通信的基本原理

《通信工程专业概论》主讲邱新芸12/3/2022东北大学秦皇岛分校计算机工程系通信工程教研室《通信工程专业概论》12/3/20221第1页，共47页。《通信工程专业概论》

第二讲

通信的基本原理12/3/20222第2页，共47页。....

1通信与通信系统一般通信系统方框图12/3/20223第3页，共47页。卫星通信的示意图12/3/20224第4页，共47页。典型模拟通信系统方框图典型数字通信系统方框图12/3/20225第5页，共47页。....

2通信理论

信号与系统的模型信号与系统的分析通信系统的综合（设计）12/3/20226第6页，共47页。....

3信息及其度量信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出信号都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来表示的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。12/3/20227第7页，共47页。....

3信息及其度量让我们从常识的角度来感觉三条消息：①明天太阳从东方升起；②明天太阳比往日大两倍；③明天太阳将从西方升起。第一条消息几乎没有带来任何信息，第二条带来了大量信息，第三条带来的信息多于第二条。12/3/20228第8页，共47页。事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假设P(x)是一个消息发生的概率，I

是从该消息获悉的信息，根据上面的认知，显然

I

与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，即I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1时，I→0；P(x)→0时，I→∞（3）信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…12/3/20229第9页，共47页。综上所述，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系为：信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。

目前广泛使用的单位为比特。12/3/202210第10页，共47页。....

4通信系统的性能指标通信的任务是快速、准确地传递信息。因此，评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是信息传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。12/3/202211第11页，共47页。

模拟通信系统的主要性能指标 1、有效性－－消息传输速度有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。

2、可靠性－－消息传输质量可靠性用接收端输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。12/3/202212第12页，共47页。数字通信系统的主要性能指标

1、有效性－－传输速率（RB和Rb）（消息传输速度）

RB是码元传输速率，简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关。Rb是信息传输速率简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。RB和Rb的关系：12/3/202213第13页，共47页。

2、可靠性－－差错率（Pe和Pb）（消息传输质量）Pe

是误码率（码元差错率），指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即

Pb是误信率（信息差错率），指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即显然，在二进制中有Pb=Pe12/3/202214第14页，共47页。典型模拟通信系统方框图典型数字通信系统方框图....

5通信的基本原理12/3/202215第15页，共47页。....

5通信的基本原理

信源：语言、文字、图画、数据、符号等信息。信号是信息的载体，消息的表达形式，信息则是信号的具体内容，在信息活动中信号则指欲传输、待处理的对象。通常表现为随时间变化的物理量。电信号：随时间变化的电压、电流、电荷、磁通。12/3/202216第16页，共47页。....

5通信的基本原理

信源：信号分类：确知信号和随机信号

连续时间信号、离散时间信号和数字信号01234567-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8112/3/202217第17页，共47页。....

5通信的基本原理

信源：信号分类：周期信号和非周期信号

0246810121400.10.20.30.40.50.60.70.80.9112/3/202218第18页，共47页。....

5通信的基本原理

信源：信号分类：一维信号和多维信号：12/3/202219第19页，共47页。....

5通信的基本原理

信道：定义：

信道是指以传输媒质为基础的信号通道。如果信道仅是指信号的传输媒质，称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。12/3/202220第20页，共47页。....

5通信的基本原理

信道：定义：狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道和无线信道两类。狭义信道是广义信道十分重要的组成部分，通信效果的好坏，在很大程度上将依赖于狭义信道的特性。因此在研究信道的一般特性时“传输媒质”仍是讨论的重点。为了研究方便常把广义信道简称为信道。12/3/202221第21页，共47页。

广义信道除了包括传输媒质外，还包括通信系统有关的变换装置，相当于在狭义信道的基础上，扩大了信道的范围。它的引入主要是从研究信息传输的角度出发，使通信系统的一些基本问题研究比较方便。广义信道按照它包括的功能，可以分为调制信道、编码信道。

调制信道和编码信道12/3/202222第22页，共47页。....

5通信的基本原理

信道：信道的数学模型：调制信道模型输入与输出有关系：so(t)=c(t)*si(t)或So(ω)=C(ω)Si(ω)12/3/202223第23页，共47页。....

