桂林理工大學(xué)通信原理第1章緒論課件

通信原理桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院通信教研室施曉東Email:shixiaodong@通信原理桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院關(guān)于本課程通信原理為信息類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，要求重點(diǎn)掌握通信系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，以及信息傳輸?shù)幕驹?；熟悉各種通信技術(shù)的基本特點(diǎn)以及性能。先修課程：《信號(hào)與系統(tǒng)》、《概率論與隨機(jī)過程》等課程結(jié)構(gòu)：理論（54課時(shí)）+實(shí)驗(yàn)（10課時(shí)）學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)+課后作業(yè)+實(shí)驗(yàn)考試方式：筆試，閉卷成績?cè)u(píng)定：70%考試+30%（平時(shí)+實(shí)驗(yàn)）關(guān)于本課程通信原理為信息類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，要求重點(diǎn)掌握通信2主要參考書

樊昌信《通信原理》第六版國防工業(yè)出版社曹志剛,《現(xiàn)代通信原理》清華大學(xué)出版社L.W.Couch,《數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)》第七版電子工業(yè)出版社主要參考書樊昌信《通信原理》第六版國防工業(yè)出版社3課程主要內(nèi)容第1章緒論（4學(xué)時(shí)）

第2章確知信號(hào)第3章隨機(jī)過程（6學(xué)時(shí)）第4章信道（4學(xué)時(shí)）第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）

第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)（4學(xué)時(shí)）第9章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸（6學(xué)時(shí)）課程主要內(nèi)容第1章緒論（4學(xué)時(shí)）4課程主要內(nèi)容第10章數(shù)字信號(hào)的最佳接收（4學(xué)時(shí)）第11章差錯(cuò)控制編碼（6學(xué)時(shí)）

第12章正交編碼與偽隨機(jī)序列第13章同步原理（2學(xué)時(shí)）

第14章通信網(wǎng)課程主要內(nèi)容第10章數(shù)字信號(hào)的最佳接收（4學(xué)時(shí)）5第1章緒論桂林理工大學(xué)通信原理第1章緒論課件6第1章緒論1.1

通信的基本概念1.2

通信系統(tǒng)的組成1.3

通信系統(tǒng)的分類和通信方式1.4

信息及其度量1.5

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)第1章緒論1.1通信的基本概念7本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解通信技術(shù)的發(fā)展；

掌握消息、信息、信號(hào)的定義；

掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)；

掌握通信系統(tǒng)模型及其主要性能指標(biāo)；重點(diǎn)：1.信息的度量；

2.數(shù)字通信系統(tǒng)模型的理解與掌握。難點(diǎn)：數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的理解與計(jì)算；本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信技術(shù)的發(fā)展；重點(diǎn)：1.信息的度量；81.1

通信的基本概念古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書傳統(tǒng)通信的幾種形式1.1通信的基本概念古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書傳統(tǒng)通91.1

通信的基本概念無線廣播移動(dòng)通信移動(dòng)電視電視廣播雷達(dá)衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形式1.1通信的基本概念無線廣播移動(dòng)通信移動(dòng)電視電視廣播雷達(dá)衛(wèi)101.1

通信的基本概念通信:信息（或消息）的傳輸和交換。（要求準(zhǔn)確、迅速）

消息：信息的

物理表現(xiàn)形式

。如符號(hào)、文字、話音、數(shù)據(jù)或圖像等。

信息：消息的

內(nèi)涵，即信息是消息中所包含

的人們?cè)瓉聿恢膬?nèi)容

。1.1通信的基本概念通信:信息（或消息）的傳輸和交111.1

通信的基本概念電通信：是利用

電（電流或電波，包括光）來傳遞信息

。

現(xiàn)代通信一般均是指“電通信”。

信號(hào)：消息的電的表示形式。在電通信系統(tǒng)中，電信號(hào)是消息傳遞的物質(zhì)載體。通信系統(tǒng)：是完成傳遞信息任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體。1.1通信的基本概念電通信：是利用電（電流或電波，包括光121.1通信的基本概念通信系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要區(qū)別在電力系統(tǒng)中，信號(hào)的波形是確定的，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)時(shí)主要考慮如何盡量減少電能的損失。通信系統(tǒng)中，接收端在沒有收到信號(hào)之前是不知道信號(hào)波形的，否則就沒有可傳輸?shù)男畔?，也就沒必要進(jìn)行通信了。思考：1.1通信的基本概念通信系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要區(qū)別在電力131.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1

