现代通信原理c1

1、1、现代通信原理 曹志刚 清华大学出版社2、 现代通信原理 宋祖顺 电子工业出版社3、 数字通信原理与技术刘颖 北京邮电大学出版社参考书目课时64学时（讲授）、实验：20学时课程要求：理论70%、实验30% 是一门重要的专业技术基础课，也是一门概念、原理理论较强的课程 主要学习和掌握通信原理的基本知识、基本原理、基本概念，为后续专业课程的学习打基础。课程特点第1章 绪论通信技术发展史自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼”、“顺风耳”等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地

2、了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通信技术发展历史简表。 通信技术发展历史简表 根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作用以及对人类社会的影响，我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结，认为有10项重大通信技术值得人们纪念， (1)摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。 (2)马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。 (3)载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。 (4)电视。电视极大地改变了人们的生活，使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。 (5)电子计算

3、机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。 (6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的“心”，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。 (7)光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。 (8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。 (9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。 (10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成了一个没有距离的小村落-“地球村”。1.1 通信的概念 谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的

4、烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类似的例子还有抗日战争时期的“消息树”)；舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话； 传统的信函以文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺素之中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建设工地上，工人们经常使用对讲机相互联络，协调工作；在电影电视中经常看到军人或警察利用无线电台进行作战指挥；还有电报、电传、电话、寻呼、移动电话、有线广播、无线广播、有线电视、无线电视等当代最为普及的通信手段都是现实生活中我们所熟悉的通信实例。 在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚的烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊的书信，还是

5、绚丽多彩的电视画面， 尽管通信的方式各种各样，传递的内容千差万别，但都有一个共性，那就是进行信息的传递。因此，我们对通信下一个简练的定义：所谓通信，就是信息的传递。这里“传递”可以认为是一种信息传输的过程或方式。随着计算机技术和计算机网络技术的飞速发展，计算机网络通 信 也 进 入 了 我 们 的 生 活 。 通 过 因 特 网(Internet)，我们足不出户就可看报纸、听新闻、查资料、逛商店、玩游戏、上课、看病、下棋、购物、发电子邮件。网络通信丰富多彩的功能极大地拓宽了通信技术的应用领域，使通信渗入到人们物质与精神生活的各个角落， 成为人们日常生活中不可缺少的组成部分，有关通信方面的知识与

6、技术也就成为当代人应该了解和掌握的热门知识之一。在这里我们所讨论的通信不是广义上的通信，而是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。“通信原理”就是介绍支撑各种通信技术的通信基本概念和数学理论基础。1.2 通信系统 1.2.1 通信系统的定义与组成 用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。需要强调的是，过去对通信系统的定义没有软件部分，但随着计算机进入通信系统，通信软件就成为组成通信系统的基本要素，因此我们在

7、定义中加入软件这一模块。 从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质和收信、发信设备五部分组成，如图11所示(注意，图中的干扰可以理解为是通信系统的一部分，因为在实际应用中，一个通信系统无法彻底消除干扰)。信源发送设备传输介质接收设备信宿干扰图11 模拟通信系统的一般模型 比如电话通信系统就包括：送话器、电线、交换机、载波机、受话器等要素。广播通信系统包括麦克风、放大器、发送设备、无线电波、收音机等。两个通信系统实例示意图如图12所示。发 射 设 备接 收 设 备(a) 有 线 长 途 电 话 系 统 示 意 图(b) 广 播 通 信 系 统 示 意 图载 波 机载 波 机导 线话 筒扬

8、声 器图12 通信系统实例示意图1.2.2 通信系统的分类 1.按信号特征分类 根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如大家熟悉的电话、广播和电视系统；信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统(模型如图13(a)所示)，比如数字电话通信系统。从图13(a)中我们看到，数字通信系统与图11的主要区别是多了信源编码(解码)和信道编码(解码)功能模块，而这正是数字通信系统的特点所在。 信源编码完成的是将模拟信息(模拟信号)转换成数字信号的功能(信源解码功能相反)；信道编码是将信源编码输出的数字信号(一般是经自然编码后的

