第1章 通信原理绪论

现代通信原理与技术江苏科技大学计算机科学与工程学院

计算机与通信工程系李永忠ModernCommunicationPrinciplesandTechnology1学时数：72学时，其中60学时理论课、12学时实验课课程性质：必修课（考试）相关课程：高频电路、信号与系统、电磁场与电磁波随机信号分析、信息论

移动通信、卫星通信、高频通信、光纤通信等教材：《现代通信原理与技术》李永忠编，国防工业出版社课程概括介绍2参考书：《通信原理》樊昌信等编，国防工业出版社《现代通信原理》罗新民等编，高等教育出版社

《现代通信原理》曹志刚编，清华大学出版社《通信原理》王慕坤主编，哈尔滨工业大学出版其他教材、教学指导书及习题解答网络资源：《通信原理》/基本要求：课程概括介绍3第一章:绪论第二章:

确定信号分析第三章:

随机信号与噪声第四章:

信号设计与信号处理技术第五章:信道与线性调制第六章:

模拟角度调制系统（非线性调制）第七章:

信源编码第八章:

数字信号基带传输系统第九章:

数字载波传输系统第十章:

差错控制编码第十一章:

同步原理第十二章:

通信网第十三章：现代通信新技术课程安排4课程目的和任务：本课程通过讲述通信基本模型、通信信道、模拟通信系统、数字基带传输系统、数字频带传输系统、同步等内容，使学生了解各种通信系统的基本组成，掌握通信系统的基础理论和工作原理。希望学生通过学习，具有进行现代通信技术研究、开发和通信工程设计与调测能力。本课程以讲授数字通信为主，并通过实践环节提高学生的实际操作能力。

与本课有关的几个问题5第1章绪论引言通信系统的组成通信系统的分类与通信方式信息及其度量通信系统的主要性能指标小结6我们所知道的通信古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信

这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信。

现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。7Electrictransmission(GrahamBell)1stwirelesstransmissions(Marconi)•

•

•—

—

—

•

•

•

1stanalogcellularnetwork189710101010

DigitalTechnology(1stdigitalswitch)1stpublicmobiletelephone187619461970197919921stGSMcommunication(digitalcellularnetwork)10101010

里程碑8里程碑1800

1837

Electricalsource(Volta)Telegraph(Morse)1864

18789里程碑19181936AMFM19501955贝尔实验室生产出了第一台实用的PCM数字通信设备

10近代深空通信的一个成功范例

美国宇航局2005年1月12日发射了用来探测彗星的“深度撞击”号探测器，它的目标是“坦普尔一号”彗星的彗核。“深度撞击”发射了一发“炮弹”于7月4日与彗星TEMPEL1在距地球1.32亿千米处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约74分钟）。11海上舰船通信

12海上舰船通信

对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、图像）甲板话音通信13通信的目的：传递消息通信的表达形式：语言、文字、图像、数据等实现通信的方式：声、光、电、磁等1.1引言通信的定义：通信就是消息的传递。（当今通信概念中也包含了通信信号的形成、变换、检测、处理、识别等）14通信的发展简史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：第一阶段语言第二阶段文字、邮政第三阶段印刷术、出版物第四阶段电报、电话、广播第五阶段通信与计算机的结合、网络15最早的电通信设想

1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。16最早的有线电报1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。

莫尔斯发出第一封电报设备的复制品

17最早的有线电话

1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,AlekanderGraham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置——电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。

贝尔获得电话的专利证书

18电磁波的发现

1887年3月21日，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。

19最早的无线通信

1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。

波波夫实验用的无线电接收机

20人类首次远距离无线电通信

1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14千米。21影响通信发展的重要发明或理论

1906年,LeeDeforest发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1941年，JohnV.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。

1947年，贝尔实验室的SteveO.Rice给出了噪声的统计描述。221948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，ClaudeE.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：C—信道容量B—信号带宽S/N—信号与噪声的功率之比231957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。241976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署。1995年，互联网（Internet）及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。25我国通信的历史1871年，英国、俄罗斯、丹麦敷设的香港至上海、长崎至上海的水线，全长2237海里。于1871年4月，违反清政府不得登陆的规定，由丹麦大北电报公司出面，秘密从海上将海缆引出，沿扬子江、黄浦江敷设到上海市内登陆，并在南京路12号设立报房。于1871年6月3日开始通报。这是帝国主义入侵中国的第一条电报水线和在上海租界设立的电报局。

