通信原理第1章課件

通信原理主講教師：張立毅天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院二0一三年二月通信原理主講教師：張立毅1課程性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)《通信原理》是為通信工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門必修主干課程。既是核心專業(yè)基礎(chǔ)課，又是眾多院校研究生入學(xué)考試課，也是低頻電路、高頻電路、信號與系統(tǒng)、工程數(shù)學(xué)等在通信中的綜合運用。任務(wù)比較全面系統(tǒng)地講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理、基本性能和基本分析方法。通過學(xué)習(xí)，掌握模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)的信息傳輸?shù)幕驹砗头治龇椒?，并把重點放在數(shù)字通信原理上，為今后從事通信領(lǐng)域的工作和研究打下必要的基礎(chǔ)；懂得通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成；了解有關(guān)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及改善系統(tǒng)性能的一些基本技術(shù)措施；培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，對今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)更為專業(yè)的通信技術(shù)起到輻射的作用?！锻ㄐ旁怼肥峭ㄐ殴こ虒I(yè)后續(xù)幾乎所有專業(yè)課程，如移動通信、光纖通信、微波與衛(wèi)星通信、通信網(wǎng)等的基礎(chǔ)。課程性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)2教材、參考書、學(xué)時安排教材樊昌信，張甫翊，徐炳祥，吳成柯．通信原理（第5版）．北京：國防工業(yè)出版社，2003．參考書[1]樊昌信，曹麗娜．通信原理（第6版）．北京：國防工業(yè)出版社，2007．[2]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理．北京：清華大學(xué)出版社，2003．[3]沈越泓，高媛媛，魏以民．通信原理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．[4]王秉鈞，馮玉珉，田寶玉．通信原理．北京：清華大學(xué)出版社，2008．[5]王興亮．通信系統(tǒng)原理教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．學(xué)時安排根據(jù)教學(xué)計劃規(guī)定，總學(xué)時68，其中理論講授58學(xué)時，實驗10學(xué)時。教材、參考書、學(xué)時安排教材3教學(xué)要求平時成績由實驗（30分）、作業(yè)（21分）、平時測驗（10分）、課堂點名（9分）和分類大作業(yè)（30分）五部分組成。實驗10學(xué)時實驗分5個完成，其中三個是必做的，另兩個可從5個中選做。每個實驗滿分6分。作業(yè)作業(yè)7次，每次按A、B、C給分，滿分3分，分別為3、2、1分。平時測驗平時測驗是隨堂測驗，共2次，每次滿分5分。課堂點名課堂隨機(jī)抽查點名，滿分9分，無故曠課1次扣3分，扣完為止。分類大作業(yè)滿分30分。教學(xué)要求平時成績由實驗（30分）、作業(yè)（214本課程安排??

第一章緒論（2學(xué)時）??

第二章隨機(jī)信號分析（8學(xué)時）??

第三章信道（6學(xué)時）??

第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)（8學(xué)時）??

第五章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（10學(xué)時）??

第六章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（8學(xué)時）??

第七章模擬信號的數(shù)字傳輸（8學(xué)時）??

第八章數(shù)字信號的最佳接收（6學(xué)時）??

第九章差錯控制編碼（自學(xué)）??

第十章正交編碼與偽隨機(jī)序列（自學(xué)）??

第十一章同步原理（自學(xué)）??

第十二章通信網(wǎng)（自學(xué)）本課程安排??第一章緒論（2學(xué)時）5課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)?

抓住一條主線：抗干擾?

領(lǐng)會兩個指標(biāo)：有效性和可靠性?

掌握三種調(diào)制：幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制（模擬和數(shù)字兩個系統(tǒng)）?

理解四個定理：香農(nóng)公式，奈奎斯特第一準(zhǔn)則、奈奎斯特第二準(zhǔn)則和奈奎斯特抽樣定理?設(shè)置N個問題：以各章內(nèi)容而定課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)?抓住一條主線：抗干擾6第1章緒論1.1

通信與信息1.2

通信系統(tǒng)的組成1.3

通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.4信息及其度量1.5主要性能指標(biāo)1.6

通信系統(tǒng)的發(fā)展第1章緒論1.1通信與信息7本章知識點結(jié)構(gòu)通信基本概念基本概念通信系統(tǒng)發(fā)展簡史系統(tǒng)組成信息度量工作方式模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)系統(tǒng)分類性能指標(biāo)本章知識點結(jié)構(gòu)通信基本概念基本概念通信系統(tǒng)發(fā)展簡史系統(tǒng)組成信8本章教學(xué)要求了解通信的基本概念，通信系統(tǒng)的分類，工作方式，以及發(fā)展簡史；理解通信系統(tǒng)的基本組成，熟悉通信系統(tǒng)各部分的功能；

掌握信息及其度量的計算；

掌握模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)及其計算，重點是信息量的計算。本章教學(xué)要求9本章N個問題1．何謂通信，何謂電通信，何謂光通信？2．信息與消息有何區(qū)別聯(lián)系？3．信息一詞的含義及來源？4．何謂通信系統(tǒng)，如何組成，一般分為幾類？5．何謂信源，一般分為幾類？6．發(fā)射機(jī)（發(fā)送設(shè)備）的主要功能是什么？7．何謂信道，主要功能是什么，一般分為幾類？8．接收機(jī)（接收設(shè)備）的主要功能和任務(wù)是什么？9．何謂噪聲，其主要來源分為幾類？10．何謂信宿，其功能是什么？11．何謂調(diào)制，其本質(zhì)、特征及類型各是什么？本章N個問題1012．何謂基帶信號、調(diào)制信號、低通信號、頻帶信號、已調(diào)信號和帶通信號，其關(guān)系如何？13．何謂信源編碼和信道編碼，其作用是什么？14．何謂加密和解密，其功能如何？15．何謂同步，其功能及分類如何？16．何謂復(fù)接，其原理及功能如何？17．?dāng)?shù)字通信與模擬通信相比有何特點？18．通信系統(tǒng)如何分類，一般各分為幾類？19．頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用的代表實例是什么？20．何謂單工、半雙工、雙工通信，各有何特點？21．何謂并行傳輸和串行傳輸，各有何特點？22．何謂信息量，有何特點，單位如何？23．單一符號信息量、串符號信息量、聯(lián)合信息量、互信息量如何計算？24．何謂信源的熵，含義及單位如何？12．何謂基帶信號、調(diào)制信號、低通信號、頻帶信號、已調(diào)信號和1125．通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)有哪些？26．何謂有效性，含義如何，在模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中如何表征？27．何謂可靠性，含義如何，在模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中如何表征？28．何謂碼元速率和信息速率，二者關(guān)系如何？29．何為誤碼率和誤信率，二者關(guān)系如何？30．通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？25．通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)有哪些？121.1通信與信息

