通信原理--第1章 緒論

1、1歡迎各位同學(xué)光臨歡迎各位同學(xué)光臨通信原理通信原理課程課程禹思敏禹思敏2 前前 言言 本電子教案是應(yīng)本電子教案是應(yīng)西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社邀請邀請，計劃將于，計劃將于2008年底出版一部有關(guān)適合于一般本科年底出版一部有關(guān)適合于一般本科院校的院校的通信原理通信原理教材而編寫的。目前，已出版教材而編寫的。目前，已出版的許多有關(guān)的許多有關(guān)通信原理通信原理教材（包括我們正在使用教材（包括我們正在使用的教材）不太適合于一般本科院校的教學(xué)，主要問的教材）不太適合于一般本科院校的教學(xué)，主要問題是這些教材在內(nèi)容安排方面一般都偏深偏難，教題是這些教材在內(nèi)容安排方面一般都偏深偏難，教材體系龐大

2、而繁雜、講究面面俱到、數(shù)學(xué)推導(dǎo)過于材體系龐大而繁雜、講究面面俱到、數(shù)學(xué)推導(dǎo)過于抽象。為了解決這一問題，本人編寫了這部電子教抽象。為了解決這一問題，本人編寫了這部電子教案。案。 本教案不追求過高過深的內(nèi)容，力求以講清楚本教案不追求過高過深的內(nèi)容，力求以講清楚基本概念、基本內(nèi)容和基本方法為主要目標(biāo)，從而基本概念、基本內(nèi)容和基本方法為主要目標(biāo)，從而達(dá)到便于教學(xué)和學(xué)習(xí)之目的。達(dá)到便于教學(xué)和學(xué)習(xí)之目的。 本教案僅僅是一個教學(xué)改革的嘗試，期待同學(xué)本教案僅僅是一個教學(xué)改革的嘗試，期待同學(xué)們與老師的合作與努力。謝謝！們與老師的合作與努力。謝謝！3第第1章章 緒緒 論論1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.1

3、.1 通信的定義通信的定義 利用電子技術(shù)手段，借助電信號實現(xiàn)利用電子技術(shù)手段，借助電信號實現(xiàn)從一地向另一地進行信息的從一地向另一地進行信息的有效有效而而可靠可靠的的傳輸與交換稱為通信。傳輸與交換稱為通信。4語言語言文字文字圖像圖像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)等等等等它們不它們不能直接能直接傳輸在傳輸在發(fā)送端發(fā)送端需要將需要將它們轉(zhuǎn)它們轉(zhuǎn)換成為換成為電信號電信號語音語音和圖和圖像信像信號都號都是電是電信號信號經(jīng)信道經(jīng)信道傳輸?shù)絺鬏數(shù)浇邮斩私邮斩嗽賹⑵湓賹⑵溥€原成還原成語音或語音或者圖像者圖像信號等信號等5無線通信有線通信按傳輸媒質(zhì)分?jǐn)?shù)字通信模擬通信按所傳信號分微波通信等短波通信中波通信長波通信按工作頻率分1.1.2

4、 通信的分類通信的分類6頻帶傳輸基帶傳輸按是否調(diào)制分移動通信固定通信按接收信號是否運動分)()()(CDMATDMAFDMA碼分多址通信時分多址通信頻分多址通信按多址方式分71.1.3 通信與傳輸方式通信與傳輸方式1、單工通信方式、單工通信方式 單工通信，是指消息只能單方向進行傳送的一種單工通信，是指消息只能單方向進行傳送的一種通信工作方式，如下圖所示。例如目前的廣播、電視通信工作方式，如下圖所示。例如目前的廣播、電視等仍屬于單工通信方式。等仍屬于單工通信方式。發(fā)送端發(fā)送端信道信道接收端接收端82、半雙工通信方式、半雙工通信方式 半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)信息，但半雙工通信，是指通信雙方

5、都能收發(fā)信息，但不能同時進行收和發(fā)的形式，如下圖所示。如對講不能同時進行收和發(fā)的形式，如下圖所示。如對講機，收發(fā)報機等都是這種通信方式。機，收發(fā)報機等都是這種通信方式。 接收端接收端信道信道發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端93、全雙工通信方式、全雙工通信方式 全雙工通信，是指通信信雙方可同時進行雙全雙工通信，是指通信信雙方可同時進行雙向傳輸信息的工作方式如普通電話、手機等。向傳輸信息的工作方式如普通電話、手機等。發(fā)送端發(fā)送端信道信道接收端接收端接收端接收端發(fā)送端發(fā)送端104、傳輸方式：串行傳輸與并行傳輸、傳輸方式：串行傳輸與并行傳輸發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端101101011010110并行

