通信原理-绪论要点课件

现代通信原理与技术

PrinciplesandTechniquesofModernCommunications深圳大学电子科学与技术学院陈红艺现代通信原理与技术

PrinciplesandTech授课教师陈红艺，副教授，博士。2002年本科毕业于清华大学现代应用物理专业，同年保送至清华大学物理系光学专业直接攻博，2008年6月获得物理学博士学位。主要从事左手材料，光子学物理，超快光学等方面的研究，发表论文10余篇。主持国家青年基金项目等。办公室：南区1001Email：chenhy@授课教师陈红艺，副教授，博士。2002年本科毕业于清华大学现课程简介教材及参考书张辉等，《现代通信原理与技术》，西安电子科技大学出版社樊昌信等，《通信原理》，国防工业出版社学习基础熟悉《信号与系统》中傅立叶变换及性质熟悉《随机过程》中的基本概念学习方法基本方法、基本概念，重要知识点，难点自备一本习题参考书（例：林霏等，通信原理辅导及习题精解，延边大学出版社）课程简介教材及参考书课程内容绪论：理解通信系统的组成模型、通信系统的分类及通信方式。掌握信息及其度量、通信系统的主要性能指标。（教材第一章；2学时）随机信号分析：了解高斯白噪声、窄带随机过程。理解随机过程的一般表述，随机过程通过线性系统。掌握平稳随机过程、平稳随机过程的相关函数与功率谱密度。（第二章；10学时）信道：了解信道的定义和模型、随参信道和恒参信道的概念。理解加性噪声。掌握信道容量的概念以及连续信道容量与信噪功率比、信道带宽的相互关系。（第三章；2学时）模拟传输系统（幅度调制）：理解幅度调制(线性调制)的概念。掌握各种线性调制（AM、DSB、SSB等）的产生与解调方法，以及各种线性调制系统的抗噪声性能。（第四章；11学时）课程内容绪论：理解通信系统的组成模型、通信系统的分类及通信方课程内容模拟传输系统（角度调制）：了解各种模拟调制系统的优缺点及应用领域。理解角度调制(非线性调制)、宽带调频与窄带调频的概念。掌握调频信号的产生与解调原理，以及调频系统的抗噪声性能。（第四章；11学时）数字基带传输系统：了解数字基带传输系统的组成、基带传输的常用码型以及马建串扰的概念。掌握基本数字基带信号波形及频谱特性，无码间串扰的基带传输系统的特点及眼图的相关分析。（第五章；14学时）脉冲调制系统：了解脉冲编码调制(PCM)的基本原理。掌握抽样定理，模拟信号的量化。（第七章，4学时）

总共54学时；因放假等因素会适当调整。教材其余部分供自学课程内容模拟传输系统（角度调制）：了解各种模拟调制系统的优缺考试与成绩评定方式学期总成绩包括平时成绩和期末考试成绩两部分组成。平时成绩包括平时记录的出勤情况、课堂提问、以及课后作业等占30％，期末成绩占70％。鼓励课题交流和提问，活跃气氛有问题和困难尽早反馈，共同解决

考试与成绩评定方式学期总成绩包括平时成绩和期末考试成绩两部分通信系统概述概述通信系统模型通信系统分类系统工作方式信息及其度量主要性能指标通信系统概述概述什么是通信通：交流；信：信息；通信：信息的传输与交换消息是表示信息的媒体，象语言、文字、图象、符号、声音等。同一条信息可以用不同的消息表示。信息是包含在消息中的不确定性，即有效(有用)的东西。消息的本质和价值取决于它所包含的信息量，即对接收者的不确定性.信息=编码+不确定性消息从发信者到收信者的有效传递非电信号电(光)信号——主流电信号传输的目的迅速、准确、可靠现代通信的定义

利用电子等技术手段，借助电(光)信号实现消息的有效传递和交换。现代通信已经成为一种产业。什么是通信通：交流；信：信息；通信：信息的传输与交换信息Nonewsisgoodnews.小故事信息Nonewsisgoodnews.信息小故事信息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。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，可以把通信历史划通信的发展简史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。最早的电通信设想通信的发展简史最早的电通信设想通信的发展简史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

最早的有线电报通信的发展简史莫尔斯发出第一封最早的有线电报通信的发展简史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。最早的有线电话贝尔获得电话的专利证书

通信的发展简史最早的有线电话贝尔获得电话通信的发展简史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。电磁波的发现通信的发展简史电磁波的发现通信的发展简史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”。最早的无线通信波波夫实验用的无线电接收机

