第1章 通信原理概述

1、专业基础课专业基础课 40 现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社现代通信原理，曹志刚，清华大学出版社 通信原理，樊昌信，国防工业出版社通信原理，樊昌信，国防工业出版社 通信系统原理教程，王兴亮，西安电子科技大学出版社通信系统原理教程，王兴亮，西安电子科技大学出版社 平时成绩平时成绩30（作业、课堂、考勤）（作业、课堂、考勤） 期末考试期末考试70（闭卷）（闭卷） 第第1 1章章 概述概述 1.1 通信的发展通信的发展 1.2 通信的概念通信的概念 1.3 通信系统通信系统 1.4 信息论基础信息论基础 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 1.1 通信的发展通信的发展 1.1.

2、1 1.1.1 通信发展简史通信发展简史 1838年，年，摩尔斯摩尔斯发明发明有线电报有线电报，开始了电通信阶段，开始了电通信阶段 1864年，年，麦克斯韦麦克斯韦创立了创立了电磁辐射理论电磁辐射理论 1876年，年，贝尔贝尔利用电磁感应原理发明了利用电磁感应原理发明了电话电话 1888年，年，赫兹赫兹用实验用实验证明电磁理论证明电磁理论，促使后来无线通信的出现，促使后来无线通信的出现 1896年，年，马可尼马可尼发明发明无线电报无线电报 1937年，年，雷沃斯雷沃斯发明发明脉冲编码调制脉冲编码调制，奠定了数字通信基础，奠定了数字通信基础 1946年，第一台数字年，第一台数字电子计算机电子计算

3、机问世问世 1947年，年，晶体管晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件 1948年，香农提出了年，香农提出了信息论信息论，建立了通信统计理论，建立了通信统计理论 1961年，发明年，发明集成电路集成电路 20世纪世纪80年代，计算机年代，计算机局域网局域网出现出现 20世纪世纪90年代，年代，蜂窝电话蜂窝电话系统开通系统开通 1.1.2 1.1.2 通信技术的发展与展望通信技术的发展与展望 电缆通信 （有线） 微波中继通信 （无线） 光纤通信 （有线） 卫星通信 （无线） 移动通信 （无线） 1.2 通通 信信 的的 概概 念念 1.2

4、.1 1.2.1 通信的定义通信的定义 通信(Communication)就是信息的传递，是指由一地向另 一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。 1.2.2 1.2.2 通信的分类通信的分类 1. 1. 按传输媒质分类按传输媒质分类 按传输媒质的不同， 通信可分为有线通信和无线通信。 有线通信特点是媒质能看得见，摸得着。 无线通信特点是传输媒质看不见、摸不着。 2. 2. 按信道中传输的信号分类按信道中传输的信号分类 模拟信号是指信号的某一参量有无限个取值。 数字信号是指信号的某一参量只有有限个取值。 参量可以是连续波的振幅、频率、相位或是脉冲波的振幅、 宽度、位置等。 3. 3. 按工

5、作频段分类按工作频段分类 根据通信设备的工作频率不同，可分为长波通信、 中波 通信、短波通信、微波通信等。 通信的中工作频率和工作波长可互换， 公式为 f C 式中, 为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的 传播速度，通常认为C=3108 m/s。 4. 4. 按调制方式分类按调制方式分类 根据消息在送到信道之前是否采用调制，通信可分为基带 传输和频带传输。 基带传输：信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的通信 方式； 频带传输：信号经过调制后再送到信道中传输，接收端有相应 解调措施的通信方式。 常用的调制方式 调 制 方 式 用 途 常规双边带调幅 AM 广播 抑制载波双边带调幅

6、 DSB 立体声广播 单边带调幅 SSB 载波通信、无线电台、数传 线性调制 残留边带调幅 VSB 电视广播、数传、传真 频率调制 FM 微波中继、卫星通信、广播 非线性调制 相位调制 PM 中间调制方式 幅度键控 ASK 数据传输 频率键控 FSK 数据传输 相位键控 PSK、DPSK、QPSK 等 数据传输、数字微波、空间通信 连 续 波 调 制 数字调制 其他高效数字调制 QAM、MSK 等 数字微波、空间通信 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 脉冲模拟调制 脉位调制 PPM 遥测、光纤传输 脉码调制 PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制

