通信原理第1章

1、東北東北石油石油大學大學通信原理通信原理通信工程教研室參考資料參考資料v 沈振元沈振元.通信系統(tǒng)原理，西電出版社通信系統(tǒng)原理，西電出版社v 1、西安電子科技大學通信原理網(wǎng)站、西安電子科技大學通信原理網(wǎng)站(9/txgc/)2、東南大學通信原理網(wǎng)站、東南大學通信原理網(wǎng)站(http:/ 無線資訊網(wǎng)無線資訊網(wǎng)http:/ Theory/crose/index545.html9、楊百翰大學的、楊百翰大學的Analog and Digital Communications/

2、ee/class/ee444/10、麻省理工學院麻省理工學院“開放式課程網(wǎng)頁開放式課程網(wǎng)頁” | 主要課程列表主要課程列表/cocw/mit/Global/all-courses.htm教學內(nèi)容和學時分配教學內(nèi)容和學時分配 緒論緒論 4學時學時1 隨機過程隨機過程 8學時學時2 信道信道 4學時學時3 模擬調(diào)制系統(tǒng)模擬調(diào)制系統(tǒng) 8學時學時45 正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)正弦載波數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)1212學時學時( (實驗實驗2 2學時）學時）67 差錯控制編碼差錯控制編碼 8學時學時8數(shù)字數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng) 10學時（實驗學時（實驗2學時）學時）第第1章章

3、 緒論緒論第第1章章 緒論緒論v1.1 通信的基本概念通信的基本概念 v1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 v1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式 v1.4 信息及其度量信息及其度量 v1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 tm(t)t 由一地向另一地由一地向另一地進行消息的有效傳進行消息的有效傳遞。遞。 利用電子等技術(shù)手利用電子等技術(shù)手段，借助電信號（含段，借助電信號（含光信號）實現(xiàn)從一地光信號）實現(xiàn)從一地向另一地進行消息的向另一地進行消息的有效傳遞。有效傳遞。通信定義通信定義1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成1.2.1

4、1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型1.2.2 1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型1 1、信息源、信息源（簡稱信源，消息的發(fā)源地）（簡稱信源，消息的發(fā)源地） 作用作用：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。 根據(jù)消息的種類不同，信源可根據(jù)消息的種類不同，信源可分為分為模擬信源模擬信源（話（話筒：聲音筒：聲音音頻信號音頻信號）和）和數(shù)字信源數(shù)字信源（電傳機：鍵盤字（電傳機：鍵盤字符符數(shù)字信號）。數(shù)字信號）。1.2.1 通信系

5、統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型受信者受信者（信宿）（信宿） 功能：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如電話功能：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如電話機的聽筒（音頻信號機的聽筒（音頻信號 聲音）等。聲音）等。1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備 作用：把原始電信號轉(zhuǎn)換成適合于在信道中傳輸作用：把原始電信號轉(zhuǎn)換成適合于在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｍǔ０ň幋a、調(diào)制、放大等設(shè)備。的信號。通常包括編碼、調(diào)制、放大等設(shè)備。1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型接收設(shè)備接收設(shè)備 功能：從受到減損的接收信號中正確恢復出原始功能：從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。電信號。1

6、.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型信道信道 傳輸信號的各種傳輸信號的各種物理媒質(zhì)物理媒質(zhì) 作用：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端。作用：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端。 信道分：信道分：有線信道有線信道和和無線信道無線信道兩大類。兩大類。6 6、噪聲源、噪聲源 集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換：模擬通信系統(tǒng)中兩種重要變換： （1）連續(xù)消息和）連續(xù)消息和原始的電信號原始的電信號之間的相互變換

7、；之間的相互變換； （2）基帶信號基帶信號到已調(diào)信號（帶通信號或頻帶信到已調(diào)信號（帶通信號或頻帶信號）的變換；號）的變換；v已調(diào)信號已調(diào)信號(帶通信號或頻帶信號帶通信號或頻帶信號)有三個基本特性：有三個基本特性： （1）攜帶有信息；）攜帶有信息； （2）適合在信道中傳輸；）適合在信道中傳輸； （3）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。）頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。v 1. 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 （1）抗干擾能力強，且噪聲不積累）抗干擾能力強，且噪聲不積累 （2）傳輸差錯可控（信道編碼技術(shù)）傳輸差錯可控（信道編碼技術(shù)） （3）便于用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字信息進行處理、變換、存儲）便于

8、用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)對數(shù)字信息進行處理、變換、存儲 （4）易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕）易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕 （5）易于加密處理，且保密性好）易于加密處理，且保密性好v 2. 缺點缺點 （1）需要較大的傳輸帶寬）需要較大的傳輸帶寬 （2）系統(tǒng)設(shè)備復雜）系統(tǒng)設(shè)備復雜(由于需要嚴格的同步，對同步要求高由于需要嚴格的同步，對同步要求高) 1.3.1 1.3.1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 1 1、按通信業(yè)務(wù)分類、按通信業(yè)務(wù)分類 電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。 目前，已實現(xiàn)了業(yè)務(wù)綜合，即把各種