6、傳輸并行傳輸串行傳輸串行傳輸發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端1011011利用串利用串/并和并并和并/串轉(zhuǎn)換實現(xiàn)并行傳輸或串行傳輸串轉(zhuǎn)換實現(xiàn)并行傳輸或串行傳輸串/并串/并轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn) 換并/串并/串轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn) 換10110信源信源1 0 1 1 0串行傳輸串行傳輸1 0 1 1 01 0 1 1 0公共通道公共通道并行傳輸并行傳輸信宿信宿1 0 1 1 0串行傳輸串行傳輸發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端12利用串利用串/并和并并和并/串轉(zhuǎn)換實現(xiàn)并行傳輸或串行傳輸串轉(zhuǎn)換實現(xiàn)并行傳輸或串行傳輸1 0 1 1 0公共通道公共通道串行傳輸串行傳輸信源信源并/串并/串轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn) 換101101 0 1 1 01 0 1 1 0

7、發(fā)送端發(fā)送端串/并串/并轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn) 換信宿信宿101101 0 1 1 01 0 1 1 0接收端接收端舉例說明：利用移位寄存器就可實現(xiàn)串舉例說明：利用移位寄存器就可實現(xiàn)串/并或并并或并/串轉(zhuǎn)換串轉(zhuǎn)換131.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成1.2.1 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng):傳輸與處理模擬信號的通信系統(tǒng)稱為傳輸與處理模擬信號的通信系統(tǒng)稱為 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng).模擬模擬調(diào)制器調(diào)制器信道信道接收端接收端信源信源噪聲噪聲模擬模擬解調(diào)器解調(diào)器模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)141.2.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng):傳輸與處理數(shù)字信號的通信系統(tǒng)稱傳輸與處理數(shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為為 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)

8、.信信源源數(shù)數(shù)字字加加密密器器數(shù)數(shù)字字編編碼碼器器數(shù)數(shù)字字調(diào)調(diào)制制器器數(shù)數(shù)字字信信道道數(shù)數(shù)字字解解調(diào)調(diào)器器數(shù)數(shù)字字譯譯碼碼器器數(shù)數(shù)字字解解密密器器信信宿宿噪聲噪聲151.2.3 模擬信號的數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模擬信號的數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng).信信源源模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換數(shù)字?jǐn)?shù)字通信通信系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)數(shù)模模轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換信信宿宿模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)161.2.4 數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點1、主要優(yōu)點：、主要優(yōu)點：（1）抗干擾能力強（舉例說明）抗干擾能力強（舉例說明）（2）可糾錯編碼）可糾錯編碼（3）可進行數(shù)據(jù)存貯）可進行數(shù)據(jù)存貯（4）易加密）易加密（5）便于數(shù)字信號處理）便于數(shù)字信號處理2、主要

9、缺點：、主要缺點：（1）占用較寬的頻帶（舉例說明）占用較寬的頻帶（舉例說明）（2）需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)）需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)17抗干擾能力強是數(shù)字信號的主要優(yōu)點：抗干擾能力強是數(shù)字信號的主要優(yōu)點： 數(shù)字信號在中繼或接收端利用判決系統(tǒng)進行判數(shù)字信號在中繼或接收端利用判決系統(tǒng)進行判 1 或判或判 0 ，實現(xiàn)整形和再生，只要干擾不是太大，實現(xiàn)整形和再生，只要干擾不是太大，就能恢復(fù)出原信號，因為它是二值電平，而模擬信就能恢復(fù)出原信號，因為它是二值電平，而模擬信號由于是連續(xù)信號，則一般較難恢復(fù)。號由于是連續(xù)信號，則一般較難恢復(fù)。 用判決系統(tǒng)恢復(fù)原數(shù)字信號的判決方法是：若用判決系統(tǒng)恢復(fù)原數(shù)字信號的判決方法是：

