通信原理--绪论 PPT课件

通信原理电子信息工程学院郎百和8/21/20113:45:11PMReference通信原理(第6版)学习辅导与考研指导(第2版),曹丽娜,樊昌信,国防工业出版社,2009现代通信原理,曹志刚钱亚生,清华大学出版社,1992DigitalCommunications:FundamentalsandApplications,2ndEdition,BernardSklar,PrenticeHallPTR,2001DigitalCommunication,5thEdition,JohnG.Proakis,McGraw-HillCompaniesInc.,2007PrinciplesofDigitalCommunication，RobertG.Gallager，CambridgeUniversityPress，200828/21/20113:45:11PMReferenceDataNetworks(2ndEdition)，RobertG.Gallager，PrenticeHall，19923RobertG.GallagerDavidTseDinaKatabiPeterElias1923.11–2001.128/21/20113:45:11PM3Reference通信、数学理论研究牛人宗谱http://genealogy.math.ndsu.nodak.edu/search.phpDavidHilbertKhinchinKolmogorovMarkovLyapunov，etcCarlFriedrichGauß？48/21/20113:45:11PMReferenceFundamentalsofWirelesscommunications--DavidTseandP.Viswanath.Wirelesscommunications--AndreaGoldsmithWirelessCommunications:PrinciplesandPractice--T.S.RappaportWirelessCommunications--AndreasMolisch,MobileWirelessCommunications--MischaSchwartzDigitalSignalProcessing--JohnG.ProakisFundamentalsofStatisticalSignalProcessing,vol.1-2--StevenM.KayDetection,EstimationandModulationTheory,PartI-IV--VanTreesAnIntroductiontoSignalDetectionandEstimation--H.VincentPoorAdaptiveFilterTheory--SimonHaykinAdaptiveFilters--AliH.Sayed现代信号处理--张贤达Probability,RandomVariables,andStochasticProcesses--AthanasiosPapoulisAnIntroductiontoProbabilityTheoryandItsApplicationsvol.1-2--WilliamFeller58/21/20113:45:11PMReferenceIEEETrans.onCommunicationsIEEETrans.onWirelessComm.IEEETrans.onSignalProcessingIEEETrans.onVehicularTechnologyIEEETrans.OnBroadcastingIEEECommunicationsLettersIEEESignalProcessingLettersEURASIPJournalonAdvancesinSignalProcessingEURASIPJournalonWirelessCommunicationsandNetworkingWirelessCommunicationsandMobileComputing（WCMC）IETCommunicationsIEICETrans.onCommunicatons68/21/20113:45:11PM先修课程概率论与随机过程信号与系统随机信号分析通信电子线路78/21/20113:45:11PM课程涉及的相关理论8信源发送设备信道接收设备信宿噪声概率论与统计率失真理论信源编码密码理论信号处理调制理论信道编码电磁场与电波传播理论随机信号处理随机信号处理解调理论差错控制解码滤波理论密码理论信号与系统、电路分析、通信电子线路、交换理论、排队论、通信网理论8/21/20113:45:11PMFunctionalAnatomyofaCDMAHandset98/21/20113:45:11PM课程体系10通信原理通信理论通信技术现代交换技术通信网理论基础信息论基础电磁场理论通信网络技术移动通信卫星通信光通信技术天线与电波传播8/21/20113:45:11PM学科体系11信息与通信工程电子科学与技术通信与信息系统信号与信息处理物理电子学电路与系统微电子学与固体电子学电磁场与微波技术8/21/20113:45:11PM学科体系12控制科学与工程模式识别与智能系统控制理论与控制工程检测技术与自动化装置系统工程导航、制导与控制8/21/20113:45:11PM常用仿真软件SignalProcessingDesignerAdvancedDesignSystemMatlabSystemVueOpnetNS2138/21/20113:45:11PM148/21/20113:45:11PM158/21/20113:45:11PM168/21/20113:45:11PM178/21/20113:45:11PM第一章绪论通信原理188/21/20113:45:11PM目录1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标198/21/20113:45:11PM1.1通信的基本概念通信的目的：传递消息中所包含的信息。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…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。“通信”这一术语一般指“电通信”，包括光通信，（光也是一种电磁波）。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。208/21/20113:45:11PM1.1通信的基本概念通信：Communication，telecommunication信息（或消息）的传输和交换。消息：Message信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像。信息：Information消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。信号：Signal消息的电(或光)的表示形式。信号是消息传递的物质载体。218/21/20113:45:11PM通信发展简史电话：1876，BellCorp.