9、通信業(yè)務(wù)（電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)、圖像）綜目前，已實現(xiàn)了業(yè)務(wù)綜合，即把各種通信業(yè)務(wù)（電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)、圖像）綜合在一個網(wǎng)內(nèi)進行傳輸。其中，電話通信網(wǎng)是一種電信業(yè)務(wù)量最大、服務(wù)面積最廣的專業(yè)合在一個網(wǎng)內(nèi)進行傳輸。其中，電話通信網(wǎng)是一種電信業(yè)務(wù)量最大、服務(wù)面積最廣的專業(yè)網(wǎng)，可兼容其它許多種非話業(yè)務(wù)網(wǎng)。網(wǎng)，可兼容其它許多種非話業(yè)務(wù)網(wǎng)。 2 2、按調(diào)制方式分類、按調(diào)制方式分類 根據(jù)信道中傳輸?shù)男盘柺欠窠?jīng)過調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為根據(jù)信道中傳輸?shù)男盘柺欠窠?jīng)過調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng)（如：市內(nèi)電（如：市內(nèi)電話、有線廣播）和話、有線廣播）和帶通（頻帶或調(diào)制）傳輸系統(tǒng)帶通（頻帶或調(diào)制

10、）傳輸系統(tǒng)。連續(xù)波連續(xù)波脈沖序列脈沖序列線性線性 AM，DSB，SSB，VSB非線性非線性 FM，PMASK，F(xiàn)SK，PSK，QAM模擬模擬數(shù)字數(shù)字模擬模擬數(shù)字數(shù)字PAM，PDM，PPMPCM，DPCM，M1.3.1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 3 3、按信號特征分類、按信號特征分類 模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng) 4 4、 按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(zhì)分類 有線通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)（市內(nèi)電話、有線電視等）和（市內(nèi)電話、有線電視等）和無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)（短波（短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等）電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等） 5 5、 按工作波段分類按工

11、作波段分類 按照通信設(shè)備的工作頻率或波長不同，分為：按照通信設(shè)備的工作頻率或波長不同，分為：長波通信、中波通長波通信、中波通信、短波通信、遠紅外線通信等信、短波通信、遠紅外線通信等。（表。（表1-21-2） 信號的波長與信號的頻率、光速的關(guān)系：信號的波長與信號的頻率、光速的關(guān)系： ffc81036、 按信號復用方式分類按信號復用方式分類 復用是把多路信號同時傳輸?shù)姆绞?，復用是把多路信號同時傳輸?shù)姆绞剑瑐鬏敹嗦沸盘栍腥齻鬏敹嗦沸盘栍腥N復用方式：種復用方式：頻分復用、時分復用和碼分復用。頻分復用、時分復用和碼分復用。 說明說明：同一個通信系統(tǒng)可以分屬于不同的分類，例：同一個通信系統(tǒng)可以分屬于不同

12、的分類，例：AMAM廣播系統(tǒng)，既是中短波通信系統(tǒng)，也是模擬通信系統(tǒng)和帶廣播系統(tǒng)，既是中短波通信系統(tǒng)，也是模擬通信系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)。通傳輸系統(tǒng)。1.3.1 通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類1 1、按消息傳遞的方向與時間關(guān)系劃分、按消息傳遞的方向與時間關(guān)系劃分單工通信單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑合⒅荒軉畏较騻鬏數(shù)墓ぷ鞣绞桨腚p工通信半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式（雙向、不同時）發(fā)的工作方式（雙向、不同時） 全雙工通信全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式 1.3.2 通信方式通

13、信方式通信方式通信方式指通信雙方之間的工作方式或信號傳輸方式指通信雙方之間的工作方式或信號傳輸方式2、（在數(shù)據(jù)通信中）、（在數(shù)據(jù)通信中）按數(shù)據(jù)碼元傳輸方式不同劃分按數(shù)據(jù)碼元傳輸方式不同劃分 并行傳輸并行傳輸：在：在并行信道并行信道上同時傳輸上同時傳輸n個個bit。 優(yōu)點優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，傳輸速度快：節(jié)省傳輸時間，傳輸速度快缺點缺點：需要：需要 n 條通信線路，成本高條通信線路，成本高 應(yīng)用應(yīng)用：設(shè)備之間的近距離通信，如：設(shè)備內(nèi)部、芯片之間、計：設(shè)備之間的近距離通信，如：設(shè)備內(nèi)部、芯片之間、計算機和打印機之間數(shù)據(jù)的傳輸。算機和打印機之間數(shù)據(jù)的傳輸。1.3.2 通信方式通信方式 串行傳輸串行傳輸

