 每秒传输的每秒传输的bit数数 单位单位:bits/s b/s bps符号速率（波特率）符号速率（波特率）:Rs 每秒传输的脉冲数每秒传输的脉冲数（符号数）（符号数）单位单位:symbol/s Baud BdRb 和和 Rs的关系的关系:(/)bsRnRb s/()sbRRnBaud2nM 信道符号信道符号30/872022-12-17p 对于模拟信源对于模拟信源模拟波形：信号的传信息的参量的取值是连续变化的信号的传信
18、息的参量的取值是连续变化的()w tt()sw tt模拟波形在模拟通信系统中模拟波形在模拟通信系统中传输。模拟波形经过传输。模拟波形经过A/DA/D变换变换变成数字波形，也可以在数变成数字波形，也可以在数字通信系统中传输。字通信系统中传输。31/872022-12-17数字消息数字消息用离散型随机变量描述用离散型随机变量描述 N元消息元消息 源源:1212,.,.,NNaaap pp数字消息序列数字消息序列 随机序列随机序列 1.3.2 随机信号与确定信号随机信号与确定信号 随机性随机性信息对于接收者必须是新的，即事先未知的且信息对于接收者必须是新的，即事先未知的且无法预知的。无法预知的。数字
19、信号（波形）数字信号（波形）随机波形随机波形 32/872022-12-17模拟消息模拟消息用连续型随机变量描述用连续型随机变量描述 模拟消息信号是随机过程模拟消息信号是随机过程 x(t)，概率密度函数，概率密度函数 fx(t)(x)通信系统中的确定信号通信系统中的确定信号：正弦波与矩形脉冲等，用于协助传送：正弦波与矩形脉冲等，用于协助传送消息信号消息信号通信系统中常常传送：通信系统中常常传送：()()cos 2()cs tAx tf tt33/872022-12-171.3.3 信息的度量信息的度量22101loglog()3.32log()iiiiIPbitsPbitsP 1212:iMi
20、MaaaaXPPPP1,1MiiP1.单个消息的信息量单个消息的信息量 设设:离散信源离散信源 Xia蕴含的信息量为：蕴含的信息量为：消息携带的信息量的大小与消息携带的信息量的大小与消息出现的不确定程度有关。消息出现的不确定程度有关。34/872022-12-17以以2为底时单位是为底时单位是“比特比特”（bit binary unit的缩写）的缩写）以以e为底时单位是为底时单位是“奈特奈特”（natnature unit的缩写）的缩写）以以10为底时单位是为底时单位是“哈特哈特”（Hart Hartley的缩写）的缩写）注意注意：对于单条消息，其：对于单条消息，其pi越小，则越小，则Ii越大
21、；越大；Ii大小与消大小与消息的内容是否有实际意义无关息的内容是否有实际意义无关35/872022-12-173.信息速率（信息速率（熵率熵率）一个信源的信息速率为一个信源的信息速率为:其中其中:H 为信源熵为信源熵.T 为发送一条消息的时间为发送一条消息的时间.R 为每秒内发送的信息量为每秒内发送的信息量()/H XRbits sT从信息的角度看，熵与熵率是信源的基本指标。从信息的角度看，熵与熵率是信源的基本指标。2.信源熵信源熵 H(X)数字信源每个符号出现所带来的平均信息量数字信源每个符号出现所带来的平均信息量 211()logMMiiiiiiiH XE II PPP entropy36
22、/872022-12-17例例1.1 二元消息源二元消息源X1、X2与与X3的取值概率为：的取值概率为：解解：21()logMiiiH XPP 122()0.1log 0.1 0.9log 0.90.469()H Xbit 222()0.4log 0.40.6log 0.60.971()H Xbit 322()0.5log 0.50.5log 0.51()H Xbit 37/872022-12-1721()logMiiiH XPP 例例1.2 数字信源数字信源X 4元等概，元等概，Y 2元等概，求它们的熵。元等概，求它们的熵。解解：2211()4(log)log 42()44H Xbit 22