通信系統(tǒng)一般模型在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備，如麥克風(fēng)等信源發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備信宿如調(diào)制器、功率放大器、天線等如雙絞線、光纖、同軸電纜等。注意：自由空間也是一種信道是一種隨機(jī)信號(hào)，對(duì)通信有害，但不可避免。是發(fā)送設(shè)備處理的“逆過程”在本書中，特指將電信號(hào)還原成原始信息的設(shè)備，如揚(yáng)聲器等1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)一般模型在本書中141.2通信系統(tǒng)的組成1.2.2

模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過其物理載體—電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量（幅度、頻率或相位等）上。

按信號(hào)參量的取值方式不同，可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類。模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.2模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系151.2通信系統(tǒng)的組成

(a)二進(jìn)制信號(hào)(b)2PSK信號(hào)

(a)話音信號(hào)(b)抽樣信號(hào)

模擬信號(hào)：電參量的取值連續(xù)（不可數(shù)、無窮多）

數(shù)字信號(hào)：電參量的取值僅可能取有限個(gè)值1.2通信系統(tǒng)的組成(a)二進(jìn)制信號(hào)161.2通信系統(tǒng)的組成兩種重要的變換模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿1.

發(fā)送端通過信源把連續(xù)消息變換成原始電信號(hào)（基帶信號(hào)，基帶的含義是信號(hào)頻譜從零頻附近開始），在接收端通過信宿進(jìn)行相反的變換。2.

調(diào)制器把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)，并在接收端通過解調(diào)器進(jìn)行反變換。經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)成為已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)、頻帶信號(hào)）。模擬通信系統(tǒng)模型1.2通信系統(tǒng)的組成兩種重要的變換模擬信源調(diào)制器信道噪171.2通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型（以AM廣播為例）模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去（教材P65）從這個(gè)過程中我們可以知道，實(shí)際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能1.2通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型（以AM廣播為例）181.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)模型可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計(jì)算機(jī)）若信源是數(shù)字信源，主要是對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，以降低碼元速率，提高信息傳輸?shù)挠行?；若是模擬信源，則先進(jìn)行A/D變換再進(jìn)行壓縮主要功能是檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，提高信號(hào)的抗干擾能力，從而保證通信的可靠性。與模擬調(diào)制的作用類似：把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述信息源信源編碼信道編碼數(shù)字調(diào)制信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼受信者加密解密通過人為地將所傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，提高信息傳輸?shù)陌踩浴?.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)模型可能是模擬信源（如191.2通信系統(tǒng)的組成

數(shù)字通信的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。傳輸差錯(cuò)可控。便于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)等。易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。易于加密處理，且保密性好。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬。對(duì)同步要求較高。一路模擬電話4kHz一路數(shù)字電話64kHz1.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪201.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)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。按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)——市內(nèi)電話、有線廣播等；帶通傳輸系統(tǒng)——AM、FM、FSK、PSK等；按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒質(zhì)分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信和短波通信等按信號(hào)復(fù)用方式分類：FDM、TDM和CDM1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分21表1-1常見調(diào)制方式及用途調(diào)制方式

用途

連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸表1-1常見調(diào)制方式及用途調(diào)制方式用途連線性調(diào)22脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM

中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC

中低速數(shù)字電話表1-1常見調(diào)制方式及用途數(shù)字相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、23頻率波長符號(hào)媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對(duì)長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端、長距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對(duì)長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動(dòng)電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電表1-2通信波段及常用傳輸媒質(zhì)頻率波長符號(hào)媒質(zhì)用途3Hz104~108m24

30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航

300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)

3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)

30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)