14、 ：將數(shù)字信號碼元序列以將數(shù)字信號碼元序列以串行方式串行方式一個碼元接一個碼一個碼元接一個碼元地在元地在一條信道一條信道上傳輸上傳輸 優(yōu)點優(yōu)點：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用，：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費用，成本低成本低缺點缺點：速度慢，需要外加：速度慢，需要外加碼組或字符碼組或字符同步措施同步措施 應(yīng)用應(yīng)用：遠距離的數(shù)字傳輸：遠距離的數(shù)字傳輸1.3.2 通信方式通信方式1.4 信息及其度量信息及其度量1 1、信息、信息 消息中包含的有效內(nèi)容，或是受信者預先不消息中包含的有效內(nèi)容，或是受信者預先不知而待知的內(nèi)容。知而待知的內(nèi)容。2 2、信息與消息的關(guān)系、信息與消息的關(guān)系 消息是信息的

15、物理表現(xiàn)形式，信息是其內(nèi)涵。消息是信息的物理表現(xiàn)形式，信息是其內(nèi)涵。 不同形式的消息可以包含相同的信息。不同形式的消息可以包含相同的信息。3 3、傳輸信息的多少用、傳輸信息的多少用“信息量信息量”衡量衡量 如何度量消息中所含的信息量？如何度量消息中所含的信息量？ 1.4 信息及其度量信息及其度量如何度量消息中所含的信息量？如何度量消息中所含的信息量？消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)1.4 信息及其度量信息及其度量 4 4、消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)、消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān) I I與與P(x)P(x)之間的關(guān)

16、系具體可以描述為如下規(guī)律：之間的關(guān)系具體可以描述為如下規(guī)律： （1 1）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)； （2 2）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈?。磺耶斝。磺耶攑(x)=1p(x)=1，I=0I=0； p(x)=0p(x)=0，I I無窮無窮 （3 3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息, ,所含信息量等于各獨立所含信息量等于各獨立事件信息量的和。事件信息量的和。)(log)(1logxPxPIaa)2()1() 2() 1(xPIxPIxPxPI1.

17、4 信息及其度量信息及其度量 5 5、信息量的單位信息量的單位 信息量的單位與對數(shù)底數(shù)信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。有關(guān)。 a=2時，時， 信息量的單位為比特信息量的單位為比特(bit)； a=e時，時， 信息量的單位為奈特信息量的單位為奈特(nat)； a=10時，信息量的單位為哈特萊時，信息量的單位為哈特萊(Hartley) 。)(log)(1logxPxPIaa)()(log)(1log22bxPxPIv 例例1 設(shè)二進制離散信源，設(shè)二進制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或或1，求信源每個輸出的信息量。求信源每個輸出的信息量。 解解:二進制等概率時二進制等概率時 即

18、二進制等概時，每個符號的信息量相等，為即二進制等概時，每個符號的信息量相等，為1bit。 工程應(yīng)用中，習慣把一個二進制碼元稱作工程應(yīng)用中，習慣把一個二進制碼元稱作1b5021)0() 1 (. PPbitII150)0() 1 (2.log6、離散消息的度量、離散消息的度量（1）等概率離散消息的度量）等概率離散消息的度量1.4 信息及其度量信息及其度量 當當M = 4時，即時，即4進制波形，進制波形，I = 2比特，比特，當當M = 8時，即時，即8進制波形，進制波形，I = 3比特。比特。 若有若有M個等概率波形（個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立），且每一個波形的出現(xiàn)

19、是獨立的，則傳送的，則傳送M進制波形之一的信息量為進制波形之一的信息量為 若若M是是2的整冪次，即的整冪次，即 M = 2k，則有，則有 )b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb1.4 信息及其度量信息及其度量 當各個符號出現(xiàn)的當各個符號出現(xiàn)的概率不相等概率不相等時，時，計算消息的計算消息的信息量，常用到信息量，常用到平均信息量平均信息量的概念。的概念。 平均信息量：平均信息量：每個符號所含信息量的每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均統(tǒng)計平均值值。（2 2）非等概率離散消息的度量）非等概率離散消息的度量1.4 信息及其度量信息及其度量)(,),(),(,21, 2, 1

20、nnxPxPxPxxxniixP11)( 設(shè)離散信源是一個由設(shè)離散信源是一個由M個符號組成的集個符號組成的集合，其中：合，其中：符號bxPxPxPxPxPxPxPxPxHniiinn122222121)(log)()(log)()(log)()(log)()(且且則平均信息量（信息源的熵）為：則平均信息量（信息源的熵）為：1.4 信息及其度量信息及其度量v例例2 離散信源產(chǎn)生離散信源產(chǎn)生A、B、C三個符號，概率三個符號，概率分別為分別為1/2，1/4，1/4， 且每個符號的出且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。求信源熵?，F(xiàn)都是獨立的。求信源熵。41log4141log4121log21)(222xH符