1.1.1通信的概念及作用通信（communication）是指信息的傳輸或消息的傳輸，即利用電波（電通信（telecommunication））、光波（光通信（opti-communication））等信號來傳送文字、語音、圖象等。古代的消息樹、烽火臺、驛馬傳令和鳴金擊鼓，以及現(xiàn)代社會的文字、書信、電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測等都是消息傳遞的方式和信息交流的手段。人們可以利用語言、文字、圖象和數(shù)據(jù)等不同形式來表達(dá)信息，但這些語言、文字、圖象或數(shù)據(jù)本身不是信息而是消息。信息（information）是消息（message）中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容，即通信的目的是傳輸含有信息的消息。1.1通信與信息131.1.2信息的由來信息一詞由來已久，據(jù)考證，“信息”二字最早出現(xiàn)在我國唐代文人李中的《暮春懷故人》一詩中：夢斷美人沉信息日穿長路倚樓臺1.1.3信息的解釋

?《詞?！罚盒畔?，如通風(fēng)報信。

?《詞源》：信息：消息。

?《新英漢詞典》：Information譯為通知，報告，消息，報道，情報，知識，見聞，資料等。

?Information一詞在我國臺灣省被譯為資訊。目前，一般定義為客觀事物運動狀態(tài)的表征與描述。1.1.2信息的由來14暮春懷故人

唐：李中體裁：七律池館寂寥三月盡，落花重疊蓋莓苔。惜春眷戀不忍掃，感物心情無計開。夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。

瑯玕繡段安可得，流水浮云共不回。暮春懷故人151.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型通信是指從一地向另一地傳遞和交換信息，實現(xiàn)信息傳遞所需的一切設(shè)備（equipment）和傳輸媒介（transmissionmedium）的總和稱為通信系統(tǒng)（communicationsystem）。基于點對點通信系統(tǒng)的模型如圖1.2.1所示。信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源發(fā)送端接收端1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型1.2通信系統(tǒng)的組成信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲161．信息源信源（informationsource）是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱為消息信號或基帶信號。電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出的是模擬信號；后者是數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號。2．發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備（sendequipment）簡稱發(fā)信機(jī)（transmitter），其基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼（sourcecoding）與信道編碼（channelcoding）。1．信息源173．信道信道（channel）是指傳輸信號的物理媒質(zhì)?？梢允菬o線，也可以是有線。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。4．接收設(shè)備接收設(shè)備（receivingequipment）簡稱為收信機(jī)（receiv-er），其基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼、解密等。其主要任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號，對于多路復(fù)用，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路等。3．信道185．噪聲源噪聲源（noisesource）不是人為加入的，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲（noise）的來源是多樣的，分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲產(chǎn)生于各種設(shè)備，外部噪聲是由信道引入。為了分析方便，一般把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。6．受信者受信者即信宿（destination），是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復(fù)原后的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。故通信系統(tǒng)可以概括為是由信源（informationsource）、信道（channel）和信宿（destination）三部分組成。5．噪聲源191.2.2模擬通信系統(tǒng)信源發(fā)出的消息分為兩大類：一類是連續(xù)消息，另一類是離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、圖象等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號、數(shù)據(jù)等。消息的傳遞是通過其物質(zhì)載體——電信號來實現(xiàn)的。即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。消息和電信號之間是一一對應(yīng)關(guān)系，否則在接收端就無法恢復(fù)。按信號參量的取值方式不同可把信號分為模擬信號（analogsignal）和數(shù)字信號（digitalsignal）兩大類，相應(yīng)地將通信系統(tǒng)也分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1.2.2模擬通信系統(tǒng)20

模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)，如圖1.2.2所示。系統(tǒng)需要進(jìn)行兩種變換：

?將連續(xù)消息變換成原始電信號；

?將原始電信號變換成適合信道傳輸?shù)男盘枺凑{(diào)制。信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號（base-bandsignal）或低通信號（low-passsignal），基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源1.2.2模擬通信系統(tǒng)的模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系21由于基帶信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?，即進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號（modulat-edsignal）、帶通信號（band-passsignal）或頻帶信號。具有兩個基本特征：

?

攜帶有信息；

?適合在信道中傳輸。消息在從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號、基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換，而且還要進(jìn)行濾波、放大、變頻、輻射等。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進(jìn)行了放大或改善了特性，故一般被認(rèn)為是理想的而不予討論。由于基帶信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜22基帶信號調(diào)制信號低通信號頻帶信號已調(diào)信號帶通信號原始電信號變換為傳輸信號：便于傳輸傳輸信號還原為原始電信號：便于識別未調(diào)制信號變換為調(diào)制后信號調(diào)制后的信號還原為調(diào)制前的信號頻率低的信號變換為中心頻率高的信號中心頻率高的信號還原為頻率低的信號【附】幾個概念之間的關(guān)系基帶信號頻帶信號原始電信號變換為傳輸信號：便于傳輸傳輸信號還231.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)（DigitalCommunicationSystem，簡稱DCS）是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。點對點數(shù)字通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1.2.3所示，基帶數(shù)字通信系統(tǒng)如圖1.2.4所示。數(shù)字通信涉及的技術(shù)較多，其中主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。噪聲源1.2.3點對點數(shù)字通信系統(tǒng)的模型信源加密器編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器解密器信宿1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)噪聲源1.2.3點對點數(shù)字通信241．信源編碼與譯碼信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即數(shù)據(jù)壓縮，提高信息傳輸?shù)挠行?。碼元速率將直接影響傳輸帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二是當(dāng)信源給出的是模擬信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。2．信道編碼與譯碼信號在傳輸過程中，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督碼元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信。即信道編碼是提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?．信源編碼與譯碼253．加密與解密在需要實現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全性，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密（encrypt）。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來信息，叫解密。4．?dāng)?shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對（差分）相移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。對于高斯噪聲下的信號檢測，一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器來實現(xiàn)。3．加密與解密26信息源基帶信號形成器信道受信者噪聲源1.2.4數(shù)字通信系統(tǒng)的模型接收濾波器5．同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作不可缺少的前提條件，是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步等。數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時分復(fù)用原理，把若干個低速數(shù)字信號合并成一個高速的數(shù)字信號，以擴(kuò)大傳輸容量，提高傳輸效率。信息源基帶信號信道受信者噪聲源1.2.4數(shù)字通信系統(tǒng)的模271.2.4數(shù)字通信的特點與模擬通信相比，數(shù)字通信具有如下特點：