23、11()2(log)log 21()22H Ybit 38/872022-12-17例：例：计算信息速率。某电话键盘计算信息速率。某电话键盘:0,1,9,*,#，其，其中中P*=P#=0.005，P0=P1=P9=0.099。如果如果按键速率为按键速率为 2keys/s,计算该信源的信息速率计算该信源的信息速率122122log2 0.005log 0.005 10 0.099log 0.0993.38/3.3826.76/jjjsH XPPkeysRHbits keybitsbits skeyRs 解解:作业：1.2 1.4 1.639/872022-12-17（自学）（自学）要求：要求：了
24、解各种消息源的特点及基本指标了解各种消息源的特点及基本指标40/872022-12-17模拟消息模拟消息41/872022-12-17模拟消息模拟消息42/872022-12-17模拟消息模拟消息43/872022-12-17数字消息数字消息44/872022-12-171.4 信道 45/872022-12-17信道信道介于发信者与收信者之间，供消息信号经过的介于发信者与收信者之间，供消息信号经过的通道，是传输电、电磁波或光信号的物理媒质。通道，是传输电、电磁波或光信号的物理媒质。两大类两大类：（1）有线信道有线信道：普通导线、电话线、电缆、波导与光纤；：普通导线、电话线、电缆、波导与光纤；
25、（2）无线信道无线信道：大气、真空与海水等。：大气、真空与海水等。46/872022-12-17引入引入乘性噪声乘性噪声 r tsk tt1.4.1 信道的影响信道的影响 1.加性噪声加性噪声以相加的形式混入的噪声。以相加的形式混入的噪声。()()()r ts tn t噪声是随机的，典型的为热噪声。噪声是随机的，典型的为热噪声。其他干扰其他干扰：1）自然界的干扰，如雷电等；）自然界的干扰，如雷电等；2）人为干扰。）人为干扰。2.信道的传输特性可能引起信号的畸变，使信号发生某信道的传输特性可能引起信号的畸变，使信号发生某种形式的失真。种形式的失真。变参信道变参信道参数特性是时变的，甚至是随机变化
26、的。参数特性是时变的，甚至是随机变化的。47/872022-12-1702N参数:s tchannel n t r tks tn t1k 常常令1.4.2 加性噪声信道模型加性噪声信道模型 加性信道一般模型：加性信道一般模型：加性高斯白噪声信道（加性高斯白噪声信道（AWGN）通常通常n(t)为热噪声，为热噪声，具有高斯白噪声特性，功率谱密度值：具有高斯白噪声特性，功率谱密度值：，反映的是每，反映的是每Hz频带内噪声的平均功率。频带内噪声的平均功率。02N48/872022-12-17全通滤波器全通滤波器:带通滤波器带通滤波器:低通滤波器低通滤波器:理想信道模型理想信道模型:线性时不变系统线性时
27、不变系统 H0 H0 Hkkk0049/872022-12-17（自学）（自学）要求：要求：了解各种信道的特点及基本指标（带宽）了解各种信道的特点及基本指标（带宽）50/872022-12-1751/872022-12-17光纤有以下的一些独特的优点光纤有以下的一些独特的优点：1.频带宽，容量大：潜在带宽可达频带宽，容量大：潜在带宽可达 Hz132 102.传输损耗低：无中继传输几百公里。传输损耗低：无中继传输几百公里。3.光信号不受电磁干扰，抗噪声好、保密性强。光信号不受电磁干扰，抗噪声好、保密性强。4.体积小、质量轻、易于使用；材料丰富、价格低廉。体积小、质量轻、易于使用；材料丰富、价格低
