通信原理第1章概論

2023/1/141通信原理徐俊信息樓3022023/1/142引言

課程定位

電信類(lèi)專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程是必修課、核心主干課是一門(mén)通信專業(yè)的標(biāo)志性課程是“信息與通信工程”學(xué)科研究生入學(xué)考試課程之一起著承前啟后的作用占有重要的教學(xué)地位

2023/1/143引言

課程目標(biāo)

使學(xué)生掌握通信系統(tǒng)的基本概念、基本理

論、基本技術(shù)和系統(tǒng)性能分析方法；

掌握基本的分析、設(shè)計(jì)思想和方法；

了解通信新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展；使學(xué)生具備獲取知識(shí)、分析問(wèn)題解決問(wèn)題、動(dòng)手實(shí)踐、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力；為本領(lǐng)域的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，適應(yīng)現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)電信類(lèi)人才的需求。2023/1/144引言

課程特點(diǎn)

具有理論性強(qiáng)、知識(shí)綜合、數(shù)學(xué)含量大等特點(diǎn)；從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分析信號(hào)，掌握系統(tǒng)的處理方法，常用傅里葉變換來(lái)分析信號(hào)頻譜；學(xué)習(xí)時(shí)要注意數(shù)學(xué)分析方法，更要注意數(shù)學(xué)分析所得結(jié)論的物理概念、物理意義；2023/1/145引言

課程學(xué)習(xí)

課堂教學(xué)：56學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：16學(xué)時(shí)

考試：20%平時(shí)+10%考勤+70%試卷注意：充分利用課程網(wǎng)站、圖書(shū)館等相關(guān)資源，做好預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)；

認(rèn)真做作業(yè)、認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)、認(rèn)真做設(shè)計(jì)。2023/1/146引言

課程體系

由淺入深分為四個(gè)部分：

通信基礎(chǔ)知識(shí)模擬通信原理數(shù)字通信原理通信網(wǎng)的多路通信技術(shù)。

引言主要內(nèi)容第1章緒論第2章確知信號(hào)（選講）第3章隨機(jī)過(guò)程第4章信道第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)（選講）2023/1/147第9章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸?shù)?0章數(shù)字信號(hào)的最佳接收第11章差錯(cuò)控制編碼第12章正交編碼與偽隨機(jī)序列（選講）2023/1/1482023/1/149課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)抓住一條主線抗干擾領(lǐng)會(huì)兩個(gè)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)制理解四個(gè)定理香農(nóng)定理、奈圭斯特抽樣定理、奈圭斯特第一準(zhǔn)則和奈圭斯特第二準(zhǔn)則2023/1/1410一些建議上課時(shí)思維緊跟老師積極思考記住概念重點(diǎn)掌握物理含義及其關(guān)系注意假設(shè)和條件閱讀參考資料方法比結(jié)果更重要多做習(xí)題課堂基本要求不準(zhǔn)遲到、早退手機(jī)調(diào)到振動(dòng)作業(yè)按學(xué)號(hào)隨機(jī)抽查隨機(jī)抽查出勤2023/1/1411第1章概論2023/1/1413學(xué)習(xí)目標(biāo)熟練掌握通信系統(tǒng)的組成，熟悉通信系統(tǒng)的模型掌握通信系統(tǒng)的分類(lèi)方法以及三種通信方式，理解串行傳輸和并行傳輸?shù)母拍钪攸c(diǎn)把握信息的含義，掌握信息量的定義及其單位，了解信息熵的概念掌握通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其表示方法2023/1/1414目標(biāo)要求

重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)是：通信系統(tǒng)模型的理解與掌握；通信系統(tǒng)的分類(lèi)；信息的度量；通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的理解與計(jì)算。難點(diǎn)是：信息的度量

2023/1/14151.1通信的發(fā)展

歷史古代：利用自然界的基本規(guī)律和人的基礎(chǔ)感官公元前800年(周朝)，周幽王烽火戲諸侯。應(yīng)用光通信的見(jiàn)證；最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)字通信近代：以電磁技術(shù)為起始

1820年：安培發(fā)明電報(bào)通信，近代數(shù)字通信的

開(kāi)始。

1838年：莫爾斯將電報(bào)通信推向?qū)嵱谩?/p>

1876年：貝爾發(fā)明電話，模擬通信的開(kāi)始。2023/1/14161.1通信的發(fā)展20世紀(jì)60年代以后，數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)入高級(jí)發(fā)展階段。近20多年，數(shù)字通信迅猛發(fā)展；光纖通信也攜手同行。兩者都成為現(xiàn)代通行網(wǎng)的主要支柱。當(dāng)代通信： 移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代未來(lái)通信：大融合時(shí)代

