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《通信原理》(第六版),樊昌信、曹丽娜主编,北京:
国防工业出版社,2011年8月第6版。
主要参考书:
1、周炯盘、庞沁华、续大我北京邮电大学出版社(2008-08)
2、曹志刚、钱亚生清华大学出版社(2012-11)
九、教学主要内容及教学安排:
一、课程的性质、目的与任务
《通信原理》是工科电子与通信类专业必修的专业基础课。
通过本课程的学习,学生应能掌握通信系统的模型和一般基本理论,为进一步学习通信专业知识打下基础。
二、与其它课程的联系
(一)先修课程:
《概率论与数理统计》、《电路分析》、《信号与系统》、《通信
电子线路》。
(二)后续课程:
《现代通信技术》专用通信系统的学习等。
(三)与《现代通信技术》的分工
本课程着重介绍通信系统的基本组成和工作原理。
《现代通信技术》介绍和分析现代通信系统、通信网的组成、关键技术和解发展。
三、课程的特点
(一)基本概念的工作原理与系统性能的分析并重;
(二)理论学习与工程计算的训练相结合;
(三)实验课程是重要的实践环节。
四、教学总体要求
(一)掌握通信系统的一般组成,工作原理,系统性能分析方法及相应的指标。
(二)通过习题课及平时作业,掌握必要的分析方法和工程计算能力。
(三)通过实验课提高实验水平,培养工程测试的能力。
五、课程教学要求的层次
课程教学要求分为了解、理解、掌握三个层次。
绪论
通信的目的:
传递消息中所包含的信息。
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。
信息:
是消息中包含的有效内容。
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。
电信发明史:
1837年:
莫尔斯发明有线电报
1876年:
贝尔发明有线电话
1918年:
调幅无线电广播、超外差接收机问世
1936年:
商业电视广播开播……………
后面讲述中,“通信”这一术语是指“电通信”,包括光通信,因为光也是一种电磁波。
在电通信系统中,消息的传递是通过电信号来实现的。
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。
模拟通信系统模型和数字通信系统模型
1、模拟信号和数字信号
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:
图1-2模拟信号
数字信号:
代表消息的信号参量取值为有限个,如电报信号、计算机输入输出信号:
图1-3数字信号
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。
2、模拟通信系统模型
模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统:
图1-4模拟通信系统模型
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)
3、数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统
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步调一致。
数字通信的特点
优点:
1.抗干扰能力强,且噪声不积累
2.传输差错可控
3.便于处理、变换、存储
4.便于将来自不同信源的信号综合到一起传输
5.易于集成,使通信设备微型化,重量轻
6.易于加密处理,且保密性好
缺点:
1.需要较大的传输带宽
2.对同步要求高
通信系统的分类与通信方式
通信系统的分类
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…
按调制方式分类:
基带传输系统和带通(调制)传输系统
调制传输系统又分为多种调制,详见书中表1-1。
按信号特征分类:
模拟通信系统和数字通信系统
按传输媒介分类:
有线通信系统和无线通信系统
按工作波段分类:
长波通信、中波通信、短波通信……
按信号复用方式分类:
频分复用、时分复用、码分复用
通信方式
1、单工、半双工和全双工通信
单工通信:
消息只能单方向传输的工作方式
半双工通信:
通信双方都能收发消息,但不能同时收发的工作方式
全双工通信:
通信双方可同时进行收发消息的工作方式
2、并行传输和串行传输
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。
节省传输时间,速度快:
不需要字符同步措施
需要n条通信线路,成本高
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在一条信道上传输
只需一条通信信道,节省线路铺设费用
速度慢,需要外加码组或字符同步措施
其他分类方式:
同步通信和异步通信、专线通信和网通信
十、教学小结
《通信原理》课程是电子信息与通信类专业的一门专业基础课,它蕴含着较深的理论基础,要求学生有较好的数学基础,才能更好的理解相应的理论。
兴趣是最好的老师,给学生第一次上课,要注重以下几点:
(1)强调课程的重要性,结合生活中通信技术的发展历程,如从模拟通信到数字通信,通信技术发展迅速,这些发展迅速的通信技术其最基本理论就是我们将要学习的课程,从而让学生知道本课程的学习在整个专业学习中的作用;
(2)提出学习要求,介绍学习方法,灌输主动学习的思想,其目的是为了让学生少走弯路,提高学习效率,让学生学会学习,同时树立终身学习的思想;
(3)介绍课程考核方法,注重过程考核,提高学生学习的积极性。
信息及其度量
通信系统主要性能指标
小结
第一周的周四1-2节课授课学时:
1、离散信源的信息量、平均量(熵)的计算;
2、码元速率、信息速率和频带利用率的定义、计算及其关系;
3、误码率和误信率的定义及其关系。
信息量、信息熵、总信息量的计算;
码元速率、频带利用率、误码率、误信率的计算。
1-21-41-51-91-10
第一章绪论
信息及其度量
是消息中包含的有效内容
如何度量离散消息中所含的信息量
1、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。
