第一章 通信原理

1、通通 信信 原原 理理一、課程教學目的與作用一、課程教學目的與作用 電子信息類電子工程、通信工程專業(yè)學生開設的電子信息類電子工程、通信工程專業(yè)學生開設的一門主干一門主干學科基礎課學科基礎課。 理論：理論：通信系統(tǒng)基礎理論知識，典型通信系統(tǒng)的組成、通信系統(tǒng)基礎理論知識，典型通信系統(tǒng)的組成、工作原理、性能特點、基本分析方法、工程計算方法工作原理、性能特點、基本分析方法、工程計算方法。 能力：能力：掌握通信原理的基礎知識和基本技能，掌握通信掌握通信原理的基礎知識和基本技能，掌握通信系統(tǒng)分析問題的一般方法。系統(tǒng)分析問題的一般方法。 橋梁作用：橋梁作用：為為理解、研究、設計理解、研究、設計各種通信系統(tǒng)奠

2、定必要各種通信系統(tǒng)奠定必要的基礎。的基礎。二、參考文獻二、參考文獻 1.曹志剛曹志剛. 現(xiàn)代通信原理現(xiàn)代通信原理. 清華大學出版社清華大學出版社 2.沈振元沈振元. 通信系統(tǒng)原理通信系統(tǒng)原理. 西安電子科大出版社西安電子科大出版社 3. John G.Proakis （ 普羅科斯）. 數字通信（第五版）數字通信（第五版） 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社三、學習方法三、學習方法 及時復習、做習題、參考學習網站、追蹤現(xiàn)代通信技術及時復習、做習題、參考學習網站、追蹤現(xiàn)代通信技術等。等。先修知識：先修知識：概率與數理統(tǒng)計、信號與線性系統(tǒng)、數字電路、通信電子線路。概率與數理統(tǒng)計、信號與線性系統(tǒng)、數字電路、

3、通信電子線路。 信息信息(Message)(Message)：人們待知的消息的內容。：人們待知的消息的內容。消息消息(Information)(Information)：用以表達信息的某種物理形式。：用以表達信息的某種物理形式。什么是通信？什么是通信？ 通信的要求通信的要求 可靠可靠: :盡可能準確無誤！盡可能準確無誤！ 有效有效: :盡可能多而快！盡可能多而快！寬泛意義的通信寬泛意義的通信還包括信號變換、檢測、處理、識別等。還包括信號變換、檢測、處理、識別等。隨著科學技術與社會的發(fā)展，隨著科學技術與社會的發(fā)展，對通信的要求也越來越高對通信的要求也越來越高。 美國宇航局美國宇航局2005200

4、5年年1 1月月1212日發(fā)射了用來探測彗星的日發(fā)射了用來探測彗星的“深度撞擊深度撞擊”號探測器，它的目標是號探測器，它的目標是“坦普爾一號坦普爾一號”彗星的彗核。彗星的彗核。 “深度撞擊深度撞擊”發(fā)射了一發(fā)發(fā)射了一發(fā)“炮彈炮彈”于于7 7月月4 4日與彗星日與彗星TEMPEL1TEMPEL1在距地球在距地球1.321.32億公里億公里處相撞，并將觀測到的寶貴圖像和數據傳回地球（延時大約處相撞，并將觀測到的寶貴圖像和數據傳回地球（延時大約7474分分鐘）。鐘）。對空通信、衛(wèi)星通信對空通信、衛(wèi)星通信編隊通信、對岸通信編隊通信、對岸通信對潛通信（水聲）對潛通信（水聲）通信偵察、通信對抗通信偵察、通

5、信對抗內部通信（語音、數據、內部通信（語音、數據、圖像）圖像）甲板話音通信甲板話音通信通信的發(fā)展簡史通信的發(fā)展簡史 按照人類交流方式與技術的不同，可以把通信歷史按照人類交流方式與技術的不同，可以把通信歷史劃分以下幾個階段：劃分以下幾個階段： 第一階段第一階段 語言語言 第二階段第二階段 文字、郵政文字、郵政 第三階段第三階段 印刷術、出版物印刷術、出版物 第四階段第四階段 電報、電話、廣播電報、電話、廣播 第五階段第五階段 通信與計算機的結合、網絡通信與計算機的結合、網絡莫爾斯發(fā)出第一封莫爾斯發(fā)出第一封電報設備的復制品電報設備的復制品 貝爾獲得電話貝爾獲得電話的專利證書的專利證書 波波夫實驗用

