1通信教案教案

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教 案

学院、系： 电气信息工程系 任课教师： 王现彬 授课专业及班次： 08通信 教材名称： 通信原理 课程总学时： 64 课程周学时： 4

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石家庄学院教案用纸（首页）

第 次课 2 学时 授课时间_____________

教学主题：通信系统的组成、通信系统的分类及通信方式 教学要求：了解通信系统的基本概念、模型以及性能指标 重点：数字通信系统的组成及各部分作用 难点：信源编码与信道编码的区分及关系 教学方法：讲授 教学手段：板书教学 讲授要点及时间分配： 作 业 参考资料 注：本页为每次课教案首页

第 页 石家庄学院教案用纸（续页） 教 学 内 容 备注与后记 §1.1 引言 本节知识要点：通信的定义 通信的目的 消息的载体 广义的“通信”的概念：通信是指由一地向另一地进行消息的有效传递。 通信的目的：传递消息。 消息的形式：消息具有不同的形式，例如：语言、文字、数据、图像、符号等等。 消息的载体：信号（如电压电流信号、光信号、电磁场信号等等）。 狭义的“通信”的概念：利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。 §1.2 通信系统的组成及其模型 本节知识要点： 通信系统的一般模型 模拟通信系统 数字通信系统 数字通信的优点 §1.2.1 通信系统的一般模型 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（通常也称为一般模型）如图 1-1 所示。 图 1-1 点对点通信系统的一般模型 图中，信源（信息源，也称发终端）的作用是把待传输的消息转换成原始电信号。信源输出的信号称为基带信号。 所谓基带信号 是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移 的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。 信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。 信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 图 1-1 给出的是通信系统的一般模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统和数字通信系统。 §1.2.2 模拟通信系统的模型 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。 它主要包含两种重要变换：一是把连续消息变换成电信号（发端信息源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端信宿完成）。由信源输出的电信号（基带信号）由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。 因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成。 在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。 已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。 必须指出，从消息的发送到消息的恢复，事实上并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线发射与接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用，它们是通信过程中的重要方面。而其它过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善信号特性等，因此，这些过程我们认为都是理想的，而不去讨论它。 §1.2.3 数字通信系统的模型 信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。 1、 数字频带传输通信系统 数字通信的基本特征是，它的消息或信号 具有 “离散”或“数字”的特性。点对点的数字通信系统模型一般可用图 1-3 所示。 2、 数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器 / 解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图 1-4 所示。 图中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。 3、 模拟信号数字化传输通信系统 上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行 A/D 转换；在接收端需进行相反的转换，即 D/A 转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图 1-5 所示。 §1.2.4 数字通信的优点 抗干扰能力强、差错可控、易加密、易于与计算机等现代技术相结合； §1.3 通信系统的分类及通信方式 本节知识要点：通信的分类 通信工作方式的分类 §1.3.1 通信系统的分类 通信的目的是传递消息，按照不同的分法，通信可分成许多类别，下面我们介绍几种较常用的分类方法。 1. 按传输媒质分 两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信， 通常，有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等，其形式较多。 2. 按信道中所传信号的特征分 前面已经指出，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。 3. 按工作频段分 按通信设备的工作频率不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。 4. 按调制方式分 可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对各种信号调制后再送到信道中传输的总称。 5. 按业务的不同分 按通信业务分，通信系统可分为话务通信和非话务通信。 6. 按通信者是否运动分

通信还可按收发信者是否运动分为移动通信和固定通信。移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。另外，通信还有其它一些分类方法，如按多地址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信等；按用户类型可分为公用通信和专用通信以及按通信对象的位置分为地面通信、对空通信、深空通信、水下通信等。 §1.3.2 通信方式 从不同角度考虑问题，通信的工作方式通常有以下几种。 1. 按消息传送的方向与时间分 对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。 所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。 所谓半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。对讲机、收发报机等都是这种通信方式。 所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。在这种方式下，双方都可同时进行收发消息。很明显，全双工通信的信道必须是双向信道。 2. 按数字信号排序方式分 按照数字信号代码排列顺序的方式不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。 所谓串序传输，是将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式，如图 1-7 （ a ）所示。如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并序传输通信方式，如图 1-7 （ b ）所示。 3. 按网络结构分：专线通信和网通信。

第 次课 2 学时 授课时间_____________

教学主题：通信系统的组成、通信系统的分类及通信方式 教学要求：了解通信系统的基本概念、模型以及性能指标 重点：数字通信系统的组成及各部分作用 难点：信源编码与信道编码的区分及关系 教学方法：讲授 教学手段：板书教学 讲授要点及时间分配： 作 业 参考资料

