聊城大学通信原理第一章绪论课件

通信原理第一章绪论6/6/20231CP第一章绪论目录本章主要介绍通信的常用术语、通信系统的组成及分类、通信方式。重点介绍数字通信系统的主要特点，信息及其度量及衡量通信系统主要性能指标。6/6/20232CP第一章绪论大纲要求掌握内容：通信系统的基本问题与主要性能指标；模拟通信与数字通信；信息量、平均信息量、信息速率。

熟悉内容：通信系统的分类；通信方式。

了解内容：通信的概念6/6/20233CP第一章绪论第一章绪论1.1引言1.2通信系统组成1.3通信系统的分类及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统的性能指标1.6通信技术的发展概况6/6/20234CP第一章绪论１.1引言

1、通信概念：信息的传递与交换过程称为通信.

应用例子：古代的，烽火台，近代的，信号灯，现代的，打电话。由于电、光传递信息快、准确可靠，这类传递信息方式称为“电信”，今天电信已习惯指通信。由于电、光传递信息快、准确可靠，这类传递信息方式称为“电信”，今天电信已习惯指通信。6/6/20235CP第一章绪论1.2通信系统的组成

一、通信系统模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。通信的目的：传输消息。消息具有不同的形式，例如：符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动的图像等。根据所传递的消息的不同，目前通信业务可以分为：电报、电话、传真、数据传输等。为了研究通信系统我们要建立了通信系统模型。6/6/20236CP第一章绪论通信系统的一般模型信宿接收设备发送设备信道信源噪声信源信道信宿噪声通信系统的基本组成6/6/20237CP第一章绪论模拟信号波形(a)连续信号；6/6/20238CP第一章绪论数字信号波形二进制波形；6/6/20239CP第一章绪论1.模拟通信系统模型信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。（语音信号）经过调制以后的信号称为已调信号。6/6/202310CP第一章绪论已调信号有三个基本特征：携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。6/6/202311CP第一章绪论模拟通信系统中的两种变换连续消息与基带信号的变换基带信号与频带信号之间的变换实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。6/6/202312CP第一章绪论模拟通信系统模型模拟信源调制器信道解调器模拟信宿噪声源6/6/202313CP第一章绪论2．数字通信系统模型

技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。6/6/202314CP第一章绪论数字信源信道发生器基带波形译码器信宿噪声源在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。下面我们看一下各个部分的功用6/6/202315CP第一章绪论1)信源编码与译码作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用二:

是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。即模数转换。信源编码方法：PCM、ADPCM、DM等信源译码是信源编码的逆过程。6/6/202316CP第一章绪论2）信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起误码。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。6/6/202317CP第一章绪论3）加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。6/6/202318CP第一章绪论4）数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。数字调制是本课程的重点内容之一。6/6/202319CP第一章绪论5）同步与数字复接同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。6/6/202320CP第一章绪论3.数字通信的主要特点

1）优点抗干扰能力强。（远距离传输可消除噪声积累)

两类通信方式抗干扰性能比较

(a)模拟信号(b)数字信号6/6/202321CP第一章绪论采用信道编码技术可控制差错。降低误码率，提高传输的可靠性。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于加密处理，且保密强度高。6/6/202322CP第一章绪论2）缺点占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。不过，随着光纤等的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。6/6/202323CP第一章绪论1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统分类1、按消息的物理特征分：电报通信系统和电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。2、按信号特征分类:模拟信号还是数字信号3、按传输媒质分类:有线通信系统和无线通信系统。有线通信--导线、架空明线、同轴电缆、光纤无线通信--短波电离层、微波视距传播、卫星中继等。6/6/202324CP第一章绪论4、按信号复用方式分类:频分复用、时分复用和码分复用频分复用：不同信号占据不同的频率范围时分复用：不同信号占据不同的时间区间码分复用：用一组包含相正交的码字的码组携带多路信号。5、按调制方式分类:基带传输和频带（调制）传输。（常见的调制方式如下表所示）

6/6/202325CP第一章绪论表1-1常见的调制方式

调制方式用途载波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制振幅键控ASK数据传输移频键控FSK数据传输6/6/202326CP第一章绪论调制方式用途载波调制脉冲调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、

LPC

中低速数字电话续表（2）6/6/202327CP第一章绪论

表1–2通信波段与常用传输媒质

频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航6/6/202328CP第一章绪论续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学

107~108GHz3×10-6~3×10-5

mm

紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信6/6/202329CP第一章绪论二、通信方式通信过程中涉及通信方式与信道共享问题。下面只对通信方式作一简单介绍。1．按消息传递的方向与时间关系分对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工、全双工通信。

2．按数字信号排列顺序分在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为串行传输、并行传输。6/6/202330CP第一章绪论单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控等。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信。全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式，计算机之间的高速数据通信也是这种方式。6/6/202331CP第一章绪论单工、半双工和全双工通信方式示意图

(a)单工；(b)半双工；(c)全双工收端发端f1f2f6/6/202332CP第一章绪论按数字信号排列顺序分在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。。6/6/202333CP第一章绪论串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。此外，还可以按通信的网络形式划分。由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。6/6/202334CP第一章绪论并行和串行通信方式示意图