107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信表1-2通信波段及常用傳輸媒質(zhì)301~10m甚高頻VHF同軸電纜電視、調(diào)頻廣播25圖1:信號(hào)復(fù)用方式示意圖時(shí)間頻率時(shí)分復(fù)用（TDM）時(shí)間頻率碼字碼分復(fù)用（CDM）時(shí)間頻率頻分復(fù)用（FDM）圖1:信號(hào)復(fù)用方式示意圖時(shí)間頻率時(shí)分復(fù)用（TDM）時(shí)間頻率261.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信方式—單工、半雙工和全雙工通信發(fā)送端接收端信道發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端信道信道發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端信道單工通信：消息只能夠單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，如廣播、遙控等。半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如使用同一載頻的傳統(tǒng)對(duì)講機(jī)等。全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式，如電話等。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信方式—單工、半雙工和全271.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信方式—并行傳輸和串行傳輸發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地再一條信道上傳輸。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信方式—并行傳輸和串281.4信息及其度量

任何信源

產(chǎn)生的輸出都是

隨機(jī)的

，信息量就是對(duì)

消息

中這種

不確定性

的

度量

。

信息量

與事件發(fā)生

的概率有關(guān)，事件

出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的

概率為

1

，則它傳遞的信息量就為

0

。

信息量

是

概率的函數(shù)，即

越小，越大；反之，越小。

且時(shí)，；時(shí)，

假設(shè)是消息發(fā)生的概率，則：1.4信息及其度量任何信源產(chǎn)生的輸出都291.4信息及其度量

若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量具

有相加性:

綜合以上三條規(guī)律

，根據(jù)概率論知識(shí)

，信息量與消息

出現(xiàn)的

概率

之間的

關(guān)系應(yīng)為：

信息量的單位

與對(duì)數(shù)底數(shù)

a

有關(guān)。

a=2時(shí)，信息量的單位為比特

(bit)，最常用；

a=e

時(shí)，信息量的單位為

奈特

(nat)；

a=10

時(shí)，信息量的單位為

哈特萊（Hartly）。1.4信息及其度量若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信301.4信息及其度量

可見，傳送等概率

的

二進(jìn)制

波形

之一

的

信息量

為1

比特

。同理，傳送等概率

的

四進(jìn)制波形

之一

的

信息量

為2

比特。

對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率

發(fā)送，且每一個(gè)

波形

的

出現(xiàn)

是獨(dú)立的

，即信源是

無記憶的

，則傳送

M進(jìn)制波形

之一的信息量為：1、等概率情況下信息量的計(jì)算【例1-1】設(shè)二進(jìn)制離散信源

，以相等

的

概率發(fā)送數(shù)字0

或1

，則信源每個(gè)輸出

的

信息含量為多少？1.4信息及其度量可見，傳送等概率的二進(jìn)311.4信息及其度量

傳送等概率四進(jìn)制

波形之一的

信息量

為2

比特，每個(gè)

四進(jìn)制波形

需要用

2

個(gè)

二進(jìn)制脈沖表示；

傳送等概率八進(jìn)制波形之一的信息量為3

比特，每個(gè)

八進(jìn)制波形

需要用

3

個(gè)二進(jìn)制脈沖表示。綜上所述，式中

K

是

二進(jìn)制

脈沖

數(shù)目。式中P

為每一個(gè)波形出現(xiàn)的概率，M

為傳送的波形數(shù)。若

M

是

2

的

整冪次，比如

（

K

=1，2，）則式(1.4-4)可改寫為：式(1.4-4)1.4信息及其度量傳送等概率四進(jìn)制波形之321.4信息及其度量

設(shè)

離散

信息源

是一個(gè)由

n

個(gè)

符號(hào)

組成的

集合，按獨(dú)立出現(xiàn)。記2、非等概情況的信息量的計(jì)算

則每個(gè)符號(hào)所含信息量

的

統(tǒng)計(jì)

平均值

，即

平均

信息量

為：式(1.4-6)1.4信息及其度量設(shè)離散信息源是一個(gè)由331.4信息及其度量

由于

H

同熱力學(xué)中的熵形式一樣，故通常又稱它為

信息源的熵

，其單位為

bit/符號(hào)。

當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)

等概

獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，式(1.4-6)即成為式(1.4-5)

?？梢宰C明，此時(shí)

信源的熵有最大值：

根據(jù)信息量

的

相加性

概念

，N

個(gè)符號(hào)