2023/1/14171.1通信的發(fā)展

1838莫爾斯有線電報(bào)1948晶體管香農(nóng)IT通信統(tǒng)計(jì)理論建立1864麥克斯韋爾電磁輻射方程1950時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話1876貝爾電話1956越洋電話鋪設(shè)1896馬克尼無(wú)線電報(bào)1957第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射1906真空管1958第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射1918調(diào)幅廣播超外差接收機(jī)1960發(fā)明激光1925三路明線載波電話多路通信1961發(fā)明集成電路1936調(diào)頻廣播1962第一顆同步通信衛(wèi)星PCM進(jìn)入實(shí)用1937脈沖編碼調(diào)制1960彩電數(shù)字傳輸理論高速計(jì)算機(jī)1938電視廣播1970LSI商用衛(wèi)星程控交換光纖通訊1940二戰(zhàn)刺激雷達(dá)和微波系統(tǒng)發(fā)展1980SLSI長(zhǎng)波光纖通信ISDN3G2023/1/14181.1消息、信息和信號(hào)

通信的目的：

傳遞消息中包含的信息。本課程主要研究信息傳輸?shù)脑怼?/p>

消息：

是指信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)。例如：語(yǔ)音、文字、圖形、圖像等。消息必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)（簡(jiǎn)稱信號(hào)），才能在通信系統(tǒng)中傳輸。2023/1/14191.1消息、信息和信號(hào)

信息：

是指消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容（或有效內(nèi)容）。不同形式表現(xiàn)（漢字、符號(hào)、圖形等）的同一消息，載有相同的信息。

信號(hào)：

是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段?？煞譃槟M信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。2023/1/14201.2通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)信息傳輸所需一切設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信發(fā)送端的消息通過(guò)信道傳遞到接收端一般模型信息源（簡(jiǎn)稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道：將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無(wú)線信道兩大類(lèi)。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。2023/1/14212023/1/14221.2數(shù)字通信——基本概念

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)：

模擬信號(hào)，也稱連續(xù)信號(hào)。如：話筒送出的語(yǔ)音信號(hào)。數(shù)字信號(hào)，也稱離散信號(hào)。如：代表文字的編碼和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)。注意：區(qū)分準(zhǔn)繩為：考查信號(hào)的參量取值是否連續(xù)，而不是看時(shí)間。2023/1/14231.2數(shù)字通信——基本概念模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)tttt碼元2023/1/14241.2通信系統(tǒng)的組成

模擬通信和數(shù)字通信

共性問(wèn)題：總存在噪聲和其他干擾，引起傳輸信號(hào)的失真，影響傳輸質(zhì)量。解決噪聲和

干擾的影響，就是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題之一。

模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)2023/1/14251.2通信系統(tǒng)的組成

模擬通信系統(tǒng)：要求：高保真度復(fù)原。

度量準(zhǔn)則：輸出信噪比。基本問(wèn)題：連續(xù)波形的參量估值問(wèn)題。

個(gè)性問(wèn)題：

數(shù)字通信系統(tǒng)：要求：正確判決（或檢測(cè)）。度量準(zhǔn)則：產(chǎn)生錯(cuò)判的概率。理論基礎(chǔ)：統(tǒng)計(jì)判決理論。注意：都是針對(duì)接收端的。2023/1/1426模擬通信系統(tǒng)模型模擬信號(hào)：電信號(hào)的參量是連續(xù)取值的模擬通信系統(tǒng)模型：模擬通信系統(tǒng)研究重點(diǎn)：調(diào)制與解調(diào)以及噪聲對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽煞N變換：

模擬消息原始電信號(hào)（基帶信號(hào)） 基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）

信道：

基帶信道：可傳輸很低的頻率分量。如雙絞線。頻帶信道：不能傳輸很低的頻率分量。如無(wú)線電波。2023/1/14272023/1/1428數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字信號(hào) 電信號(hào)的參量是離散取值的（僅取有限個(gè)值）數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為：數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)。2023/1/1429數(shù)字通信系統(tǒng)模型

信源：將消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。信源編碼：降低數(shù)字信號(hào)的冗余，

提高數(shù)字信號(hào)的有效性。信道編碼：增加冗余字符，糾錯(cuò)編碼，

提高傳輸?shù)目煽啃浴?023/1/1430數(shù)字通信系統(tǒng)模型

調(diào)制：

★使編碼信號(hào)特性與信道特性相適應(yīng)，以通過(guò)信道傳輸。

★使多路信號(hào)合并，經(jīng)過(guò)同一信道傳輸－－多路復(fù)用。2023/1/1431數(shù)字通信系統(tǒng)模型信道的影響：

★信道傳輸特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響。包括幅頻特性、相頻特性、頻率偏移、頻率擴(kuò)展和多徑時(shí)延。

★進(jìn)入信道的外部加性噪聲的影響。包括起伏噪聲、脈沖干擾、人為干擾。2023/1/1432數(shù)字通信系統(tǒng)模型

同步：

★數(shù)字通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

★發(fā)端、收端間需共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)－－使收端準(zhǔn)確知道每個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)同步接收。

★位同步（或碼元同步）、字同步2023/1/1433數(shù)字通信系統(tǒng)模型基帶系統(tǒng)2023/1/1434數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)：

