第一章通信原理

通信原理

CommunicationPrinciples俞洋電子工程系通信原理一、課程教學(xué)目的與作用

電子信息類電子工程、通信工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門主干學(xué)科基礎(chǔ)課。

理論：通信系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識，典型通信系統(tǒng)的組成、工作原理、性能特點、基本分析方法、工程計算方法。

能力：掌握通信原理的基礎(chǔ)知識和基本技能，掌握通信系統(tǒng)分析問題的一般方法。橋梁作用：為理解、研究、設(shè)計各種通信系統(tǒng)奠定必要的基礎(chǔ)。二、參考文獻

1.曹志剛.現(xiàn)代通信原理.清華大學(xué)出版社

2.沈振元.通信系統(tǒng)原理.西安電子科大出版社

3.JohnG.Proakis

（普羅科斯）.數(shù)字通信（第五版）

電子工業(yè)出版社三、學(xué)習(xí)方法及時復(fù)習(xí)、做習(xí)題、參考學(xué)習(xí)網(wǎng)站、追蹤現(xiàn)代通信技術(shù)等。先修知識：概率與數(shù)理統(tǒng)計、信號與線性系統(tǒng)、數(shù)字電路、通信電子線路。第1章緒論

【教學(xué)目標(biāo)】1.了解:通信系統(tǒng)一般組成;2.了解:模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)框圖組成及特點;3.了解:信息及其度量；

4.掌握:離散信息量的計算；

5.掌握:主要性能指標(biāo)的概念?！局攸c】信息量及離散信息量計算、通信系統(tǒng)性能指標(biāo)【難點】信息量【學(xué)時分配】3~4學(xué)時 【教學(xué)過程】第1章緒論

1.1通信系統(tǒng)的組成

1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式

1.3信息及其度量

1.4通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

通信（信息傳輸）—將含有信息的消息有效而可靠地由一地傳輸?shù)搅硪坏氐倪^程。信息(Message)：人們待知的消息的內(nèi)容。消息(Information)：用以表達信息的某種物理形式。什么是通信？

通信的要求

可靠:盡可能準(zhǔn)確無誤！有效:盡可能多而快！寬泛意義的通信還包括信號變換、檢測、處理、識別等。我們所知道的通信古代：烽火狼煙、擊鼓鳴金、搖旗吶喊、飛鴿傳信

這些通信方法和手段只能極其有限地解決一定距離的通信問題。我們的先人常以無法實時互通的浪漫詩句和思念之情來代替通信。

現(xiàn)代：電話、電視、廣播、郵政、因特網(wǎng)、其他方式隨著科學(xué)技術(shù)與社會的發(fā)展，對通信的要求也越來越高。近代深空通信的一個成功范例

美國宇航局2005年1月12日發(fā)射了用來探測彗星的“深度撞擊”號探測器，它的目標(biāo)是“坦普爾一號”彗星的彗核?！吧疃茸矒簟卑l(fā)射了一發(fā)“炮彈”于7月4日與彗星TEMPEL1在距地球1.32億公里處相撞，并將觀測到的寶貴圖像和數(shù)據(jù)傳回地球（延時大約74分鐘）。海上艦船通信

海上艦船通信

對空通信、衛(wèi)星通信編隊通信、對岸通信對潛通信（水聲）通信偵察、通信對抗內(nèi)部通信（語音、數(shù)據(jù)、圖像）甲板話音通信通信的發(fā)展簡史

按照人類交流方式與技術(shù)的不同，可以把通信歷史劃分以下幾個階段：第一階段語言第二階段文字、郵政第三階段印刷術(shù)、出版物第四階段電報、電話、廣播第五階段通信與計算機的結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)最早的電通信設(shè)想

1753年2月17日，《蘇格蘭人》雜志上發(fā)表了一封署名C.M的書信。在這封信中，作者提出了用電流進行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個地點延伸到另一個地點，每根金屬線與一個字母相對應(yīng)。在一端發(fā)報時，便根據(jù)報文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機相連接，使它們依次通過電流。電流通過金屬線上的小球便將掛在它下面的寫有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來，從而起到遠(yuǎn)距離傳遞信息的作用。

最早的有線電報

1844年5月24日，莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發(fā)人類歷史上的第一份電報。在座無虛席的國會大廈里,莫爾斯用激動得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報機,發(fā)出了:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”一語。

