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1、通信系统原理通信系统原理北京交通大学北京交通大学 电子信息工程学院电子信息工程学院通信工程教研室通信工程教研室郭宇春郭宇春 郑宏云郑宏云12023/2/282课程描述（课程描述（1）通信通信工程专业本科生工程专业本科生的的重要的重要的专业基础课专业基础课程和程和必修课程必修课程深入、系统地阐述了通信系统的基本原理，包深入、系统地阐述了通信系统的基本原理，包括模拟通信和数字通信，其中以数字通信为主括模拟通信和数字通信，其中以数字通信为主目的目的n使学生系统地掌握通信系统的基本原理及其性能的使学生系统地掌握通信系统的基本原理及其性能的基本分析方法基本分析方法n了解当前通信状况及发展方向了解当前通信
2、状况及发展方向n为学生学习后续专业课程提供必要的基础知识和理为学生学习后续专业课程提供必要的基础知识和理论依据论依据n为形成良好的专业素质打好基础为形成良好的专业素质打好基础2023/2/283课程描述（课程描述（2）课程特点和学习建议课程特点和学习建议n理论性较强理论性较强w系统概念系统概念,物理思想物理思想,系统分析方法（基于系统分析方法（基于“信号分析信号分析”和和“随机过程随机过程”）n知识点多知识点多w纵向：模块纵向：模块各章内知识点独立各章内知识点独立w横向：关联横向：关联各章模块间的联系各章模块间的联系n承上启下的专业基础课，有一定的知识面且和计算承上启下的专业基础课，有一定的知
3、识面且和计算机紧密联系在一起。需要进行一定的实验和参观实机紧密联系在一起。需要进行一定的实验和参观实践，以了解通信技术和通信系统践，以了解通信技术和通信系统n适当多做习题，加深对基本概念的理解适当多做习题，加深对基本概念的理解n 注重课堂听讲、认真笔记、课后及时消化、独立完注重课堂听讲、认真笔记、课后及时消化、独立完成作业、扩展知识面、培养专业兴趣成作业、扩展知识面、培养专业兴趣2023/2/284课程描述（课程描述（3）先修课程：信号与系统先修课程：信号与系统,概率论概率论教学内容及形式：教学内容及形式：1-9章章n课堂教学、课后习题、理论研讨、仿真分析讨论、课堂教学、课后习题、理论研讨、仿
4、真分析讨论、指导自学（自学内容并非不重要内容，而是锻炼自指导自学（自学内容并非不重要内容，而是锻炼自学能力的内容）学能力的内容）2023/2/285课程描述（课程描述（4）教材教材n通信系统原理（第通信系统原理（第2版）版），冯玉珉，清华、北，冯玉珉，清华、北方交通大学出版社，方交通大学出版社，2011年年参考书：参考书：n现代通信系统原理现代通信系统原理王秉钧，天津大学出版社王秉钧，天津大学出版社n现代通信系统原理现代通信系统原理宋祖顺，电子工业出版社宋祖顺，电子工业出版社n通信原理通信原理樊昌信，国防工业出版社樊昌信，国防工业出版社n通信系统原理学习指南通信系统原理学习指南，冯玉珉等，清华
5、、北，冯玉珉等，清华、北方交通大学出版社方交通大学出版社考核方式：考核方式：n平时成绩：作业、随堂测试、研讨报告、考勤平时成绩：作业、随堂测试、研讨报告、考勤 30%n期末成绩：闭卷考试期末成绩：闭卷考试 70%联系方式联系方式地点：九教南地点：九教南306时间：每周二时间：每周二,五五 14:3017:30Email: 2023/2/287Chap 1 绪论绪论n1.1 1.1 信息的概念信息的概念w信息与信号信息与信号w信息量信息量n1.2 1.2 通信系统概述通信系统概述w通信系统模型通信系统模型w通信系统分类通信系统分类w通信方式分类通信方式分类n1.3 1.3 通信系统性能指标通信系
6、统性能指标n1.4 1.4 信道与干扰信道与干扰w信道信道n通信频段划分（自学）通信频段划分（自学）w干扰干扰w信道容量信道容量n1.5 1.5 通信技术发展简介（自学）通信技术发展简介（自学）通信和通信系统通信和通信系统通信通信（communication）：信息或其表示方式的时空转移n Tele-communication通信、电信通信、电信 电通信电通信：利用电（电流或电波，包括光的特征值）来传递信息通信系统通信系统（communication system)：完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体 1.1 信息的概念信息的概念n信息与信号信息与信号n信息量信息量20