28、廉。长途电话网与互联网中常用光纤作为其传输媒质。长途电话网与互联网中常用光纤作为其传输媒质。52/872022-12-1753/872022-12-1754/872022-12-1755/872022-12-171.5 频带与电波传播 56/872022-12-171.5.1 频带的名称频带的名称 频带频带某个频率范围。某个频率范围。频率与波长关系：频率与波长关系：c f 信号的频带（带宽）信号的频带（带宽）信号的绝大部分能量或功率集中的频信号的绝大部分能量或功率集中的频率范围。率范围。信道的频带（带宽）信道的频带（带宽）信道能传送信号的频率范围。信道能传送信号的频率范围。57/872022-
29、12-17海底通信等海底通信等调幅广播等调幅广播等短波广播等短波广播等频带的位置、常用名称与典型的通信用途：频带的位置、常用名称与典型的通信用途：58/872022-12-17频带的位置、常用名称与典型的通信用途：频带的位置、常用名称与典型的通信用途：调频广播、电视调频广播、电视广播等广播等微波通信、电视微波通信、电视广播、个人通信广播、个人通信系统等系统等光通信光通信59/872022-12-17几千赫以上的几千赫以上的 信号可以用于无线电通信，电波传播特性主要由其信号可以用于无线电通信，电波传播特性主要由其频率值决定。频率值决定。要有效地辐射电磁能量，天线的物理尺寸必须大于电磁波波长的要有
30、效地辐射电磁能量，天线的物理尺寸必须大于电磁波波长的1/101/10中频、低频、甚低频3MHz以下1.5.2 无线电波的传播无线电波的传播 地波模式地波模式电波沿地表面弯曲传播的方式。较低频率电波沿地表面弯曲传播的方式。较低频率电波的主要传播方式，如，电波的主要传播方式，如，MF的的调幅调幅(AM）广播）广播。60/872022-12-17天波模式天波模式电波经天空中的电离层反射而折回地面的传电波经天空中的电离层反射而折回地面的传播方式。播方式。HF（330MHz）电波主要以天波模式传播。电波主要以天波模式传播。位于地面上方位于地面上方60400km处处D,E,F1,F2层61/872022-
31、12-17电离层电离层大气层中环绕地球的离子层。基本规律：大气层中环绕地球的离子层。基本规律：白天由于太阳充足，白天由于太阳充足，D层浓度高，能大量吸收层浓度高，能大量吸收2MHz以以下的电波；夜晚下的电波；夜晚D层浓度低，电波可达层浓度低，电波可达F层，层，30MHz以以下的电波反射回来。下的电波反射回来。常见问题是常见问题是多径传播多径传播，造成，造成频率选择性衰落频率选择性衰落。62/872022-12-172.也可以用于地面的视距传播也可以用于地面的视距传播1.30M以上的电磁波向上传播时会穿过电离层而不以上的电磁波向上传播时会穿过电离层而不被反射回来，可以用于卫星通信和外太空通信被反
32、射回来，可以用于卫星通信和外太空通信视线传播模式视线传播模式电波像光波作直线传播的方式，是电波像光波作直线传播的方式，是VHF及更高的频率及更高的频率（30MHz以上）以上）电波的主要工作模电波的主要工作模式。可用于卫星和外太空通信。式。可用于卫星和外太空通信。63/872022-12-17视距的计算：视距的计算：在地面应用时，地球表面的弯曲限制了传播的距离。在地面应用时，地球表面的弯曲限制了传播的距离。64/872022-12-17（自学）（自学）1.5.3 无线频谱及其管理无线频谱及其管理 无线信道是人类共有的自由空间，开放给所有发送与接无线信道是人类共有的自由空间，开放给所有发送与接收用
33、户的共享资源。收用户的共享资源。为了维护秩序，协调通信应用，减少干扰，各个国家都为了维护秩序，协调通信应用，减少干扰，各个国家都建立了有关政府部门进行管理。建立了有关政府部门进行管理。国际机构为国际机构为国际电信联盟（国际电信联盟（ITU）负责，其前身是负责，其前身是:国际国际电话与电报咨询委员会（电话与电报咨询委员会（CCITT）和和国际无线电咨询委国际无线电咨询委员会（员会（CCIR）。65/872022-12-17Frequency Division Multiplexing 管理无线频带的基本方法管理无线频带的基本方法1.5.4 频分复用频分复用（FDM）频分复用频分复用 多个信号错开