9、数字信号。自然编码指的是用高电平表示“1”，低电平表示“0”的简单编码方式)变成适合于信道传输的码型(信道解码功能相反)，以提高传输的有效性和可靠性。有关内容我们在后面会有详细介绍。信源信道模拟通信信宿信源信宿信道数字通信数据通信信道信源信宿(b) 三种通信系统示意图(a) 数字通信系统模型图13 数字通信系统示意图 需要说明的是，自从有了数据通信系统之后，这种以信道传输信号的种类为标准对通信系统进行的分类就显得不够严谨，因为数据通信系统的信道可以是传输数字信号的信道，也可以是传输模拟信号的信道，或者说数据通信中的数据信号既可以以数字信号的形式在数字信道中传输(比如局域网)，也可以转换成模拟信

10、号在模拟信道中传输(比如通过“猫”调制解调器上网)。 根据通信技术的现状，我们认为应该在传统分类方式的基础上，结合信源和信宿所处理的信号种类对通信系统重新进行分类。这样，我们就把通信系统分为三种：模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。 这里需要明确模拟通信、数字通信和数据通信的概念： (1)模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此，模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。 (2)数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。因此，数字通信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。 (3)数据

11、通信是随计算机和计算机网络的发展而出现的一种新的通信方式，它是指信源、信宿处理的都是数字信号，而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过程(方式)。通常，数据通信主要指计算机(或数字终端)之间的通信。 数字通信产生的直接原因是为了提高模拟通信的质量，所以，数字通信可以理解为是模拟通信的升级。因为对通信双方而言，它们接触的仍然是模拟信号(或模拟信息)，如果只从信号传输的角度上看(不考虑保密等)，数字通信与模拟通信的主要差别仅仅是前者信宿接收到的信号质量更好一点而已，但它们的信号传输方式(传输系统)却迥然不同；而数据通信在信号传输上与数字通信大致相同(先不考虑模拟信道传输)，但它的信息源一

12、般为数字信息(离散信息)，所以数据通信在功能上可以认为是数字通信的延伸或分支。因此，从技术体制上看，通信方式仍然只分为模拟通信和数字通信两种。 数字通信具有以下特点： 抗干扰能力强。由于数字信号的取值个数有限(大多数情况只有0和1两个值)，因此在传输过程中我们不太关心信号的绝对值，只注意相对值即可。比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪声影响，5V变成8V，而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了(当然，0V受干扰也可能变成8V，以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后，数据0不是用简单的低电平表示，因此，这样的误码就不会出现)。 同时，传输中继器可再生信号，消除噪声积累。比

13、如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号，若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信终端。如果是数字通信，第一个收到这个8V信号的中继器先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地放大，而是被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累。 便于进行信号加工与处理。由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。 传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质

14、量。 数字信息易于加密且保密性强。 能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。 总之，数字通信的优点很多，但事物总是一分为二的。数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号大概要占2060kHz的带宽。这说明数字通信的频带利用率低。尽管如此，数字通信仍将是未来通信的发展方向。 2.按传输介质分类 按传输介质的不同，通信系统又有无线通信系统与有线通信系统之分。利用无线电波、红外线、超声波、激光进行通信的系统统称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通信系统、电视系统等都是无线通信系统。而用导线(包括电缆、光

15、缆和波导等)作为介质的通信系统就是有线通信系统，如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。随着通信技术、计算机技术和网络技术的飞速发展， 单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系统常常是“无线”中有“有线”，“有线”中有“无线”。因此，无论是作为科学知识还是学科专业，当代的无线通信、有线通信和计算机网络三者的关系密不可分。 3.按调制方式分类 按调制与否，可分为基带通信系统和调制通信系统。所谓基带系统，传输的是基带信号(指没有经过任何调制处理的信号)，而调制通信传输的是已调信号。 4.按传送信息的物理特征分类 分为电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等

16、。 5.按工作波段分类 按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统等。 一种通信系统可以分属不同的种类，比如我们所熟悉的无线电广播既是中波通信系统(短波通信系统)，调制通信系统、模拟通信系统，也是无线通信系统。 无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理方式、传输方式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地传送信息。因此，我们在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时，只要抓住这个实质，就不会被系统复杂的结构、先进的技术和生涩的技术术语所迷惑。1.3 通信方式 通信方式指通信双方(或多方)