5通信的基本原理信道：信道的数学模型：调制信道模型加性噪声信道模型12/3/202224第24页，共47页。....

5通信的基本原理

信道：信道的数学模型：调制信道模型带有加性噪声的线性时变信道

12/3/202225第25页，共47页。....

5通信的基本原理信道：信道的数学模型：编码信道模型编码信道包括调制器、调制信道和解调器，它与调制信道模型有明显的不同，是一种数字信道或离散信道。编码信道输入和输出都是离散的时间信号，对信号的作用则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。12/3/202226第26页，共47页。....

5通信的基本原理信道：信道的数学模型：编码信道模型

二进制编码信道模型12/3/202227第27页，共47页。....

5通信的基本原理

信道：信道容量：是指信道中信息无差错传输的最大速率。在信道模型中，定义了两种广义信道：调制信道和编码信道。调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征；编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。

---香农(Shannon)信道容量公式12/3/202228第28页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

为什么要进行调制？调制的分类。振幅调制（线性调制）为例：

12/3/202229第29页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

完全调幅（AM)——常规双边带调幅

乘法器

f(t)

滤波器

H(f)

s(t)

c(t)

加法器

A0

12/3/202230第30页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

完全调幅（AM)——常规双边带调幅f

SAM(f)

fm2fm12/3/202231第31页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

抑制载波的双边带调幅（DSB）

乘法器

f(t)

滤波器

H(f)

s(t)

c(t)

12/3/202232第32页，共47页。....

5通信的基本原理

f

SDSB(f)

调制：

抑制载波的双边带调幅（DSB）12/3/202233第33页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

单边带调幅（SSB）

乘法器

f(t)

单边带

滤波器

s(t)

c(t)

sSSB(t)

12/3/202234第34页，共47页。....

5通信的基本原理

调制：

单边带调幅（SSB）12/3/202235第35页，共47页。频分多路复用原理....

5通信的基本原理

调制：12/3/202236第36页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：模拟信号的数字传输脉冲编码调制示意图t0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10Ts(a)抽样脉冲p(t)0123456tTs2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10Ts(b)PCM抽样v(t)k(t)t000010011100101110110100010001(d)PCM编码d(t)Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10Ts(c)PCM量化m(t)6543210t12/3/202237第37页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：数字基带传输常用码型数字基带传输系统12/3/202238第38页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：数字基带传输常用码型AMI码－传号交替反转码：编码规则：将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。

消息代码100110000000110011…AMI码：+100–1+10000000-1+100-1+1…12/3/202239第39页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：数字基带传输常用码型HDB3码－－3阶高密度双极性码是AMI码的一种改进型，保持了AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。

编码规则：

连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编；超过3时将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，相邻V码的极性交替出现，V码极性与其前一非“0”脉冲极性相同，否则将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；破坏脉冲之后的传号码极性与V也要交替。12/3/202240第40页，共47页。例如：

代码10110000000110000001AMI码+10-1

+10000000-1

+1000000-1HDB3码+10-1+1

000+V000-1

+1

-B00-V00+1VBVHDB3码+10-1+1

-B00-V000+1

-1

+B00+V00-1BVBV

0000：000+V；

-B00-V

000–V；+B00+V

12/3/202241第41页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：数字基带传输常用码型PST码－成对选择三进码数字双相码－曼彻斯特（Manchester）码密勒(Miller)码－延迟调制码CMI码－传号反转码nBmB码12/3/202242第42页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：差错控制编码差错控制方式12/3/202243第43页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：差错控制编码－－纠错码的分类按功能分检错码纠错码纠删码按信息码元和监督码元之间的校验关系分线性码非线性码按信息码元和监督码元之间的约束方式分分组码卷积码12/3/202244第44页，共47页。....

5通信的基本原理

编码：差错控制编码－－纠错编码的基本原理举例1.如用三位二进制编码来代表八个字母

000 A 100 E 001 B 101 F 010 C 110 G 011 D 111 H

不管哪一位发生错误，都会使传输字母错误。2.如用三位二进制编码传四个字母 000A