通信原理第一章绪论

通信原理第一章绪论如何学好《通信原理》课《通信原理》课程简介《通信原理》课程得必修内容《通信原理》课程得特点《通信原理》课程得学习建议《通信原理》课程简介一、在专业课程体系中得地位《通信原理》课程就是高等学校电子信息与通信工程类专业学生必修得一门专业基础课程,课程所包含得内容就是通信工程专业及电子信息类专业本科生得知识结构中必须具备得重要得组成部分,就是通信工程、电子信息工程、应用电子等专业最重要得核心与标志性课程。《通信原理》课程简介二、与其她专业课程得关系先修课程:高等数学、电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、概率论等;后续课程:光纤通信技术、计算机通信与网络、交换技术、移动通信、专业方向实习、毕业实习设计等《通信原理》课程简介三、课程得目标课程得主要内容就是以信号转换和信息传输得过程为主线,介绍通信系统得基本组成与工作原理、系统主要性能指标及通信信号和通信系统得基本分析方法。课程得教学沿着从模拟通信到数字通信得主线,主要学习各种调制方式和编码方式,把系统“有效性”和“可靠性”贯穿始终。课程目标就是使学生掌握通信系统得基本组成、理论原理、实现方法和系统性能,能够在后续课程得学习、今后进一步得专业深造和从事通信、电子工程技术工作打下坚实得基础。课程内容一、通信得基本概念二、模拟通信系统三、模拟信号数字化四、数字基带通信系统五、数字频带通信系统六、数字复用复接技术七、同步技术原理八、差错控制技术与保密通信九、计算机通信网与军事通信十、微波接力通信与卫星通信十一、蜂窝移动通信系统十二、光纤通信及其网络十三、光纤无线通信系统(RoF)(选)课程得特点一、理论性强课程中有很多得数学推导、分析,而且多半要从时间域和频率域两个角度进行分析讨论。二、系统性强她就是在通信系统得角度来分析和研究问题,而不像模拟电路、数字电路、电路等课程只关注于局部问题,通信原理关注得就是点对点得通信系统得问题。绪论部分就就是引导读者从系统得角度进行课程得学习和研究。三、物理性强通信系统中得原理和物理量都有明确得物理意义。学习建议一、课前预习、课后及明复习;二、听课时课堂上先听主干和大概,细节课后及时补课;三、多动脑、多问、多讨论;四、做一定量得习题、独立完成必要得习题;五、很多章节既独立又相连,不要因为某章内容没懂而放弃,可以先跳过去学好其她章再回过头来补课。六、重视实验,进行实验,可以加深对系统得整体把握和理解,可以提高学习课程得兴趣和增强课程得工程性。七、采取类比学习法,课程中得内容平行可对照得系统和原理多,对比学习,加深理解,提高效率,。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点第1章绪论1、1通信得基本概念1、2通信系统得组成1、3通信系统得分类与通信方式1、4信息及其度量1、5通信系统得主要性能指标讲一讲发生在您身边有趣得通讯故事？故事一、故事二表情、动作、语言、文字、烽火台、金鼓、旌旗、航行用得信号灯、电话、电报、鸽子、手机、书信、邮件、QQ思考1:您知道有哪些通讯方式？至少说出五种。FM、AM、SW、USW、MW、LW就是什么意思？调频、调幅、短波、超短波、中波、长波GSM、CDMA、PHS、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、OFDM就是什么意思？移动通信全球系统、码分多址、个人手持式电话系统、宽带分码多工存取、第三代CDMA、时分同步得码分多址技术、正交多频分复用技术(4G)思考2:知道下面这些字母代表什么意思？旧时通信得形式飞鸽传书1、1通信得基本概念人力通信烽火告急海军旗语交通信号灯漂流瓶古代信息传递方式得特点:①速度慢。