7、DM 军用、民用电话 差分脉码调制 DPCM 电视电话、图像编码 脉 冲 调 制 脉冲数字调制 其他语言编码方式 ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话 1.2.3 1.2.3 通信的方式通信的方式 1. 1. 按消息传送的方向与时间分类按消息传送的方向与时间分类 按消息传送的方向与时间不同，可分为单工通信、 半双 工通信及全双工通信。 （a） 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式 2. 2. 按数字信号排序分类按数字信号排序分类 按照数字信号排列的顺序， 分为串序传输和并序传输。 串序传输：数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传 输的通信方式； 并序传输：数字信号序

8、列被分割成两路或两路以上的数字信号 序列同时在信道上传输。 按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串序传输方式 ； (b) 并序传输方式 3. 3. 按通信网络形式分类按通信网络形式分类 通信的网络形式通常可分为三种：两点间直通方式、分 支方式和交换方式。 (a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式 分支方式及交换方式均属网通信的范畴。无疑，它们和 两点间直通方式相比，还有其特殊的一面。例如，网通信中 有一套具体的线路交换与消息交换的规定、协议等，其中既 有信息控制问题，也有网同步问题等，尽管如此，网通信的 基础仍是点与点之间的通信。 因此，本书只把注意力集中 到点与点之间

9、的通信上，而对网通信只限于基础知识介绍。 1.3 通信系统通信系统 1.3.1 1.3.1 通信系统的模型通信系统的模型 1.3.2 1.3.2 模拟通信系统模拟通信系统 1.3.3 1.3.3 数字通信系统数字通信系统 1. 1. 数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统 2. 2. 数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数 字通信系统称为数字基带传输通信系统。 3. 3. 模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统 在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续变化的模 拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送 端将

10、模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的 转换，即D/A转换。 1.3.4 1.3.4 数字通信的主要优点和缺点数字通信的主要优点和缺点 1. 1. 数字通信的主要优点数字通信的主要优点 (1) 抗干扰、抗噪声性能好。 (2) 差错可控。 (3) 易加密。 (4) 易于与现代技术相结合。 2. 2. 数字通信的主要缺点数字通信的主要缺点 数字通信相对于模拟通信来说，主要有以下两个缺点： (1) 频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带 较宽。以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060 kHz的 带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz的带宽。 (2) 需要严格的同步系统。数

11、字通信中，要准确地恢复信 号，必须要求接收端和发送端保持严格同步。因此，数字通信 系统及设备一般都比较复杂，体积较大。 1.4 信信 息息 论论 基基 础础 1.4.1 1.4.1 信息的度量信息的度量 “信息”(information)与消息(message) 信息：消息中包含的有意义的内容； 传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。 对接收者来说，事件愈不可能发生，愈会使人感到意外，则信 息量就愈大。 由概率论可知，事件的不确定程度可用事件出现的概率来 描述，事件出现(发生)的可能性愈小，概率愈小；反之，概率 愈大。 因此，消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息 出现的概率愈小

12、，消息中包含的信息量就愈大，且概率为零时 (不可能发生事件)信息量为无穷大， 概率为1时(必然事件)信息 量为0。 综上所述，可以得出消息中所含信息量与消息出现的概率 之间的关系应反映如下规律： (1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数， 即 I=IP(x) (2) 消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大，反之信息量 愈小，即 P=1时 I=0 P=0时 I= (3) 若干个互相独立事件构成的消息， 其所含信息量等于 各独立事件信息量的和， 即 )()()()( 2121 xPIxPIxPxPI 可以看出，I与P(x)间若满足以上三点， 则它们有如下关系式： )(log )( 1

13、 logxP xP I aa 信息量I的单位与对数的底数a有关：a=2 单位为比特(bit，或 b)；a=e 单位为奈特(nat，或n)；a=10 单位为笛特(Det)或称为十 进制单位；a=r 单位称为r进制单位。 【例】 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时 每个符号的信息量。 解解：二进制等概率时，即P(1)=P(0)=1/2 (bit)1 2 1 log)0() 1 ( 2 II M进制等概率时，有 P(1)=P(2)=P(M)=1/M 1 1 log)()2() 1 ( M MIII M (M进制单位) =log2M (bit) 【例】 试计算二进制符号不等概率时的信息量

