1、通信原理与通信技术2011年年2月月通信原理与通信技术通信原理与通信技术 课程简介课程简介n教学目标教学目标 本课程为移动通信专业的学生开设。其目的是使该专业毕业的学生具有一定的通信知识背景，了解和掌握现代通信系统的基本原理及相关技术，尤其是数字通信的基本原理，为进一步学习后续通信和网络专业课程打下基础。n基本要求基本要求掌握通信系统的基本模型、基本原理、基本分析方法能够分析各通信系统的性能n参考书目参考书目通信原理，王福昌等，清华大学出版社，2006通信原理（第6版）樊昌信等，国防工业出版社，2007n先修课程先修课程 高频电子线路、数字电路技术、信号与系统、概率论与随机过程n考核方式考核方
2、式 平时作业实验期末考试n几点说明几点说明1、上课时间：周二、四上午2、按要求完成相应的实验（包括实验报告）和作业3、关于考试：作业、实验、考勤 40%；期末考试60%（迟到、早退、旷课、上机玩游戏和聊天、带签名扣3分）4、上课主动应答给予相应加分1.1 通信系统的模型通信系统的模型 1.2 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式1.3 信息及其度量信息及其度量 本章重点本章重点 1.4 通信系统的性能指标通信系统的性能指标 讲一讲发生在你身边有趣的通讯故事？讲一讲发生在你身边有趣的通讯故事？故事一故事一、故事二故事二您知道有哪些通讯方式？至少说出五种。您知道有哪些通讯方式？至少说出
3、五种。表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、旌旌旗、航行用的旗、航行用的信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、QQ聊天工聊天工具具思考思考1 1：FM、AM、SW、MW、LW是什么意思？是什么意思？调频、调幅、短波、中波、长波调频、调幅、短波、中波、长波AMPS、GSM、CDMA、PHS、WCDMA、CDMA2000 、TD-SCDMA、OFDM是什么意思？是什么意思？北美蜂窝系统、移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电北美蜂窝系统、移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电话系统、话系统、宽带分码多工存取
4、宽带分码多工存取、第三代、第三代CDMA、时分同步的码分、时分同步的码分多址技术、正交多任务分频技术（多址技术、正交多任务分频技术（4G）思考思考2 2：第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信：互通信息，包括信息的传输与交换。n通信的目的：传递消息中所包含的信息。n消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。n信息：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：u非电的：如旌旗、烽火台 u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。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n电信发明
5、史（Telecommunication)u1837年：莫尔斯发明有线电报u1876年：贝尔发明有线电话 u1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世u1936年：商业电视广播开播 u中国的神舟飞船 n本课程中，“通信”这一术语是指“电通信”n在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.2 通信系统的组成n1.2.1 通信系统的一般模型u信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。u发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。u信道：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
6、大类。u噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u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。u受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念通信系统实例示意图第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1-2 模拟信号第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算
7、机输入输出信号：u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模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：p两种变换：模拟消息 原始电信号（基带信号）基带信号 已调信号（带通信号）图1-4 模拟通信系统模型第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u数字通信系统模型p数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 p信源编码与译码目的：数据压缩、完成模/数转换 p信道编码与译码目的：增强抗干扰能力，即差错控制p数字调制与解
8、调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 p同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 图1-5 数字通信系统模型第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n1.2.3 数字通信的特点u优点p抗干扰能力强，且噪声不积累（“1”“0”抽样判决恢复）p传输差错可控（纠错编码技术）p便于处理、变换、存储p便于将来自不同信源的信号综合到一起传输p易于集成，使通信设备微型化，重量轻p易于加密处理，且保密性好u缺点：p需要较大的传输带宽（一路数字电话一般要占据约2060 kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz的带宽）p对同步要求高（要准确地恢复信号，必须要求接收端和发送端保持严格同步）第第1章
9、章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.3 通信系统分类与通信方式n1.3.1 通信系统的分类u按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统 u按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 u按信号种类分类：模拟通信系统和数字通信系统u按传输介质分类：有线通信系统和无线通信系统 u按工作波长分类：长波通信、中波通信、短波通信 u按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用 第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n1.3.2 通信方式u单工、半双工和全双工通信p单工通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工
10、作方式p全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u并行传输和串行传输p并行传输：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 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 第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p串行传输：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第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.4 信号及噪声信号及噪声n信号分类：（大范围的分类）l