34、频率位置共用频带的方法多个信号错开频率位置共用频带的方法 FDM这种思想也大量用在有线信道内。这种思想也大量用在有线信道内。从从FDM可见，可见，带宽是信道本质上的资源带宽是信道本质上的资源。66/872022-12-171.6 数字与模拟 通信系统 67/872022-12-171.6.1 模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统模拟通信系统信道中传输模拟波形的通信系统。信道中传输模拟波形的通信系统。信源调制器发射机信道接收机解调器信宿 m t m t噪声发送设备接收设备 s t r t n t系统的核心：调制与解调单元。基带信号基带信号基带信号基带信号68/872022-12-17调制调制借
35、助于正弦载波形成频带信号：借助于正弦载波形成频带信号：()()cos2()cs tR tf ttR(t)或或(t)（或两者同时）随信息（或两者同时）随信息m(t)变化。变化。调制：调制：基带信号基带信号 频带信号频带信号modulation依据变化方式的不同，调制有各种制式，相应的带宽与抗依据变化方式的不同，调制有各种制式，相应的带宽与抗噪声能力也不同。噪声能力也不同。解调解调调制的逆过程。调制的逆过程。解调：解调：频带信号频带信号 基带信号基带信号demodulationu 调制解调器（调制解调器（modem）69/872022-12-171.6.2 数字通信系统数字通信系统 数字通信系统数
36、字通信系统信道中传输数字波形的通信系统。信道中传输数字波形的通信系统。一个较为完善的现代数字通信系统：一个较为完善的现代数字通信系统：基本的基本的白色实线框；可选的白色实线框；可选的灰色虚线框。灰色虚线框。70/872022-12-17收发两端结构基本对称，相应的单元彼此互逆。收发两端结构基本对称，相应的单元彼此互逆。71/872022-12-17信道噪声接收设备接收设备信源信宿格式化脉脉冲冲基基带带调调制制发送设备发送设备信源编码信道编码加密频带调制发射机格式化脉脉冲冲基基带带检检测测信源译码信道译码解密频带解调接收机数字通信系统简化模型数字通信系统简化模型 m t m t s t n t
37、r t信号处理信号处理信号处理信号处理基带信号基带信号基带信号基带信号72/872022-12-17发发格式化：格式化：把来自信源的消息信号整理为二进制序列。把来自信源的消息信号整理为二进制序列。收收格式化：格式化：把收到的二进制序列还原为原始消息信号。把收到的二进制序列还原为原始消息信号。p 格式化：格式化：对于模拟信源，格式化还包括对于模拟信源，格式化还包括A/DA/D和和D/AD/A变换。变换。p 脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制脉冲基带调制:把二进制序列变换成二元或多元传输波形把二进制序列变换成二元或多元传输波形基带检测基带检测:把二元或多元传输波形还原为二进制
38、序列。通过把二元或多元传输波形还原为二进制序列。通过对基带波形进行抽样和判决实现。对基带波形进行抽样和判决实现。p 同步单元同步单元为整个数字传输系统提供各种定时时钟，使各个单元能够为整个数字传输系统提供各种定时时钟，使各个单元能够正确、有序地工作。正确、有序地工作。73/872022-12-17p 信源编码和信源译码信源编码和信源译码 信源编码信源编码:为了改善传输效率（压缩编码）为了改善传输效率（压缩编码）信源译码信源译码:为了恢复原始信号，作相反的变换为了恢复原始信号，作相反的变换p 信道编码和信道译码信道编码和信道译码 信道编码信道编码:为了改善传输的可靠性（信道纠错编码）为了改善传输