10、若信號電平大于判決電平，則判為信號電平大于判決電平，則判為 1 ，若信號電平小，若信號電平小于判決電平，則判為于判決電平，則判為 0 。從而可得到下面圖中所恢。從而可得到下面圖中所恢復(fù)的波形，只干擾不是太大，超出判決電平的范圍復(fù)的波形，只干擾不是太大，超出判決電平的范圍就能完全恢復(fù)出原數(shù)字信號。就能完全恢復(fù)出原數(shù)字信號。18經(jīng)信道經(jīng)信道傳輸后傳輸后干擾干擾信號信號判決系統(tǒng)判決系統(tǒng)整形再生整形再生011100011100判決判決電平電平經(jīng)信道經(jīng)信道傳輸后傳輸后能否能否 恢復(fù)? 恢復(fù)?19占用較寬的頻帶是數(shù)字信號的主要缺點：占用較寬的頻帶是數(shù)字信號的主要缺點：011100(1)數(shù)字信號帶寬(1)數(shù)

11、字信號帶寬T帶寬為帶寬為B=1/T,即數(shù)字信號的,即數(shù)字信號的帶寬與信號碼元寬度成反比帶寬與信號碼元寬度成反比(2)模擬信號帶寬(2)模擬信號帶寬tf(t)fF( f )fm(3)取樣定理(3)取樣定理tf(t)4.14.96.2mSSffT2111001011100TS2TS3TS20倍對應(yīng)的模擬信號帶寬的即數(shù)字信號的帶寬是相帶寬為其相對應(yīng)的數(shù)字信號的位編碼采用將其數(shù)字后為例如設(shè)語言信號的帶寬則其帶寬為位編碼若采用則數(shù)字信號的帶寬為寬度為的碼元假設(shè)采用三位編碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)1664482162, 8,8,422,231231313)(A/D )4(kHzfNfBNkHzfNffNBNfT

12、BffTTmmdmmmdmddmSSd211.3 通信技術(shù)發(fā)展趨勢通信技術(shù)發(fā)展趨勢1、光纖通信、光纖通信2、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星通信3、移動通信、移動通信4、微波中繼通信、微波中繼通信5、擴頻通信、擴頻通信6、保密通信、保密通信221.4 信息及其定量描述信息及其定量描述 根據(jù)根據(jù)Shannon的信息理論，信息是可進行定量描述。的信息理論，信息是可進行定量描述。 信息量的大小與事件出現(xiàn)的概率有關(guān)，有如下規(guī)律：信息量的大小與事件出現(xiàn)的概率有關(guān)，有如下規(guī)律：（1）信息量）信息量I是事件出現(xiàn)概率是事件出現(xiàn)概率P(x)的函數(shù)：的函數(shù)： I=IP(x)（2）事件出現(xiàn)的概率越小，所含信息量越大，反之亦然）事件出

13、現(xiàn)的概率越小，所含信息量越大，反之亦然 （舉例說明：劉翔得金牌，廣州下雪等）（舉例說明：劉翔得金牌，廣州下雪等）（3）信息量滿足疊加性：）信息量滿足疊加性： I=IP1(x) P2(x) Pn(x)=IP1(x)+IP2(x)+IPn(x)23 根據(jù)以上三點，可得信息量的定量表達(dá)式為根據(jù)以上三點，可得信息量的定量表達(dá)式為)()()(1log2比特bitxpI 例例1-1 等概二進制和等概二進制和M進制時每個符號的信息量：進制時每個符號的信息量：（1）等概二進制：）等概二進制：)(12log)0() 1 (2/1)0() 1 (2bitIIpp這就是大家熟悉的結(jié)論：每一個二進制碼元這就是大家熟悉

14、的結(jié)論：每一個二進制碼元提供一比特的信息量。提供一比特的信息量。24（2）等概）等概M進制進制等等若若),(3, 8),(2, 4)( log)2() 1 (/1)()2() 1 (2bitIMbitIMbitMIIMMPPP例例1-2 非等概二進制符號的信息量：非等概二進制符號的信息量：)()1 (log11log)0(1log)0()(log1log) 1 (1log) 1 (1)0(,) 1 (222222bitPPpIbitPPpIPpPp25非等概時的平均信息量：非等概時的平均信息量：設(shè)各個符號出現(xiàn)的概率為設(shè)各個符號出現(xiàn)的概率為niiiniiiniinnxpxpxpxpIxpxpxp