7、23/2/28通信系统原理通信系统原理10消息与信号消息与信号消息消息 message：人或事物情况的报告：人或事物情况的报告 信号信号 signal：消息的载体（携带者）：消息的载体（携带者）电电/光信号、模拟光信号、模拟/数字信号数字信号模拟模拟(数字数字)信号：凡信号：凡信号参量信号参量是连续的或是连续的或取取无限多个无限多个值值（只能取有限个值），且与消息对应的信号。（只能取有限个值），且与消息对应的信号。2023/2/2811信息信息information定义定义n通俗通俗n信息论信息论:不确定性的消息不确定性的消息与消息的区别与消息的区别n消息本身是不可测度的消息本身是不可测度的n
8、信息更抽象，用来测度消息的不确定性信息更抽象，用来测度消息的不确定性n任何消息包含一定的信息量（最少为零，最任何消息包含一定的信息量（最少为零，最大为无穷）大为无穷）信息量（信息量（1）信息量信息量n对信息大小的度量对信息大小的度量n定义式定义式I(A)=-log2P(A)P(A):事件事件A或者信源符号或者信源符号A发生的概率发生的概率算算最小和最大信息量？算算最小和最大信息量？n单位单位比特（比特（bit)，哈特（，哈特（Hat,以以10为底为底)，奈特（，奈特（net,以以e为底）为底）例例1-1（教材（教材P3）解：解：8bit码字共有码字共有 256个，任一码字发生概率个，任一码字发
9、生概率P1=1/256 4bit码字共有码字共有 16个，任一码字发生概率个，任一码字发生概率P2=1/16（1）预警发生的概率）预警发生的概率=2*1/256*(1/16)=2-11信息量信息量=-log2P1(A)=11 bit（每个预警事件）（每个预警事件）(2)告警发生的概率告警发生的概率=1/256*(1/16)=2-12信息量信息量=-log2P2(A)=12 bit信息量是事件发生概率的函数信息量是事件发生概率的函数,I=P(A)P(A)越小，越小，I越大；反之，越大；反之，I越小越小 P(A)=1，I=0;P(A)=0,I=若干个互相独立事件构成的消息，所含信若干个互相独立事件
10、构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，即信息息量等于各独立事件信息量之和，即信息量具有可加性，量具有可加性，I=i(Ii)例例1-2某离散信源由某离散信源由0,1,2,3四种符号组成，出现的四种符号组成，出现的概率分别为概率分别为3/8,1/4,1/4和和1/8。求消息。求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的信息量的信息量解：共解：共57个符号，其中个符号，其中0出现出现23次，次，1出现出现14次，次，2出现出现13次，次，3出现出现7次。此消息的信次。此消息的信
11、息量息量I=i(Ii)=-23log2(3/8)-14log2(1/4)-13log2(1/4)-7log2(1/8)=108.55 bit信息量（信息量（2）平均信息量平均信息量熵（熵（entropy）n含义含义:每个符号所含信息量的统计平均值每个符号所含信息量的统计平均值n定义式定义式离散信源是由离散信源是由n个符号组成的符号集，每个符个符号组成的符号集，每个符号号xi(i=1,2,n)出现的概率为出现的概率为P(xi)，则每个符，则每个符号的平均信息量号的平均信息量 H(A)=-i=1,nP(xi)log2P(xi)n单位单位 bit/bit/符号符号例例1-3求例求例1-2中消息的平均
12、信息量。中消息的平均信息量。比较：例比较：例1-2中算出的消息信息量与用该平中算出的消息信息量与用该平均信息量算出的消息信息量均信息量算出的消息信息量注意：信源熵什么时候取得最大值？注意：信源熵什么时候取得最大值？P(xi)相等时，P(xi)=1/mH=-i=1,nP(xi)log2P(xi)=-i1/m*log21/m=log2m 1.2 通信系统概述通信系统概述 通信系统模型通信系统模型通信系统分类通信系统分类通信方式分类通信方式分类2023/2/28182023/2/2819通信系统模型通信系统模型一般模型一般模型信宿信宿接收接收设备设备发送发送设备设备信源信源消消息息原原始始电电信信号
13、号消消息息原原始始电电信信号号（sec.1.4，chap.2）图 2023/2/2820声音的波形声音的波形幅度随时间的变化幅度随时间的变化干净语音信号时间波形（英文发音）干净语音信号时间波形（英文发音）2023/2/2821干干净语音信号频谱图净语音信号频谱图实际应用中，语音信号的带宽：实际应用中，语音信号的带宽：300-3400 Hz300-3400 Hz2023/2/2823通信系统模型通信系统模型 模拟模拟通信系统模型通信系统模型 信宿信宿解调器解调器噪声源噪声源信道信道调制器调制器信源信源基带基带信号信号频频带带信号信号基带基带信号信号频频带带信号信号chap.3 模拟调制系统模拟调
