现代通信原理现代通信原理( (第三版第三版) )宋祖顺宋祖顺 宋晓勤宋晓勤 宋宋 平平电子工业出版社电子工业出版社前前 言言为什么选择通信电子信息专业？为什么选择通信电子信息专业？v通信电子信息学科是尖端科学技术。通信电子信息学科是尖端科学技术。 物质、能源、信息是人类生存的三大资物质、能源、信息是人类生存的三大资源。源。v通信电子信息产业是朝阳产业。通信电子信息产业是朝阳产业。 通信电子信息产业有很大发展空间。通信电子信息产业有很大发展空间。v 通信是其它各行各业的倍增器通信是其它各行各业的倍增器 v通信电子信息专业的姐妹学科多。通信电子信息专业的姐妹学科多。 自控、遥控、遥测、仪表、汽车电子、自控、遥控、遥测、仪表、汽车电子、家电、智能楼宇等家电、智能楼宇等 v通信电子信息就业好。通信电子信息就业好。一一 、 现代通信原理现代通信原理课程的地位与作用课程的地位与作用1. 通信的过程：通信的过程： 信息的采集信息的采集 信息的加工处理信息的加工处理 信息的传输信息的传输 信息的交换信息的交换 信息的利用信息的利用2.以人民防空系统为例详解上述五以人民防空系统为例详解上述五亇亇过程：过程：v 雷达获取来犯敌机或导弹信息雷达获取来犯敌机或导弹信息v 对信息进行加工处理，如编码、经纬度转对信息进行加工处理，如编码、经纬度转换等换等v 信息从雷达站向上级传送信息从雷达站向上级传送v 信息经逐级交换传送至中央信息经逐级交换传送至中央v 由中央决定对来犯者实施打击或驱逐由中央决定对来犯者实施打击或驱逐3.通信原理主要内容：通信原理主要内容：v 信息的加工处理信息的加工处理v 信息的传输信息的传输 通信原理以信息传输为核心，部分内容涉及通信原理以信息传输为核心，部分内容涉及信息的加工处理。信息的加工处理。 模拟信号数字化传输、基带传输、频带传输模拟信号数字化传输、基带传输、频带传输(调制、解调调制、解调)、同步技术、差错控制技术等，都、同步技术、差错控制技术等，都是围绕传输这个核心展开讨论的。是围绕传输这个核心展开讨论的。 少数内容，如少数内容，如PCM、增量调制等属于信息加、增量调制等属于信息加工处理的内容。工处理的内容。二、二、现代通信原理现代通信原理概概 述述 1.1.绪论绪论绪论绪论 2.2.统计信号分析统计信号分析统计信号分析统计信号分析 3.3.模拟调制模拟调制模拟调制模拟调制 4.4.模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输 5.5.数字基带传输数字基带传输数字基带传输数字基带传输 6.6.数字调制数字调制数字调制数字调制 7.7.数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收 8.8.同步技术同步技术同步技术同步技术 9.9.信道编码信道编码信道编码信道编码10.10.通信原理实验通信原理实验通信原理实验通信原理实验三、通信原理课程的重点、难点三、通信原理课程的重点、难点(不不同层次要求不同同层次要求不同)v * 统计信号分析统计信号分析v 模拟调制模拟调制v 模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输v * 基带传输基带传输v 数字调制数字调制v * 最佳接收最佳接收v 同步同步v 差错控制差错控制v 实验实验第第 1 章章 绪绪 论论 现代通信原理（第三版）现代通信原理（第三版）现代通信原理（第三版）现代通信原理（第三版）宋祖顺宋祖顺宋祖顺宋祖顺宋晓勤宋晓勤宋晓勤宋晓勤宋平宋平宋平宋平电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社 通信发展简史通信发展简史1 通信系统的基本模型通信系统的基本模型 2 通信系统分类和数字通信系统通信系统分类和数字通信系统 3 信息量与香农公式信息量与香农公式4第第1章章绪论绪论1.1通信发展简史通信发展简史v电通信起源于电通信起源于18世纪末，开始用于军事目的是世纪末，开始用于军事目的是19世纪初。世纪初。