通信原理第1讲 绪论

数字通信原理

DigitalCommunicationTheory主讲：李波学院：电信学院电话：87114702

e-mail：Leebo@教学安排总课时：56（40+16）课时课堂教学：48课时，每次2课时，每周2次实验：16课时共计14个教学周绪论OSI网络模型应用层：用户的应用程序和网络之间的接口表示层：协商数据交换格式

会话层：允许用户使用简单易记的名称建立连接

传输层：提供终端到终端的可靠连接网络层：使用权数据路由经过大型网络

数据链路层：决定访问网络介质的方式

物理层：将数据转换为可通过物理介质传送的电子信号

通信基本概念通信基本概念通信就是信息的传输与交换通信表现为消息的传递通信最终目的是有效和可靠地获取、传递和交换信息消息、信息与信号消息、信息与信号消息：是指为人所感知的语音、文字、图形、图象、符号等内容信息：是消息中包含的有意义的内容信号：是消息的具体表现形式或消息的载体，通常是指随时间表现的物理量三者关系：消息、信号是具体的概念，信息是抽象的概念；消息是信息的载体，而信号又是消息的载体，是具体表现的物理参量通信回顾通信回顾古代的烽火台：夜晚点火或白天点狼烟表示有敌人入侵,无火或无狼烟表示平安无事(二进制数据通信)海军的旗语是用两只手的握旗姿势表示A-Z等符号（多进制数据通信）我国通信事业的起点：李鸿章时代的洋务运动时代，以四个阿拉伯数字表示一个汉字的电报一个多世纪以来，通信可以大致划分四个阶段：古代的通信：烽火台1838年电报开始的通信的初级阶段1948年香农信息论开始的近代通信阶段80年代以后的光纤通信应用、综合业务数字网的崛起的现代通信阶段电报出现后的初级阶段1837年，美国人塞缪乐.莫斯（SamuelMorse）成功地研制出世界上第一台电磁式电报机。可将信息转换成一串或长或短的电脉冲传向目的地，再转换为原来的信息1875年，苏格兰青年亚历山大.贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话机。并于1876年申请了发明专利。1878年在相距300公里的波士顿和纽约之间进行了首次长途电话实验，并获得了成功，后来就成立了著名的贝尔电话公司1864年，英国物理学家麦克斯韦（J.c.Maxwel）建立了一套电磁理论，预言了电磁波的存在，说明了电磁波与光具有相同的性质，两者都是以光速传播的1888年，德国青年物理学家海因里斯.赫兹（H.R.Hertz）用电波环进行了一系列实验，发现了电磁波的存在，他用实验证明了麦克斯韦的电磁理论。成为近代科学技术史上的一个重要里程碑，导致了无线电的诞生和电子技术的发展不到6年的时间，俄国的波波夫、意大利的马可尼分别发明了无线电报，实现了信息的无线电传播，其他的无线电技术也如雨后春笋般涌现出来香农信息论开始的近代通信阶段1948年香农提出了信息论，建立了通信统计理论

1950年时分多路通信应用于电话系统

1951年直拨长途电话开通

1956年铺设越洋通信电缆

1958年发射第一颗通信卫星

1962年发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话20世纪60年代数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现

20世纪70年代商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构现代通信阶段

20世纪80年代开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定20世纪90年代蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网得到极大发展通信系统通信原理：描述通信系统的一般原理，论证其可行性消息图像、图片、声音、文字信号电信号光信号信源发送端接收端图像、图片、声音、文字信号信宿信道介质电缆光缆空间信源发送设备信号接收设备通信系统：传递或交换信息所需的一切技术设备的整体通信系统数字通信系统模拟通信系统数字信号模拟信号数模转换优点：抗干扰能力强二进制码，可使用计算机对信号进行处理各种消息都可变成数字信号进行传输数字信号易于加密处理，保密性强缺点：

比模拟信号占带宽数字通信系统基带传输频带传输传送低频信号传送高频信号信源信宿发送设备接收设备信道信源编码信道编码发送滤波器接收滤波器信道译码信源解码噪声数字通信系统基带传输频带传输传送低频信号传送高频信号信源信宿发送设备接收设备信道信源编码信道编码发送滤波器接收滤波器信道译码信源解码调制器解调器通信方式通信系统主要性能指标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可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。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传输速率：通常以码元传输速率和信息传输速率来衡量