21、號）/(5 . 1bit1.4 信息及其度量信息及其度量v例例3 離散信源由離散信源由0，1，2，3 四個符號組成，四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8， 且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息某消息010201302130012032101002 1010023102002010312032100120210 的信息量。的信息量。v解解I：此消息中，此消息中，0出現(xiàn)出現(xiàn)23次，次，1出現(xiàn)出現(xiàn)14次，次，2出現(xiàn)出現(xiàn)13次，次，3出現(xiàn)出現(xiàn)7次，共有次，共有57個符號。個符號。1.4 信息及其度量信息及其度量v該消息的

22、信息量為該消息的信息量為)(1088log74log134log1438log232222bitI 每個符號的每個符號的算術(shù)平均信息量算術(shù)平均信息量為為符號）符號位/(89. 157108bitII符號位）/(906. 1bit1.4 信息及其度量信息及其度量v解解II ：若用熵的概念來計算，若用熵的概念來計算， 得得 81log8141log4141log4183log832222H符號）/(906. 1bit則該消息的信息量：則該消息的信息量：)b(64.108906. 157I1.4 信息及其度量信息及其度量 設(shè)設(shè)f(x)為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度，則連續(xù)為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度，則連續(xù)消

23、息的平均信息量為：消息的平均信息量為：dxxfxfxHa)(log)()(1.4 信息及其度量信息及其度量7、連續(xù)消息的度量、連續(xù)消息的度量 1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標 有效性有效性:傳輸一定信息量所占用的頻帶寬度，傳輸一定信息量所占用的頻帶寬度，即頻帶利用率。即頻帶利用率。 可靠性：可靠性：傳輸信息的準確程度。傳輸信息的準確程度。 不同的通信系統(tǒng)對有效性和可靠性的要求及不同的通信系統(tǒng)對有效性和可靠性的要求及度量方法也不盡相同。度量方法也不盡相同。 1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標1.5.1 有效性有效性1.5.2 可靠性可靠性 傳輸同樣的信源信號，所需的

24、傳輸同樣的信源信號，所需的傳輸帶寬傳輸帶寬越小，越小，頻帶利用率越高，有效性越好。頻帶利用率越高，有效性越好。 信號帶寬信號帶寬與調(diào)制方式有關(guān)。與調(diào)制方式有關(guān)。1.5.1 有效性有效性頻帶利用率：頻帶利用率：單位帶寬（每赫）內(nèi)的傳輸速率。單位帶寬（每赫）內(nèi)的傳輸速率。）（HzBBR/B）（HzsbBRb/b1.5.1 有效性有效性碼元傳輸速率（碼元速率、傳碼率、波特率）碼元傳輸速率（碼元速率、傳碼率、波特率） 定義：定義：單位時間內(nèi)（每秒）傳輸碼元的數(shù)目；單位時間內(nèi)（每秒）傳輸碼元的數(shù)目； 單位：單位：波特（波特（BaudBaud）T TB B為碼元寬度，即每個碼元的長度為碼元寬度，即每個碼元

25、的長度BBTR11.5.1 有效性有效性信息傳輸速率（傳信率、比特率）信息傳輸速率（傳信率、比特率） 定義：定義：單位時間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘浚粏挝粫r間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘浚?單位：單位：比特比特/秒秒(bit/s) ，簡記為，簡記為b/s或或bps； 符號：符號： , ,它它與進制數(shù)與進制數(shù)M有關(guān)。有關(guān)。bR1.5.1 有效性有效性與與 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：一個一個M進制碼元攜帶的信息量進制碼元攜帶的信息量 在數(shù)值上有如下關(guān)系：在數(shù)值上有如下關(guān)系：bRBR)/(log2sbMRRBb）（BMRRB2blogM2log1.5.1 有效性有效性解解: (1)(1)在在2 260s60s內(nèi)傳送了內(nèi)傳送了72 00072 000個碼元個碼元R RB2B2=72 000/(2=72 000/(260)=600 (B)60)=600 (B)R Rb2b2= =R RB2B2=600 (b/s) =600 (b/s) 例例4 4 已知二進制數(shù)字信號在已知二進制數(shù)字信號在2min2min內(nèi)共傳送內(nèi)共傳送7200072000個碼元，個碼元，（1 1）碼元速率和信息速率各為多少）碼元速率和信息速率各為多少? ?（2 2）如果碼元寬度不變）如果碼元寬度不變( (即碼元速率不變即碼元速率不變) )，但改為八進，但改為八進制數(shù)字信號，則其碼元速率為多少制數(shù)字信號，則其碼元速率為多少? ? 信息速率