39、的可靠性（信道纠错编码）信道译码信道译码:为了恢复原始信号为了恢复原始信号，作相反的变换，作相反的变换p 加密和解密加密和解密 加密加密:为信息传输提供保密性为信息传输提供保密性 解密解密:作相反的变换作相反的变换74/872022-12-17数字通信系统数字通信系统(相比模拟系统相比模拟系统)突出的优点：突出的优点：（1）信号状态有限，抗干扰能力强，可实现低误码率。）信号状态有限，抗干扰能力强，可实现低误码率。中继再生可以避免噪声积累，利于长距离传输；中继再生可以避免噪声积累，利于长距离传输；（2）由信道纠错编码技术可进一步降低误码率；）由信道纠错编码技术可进一步降低误码率；（3）易于进行加
40、密处理；）易于进行加密处理；（4）易于进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。）易于进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。（5）易于不同种类的信源数据，共用数字通信系统；）易于不同种类的信源数据，共用数字通信系统；（6）便于计算机与网络通信；）便于计算机与网络通信；缺点：缺点：（1）通常需要更多的带宽；）通常需要更多的带宽；（2）复杂的同步系统。）复杂的同步系统。75/872022-12-17characteristics measure1.6.3 通信系统的基本性能指标通信系统的基本性能指标 通信系统的基本性能指标：通信系统的基本性能指标：有效性有效性给定的时间内能传输的信息内容的多少；给
41、定的时间内能传输的信息内容的多少；可靠性可靠性接收到的信息的准确程度。接收到的信息的准确程度。76/872022-12-17p 数字通信系统数字通信系统比特率比特率:Rb 每秒传输的每秒传输的bit数数 单位单位:bits/s b/s bps符号速率（波特率）符号速率（波特率）:Rs 每秒传输的脉冲（信道符号）每秒传输的脉冲（信道符号）数数 单位单位:symbol/s Baud Bd频带利用率频带利用率：平均每赫兹所能提供的传输速率（：平均每赫兹所能提供的传输速率（bps/Hz）。）。bRBB:数字波形的带宽数字波形的带宽Rb:数字波形的数字波形的bit率率1.数字通信系统的有效性：数字通信系
42、统的有效性：传输速率：传输速率：码元速率码元速率77/872022-12-172.数字通信系统的可靠性：数字通信系统的可靠性：误比特率误比特率(BER):eP 传错的比特数传输总比特数p 模拟通信系统模拟通信系统模拟通信系统的有效性模拟通信系统的有效性传输带宽；传输带宽；模拟通信系统的可靠性模拟通信系统的可靠性接收端输出信号的接收端输出信号的信噪比信噪比（SNR）78/872022-12-171.6.4 信道的容量信道的容量1.信道容量信道容量 C:即能通无误过信道的最大信息速率即能通无误过信道的最大信息速率.香农指出香农指出信道有一个传输信息的信道有一个传输信息的“能力能力”，称为，称为信道
43、容量，是无差错传输的速率上界。信道容量，是无差错传输的速率上界。(channel capacity)79/872022-12-172.香农公式香农公式设:信道信道H(w)=1，BW=B信道带宽为信道带宽为 BHzNSAGWN 02nnPfN:信号带宽内信号带宽内的噪声功率的噪声功率0Nn B2log(1)(/)SCBb sN则则:揭示了通信系统的容量与带宽、信号功率和噪声功率之间的关联。揭示了通信系统的容量与带宽、信号功率和噪声功率之间的关联。shannon formula80/872022-12-173.香农公式的意义香农公式的意义220log(1)log(1)SSCBBNn B其中其中:为
44、信道三要素为信道三要素0.B S N（1）当给定）当给定B、S/N时，信道的极限传输能力时，信道的极限传输能力C（信道容（信道容量）即确定。如果信道实际的信息量）即确定。如果信道实际的信息传输传输速率速率R小于或等于小于或等于C时，此时能做到无差错传输（差错率可任意小）。如果时，此时能做到无差错传输（差错率可任意小）。如果R大于大于C，那么无差错传输在理论上是不可能的。，那么无差错传输在理论上是不可能的。81/872022-12-17（2 2）提高信噪比提高信噪比S/NS/N（通过减少（通过减少n n0 0或增大或增大S S），可提高信），可提高信道容量道容量C C。特别是，若。特别是，若 ，