14、制系统2023/2/2824通信系统模型通信系统模型 数字数字通信系统模型通信系统模型 信宿信宿信信源源编编码码信源信源模模拟拟信信号号信信道道编编码码数数字字频频带带信信号号数数字字调调制制噪噪声声源源信道信道复复用用加加密密信信源源译译码码信信道道译译码码数数字字解解调调解解复复用用解解密密数数字字基基带带信信号号Chap 4.信源编码信源编码Chap 5.数字信号基带传输数字信号基带传输Chap 6.数字信号频带传输数字信号频带传输Chap 7.数字信号最佳接收数字信号最佳接收Chap 8.信道编码信道编码通信方式分类通信方式分类单工通信单工通信发送站发送站接收站接收站信息流向信息流向例
15、如：广播电视传例如：广播电视传送系统、信息采集送系统、信息采集系统、寻呼系统。系统、寻呼系统。发送发送接收接收例如：对讲机、例如：对讲机、计算机与终端间计算机与终端间的通信。的通信。接收接收发送发送信息流向信息流向信息流向信息流向例如：电话例如：电话信息流向信息流向发送发送接收接收接收接收发送发送半双工通信半双工通信全双工通信全双工通信1.3 通信系统质量指标通信系统质量指标 有效性有效性可靠性可靠性指标及其含义指标及其含义 2023/2/2826有效性有效性n在给定的信道内能够容纳多少信息量在给定的信道内能够容纳多少信息量指标指标 模拟通信系统：有效传输带宽模拟通信系统：有效传输带宽B Bc
16、 c,B Bs s数字通信系统：信道通过的信息传输速率，数字通信系统：信道通过的信息传输速率，传信率或比特率传信率或比特率 R Rb b bit/bit/秒秒,bps,bps 传码率：单位时间内传输的符号（码元）传码率：单位时间内传输的符号（码元）数，数，R RB B 波特波特 R Rb b=R RB B loglog2 2M M=2M M=2k k2023/2/2827可靠性可靠性n在给定的信道内接收到信息的可靠程度在给定的信道内接收到信息的可靠程度模拟通信系统：输出信噪比模拟通信系统：输出信噪比 n通信系统输出信号平均功率与噪声平均功率通信系统输出信号平均功率与噪声平均功率之比之比 S S
17、o o/N/No o数学通信系统：误码率，数学通信系统：误码率，接收到信息发生错误接收到信息发生错误的比例的比例 P Pe e2023/2/2828模拟系统模拟系统数字系统数字系统有效性有效性B Bc c,B Bs s R Rb b,R RB B 可靠性可靠性S So o/N/No oP Pe e例例1-4已知二进制数字信号在已知二进制数字信号在2分钟内共传递了分钟内共传递了72000个码元个码元(1)求其码元速率和信息速率各为多少？求其码元速率和信息速率各为多少？(2)如果码元宽度不变（即码元速率不变）如果码元宽度不变（即码元速率不变）,但改为八进制数字信号，信息速率又是但改为八进制数字信号
18、，信息速率又是多少？多少？例例1-5一个由字母一个由字母A,B,C,D组成的字，对于传输组成的字，对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，的每一个字母用二进制脉冲编码，00代表代表A，01代表代表B，10代表代表C，11代表代表D,每个脉每个脉冲宽度为冲宽度为5ms。（1）若不同的字母是等可能出现的，平）若不同的字母是等可能出现的，平均信息速率是多少？均信息速率是多少？（2）若每个字母出现的可能性分别为）若每个字母出现的可能性分别为PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10,平均信息平均信息速率是多少？速率是多少？例例1-6已知某八进制数字通信系统的信息速率为已知某八进制数字通信系
19、统的信息速率为12000b/s，在收端半小时内共测得，在收端半小时内共测得216个错个错误码元，试求系统的误码率误码元，试求系统的误码率2023/2/28321.4 信道与干扰信道与干扰信道信道定义：用来连接发信与收定义：用来连接发信与收信设备的物理媒体信设备的物理媒体分类：分类：n狭义信道：传输媒体或传输媒介狭义信道：传输媒体或传输媒介n广义信道：除了传输媒介以外，还包括有广义信道：除了传输媒介以外，还包括有关的转换设备，如发送设备、接送设备、关的转换设备，如发送设备、接送设备、调制器、解调器等。这种范围扩大的信道调制器、解调器等。这种范围扩大的信道称为广义信道。称为广义信道。自学：自学：主