v1876年贝尔发明了电话年贝尔发明了电话v1895年马可尼和波波夫同时分別实现了无线电通年马可尼和波波夫同时分別实现了无线电通信。信。v1929年贝尔实验室第一次进行了电视试验。年贝尔实验室第一次进行了电视试验。v1946年美国造了第一台电子计算机，到了年美国造了第一台电子计算机，到了20世世纪纪50年代末开始了计算机通信。年代末开始了计算机通信。v1956年美国摩托罗拉公司生产出第一个无线电寻年美国摩托罗拉公司生产出第一个无线电寻呼机。呼机。v1957年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了年苏联发射第一颗人造地球卫星，人类开始了空间通信。空间通信。v1962年美国发射第一颗通信卫星，卫星通信步入实年美国发射第一颗通信卫星，卫星通信步入实用阶段。用阶段。v1966年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后年美籍华人高锟提出光纤通信设想，十多年后实现了光纤通信。实现了光纤通信。v1970年第一部商用数字时分程控电话交换机在法国年第一部商用数字时分程控电话交换机在法国投入使用。投入使用。v1978年美国贝尔实验室研制成功模拟蜂房移动电话年美国贝尔实验室研制成功模拟蜂房移动电话系统。系统。v1985年英国电信公司开设了综合业务数字网。年英国电信公司开设了综合业务数字网。v1986年欧洲推出泛欧数字移动通信网年欧洲推出泛欧数字移动通信网(GSM)并于并于1991年在欧洲开始商用。年在欧洲开始商用。v1989年美国科克姆公司开始码分多址数字蜂房通信年美国科克姆公司开始码分多址数字蜂房通信试验，试验，93年生产出第一批双模式移动台，此后年生产出第一批双模式移动台，此后CDMA席卷世界。席卷世界。v1991年美国国防部年美国国防部“易通话易通话”计划提出软件无线电计划提出软件无线电概念，概念，94年年10月完成第一阶段计划并进行演示。月完成第一阶段计划并进行演示。v1991年美国副总统戈尔提出年美国副总统戈尔提出“信息高速公路法案信息高速公路法案”很快得到世界各国响应，全球掀起信息高速公路热潮。很快得到世界各国响应，全球掀起信息高速公路热潮。v1994年国际最大的计算机互联网络年国际最大的计算机互联网络(英特网英特网)商业化，商业化，实现了世界范围的网络资源共享。实现了世界范围的网络资源共享。v2000年国际电信联盟年国际电信联盟(ITU)确定确定W-CDMA，CDMA-2000和和TD-SCDMA三大主流无线接口标准写入第三三大主流无线接口标准写入第三代移动通信系统代移动通信系统(3G)技术指导性文件。技术指导性文件。1.2 通信系统的基本模型通信系统的基本模型信源和输信源和输入变换器入变换器发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备输出变换输出变换器和信宿器和信宿噪声及噪声及干扰源干扰源v信源和输入变换器：信源是消息的来源，通常为非信源和输入变换器：信源是消息的来源，通常为非电量，输入变换器是把非电量转变成电量，即把消电量，输入变换器是把非电量转变成电量，即把消息变换成输入信号。息变换成输入信号。v发送设备：加工信号，満足信道的要求。发送设备：加工信号，満足信道的要求。(如调制如调制)v信道：信息传输的通道。信道：信息传输的通道。v接收设备：接收信道传输的信号，减小噪声及干扰接收设备：接收信道传输的信号，减小噪声及干扰的影响，并变换成信宿能接受的信号的影响，并变换成信宿能接受的信号(如解调如解调)。v信宿及输出变换器：信息的归宿，其中重要的任务信宿及输出变换器：信息的归宿，其中重要的任务是电量与非电量的转换。是电量与非电量的转换。v噪声和干扰源：它包括白噪声、自然干扰、工业干噪声和干扰源：它包括白噪声、自然干扰、工业干扰、人为干扰等，与其它方框不同，它是系统固有扰、人为干扰等，与其它方框不同，它是系统固有的，并非是一个设备。的，并非是一个设备。1.3 通信系统分类和数字通信系统通信系统分类和数字通信系统1. 