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文檔簡介

1、通 信 原 理1通信原理:討論什么?如何傳輸信息?本門課程:信息傳輸的最基本的問題:簡單基本的信道特征、信號在信道上的傳輸方法研究的方法:數學模型,特別是概率模型。2通信原理:有什么用?解決信息如何傳輸的最基本的原理。這些原理幾乎適用目前的所有通信系統。是進一步研究通信系統的基礎。通信專業的學生的必備的基礎知識。一個知識系統,本身就具備了解的價值。無論技術怎么發展,學校的課程怎么改革,基礎的知識系統不會改變。3通信原理:系列課程中的地位一、基礎:數學,物理二、專業基礎:信號與系統 電路分析 電磁學三、專業基礎:通信原理 電子電路 數字邏輯 計算機原理 信息論 數據結構 微波技術 天線 交換 通

2、信網專業課:移動通信 衛星通信 等等 4通信原理:關系密切的先修課程概率論與隨機過程線性代數信號與系統5關于課程學習方式:課堂教學/課后作業考試方式:閉卷成績評定:70%考試成績 + 30%平6主要參考書樊昌信等編,通信原理,國防工業出版社周炯磐等編,通信原理,北京郵電大學出版社曹志剛等編,現代通信原理,清華大學出版社Digital and Analog Communication Systems Edition). 清華大學出版社Simon Haykin, Communication Systems, 電子工業出版社J.G.Proakis. Digital Communication(4rd

3、 Edition). 電子工業出版社通信原理習題7課程的基本內容通信基本概念確定信號和隨機信號分析模擬調制系統數字基帶傳輸系統正弦載波數字調制系統數字信號的最佳接收模擬信號的數字傳輸8第1章 緒論什么是通信?通信的發展簡史通信系統的組成通信系統的分類和通信方式信息及其度量通信系統的主要性能指標信道及其模型噪聲91. 什么是通信?通信就是互通信息本課程一般指電信,即遠距離通信(telecommunication)電報電話Etc.101. 什么是通信?通信:交流,傳遞消息;信息的傳輸與交換消息文字、圖象、符號、聲音.信號是消息的承載者,信號常常由消息變換而來,是與消息對應的某種物理量,通常是時間的

4、函數,例如隨著時間變化的電壓(電流)。通信系統中傳送的是信號.通信是一種產業,它生產的是一種信息在空間轉移的效應112. 通信的發展簡史12最早的電通信設想 1753年2月17日,蘇格蘭人雜志上發表了一封署名C.M的書信。在這封信中,作者提出了用電流進行通信的大膽設想。他建議:把一組金屬線從一個地點延伸到另一個地點,每根金屬線與一個字母相對應。在一端發報時,便根據報文內容將一條條金屬線與靜電機相連接,使它們依次通過電流。電流通過金屬線上的小球便將掛在它下面的寫有不同字母或數字的小紙片吸了起來,從而起到遠距離傳遞信息的作用。 13最早的有線電報1844年5月24日,莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發人

5、類歷史上的第一份電報。在座無虛席的國會大廈里,莫爾斯用激動得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機, 發出了:“上帝創造了何等奇跡!”一語。 莫爾斯發出第一封電報設備的復制品 14最早的有線電話 1875年6月2日,美國人亞力山大.格雷厄姆.貝爾(Bell,Alekander Graham)發明了電話。至今美國波士頓法院路109號的門口,仍釘著塊鐫有:1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。1876年2月14日,貝爾申請了那個著名的他和沃森一直研究著的裝置電話的專利。同一天另一個發明家格雷(1835-1901)也向美國專利局遞交了相似設備的專利申請書,只因比貝爾晚了幾個小時而痛失

6、電話發明權。 貝爾獲得電話的專利證書 15電磁波的發現 1887年3月21日,德國物理學家赫茲(Hertz)在實驗中發現,電火花的能量能夠越過空間傳到遠處。這是人類歷史上第一次證實了電磁波的存在。16最早的無線通信 1895年5月7日,36歲的波波夫在彼德堡的俄國物理化學會的物理分會上,宣讀了關于“金屬屑與電振蕩的關系”的論文,并當眾展示了他發明的無線電接收機。當他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發生器時,波波夫的無線電接收機便響起鈴來;斷開電波發生器,鈴聲立即中止。幾十年后,為了紀念波波夫在這一天的劃時代創舉,當時的蘇聯政府便把5月7日定為“無線電發明日”。 波波夫實驗用的無線電接收機 1