教 学 内 容 备注与后记 §1.4 信息及其量度 本节知识要点：符号的信息量 信息熵 由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述。事件出现（发生）的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。基于这种认识，我们得到：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大。且概率为零时（不可能事件）信息量为无穷大；概率为 1 时（必然事件）信息量为 0 。 综上所述，可以得出消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系应反映如下规律： （ 1 ）消息 中所含信息量 是消息 出现概率 的函数，即 (式1-1) （ 2 ）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小。且 时 时 （ 3 ）若干个互相独立事件构成的消息（ 立事件 信息量的和，即 ），所含信息量等于各独 (式1-2) 可以看出，若 与 间的关系式为 (式1-3) 由式（ 1-3 ），有 （ bit ） 即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为 1bit 。 同理，对于离散信源，若 个符号等概率（ ）出现，且每一个符号的出现是独立的，即信源是无记忆的，则每个符号的信息量相等，为 （ bit ） （式 1-4 ） 式中， 为每一个符号出现的概率， 下， 为2 的整幂次，即 为信源中所包含符号的数目。一般情况，则上式可改写成： （ bit ） （式 1-5 ） 该结果表明，独立等概情况下 （ ）进制的每一符号包含的信息量，是二进制每一符号包含信息量的 倍。由于 就是每一个 进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目，故传送每一个 进制符号的信息量就等于用二进制符号表示该符号所需的符号数目。 例 1.1 试计算二进制符号不等概率时的信息量（设 ）。 解:由 ， 有 利用式（ 1-3 ），得 （ bit ） （ bit ） 可见不等概率时，每个符号的信息量不同。 计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。平均信息量 定义为每个符号所含信息量的统计平均值，即等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率再相加。 二进制时 （ bit/ 符号） 多进制时，设各符号独立，且出现的概率为 且 （ 式1-6 ） 则每个符号所含信息的平均值（平均信息量） （ 式1-7 ） 由于式（ 1-7 ）同热力学中熵的形式一样，故通常又称 为信息源的熵，其单位为 bit/ 符号。显然，当信源中每个符号等概、独立出现时，式（ 1-7 ）即成为（ 1-4 ）。可以证明，此时信息源的熵为最大值。 例 1.2 设由 5 个符号组成的信息源，相应概率为 试求信源的平均信息量 。 解:利用式 （ 1-7 ） ，有 例 1.3 一信息源由 4 个符号 0 、 1 、 2 、 3 组成，它们出现的概率分别为 3/8 、 1/4 、 1/4 、 1/8 ，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息为 “201020130213001203210100321010023102002010312032100120210” 的信息量。 解：信源输出的信息序列中， 0 出现 23 次， 1 出现 14 次， 2 出现 13 次， 3 出现 7 次，共有 57 个。则 出现 0 的信息量为 出现 1 的信息量为 出现 2 的信息量为 出现 3 的信息量为 该消息总的信息量为 （ bit ） （ bit ） （ bit ） （ bit ） （ bit ） 每一个符号的平均信息量为 （ bit/ 符号） 上面的计算中，我们没有利用每个符号出现的概率，而是用每个符号在 57 个符号中出现的次数（频度）来计算的。实际上，若直接用熵的概念来计算，由平均信息量公式（ 1-7 ）可得 （ bit/ 符号） 则该消息总的信息量为 （ bit ） 可以看出，本例中两种方法的计算结果是有差异的，原因就是前一种方法中把频度视为概率来计算。当消息很长时，用熵的概念计算比较方便，而且随着消息序列长度的增加，两种计算方法的结果将趋于一致。 §1.5 通信系统的主要性能指标 本节知识要点：码元速率、信息速率、误码率的概念、相互关系和计算 数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。通常可从以下两个不同的角度来定义传输速率。 §1.5.1 通信系统的有效性指标 1. 码元传输速率RB