的

總信息量

可表示為：

其中

ni為

符號(hào)

xi

出現(xiàn)

的

次數(shù)

(

事件發(fā)生次數(shù)

)1.4信息及其度量由于H同熱力學(xué)中的熵形341.4信息及其度量【例1-2】一離散信源由0

，1

，2

，3

四個(gè)符號(hào)

組成

，它們

出現(xiàn)

的

概率

分別為

3/8

，1/4

，1/4

，1/8

，且每個(gè)符號(hào)

的

出現(xiàn)都是獨(dú)立的

。試求某消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的

信息量

。

解：0

出現(xiàn)

23

次

；

1

出現(xiàn)

14

次；2

出現(xiàn)

13

次；3

出現(xiàn)

7

次；共有

57

個(gè)

符號(hào)，故該消息的總信息量為1.4信息及其度量【例1-2】一離散信源由0，1351.4信息及其度量

每個(gè)符號(hào)

的

算術(shù)平均信息量

為：

可見，兩種算法

的

結(jié)果有一定誤差

，但當(dāng)

消息很長

時(shí)，用

熵

的

概念

來計(jì)算

比較方便

。

而且隨著消息序列長度

的

增加

，

兩種

計(jì)算誤差將趨于

零

。

若用

熵

的

概念

來計(jì)算，由式(1.4-5)得：

1.4信息及其度量可見，兩種算法的結(jié)果有361.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性

是指在

給定時(shí)間

內(nèi)所傳輸

的

信息內(nèi)容

的多少

，或者說是傳輸?shù)?/p>

“速度”問題；可靠性

是指接收信息

的

準(zhǔn)確程度

，也就是傳輸?shù)?/p>

“質(zhì)量”問題。

這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一

，通常還可以進(jìn)行

互換

。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確371.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)一、模擬通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)：用單位時(shí)間傳送的

信息量

或

有效傳輸頻帶

來衡量。

頻帶相同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)傳送信息量越大，有效性越好；單位時(shí)間傳送的信息量相同時(shí)，占用頻帶越窄，有效性越好。

如

調(diào)頻信號(hào)

抗干擾能力

比

調(diào)幅

好，但

調(diào)頻信號(hào)所需

傳輸頻帶

卻寬于調(diào)幅

。

可靠性指標(biāo)：用接收端最終輸出

信噪比

來度量，信噪比

越大

，可靠性

越好

。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)一、模擬通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)：用381.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性

用

傳輸速率來衡量；可靠性

用

差錯(cuò)率來衡量。二、數(shù)字通信系統(tǒng)1、傳輸速率碼元傳輸速率

RB簡稱

傳碼率，又稱

符號(hào)速率。

它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位

是波特（Baud），記為B

。

例如，若

1

秒內(nèi)傳2400個(gè)

碼元，則傳碼率為2400B1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性用傳輸速率來衡量；391.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

在數(shù)字通信中，一個(gè)碼元（符號(hào)）在時(shí)間軸上的長度被稱為

碼元長度。

數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度

TB有關(guān)信息傳輸速率Rb

簡稱

傳信率，又稱

比特率

等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是

比特/秒，可記為bit/s

，或b/s

，或bps。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)在數(shù)字通信中，一個(gè)碼元401.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)式中，H

是信源中每個(gè)符號(hào)所含的

平均信息量

(

熵

)碼元速率

和

信息速率

有確定的關(guān)系

，即

等概傳輸

時(shí)，熵有最大值，信息速率

也達(dá)到最大

，即

式中，M

為符號(hào)的

進(jìn)制數(shù)

。二進(jìn)制

的

碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)式中，H是信源中每個(gè)符411.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)頻帶利用率η是單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率。它真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的傳輸效率，即系統(tǒng)有效性。

數(shù)字信號(hào)的傳輸帶寬

B

不僅與碼元速率

RB有關(guān)，而且與數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式有關(guān)。

碼元傳輸速率

RB與

信息傳輸速率

Rb

有關(guān)，為了比較不同系統(tǒng)的傳輸效率，又可定義

頻帶利用率

為：

1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)頻帶利用率η是單位頻帶內(nèi)的碼元421.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe

，是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即：

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率，常用誤碼率和誤信率表示。2、差錯(cuò)率1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe，431.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)誤信率（信息差錯(cuò)率）是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即：顯然，在二進(jìn)制中有：1.5通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)誤信率（信息差錯(cuò)率）是指發(fā)生差44作業(yè)

習(xí)題：1-2、1-4、1-6、1-10作業(yè)作業(yè)習(xí)題：1-2、1-4、1-6、1-10作業(yè)45ThankYou!ThankYou!通信原理桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院通信教研室施曉東Email:shixiaodong@通信原理桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院關(guān)于本課程通信原理為信息類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，要求重點(diǎn)掌握通信系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，以及信息傳輸?shù)幕驹?；熟悉各種通信技術(shù)的基本特點(diǎn)以及性能。先修課程：《信號(hào)與系統(tǒng)》、《概率論與隨機(jī)過程》等課程結(jié)構(gòu)：理論（54課時(shí)）+實(shí)驗(yàn)（10課時(shí)）學(xué)習(xí)方式：課堂教學(xué)+課后作業(yè)+實(shí)驗(yàn)考試方式：筆試，閉卷成績?cè)u(píng)定：70%考試+30%（平時(shí)+實(shí)驗(yàn)）關(guān)于本課程通信原理為信息類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，要求重點(diǎn)掌握通信48主要參考書

樊昌信《通信原理》第六版國防工業(yè)出版社曹志剛,《現(xiàn)代通信原理》清華大學(xué)出版社L.W.Couch,《數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)》第七版電子工業(yè)出版社主要參考書樊昌信《通信原理》第六版國防工業(yè)出版社49課程主要內(nèi)容第1章緒論（4學(xué)時(shí)）

第2章確知信號(hào)第3章隨機(jī)過程（6學(xué)時(shí)）第4章信道（4學(xué)時(shí)）第5章模擬調(diào)制系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）第7章數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）

第8章新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)（4學(xué)時(shí)）第9章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸（6學(xué)時(shí)）課程主要內(nèi)容第1章緒論（4學(xué)時(shí)）50課程主要內(nèi)容第10章數(shù)字信號(hào)的最佳接收（4學(xué)時(shí)）第11章差錯(cuò)控制編碼（6學(xué)時(shí)）

第12章正交編碼與偽隨機(jī)序列第13章同步原理（2學(xué)時(shí)）

第14章通信網(wǎng)課程主要內(nèi)容第10章數(shù)字信號(hào)的最佳接收（4學(xué)時(shí)）51第1章緒論桂林理工大學(xué)通信原理第1章緒論課件52第1章緒論1.1

通信的基本概念1.2

通信系統(tǒng)的組成1.3

通信系統(tǒng)的分類和通信方式1.4

信息及其度量1.5

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)第1章緒論1.1通信的基本概念53本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解通信技術(shù)的發(fā)展；

掌握消息、信息、信號(hào)的定義；

掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)；

掌握通信系統(tǒng)模型及其主要性能指標(biāo)；重點(diǎn)：1.信息的度量；

2.數(shù)字通信系統(tǒng)模型的理解與掌握。難點(diǎn)：數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的理解與計(jì)算；本章學(xué)習(xí)目標(biāo)了解通信技術(shù)的發(fā)展；重點(diǎn)：1.信息的度量；541.1

通信的基本概念古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書傳統(tǒng)通信的幾種形式1.1通信的基本概念古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書傳統(tǒng)通551.1

通信的基本概念無線廣播移動(dòng)通信移動(dòng)電視電視廣播雷達(dá)衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形式1.1通信的基本概念無線廣播移動(dòng)通信移動(dòng)電視電視廣播雷達(dá)衛(wèi)561.1