通信系统分类：通信系统分类：v按收、发两地有没有线路连接分为：按收、发两地有没有线路连接分为： 有线通信和无线通信有线通信和无线通信v按消息的形式分为：按消息的形式分为： 电话、电报、传真、电视电话、电报、传真、电视v按信号的性质分为：按信号的性质分为： 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信v2. 模拟通信与数字通信：模拟通信与数字通信： 信道上传输的是模拟信号称为模拟通信。信道上传输的是模拟信号称为模拟通信。 信道上传输的是数字信号称为数字通信。信道上传输的是数字信号称为数字通信。v3. 模拟信号与数字信号：模拟信号与数字信号： 凡信号的某一参量可以取无限多个值，并且直接与消息对凡信号的某一参量可以取无限多个值，并且直接与消息对应的信号称为模拟信号。应的信号称为模拟信号。 凡信号的某一参量只能取有限个值，并且常常不直接或者不凡信号的某一参量只能取有限个值，并且常常不直接或者不准确地与消息对应的信号称为数字信号。准确地与消息对应的信号称为数字信号。v4. 数字通信方框图数字通信方框图(见教材第见教材第6页页)v5. 数字通信数字通信 的优点：的优点： 抗干扰能力强，差错可控制，便于与计算机连接实现通信抗干扰能力强，差错可控制，便于与计算机连接实现通信现代化、自动化，易加密，便于集成，便于实现多媒体通信。现代化、自动化，易加密，便于集成，便于实现多媒体通信。1.4 信息量与香农公式信息量与香农公式v1. 消息、信号与信息的基本概念：消息、信号与信息的基本概念： 消息消息人或事物情况的报道。人或事物情况的报道。 信号信号消息的载体或消息的携带者消息的载体或消息的携带者(对对电通信，信号是指电流或电压的幅度、频电通信，信号是指电流或电压的幅度、频率、相位；无线电波、光波等等率、相位；无线电波、光波等等)。 信息信息对接收者事先不知道的消息对接收者事先不知道的消息(信信息与不确定性紧密相关，越出人意料，信息与不确定性紧密相关，越出人意料，信息量越大息量越大)。v2. 信息的度量信息的度量 1)信息的定义：信息的定义： 假设信源由假设信源由 共共 个离散符号组成，个离散符号组成，并且每个符号独立，其中任一个符号并且每个符号独立，其中任一个符号 出现的概率为出现的概率为 则则 si 的信息量的信息量 上述对数以上述对数以2为底，则信息量的单位为比特为底，则信息量的单位为比特(bit) v2)讨论讨论 (1)等概二元制信源，每一个符号的信息量为等概二元制信源，每一个符号的信息量为1比特。比特。如：如： 并且并且 等概二元制信号，每个符号的信息量为等概二元制信号，每个符号的信息量为1比特，比特，是最简单的信息，它作为信息量的单位是非常适合是最简单的信息，它作为信息量的单位是非常适合的。的。(2)(2)信息量的概念与概率联系在一起，概率越小信息信息量的概念与概率联系在一起，概率越小信息信息量的概念与概率联系在一起，概率越小信息信息量的概念与概率联系在一起，概率越小信息量越大，符合人们对信息的理解。量越大，符合人们对信息的理解。量越大，符合人们对信息的理解。量越大，符合人们对信息的理解。 (3)信息量用对数表示，能准确地表达信息的本质。信息量用对数表示，能准确地表达信息的本质。 a) 确定符号概率为确定符号概率为1，取对数为，取对数为0，表示信息量为，表示信息量为0。 b) 多个符号总信息量为各个符号信息量之和。如三个多个符号总信息量为各个符号信息量之和。如三个等概二元制符号的信息量等概二元制符号的信息量 I(3s)=3I(s)，即三个符号的，即三个符号的信息量是单个符号信息量的三倍。信息量是单个符号信息量的三倍。 因因3个二元制符号共有个二元制符号共有8种状态种状态000 、001 、111,所以所以每种状态出现的概率为每种状态出现的概率为1/8， I(3s)=-lb1/8=3 l(s)=1 所以所以l(3s)=3l(s) c)信息量最小为信息量最小为0，不会为负。，不会为负。 因概率在因概率在10之间，取对数则在之间，取对数则在0无穷大之间，它不会为无穷大之间，它不会为负数。负数。因此，对数能准确地表示信息量的意义。因此，对数能准确地表示信息量的意义。v3.