6、的無線電接收機波波夫實驗用的無線電接收機 我國通信的歷史我國通信的歷史18711871年年，英國、俄羅斯、丹麥敷設的香港至上海、長崎至上海的水，英國、俄羅斯、丹麥敷設的香港至上海、長崎至上海的水線，全長線，全長22372237海里。于海里。于18711871年年4 4月，違反清政府不得登陸的規(guī)定，月，違反清政府不得登陸的規(guī)定，由丹麥大北電報公司出面，秘密從海上將海纜引出，沿揚子江、黃由丹麥大北電報公司出面，秘密從海上將海纜引出，沿揚子江、黃浦江敷設到上海市內登陸，并在南京路浦江敷設到上海市內登陸，并在南京路1212號設立報房。于號設立報房。于18711871年年6 6月月3 3日開始通報。這是

7、帝國主義入侵中國的第一條電報水線和在上海日開始通報。這是帝國主義入侵中國的第一條電報水線和在上海租界設立的電報局。租界設立的電報局。 18751875年年，福建巡撫丁日昌積極倡導創(chuàng)辦電報。，福建巡撫丁日昌積極倡導創(chuàng)辦電報。18751875年在福建船政學年在福建船政學堂附設了電報學堂，培訓電報技術人員。這是中國第一所電報學堂。堂附設了電報學堂，培訓電報技術人員。這是中國第一所電報學堂。 我國通信的歷史我國通信的歷史18991899年年，我國最早使用無線電通信的地區(qū)是廣州。早在，我國最早使用無線電通信的地區(qū)是廣州。早在18991899年年，就在廣州督署、馬口、前山、威遠等要塞以及，就在廣州督署、馬

8、口、前山、威遠等要塞以及廣海、寶壁、龍驤、江大、江鞏等江防軍艦上設立無線廣海、寶壁、龍驤、江大、江鞏等江防軍艦上設立無線電機。電機。19081908年年，英商在上海英租界的匯中旅館私設了一部無線，英商在上海英租界的匯中旅館私設了一部無線電臺，與海上船舶通報。后由清政府收買，移裝到上海電臺，與海上船舶通報。后由清政府收買，移裝到上海電報總局內，這是上海地區(qū)最早的無線電臺。電報總局內，這是上海地區(qū)最早的無線電臺。19211921年年1 1月月7 7日日，中國加入國際電報公約，中國加入國際電報公約我國通信的歷史我國通信的歷史19331933年年, ,中國電報通信首次使用打字電報機中國電報通信首次使用

9、打字電報機19501950年年1212月月1212日日，我國第一條有線國際電話電路，我國第一條有線國際電話電路-北京北京至莫斯科的電話電路開通。經由蘇聯(lián)轉接通往東歐各國至莫斯科的電話電路開通。經由蘇聯(lián)轉接通往東歐各國的國際電話電路也陸續(xù)開通。的國際電話電路也陸續(xù)開通。19581958年年，上海試制成功第一部縱橫制自動電話交換機，上海試制成功第一部縱橫制自動電話交換機 ，第一套國產明線第一套國產明線1212路載波電話機研制成功路載波電話機研制成功 19701970年年，我國第一顆人造衛(wèi)星（東方紅，我國第一顆人造衛(wèi)星（東方紅1 1號）發(fā)射成功。號）發(fā)射成功。我國通信的歷史我國通信的歷史198419

10、84年年5 5月月1 1日日，廣州用，廣州用150MHz150MHz頻段開通了我國第一個數頻段開通了我國第一個數字尋呼系統(tǒng)。程控中文電報譯碼機通過鑒定并推廣使用字尋呼系統(tǒng)。程控中文電報譯碼機通過鑒定并推廣使用。首次具備國際直撥功能的編碼縱橫制自動電話交換機。首次具備國際直撥功能的編碼縱橫制自動電話交換機（HJ09HJ09型）研制成功。型）研制成功。19871987年年1111月月，廣州開通了我國第一個移動電話局，首批，廣州開通了我國第一個移動電話局，首批用戶有用戶有700700個。個。 - -我國第一個我國第一個160160人工信息臺在上海投入人工信息臺在上海投入使用。使用。19931993年