通信的发展简史最早的无线通信波波夫实验用的无线电接收机通信的发展简史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公里。人类首次远距离无线电通信通信的发展简史人类首次远距离无线电通信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1948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。1957年10月4日，原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。影响通信发展的重要发明或理论1906年,LeeDefor影响通信发展的重要发明或理论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。1976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。当前：高速无线网络；物联网；量子通信影响通信发展的重要发明或理论1958年，发明了集成电路。通信系统一般模型通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。信源发送设备信道信宿接收设备发送端接收端噪声源通信系统的发展可以归结为五部分中的某一或某些部分的发展通信系统一般模型信源发送设备信道信宿接收设备发送端接收端噪声通信系统一般模型信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。发送设备将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。通信系统一般模型信源通信系统一般模型信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。通信系统一般模型信道通信系统一般模型噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的不是人为加入的设备，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。通信系统一般模型噪声源通信系统一般模型信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。通信系统一般模型信宿通信系统一般模型消息消息的状态连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。

消息的传递是通过它的物质载体——

电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。hello通信系统一般模型消息消息的状态消息的传递是通通信系统一般模型信号信号参量的取值方式模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。通信系统一般模型信号信号参量的取值方式通信系统一般模型tf(t)0tf(t)0tf(t)0时间离散、参量连续时间连续、参量连续时间离散、参量离散抽样量化通信系统一般模型tf(t)0tf(t)0tf(t)0时间离散通信系统一般模型信号信道中传输的是模拟信号还是数字信号模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统。信源调制信道信宿解调发送端接收端噪声源模拟通信系统模拟广播通信系统通信系统一般模型信号信道中传输的是模拟信号还是数字通信系统模型数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、以及加/解密等信源信源编码信道编码加密调制信宿信源译码信道译码解密解调信道噪声数字通信系统GSM通信系统计算机通过网线连接数字通信系统模型数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/模拟VS数字通信系统模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。模拟VS数字通信系统模拟信号经过数字编码后可以在数字通信模拟VS数字通信系统数字通信的主要特点抗干扰能力强。差错可控。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。数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。模拟VS数字通信系统数字通信的主要特点通信系统分类按照消息的物理特征划分电报通信系统电话通信系统数据通信系统按照媒质上传输信号的频率范围划分基带通信系统调制通信系统按照信道传输信号类型划分模拟通信系统数字通信系统按照媒质的类型划分有线通信系统无线通信系统按照工作波段划分长波、中波、短波等按照信号复用方式划分频分复用（FDMA）时分复用（TDMA）码分复用（CDMA）通信系统分类按照消息的物理特征划分通信系统分类调制方式用途连续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幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输通信系统分类调制方式用途连续波线性调制常规双边带调通信系统分类

调制方式

用途脉冲数字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、APC、LPC中低速数字电话通信系统分类调制方通信系统分类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、导航通信系统分类频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~3通信系统分类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107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信通信系统分类频率范围波长符号传输媒质用途300MH通信方式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、半双工及全双工通信三种。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。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。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。按数字信号码元排列方法划分并行通信并行通信串行通信点对点通信与通信网通信方式按消息传递的方向与时间关系分：对于点与点之间的通信，通信方式发送信道接收单工：广播发送信道接收双工：手机发送信道接收半双工：对讲机通信方式发送信道接收单工：广播发送信道接收双工：手机发送信道40通信系统举例－计算机网络集线器40通信系统举例－计算机网络集线器41通信系统举例-电话网络移动业务交换中心市话局中继线Modem41通信系统举例-电话网络移动业务市话局中继线Modem信息及其度量（重点）

信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。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。信息及其度量（重点）信息及其度量从常识的角度来感觉三条消息：①太阳从东方升起；②太阳比往日大两倍；③太阳将从西方升起。第一条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第一事件是一个必然事件，人们不足为奇；第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。信息及其度量从常识的角度来感觉三条消息：第一条几乎没有带来信息及其度量

根据概率论知识，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。信息及其度量根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现信息及其度量

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）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)］+…信息及其度量假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从信息及其度量

信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为

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。【例】设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为

I(0)=I(1)=log22=1(bit)信息及其度量信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关

传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为信息及其度量传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。信息及其度量

如果是非等概情况，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P(xi)=1,则x1,x2,…,xn

所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为

通常又称它为信息源的

熵，其单位为bit/符号。显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。信息及其度量如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符信息及其度量【例】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。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每个符号的算术平均信息量为信息及其度量【例】一离散信源由0，1，2，3四个符号信息及其度量若用熵的概念来计算

可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。思考：出现这种差别的原因在哪？信息及其度量若用熵的概念来计算主要性能指标（重点）通信的任务是快速、准确地传递信息。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。

主要性能指标（重点）通信的任务是快速、准确地传递信息。主要性能指标模拟通信系统的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。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用差错率来衡量主要性能指标模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样主要性能指标传输速率：

码元传输速率和信息传输速率

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:主要性能指标传输速率：码元传输速率和信息传输速率主要性能指标通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于M进制的一个码元可以用log2

M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：

RB2=RBMlog2

M(B)主要性能指标通常在给出码元速率时，有必要说明码元的进制。由于主要性能指标信息传输速率Rb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。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RB·H(b/s)式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。

等概传输时，熵有最大值log2

M

，信息速率也达到最大，即Rb=R