第1章-绪论-通信的基本概念

通信原理谭菊Telmail：tanju215@163.comCommunicationTheory1课程概况1。闭卷考试2。期末成绩占70%，期中及平时成绩成绩占30%3。作业要求：统一用作业本完成2参考教材：南利平，通信原理简明教程，清华大学出版社，2007年第二版教学参考书目：1。贺贵明，通信原理概论，华中理工大学出版社，2000年2。王秉均，通信原理及其应用，天津大学出版社，2004年3。李白萍，通信原理常见题型解析及模拟题，西北工业大学出版社，2001年4。张辉，通信原理辅导，西安电子科技大学出版社，2003年5。电子科学大学应用数学系，概率论与数理统计，电子科技大学出版社，1999年3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。本课程以讲授数字通信为主，模拟通信系统为辅。4第1章绪论——通信的基本概念1.1通信技术发展简史1.2通信和通信系统的一般概念1.3通信方式1.4通信系统的质量指标1.5信息及其度量

5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

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。6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1.32亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约74分钟）。7海上舰船通信8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91.1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10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。

11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

12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

13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。

14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15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公里。16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。171948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181957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。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。191976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。20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。

21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22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。23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。241.2通信和通信系统的一般概念通信和通信系统的一般概念

通信的目的：传递消息通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等实现通信的方式：声、光、电、磁等25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）26一、通信系统模型基站（MBS)移动用户（MSS)通信系统的一般模型27各部分功能

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。28用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。

模拟通信系统的一般模型★调制/解调器的作用：频谱搬移29★一般数字通信系统的收端要有同步的功能数字通信系统模型30

例1：电话系统构成要素：送话器、电线、交换机、载波机、受话器等要素。如下图所示31例2：广播通信系统构成要素：麦克风、放大器、发送设备、无线电波、收音机等。如下图所示32二、通信系统的分类

按消息的物理特征分类★随着信息与网络技术的发展，以上各种信息都可以在统一的综合业务通信网中传送。33按调制方式分类连续波调制

34

脉冲调制

35按信号特征分类按传输媒介分类按信号复用方式分类36数字通信具有以下特点：①抗干扰能力强。通过再生放大与差错控制编码实现。②便于进行信号存储、交换、处理，便于计算机管理。由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。③易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低。④数字信息易于加密且保密性强。⑤能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。371.3通信方式通信方式指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。(1)按通信对象数量的不同，通信方式可分为：

点到点通信、点到多点通信、多点到多点通信三种。38通信方式示意图电话、对讲机广播、电视计算机网、电话交换网39点对点之间的通信又可分为：

单工通信（simplex)在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。

广播电台与收音机、电视台与电视机的通信(点到多点)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均属此类。40

半双工通信(Half―Duplex)：在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方向乙方，或从乙方向甲方，每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机等之间的通信。

双工通信(Full―Duplex)：在任何一个时刻，信号能够双向传输，每一方都能同时进行收信与发信工作。比如普通电话、手机。4142按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要指计算机通信)，通信方式又有串行通信与并行通信之分。43按通信终端之间的连接方式可划分为两点间直通方式和交换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接；而交换式的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接起来，如电话系统。按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。441.4通信系统的性能评价

如前所述，根据各种不同的划分标准，通信系统多种多样。那么如何评价一个通信系统性能的优劣是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。这就需要我们找出能够反映通信系统性能的各种技术指标。

一、概述45评价通信系统性能的指标有很多，包括有效性、可靠性、适应性、标准性、保密性、经济性及可维护性等等。有效性：是指传输一定的信息量所占用的信道资源（带宽或时间）。可靠性：是指接收信息的准确程度。46二、模拟通信系统的质量指标有效性：模拟通信系统的有效性用有效传输带宽来衡量。同样的消息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带越窄，有效性越好。可靠性：模拟通信系统的可靠性用接收端最终的信噪比来衡量。信噪比越大，通信质量越高。信噪比:S/N=信号功率/噪声功率对数形式（S/N）dB=10log(S/N)47三、数字通信系统的质量指标1、传输速率定义单位时间传输的码元数为码元速率Rs，单位波特（Baud）。48定义单位时间传输的信息量为信息速率Rb，以比特/秒（bit/s）或bps为单位。

M进制码元速率Rs与信息速率Rb之间的关系为Rb

＝

RsLog2Mbit/s在二进制下，码元速率与信息速率在数值上相等,只是单位不同；49多进制与二进制传输速率之间的关系练习题1

一个二进制数字信号一分钟传输了18Kbit的信息量，(1)其码元速率为多少？(2)若改用八进制，每分钟传输的信息仍为18Kbit，其码元速率又为多少？练习题2

已知二进制数字信号在2min内共传输了7200个码元，(1)其码元速率和信息速率各为多少？(2)如果码元宽度不变，改为八进制数字信号传输，则其码元速率和信息速率又为多少？

2、差错率——包括误信率和误码率

误信率也称误比特率，它是指接收错误的信息量在传输总信息量中所占的比例。即信息量在传输中被丢失的概率。用下式表示：误信率(Pb)=错误的比特数传输的总比特数误码率(Ps)=错误的码元数传输的总码元数521.5信息及其度量

1.5.1信息的度量传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量，我们定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。53

信息是一个抽象的概念，它能否被量化并且如何量化呢？让我们看看下面的例子，比如，“明天太阳从东边出来”绝对没有“明天太阳从西边出来”对信息的受者更有吸引力；同样，当你听说“有人被狗咬了”并不会感到惊奇，但若有人告诉你“一条狗被人咬了”你一定非常吃惊。这说明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可发生，人们就越感兴趣，信息量就越大。显然，信息量与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率为1，则它传递的信息量就为0。据此，我们得到信息量与事件概率之间的关系式为54

式中，P表示某事件发生的概率，I为从该事件发生的信息中得到的信息量。另外，如果消息由若干个互相独立的事件构成，则该消息所含信息量等于各独立事件所含信息量之和。

信息量与事件概率之间的关系式为55

离散消息只能有有限个符号，可看成是一种具有有限个状态的随机序列，可以用离散型随机过程的统计特性来进行描述。离散消息x所含信息量I与消息出现概率P(x)的关系为

信息量单位的确定取决于上式中的对数底a。如果取对数的底a=2，则信息量的单位为比特(bit)；如果取e为对数的底，则信息量的单位为奈特(nit)；若取10为底，则信息量的单位称为十进制单位，或叫哈特莱。上述三种单位的使用场合，应根据计算及使用的方便来决定。通常广泛使用的单位为比特。56

若要传递的离散消息是在M个消息中独立地选择其一，且认为每个消息的出现概率是相同的，则可采用一个M进制的波形进行传送。也就是说，传送M个消息之一与传送M进制波形之一是完全等价的。在等概率出现时，每个波形(或每个消息)的出现概率为1/M，我们取对数底为2。此时信息量值最大57

现在再来考察非等概率的情况。设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，称符号集。符号集中的每一个符号xi在消息中是按一定概率P(xi)独立出现的，即符号概率场为且有，则整个消息的信息量为ni为第i种符号出现的次数，n为符号种类。58

【例题】已知二元离散信源只有“0”、“1”两种符号，若“0”出现概率为1／3，求出现“1”所含的信息量。

解由于全概率为1，因此出现“1”的概率为2／3。由信息量定义可知，出现“1”的信息量

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【例题】某离散信源由0，1，2，3四种