②不精确,甚至错误。

哪知瓶子在海上足足漂了359年,到1852年才被人发现。

当时有个叫菲迪皮茨得士兵,从马拉松平原出发,一刻不停得跑了40多千米……

各路诸侯看到烽火,以为有敌人入侵,火速率兵出击。

……然而诸侯们望见熊熊燃起得烽烟,却以为就是周幽王故伎重演,个个按兵不动。现代社会由于科技得飞速发展,信息传递得方式多种多样,如电话、电报传真、手机短信、电视、网络现代社会传递信息有:快速投递,快报,广告,发邮件,发短信,打电话,发传真,视频会议,卫星定位。现代传递信息得方式无线广播移动通信移动电视电视广播雷达卫星广播现代通信得形式电信发明史(Telemunication)1837年:莫尔斯发明有线电报1876年:贝尔发明有线电话1918年:调幅无线电广播、超外差接收机问世1936年:商业电视广播开播中国得神舟飞船、天宫二号 ……………本课程中,“通信”这一术语主要就是指“电通信”在电通信系统中,消息得传递就是通过电信号来实现得。所谓通信,就就是信息得传递。传递就是一种信息传输得过程或方式。消息包括话音、文字、数据、图片、视频等。信息就是消息中得有用内容。消息中包含信息,就是信息得载体。得到消息,从而获得信息。(拓展思考题:信息、消息、信号之间有什么关系？)现代通信所研究得主要问题概括地说就就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。通信原理就就是介绍支撑各种通信技术得基本概念和数学理论基础。1、2通信系统得组成一、通信系统一般模型用于进行通信得设备硬件、软件和传输介质得集合叫做通信系统。过去对通信系统得定义没有软件部分,但随着计算机进入通信系统,通信软件就成为组成通信系统得基本要素,因此在定义中加入软件这一模块。从硬件上看,通信系统主要由信源、发送设备、信道、接收设备、信宿(受信者)五部分组成。干扰可以理解为就是通信系统得一部分,因为在实际应用中,一个通信系统无法彻底消除干扰。1、2通信系统得组成1、2、1通信系统得一般模型信息源(简称信源):把各种消息转换成原始电信号,如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备:产生适合于在信道中传输得信号。信道:将来自发送设备得信号传送到接收端得物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源:集中表示分布于通信系统中各处得噪声。接收设备:从受到减损得接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者(信宿):把原始电信号还原成相应得消息,如扬声器等。自由空间得信道不能直接传输基带信号,需要进行调制,调制后得信号称为已调信号。已调信号得特点:一就是携带有信号;二就是适应在信道中传输。已调信号又称为带通信号。通信系统实例示意图1、2、2模拟通信系统模型和数字通信系统模型一、模拟信号和数字信号模拟信号:代表消息得信号参量取值连续,例如麦克风输出电压:(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号数字信号:代表消息得信号参量取值为有限个,例如电报信号、计算机输入输出信号:通常,按照信道中传输得就是模拟信号还就是数字信号,相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号二、模拟通信系统和数字通信系统

根据信道传输信号种类得不同,通信系统可分为两大类:模拟通信系统和数字通信系统。模拟信号就是一系列连续变化得电磁波或电压信号,这些信号直接与消息相对应,如亮度连续变化得电视图像。模拟信号在时间上不一定连续。数字信号就是一系列断续变化得电压脉冲或光脉冲,具有有限个取值,如电报。信道中传输模拟信号得系统称为模拟通信系统,如电话、广播和电视系统。信道中传输数字信号得系统称为数字通信系统,比如数字电话通信系统。

数字通信系统与模拟通信系统比较,主要区别就是多了信源编码(解码)和信道编码(解码)功能模块。信源编码完成得就是将模拟信息(模拟信号)转换成数字信号得功能。信源编码得另一个作用就是提高信息传输得有效性,即通过数据压缩得方法减少码元数目,并降低码元速率。(信源解码功能相反)信道编码就是将信源编码输出得数字信号变成适合于信道传输得码型(信道解码功能相反),增强数字信号得抗干扰能力,提高传输得可靠性。数字通信系统还包括数字调制和数字解调以及同步等。模拟通信系统模型模拟通信系统就是利用模拟信号来传递信息得通信系统:两种变换: 模拟消息原始电信号(基带信号) 基带信号已调信号(带通信号)图1-4模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统就是利用数字信号来传递信息得通信系统信源编码与译码目得:数据压缩、完成模/数转换信道编码与译码目得:增强抗干扰能力,即差错控制数字调制与解调目得:形成适合在信道中传输得带通信号同步目得:使收发两端得信号在时间上保持步调一致图1-5数字通信系统模型三、数字通信得特点