11、年9 9月月1919日日, ,我國第一個數字移動電話通信網于在浙我國第一個數字移動電話通信網于在浙江省嘉興市首先開通。江省嘉興市首先開通。19981998年年5 5月月1515日日，北京電信長城，北京電信長城CDMACDMA網商用試驗網網商用試驗網-133-133網，在北京、上海、廣州、西安投入試驗。網，在北京、上海、廣州、西安投入試驗。近年來移動通信的發(fā)展近年來移動通信的發(fā)展一、通信系統(tǒng)一般模型一、通信系統(tǒng)一般模型Source of informationTransmitterChannelReceiver User of informationNoisesource將基帶信號將基帶信號轉變

12、為發(fā)送轉變?yōu)榘l(fā)送信號信號噪聲集中噪聲集中表示表示在背景噪在背景噪聲中提取聲中提取有用信號有用信號基帶信號基帶信號變換為原變換為原始消息始消息有線信道有線信道無線信道無線信道將原始消息將原始消息轉變?yōu)榛鶐мD變?yōu)榛鶐盘栃盘朚odulatorChannelNoise sourceDemodulatorUser of informationSource of information兩個重要變換兩個重要變換連續(xù)消息連續(xù)消息 基帶信號（低通型）基帶信號（低通型）基帶信號基帶信號 頻帶信號（高通型）頻帶信號（高通型）信源信源信宿信宿調制調制解調解調 基帶信號特性 調制、解調原理 信道與噪聲統(tǒng)計特性及其對信

13、號傳輸影響 各類調制方式系統(tǒng)的抗干擾性能（2 2）模擬通信系統(tǒng)主要討論的問題）模擬通信系統(tǒng)主要討論的問題信息源信源編碼信道編碼信道信道譯碼調制器信源解碼解調器噪聲源受信者2. 2. 數字通信系統(tǒng)模型數字通信系統(tǒng)模型 （1 1）數字頻帶通信系統(tǒng)模型）數字頻帶通信系統(tǒng)模型作用作用: :降低信號多余度的降低信號多余度的編碼編碼, , 降低碼元速率，降低碼元速率，以提高信息傳輸的以提高信息傳輸的有效有效性性. . 如：壓縮編碼或如：壓縮編碼或PCMPCM，ADPCMADPCM，M M。由于信道噪聲造成數字信號出現(xiàn)由于信道噪聲造成數字信號出現(xiàn)差錯差錯, , 通過信道編碼來實現(xiàn)糾錯，通過信道編碼來實現(xiàn)糾錯

14、，提高信息傳輸的提高信息傳輸的可靠性可靠性. . 如：線如：線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼等性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼等。各類數字調制方各類數字調制方式。如：式。如：ASKASK、FSKFSK、PSKPSK、QPSKQPSK、QAMQAM、MSKMSK等。等。（2 2）數字基帶通信系統(tǒng)模型）數字基帶通信系統(tǒng)模型 （3 3）數字通信研究的幾個特殊問題）數字通信研究的幾個特殊問題 差錯控制編碼差錯控制編碼 保密通信保密通信 收、發(fā)系統(tǒng)的同步收、發(fā)系統(tǒng)的同步Source of informationChannel User of informationNoise sourceReceivefilterTr

15、ansmitfilter碼型、波碼型、波形變換形變換最佳接收、最佳接收、均衡器均衡器（4 4）數字通信特點）數字通信特點例如例如: :一路模擬電話：一路模擬電話：4KHz,4KHz,一路數字電話：約一路數字電話：約202064KHz64KHz通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式 1.按信號特征數字通信模擬通信有線通信無線通信2.按傳輸媒質一、通信系統(tǒng)分類一、通信系統(tǒng)分類AMSSBDSBVSBFMPMASKFSKPSKDPSKQAMMSK常規(guī)幅度調制單邊帶調制線性調制雙邊帶調制殘留邊帶調制頻率調制非線性調制相位調制振幅鍵控頻移鍵控數字調制相移鍵控、其他高效數字調制、等3.按調制方式分