1875年，福建巡抚丁日昌积极倡导创办电报。1875年在福建船政学堂附设了电报学堂，培训电报技术人员。这是中国第一所电报学堂。

26我国通信的历史1899年，我国最早使用无线电通信的地区是广州。早在1899年，就在广州督署、马口、前山、威远等要塞以及广海、宝壁、龙骧、江大、江巩等江防军舰上设立无线电机。1908年，英商在上海英租界的汇中旅馆私设了一部无线电台，与海上船舶通报。后由清政府收买，移装到上海电报总局内，这是上海地区最早的无线电台。1921年1月7日，中国加入国际电报公约27我国通信的历史1933年,中国电报通信首次使用打字电报机1950年12月12日，我国第一条有线国际电话电路--北京至莫斯科的电话电路开通。经由苏联转接通往东欧各国的国际电话电路也陆续开通。1958年，上海试制成功第一部纵横制自动电话交换机，第一套国产明线12路载波电话机研制成功1970年，我国第一颗人造卫星（东方红1号）发射成功。28我国通信的历史1984年5月1日，广州用150MHz频段开通了我国第一个数字寻呼系统。程控中文电报译码机通过鉴定并推广使用。首次具备国际直拨功能的编码纵横制自动电话交换机（HJ09型）研制成功。1987年11月，广州开通了我国第一个移动电话局，首批用户有700个。-我国第一个160人工信息台在上海投入使用。1993年9月19日,我国第一个数字移动电话通信网于在浙江省嘉兴市首先开通。1998年5月15日，北京电信长城CDMA网商用试验网--133网，在北京、上海、广州、西安投入试验。292ndGeneration199020001stGeneration3rdGenerationDigitalNotCompatibleCircuitmodeonlyGSMCDMA(IS-95)D-AMPSIS-136PDCAnalogNationalNMTTACSAMPSR2000DigitalWorldwideIMT-2000(ITU)UMTSCDMA2000移动通信的发展2.5ndGenerationGSM+PacketmodeGPRSEDGEHSCSD30384Kbps2MbpsUserbitrate144Kbps10KbpsFixed/LowmobilityWidearea/HighmobilityBasic2G(GSM,IS-95)Evolved2G(GSM,HSCSD,andGPRS,IS-95B)EDGEIMT2000数据速率的比较31Millionusers(world)0200400600800100012001400160019992000200120022003200419981997InternetSource:ITU2002PCfixedmobile市场调查32Whoever,Wnenever,Wherevet,Whatever,Whomever!FutureSubscriber?未来通信的要求33用户设备PDAMobileAudioVideoCommunicatorVoice/VideoHandset

PCMCIAcard

Navigator34信号1.2.1消息、信号、信息消息?信息1.2消息、信息量与信道容量公式35消息消息是对事件的物理状态变化进行描述的一种具体形式，这种状态变化具有人们能感知的物理特性。36信号信号是由消息转换来的，可以被传输和处理的具体形式，是消息的运载工具。37信息信息就是消息或信号随机变化中的“不确定性”，是消息中所含的待知的本质内容。

381.2.2信息量消息包含的信息量为消息出现概率的倒数的对数39若有M个独立等概的消息之一要传送，且满足时，此消息可用个二进制脉冲传递，即此消息包含的信息量为比特。若有M个独立等概出现的消息，每个消息出现的概率为1/M，则消息的信息量为1.2.2

信息量401.2.3

平均信息量信源的平均信息量的计算是由每个消息的信息量按概率加权求和得到的。如一个信源由A、B、C三种符号组成，出现A的概率为P(A)；出现B的概率为P(B)；出现C的概率为P(C)，则信源的平均信息量为41例1.1某信源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一个符号独立出现，出现的概率分别为1/4、1/8、1/8、3/16和5/16。试求该信源的平均信息量。解：信源的平均信息量，即为信源的熵，由平均信息量式得42条件平均信息量