?抗干擾能力強(qiáng)，在中繼通信中，數(shù)字信號通過再生，可以消除噪聲積累，如圖1.2.5所示；

?傳輸差錯可以控制，通過信道編碼技術(shù)使誤碼率降低，提高傳輸質(zhì)量；

?易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲；

?易于加密處理，且保密性強(qiáng)；

?可以綜合傳輸各種消息，增強(qiáng)通信系統(tǒng)功能，實現(xiàn)綜合化通信。?缺點是需要較大的傳輸帶寬。1.2.4數(shù)字通信的特點28用脈沖傳送聲音信號在脈沖上附加了雜音脈沖經(jīng)“再生”后雜音被消除，還原成“干凈”的原脈沖（b）數(shù)字通信數(shù)字交換機(jī)數(shù)字交換機(jī)內(nèi)藏CODEC內(nèi)藏CODEC用戶線數(shù)字中繼線用戶線（a）模擬通信聲音信號附加了雜音的信號

將帶有雜音、畸變的信號原封不動傳出去用戶線模擬中繼線用戶線模擬交換機(jī)模擬交換機(jī)圖1.2.5數(shù)字通信與模擬通信噪聲積累示意圖用脈沖傳送聲音信號在291.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.3.1通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類方法很多。1．按照通信業(yè)務(wù)分類可以分為電報通信系統(tǒng)，電話通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖象通信系統(tǒng)等。2．按照調(diào)制方式分類可以分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩大類。基帶（base-band）傳輸是將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳送，如音頻市內(nèi)電話、有線廣播等。頻帶傳輸是對各種信號調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q，調(diào)制方式很多，如表1.3.1所示。1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式30調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控PSK數(shù)據(jù)傳輸其他高效數(shù)字調(diào)制QAM，MSK等數(shù)字微波、空間通信表1.3.1常用調(diào)制方式及用途調(diào)制方式用途常規(guī)雙邊帶調(diào)幅AM廣播抑制載波雙邊帶31調(diào)制方式用途脈沖數(shù)字調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話表1.3.1常用調(diào)制方式及用（續(xù)表）調(diào)制方式用途脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、323．按照信號特征分類可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)等。4．按照傳輸媒介分類可以分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信是用導(dǎo)線（如架空明線、同軸電纜、光纖等）作為傳輸媒介完成通信，如市內(nèi)電話、有線電視、海底電纜通信等。無線通信是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。5．按照工作波段分類不同頻率的電磁波具有不同的傳輸特點，按照設(shè)備的工作頻率可以分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信、遠(yuǎn)紅外線通信等等。表1.3.2給出了通信波段與常用傳輸媒質(zhì)。3．按照信號特征分類33頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)，分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導(dǎo)，厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導(dǎo)，毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外，可見光，紅外光纖，激光空間傳播光通信表1.3.2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途音頻、電話、數(shù)據(jù)346．按照信號復(fù)用方式分類

分為頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM），時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）和碼分復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）三種方式。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據(jù)不同的頻率范圍，如電視廣播，不同節(jié)目占據(jù)不同頻道。時分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間，如電話。碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號，如移動通信和空間通信中的擴(kuò)頻通信。圖1.3.1到圖1.3.3分別給出了頻分復(fù)用，時分復(fù)用和碼分復(fù)用發(fā)射和接收端的示意圖。6．按照信號復(fù)用方式分類35圖1.3.1頻分復(fù)用示意圖（發(fā)射端）圖1.3.1頻分復(fù)用示意圖36圖1.3.2時分復(fù)用示意圖（發(fā)射端）圖1.3.2時分復(fù)用示意圖37附圖時分復(fù)用（接收）

圖1.3.2時分復(fù)用示意圖（接收端）附圖時分復(fù)用（接收）圖1.3.2時分38圖1.3.3碼分復(fù)用示意圖（接收端）圖1.3.3碼分復(fù)用示意圖391.3.2通信方式1．按照消息傳遞的方向與時間關(guān)系分類可以分為單工（simplex）、半雙工（half-duplex）和全雙工（full-duplex）通信三種。

?單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑虼酥徽加靡粋€信道，如圖1.3.4所示。廣播、遙測、遙控、無線尋呼等都是單工通信等。

?半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)，如圖1.3.5所示。如使用同一載頻的對講機(jī)等。

?全雙工通信是指通信雙方可以同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況下全雙工通信的信道必須是雙向信道，如圖13.6所示。普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式。1.3.2通信方式40發(fā)端信道收端圖1.3.4單工通信方式發(fā)端信道收端發(fā)端收端圖1.3.5半雙工通信方式發(fā)端信道收端發(fā)端收端信道圖1.3.6雙工通信方式發(fā)端信道收端圖1.3.4單工通信方式發(fā)端信道收端發(fā)端412．按照數(shù)字信號排列順序分類可以分為并行傳輸（paralleltransmission）和串行傳輸（serialtransmission）。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸，如圖1.3.7所示。優(yōu)點是節(jié)省傳輸時間，但需傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)。串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個接一個在一條信道上傳輸，如圖1.3.8所示。一般遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用該傳輸方式。如電視圖像采用逐行掃描方法，每幀圖像掃描625行，每秒掃描50幀。2．按照數(shù)字信號排列順序分類42發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備圖1.3.7并行傳輸101發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備圖1.3.8串行傳輸3．按照同步方式分類可以分為同步通信和異步通信。4．按照通信網(wǎng)絡(luò)形式分類可以分為點對點通信（如專線通信等）、點對多點通信（如廣播、電視等）和多點對多點通信（如電話等）。發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備圖1.3.7并行傳輸101發(fā)送設(shè)備接收設(shè)431.4信息及其度量1.4.1信息的度量信息一詞在概念上與消息的意義相似，但它的含義更普遍化、抽象化。信息可以被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。信息的多少可以用“信息量”來衡量。任何信源的輸出都是隨機(jī)的。對接收者來說，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸。因此，信息含量就是對消息中這種不確定性的度量?，F(xiàn)有三條消息：