通常又称为数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率，用符号 来表示。码元速率是指单位时间（每秒钟）内传输码元的数目，单位为波特（ Baud ），常用符 号 “ B ” 表示。例如，某系统在 2 秒内共传送 4800 个码元，则该系统的传码率为 2400B 。 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率 与码元宽度 有关。 与信号的进制数无关，只 （式 1-8 ） 通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制。 2. 信息传输速率Rb 信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号 表示。 是指单位时间（每秒钟）内传送的信息量。单位为比特 / 秒（ bit/s ），简记为 b/s 或 bps 。例如，若某信源在 1 秒钟内传送 1200 个符号，且每一个符号的平均信息量为 l （ bit ），则该信源的信息传输速率 =1200b/s 或 1200bps 。 因为信息量与信号进制数 N 有关，因此， 3. Rb与 RB之间的互换 也与 N 有关。 根据码元速率和信息速率的定义可知， 与 之间在数值上有如下关系 （式 l-9 ） 应当注意两者单位不同，前者为 bit/s ，后者为 B 。 二进制时，式（ 1-9 ）为 （ 式1-10 ） 4. 多进制与二进制传输速率之间的关系 根据式（ 1-9 ）、式（ 1-10 ），不难求得多进制与二进制传输速率之间具有如下关系： （ 1 ）在码元速率保持不变 制信息速率 之间的关系为 条件下，二进制信息速率 与多进 （ 式1-11 ） （ 2 ）在系统信息速率不变（ 二进制码元速率 之间的关系式为 ＝ ）的情况下，多进制码元速率 与 （式1-12 ） 或 （式1-13 ） 一般情况下， ＝ 变为 （ =1 ， 2 ， 3 ， 4? ），则式（ 1-11 ）和（ 1-13 ） （式1-14 ） （式1-15 ） 例 1.4 用二进制信号传送信息，已知在 30 秒钟内共传送了 36000 个码元，（ 1 ）问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），但改用八进制信号传送信息，则其码元速率为多少？信息速率又为多少？ 解：（ 1 ）依题意，有 （ B ） 根据公式 （ 1-10 ），得 （ b/s ） （ 2 ）若改为 8 进制，则 （ B ） 根据公式 （ 1-9 ），得 （ b/s ） 或者，根据关系式 （ 1-11 ）得 （ b/s ） 两种方法计算结果一致。 §1.5.2 通信系统的可靠性指标 衡量数字通信系统可靠性的指标，可用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用差错率来衡量。差错率越大，表明系统可靠性愈差。差错率通常有两种表示方法。 l.码元差错率Pe 码元差错率 Pe简称误码率，是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。用表达式可表示成 （ 式1-16 ） 2. 信息差错率Peb 信息差错率 简称误信率，或误比特率，是指发生差错的信息量在信息传输总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。用表达式可表示成 （式1-17 ） 显然，在二进制中有 例 1.5 已知某八进制数字通信系统的信息速率为 3000b/s ，在收端 10 分钟内共测得出现了 18 个错误码元，试求系统的误码率。 解：依题意 则 由式（ 1-16 ），得系统误码率 和信息速率 的条件搞清楚，如不细 这里需要注意的是，一定要把码元速率 心，此题容易误算出 的结果。

第 3 次课 2 学时 授课时间_____________

教学主题：通信系统的组成、通信系统的分类及通信方式 教学要求：了解确知信号的范畴和基本分析方法；掌握给定确知信号的能量谱密度或功率谱密度的计算。 重点：Parseval定理；谱密度的计算（注意有两种途径） 难点：谱密度的理解和计算 教学方法：讲授 教学手段：板书教学 讲授要点及时间分配： 作 业 参考资料

教 学 内 容 备注与后记 §2.1 确知信号的范畴和基本分析方法 本节知识要点：付氏变换（必要时需要带同学们简要复习信号与系统知识） §2.1.1 为什么要研究确知信号 通信系统中主要存在2大类信号：一种是来自于发送端的、携带信息的信号；另一种是遍布于整个传输过程中的附加的、不含有用信息的噪声信号。对于第一种信号，又分2小类信号：一是模拟信号，二是数字信号。其中模拟信号大多为随机信号，而数字信号虽然严格来说也是随机信号，但它是由若干确知信号按某种概率出现组成的。另外传输中的有些信号（如导频信号）本身就是确知信号。因此有必要对确知信号的特性进行研究。 §2.1.2 确知信号的基本分析方法 信号的基本分析方法有时域分析法和频域分析法。实践证明在很多情况下用后者分析更加方便。频域分析法中最基本、最常用的方法就是付氏变换，由于该分析方法在“信号与系统”课程中已详细讨论，在这里从略。 §2.2 能量信号和功率信号 本节知识要点：能量信号 功率信号 在我们常用的通信系统中，信号以电压或电流值表示，它在电阻为： 上的瞬时功率或 (式2-1) 功率正比于信号幅度的平方。其归一化瞬时功率或能量（=1Ω）表示式为： (式2-2) 在=1Ω负载上的电压或者电流信号的（归一化）能量为： (式2-3) 单位时段2平均功率则为： 内的平均能量等于该被截短时段内信号平均功率。而信号的总

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