16、類1.2 通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式PAMPDMPPMPCMDMMDPCM脈幅調制脈沖模擬調制 脈寬調制脈位調制脈碼調制脈沖數字調制 增量調制（）差分脈碼調制1.2 通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式頻分復用（Frequency Division Multiplexing, FDM）時分復用（TDM）碼分復用（CDM）長波通信長波通信中波通信中波通信短波通信短波通信微波通信微波通信光波通信光波通信電報電報電話電話圖像圖像數據數據5.5.按工作頻率按工作頻率6.6.按通信業(yè)務按通信業(yè)務1.2 通信系統(tǒng)的分類及通信方式通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.單工、半雙工和全

17、雙工單工、半雙工和全雙工2.串序傳輸與并序傳輸串序傳輸與并序傳輸發(fā)送設備接收設備(a)串行傳輸發(fā)送設備接收設備（b）并行傳輸消息消息（Message）：人能夠感知的描述。：人能夠感知的描述。 比如：聲音、文字、圖像等。比如：聲音、文字、圖像等。信息信息（InformationInformation）：）：是消息中包含的有效內容。是消息中包含的有效內容。信號（信號（SignalSignal）：是消息傳輸的物理形式。）：是消息傳輸的物理形式。 （特指電信號）（特指電信號）信息量含義信息量含義舉例：舉例： “今年冬天比去年冷今年冬天比去年冷” “今年冬天和去年夏天一樣熱今年冬天和去年夏天一樣熱” 可

18、能性越小，信息量越大！可能性越小，信息量越大！ 用概率描述用概率描述（概率概率信息量信息量，P=0P=0時信息量為時信息量為 ）. .1.3 信息及其度量信息及其度量n哈特萊（哈特萊（HartleyHartley）和香農香農( (C.E.ShannonC.E.Shannon) )從消息的統(tǒng)計特性出發(fā)，從信息的不確定性和概率測度測度的角度定義了通信中信息量的概念，并給出了信息度量的方法。 19481948年，美國數學家年，美國數學家克芬克芬特特仙農仙農( (Claude Elwood Shannon ) )研究密碼通信，發(fā)表了他的著名論研究密碼通信，發(fā)表了他的著名論文文通信的數學理論通信的數學理

19、論，奠定了信，奠定了信息論的基礎，第一次把信息通信領息論的基礎，第一次把信息通信領域的概念確切化了，而且域的概念確切化了，而且從概率論從概率論的觀點，提出了信息量的概念的觀點，提出了信息量的概念。 信息論知識結構組成信息論知識結構組成1.3 信息及其度量信息及其度量n假設假設P(x)是一個消息發(fā)生的概率，是一個消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信是從該消息獲悉的信息。息。 （1） 信息量是概率的函數，信息量是概率的函數， 即即 I = fP(x) （2） P(x)越小，越小， I越大；越大； 反之，反之， I越小，越小， 且且 P(x)1時，時， I0； P(x)0時，時， In3） 若干個互

20、相獨立事件構成的消息，若干個互相獨立事件構成的消息， 所含信息量等于所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性， 即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+1loglog()()aaIp xp x= -概率大概率大 可能性大可能性大 不確定性小不確定性小一、信息量（一、信息量（I I）與概率（）與概率（P(xP(x) )）的關系）的關系 二、二、 信息量單位信息量單位 a=2a=2，信息量的單位為比特，信息量的單位為比特(bit)(bit) a=e a=e，信息量的單位為奈特，信息量的單位為奈特( (natnat

21、) ) a=10 a=10，信息量的單位為哈特萊，信息量的單位為哈特萊1.3 信息及其度量信息及其度量)(1logxPIa三、三、等概率等概率離散消息的信息量計算離散消息的信息量計算 (1) (1) 二進制波形二進制波形 (2) M (2) M進制波形進制波形 若若 M=2M=2k k , ,則則221Iloglog 21()1/2bit221Iloglog M(bit)1/Mk22Ilog Mlog 2k(bit)1.3 信息及其度量信息及其度量)(1logxPIan例 1 1 設二進制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數字0或1，則信源每個輸出的信息含量為nP=1/4的信息量為2比特nP=1/8