14、(设 P(1)=P)。 解解 P(1)=P， 故P(0)=1-P，则 )bit( )(1log)0(log)0( )bit(log) 1 (log) 1 ( 22 22 PPI PPI 可见, 不等概率时， 每个符号的信息量不同。 1.4.2 1.4.2 平均信息量平均信息量 平均信息量等于各个符号的信息量乘以各自出现的概 率之和。 二进制时： )0(log)0() 1 (log) 1 ( 22 PPPPI 把P(1)=P代入，则 符号）/()1 (log) 1(log )1 (log)1 (log 22 22 bitPPPP PPPPI 下面计算多个信息符号的平均信息量。设各符号出现的概率为

15、 n i i n n xP xPxPxP xxx 121 21 1)( )(),(),( , 且 则每个符号所含信息的平均值(平均信息量)为 )(log)( )(log)()(log)()(log)( 1 2 2222121 n i ii nn xPxP xPxPxPxPxPxPI 由于平均信息量同热力学中的熵形式相似，故通常又称它为 信息源的熵，平均信息量的单位为bit/符号(比特/符号)。 当离散信息源中每个符号等概出现，而且各符号的出现为 统计独立时，该信息源的信息量最大。此时最大熵（平均信息 量）为 NxPxPI n i NN n i ii2 1 1 2 1 1 2 maxloglog

16、 )(log)( 例例 设由5个符号组成的信息源， 其相应概率为 16 1 16 1 8 1 4 1 2 1 EDCBA 试求信源的平均信息量I。 解解 符号）/(875. 1 16 4 16 4 8 3 2 1 2 1 16log 16 1 16log 16 1 8log 8 1 4log 4 1 2log 2 1 22222 bit I 5个符号等概率出现时 )/(322. 25loglog 22 max符号bitNI 【例】 一信息源由4个符号A、B、C、D组成，它们出现的概 率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求 信息源输出为 CABACABDACBDAA

17、BDCACBABAADCBABAACDBACAAC ABADBCADCBAABCACBA的信息量。 解解：信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出 现13次，D出现7次，共有57个。则出现A的信息量为 )bit(11.30 23 57 log23 2 出现B的信息量为 )bit(35.28 14 57 l14 2 og 出现C的信息量为 )bit(72.27 13 57 log13 2 出现D的信息量为 )bit(18.21 7 57 log7 2 该信息源总的信息量为 I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36 (bit) 每一个符号的平均信息量为 )/b

18、it(88. 1 57 36.107 符号 符号总数 I I 上面计算中，我们没有利用每个符号出现的概率来计算， 而是用每个符号在57个符号中出现的次数(频度)来计算的。 实际上，用平均信息量公式直接计算可得 )/bit(90. 18log 8 1 4log2 4 1 3 8 log 8 3 222 符号I 总的信息量为 I=571.90=108.30 (bit) 可以看出，本例中两种方法的计算结果是有差异的，原因 就是前一种方法中把频度视为概率来计算。当信源中符号出现 的数目m时，则上两种计算方法结果一样。 当57个符号等概率出现时 )/(bi833. 557logl 22 max符号tNo

19、gI 1.5 1.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 1.5.1 1.5.1 一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标 有效性和可靠性。 有效性是指要求通信系统高效率地传输消息。 可靠性是指要求通信系统可靠地传输消息。 两者是相互矛盾的。 1.5.2 通信系统的有效性指标通信系统的有效性指标 1. 1. 码元传输速率码元传输速率R RB B 又可称为码元速率、数码率、传码率、 码率、信号速率 或波形速率。 码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波 特(Baud)， 常用符号“B”表示(注意，不能用小写)。 例如，系统在2s内共传送了4800个码元，则系统的传码

20、率为 2400B。 码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。 b T R 1 B 通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制， 多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2，在保证系统信 息速率不变的情况下可相互转换，转换关系式为 RB2=RBNlog2N (B) 式中，N=，k=2, 3, 4 2. 信息传输速率信息传输速率 又可称为信息速率、传信率、比特率等。指单位时间(每秒 钟)内传送的信息量，单位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。 例如，若某信源在1秒钟内传送1200个符号，且每一个符号的 平均信息量为1(bit)，则该信源的=1200b/s或1200 bps。 因为信息量与信号进制数N有关，因此，也与N有关。 b R b R 3.Rb与与RB之间的互换之间的互换 在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2在数值上相等， 但单位不同。 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们 之间在数值上有如下关系式: NRR BNN2b log (1-9) 在码元速率保持不变的条件下，二进制信息速率Rb2与多进制信息 速率RbN