消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关。
【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。
上例表明:
消息所表达的事件越不可能发生,信息量就越大。
2、度量信息量的方法:
事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述:
消息出现的概率越小,则消息中包含的信息量就大。
设:
P(x)-消息发生的概率,I-消息中所含的信息量,则P(x)和I之间应该有如下关系:
(1)、I是P(x)的函数:
I=I[P(x)]
(2)、P(x)↑,I↓;
P(x)↓,I↑;
(3)、P(x)=1时,I=0;
P(x)=0时,I=
;
(4)、
满足上述3条件的关系式如下:
-信息量的定义
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
若a=e,信息量的单位称为奈特(nat),
若a=10,信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。
通常广泛使用的单位为比特,这时有
3、对于非等概率情况
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,每个符号所含平均信息量为
由于H(x)同热力学中的熵形式相似,故称它为信息源的熵。
4、连续消息的信息量
关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。
可以证明,连续消息的平均信息量为
式中,f(x)-连续消息出现的概率密度。
通信系统主要性能指标
通信系统的主要性能指标:
有效性和可靠性
1、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。
2、可靠性:
指接收信息的准确程度,也就是传输的“质量”问题。
3、模拟通信系统:
有效性:
可用有效传输频带来度量。
可靠性:
可用接收端最终输出信噪比来度量。
4、数字通信系统
用传输速率和频带利用率来衡量。
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)
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。
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,例如在八进制(M=8)中,若码元速率为1200B,,则信息速率为3600b/s。
5、频带利用率:
定义为单位带宽(1赫兹)内的传输速率,即
6、可靠性:
常用误码率和误信率表示。
误码率
误信率,又称误比特率
在二进制中有
小结
1.通信的目的、电信发明史
2.通信系统的模型
3.数字信号、模拟信号,基带信号、已调信号(带通信号、频带信号)
4.数字通信特点
5.通信系统分类
6.单工、半双工、全双工通信,并行传输和串行传输
7.信息及其度量
8.通信系统的有效性和可靠性
本次课将第一章的内容讲完,并做了第一章的小结,带着学生将本周两次课的内容做了复习。
针对本章的重点和难点内容——信息及其度量、通信系统的有效性和可靠性,给学生讲解了课后的部分相关习题,采用当堂做题、当堂讲题的方式,教学效果很好,大部分学生能顺利解出题目,对学习后续课程充满兴趣和信心。
第二章、确知信号
确知信号的类型
确知信号的频域性质
第二周的周二1-2节课授课学时:
1、信号的分类及其特征;
2、信号的频域分析和频谱的概念;
3、傅里叶级数的物理意义;
4、傅里叶变换及其基本性质;
1、信号的分类与特征;
频谱的概念;
周期信号频率
的特点和意义;
傅里叶变换特性大小物理内涵;
2、常用信号(δ、方波、三角波,冲激函数序列)的傅里叶变换;
2-3
第二章确知信号
确知信号的类型
一、按照周期性区分:
1.周期信号:
T0-信号的周期,T0>
0
2.非周期信号
二、按照能量区分:
.
1.能量信号:
能量有限,
2.功率信号:
a.归一化功率:
b.平均功率P为有限正值:
能量信号的功率趋于0,功率信号的能量趋于∞。
确知信号的频域性质
1、周期性功率信号频谱(函数)的定义
式中,f0=1/T0,n为整数,-∞<
n<
+∞。
2、周期性功率信号频谱的性质
对于物理可实现的实信号,由式-1)有
正频率部分和负频率部分间存在复数共轭关系,即Cn的模偶对称,相位奇对称。
将式-5)代入式-2),得到
式-8)表明:
1)、实信号可以表示成包含直流分量C0、基波(n=1时)和各次谐波(n=1,2,3,…)。
2)、实信号s(t)的各次谐波的振幅等于
3)、实信号s(t)的各次谐波的相位等于θ
4)、频谱函数Cn又称为双边谱,|Cn|的值是单边谱的振幅之半。
5)、若s(t)是实偶信号,则Cn为实函数。
能量信号的频谱密度
1、频谱密度的定义:
能量信号s(t)的傅里叶变换:
S(f)的逆傅里叶变换为原信号:
S(f)和Cn的主要区别:
S(f)是连续谱,Cn是离散谱;
S(f)的单位是V/Hz,而Cn的单位是V。
注意:
在针对能量信号讨论问题时,也常把频谱密度简称为频谱。
2、实能量信号:
负频谱和正频谱的模偶对称,相位奇对称,即复数共轭,因
3、δ函数的定义
δ函数的频谱密度:
δ函数的物理意义:
一个高度为无穷大、宽度为无穷小、面积为1的脉冲。
十、教学小结
本节课重点讲解确知信号的频域性质,分别是功率信号的频谱和能量信号的频谱密度。
涉及到一些较为复杂的数学推导公式,包括傅里叶变换和傅里叶级数展开,虽然是学生在《高等数学》中学过的知识,但由于时间间隔较长,数学推导较为复杂,大部分学生显得有些吃力。
在教学过程中要帮助学生适当复习相关的数学知识,还要引导学生注意区分功率信号的频谱和能量信号的频谱密度。
确知信号的频域性质
第二周的周四1-2节课授课学时:
1、δ(t)及其基本性质;
2、信号的能量谱和功率谱;
1、δ(t)函数。
2、傅里叶变换的尺度变换特性、频移特性、卷积定理的应用;
能量和功率的计算。
2-9
?