22、的信息量為3比特nP=1/M的信息量為log2 M(bit) n若M是2的整冪次，n則22211(0)(1)logloglog 211( )2IIp x=2KM=221lo glo g2()1KIKb itM=四、非等概離散消息的信息量計算四、非等概離散消息的信息量計算且12n12nx ,x ,xP(x ),P(x ),P(x )nii 1P(x )11.1.平均信息量（平均信息量（熱力學中的熵形式一樣熱力學中的熵形式一樣：熵熵） 1.3 信息及其度量信息及其度量2.2.最大熵最大熵 H Hm m ( (等概傳輸等概傳輸) )/(log2symbolbitMHm)/()(1log)(21sym

23、bolbitxPxPHinii最大熵采取的原則就是：保留全部的不確定性，將風險降到最小。最大熵采取的原則就是：保留全部的不確定性，將風險降到最小。 通信的主要任務是傳遞信息（消息）。傳遞信息（消息）。 通信系統(tǒng)的性能指標有性能指標有：有效性、可靠性、有效性、可靠性、適應性、標準性、經濟性及維護使用等。適應性、標準性、經濟性及維護使用等。 從信息傳輸的角度來說：最主要最主要的性能指標是信息傳輸的有效性有效性指標和可靠性可靠性指標。通信系統(tǒng)的性能度量通信系統(tǒng)的性能度量1.4 1.4 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標一、主要指標一、主要指標1.1.有效性有效性: : 信息傳輸的速度。信息傳輸

24、的速度。2.2.可靠性可靠性: : 信息傳輸的質量，即抗加性干擾能力。信息傳輸的質量，即抗加性干擾能力。 加性干擾加性干擾：信號傳輸時疊加的噪聲（自然噪聲、：信號傳輸時疊加的噪聲（自然噪聲、內部噪聲、人為噪聲）。內部噪聲、人為噪聲）。 乘性干擾：信道傳輸特性不理想產生的誤差。乘性干擾：信道傳輸特性不理想產生的誤差。2.2.可靠性可靠性：用信噪比：用信噪比( (Signal Noise RatioSignal Noise Ratio，SNRSNR) )表示。表示。 信噪比越高信噪比越高，信息傳輸的準確性就越高，信號波形的保真度越高，通信質量就越好通信質量就越好。 1.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標通

25、信系統(tǒng)的主要性能指標二、模擬通信系統(tǒng)主要指標二、模擬通信系統(tǒng)主要指標1.1.有效性有效性：有效傳輸帶寬（：有效傳輸帶寬（B B） 傳輸給定的信號所需要的有效傳輸頻帶越窄信號所需要的有效傳輸頻帶越窄，或者說，在給定傳輸帶寬的信道中，能同時傳輸的信號路數越多，則系統(tǒng)的傳輸有效性就越高系統(tǒng)的傳輸有效性就越高。即信號的復用程度越高，有效性越好。三、三、 數字通信系統(tǒng)的主要指標數字通信系統(tǒng)的主要指標 1. 1. 有效性有效性（1 1）碼元速率（傳碼率）碼元速率（傳碼率）R RB B R RB B: :每秒鐘傳輸的碼元數。單位：每秒鐘傳輸的碼元數。單位：Baud(Baud(波特波特) )，B B （2 2

26、）信息速率（傳信率，比特率）信息速率（傳信率，比特率）R Rb b R Rb b: :每秒鐘傳輸的比特量。單位：每秒鐘傳輸的比特量。單位：bit/sbit/s， 或或 b/sb/s ，或，或bpsbps1.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標nExp2、已知二進制數字信號在2分鐘內共傳送了72000個碼元。（1）問其碼元速率和信息速率各為多少？（2）若碼元寬度不變（即碼元速率不變），但改為八進制數字信號，則其碼元速率為多少？信息速率又為多少？二進制二進制: R: Rb2b2=R=RB2 B2 （bit/sbit/s）M M進制進制: : R RbMbM=R=RBMBMloglog2 2M M （bit/sbit/s） （3）頻帶利用率頻帶利用率：單位帶寬內的傳輸速率。：單位帶寬內的傳輸速率。)/(HzBBRB或或)/(HzsbitBRb1.4 通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標比較不同數字通信系統(tǒng)的有效性時，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應看在這樣的傳輸速率下所占的信道的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。頻帶寬度。2.2.可靠性可靠性（1 1） 誤碼率（誤符號率）誤碼率（誤符號率） PePe （2 2）誤信率（誤比特率）誤信率（誤比特率）P Pb b傳輸總的碼元數錯誤碼元數