，invention1881,John,twistedpairofwires1887,Charles,thinglassfiber1892,Alman,automatedswitching1946Coaxialcableused1950,Microwareradiosystem1958Underseacable1962,TDMintroduced228/21/20113:45:11PM通信发展简史无线发展史：1864Maxwell,equationsforelectromagneticwaves1887Hertz,radiowavesobserved1893Tesla,tunedspark-gaptransmitter&receiver1901Marconi,transmutedradiosignalacrossAttaint1920Frank,BroadcastRadio1948Shannon，afamouspaper:“AMathematicalTheoryofInformation”238/21/20113:45:11PM通信发展简史初级阶段（110年）1838有线电报（sos）1876电话1894无线电报1918AM广播1936FM广播1938TV广播1940～1945雷达、微波通信248/21/20113:45:11PM通信发展简史近代通信阶段（50年）1948香农“信息论”1958通信卫星60年代IC、彩电、数字通信、电子计算机70年代LSI（大规模集成电路）、商用通信卫星、数字程控交换机、分组交换网 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 258/21/20113:45:11PM通信发展简史现代通信阶段（30年）80年代光纤通信、移动通信、ISDN网研制、因特主干网90年代各种先进的通信网络类型多样化、规模大型化、业务综合化信息高速公路NGN:下一代网络技术上更为先进的网络提供更为先进业务的网络268/21/20113:45:11PM目录1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标278/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型信息源（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。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。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大类。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信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。288/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型29通信系统数字通信系统基带传输系统调制传输系统基带传输系统调制传输系统模拟通信系统8/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成模拟通信与数字通信的划分－－1.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。2.按信源信号参量的取值方式划分。模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的信号。也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。数字信号：是信号参量只能取有限个值的信号。也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。308/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成模拟信号：数字信号：31(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号8/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成模拟通信系统模型实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线波束成形、控制等过程。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）32图1-4模拟通信系统模型8/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成数字通信系统模型实际通信系统中可能还有数字复接、同步等。信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持一致。（载波同步、位同步、群帧同步、网同步）33图1-5数字通信系统模型8/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成34BlockdiagramofcommunicationsystemsSourceCodingChannelEncodingDigitalModulationLowpassFilteringCarriermodulationChannelCarrierDemodulationLowpassFilteringDigitalDemodulationChannelDecodingCarrier&symbolsynchronizationChannelEqualizationSourcedecoding8/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成1.2.3数字通信的特点数字通信的主要优点：抗干扰能力强，可消除噪声积累；传输差错可控，可以采用信道编码技术使误码率降低；便于处理、变换、存储；易于与各种数字终端接口；便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密强度高。358/21/20113:45:11PM1.2通信系统的组成1.2.3数字通信的特点数字通信的主要缺点：信号占用频带宽。如：一路数字电话占用带宽约20~60kHz一路模拟电话仅占用带宽约4kHz需要严格的同步系统。数字通信系统及设备比较复杂。