17、之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。 根据不同的标准，通信方式也有多种分类法。 (1)按通信对象数量的不同，通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)，如图14(a)所示。 (2)根据信号传输方向与传输时间的不同，任意两点间的通信方式可分为单工通信(Simplex)：在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信(点到多点)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均属此类。 AB点到

18、点通信信道信道信道半双工方式全双工方式甲方发信端甲方发信端甲方收信端甲方发信端甲方收信端乙方收信端乙方发信端乙方收信端乙方收信端乙方发信端BCDA点到多点通信DEFABC多点到多点通信(a)(b)单工方式图14 通信方式示意图 半双工通信(HalfDuplex)：在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方，每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机以及问询、检索等之间的通信。 双工通信(FullDuplex)：在任何一个时刻，信号能够双向传输，每一方都能同时进行收信与发信工作。比如普通电话、手机。三种通信方式如图14(b)所示。 (3)按通信终端之间的连接方式可划分

19、为两点间直通方式和交换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接；而交换式的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接起来，如电话系统。 (4)按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要指计算机通信)，通信方式又有串行通信与并行通信之分。 (5)按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。1.4 信息的度量 1.4.1 信息的度量 传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量，我们定义能够衡量信息多少的物理量叫做定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量信息量，通常用I表示。 信息

20、是一个抽象的概念，它能否被量化并且如何量化呢？让我们看看下面的例子，比如，“明天太阳从东边出来”绝对没有“明天太阳从西边出来”对信息的受者更有吸引力；同样，当你听说“有人被狗咬了”并不会感到惊奇，但若有人告诉你“一条狗被人咬了”你一定非常吃惊。这说明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量就为0。据此，我们得到信息量与事件概率之间的关系式为 式中，P表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得到的信息量。另外，如果消息由若干个互相独立的事件构成，则该

21、消息所含信息量等于各独立事件所含信息量之和。 我们知道，消息是信息的具体内容，信息通过消息来承载。因此，我们通过对消息的分析就可得到其中所含的信息量。在通信领域，消息可分为离散消息和连续消息。由离散信息源产生的消息称为离散消息，由连续信息源产生的消息就是连续消息。1logaIP 离散消息只能有有限个符号，可看成是一种具有有限个状态的随机序列，可以用离散型随机过程的统计特性来进行描述。离散消息x所含信息量I与消息出现概率P(x)的关系为 1loglog( )( )aaIP xP x 信息量单位的确定取决于上式中的对数底a。如果取对数的底a=2，则信息量的单位为比特比特(bit)；如果取e为对数的

22、底，则信息量的单位为奈特奈特(nit)；若取10为底，则信息量的单位称为十进制单位，或叫哈特莱哈特莱。上述三种单位的使用场合，应根据计算及使用的方便来决定。通常广泛使用的单位为比特。 我们先讨论等概率出现的离散消息的度量。若要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，且认为每个消息的出现概率是相同的，则可采用一个M进制的波形进行传送。也就是说，传送M个消息之一与传送M进制波形之一是完全等价的。在等概率出现时，每个波形(或每个消息)的出现概率为1/M，我们取对数底为2，则MMxpIa22log/11log)(1log 当M=2，即二进制时，I=1，也就是说，每个二进制波形等概率出现时所含信息量

23、是1bit。在数据通信(或数字通信)中，通常取M为2的整数幂，即M=2k，则每个波形等概率出现时所含信息量就是kbit。 现在再来考察非等概率的情况。设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号xi在消息中是按一定概率P(xi)独立出现的，即符号概率均为且有 ，则整个消息的信息量为1()1niiP x1log()niaiiInP x 1212()()()nnxxxP xP xP x【例题11 】 已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现概率为13，求出现“1”所含的信息量。 解 由于全概率为1，因此出现“1”的概率为23。由信息量定义式可知，出现“1”

24、的信息量 bitI585. 023log) 1 (21loglog( )( )aaIP xP x 【例题12】 已知英文字母e和z出现的概率分别为0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。 解：e的信息量 I(e)=- log20.105=3.24bit z的信息量: I(z)=-log20.001=9.97bit 【例题13】某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率均为 求消息201 020 130 213 001 203 210 100 321 010 023 102 002 010 312 032 100 120 210的信息量。 123431118448 解 此消息总长为