15、xpxxx121212121)(log)()(1log)(:)(1)()()()(則平均信息量可表為必然事件26)/(875. 1164164832121 ) !,log,1()2 ,2:( 16log16116log1618log814log412log21 16log16116log1618log814log412log21: 161 161 81 41 21 E D C BA ,5 3122222符號是錯誤的沒有這種記法注意書中的符號常常不寫為底時約定解求信源的平均信息量相應(yīng)概率為個符號組成的信息源設(shè)由例bitbII27例例14 一信息源由四個符號一信息源由四個符號 A、B、C、D 組組

16、成，它們出現(xiàn)的概率為成，它們出現(xiàn)的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且，且每個符號出現(xiàn)都是獨立的。試求信息源輸出為每個符號出現(xiàn)都是獨立的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABCADCBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。的信息量。28)/(88. 157/36.107/)(36.107)()()()()(28.21757log7)(:)(72.271357log13)(:)(35.281457log14)(:)(11.302357log23)(:,57,7,13,14,23,.)(: ) 1 ( :符號符號總數(shù)息量為則每一個符號的平

17、均信量為則該信源提供總的信息所提供的信息量為出現(xiàn)所提供的信息量為出現(xiàn)所提供的信息量為出現(xiàn)所提供的信息量為出現(xiàn)則個共有次出現(xiàn)次出現(xiàn)次出現(xiàn)次出現(xiàn)在信源輸出的序列中來計算頻度用符號出現(xiàn)的次數(shù)方法一解bitIIbitDICIBIAIIbitDIDbitCICbitBIBbitAIADCBA29.,.,m,: )3()(11157:),/(90. 18log814log414log4138log83.: )2(必須掌握用的近似方法方法一是一種較常但從另一方面看方法二的結(jié)果相同方法一才能和時只有當(dāng)符號總數(shù)一個近似結(jié)果而方法一只是方法二顯然準(zhǔn)確兩種方法的比較總的信息量為符號算用符號出現(xiàn)的概率來計方法二bit

18、IIbitI301.5 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 通信系統(tǒng)有多個性能指標(biāo)，其中有效性和可通信系統(tǒng)有多個性能指標(biāo)，其中有效性和可靠性是兩個最為重要的指標(biāo)，必須掌握?？啃允莾蓚€最為重要的指標(biāo)，必須掌握。 有效性和可靠性往往是矛盾的，不可兼得。有效性和可靠性往往是矛盾的，不可兼得。研究通信系統(tǒng)的目標(biāo)是：使有效性和可靠性達(dá)到研究通信系統(tǒng)的目標(biāo)是：使有效性和可靠性達(dá)到最優(yōu)化。最優(yōu)化。一、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)一、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo) 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)可用傳輸速率來數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)可用傳輸速率來衡量。傳輸速率越高，則有效性越好。通常有以衡量。傳輸速率越高，則有效性

19、越好。通常有以下三個不同的角度來定義傳輸速率：下三個不同的角度來定義傳輸速率：31 1、碼元傳輸速率、碼元傳輸速率RB 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、數(shù)碼碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、碼率、信號速率或波形速率，用符率、傳碼率、碼率、信號速率或波形速率，用符號號RB來表示。來表示。碼元速率是指單位時間（每秒鐘）碼元速率是指單位時間（每秒鐘）內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），常用），常用符號符號“ B ”表示（注意，不能用小寫）。例如，表示（注意，不能用小寫）。例如，某系統(tǒng)在某系統(tǒng)在 2 秒內(nèi)共傳送秒內(nèi)共傳送 4800個碼元，則系統(tǒng)的傳

20、個碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為碼率為2400B。 數(shù)字信號一般有二進制與多進制之分，但碼數(shù)字信號一般有二進制與多進制之分，但碼元速率元速率RB與信號的進制數(shù)無關(guān)，只與碼元寬度與信號的進制數(shù)無關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān)。請見下面的圖示。有關(guān)。請見下面的圖示。32tf1(t)tf2(t)100111120230TbbBBTRR14233.log,log,log,)(,)( log ,)(, 2222倍進制所需帶寬的二進制所需帶寬是下在傳送相同信息的情況者說或倍小比二進制的碼率進制的碼率說或者倍大進制的碼率要比二進制的碼率的情況下即信息速率不變在傳送相同信息上式說明轉(zhuǎn)換關(guān)系為相互可以轉(zhuǎn)換變的情況下在保證系統(tǒng)