?太陽從東方升起；?太陽比往日大兩倍；

?太陽將從西方升起。1.4信息及其度量44第一條幾乎沒有帶來任何信息，第二條帶來了大量信息，第三條帶來的信息多于第二條。究其原因，第一事件是一個必然事件，不足為奇；第三事件幾乎不可能發(fā)生，它使人感到驚奇和意外，也就是說，它帶來更多的信息。因此，信息含量是與驚奇這一因素相關(guān)聯(lián)的，這是不確定性或不可預(yù)測性的結(jié)果。越是不可預(yù)測的事件，越會使人感到驚奇，帶來的信息越多。根據(jù)概率論知識可知，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述?？赡苄栽叫?，概率越小。因此，消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率越小，包含的信息量就越大。第一條幾乎沒有帶來任何信息，第二條帶來了大量45設(shè)為消息發(fā)生的概率，是從該消息中獲得的信息量，則二者的關(guān)系為：

?信息量是概率的函數(shù)，即

?消息出現(xiàn)的概率越小，所含信息量就越大，且，；，

?若干個相互獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件的信息量之和，即信息量具有相加性定義消息所含的信息量為設(shè)為消息發(fā)生的概率，461.4.2信息量的單位信息量的單位是由信息量計算公式中對數(shù)底數(shù)決定的。

?若對數(shù)的底數(shù)為2，則信息量的單位為比特（bit）；

?若對數(shù)的底數(shù)為e，則信息量的單位為奈特（nit）；

?若對數(shù)的底數(shù)為10，則信息量的單位為哈特萊（hartley）。目前，應(yīng)用最廣泛的單位是比特。1.4.3等概離散消息的信息量設(shè)M個波形等概獨立發(fā)送，則傳送某一波形的信息量為若M為2的整冪次，即，則I為1.4.2信息量的單位471.4.4非等概離散消息的信息量設(shè)離散信源是一個由N個符號組成的符號集，其中每個符號出現(xiàn)的概率為，且有，則每個所包含的信息量分別為。得到每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，稱為平均信息量為由于平均信息量同熱力學(xué)中熵（entropy）形式相似，因此也把信源輸出消息的平均信息量稱為信源的熵，單位為bit/符號。熵值越大越好。當(dāng)每個符號等概出現(xiàn)，且符號出現(xiàn)為統(tǒng)計獨立時，該信源的熵最大，為1.4.4非等概離散消息的信息量481.4.5連續(xù)消息的信息量

式中，為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。1.4.6信息量的計算

?對于單一符號的信息量

?對于由一串符號構(gòu)成的消息，若各符號的出現(xiàn)相互獨立，則整個消息的信息量為

式中，和分別為第個符號出現(xiàn)的次數(shù)和概率，為離散消息源的符號數(shù)目。1.4.5連續(xù)消息的信息量49?對于一串很長的消息，可以用平均信息量（即信源的熵）來計算整個消息的信息量

式中，為符號總數(shù)。消息越長，替代所引起的誤差越小。

?對于兩個離散信源，所出現(xiàn)的符號分別為，則定義這兩個信源的聯(lián)合信息量為式中，為的聯(lián)合概率，但兩個信源統(tǒng)計獨立時，聯(lián)合信息量等于兩個信息量之和。

?設(shè)為發(fā)射端，為接收端，為先驗概率，為后驗概率，定義后驗概率與先驗概率之比的對數(shù)為互信息量，即?對于一串很長的消息，可以用平均信息量（即50互信息量反映兩個隨機(jī)事件之間的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)程度，在通信系統(tǒng)中就是接收端所能獲取的發(fā)送端的信息。若統(tǒng)計獨立，則互信息量為零，若后驗概率為1，則互信息量等于信源的信息量?！纠磕橙薃預(yù)先知道他的三位朋友B、C、D中晚上必有一人到他家，并且可能性相同。令分別表示B、C、D三人到A家的概率，則有。但上午D說他不來了，若稱此事為事件E，則，，。下午C說他也不能來了，稱此事為事件F，則，。試求互信息量和。互信息量反映兩個隨機(jī)事件之間的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)程度，51【解】接到上午電話后，A獲得的B、C、D的互信息量由于在E條件下，已不可能出現(xiàn)D，故不必考慮D、E之間的互信息量在接到兩次電話后，A獲得的B、C、D的互信息量由于此時C、D已不可能出現(xiàn)，故也不必考慮C、D與EF之間的互信息量?！窘狻拷拥缴衔珉娫捄螅珹獲得的B、C、D的互信息量52【例】一信息源由4個符號0、1、2、3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某個消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻吭撓⒐灿?7個符號，其中0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次。整個符號串的信息量為

若用熵的概念計算，則為【例】一信息源由4個符號0、1、2、3組成，它們出現(xiàn)的概率分531.5主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)又稱質(zhì)量指標(biāo)，是對整個系統(tǒng)綜合提出或規(guī)定的。主要包括有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用性等等。其中主要指標(biāo)為有效性和可靠性，前者是指消息傳輸?shù)乃俣葐栴}，后者是指消息傳輸?shù)馁|(zhì)量問題。

1.5.1模擬通信系統(tǒng)有效性可用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。1.5主要性能指標(biāo)541.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量，可靠性可用差錯率來衡量。1．傳輸速率

傳輸速率主要包括碼元傳輸速率、信息傳輸速率和頻帶利用率。

?碼元傳輸速率RB：又稱為傳碼率、符號速率、碼元速率、波形速率、數(shù)碼率、信號速率、碼率等。定義為每秒鐘傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記作B（注意不能用小寫）。如若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān)，即1.5.2數(shù)字通信系統(tǒng)55

?信息傳輸速率Rb：又稱為傳信率、比特率等。定義為每秒鐘傳遞的信息量，單位是比特/秒，記作bit/s、b/s、bps。

?頻帶利用率：定義為信息傳輸速率與帶寬的關(guān)系，單位為bit/s/Hz，即由于頻帶寬度的大小取決于碼元速率，而碼元速率與信息速率有確定的關(guān)系。因此，頻帶利用率也可以定義為單位頻帶內(nèi)碼元傳輸速率的大小，即頻帶利用率越高，系統(tǒng)傳輸效率越高。?信息傳輸速率Rb：又稱為傳信率、比特率56

?