25、57个符号，其中0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次。由式(122)可求得此消息的信息量 31112314137844832.55282621107.55IIbIbIbIbbit 1log()niaiiInP x 当消息很长时，用符号出现概率计算信息量比较麻烦，此时用平均信息量计算较好。所谓平均信息量是指每个符号所含信息量的统计平均值，因此，n个符号的离散消息的平均信息量为1()()log()niaiiH XP xP x 由于上式同热力学中的熵的计算公式形式一样，故通常又称它为信息源的熵信息源的熵，其单位为bit符号符号。 【例题14】 求例题13中消息的平均信息量。 解 由上

26、式可得 33111111884444881.906/HIbIbIbIbbit 因为消息有57个符号，所以该消息所含信息量为I=571.906108.64bit1()()log()niaiiH XP xP x 与例题13相比，总信息量的结果略有差异，原因在于两者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加，这种误差会逐渐减小。 顺便指出，不同的离散信息源可能有不同的熵值。无疑，我们期望熵值愈大愈好，可以证明，信息源的最大熵发生在每一个符号等慨率出现时，即P(xi)=1/n，最大熵值等于lbn(bit符号)。 关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为 ()( )log( )aH Xf

27、xf x dx 式中,f(x)是连续消息出现的概率密度。 我们知道，信息必须依赖于具体电信号(或光信号)的某项参数的变化进行传输。若参数变化的速度越快，则单位时间内信号所携带或传输的信息量就越大。因此，人们定义一个新的物理量信息传输速率来衡量信息传输的快慢。单位单位时间传输的信息量叫做信息传输速率时间传输的信息量叫做信息传输速率。信息传输速率的单位除了基本的比特/秒(常记作b/s)外，还有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它们之间的关系为：1kb/s=1000b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。 比如，一个周期电压方波信号，其幅值变化的频率为10Hz，即每秒变化1

28、0个周期，若给每个周期(两个码元)赋予一定的信息量，假设为2bit，则该信号传输的信息速率为20b/s(bitpersecond)；如果有另一个周期电压信号，其幅值变化的频率为1000Hz，同样给每个周期赋予2bit信息量，则该信号传输的 信 息 速 率 就 为2000b/s。1.5主要性能指标 如前所述，根据各种不同的划分标准，通信系统多种多样。那么如何评价一个通信系统性能的优劣是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。这就需要我们找出能够反映通信系统性能的各种技术指标。 然而，研究通信系统性能指标是一个非常复杂的问题，包括的内容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、标准性、快速性、方便性、经济

29、性以及实用维护等诸多方面。另外，很多特性之间是有矛盾的，此消彼长，如果把所有因素都考虑进去，面面俱到，不但系统的设计难以完成，对系统的评价也无法开展。 而在设计和使用通信系统时，通信的有有效性和可靠性效性和可靠性常常是我们首要考虑的问题，因此，我们把通信的有效性和可靠性这对矛盾作为评价通信系统性能的主要指标。有效性和可靠性是根据对通信质量的要求而定义出的客观标准，但它们是抽象的，没有可操作性，也很难量化。因此必须在通信系统中找到具体的、可以操作且能够反映有效性和可靠性的参数或指标。 对于模拟通信系统，有效性常用系统的传输频带宽度传输频带宽度来衡量，而可靠性则用接收端最终输出的信噪比信噪比来评价

30、。系统的传输带宽主要取决于两个方面，一是传输介质，二是对信号的处理方式。通常传输介质的带宽都比较大，完全能够满足传输要求，系统的带宽主要由对信号的处理方式决定。在数字通信系统中，用信息传输速率信息传输速率(比特率)来衡量系统的有效性。数字通信系统通常传输的是以0、1表示的脉冲序列。每一个表示0或1的脉冲称为一个码元码元。我们定义单位时间传输的码元个数为码元传输速率，其单位为波特波特(Baud)，故也常常称为波特率。（传码率传码率） 比如一个系统1秒钟传送了1200个二进制码元，其波特率就是1200Baud。波特率仅仅告诉我们系统传输数字信号的能力，我们还不知其传输信息的多少。因此，我们再定义一个信息传输速率