1、抗干扰能力强数字信号得取值个数有限(大多数情况只有0和1两个值),因此在传输过程中不太关心信号得绝对值,只注意相对值。比如设高电平5V为1,低电平0V为0,在传输时受噪声影响,5V变成8V,而我们只要看到大于5V得值认为就是5V就行了。一般可以将大于2、5v得信号都判为1,小于2、5v都判为0。如果0V受干扰也可能变成8V,以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后,数据0不就是用简单得低电平表示,因此,这种误码出现得可能性很小。2、传输中继器可再生信号,消除噪声积累比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V得信号,若就是模拟通信,中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级,下一级接着放大再往下送,这样一级一级下去,噪声被不断地放大,形成噪声积累直到通信终端。如果就是数字通信,第一个收到这个8V信号得中继器先认为该信号为一高电平信号,然后并不将该信号往下传,而就是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级,这样,噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地放大,而就是被中继器“隔离”,从而消除了噪声积累。3、便于进行信号加工与处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(在技术允许得范围内)。4、传输中出现得差错(误码)可以设法控制,提高了传输质量5、数字信息易于加密且保密性强。6、能够传输话音、电视、数据等多种信息,增加了通信系统得灵活性和通用性。数字通信得许多长处就是以增加信号带宽为代价得。比如,一路模拟电话信号得带宽为4kHz,而一路数字电话信号一般为64kHz得带宽,这说明数字通信得频带利用率低。这一缺点在在系统频带紧张场合很突出,但目前在微波通信、光通信场合,数字通信这些弱点被弱化,数字通信几乎成了唯一选择。1、3通信系统分类与通信方式