21、信息速率不間之與二進制碼元速率碼元速率多進制進制有必要說明碼元的率時通常在給出系統(tǒng)碼元速NNNRRNNRNRBNRRRRNBBNBNBBNBBBN注意這個前提！注意這個前提！34 2、信息傳輸速率、信息傳輸速率Rb 信息傳輸速率簡稱信息速率，又可稱為信息傳輸速率簡稱信息速率，又可稱為傳信率、比特傳信率、比特率率等。用符號等。用符號 Rb 表示。表示。 Rb 是指單位時間（每秒鐘）內(nèi)傳是指單位時間（每秒鐘）內(nèi)傳送的信息量，單位為比特秒（送的信息量，單位為比特秒（bits），簡記為），簡記為 bs 或或bps。例如，若某信源在。例如，若某信源在 1 秒鐘內(nèi)傳送秒鐘內(nèi)傳送 1200 個符號，且每個符

22、號，且每個符號的平均信息量為個符號的平均信息量為 1 bit，則該信源的，則該信源的 Rb=1200bs或或1200bps。 因為信息量與信號進制數(shù)因為信息量與信號進制數(shù) N有關(guān)，因此，信息傳輸速有關(guān)，因此，信息傳輸速率率Rb 也與也與 N有關(guān)。有關(guān)。35NRRNRRRRNRRRRRRRRbbNbNbbNbBNbNbNBNbBBblog log , (3) log , (2) ., (1) . 322222之間的關(guān)系為與多進制信息速率二進制信息速率情況下在碼元速率保持不變的它們之間在數(shù)值上滿足相同單位也不在數(shù)值上不相等與在多進制中但單位不同相等在數(shù)值上與信息速率碼元速率在二進制中之間的互換與3

23、6 4、頻帶利用率、頻帶利用率 頻帶利用率指的是傳輸效率問題，也就是說，我頻帶利用率指的是傳輸效率問題，也就是說，我們不僅關(guān)心通信系統(tǒng)的傳輸速率，還要看在這樣的傳們不僅關(guān)心通信系統(tǒng)的傳輸速率，還要看在這樣的傳輸速率下所占用的信道頻帶寬度是多少。如果頻帶利輸速率下所占用的信道頻帶寬度是多少。如果頻帶利用率高，說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，用率高，說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，反之亦然反之亦然。 頻帶利用率的定義是單位頻帶內(nèi)頻帶利用率的定義是單位頻帶內(nèi)信息信息傳輸速率的傳輸速率的大小，即大小，即 =Rb / B （b/（s.Hz） （1）37.log , ) 1 ( .log, )2( .log),1 (

24、,log , ) 1 ( ?, 2倍進制的頻帶利用率的進制的頻帶利用率是二同樣得根據(jù)公式倍進制頻帶的但是二進制的頻帶則為的信息速率相同進制二進制與況下若在信息速率相同的情倍用率的用率是二進制的頻帶利進制的頻帶利得根據(jù)公式倍的信息速率是二進制進制的信息速率但均為的頻帶相同進制二進制與況下若在碼元速率相同的情高哪個低進制的頻帶利用率哪個說明二進制與下面我們舉一例來重要頻帶利用率的概念非常NNNNNNNNRRNBNNbbN38., , ,N,., . ,log,.log:, 誤碼率必然會提高個電平判決進制則為而碼率低誤二制制是二個電平判決主要原因是進制的可靠性高傳送二進制要比傳送必然會降低可靠性提高了有效性不可兼得可靠性是一對矛盾但通信系統(tǒng)的有效性和提高通信的有效性進制來我們希望通過傳送從這個角度來說倍高進制的有效性要進制的有效性比傳送二傳送也就是說倍進制的頻帶利用率要高進制的頻帶利用率比二我們可得出如下結(jié)論不論從哪個角度去分析因此NNNNNNN39 )/(180036008log )(60060272000 ,8(2) )/(600 )(60060272000 720002(1) ?,),()2(?) 1 (:,720002 512888222sbRRBRsbRRBRBbBBbB則進制若改為個碼元分鐘內(nèi)傳送了在解信息速率又為多少則其碼元速率為多少信號但改為八進制數(shù)字即碼