(a)并行传输；(b)串行传输返回主目录6/6/202335CP第一章绪论1.4信息及其度量一、信息量的度量通信的目的在于传递信息，消息包含着信息，消息的传递意味着信息的传递。对信息这个术语的含义以及它的定量描述作扼要的讨论是十分必要的。消息：发生或未发生具体事件具体表述。

信息：隐含在消息之中的内容。

消息的传递意味着信息的传递。每一消息信号必定包含有接收者需要知道的信息，消息以具体信号形式表现出来，而信息则是更抽象化、更普遍化，是有本质的内容。这是消息与信息的不一致。6/6/202336CP第一章绪论首先应清楚以下问题①信息与消息的形式无关用语音和文字发送的天气预报消息，所含信息内容相同②信息与消息的重要程度无关明日下雨的天气预报消息，不因该地区曾久旱无雨，还是风调雨顺而含有信息量增大。

③信息的多少与消息事件发生的可能性有关“明天中午12时正常开饭”、“明天中午12时有地震”后者听后会使人惊奇和意外，则信息量大。或者说某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。6/6/202337CP第一章绪论如何度量信息？如何计算消息的信息量？火车运输货物多少用“货运量”衡量消息信号传输信息多少用“信息量”衡量消息的传递意味着消息的传递，信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。概率论知识：

事件出现的可能性愈小，概率愈小事件出现的可能性愈大，概率愈大信息量与消息出现的概率有关。6/6/202338CP第一章绪论比如：明天要下雪（大家都很惊讶，概率很小）太阳从东方升起。（司空见惯的事情，信息量就小）结论：对于接收者而言，事件发生的概率越小，信息量越大，即信息量反映实践的不确定性。对于通信双方而言，假如双方已知道通信内容，那么通信就毫无意义可言。6/6/202339CP第一章绪论综上所述，为计算信息量（消息）关系式，应反映如下规律：

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。（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→∞6/6/202340CP第一章绪论3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…满足以上三点，信息量I与p(x)的函数关系为：一般的:a＞16/6/202341CP第一章绪论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，信息量的单位为哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。公式为：6/6/202342CP第一章绪论二、离散信息的度量1、独立等概率出现离散消息的度量

M进制独立等概率出现的消息，单一出现（每个出现的概率为p(x)=1/M）,则每个符号的信息量为当M=2时，即对于二进制信息来讲一个符号的信息量为：I=1(bit)

当M=2k时，等概率出现，每个符号的信息量为：I=log22K=K(bit)6/6/202343CP第一章绪论例1

设四进制离散信源，以相等的概率发送数字0、1、2、3，则信源每个输出的信息含量为：

I(0)=I(1)=I(2)=I(3)=log24=2bitP=1/8的信息量为3比特P=1/16的信息量为4比特P=1/M的信息量为log2M(bit)6/6/202344CP第一章绪论2、非等概率出现离散消息的度量1）单一符号传送非等概情况例如：离散信号源只有0和1，其中0出现概率为7/8，求一个“1”所含的信息量。解：由已知得1出现的概率为p(1)=1/8

所以它所含的信息量为I=log28=3bit2)一串符号构成的消息的信息量例如：一串符号中0的概率为1/3，1的概率为2/3，求1011的所含信息量。6/6/202345CP第一章绪论3、平均信息量H(x)（信源熵）设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，且有：xi所包含的信息量：平均信息量为：通常又称它为信息熵，其单位为bit/符号。6/6/202346CP第一章绪论注意：

1、不同离散信源有不同的信源熵；

2、信源上越大越好；

3、最大信源熵出现在每个符号等概率出现时。（即对于M进制数字信号而言，当M中符号等概出现时，它的信源熵最大，且为H(x)=log2Mbit）6/6/202347CP第一章绪论

例题2一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。6/6/202348CP第一章绪论解此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为6/6/202349CP第一章绪论例题3设一个信息源的输出由128个不同的符号组成，其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现的概率为1/224。且每个符号都是独立的，求平均信息量。解：每个符号的平均信息量为：返回主目录6/6/202350CP第一章绪论1.5主要性能指标一、通信系统主要的性能指标衡量比较评价一个系统的好坏，必然要涉及通信系统的主要指标问题，否则无法衡量。指标有：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等。

6/6/202351CP第一章绪论其中最关键的是有效性和可靠性

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”。可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。它们是一对对立统一的矛盾

最关键：在满足一定可靠性条件下，尽量提高传输速率；在维持一定的有效性下，尽量提高传输质量。6/6/202352CP第一章绪论二、模拟通信系统主要性能指标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。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。6/6/202353CP第一章绪论三、数字通信系统主要性能指标有效性可用传输速率来衡量。码元传输速率RB信息传输速率Rb可靠性可用差错率来衡量。误码率Pe（码元差错率）误信率Pb（信息差错率有效性可用传输速率来衡量。6/6/202354CP第一章绪论A、码元长度：传输一个码所需要的时间。B、码元：在码元长度内的信号。例如对于二进制信号而言，它有两种符号0和1，传输0或1所需要的时间即码元长度，而这里面的信号0或1即是码元。010016/6/202355CP第一章绪论1.传输速率1)

码元传输速率RB

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。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。

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:6/6/202356CP第一章绪论2)信息传输速率Rb简称传信率