码元传输速率：每秒钟传输码元的个数，称码元速率或传码率单位：波特（baud）标识符：RS2（二进制）RSN（N进制）二进制与N进制转换关系：

RS2=

RSNlog2N

(baud)传输速率：通常以码元传输速率和信息传输速率来衡量

信息传输速率：每秒钟传输的信息量，又称信息速率或比特率单位：比特/秒，（bit/s或bps）标识符：Rb两者间关系：Rb

=

RSNlog2

N

(bit/s)例如：某一64进制的数据传输系统，码元速率为1000baud，求其比特率：Rb

=

RSNlog2

N=1000×log264=8000bit/s差错率：以误码率及误信率衡量误码率（码元差错率）Pe：是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差错率：以误码率及误信率衡量误比率（信息差错率、误信率）Pb：是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即在二进制中有Pb

=Pe

带宽B：系统中信号所占据的频带宽度带宽利用率η：每秒钟每赫兹带宽能传送的比特数信噪比SNR：信号平均功率S与噪声平均功率N的比值信号基础信号表示1.时域表示2.频域表示信号分类 1.确定性和随机性2.周期性和非周期性3.能量信号与功率信号信号是信息的载体，必须对所获得的信号进行分析和处理，才能得到其中的信息时域表示信号是随时间变化的物理量（电、光、声等），可以用函数解析式描述，也可表示为图形（波形图）如余弦信号是一种非常简单的信号，其函数解析式可以描述为：从中可以看到体现了信号特征的三个参数——幅度、角频率和相位其波形图如下所示其中余弦信号波形客观存在的信号都是实数函数，但为了方便数学上的分析和处理，可利用欧拉公式以复数形式来表示这些信号如上式的余弦信号也可表示成下式的复数形式：上述复数表示也同样具有、、三个参数由欧拉公式复数信号的实部从复数信号中获得实信号的两种方法：复数信号与它的共轭的和对余弦信号而言，三个参数如能确定的话，函数或者波形就能唯一确定了。因此不妨考虑用如下图所示的方式来表示余弦信号余弦信号的频谱图中新的坐标系（角频率或频率为横轴，振幅和相位为纵轴）中，以两条线（甚至两个点就够了）表示了时域波形所示的信号，或者说表示了信号所有的特征信息（频率、幅度和相位）这种表示法被称为频域表示，表示的结果叫做“频谱”，对应于振幅或者相位分别为幅度谱和相位谱

上述正弦信号只有单一频率，因此其频谱只包含一根“线”（谱线），人们常称其为“单色”信号。而在大多数应用场合中，信号是由若干不同频率的单色信号叠加而成的，称为“复合”信号。从频域角度看，复合信号的频谱包含若干条甚至无数条谱线，如下图所示在极端情况下，相邻谱线足够接近时，频谱就可表示成连续的曲线，原来分立的谱线于是简化为曲线中的一个个点复合信号与信号频带考察某个复合信号的所有单色成分，这些成分覆盖的频率范围，被形象地叫做“频带”。这个范围的大小，就是“带宽”——即频带宽度。带宽是衡量信号特性的一个重要指标一般来说频率和幅度对信号而言通常比相位具有更重要的意义频率小于20Hz时为次声波，人耳通常听不到，但声强（与信号幅度有关）足够大时，人可以感觉到；频率在20Hz到20KHz之间时为声波，能够被人听到；频率大于20KHz时为次声波，人无法听见，其方向性好，因此在测量中具有重要的应用价值因此，在信号的频域表示中，有时只使用幅度谱时域（时间域）——自变量是时间，即横轴是时间，纵轴是信号的变化。其动态信号x(t)是描述信号在不同时刻取值的函数

频域（频率域）——自变量是频率，即横轴是频率，纵轴是该频率信号的幅度，也就是通常说的频谱图。频谱图描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系信号不仅随时间变化，还与频率、相位等信息有关一般对于信号的分析包括时域分析和频域分析两种动态信号从时间域变换到频率域主要通过傅立叶级数和傅立叶变换实现周期信号靠傅立叶级数，非周期信号靠傅立叶变换。信号分类1．按信号的性质分2．按信号的自变量或函数取值分3．按信号的时间或频率定义范围分可以用多种方法对信号进行分类，以下是常见的三种方式：按信号的性质可分为确定（性）信号和随机信号两类：确定信号是指在相同的实验条件下，能够重复实现的信号。根据信号是否具有周期性，又有周期信号和非周期信号之分。随机信号则是在相