1、δ函数的性质
性质1:
δ函数可以用抽样函数的极限表示:
即抽样函数的极限就是δ函数。
性质2:
单位冲激函数δ(t)的频谱密度
性质3:
性质4:
δ函数也可以看作是单位阶跃函数的导数。
单位阶跃函数的定义:
性质5:
用δ函数可以表示功率信号的频谱密度。
能量信号的能量谱密度
定义:
由巴塞伐尔(Parseval)定理
将|S(f)|2定义为能量谱密度。
式可以改写为
式中G(f)=|S(f)|2-能量谱密度
由于信号s(t)是一个实函数,所以|S(f)|是一个偶函数,因此上式可以改写成
功率信号的功率谱密度
首先将信号s(t)截短为sT(t),-T/2<
t<
T/2
sT(t)是一个能量信号,可以用傅里叶变换求出其能量谱密度|ST(t)|2,由巴塞伐尔定理有
将
定义为信号的功率谱密度P(f),即
周期信号的功率谱密度:
令T等于信号的周期T0,于是有
由周期函数的巴塞伐尔(Parseval)定理:
式中|Cn|2-第n次谐波的功率
利用δ函数可将上式表示为
式中
上式中的被积因子就是此信号的功率谱密度P(f),即
本节课介绍了能量信号的能量谱和功率信号的功率谱,联系上节课所学的功率信号的频谱能量信号的频谱密度进行对比讲解,提醒学生注意区分四种频域性质。
确知信号的时域性质
第三周的周二1-2节课授课学时:
1、相关函数的定义和性质;
2、相关函数与谱密度的关系。
1、相关函数与谱密度的互求。
2-10
确知信号的时域性质
能量信号的自相关函数
性质:
1、自相关函数R(τ)和时间t无关,只和时间差τ有关。
2、当τ=0时,R(0)等于信号的能量:
3、R(τ)是τ的偶函数。
4、自相关函数R(τ)和其能量谱密度|S(f)|2是一对傅里叶变换:
功率信号的自相关函数
1、当τ=0时,自相关函数R(0)等于信号的平均功率:
2、功率信号的自相关函数也是偶函数。
周期性功率信号自相关函数定义:
R(τ)和功率谱密度P(f)之间是傅里叶变换关系:
能量信号的互相关函数
1、R12(τ)和时间t无关,只和时间差τ有关。
2、R12(τ)和两个信号相乘的前后次序有关:
3、互相关函数R12(τ)和互能量谱密度S12(f)是一对傅里叶变换
互能量谱密度的定义为:
功率信号的互相关函数
3、若两个周期性功率信号的周期相同,则其互相关函数的定义可以写为
4、R12(τ)和其互功率谱C12之间也有傅里叶变换关系:
互功率谱定义:
介绍确知信号在时域中的特性:
自相关函数、互相关函数。
时域性质学习完之后第二章内容教授完,再次带领学生复习确知信号在频域中的四种性质:
频谱、频谱密度、能量谱密度、功率谱密度,在理解的基础上区别记忆。
第三章、随机过程
随机过程的基本概念
第三周的周四1-2节课授课学时:
1.随机过程的基本概念;
2.随机过程的数字特性(均值、方差、相关函数);
1、随机过程的定义;
2、随机过程的数字特性(均值、方差、相关函数)的计算及关系推导;
3、一维概率密度函数和分布函数。
3-1
随机过程的基本概念
什么是随机过程
随机过程是一类随时间作随机变化的过程,它不能用确切的时间函数描述。
可从两种不同角度看:
角度1:
对应不同随机试验结果的时间过程的集合。
【例】n台示波器同时观测并记录这n台接收机的输出噪声波形
样本函数
(t):
随机过程的一次实现,是确定的时间函数。
随机过程:
(t)={
(t),
(t),…,
(t)}是全部样本函数的集合。
角度2:
随机过程是随机变量概念的延伸。
在任一给定时刻
上,每一个样本函数
(t)都是一个确定的数值
(
),但是每个
)都是不可预知的。
在一个固定时刻
上,不同样本的取值{
),i=1,2,…,n}是一个随机变量,记为ξ(
)。
换句话说,随机过程在任意时刻的值是一个随机变量。
因此,我们又可以把随机过程看作是在时间进程中处于不同时刻
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- 关 键 词:
- 通信 原理 教案