莫爾斯發(fā)出第一封電報設(shè)備的復(fù)制品

最早的有線電話

1875年6月2日，美國人亞力山大.格雷厄姆.貝爾(Bell,AlekanderGraham)發(fā)明了電話。至今美國波士頓法院路109號的門口，仍釘著塊鐫有：1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。

1876年2月14日，貝爾申請了那個著名的他和沃森一直研究著的裝置——電話的專利。同一天另一個發(fā)明家格雷（1835-1901）也向美國專利局遞交了相似設(shè)備的專利申請書，只因比貝爾晚了幾個小時而痛失電話發(fā)明權(quán)。

貝爾獲得電話的專利證書

電磁波的發(fā)現(xiàn)

1887年3月21日，德國物理學(xué)家赫茲（Hertz）在實驗中發(fā)現(xiàn)，電火花的能量能夠越過空間傳到遠(yuǎn)處。這是人類歷史上第一次證實了電磁波的存在。但赫茲斷然否認(rèn)選用電磁波進行通信的可能性。他認(rèn)為如要利用電磁波進行通信的話，需要有一面面積與歐洲大陸相當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。

最早的無線通信

1895年5月7日，36歲的波波夫在彼德堡的俄國物理化學(xué)會的物理分會上，宣讀了關(guān)于“金屬屑與電振蕩的關(guān)系”的論文，并當(dāng)眾展示了他發(fā)明的無線電接收機。當(dāng)他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發(fā)生器時，波波夫的無線電接收機便響起鈴來；斷開電波發(fā)生器，鈴聲立即中止。幾十年后，為了紀(jì)念波波夫在這一天的劃時代創(chuàng)舉，當(dāng)時的蘇聯(lián)政府便把5月7日定為“無線電發(fā)明日”。

波波夫?qū)嶒炗玫臒o線電接收機

人類首次遠(yuǎn)距離無線電通信

1897年5月18日,馬可尼進行橫跨布里斯托爾（Bristol）海峽的無線電通信取得成功，通信距離為14公里。1957年10月4日，原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，地球上第一次收到了來自人造衛(wèi)星的電波。它不僅標(biāo)志著航天時代的開始，也意味著一個利用衛(wèi)星進行通信的時代即將到來。1958年，發(fā)明了集成電路。1964年，電子電話交換機投入使用。1972年，摩托羅拉公司為FCC演示蜂窩電話系統(tǒng)。1976年，出現(xiàn)個人計算機。1979年，64KB隨機存儲器的出現(xiàn)宣告超大規(guī)模集成（VLSI）電路時代的到來。1980年，貝爾公司推出FT3光纖通信系統(tǒng)。1985年，傳真機（FAX）廣泛使用。1989年，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）完成部署。1995年，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）及WWW瀏覽廣泛流行。2000年至今，進入基于微處理器的數(shù)字信號處理、高速個人計算機、擴頻通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、數(shù)字電視、數(shù)字廣播以及個人通信系統(tǒng)時代。我國通信的歷史1871年，英國、俄羅斯、丹麥敷設(shè)的香港至上海、長崎至上海的水線，全長2237海里。于1871年4月，違反清政府不得登陸的規(guī)定，由丹麥大北電報公司出面，秘密從海上將海纜引出，沿?fù)P子江、黃浦江敷設(shè)到上海市內(nèi)登陸，并在南京路12號設(shè)立報房。于1871年6月3日開始通報。這是帝國主義入侵中國的第一條電報水線和在上海租界設(shè)立的電報局。

1875年，福建巡撫丁日昌積極倡導(dǎo)創(chuàng)辦電報。1875年在福建船政學(xué)堂附設(shè)了電報學(xué)堂，培訓(xùn)電報技術(shù)人員。這是中國第一所電報學(xué)堂。