11、模拟信号和数字信号l 周期信号和非周期信号l 确知信号和随机信号 确知信号：可用明确的数学表达式表示 随机信号：可用概率描述 （时域和频地域表示法）l 能量信号和功率信号 信号功率定义为电压/电流在1电阻上消耗的功率，称作归一化功率 信号能量：第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.4 信号及噪声信号及噪声n噪声分类：（大范围的分类）根据来源的不同自然噪声：闪电、雷暴等。人为噪声：电火花、电子对抗。内部噪声：由元器件本身产生的热噪声、散弹噪声及电源噪声等。n能量信号和功率信号 信号功率定义为电压/电流在1电阻上消耗的功率，称作归一化功率信号能量：n高斯白噪声 把统计特性服从高斯分布、
12、功率谱密度均为分布的噪声第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u1.5 度量信息量的方法度量信息量的方法p设：P(x)消息发生的概率，I 消息中所含的信息量，p则：I 是 P(x)的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I；P(x)=1时，I 0；P(x)=0时，I ；信息量的定义)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b p通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)p【例例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1
13、”，则信源每个输出的信息含量为 p在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特)(log)(1logxPxPIaa221loglog()()IP xP x)b(12log2/11log)1()0(22 II第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为p若M是2的整幂次，即 M=2k，则有当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2()kIkb第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p对于非等概率情况对于非等概
14、率情况设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即 且有则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为于是，M个符号所含平均信息量为 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x，121222221()()log()()log()()log()()g()(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符号）第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p对于非等概率情况对于非等概率情况对M为有限个，出现的次数
15、有有限次n，则整个消息的信息量可以表示为：1212,MMxxxP xP xP x第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念u【例例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2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解解】此消息中，“0”出现23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u每个符号的算术平均信息量为)b(1088log74log134log1
16、43/8log232222I符号）比特符号数/(89.157108II第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n信道容量与香农公式（重点）C=B C=B*lb(1+S/N)(b/s)lb(1+S/N)(b/s)式中,C为信道容量(单位为bit/s或b/s)，B为信道带宽(Hz)，S是信号功率，N是噪声功率。单边噪声功率 谱密度为n0 N=n0*B结论：当信噪比S/N为时，信道容量C也为无穷大。B时，C却不能随之趋于无穷大，为1.44S/n0 信道容量一定时，带宽和信噪比可以互换：牺牲带宽可减小信噪比；增大信噪比可以换取较小带宽。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n信道容量与香农公
17、式 例题：例题：若一帧电视图像的信息量为99600bit，电视的帧频为30Hz，为使接收端能收到良好的图像，要求信道的信噪比S/N=1000(10lgS/N=30dB),求信道的带宽B。解:若信息的传输速率为V=9960030=29.9106b/s，则信道的容量C至少应等于V，有 C=9960030=29.9106b/s由香农公式可得第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.6 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标n通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性u有效性：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。u可靠性：指接收信息的准确程度，也
18、就是传输的“质量”问题。n模拟通信系统：u有效性：可用有效传输频带来度量。u可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念n数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。p码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒）p信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s，或bps)B(1TRB第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p码元速率和信息速率的关系或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如
19、在八进制（M=8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念p频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即或u可靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率p误信率，又称误比特率在二进制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb传输总码元数错误码元数eP传输总比特数错误比特数bPebPP 移动通信发展简史移动通信发展简史标准有三种：CDMA2000，WCDMA 和TD-SCDMA，其中，CDMA2000 和WCDMA 属于FDD 方式，TD-SCDMA 属于TDD 方式，系统的上、下行工作于同一频率。第第1章章 通信系统基本概念通信系统基本概念l1.7 小结小结n通信的目的、电信发明史通信的目的、电信发明史n通信系统的模型通信系统的模型n数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、频带信号）频带信号）n数字通信特点数字通信特点n通信系统分类通信系统分类 n单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输n信息及其度量信息及其度量n通信系统的有效性和可靠性通信系统的有效性和可靠性