克服数字通信缺点的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 ：提高通信系统利用率（T,W,P）368/21/20113:45:11PM目录1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标378/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类按通信业务分类：话务通信；非话务通信（电报通信系统、数据通信系统）按调制方式分类：基带传输；频带（带通、调制）传输按传输媒质分类：有线通信系统；无线通信系统按工作波段分类:长波通信;中波通信;短波通信;微波通信;远红外线通信按信号复用方式分类:频分复用FDM，OFDM；时分复用TDM;码分复用CDM;空分复用SDM;波分复用WDM;极化波分复用PWDM388/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式需要区分的几个概念复用方式：FDM，OFDM，TDM，CDM，WDM，SDM双工方式：TDD，FDD(Duplex)多址方式：FDMA，TDMA，CDMA398/21/20113:45:11PM表1-1常见的调制方式40 调制方式 用途 连续波调制 线性调制 常规双边带调幅AM 广播 抑制载波双边带调幅DSB 立体声广播 单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真 非线性调制 频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制 振幅键控ASK 数据传输 频移键控FSK 数据传输 相移键控PSK、DPSK、QPSK等 数据传输、数字微波、空间通信 其他高效数字调制QAM、MSK等 数字微波、空间通信8/21/20113:45:11PM表1-1常见的调制方式（续）41 调制方式 用途 脉冲调制 脉冲模拟调制 脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM(PWM) 中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、光纤传输 脉冲数字调制 脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制DM(△M) 军用、民用数字电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、图像编码 其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话8/21/20113:45:11PM表1-2通信波段与常用传输媒质42 频率范围 波长 名称 传输媒质 典型应用 3Hz~30Hz 107~108m 极低频ELF 有线线对长波无线电 远程导航、水下通信 30Hz~300Hz 106~107m 超低频SLF 有线线对长波无线电 水下通信 300Hz~3kHz 105~106m 特低频ULF 有线线对长波无线电 远程通信 3kHz~30kHz 104~105m 甚低频VLF 有线线对长波无线电 远程导航、水下通信、声呐 30kHz~300kHz 103~104m 低频LF 有线线对长波无线电 导航、无线电信标、电力线通信、水下通信 300kHz~3MHz 102~103m 中频MF 同轴电缆短波无线电 调幅广播、移动陆地通信、海事通信、测向、遇险求救 3MHz~30MHz 10~102m 高频HF 同轴电缆短波无线电 移动无线电话、短波广播、电报、定点军用通信、业余无线电 30MHz~300MHz 1~10m 甚高频VHF 同轴电缆米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航8/21/20113:45:11PM表1-2通信波段与常用传输媒质(续)43 频率范围 波长 名称 传输媒质 典型应用 300MHz~3GHz 10~100cm 特高频UHF 波导分米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 3GHz~30GHz 1~10cm 超高频SHF 波导厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30GHz~300GHz 1~10mm 极高频EHF 波导毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 300GHz~3THz 0.1~1mm 亚毫米波 波导毫米波无线电 未划分、实验用 43THz~430THz 7μm~0.7μm 红外 光纤激光空间传播 光通信系统 430THz~750THz 7μm~0.4μm 可见光 光纤激光空间传播 光通信系统 750THz~3000THz 0.4μm~0.1μm 紫外 光纤激光空间传播 光通信系统8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式1.3.2通信方式按消息传递的方向与时间关系划分44图1-6单工、半双工和全双工通信方式示意图(a)单工；(b)半双工；(c)全双工8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式1.3.2通信方式按数字信号排列顺序划分45图1-7并行传输；图1-8串行传输8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式1.3.2通信方式按通信网络形式划分46图1-9按网络形式划分的通信方式(a)点－点直通方式；(b)点－多点分支方式；(c)多点－多点交换方式8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式现代通信网的分层结构47AP：AccessProvider8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式现代通信网的分层结构按功能划分48应用层业务层传送层支撑网各种信息应用传送各种信息传送手段和基础设施信令网同步网电信管理网8/21/20113:45:11PM1.3通信系统分类与通信方式现代通信网的接口结构49CoreNetworksTMNAccessNetworksAcessNodeCustomerPremisesNetworkQ3Q3UNISNI8/21/20113:45:11PM目录1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标508/21/20113:45:11PM1.4信息及其度量信息论的发展方向其一是在维纳(WienerN.)的“平稳时间序列的内插、外推和平滑方法”和“控制论”两本名著的基础上发展起来的分支一一一一微弱信号检测理论。其二是在香农(ShannonC.E.)的“通信的数学理论”和“噪声中的通信”这两篇名著的基础上发展起来的分支一一一一信号的设计和编码理论。518/21/20113:45:11PM1.4信息及其度量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。消息中所含信息量大小与消息内容的不确定性有关。度量信息量的方法？信号是消息的载体，而信息是消息的内涵。任何信源产生的输出都是随机的，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，其包含的信息量就越大。528/21/20113:45:11PM1.4信息及其度量假设P(x)是一个消息发生的概率，信息量I与P(x)之间的关系（1）信息量是概率的函数，即I=f[P(x)]（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1时，I→0P(x)→0时，I→∞（3）信息具有相加性（互相独立事件构成的消息）因此满足上述条件，I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为538/21/20113:45:11PM信息量的单位比特（bit——binaryunit）：奈特（nat——natureunit）:哈特（Hart——Hartley）：在信息论中为 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 写方便，通常以log代表log2548/21/20113:45:11PM离散信源的信息量【例】设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为1.