我國通信的歷史1899年，我國最早使用無線電通信的地區(qū)是廣州。早在1899年，就在廣州督署、馬口、前山、威遠(yuǎn)等要塞以及廣海、寶壁、龍驤、江大、江鞏等江防軍艦上設(shè)立無線電機。1908年，英商在上海英租界的匯中旅館私設(shè)了一部無線電臺，與海上船舶通報。后由清政府收買，移裝到上海電報總局內(nèi)，這是上海地區(qū)最早的無線電臺。1921年1月7日，中國加入國際電報公約我國通信的歷史1933年,中國電報通信首次使用打字電報機1950年12月12日，我國第一條有線國際電話電路--北京至莫斯科的電話電路開通。經(jīng)由蘇聯(lián)轉(zhuǎn)接通往東歐各國的國際電話電路也陸續(xù)開通。1958年，上海試制成功第一部縱橫制自動電話交換機，第一套國產(chǎn)明線12路載波電話機研制成功1970年，我國第一顆人造衛(wèi)星（東方紅1號）發(fā)射成功。我國通信的歷史1984年5月1日，廣州用150MHz頻段開通了我國第一個數(shù)字尋呼系統(tǒng)。程控中文電報譯碼機通過鑒定并推廣使用。首次具備國際直撥功能的編碼縱橫制自動電話交換機（HJ09型）研制成功。1987年11月，廣州開通了我國第一個移動電話局，首批用戶有700個。-我國第一個160人工信息臺在上海投入使用。1993年9月19日,我國第一個數(shù)字移動電話通信網(wǎng)于在浙江省嘉興市首先開通。1998年5月15日，北京電信長城CDMA網(wǎng)商用試驗網(wǎng)--133網(wǎng)，在北京、上海、廣州、西安投入試驗。近年來移動通信的發(fā)展一、通信系統(tǒng)一般模型1.1通信系統(tǒng)組成

SourceofinformationTransmitterChannelReceiver

UserofinformationNoisesource將基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送信號噪聲集中表示在背景噪聲中提取有用信號基帶信號變換為原始消息有線信道無線信道將原始消息轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘柖?、模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型ModulatorChannelNoisesourceDemodulatorUserofinformationSourceofinformation1.模擬通信系統(tǒng)模型（1）模型組成1.1通信系統(tǒng)組成兩個重要變換連續(xù)消息基帶信號（低通型）基帶信號頻帶信號（高通型）信源信宿調(diào)制解調(diào)①基帶信號特性②調(diào)制、解調(diào)原理③信道與噪聲統(tǒng)計特性及其對信號傳輸影響④各類調(diào)制方式系統(tǒng)的抗干擾性能（2）模擬通信系統(tǒng)主要討論的問題1.1通信系統(tǒng)組成2.數(shù)字通信系統(tǒng)模型（1）數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)模型作用:降低信號多余度的編碼,降低碼元速率，以提高信息傳輸?shù)挠行?

如：壓縮編碼或PCM，ADPCM，△M。由于信道噪聲造成數(shù)字信號出現(xiàn)差錯,通過信道編碼來實現(xiàn)糾錯，提高信息傳輸?shù)目煽啃?

如：線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼等。1.1通信系統(tǒng)組成各類數(shù)字調(diào)制方式。如：ASK、FSK、PSK、QPSK、QAM、MSK等。（2）數(shù)字基帶通信系統(tǒng)模型

（3）數(shù)字通信研究的幾個特殊問題

①差錯控制編碼②保密通信③收、發(fā)系統(tǒng)的同步SourceofinformationChannelUserofinformationNoisesourceReceivefilterTransmitfilter1.1通信系統(tǒng)組成碼型、波形變換最佳接收、均衡器（4）數(shù)字通信特點

優(yōu)點抗干擾能力強（中繼、再生）差錯可控制（采用糾錯編碼…）易存儲及加工處理易加密（保密通信）可綜合傳遞各種消息（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）

缺點設(shè)備較復(fù)雜信號帶寬較寬例如:一路模擬電話：4KHz,一路數(shù)字電話：約20～64KHz1.1通信系統(tǒng)組成1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式1.按信號特征數(shù)字通信模擬通信有線通信無線通信2.按傳輸媒質(zhì)一、通信系統(tǒng)分類連續(xù)波調(diào)制

3.按調(diào)制方式分類1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式

脈沖波調(diào)制

1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式4.按復(fù)用方式頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）時分復(fù)用（TDM）碼分復(fù)用（CDM）長波通信中波通信短波通信微波通信光波通信電報電話圖像數(shù)據(jù)5.按工作頻率6.按通信業(yè)務(wù)1.2通信系統(tǒng)的分類及通信方式二、通信方式1.單工、半雙工和全雙工2.串序傳輸與并序傳輸1.3信息及其度量消息（Message）：人能夠感知的描述。比如：聲音、文字、圖像等。信息（Information）：是消息中包含的有效內(nèi)容。信號（Signal）：是消息傳輸?shù)奈锢硇问健＃ㄌ刂鸽娦盘枺┬畔⒘亢x舉例：