碼元速率與信息速率的關(guān)系每個碼元或符號通常都含有一定bit數(shù)的信息量，因此碼元速率和信息速率存在確定的關(guān)系。即對于二進(jìn)制，碼元速率與信息速率在數(shù)值上相等（每個碼元包含信息量為1bit），只是單位不同。對于M進(jìn)制，信息速率與碼元速率之間的關(guān)系為如碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（M=8）時，信息速率為3600b/s；采用二進(jìn)制（M=2）時，信息速率為1200b/s。這說明為提高有效率，可以采用多進(jìn)制傳輸。）（Blog2MbBRR=等概發(fā)送?碼元速率與信息速率的關(guān)系）（Blog2M57在給出碼元速率時，需說明碼元的進(jìn)制。由于M進(jìn)制的一個碼元可以用個二進(jìn)制碼元表示，因而M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間的關(guān)系為在碼元速率保持不變的條件下，二進(jìn)制信息速率Rb2與M進(jìn)制信息速率RbM之間的關(guān)系為在給出碼元速率時，需說明碼元的進(jìn)制。由于M進(jìn)582．差錯率差錯率常用誤碼率和誤信率表示。

?誤碼率（碼元差錯率）Pe是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，即

?誤信率（信息差錯率）Pb是指錯誤接收的信息量在傳送信息總量中所占的比例，即是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。也可以說，發(fā)生差錯的比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例，故又稱為誤比特率，即2．差錯率59

?誤碼率和誤信率的關(guān)系在二進(jìn)制中，。在M進(jìn)制中，每個碼元含有比特，出現(xiàn)錯誤的樣式有M-1種，其中錯i（i=1，2，…，n）比特的樣式有個。若錯誤樣式等概出現(xiàn)，則當(dāng)一個碼元發(fā)生錯誤時，在n比特中錯誤比特為所占比例的數(shù)學(xué)期望為當(dāng)M較大時，有?誤碼率和誤信率的關(guān)系601.6通信系統(tǒng)的發(fā)展1.6.1通信發(fā)展簡史19世紀(jì)以來，通信技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在20世紀(jì)50年代以后，其發(fā)展可謂日新月異。通信發(fā)展簡史如下：

1837年，莫爾斯發(fā)明有線電報（Communitytelegraph）；

1864年，麥克斯韋爾（JamesClerkMaxwell）提出電磁輻射方程；

1876年，貝爾（AlexanderGrahamBell）發(fā)明了電話（telephone

）；

1896年，馬可尼（GuglielmoMarcheseMarconi）發(fā)明了無線電報（marconigram）；

1906年，德福雷斯特（LeeDeForest

）發(fā)明了真空三極管；1.6通信系統(tǒng)的發(fā)展61

1918年，調(diào)幅無線電廣播（radiobroadcast）開播，超外差接收機(jī)問世；

1925年，開始采用三路明線載波電話、多路通信；

1928年，奈奎斯特（HarryNyquist）發(fā)表數(shù)據(jù)信號傳輸理論，并相繼提出消除碼間干擾的三個準(zhǔn)則；

1936年，調(diào)頻無線電廣播開播；

1937年，發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理；

1938年，電視廣播（telecast）開播；

1940~1945年，二次大戰(zhàn)刺激了雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)的發(fā)展；

1948年，發(fā)明晶體管（transistor），香農(nóng)提出了信息論，通信統(tǒng)計理論開始建立；

1950年，時分多路通信應(yīng)用于電話；

1956年，敷設(shè)了越洋電纜（cable）；1918年，調(diào)幅無線電廣播（radiob62

1957年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星（artificialsatellite）；

1958年，美國發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星（communicationsatellite）；

1960年，美國人梅曼發(fā)明激光（laser）；

1961年，發(fā)明集成電路（integratecircuit）；

1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星（synchronous

communi-cationsatellite），脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，簡稱PCM）進(jìn)入實用階段；

1960~1970年，彩色電視（colortelevision）問世；阿波羅宇宙飛船（astro-airship）登月；數(shù)字傳輸理論和技術(shù)得到了迅速的發(fā)展力；出現(xiàn)了高速數(shù)字電子計算機(jī)（electroniccomputer）；1957年，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星（ar63

1970~1980年，大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegrationofCircuits，簡稱LSI）、商用衛(wèi)星通信、程控數(shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理器（Micro-ProcessorUnit，簡稱MPU，即micro-processor）等迅速發(fā)展；

1980年以后，超大規(guī)模集成電路（SuperLarge-ScaleIntegration，簡稱SLSI，或GrandScaleIntegration，簡稱GSI）、長波長光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用；綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起。1970~1980年，大規(guī)模集成電路（L64薩密爾·莫爾斯（公元1791～1872年）：有線電報的發(fā)明人。起初是美國第一流的畫家，后來投身科學(xué)。為了制造電報機(jī)，他花完了所有的積蓄，終于在1837年研制出第一臺傳遞電碼的電報機(jī)。他發(fā)明了一連串的點、劃，以代表各個字母和數(shù)字，也就是今天的莫爾斯電碼。還設(shè)計出一套發(fā)送電報的線路。1844年5月24日，他完成了世界上第一次電報通信。1851年，國際會議又對莫爾斯電碼加以修訂，使之更為準(zhǔn)確、簡單。薩密爾·莫爾斯詹姆斯·克拉克·麥克斯韋詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（JamesClerkMaxwell）（公元1831~1879年）：英國物理學(xué)家，經(jīng)典電動力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一。建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。薩密爾·莫爾斯（公元1791～1872年）：有線電報的發(fā)明人65亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（AlexanderGrahamBell）（公元1847～1942年）：貝爾的主要成就是發(fā)明了電話。此外，還制造出助聽器，改進(jìn)了愛迪生發(fā)明的留聲機(jī)。從1875年到1922年間，獲得美國政府的三十項專利權(quán)。由于這許多發(fā)明創(chuàng)造，在1876年接受了費城萬國博覽會百年紀(jì)念獎證書，同年還獲得波士頓大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。為了紀(jì)念貝爾的功績，將電學(xué)和聲學(xué)中計量功率或功率密度比值的一種單位命名為“貝爾”。亞歷山大·格拉漢姆·貝爾