例1.2某离散信源由A、B两种符号组成，其转移概率矩阵为且已知P(A)=1/4，P(B)=3/4。试求该信源的平均信息量43当A、B两个符号独立出现时，信源的平均信息量为

解：由条件平均信息量式可得该信源的条件平均信息量为44若信源中各符号的出现是独立并且等概时

45连续信源的平均信息量461.2.4

香农信道容量公式47离散、连续信道的信道容量48香农公式的正确性说明49带宽增大时信道容量趋于极限值

50例1.3设一幅彩色图片由个象素组成，每个象素有16个亮度等级，并架设每个亮度等级等概率出现。现将该幅彩色图片在一信噪比为30dB的信道中传输，要求3分钟传完，试计算所需的信道带宽。又知信道中的信噪比为30dB，即S/N＝1000，所以由香浓公式得到所需的信道带宽为解：由于每个像素等概率出现16个亮度等级，故每个像素包含的信息量为 一幅彩色图片包含的总信息量为要求3分钟传完该图片，故信道的信息传送速率为因为信息传输速率R必须小于或等于信道容量C，取511.3.1通信系统一般模型信源发送设备干扰源接收设备信宿信道发送端接收端1.3通信系统模型52

1、通信系统模型

通信系统的组成基站（MBS)移动用户（MSS)53信息源：把需要传输的消息转换为原始电信号；发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中传输，发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道；接收设备：接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信息；噪声源：是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。各部分功能54测量系统模型信号源待测物体比较检测显示55通信系统一般模型测量系统模型56通信频段划分及应用571.3.2通信系统分类按消息的传输媒质划分581.3.2通信系统分类按消息和信号的特点划分59通信系统分类按传输信号的特征划分60连续波调制

按调制方式分类61

脉冲调制

62通信系统分类1001Basicsteadywave:carrier=A.cos(2pFt+f)AmplitudeShiftKeying:A.cos(2pFt+f)FrequencyShiftKeying:A.cos(2pFt+f)PhaseShiftKeying:A.cos(2pFt+f)Datatobetransmitted:DigitalInput按调制方式划分63信息系统的分类按消息的传送方式划分信道发送接收单工64信息系统的分类按消息的传送方式划分信道发送接收发送接收A端B端半双工65信息系统的分类按消息的传送方式划分信道发送接收发送接收A端B端双工66按消息的传输方式划分通信系统分类67通信系统分类按信道复用方式划分PowerFrequencyTimeFrequencyTimePowerFrequencyTimePowerFDMATDMACDMA681.3.3通信系统模型模拟通信系统模型信源干扰源信宿信道调制器解调器69通信系统模型数字通信系统模型干扰源信宿信道调制器解调器信源编码器解码器70模拟通信系统模型数字通信系统模型711.4通信系统主要性能指标有效性模拟通信系统中带宽数字通信系统中码元传输速率信息传输速率系统频带利用率可靠性模拟通信系统中信噪比S/N数字通信系统中

误码率误信率721.5通信系统仿真工具介绍

计算机辅助设计与仿真的概念

计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。计算机仿真的概念仿真的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。计算机仿真的定义计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。731、模型的定义模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。2、模型的分类（1）物理模型指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）数学模型是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。（3）仿真模型指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。计算机仿真模型74计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）

1、三要素（1）系统：研究的对象（2）模型：系统的抽象（3）计算机：工具与手段

752、基本步骤包括三个基本的内容：建模 仿真实验结果分析761.5.1

MATLAB语言概述一、MATLAB语言的发展

MATLAB语言是由美国的CleverMoler博士于1980年开发的设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题取名MATLAB即MatrixLaboratory矩阵实验室的意思77它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设计语言容易MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言,它以超群的风格与性能风靡全世界,成功地应用于各工程学科的研究领域MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一(C,FORTRAN,ASSEMBLER,MATLAB)近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校MATLAB语言不受计算机硬件的影响，286以上的计算机都可以使用78二、matlab能在各领域做什麽

工业研究与开发数学教学，特别是线性代数数值分析和科学计算方面的教学与研究电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究79例、用一个简单命令求解线性系统