平均信息量平均信息量(熵熵) 当信源等概时当信源等概时 有最有最 大值。大值。1)熵的物理概念是：每个符号的平均信息量，单位是熵的物理概念是：每个符号的平均信息量，单位是比特比特/符号。符号。2)熵是非负的，最小为零。熵是非负的，最小为零。3)当信源符号等概时，熵有最大值记为当信源符号等概时，熵有最大值记为4)只要信源不等概，则只要信源不等概，则熵有如下性质熵有如下性质4.4.例：设例：设A A、B B、C C、D D四个消息分別以概率四个消息分別以概率1/41/4、1/81/8、1/81/8、1/21/2传送，求平均信息量。传送，求平均信息量。若若A、B、C、D等概，求平均信息量。等概，求平均信息量。5.香农公式：香农公式：1)香农公式给出了信道最大的无差错传香农公式给出了信道最大的无差错传输速率。输速率。2)香农公式说明若保持最大无差错传输香农公式说明若保持最大无差错传输速率不变，带宽与信噪比可以互换。速率不变，带宽与信噪比可以互换。3)香农公式并没有给出带宽与信噪比互香农公式并没有给出带宽与信噪比互换的具体方法。换的具体方法。1.5 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标v1.概述概述 有效性、可靠性、适应性、标准性、有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、及美观大方，便于维修等等都是经济性、及美观大方，便于维修等等都是通信系统的性能指标。通信系统的性能指标。 其中最重要的是有效性与可靠性。其中最重要的是有效性与可靠性。 有效性有效性-快快 可靠性可靠性-正确正确v2.模拟通信系统的有效性与可靠性模拟通信系统的有效性与可靠性有效性：取决于消息所含的信息量及对消息的処理。有效性：取决于消息所含的信息量及对消息的処理。可靠性：用均方误差或信噪比表征可靠性：用均方误差或信噪比表征v3. 数字通信系统的有效性与可靠性数字通信系统的有效性与可靠性 (1)有效性：用码元速率有效性：用码元速率(传码率、传输速率、波形速率传码率、传输速率、波形速率)及信息速率及信息速率(传信率传信率)来来表征。表征。 码元速率：每秒钟传送码元的个数，用码元速率：每秒钟传送码元的个数，用 表示，单位为波特，记为表示，单位为波特，记为B。 仅有码元速率表示有效性是不够的，例如对八种天气进行天气预报仅有码元速率表示有效性是不够的，例如对八种天气进行天气预报 晴晴 云云 阴阴 雨雨 雪雪 雾雾 霜霜 雹雹 八进制八进制 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制二进制 000 001 010 011 100 101 110 111 若每秒钟报告一次，则八进制码元速率为若每秒钟报告一次，则八进制码元速率为1B 则二进制码元速率为则二进制码元速率为3B 是否二元制系统有效性高呢？是否二元制系统有效性高呢？ 结论是否定的，因为两个系统完成的工作是一样的，都是进行天气预报，结论是否定的，因为两个系统完成的工作是一样的，都是进行天气预报， 八种天气，每秒钟报告一次。因此，有效性仅用码元速率来衡量有失公允。八种天气，每秒钟报告一次。因此，有效性仅用码元速率来衡量有失公允。 信息速率：每秒钟传送的信息量，用信息速率：每秒钟传送的信息量，用 表示表示 ，单位为比特，单位为比特/秒，秒，简记为简记为b/s。 二进制系统，码元速率与信息速率之间关系二进制系统，码元速率与信息速率之间关系(仅仅数值相等，单位并不相同仅仅数值相等，单位并不相同)： 多进制系统，码元速率与信息速率之间关系多进制系统，码元速率与信息速率之间关系(仅仅数值相等，单位并不相同仅仅数值相等，单位并不相同) ： 若保持信息速率不变，若保持信息速率不变，N进制系统与二进制系统码元速率之间的关系为：进制系统与二进制系统码元速率之间的关系为： (2)可靠性：用误码率、误信率、误字率、误句率等可靠性：用误码率、误信率、误字率、误句率等来衡量。来衡量。 作作 业业v 习题习题1v 习题习题2v 习题习题4v 选做习题选做习题5v 习题习题6v 选做习题选做习题7