7、7人類首次遠距離無線電通信 1897年5月18日,馬可尼進行橫跨布里斯托爾(Bristol)海峽的無線電通信取得成功,通信距離為14公里。18影響通信發展的重要發明或理論 1906年,Lee Deforest發明了真空三極管放大器。 1925年,英國發明家貝爾德在前人研究的基礎上終于制成了世界上第一臺有實用價值的電視機。1938年,電視廣播開播。1941年,John V.Atanasoff在衣阿華州立大學發明數字計算機。1947年,貝爾實驗室的Steve O.Rice給出了噪聲的統計描述。 191948年,貝爾實驗室向公眾展示了用以取代真空管的晶體管。1948年,Claude E.Shanno

8、n發表了信息論。著名的香農公式:C 信道容量B 信號帶寬S/N 信號與噪聲的功率之比影響通信發展的重要發明或理論201957年10月4日,原蘇聯發射了第一顆人造地球衛星,地球上第一次收到了來自人造衛星的電波。它不僅標志著航天時代的開始, 也意味著一個利用衛星進行通信的時代即將到來。1958年,發明了集成電路。1964年,電子電話交換機投入使用。1972年,摩托羅拉公司為FCC演示蜂窩電話系統。影響通信發展的重要發明或理論211976年,出現個人計算機。1979年,64KB隨機存儲器的出現宣告超大規模集成(VLSI)電路時代的到來。1980年,貝爾公司推出FT3光纖通信系統。1989年,衛星全球

9、定位系統(GPS)完成部署 。1995年,互聯網(Internet)及WWW瀏覽廣泛流行。影響通信發展的重要發明或理論223. 通信系統的組成(1) 通信系統模型信息源發送設備傳輸媒介接收設備受信者噪聲源233. 通信系統的組成(2) 模擬通信和數字通信模擬(連續)消息:狀態連續變化,例如語音,圖像 數字(離散)消息:狀態可數或離散,如符號,文字,數據模擬信號:載荷消息的電參量連續取值 數字信號:載荷消息的電參量離散取值模擬通信系統:信道中傳輸模擬信號,例如電話 數字通信系統:信道中傳輸數字信號,例如電報24模擬信號 25數字信號 263. 通信系統的組成(3) 模擬通信系統模型模擬信息源調制

10、器信道解調器受信者噪聲源基帶信號已調信號已調信號基帶信號273. 通信系統的組成(4) 數字通信系統模型283. 通信系統的組成(5) 數字通信的優點:抗干擾能力強(消除噪聲積累;差錯可控)便于處理和管理,便于傳輸和交換便于與各種數字終端接口,進行處理、加工、變換、存儲,形成智能網;便于集成化,微型化;便于加密處理數字通信的缺點:頻帶利用率低:一路模擬電話:4KHz,接近同樣話音質量的一路數字電話:64K。對同步要求高,系統設備比較復雜。29(a) 失真的數字信號(b) 恢復的數字信號 數字信號波形的失真和恢復303. 通信系統的組成(6) 兩種應用利用數字通信系統傳送模擬消息A/D,D/A變

11、換,例如電話利用模擬通信系統傳送數字信號加裝數字終端,例如調制解調器電話網因特網314 通信系統的分類(1)根據信號特征模擬通信系統數字通信系統根據消息的物理特征:電話、電報、數據、圖象等根據調制方式基帶傳輸:頻帶傳輸:根據傳輸媒介有線傳輸無線傳輸324 通信系統的分類(2)根據信號復用方式頻分復用(FDM)時分復用(TDM)碼分復用(CDM)334 通信系統的分類(3)按消息傳送方向與時間關系單工:遙測、遙控、尋呼半雙工:無線電對講機(同一載頻)全雙工通信:電話發送端信道接收端發送端信道發送端接收端接收端發送端信道接收端接收端發送端信道344 通信系統的分類(4)按數字信號的碼元排列方法串行

12、傳輸:遠距離數字通信并行傳輸:近距離數字通信發送設備接收設備 1 0 1發送設備接收設備.355 信息及其度量(1)信息:消息中包含的有意義的內容信息的度量:信息量與消息的種類及重要程度無關事件的不確定程度越大,信息量越大消息 x 中所含信息量 I 與消息出現概率 P(x) I (x) = I P(x)I 1/ P(x): P(x) =1, I = 0; P(x) = 0, I =若干互相獨立事件構成的消息,所含信息量等于各獨立事件信息量之和 I (x1 , x2 , ) = I P(x1) + I P(x2) + 365 信息及其度量(2)信息量 I 的定義a =2: 比特(bit)a =e