3x1+x2-x3=3.6x1+2x2+4x3=2.1-x1+4x2+5x3=-1.4A=[31-1;124;-145];b=[3.6;2.1;-1.4];x=A\bx=1.4818-0.46060.3848对于线性系统有Ax=b80例、用简短命令计算并绘制在0x6范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。x=linspace(0,6)y1=sin(2*x),y2=sin(x.^2),y3=(sin(x)).^2;plot(x,y1,x,y2,x,y3)81阶梯图82用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形838485MATLAB工具箱

MATLAB工具箱已经成为一个系列产品，MATLAB主工具箱和各种工具箱（toolbox）。功能型工具箱——通用型

功能型工具箱主要用来扩充MATLAB的数值计算、符号运算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，能够用于多种学科。86领域型工具箱——

专用型

领域型工具箱是学科专用工具箱，其专业性很强，比如控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）；信号处理工具箱（SignalProcessingToolbox）；财政金融工具箱（FinancialToolbox）等等。MATLABMainToolbox——MATLAB主工具箱ControlSystemToolbox——控制系统工具箱CommunicationToolbox——通讯工具箱FinancialToolbox——财政金融工具箱SystemIdentificationToolbox——系统辨识工具箱FuzzyLogicToolbox——模糊逻辑工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox——高阶谱分析工具箱MATLAB常用工具箱87Simulink动态仿真工具箱simulink工具箱简介simulink是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，使得MATLAB的功能得到进一步扩展，它可以非常容易的实现可视化建模，把理论研究和工程实践有机的结合在一起。大部分专用工具箱只要以MATLAB主包为基础就能运行，有少数工具箱（通讯工具箱、信号处理工具箱等）则要求有simulink工具箱的支持。88Simulink优点适应面广：包括线性、非线性系统；离散、连续系统结构和流程清晰：以方块图形式呈现，仿真精细、贴近实际simulink的模型：

simulink模型在视觉上表现为方框图，在文件上则是扩展名为m的ASCII代码（matlab6是扩展名为mdl的ASCII代码）；在数学上体现为一组微分方程或差分方程；在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的动态特性。simulink的一般结构：输入系统输出89仿真原理

当在框图视窗中进行仿真的同时，MATLAB

实际上是运行保存于simulink内存中s函数的映象文件，而不是解释运行该m文件。s函数并不是标准m文件，它m文件的一种特殊形式。结构图创建方法一个动态系统的创建过程，就是一个方框图的绘制过程90具体步骤：在MATLAB命令窗口键入simulink信号源库离散模块库非线性模块库其它模块库仿真连接模块库线性模块库输出模块库91

选则Fine菜单New选项，出现一个新窗口，即可绘制结构图。9293例：模拟一个微分方程

x=-2x+uu

xx-2x..94方框图绘制完毕，一个动态系统模型也就创建好了。选择File菜单Save保存图形，就自动生成一个可在MATLAB命令窗口运行的m文件。然后就可用simulation菜单中start开始仿真了。95仿真结果：969798[t,x,y]=sim('sim5',20);plot(t,y)plot(t,yout)991.5.2

SystemView简介一、SystemView

SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。100SystemView特点⑴能仿真大量的应用系统

能在DSP、通讯和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合和多速率系统。具有大量可选择的库，允许用户有选择地增加通讯、逻辑、DSP和射频／模拟功能模块。特别适合无线电话（GSM，CDMA，FDMA，TDMA，DSSS）、无绳电话、寻呼机和调制解调器以及卫星通信系统（GPS，DVBS，LEOS）等的设计。⑵快速方便的动态系统设计用熟悉的Windows界面和功能键（单击、双击鼠标的左右键），SystemView可以快速建立和修改系统，并在对话框内快速访问和调整参数，实时修改实时显示。只需简单用鼠标点击图符即可创建连续线性系统、DSP滤波器，并输入／输出基于真实系统模型的仿真数据。不用写一行代码即可建立用户习惯的子系统库（MetaSystem）。SystemView图标库包括几百种信号源、接收端、操作符和功能块，提供从DSP、通信、信号处理、自动控制、直到构造通用数学模型等的应用。101SystemView特点⑶提供基于组织结构图方式的设计通过利用SystemView中的图符和MetaSystem（子