伽利爾摩·馬可尼

伽利爾摩·馬可尼（GuglielmoMarcheseMarconi）（公元1874~1937年）：意大利電氣工程師和發(fā)明家。1896年，在英國其試驗成果可用于14.4公里距離的通信，并取得專利；1897年成立“馬可尼無線電報公司”；1899年建立越過海峽的英法無線電通訊；1901年在英國與紐芬蘭之間實現(xiàn)橫過大西洋的無線電通信，使無線電達(dá)到實用階段；1905~1906年，發(fā)明無線電報技術(shù)上操縱間歇波系統(tǒng)；1909年與布勞恩一起獲得諾貝爾物理學(xué)獎；1918年起，任意大利終身參議員；1929年獲得侯爵稱號。亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（AlexanderGraham66德福雷斯特（LeeDeForest）（公元1873~1961年）：美國發(fā)明家。一生共獲300多項專利，涉及電子學(xué)的廣泛領(lǐng)域，如外科手術(shù)用射頻電刀、高頻反饋電路、無線電報、無線電發(fā)信系統(tǒng)、無線電接收系統(tǒng)、揚(yáng)聲器、光電池、無線電掃描電視系統(tǒng)、彩色電視、電子群聚方法等。1906年，制成第一個真空三極管，是他的最重要的一項發(fā)明，曾獲美國無線電工程師協(xié)會榮譽(yù)獎?wù)碌榷喾N榮譽(yù)獎勵。德福雷斯特

奈奎斯特奈奎斯特（HarryNyquist）（公元1889～1976年）：美國通信工程師。1924年在一篇關(guān)于電報的論文中就蘊(yùn)含著信息論的思想。1928年發(fā)現(xiàn)信道帶寬和傳輸速率間的關(guān)系，提出著名的奈奎斯特定理。奈奎斯特還是卓越的發(fā)明家，在美國就有138項專利，涉及電話、電報、圖像傳輸系統(tǒng)、電測量、傳輸線均衡、回波抑制、保密通信等方面。奈奎斯特曾獲美國無線電工程師學(xué)會（1960）、富蘭克林學(xué)會（1960）、電氣和電子工程師學(xué)會IEEE（1961）、美國工程科學(xué)院（1969）、美國機(jī)械工程師學(xué)會（1975）的獎?wù)?。德福雷斯特（LeeDeForest）（公元1873~167克勞德.艾爾伍德.香農(nóng)（公元1916～2001年）：美國數(shù)學(xué)家，美國全國科學(xué)院院士。信息論的創(chuàng)始人。

1941～1956年間任貝爾電話實驗研究所數(shù)學(xué)研究員。1956年到麻省理工學(xué)院任教，先后擔(dān)任客座教授、教授，1958年后為終身教授。1948年發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》和1949年發(fā)表《噪聲中的通信》，奠定了信息論的基礎(chǔ)。1949年發(fā)表《保密系統(tǒng)的通信理論》，使他成為密碼學(xué)的先驅(qū)。被尊稱為是“信息論之父”克勞德.艾爾伍德.香農(nóng)

邁克爾·法拉第邁克爾·法拉第（公元1791～1867年）：英國物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才科學(xué)家。主要從事電學(xué)、磁學(xué)、磁光學(xué)、電化學(xué)等方面的研究，并取得一系列重大發(fā)現(xiàn)。1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，使人類掌握了電磁運動相互轉(zhuǎn)變以及機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)變的方法，成為現(xiàn)代發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器技術(shù)的基礎(chǔ)，被稱為“電磁學(xué)之父”；1833~1834年發(fā)現(xiàn)了電解定律；1845年發(fā)現(xiàn)光磁效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）；1851年，發(fā)表《論磁感線》論文，創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎(chǔ)?？藙诘?艾爾伍德.香農(nóng)（公元1916～2001年）：美國68

第一顆人造地球衛(wèi)星：1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造衛(wèi)星。它由殼體、衛(wèi)星設(shè)備和天線組成

。呈球形，外徑0.58米，重83.6千克。殼體由兩個鋁合金半球殼對接而成，借助橡膠件保持氣密，內(nèi)部充有0.12兆帕（1.3大氣壓）的干燥氮氣。下半殼表面是熱控制系統(tǒng)的輻射表面；上半殼外面加有隔熱層。殼體內(nèi)安裝電池組、無線電發(fā)射機(jī)、熱控制系統(tǒng)組件、轉(zhuǎn)接元件、溫度和壓力傳感器等。電池組由3個銀鋅電池構(gòu)成。在電池組中央的矩形槽內(nèi)置兩臺交替工作的無線電發(fā)射機(jī)，頻率分別為20.005和40.002MHz。4根鞭狀天線重8.4千克，長2.4～2.9米。衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)是：近地點215千米，遠(yuǎn)地點

947千米；軌道傾角65；運行周期96.2分。衛(wèi)星共運行92天，繞地球飛行約1400圈。于1958年1月4日墜入大氣層燒毀。

第一顆人造地球衛(wèi)星：1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射世界上69美國第一顆人造地球衛(wèi)星：1958年1月31日成功發(fā)射了第一顆“探險者”1（Explorer-1）號人造衛(wèi)星，重8.22公斤，錐頂圓柱形，高203.2厘米，直徑15.2厘米，沿近地點360.4公里、遠(yuǎn)地點2531公里的橢圓軌道繞地球運行，軌道傾角33.34”，運行周期114.8分鐘。法國第一顆人造地球衛(wèi)星：1965年11月26日法國發(fā)射了第一顆試驗衛(wèi)星-1（A-l）號人造衛(wèi)星，重約42公斤，運行周期108.61分鐘，近地點526.24公里、遠(yuǎn)地點1808.85公里的橢圓軌道運行，軌道傾角34o24“。日本第一顆人造地球衛(wèi)星：1970年2月11日日本發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星大隅號。重約9.4公斤，軌道傾角31.07”，近地點339公里，遠(yuǎn)地點5138公里，運行周期144.2分鐘。1958年5月17日，毛澤東主席在黨的八大二次會議上提出“蘇聯(lián)人造衛(wèi)星上天，我們也要搞人造衛(wèi)星”。周恩來總理要求“上得去，抓得住，聽得見，看得見”。美國第一顆人造地球衛(wèi)星：1958年1月31日成功發(fā)射了第一顆70

中國第一顆人造地球衛(wèi)星：1970年4月24日，中國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射成功，成為繼蘇聯(lián)、美國、法國、日本之后第五個能夠獨立發(fā)射衛(wèi)星的國家。該衛(wèi)星采用中國自己研制的“長征一號”運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場發(fā)射。是一個直徑約1米的球形多面，重173公斤，比蘇聯(lián)及美、法、日的第一顆人造衛(wèi)星總重量之和還重。其軌道的近地點為439公里，遠(yuǎn)地點為2388公里，軌道平面和地球赤道平面的夾角為68.5°，繞地球一周時間為114分鐘?！伴L征一號”運載火箭是一種三級固體混合型火箭，分別采用液體和固體火箭發(fā)動機(jī)，全長約30米，起飛重量81.6噸。用20.009MHz的頻率播送“東方紅”樂曲。設(shè)計工作壽命20天（實際工作壽命28天），期間把遙測參數(shù)和各種太空探測資料傳回地面，至同年5月14日停止發(fā)射信號。

中國第一顆人造地球衛(wèi)星：1970年4月24日，中國第一顆人711.6.2通信技術(shù)的發(fā)展趨勢21世紀(jì)作為信息時代，通信技術(shù)必將得到進(jìn)一步的發(fā)展與普及，其發(fā)展趨勢是：???多媒體化???