13、: 奈特(nit)a =10: 哈特萊375 信息及其度量(3)離散消息的度量設離散信息源是一個由n個符號組成的符號集,且 各符號 x1 x2 xn 所包含的信息量分別為 每個符號所含信息量的統計平均值(平均信息量)為 信息源的熵385 信息及其度量(4)信息源的最大熵 如果各符號x1 x2 xn等概出現,即P(xi)=1/n,則有結論:信息源的最大熵,發生在每一個符號等概率出現時 用平均信息量計算消息的信息量 若消息傳送的符號總數為m,則 I = m H(x) (bit) 例:信息源由獨立等概的符號0, 1組成, n = 2, H(x)=1bit/符號,符號數與比特數相等。 395 信息及其

14、度量(5)例 一信息源由四個符號0, 1, 2, 3組成,它們出現的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8,且每個符號的出現都是獨立的。試求某個消息201020130(57個符號:023, 114, 213, 37)的信息量。406. 主要性能指標(1)有效性:可靠性:信息論觀點,有效性和可靠性常常是一對矛盾。416. 主要性能指標(2)實現最佳通信系統設計的關鍵。設計原則(基本出發點):在一定代價下使系統最優化在一定可靠性的要求下,如何盡可能地去提高系統的有效性;在一定有效性的要求下,如何最大限度地去提高可靠性。這種矛盾的相對統一也是通信技術發展的基本動力426. 主要性能指標(3)

15、模擬通信系統的性能指標有效性:用所傳信號的有效傳輸帶寬來表征。顯然信道的傳輸頻帶越寬,則能夠容納的信息量就越大??煽啃裕壕秸`差輸出信噪比(僅考慮加性干擾):接收端輸出的信號平均功率與噪聲平均功率之比(SNR)電話:SNR 40dB, 話音清晰度95%電視:SNR = 4060dB436. 主要性能指標(4)離散數字信號的表示離散信源的 N = 2k 種可能狀態可以用 k 位二進制數字或一位 N 進制數字表示用時間間隔相同的信號來表示一位二進制或 N 進制數字這個間隔稱為符號/碼元長度間隔內的信號稱為符號/碼元(二進制或 N 進制)AB CD000110110123T tT t1T t2-1T

16、 t-2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1446. 主要性能指標(5)數字通信系統的性能指標:傳輸速率和差錯率符號(碼元)傳輸速率:每秒鐘傳送的符號數量,單位為“波特”(baud或B),又稱傳碼率信息傳輸速率:每秒鐘傳送的信息速率,單位為“比特/秒”(bit/s),又稱傳信率符號速率與信息速率之間的關系:若符號速率為Rs,信息速率為Rb,每個符號有 N 種可能狀態,則有Rb Rs log2 N (bit/s)Rs Rb /log2 N (baud) 頻帶利用率:傳輸速率與系統帶寬之比,單位為bit/s/Hz或Baud/Hz456. 主要性能指標(6)誤符號率(誤碼

17、率) :符號在傳輸系統中被傳錯的概率誤比特率(誤信率):符號信息量在傳輸系統中被丟失的概率 467. 信道(1)信道的定義:譯碼器輸 入發轉換器 媒 質收轉換器 解 調 器 調 制 器(調 制) 信 道廣義(編碼)信道編碼器輸 出477. 信道(2)信道模型調制信道模型: 對于單“端對”信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中 ei(t) 輸入的已調信號;eo(t) 輸出信號;n(t) 加性噪聲,它與ei(t)相互獨立。f ei(t) 與輸入有關的一個函數, 表示信道對于信號的影響。ei(t)eo(t)時變線性網絡487. 信道(3)通常, f ei(t) 可以表示為:k(t) ei(t), 此時, eo(t) = k(t) ei(t) + n(t)其中k(t)表示時變線性網絡的特性 ,稱為乘性干擾。 k(t) 一個復雜的函數,反映信道的衰減、線性失真、非線性失真、延遲 等。最簡單情況:k(t) = 常數,表示衰減。當k(t) =常數,稱為恒(定)參(量)信道例如,同軸電纜當k(t)常數,稱為隨(機)參(量)信道例如,移動蜂窩網通信信道497.

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