通信原理第1章

1、,教学内容： 以电气通信为主，讲授现代通信系统的基本原理和方法（通信方式）。 教学要求： 理解和掌握有关基本概念 理解和掌握各种通信方式的基本原理和实现方法 能独立的分析和解决一些简单的实际问题,第一章绪论,1.1通信技术及发展史,通信： 克服距离上的障碍，进行信息的传递与交换的过程。 “通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似的再现另一点所选择的消息。”,通信目的：传输信息 任务：迅速、准确的进行信息的传输。 意义：,按照社会发展进程中通信方式的不同，人类的文明史可分为：,原始通信时代 邮政通信时代 电气通信时代 信息时代,以语音为主 以文字发明为标志 电报、电话 信息多样化、方式多样化、与

2、计算机相结合,通信发展史,1838年 摩尔斯 电报,塞缪尔莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）,1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。,上帝创造了何等的奇迹,通信发展史,1876年 贝尔 电话,贝尔（1847-1922），美国电话发明者,1876年3月10日，他发明了有线电话，贝尔通过送话机与实验室的助手沃森首次通话成功。 1877年，建成从波士顿到纽约之间长距离电话线通话。第一份用电话发出的新闻电讯稿被发送到波士顿世界报，标志着电

3、话为公众所采用。 1878年，贝尔电话公司正式成立。,1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第一部电话。,通信发展史,理论上 1864年 麦克斯韦方程 1888年 电磁波 1937年 PCM原理 1948年 香农定理,在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）

4、、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学 它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。,1.2 通信系统,通信系统的一般简化模型,信息： 是指消息中所包含的对受信者有意义的内容（或有效内容）。 不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同一消息，载有相同的信息。,消息： 通信系统所传输的对象，如语音、文字、图形、图像等。 是指信源所产生的信息的物理表现。,信号： 是指消息的物理载体，是传输消息的手段。 消息必须转换成信号，才能在通信系统中传输。表现形式取决于媒体。 消息与信号一一对应。 可分为模拟信号和数字信号。,通信系

5、统模型,信 道,发送端,接收端,信 源,发送设备,接收设备,信 宿,噪声,信号,模拟信源（连续信源）：输出的消息状态是连续变化的； 数字信源（离散信源）：输出的消息状态是离散的、可数的。 模拟信号：信号参量的取值是连续的； 数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数值。 模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号； 数字通信系统：信道中传送的是数字信号。,数字通信系统模型,数字通信的主要优点：,可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。 可采用数字加密技术，保密性好。 可采用纠错和检错技术，差错可控制。 便于存储和处理。 可综合传输各种模拟和数字输入消息，便于复用。 易于设计、制造，体积更小、重量更轻。

6、 抗干扰能力强，可中继再生。,数字通信的主要优点：,数字通信的主要缺点：,占用带宽大 设备复杂 同步要求高,宽带通信、压缩编码 VLSI、SOC、ASIC 信号处理技术,应用实例：,数字传输技术：电话、电视、计算机数据等 信号的远距离传输。 模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等。,通信系统的分类,按信号特征分类 数字通信 电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。 模拟通信 有线电话环路、无线电广播、电视广播等。,按数字信号码元排列次序,串行远程 并行近程、高速,按调制方式分类,按信号复用方式分类,频分复用（FDM）：Frequency Division Multiplexin

7、g 模拟通信的基本形式 时分复用（TDM）：Time Division Multiplexing 数字通信的基本形式 波分复用（WDM）：Wave Division Multiplexing 光纤通信的基本形式 码分复用（CDM）：Code Division Multiplexing 扩频通信、移动通信的基本形式,按用途分,按通信者是否运动分,按传输媒质分,按工作频率分,通信方式,单工 半双工 全双工,如何度量信息？,1948年发表通信的数学理论，提出负熵概念。 1949年发表噪声中的通信，从而奠定了信息论的基础。1949年发表保密系统的通信理论，密码学的先驱。,香农（19162001）Sha

8、nnon，ClaudeElwood 美国数学家，信息论创始人,他解决了过去许多悬而未决的问题：经典地阐明了通信的基本问题，提出了通信系统的模型，给出了信息量的数学表达式，解决了信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码等有关精确地传送通信符号的基本技术问题。,如何度量信息？,度量信息量的方法，必须满足：,能度量任何消息 与消息的类型无关 消息的重要程度无关,与内容无关抽象的用数学方式描述 与形式无关文字声音图像 与接收者无关重要性是相对的,香农将信息定义为Uncertainty不确定性的减少。 信息量的大小与消息出现的概率有关。 消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；,信息论将以模糊的信息

9、概念用数学概念加以定义，用数学方法加以定量化，是通信学发展的一项重要理论基础。,信息量的定义：,信息量是消息出现概率的函数； 消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大； 若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。 确定性事件的信息量等于零。,信息量的定义,若消息 出现的概率为 ，则所含信息量 I 可定义为：,信息量的单位：,，则为比特（bit），最常用;,，则为奈特（nat）;,，则为哈特莱（hartley）。,当M=2时，则I=1bit。 工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1bit 。即通常把一个二进制码元称做1

10、bit。,若采用一个M进制的波形，来传送M 个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：,(b),熵,熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越高，熵就越大；系统越有序，熵就越小。 “一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。” 维纳 所有自然过程都增加熵 克劳修斯 任何信息都增加系统的负熵 布里渊,对于离散独立非等概消息组成的消息源，采用平均（统计平均）信息量熵来描述：,熵的单位为：bit / 符号,对于M个离散独立等概消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为 。,等概时具最大熵：,1.5 通信系统的性能指标,有效性 可靠性,速度指标 质量指标,数字通信系统性能,有效性

11、传码率 ：单位时间传输的码元个数 baud 传信率 ：单位时间传输的平均信息量 bps,数字通信系统性能,可靠性 误码率：信息码元在传输过程中被误传的概率 误信率：信息量在传输过程中被丢失的概率,误差,模拟通信系统中，误差是源信号与接收信号之间的均方误差来表示：,：衰减系数：传输时延 若信道为平稳信道，为常数 若误差为信道引人的加性干扰引起，为接收端噪声功率,信噪比：与噪声的功率比，用分贝表示,信号功率 噪声功率,有效值 方差,1.6 连续信道的信道容量,香农公式 假设信道的带宽为B（Hz），信道输出的功率为 加性高斯白噪声功率为 ，则该信道的信道容量为： C:信道容量，信道的最大无失真信息传输速率 仅当传信率不超过C时，才有可能实现无误码传输,也可表示可能达到的最大的频谱利用率 带宽B是指正频率范围，不包括负频率范围。 信道为理想带通信道。 B的范围并不要求一个连续的