通信的基本概念通信:信息（或消息）的傳輸和交換。（要求準(zhǔn)確、迅速）

消息：信息的

物理表現(xiàn)形式

。如符號(hào)、文字、話音、數(shù)據(jù)或圖像等。

信息：消息的

內(nèi)涵，即信息是消息中所包含

的人們?cè)瓉聿恢膬?nèi)容

。1.1通信的基本概念通信:信息（或消息）的傳輸和交571.1

通信的基本概念電通信：是利用

電（電流或電波，包括光）來傳遞信息

。

現(xiàn)代通信一般均是指“電通信”。

信號(hào)：消息的電的表示形式。在電通信系統(tǒng)中，電信號(hào)是消息傳遞的物質(zhì)載體。通信系統(tǒng)：是完成傳遞信息任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體。1.1通信的基本概念電通信：是利用電（電流或電波，包括光581.1通信的基本概念通信系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要區(qū)別在電力系統(tǒng)中，信號(hào)的波形是確定的，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)時(shí)主要考慮如何盡量減少電能的損失。通信系統(tǒng)中，接收端在沒有收到信號(hào)之前是不知道信號(hào)波形的，否則就沒有可傳輸?shù)男畔?，也就沒必要進(jìn)行通信了。思考：1.1通信的基本概念通信系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要區(qū)別在電力591.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1

通信系統(tǒng)一般模型在本書中，特指將原始信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備，如麥克風(fēng)等信源發(fā)送設(shè)備信道噪聲源接收設(shè)備信宿如調(diào)制器、功率放大器、天線等如雙絞線、光纖、同軸電纜等。注意：自由空間也是一種信道是一種隨機(jī)信號(hào)，對(duì)通信有害，但不可避免。是發(fā)送設(shè)備處理的“逆過程”在本書中，特指將電信號(hào)還原成原始信息的設(shè)備，如揚(yáng)聲器等1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)一般模型在本書中601.2通信系統(tǒng)的組成1.2.2

模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過其物理載體—電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量（幅度、頻率或相位等）上。

按信號(hào)參量的取值方式不同，可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類。模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.2模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系611.2通信系統(tǒng)的組成

(a)二進(jìn)制信號(hào)(b)2PSK信號(hào)

(a)話音信號(hào)(b)抽樣信號(hào)

模擬信號(hào)：電參量的取值連續(xù)（不可數(shù)、無窮多）

數(shù)字信號(hào)：電參量的取值僅可能取有限個(gè)值1.2通信系統(tǒng)的組成(a)二進(jìn)制信號(hào)621.2通信系統(tǒng)的組成兩種重要的變換模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿1.

發(fā)送端通過信源把連續(xù)消息變換成原始電信號(hào)（基帶信號(hào)，基帶的含義是信號(hào)頻譜從零頻附近開始），在接收端通過信宿進(jìn)行相反的變換。2.

調(diào)制器把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)，并在接收端通過解調(diào)器進(jìn)行反變換。經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)成為已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)、頻帶信號(hào)）。模擬通信系統(tǒng)模型1.2通信系統(tǒng)的組成兩種重要的變換模擬信源調(diào)制器信道噪631.2通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型（以AM廣播為例）模擬信源調(diào)制器信道噪聲源解調(diào)器信宿人的語音頻率在300Hz到4000Hz之間，無法通過天線發(fā)射出去（教材P65）從這個(gè)過程中我們可以知道，實(shí)際上，模型中的調(diào)制解調(diào)器中都包含了放大功能1.2通信系統(tǒng)的組成模擬通信系統(tǒng)模型（以AM廣播為例）641.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)模型可能是模擬信源（如麥克風(fēng)），也可能是數(shù)字信源（如計(jì)算機(jī)）若信源是數(shù)字信源，主要是對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，以降低碼元速率，提高信息傳輸?shù)挠行?；若是模擬信源，則先進(jìn)行A/D變換再進(jìn)行壓縮主要功能是檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，提高信號(hào)的抗干擾能力，從而保證通信的可靠性。與模擬調(diào)制的作用類似：把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。是發(fā)送端處理的“逆過程”，不再贅述信息源信源編碼信道編碼數(shù)字調(diào)制信道噪聲源數(shù)字解調(diào)信道譯碼信源譯碼受信者加密解密通過人為地將所傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，提高信息傳輸?shù)陌踩浴?.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)模型可能是模擬信源（如651.2通信系統(tǒng)的組成