20、要的有线介主要的有线介质和无线介质的主要质和无线介质的主要种类、结构特点、传种类、结构特点、传输特点和主要应用输特点和主要应用2023/2/2833广义信道分类广义信道分类n调制信道：从研究调制与解调的角度定义，调制信道：从研究调制与解调的角度定义，范围范围n编码信道：从研究编码和解码的角度定义，编码信道：从研究编码和解码的角度定义，范围范围信宿信宿解解调调器器狭义狭义信道信道编编码码器器调调制制器器发发转转换换器器收收转转换换器器解解码码 器器信源信源调制信道调制信道编码信道编码信道2023/2/28通信系统原理通信系统原理34广义信道模型广义信道模型调制信道调制信道编码信道编码信道 线性时
21、线性时变网络变网络ei(t)eo(t)2023/2/2835干扰干扰干扰干扰n加性干扰加性干扰 wchap2n乘性干扰乘性干扰w恒参信道恒参信道w随参信道随参信道输入信号输出信号乘性干扰加性干扰恒参信道（恒参信道（1）幅频和相频特性不随时间幅频和相频特性不随时间t变化变化恒参信道（恒参信道（2）引入引入均衡均衡技术技术n幅度均衡幅度均衡n相位均衡相位均衡n把恒参信道改造成为把恒参信道改造成为幅度平坦幅度平坦、相位线性相位线性的的信道信道随参信道随参信道信号的衰耗随时间变化信号的衰耗随时间变化信号的传播时延随时间变化信号的传播时延随时间变化存在多径传播（图存在多径传播（图1-4）n慢衰落慢衰落n
22、快衰落快衰落n选择性衰落（图选择性衰落（图1-5）干扰干扰 InterferenceInterferenceInterference represents man-made signals.represents man-made signals.nTelephone lines are subject to power-line interference Telephone lines are subject to power-line interference(in the United States a distorted 60Hz sinusoid).(in the United Sta
23、tes a distorted 60Hz sinusoid).nCellular telephone channels are subject to adjacent-Cellular telephone channels are subject to adjacent-cell phone conversations using the same signal cell phone conversations using the same signal frequency.frequency.nThe problem with such interference is that it The
24、 problem with such interference is that it occupies the same frequency band as the desired occupies the same frequency band as the desired communication signal,and has a similar structurecommunication signal,and has a similar structureBecause interference has man-made structure,Because interference
25、has man-made structure,we can write an explicit expression for it that we can write an explicit expression for it that may contain some unknown aspects(how large may contain some unknown aspects(how large it is,for example).it is,for example).噪声噪声 NoiseNoiseNoise signals have little structure and ar
26、ise signals have little structure and arise from both human and natural sources.from both human and natural sources.nSatellite channels are subject to deep space noise Satellite channels are subject to deep space noise arising from electromagnetic radiation pervasive in arising from electromagnetic
