通信原理（Seminar）课件 第1章

通信原理 万长胜wanchangsheng@1教材通信原理（第6版）精编本作者：樊昌信，曹丽娜出版社：国防工业出版社2课程介绍

《通信原理》旨在使大家系统地掌握通信系统基本原理及其性能的基本分析方法，了解现代通信技术和理论的发展状况。掌握通信系统的组成、分类、性能度量及所要解决的基本问题系统掌握通信系统的基本原理及其性能的基本分析方法了解现代通信技术和理论的发展状况及趋势3通信原理第1章绪论什么是通信？4第1章绪论1.1通信的基本概念通信：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：如烽火台、传信、说话…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。

5原始手段有线通信无线通信烽火、旗语电报（1837Morse）电话（1876Bell）电磁波的存在

Maxwell

理论Hertz

实践6近代通信科学技术发展大事记（一）1800–1837

基础开发研究：Volta电池Fourier、Cauchy和Laplace

数学研究Oersted、Ampere、Faraday和Henry电和磁实验Ohm欧姆定律Gauss、Weber和Wheatstone早期的电报系统1838Morse有线电报1845Kirchhoff

电路定律1864Maxwell电磁幅射理论1876Bell有线电话1887Hertz电磁波发射，验证了麦克斯韦尔理论现代通信的发展telegram7近代通信科学技术发展大事记（二）1897Marconi无线电报1904Fleming二极管1905Fessenden

无线电语音信号传输1906DeForest三极管放大器1915BellSystem横贯美国大陆的电话线路1918BHArmstrong超外差无线电接收机1920–1928Carson、Nyquist、Johnson和Hartley信号传输和噪声理论1931电传业务开通1933EArmstrong调频无线电1937Reeves构想脉冲编码调制（PCM）8近代通信科学技术发展大事记（三）1938BBC电视广播1938–1945（二战）雷达和微波系统1944–1947Rice和Wiener等统计通信理论1948Brattain、Bardeen和Shockley晶体管1948Shannon信息论1948–1950Hamming和Golay

纠错编码1950电话系统中引入时分复用技术1953彩色电视1956越洋电话1960Maiman

激光1961集成电路9近代通信科学技术发展大事记（四）1962卫星通信1962–1966高速数字通信理论1965程控电话交换机1966–1975宽带通信系统（包括光通信）1969ARPANET（Internet的前身）1971Intel单片微处理器1972Motorola蜂窝电话1972卫星电视直播1981IBM个人计算机1991GSM移动通信系统1995CDMA移动通信系统10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。11通信系统的组成1.2

通信系统的一般模型信源发送设备信宿噪声信道接收设备发端收端把各种消息转换成原始电信号对原始信号完成某种变换，使之适合在信道中传输信号传输的通道，提供了信源与信宿之间在电气上的联系。分为有线信道和无线信道两大类把接收到的信号反变换，转换成原始电信号将复原的原始电信号转换成相应的消息MODEMMODEMTerminalPSTNHost121.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型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：数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：13模拟信号与数字信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号14这是数字信号还是模拟信号？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。15模拟通信系统模型信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统.它包含两种重要变换，一是把原始消息变为电信号，二是把不适合传输的基带信号通过调制器转换成频带信号；同时两种变换在收端都要经过反变换。（例子）信源调制器信宿噪声信道解调器发端收端16数字通信系统模型信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，分为三类：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17数字通信系统模型信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性（例子）完成模/数转换（例子）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18通信系统模型模拟通信通信方式：信号中某个参量连续变化通信要求：高保真地复现信息质量准则：信噪比19数字通信通信方式：信号中某个参量离散取值通信要求：正确判断离散值质量准则：错误率1001120数字通信的特点1.2.3优点抗干扰能力强，且噪声不积累：信号的取值只有两个,容易判别和处理。传输差错可控：通信中出现的差错可通过纠错编码技术来控制。便于处理、变换、存储易于加密处理，且保密性好:与模拟信号相比更容易加密和解密。缺点：需要较大的传输带宽对同步要求高21通信系统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……（A）按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用22常见的调制方式调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输23调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话24通信波段与常用传输媒质频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航25频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学

107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信26通信方式单工、半双工和全双工通信（例子）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27并行传输并行传输：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优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要n条通信线路，成本高28串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点：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络通信29通信发展趋势目前数字通信在卫星通信、光纤通信、移动通信、微波通信等领域有了新的进展。1．卫星通信系统卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。30卫星通信的特点是：通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制、通信容量大、可靠性高等。自从1957年10月第一颗卫星发射成功以来，卫星通信作为一种重要的通信手段被广泛用于国际、国内和区域通信。21世纪的卫星通信将向更高频段、更大容量方向发展。（GPS、北斗）31

2、光纤通信系统光纤通信是以光导纤维(简称光纤)作为传输媒质、以光波为运载工具（载波）的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点，且成本低。自从1977年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来，光纤通信发展迅速，已成为各种通信干线的主要传输手段。323．数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠终端对基站的跟踪，使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。33目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一，覆盖了大中小城市，为人们的信息交流提供了极大的便利。随着移动通信终端的普及，移动用户数量成倍地增长，第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现，如全球漫游问题、系统容量问题、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。34为此，从20世纪90年代中期开始，各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究。第三代移动通信系统工作在2000MHz频段，为此国际电信联盟正式将其命名为IMT-2000。IMT-2000的目标和要求是：统一频段，统一标准，达到全球无缝隙覆盖，提供多媒体业务，传输速率最高应达到2Mb/s，其中车载为144kb/s、步行为384kb/s、室内为2Mb/s；频谱利用率高，服务质量高，保密性能好；易于向第二代系统过渡和演进；终端价格低。35信息及其度量信息：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?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。

36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越大。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：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)

，I；

P(x)=1时，I

＝0；P(x)=0时，I

＝；

满足上述3条件的关系式如下： －信息量的定义37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

(b)（曲线）【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特38若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为若M是2的整幂次，即

M=2k，则有 当M=4时，即4进制波形，I=2比特， 当M=8时，即8进制波形，I=3比特。39非等概率情况 设：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

40信息熵“熵”的概念起源于物理学中的热力学，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。它描述了某一种状态自发变化的方向。“熵”是无序性的定量量度：把有规则排列的状态称为“低熵”，而混乱的状态对应于“高熵”。信息熵的定义与熵的定义相似，它描述的是信息源的不确定性。信息熵大表示信息源的不确定程度较大，同样是一种无序性。41【例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，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201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量

每个符号的算术平均信息量为

42若用熵的概念来计算：则该消息的信息量

以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。43最大信息熵不同的离散信息源可能有不同的熵值。信息源的最大熵发生在每一符号等概率出现时即

P(xi)＝l/n，

i＝l，2，…，n，最大熵值等于44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。45通信系统主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（