數(shù)字化???

寬帶化???

綜合化???

個人化1．多媒體化多媒體化就是要充分利用聲音、文字、圖形、圖象、數(shù)據(jù)、符號、顏色等來表示消息，以提供聲、像、圖、文并茂的信息服務(wù)。這是人類最樂意接受的消息形式，也是綜合業(yè)務(wù)最完美、最高程度的體現(xiàn)。1.6.2通信技術(shù)的發(fā)展趨勢722．?dāng)?shù)字化數(shù)字化是指在消息傳輸過程中，全面使用數(shù)字技術(shù)。包括數(shù)字傳輸，數(shù)字交換，數(shù)字終端等。3．寬帶化寬帶化是指傳輸速率越來越高，傳送容量越來越大。目前，通信技術(shù)已跨越（G，n）時代，進(jìn)入了（T，p）時代，即傳輸速度從吉比特每秒（Gbit/s）量級發(fā)展到太比特每秒（Tbit/s）量級，信息量的存儲能力從吉位元（GB）提高到太位元（TB）水平，信息處理速度突破納秒（ns）門檻，進(jìn)入皮秒（ps）的境界。4．綜合化綜合化就是把來自各種消息源的業(yè)務(wù)綜合在一個數(shù)字網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。2．?dāng)?shù)字化735．個人化個人化就是要實現(xiàn)個人通信，提供五“W”功能。即：保證任何人（whoever）在任何時間（whenever）、任何地點（wherever）能同任何人（whomever）進(jìn)行任何方式（whatever）的通信。?任何時間：要求支持動中通，無線通信是前提。?任何人：要求支持巨大用戶量，頻譜資源有限。?任何地點：要求無縫覆蓋，傳輸能力有限。?任何形式：要求多媒體，處理能力有限。5．個人化74通信原理主講教師：張立毅天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院二0一三年二月通信原理主講教師：張立毅75課程性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)《通信原理》是為通信工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門必修主干課程。既是核心專業(yè)基礎(chǔ)課，又是眾多院校研究生入學(xué)考試課，也是低頻電路、高頻電路、信號與系統(tǒng)、工程數(shù)學(xué)等在通信中的綜合運用。任務(wù)比較全面系統(tǒng)地講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理、基本性能和基本分析方法。通過學(xué)習(xí)，掌握模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)的信息傳輸?shù)幕驹砗头治龇椒?，并把重點放在數(shù)字通信原理上，為今后從事通信領(lǐng)域的工作和研究打下必要的基礎(chǔ)；懂得通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成；了解有關(guān)通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及改善系統(tǒng)性能的一些基本技術(shù)措施；培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，對今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)更為專業(yè)的通信技術(shù)起到輻射的作用?！锻ㄐ旁怼肥峭ㄐ殴こ虒I(yè)后續(xù)幾乎所有專業(yè)課程，如移動通信、光纖通信、微波與衛(wèi)星通信、通信網(wǎng)等的基礎(chǔ)。課程性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)76教材、參考書、學(xué)時安排教材樊昌信，張甫翊，徐炳祥，吳成柯．通信原理（第5版）．北京：國防工業(yè)出版社，2003．參考書[1]樊昌信，曹麗娜．通信原理（第6版）．北京：國防工業(yè)出版社，2007．[2]曹志剛，錢亞生．現(xiàn)代通信原理．北京：清華大學(xué)出版社，2003．[3]沈越泓，高媛媛，魏以民．通信原理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．[4]王秉鈞，馮玉珉，田寶玉．通信原理．北京：清華大學(xué)出版社，2008．[5]王興亮．通信系統(tǒng)原理教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．學(xué)時安排根據(jù)教學(xué)計劃規(guī)定，總學(xué)時68，其中理論講授58學(xué)時，實驗10學(xué)時。教材、參考書、學(xué)時安排教材77教學(xué)要求平時成績由實驗（30分）、作業(yè)（21分）、平時測驗（10分）、課堂點名（9分）和分類大作業(yè)（30分）五部分組成。實驗10學(xué)時實驗分5個完成，其中三個是必做的，另兩個可從5個中選做。每個實驗滿分6分。作業(yè)作業(yè)7次，每次按A、B、C給分，滿分3分，分別為3、2、1分。平時測驗平時測驗是隨堂測驗，共2次，每次滿分5分。課堂點名課堂隨機(jī)抽查點名，滿分9分，無故曠課1次扣3分，扣完為止。分類大作業(yè)滿分30分。教學(xué)要求平時成績由實驗（30分）、作業(yè)（2178本課程安排??

第一章緒論（2學(xué)時）??

第二章隨機(jī)信號分析（8學(xué)時）??

第三章信道（6學(xué)時）??

第四章模擬調(diào)制系統(tǒng)（8學(xué)時）??

第五章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（10學(xué)時）??

第六章正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（8學(xué)時）??

第七章模擬信號的數(shù)字傳輸（8學(xué)時）??

第八章數(shù)字信號的最佳接收（6學(xué)時）??

第九章差錯控制編碼（自學(xué)）??

第十章正交編碼與偽隨機(jī)序列（自學(xué)）??

第十一章同步原理（自學(xué)）??

第十二章通信網(wǎng)（自學(xué)）本課程安排??第一章緒論（2學(xué)時）79課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)?

抓住一條主線：抗干擾?

領(lǐng)會兩個指標(biāo)：有效性和可靠性?

掌握三種調(diào)制：幅度調(diào)制，頻率調(diào)制和相位調(diào)制（模擬和數(shù)字兩個系統(tǒng)）?