传送等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。2.传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；3.传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。4.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558/21/20113:45:11PM离散信源的信息量【例】：求离散信源的自信息量。一次掷两个色子，作为一个离散信源，求下列事件产生后提供的信息量。a.仅有一个为3；b.至少有一个为4；c.两个之和为偶数；解：一个色子有6个符号，两个色子的总数（信源符号数）为36。a.事件样本数=5×2=10（另外一个不能为3）b.事件样本数=5×2+1=11（加上一个双4）c.事件样本数=9×2=18则：p(a)=10/36=5/18;p(b)=11/36;p(c)=18/36=1/2;I(a)=log(18/5)=1.848(bit);I(b)=log(36/11)=1.7105(bit);I(c)=log2=1(bit);568/21/20113:45:11PM离散信源的平均信息量对于非等概情况设：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，即则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为（统计平均）578/21/20113:45:11PM离散信源的平均信息量由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。588/21/20113:45:11PM离散信源的平均信息量【例】一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，出现概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是统计独立的。201020130213001203210100321010023102002010312032100120210为某消息，求其信息量。解：①熵②算术平均信息量此消息中，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。598/21/20113:45:11PM离散信源的平均信息量该消息的信息量总量为每个符号的算术平均信息量为608/21/20113:45:11PM离散信源熵函数的性质熵函数熵函数的性质熵函数的非负性熵函数的对称性熵函数的确定性熵函数的连续性熵函数的扩展性熵函数的极值性熵函数的上凸性618/21/20113:45:11PM离散信源的最大熵定理作一个辅助函数λ为待定系数，由得n个方程组628/21/20113:45:11PM离散信源的最大熵定理离散信源先验等概时则，信源熵最大二元离散信源：63p11/2H(x)018/21/20113:45:11PM连续信源的平均信息量连续信源的绝对熵｛P(xi)，P(x)为pdf，P(xi)△为概率｝64△p(xi)p(x)axib8/21/20113:45:11PM连续信源的平均信息量连续信源的相对熵｛P(x)为pdf｝连续信源熵为一个相对熵，其值为绝对熵减去一个无穷大量。连续信源有无穷多个状态，因此根据定义，Shanon熵必然为无穷大。连续信源的熵不等于一个消息状态具有的平均信息量。其熵是有限的，而信息量是无限的。连续信源熵不具有非负性，可以为负值。658/21/20113:45:11PM目录1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标668/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标有效性（传输速度）与可靠性（传输质量）一、模拟通信系统的质量指标有效性—有效传输带宽；可靠性—输出信噪比(SNRout)二、数字通信系统的质量指标有效性：①码元速率Rs、信息速率Rb②码元频带利用率ηs、信息频带利用率ηb可靠性：①误比特率；②误码元率678/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标数字通信系统的有效性：①码元速率Rs、信息速率Rb码元速率（波特率）Rs，单位是波特（Baud），记为B，码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关信息速率（比特率）Rb，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps，码元速率和信息速率有确定的关系，即688/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标数字通信系统的有效性：①码元速率Rs、信息速率RbM-aryunary,binary,ternary,quaternary,quinary,octonary...M进制的码元速率RSM与二进制的码元速率RS2之间关系：【例】码元速率为1200B，采用八进制（M=8）时，信息速率为3600b/s；采用二进制（M=2）时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等。698/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标数字通信系统的有效性：②码元频带利用率ηs、信息频带利用率ηb708/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标数字通信系统的可靠性：①误比特率(误比特率或误信率)Pb②误码元率(误符号率或误码率)Ps二进制时，有M进制时，有718/21/20113:45:11PM1.5通信系统主要性能指标【例】某完备的信源空间由A、B、C、D四个信源符号组成，每个符号用二进制脉冲编码，00代替A、01代替B、10代替C、11代替D，每个脉冲宽度为5ms，若信源符号出现的先验概率分别为：，求传输的平均信息速率。解：728/21/20113:45:11PM本章结束第一章绪论738/21/20113:45:11PMText信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源发送端接收端00码元信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源接收方发送方同时发送8比特01101100接收方01100100发送方01100100并行/串行转换器串行/并行转换器011001008比特依次发送终端A终端B(a)转接站终端A终端B终端C(b)终端N终端A终端B终端C交换设备终端N(c)…7654321AP数据数据单元数据单元数据单元数据单元数据单元帧比特流分组报文AP数据7654321物理媒体APaAPb