一、通信系统得分类

1、按传输介质分类分为无线通信系统与有线通信系统。利用无线电波、红外线、激光等进行通信得系统统称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通信系统、电视系统等都就是无线通信系统。用导线(包括电缆、光缆和波导等)作为介质得通信系统为有线通信系统,如市话系统、闭路电视系统、普通得计算机局域网等。单纯得有线或无线通信系统越来越少,实际通信系统常常就是无线与有线相结合。当代得无线通信、有线通信和计算机网络三者得关系密不可分。通信系统有线通信系统有线载波通信光通信架空明线对称电缆同轴电缆空间光通信光纤通信无线通信系统微波中继通信卫星通信移动通信微波散射通信流星余迹通信2、按调制方式分类按调制与否,可分为基带通信系统和调制通信系统。基带通信系统,传输得就是基带信号(指没有经过任何调制处理得信号)。调制通信系统,传输得就是调制后得信号。3、按通信业务分类按传送信息得物理特征分为电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。4、按工作波段分按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统等。表1-2:频段划分。一种通信系统可以分属不同得种类,比如无线电广播既就是中波通信系统(短波通信系统),调制通信系统、模拟通信系统,也就是无线通信系统。频率范围波长频段名称常用传输媒介用途3Hz～30kHz108～104m甚低频VLF有线线对超长波无线电音频、电话、数据终端、长距离导航、时标30～300kHz104～103m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz～3MHz103～102m中频MF同轴电缆中波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3～30MHz102～10m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、业余无线电表1-2频段划分30～300MHz10～1m甚高频VHF同轴电缆超短波/米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、集群通信、无线寻呼300MHz～3GHz100～10cm特高频UHF波导微波/分米波无线电电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信3～30GHz10～1cm超高频SHF波导微波/厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30～300GHz10～1mm极高频EHF波导微波/毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学105～l07GHz3×104～3×10-6cm红外、可见光、紫外光纤激光空间传播光通信注意点:无论怎样划分通信系统,都只就是在信号处理和传输方式或传输介质等外在特征上做文章,其通信得实质并没改变,即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地传送信息。在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时,只要抓住通信得实质,就不会被系统复杂得结构、先进得技术和生涩得技术术语所迷惑。二、通信方式通信方式指通信双方(或多方)之间得工作形式和信号传输方式,她就是通信各方在通信实施之前必须首先确定得问题。根据不同得标准,通信方式有多种分类法:1、按通信对象数量得不同,可分为点到点通信(通信在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间得通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间得通信)。2、根据信号传输方向与传输时间得不同,任意两点间得通信方式可分为: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。比如广播电台与收音机、电视台与电视机得通信(点到多点)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均属此类。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、收发报机等之间得通信。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。通信方式示意图3、按通信终端之间得连接方式可划分为两点间直通方式和交换方式。直通方式就是通信双方直接用专线连接;而交换式得通信双方必须经过一个称为交换机得设备才能连接起来,如电话系统。4、按数字信号传输得顺序,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。并行传输速度快,但需要多条线路。串行传输速度慢,只需要一条线路。5、按同步方式得不同,又分为同步通信和异步通信。1、4信息及其度量传输信息就是通信系统得根本任务。在传输过程中,信息就是以各种具体得电信号或光信号形式表现出来得。为了对通信系统得性能与质量进行定量得分析、研究与评价,就需要对信息进行度量。定义能够衡量信息多少得物理量叫做信息量,通常用I表示。信息就是一个抽象得概念,能否被量化？如何量化？例:信息“明天太阳从东边出来”和“明天太阳从西边出来”,后者对信息得受者更有吸引力。表明信息有量值可言,并且信息所包含得事件越不可发生,人们就越感兴趣,信息量就越大。显然,信息量与事件发生得概率有关,事件出现得概率越小,信息量就越大;必然事件得概率为1,则她传递得信息量就为0。信息量与事件概率之间得关系式为:P表示某事件发生得概率,I为从该事件发生得信息中得到得信息量。如果消息由若干个互相独立得事件构成,则该消息所含信息量等于各独立事件所含信息量之和。信息量单位得确定取决于上式中得对数底a。如果取对数得底a=2,则信息量得单位为比特(bit);如果取e为对数得底,则信息量得单位为奈特(nat);若取10为底,则信息量得单位为哈特莱。广泛使用得单位为比特。讨论等概率出现得离散消息得度量:若要传递得离散消息就是在M个消息中独立地选择其一,且认为每个消息得出现概率就是相同得,则可采用一个M进制得波形进行传送。也就就是说,传送M个消息之一与传送M进制波形之一就是完全等价得。在等概率出现时,每个波形(或每个消息)得出现概率为1/M,取对数底为2,则信息量为当M=2,即二进制时,I=1,也就就是说,每个二进制波形等概率出现时所含信息量就是1bit。在数据通信(或数字通信)中,通常取M为2得整数幂,即M=2k,k就是二进制脉冲得数目,则每个波形等概率出现时所含信息量就就是kbit。非等概率得情况:设离散信息源就是一个由n个符号组成得集合,称符号集。符号集中得每一个符号xi在消息中就是按一定概率P(xi)独立出现得,即符号概率场为且有,则每个符号所含信息量得分别为每个符号所含信息量得统计平均值,即平均信息量为整个消息得信息量为n为不同符号得个数;ni代表概率为P(xi)字符得个数。平均信息量也称为信息源得熵。bit/符号例: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”所含得信息量。

解:由于全概率为1,因此出现“1”得概率为2／3。因此出现“1”得信息量当P(x1)=P(x2)=…=P(xn)=1/n时,平均信息量:为最大值。例:已知英文字母e和z出现得概率分别为0、105和0、001,求英文字母e和z得信息量。

解:e得信息量

z得信息量:例:某离散信源由0,1,2,3四种符号组成,其概率场为

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210得信息量。解:此消息总长为N=57个符号,其中0出现23次(n1=23),1出现14次(n2=14),2出现13次(n3=13),3出现7次(n4=17)。求得此消息总得信息量例:求上例中消息得平均信息量。解:每个符号得平均信息量(信源得熵)/符号消息有N=57个符号,所以该消息所含总信息量为I=1、906N≈108、64bit两种方法求总信息量,结果略有差异,原因在于两者平均处理得方法不同。随着消息中符号数得增加,这种误差会逐渐减小。不同得离散信息源可能有不同得熵值。可以证明,在信息源得最大熵发生在每一个符号等概率出现时,即P(xi)=1/n,信息源有最大熵值。关于连续消息得信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为f(x)就是连续消息出现得概率密度。1、5通信系统主要性能指标根据各种不同得划分标准,通信系统多种多样。如何评价一个通信系统性能得优劣就是选择和使用一个通信系统所面临得首要问题。这就需要找出能够反映通信系统性能得各种技术指标。