“今年冬天比去年冷”

“今年冬天和去年夏天一樣熱”∵可能性越小，信息量越大！∴用概率描述（概率↓信息量↑，P=0時信息量為∞）….1.3信息及其度量哈特萊（Hartley）和香農(nóng)(C.E.Shannon)從消息的統(tǒng)計特性出發(fā)，從信息的不確定性和概率測度的角度定義了通信中信息量的概念，并給出了信息度量的方法。

1948年，美國數(shù)學(xué)家克芬特·仙農(nóng)(ClaudeElwoodShannon)研究密碼通信，發(fā)表了他的著名論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，奠定了信息論的基礎(chǔ)，第一次把信息通信領(lǐng)域的概念確切化了，而且從概率論的觀點，提出了信息量的概念。

1948年，貝爾實驗室向公眾展示了用以取代真空管的晶體管。信息論知識結(jié)構(gòu)組成1.3信息及其度量假設(shè)P(x)是一個消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息。（1）信息量是概率的函數(shù)，即I=f［P(x)］

（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1時，I→0；P(x)→0時，I→∞3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…概率大可能性大不確定性小一、信息量（I）與概率（P(x)）的關(guān)系

二、信息量單位

a=2，信息量的單位為比特(bit)

a=e，信息量的單位為奈特(nat)a=10，信息量的單位為哈特萊1.3信息及其度量三、等概率離散消息的信息量計算

(1)二進制波形(2)M進制波形

若M=2k,則1.3信息及其度量例1–1設(shè)二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個輸出的信息含量為P=1/4的信息量為2比特P=1/8的信息量為3比特P=1/M的信息量為log2M(bit)若M是2的整冪次，則四、非等概離散消息的信息量計算且1.平均信息量（熱力學(xué)中的熵形式一樣：熵）1.3信息及其度量2.最大熵Hm

(等概傳輸)最大熵采取的原則就是：保留全部的不確定性，將風(fēng)險降到最小。

通信的主要任務(wù)是傳遞信息（消息）。通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟性及維護使用等。從信息傳輸?shù)慕嵌葋碚f：最主要的性能指標(biāo)是信息傳輸?shù)挠行灾笜?biāo)和可靠性指標(biāo)。通信系統(tǒng)的性能度量1.4通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)一、主要指標(biāo)1.有效性:

信息傳輸?shù)乃俣取?.可靠性:

信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，即抗加性干擾能力。

加性干擾：信號傳輸時疊加的噪聲（自然噪聲、內(nèi)部噪聲、人為噪聲）。乘性干擾：信道傳輸特性不理想產(chǎn)生的誤差。2.可靠性：用信噪比(SignalNoiseRatio，SNR)表示。

信噪比越高，信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性就越高，信號波形的保真度越高，通信質(zhì)量就越好。

1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)二、模擬通信系統(tǒng)主要指標(biāo)1.有效性：有效傳輸帶寬（B）

傳輸給定的信號所需要的有效傳輸頻帶越窄，或者說，在給定傳輸帶寬的信道中，能同時傳輸?shù)男盘柭窋?shù)越多，則系統(tǒng)的傳輸有效性就越高。即信號的復(fù)用程度越高，有效性越好。三、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)

1.有效性（1）碼元速率（傳碼率）RB

RB:每秒鐘傳輸?shù)拇a元數(shù)。單位：Baud(波特)，B

（2）信息速率（傳信率，比特率）Rb

Rb:每秒鐘傳輸?shù)谋忍亓?。單位：bit/s，

或b/s

，或bps1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)Exp2、已知二進制數(shù)字信號在2分鐘內(nèi)共傳送了72000個碼元。（1）問其碼元速率和信息速率各為多少？（2）若碼元寬度不變（即碼元速率不變），但改為八進制數(shù)字信號，則其碼元速率為多少？信息速率又為多少？二進制:Rb2=RB2（bit/s）M進制:RbM=RBMlog2M

（bit/s）

（3）頻帶利用率η：單位帶寬內(nèi)的傳輸速率?；?.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)比較不同數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。2.可靠性（1）誤碼率（誤符號率）

Pe

（2）誤信率（誤比特率）Pb1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)舉例3.對RB、Pe的要求1.4通信系統(tǒng)的主