取值有限，抗干擾能力強(qiáng)，能正確接收?？刹捎眉m錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，提高抗干擾性?？刹捎脭?shù)字加密技術(shù)，提高保密度。可綜合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入消息。便于存儲(chǔ)和處理。易于設(shè)計(jì)、制造，體積更小、重量更輕?？勺餍旁淳幋a，壓縮冗余度，提高信道利用率。信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。2023/1/1435數(shù)字通信系統(tǒng)模型(a)失真的數(shù)字信號(hào)(b)恢復(fù)的數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)波形的失真和恢復(fù)2023/1/1436數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)：

占用帶寬大－－壓縮、光纖。同步要求高。

應(yīng)用實(shí)例：

數(shù)字傳輸技術(shù)：電話、電視、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。模擬傳輸技術(shù)：有線電話環(huán)路、無(wú)線電廣播、電視廣播等。2023/1/14371.3

通信系統(tǒng)分類(lèi)及通信方式按傳輸媒質(zhì)分類(lèi)：有線、無(wú)線按信號(hào)特征：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)按調(diào)制方式分類(lèi)

基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)。按通信業(yè)務(wù)類(lèi)型分類(lèi)

電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等.按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)

頻分復(fù)用（FDM）通信系統(tǒng)、時(shí)分復(fù)用（TDM）通信系統(tǒng)和碼分復(fù)用（CDM）通信系統(tǒng)等。2023/1/1438表

1.3-1通信頻段

、

常用傳輸媒質(zhì)及主要用途

按工作波段分類(lèi)2023/1/14391.3.2通信方式

1、按信息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系劃分通信方式：?jiǎn)喂ねㄐ拧腚p工通信及全雙工通信單工通信是指信息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信工作方式，半雙工通信方式是指通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸信息的工作方式2023/1/1440通信方式示意圖2023/1/14412、按數(shù)字信號(hào)碼元排列方式劃分通信方式：

串行傳輸和并行傳輸并行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成兩路或兩路以上的數(shù)字信號(hào)序列同時(shí)在信道上傳輸，則稱為并行傳輸通信方式。

優(yōu)點(diǎn)：速度快、節(jié)省傳輸時(shí)間

缺點(diǎn)：但需占用頻帶寬，設(shè)備復(fù)雜，成本高

應(yīng)用：一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。2023/1/1442圖1-6并行和串行通信方式

串行傳輸是將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在信道中傳輸。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。2023/1/14433、按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分通信方式

線型、星型、樹(shù)型、環(huán)型等類(lèi)型。專門(mén)為兩點(diǎn)之間設(shè)立傳輸線的通信稱之為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。多點(diǎn)間的通信屬于網(wǎng)通信。網(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。因此，本書(shū)重點(diǎn)討論點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的原理。

2023/1/14441.4消息、信息和信號(hào)

度量信息量的方法，必須滿足：如何度量信息？－－首先要解決的問(wèn)題。

能度量任何消息，與消息的類(lèi)型無(wú)關(guān)；與消息的重要程度無(wú)關(guān)。

2023/1/14451.4消息、信息和信號(hào)

信息量的定義：

例：“明天降雨量將有一毫米”--信息量小 “明天降雨量將達(dá)到一米”--信息量大“明日太陽(yáng)將從東方升起”--信息量零信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成，則該消息所包含的信息量是每個(gè)獨(dú)立消息所含信息量之和。2023/1/14461.4消息、信息和信號(hào)

因此，若消息x

出現(xiàn)的概率為p(x)

，則所含信息量I

可定義為：信息量單位：a=2，則為比特（bit），簡(jiǎn)記為b，最常用;a=e，則為奈特（nat）;a=10

，則為哈特萊（hartley）。2023/1/14471.4消息、信息和信號(hào)

當(dāng)M=2時(shí)，則I=1b。

工程上，常常不考慮是否為等概率的消息，總認(rèn)為一個(gè)二進(jìn)制波形（或碼元）等于1b。即通常把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱做1b。易與信息量的單位混淆。

若采用一個(gè)M進(jìn)制的波形，來(lái)傳送M

個(gè)獨(dú)立的等概離散消息之一，則每一碼元的信息量為：(b)

2023/1/14481.4消息、信息和信號(hào)

對(duì)于M個(gè)離散獨(dú)立等概消息組成的消息源，它發(fā)送的每個(gè)消息所包含的信息量為。

等概時(shí)具最大熵：

對(duì)于離散獨(dú)立非等概消息組成的消息源，則采用平均（統(tǒng)計(jì)平均）信息量－－熵來(lái)描述：熵的單位為：bit/符號(hào)2023/1/1449例：已知信息源由4個(gè)符號(hào)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(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量和平均信息量。解：符號(hào)出現(xiàn)次數(shù)0：23次；

1：14次；

2：13次；

3：7次；共57個(gè)符號(hào)

2023/1/1450所以，該消息的信息量為：I=I(0)+I(1)+I(2)+I(3)=33+28+26+21=108bit平均信息量：信息熵：bit/符號(hào)2023/1/14511.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的基本因素：

有效性：速度問(wèn)題

可