27、radiation pervasive in the galaxy.the galaxy.nThermal noise plagues Thermal noise plagues allall electronic circuits that electronic circuits that contain resistors.contain resistors.nThus,in receiving small amplitude signals,receiver Thus,in receiving small amplitude signals,receiver amplifiers wil
28、l most certainly add noise as they boost amplifiers will most certainly add noise as they boost the signals amplitude.the signals amplitude.All channels are subject to noise,and we need a All channels are subject to noise,and we need a way of describing such signals despite the fact way of describin
29、g such signals despite the fact we cant write a formula for the noise signal like we cant write a formula for the noise signal like we can for interference.we can for interference.（chap 2chap 2）2023/2/2841香农香农(Shannon)信道容量公式信道容量公式信道容量：信道最大信道容量：信道最大无差错无差错传输速率传输速率连续信道的信道容量（加性高斯白噪声）连续信道的信道容量（加性高斯白噪声）n给
30、定信道，实际速率不可能超过给定信道，实际速率不可能超过CnC一定，一定，信道带宽信道带宽和和信噪比信噪比之间互换之间互换n增大带宽，只能一定条件下对提高信道容量增大带宽，只能一定条件下对提高信道容量有作用有作用nR C，理论上理论上存在存在一种方法，使得信源的输一种方法，使得信源的输出能以任意小的差错概率通过信道（出能以任意小的差错概率通过信道（无差错无差错传输）；传输）；RC，不可能无差错传输。，不可能无差错传输。香农香农(Shannon)信道容量公式信道容量公式信道无差错容量信道无差错容量 n给定信息量可以用不同的带宽和时间组合来给定信息量可以用不同的带宽和时间组合来传输传输带宽与时间可以
31、互换带宽与时间可以互换w带宽时延积带宽时延积2023/2/2842Shannon极限极限加性高斯白噪声信道实现可靠通信的加性高斯白噪声信道实现可靠通信的信噪信噪比下界比下界当系统的带宽无限大时才能达当系统的带宽无限大时才能达到此界限到此界限2023/2/2843例例1-7已知彩色电视图像由已知彩色电视图像由5 105个像素组成。个像素组成。设每个由设每个由64种彩色度，每种色度由种彩色度，每种色度由16个亮个亮度等级。设所有彩色度和亮度等级的组合度等级。设所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立，（机会均等，并统计独立，（1）试计算每）试计算每秒传送秒传送100个画面所需的信道容量；（个
32、画面所需的信道容量；（2）如果接收机信噪比为如果接收机信噪比为30dB，为了传送彩色，为了传送彩色图像所需信道带宽为多少？图像所需信道带宽为多少？2023/2/2844例例1-8设有一个图像要在电话线路中实现传真传设有一个图像要在电话线路中实现传真传输，大约要传输输，大约要传输2.25 10 6个像素，每个像个像素，每个像素由素由12个亮度等级，每个等级等概出现，个亮度等级，每个等级等概出现，电话线路具有电话线路具有3kHz带宽和带宽和30dB信噪比。信噪比。试求在该标准电话线路上传输一张传真图试求在该标准电话线路上传输一张传真图片需要的最小时间。片需要的最小时间。2023/2/28452023/2/2846Chap 1 小结小结n信息与消息信息与消息n信息量与平均信息量信息量与平均信息量n通信系统模型：一般、模拟、数字通信系统模型：一般、模拟、数字n通信系统性能指标：模拟系统、数字系统通信系统性能指标：模拟系统、数字系统w可靠性、有效性、换算关系可靠性、有效性、换算关系n信道模型信道模型n干扰分类干扰分类n信道容量信道容量