理解四個定理：香農(nóng)公式，奈奎斯特第一準(zhǔn)則、奈奎斯特第二準(zhǔn)則和奈奎斯特抽樣定理?設(shè)置N個問題：以各章內(nèi)容而定課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)?抓住一條主線：抗干擾80第1章緒論1.1

通信與信息1.2

通信系統(tǒng)的組成1.3

通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.4信息及其度量1.5主要性能指標(biāo)1.6

通信系統(tǒng)的發(fā)展第1章緒論1.1通信與信息81本章知識點結(jié)構(gòu)通信基本概念基本概念通信系統(tǒng)發(fā)展簡史系統(tǒng)組成信息度量工作方式模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)系統(tǒng)分類性能指標(biāo)本章知識點結(jié)構(gòu)通信基本概念基本概念通信系統(tǒng)發(fā)展簡史系統(tǒng)組成信82本章教學(xué)要求了解通信的基本概念，通信系統(tǒng)的分類，工作方式，以及發(fā)展簡史；理解通信系統(tǒng)的基本組成，熟悉通信系統(tǒng)各部分的功能；

掌握信息及其度量的計算；

掌握模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)及其計算，重點是信息量的計算。本章教學(xué)要求83本章N個問題1．何謂通信，何謂電通信，何謂光通信？2．信息與消息有何區(qū)別聯(lián)系？3．信息一詞的含義及來源？4．何謂通信系統(tǒng)，如何組成，一般分為幾類？5．何謂信源，一般分為幾類？6．發(fā)射機(jī)（發(fā)送設(shè)備）的主要功能是什么？7．何謂信道，主要功能是什么，一般分為幾類？8．接收機(jī)（接收設(shè)備）的主要功能和任務(wù)是什么？9．何謂噪聲，其主要來源分為幾類？10．何謂信宿，其功能是什么？11．何謂調(diào)制，其本質(zhì)、特征及類型各是什么？本章N個問題8412．何謂基帶信號、調(diào)制信號、低通信號、頻帶信號、已調(diào)信號和帶通信號，其關(guān)系如何？13．何謂信源編碼和信道編碼，其作用是什么？14．何謂加密和解密，其功能如何？15．何謂同步，其功能及分類如何？16．何謂復(fù)接，其原理及功能如何？17．?dāng)?shù)字通信與模擬通信相比有何特點？18．通信系統(tǒng)如何分類，一般各分為幾類？19．頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用的代表實例是什么？20．何謂單工、半雙工、雙工通信，各有何特點？21．何謂并行傳輸和串行傳輸，各有何特點？22．何謂信息量，有何特點，單位如何？23．單一符號信息量、串符號信息量、聯(lián)合信息量、互信息量如何計算？24．何謂信源的熵，含義及單位如何？12．何謂基帶信號、調(diào)制信號、低通信號、頻帶信號、已調(diào)信號和8525．通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)有哪些？26．何謂有效性，含義如何，在模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中如何表征？27．何謂可靠性，含義如何，在模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中如何表征？28．何謂碼元速率和信息速率，二者關(guān)系如何？29．何為誤碼率和誤信率，二者關(guān)系如何？30．通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？25．通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)有哪些？861.1通信與信息

1.1.1通信的概念及作用通信（communication）是指信息的傳輸或消息的傳輸，即利用電波（電通信（telecommunication））、光波（光通信（opti-communication））等信號來傳送文字、語音、圖象等。古代的消息樹、烽火臺、驛馬傳令和鳴金擊鼓，以及現(xiàn)代社會的文字、書信、電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測等都是消息傳遞的方式和信息交流的手段。人們可以利用語言、文字、圖象和數(shù)據(jù)等不同形式來表達(dá)信息，但這些語言、文字、圖象或數(shù)據(jù)本身不是信息而是消息。信息（information）是消息（message）中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容，即通信的目的是傳輸含有信息的消息。1.1通信與信息871.1.2信息的由來信息一詞由來已久，據(jù)考證，“信息”二字最早出現(xiàn)在我國唐代文人李中的《暮春懷故人》一詩中：夢斷美人沉信息日穿長路倚樓臺1.1.3信息的解釋

?《詞海》：信息，如通風(fēng)報信。

?《詞源》：信息：消息。

?《新英漢詞典》：Information譯為通知，報告，消息，報道，情報，知識，見聞，資料等。

?Information一詞在我國臺灣省被譯為資訊。目前，一般定義為客觀事物運動狀態(tài)的表征與描述。1.1.2信息的由來88暮春懷故人

唐：李中體裁：七律池館寂寥三月盡，落花重疊蓋莓苔。惜春眷戀不忍掃，感物心情無計開。夢斷美人沉信息，目穿長路倚樓臺。

瑯玕繡段安可得，流水浮云共不回。暮春懷故人891.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型通信是指從一地向另一地傳遞和交換信息，實現(xiàn)信息傳遞所需的一切設(shè)備（equipment）和傳輸媒介（transmissionmedium）的總和稱為通信系統(tǒng)（communicationsystem）?；邳c對點通信系統(tǒng)的模型如圖1.2.1所示。信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源發(fā)送端接收端1.2.1通信系統(tǒng)的一般模型1.2通信系統(tǒng)的組成信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲901．信息源信源（informationsource）是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱為消息信號或基帶信號。電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出的是模擬信號；后者是數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號。2．發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備（sendequipment）簡稱發(fā)信機(jī)（transmitter），其基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼（sourcecoding）與信道編碼（channelcoding）。1．信息源913．信道信道（channel）是指傳輸信號的物理媒質(zhì)?？梢允菬o線，也可以是有線。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。4．接收設(shè)備接收設(shè)備（receivingequipment）簡稱為收信機(jī)（receiv-er），其基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼、解密等。其主要任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號，對于多路復(fù)用，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路等。3．信道925．噪聲源噪聲源（noisesource）不是人為加入的，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲（noise）的來源是多樣的，分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲產(chǎn)生于各種設(shè)備，外部噪聲是由信道引入。為了分析方便，一般把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。6．受信者受信者即信宿（destination），是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復(fù)原后的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。故通信系統(tǒng)可以概括為是由信源（informationsource）、信道（channel）和信宿（destination）三部分組成。5．噪聲源931.2.2模擬通信系統(tǒng)信源發(fā)出的消息分為兩大類：一類是連續(xù)消息，另一類是離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語音、圖象等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號、數(shù)據(jù)等。消息的傳遞是通過其物質(zhì)載體——電信號來實現(xiàn)的。即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。消息和電信號之間是一一對應(yīng)關(guān)系，否則在接收端就無法恢復(fù)。按信號參量的取值方式不同可把信號分為模擬信號（analogsignal）和數(shù)字信號（digitalsignal）兩大類，