45、则，则 ，这，这意味着无干扰信道容量为无穷大；意味着无干扰信道容量为无穷大；（3 3）增加信道带宽增加信道带宽B B并不能无限制地增大信道容量。信道并不能无限制地增大信道容量。信道容量的极限值为容量的极限值为00nC220log(1)log(1)SSCBBNn B200200200lo g1lo g1lo g1.4 4BBBSL imCL im Bn Bn BSSL imnSn BSSenn 可见，即使信道带宽无限可见，即使信道带宽无限大，信道容量仍然是有限大，信道容量仍然是有限的。的。82/872022-12-17（4 4）当信道容量当信道容量C C一定时，带宽一定时，带宽B B和信噪比和信
46、噪比S/NS/N之间可以之间可以互换。互换。83/872022-12-1710lg16()SdBN例例1.3 假设数字电视卫星系统的通信信道可近似为假设数字电视卫星系统的通信信道可近似为AWGN信道，它的带宽为信道，它的带宽为24MHz，信噪比为，信噪比为16dB。试计算该信道的容量，并说明数据率为试计算该信道的容量，并说明数据率为40Mbps时是否可能进行可靠通信。时是否可能进行可靠通信。解：解：信噪比信噪比16dB相当于，相当于，16/10/1039.81S N 于是，于是，2224log(1 39.8log(1)1)128.42CMbpSsBN显然，当数据率为显然，当数据率为40Mbps
47、时是可能进行可靠通信的。时是可能进行可靠通信的。128.42RCMbps84/872022-12-17例例 最大电话线传输速率最大电话线传输速率某计算机用户计划买一个高速某计算机用户计划买一个高速 modem，用于在模拟电话线上，用于在模拟电话线上传数据传数据.电话线输出信噪比电话线输出信噪比(SNR)为为 25dB 并且并且 传输带宽为传输带宽为 300 3200 Hz的音频信号的音频信号。计算该电话线能无误传输的最大。计算该电话线能无误传输的最大数据速率。数据速率。解解:251023200300290010lg2510316.2log124,097/BHzSSdBNNSRCBbits sN
48、85/872022-12-17例：例：计算信息速率计算信息速率某电话键盘某电话键盘:0,1,9,*,#P*=P#=0.005 P0=P1=P9=0.099如果按键速率为如果按键速率为 2keys/s,计算该信源的信息速率计算该信源的信息速率122122log2 0.005log 0.005 10 0.099log 0.0993.38/3.3826.76/jjjsH XPPkeysRHbits keybitsbits skeyRs 解解:86/872022-12-171.7 通信网络（自学）87/872022-12-1788/872022-12-1789/872022-12-17思考题：思考题：
49、1、通信系统由哪三大部分组成？各部分可能有些什么模块？、通信系统由哪三大部分组成？各部分可能有些什么模块？这些模块各自的作用是什么？这些模块各自的作用是什么？2、数字通信系统与模拟通信系统比较有什么优缺点？、数字通信系统与模拟通信系统比较有什么优缺点？3、我们设计信息承载波形时应主要考虑哪些因素？、我们设计信息承载波形时应主要考虑哪些因素？4、通信系统的主要性能指标是哪两个？这两个指标在数字通、通信系统的主要性能指标是哪两个？这两个指标在数字通信系统与模拟通信系统各表现为什么？信系统与模拟通信系统各表现为什么？5、什么是加性高斯白噪声信道？、什么是加性高斯白噪声信道？6、单个消息的信息量、信源熵、信息速率怎么计算？、单个消息的信息量、信源熵、信息速率怎么计算？7、香农公式有什么意义？信道三要素、香农公式有什么意义？信道三要素 是什么？它们各自对信是什么？它们各自对信息传输有什么影响？息传输有什么影响？作业：作业：1.10 1.11