數(shù)字通信的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。傳輸差錯(cuò)可控。便于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)等。易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕。易于加密處理，且保密性好。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬。對(duì)同步要求較高。一路模擬電話4kHz一路數(shù)字電話64kHz1.2通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪661.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)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。按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)——市內(nèi)電話、有線廣播等；帶通傳輸系統(tǒng)——AM、FM、FSK、PSK等；按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒質(zhì)分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信和短波通信等按信號(hào)復(fù)用方式分類：FDM、TDM和CDM1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分67表1-1常見調(diào)制方式及用途調(diào)制方式

用途

連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸表1-1常見調(diào)制方式及用途調(diào)制方式用途連線性調(diào)68脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM

中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC

中低速數(shù)字電話表1-1常見調(diào)制方式及用途數(shù)字相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、69頻率波長符號(hào)媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對(duì)長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端、長距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對(duì)長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動(dòng)電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電表1-2通信波段及常用傳輸媒質(zhì)頻率波長符號(hào)媒質(zhì)用途3Hz104~108m70

30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航

300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)

3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)

30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)

107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信表1-2通信波段及常用傳輸媒質(zhì)301~10m甚高頻VHF同軸電纜電視、調(diào)頻廣播71圖1:信號(hào)復(fù)用方式示意圖時(shí)間頻率時(shí)分復(fù)用（TDM）時(shí)間頻率碼字碼分復(fù)用（CDM）時(shí)間頻率頻分復(fù)用（FDM）圖1:信號(hào)復(fù)用方式示意圖時(shí)間頻率時(shí)分復(fù)用（TDM）時(shí)間頻率721.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信方式—單工、半雙工和全雙工通信發(fā)送端接收端信道發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端信道信道發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端信道單工通信：消息只能夠單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑鐝V播、遙控等。半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如使用同一載頻的傳統(tǒng)對(duì)講機(jī)等。全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式，如電話等。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信方式—單工、半雙工和全731.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

通信方式—并行傳輸和串行傳輸發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地再一條信道上傳輸。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信方式—并行傳輸和串741.4信息及其度量

任何信源

產(chǎn)生的輸出都是

隨機(jī)的

，信息量就是對(duì)

消息

中這種

不確定性

的

度量

。

信息量

與事件發(fā)生

的概率有關(guān)，事件

出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的

概率為

1

，則它傳遞的信息量就為

0

。

信息量

是

概率的函數(shù)，即

越小，越大；反之，越小。

且時(shí)，；時(shí)，

假設(shè)是消息發(fā)生的概率，則：1.4信息及其度量任何信源產(chǎn)生的輸出都751.4信息及其度量

若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量具

有相加性:

綜合以上三條規(guī)律

，根據(jù)概率論知識(shí)

，信息量與消息

出現(xiàn)的

概率

之間的

關(guān)系應(yīng)為：

信息量的單位

與對(duì)數(shù)底數(shù)

a

有關(guān)。

a=2時(shí)，信息量的單位為比特

(bit)，最常用；

a=e

時(shí)，信息量的單位為

奈特

(nat)；

a=10

時(shí)，信息量的單位為

哈特萊（Hartly）。1.4信息及其度量若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信761.4信息及其度量

可見，傳送等概率

的

二進(jìn)制

波形

之一

的

信息量

為1

比特

。同理，傳送等概率

的

四進(jìn)制波形

之一

的

信息量

為2

比特。

對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率

發(fā)送，且每一個(gè)

波形

的

出現(xiàn)

是獨(dú)立的

，即信源是

無記憶的

，則傳送

M進(jìn)制波形

之一的信息量為：1、等概率情況下信息量的計(jì)算【例1-1】設(shè)二進(jìn)制離散信源

，以相等

的

概率發(fā)送數(shù)字0

或1

，則信源每個(gè)輸出

的

信息含量為多少？1.4信息及其度量可見，傳送等概率的二進(jìn)771.4信息及其度量

傳送等概率四進(jìn)制

波形之一的

信息量

為2

比特，每個(gè)

四進(jìn)制波形

需要用

2

個(gè)

二進(jìn)制脈沖表示；

傳送等概率八進(jìn)制波形之一的信息量為3

比特，每個(gè)

八進(jìn)制波形

需要用

3

個(gè)二進(jìn)制脈沖表示。綜上所述，式中

K

是

二進(jìn)制

脈沖

數(shù)目。式中P

為每一個(gè)波形出現(xiàn)的概率，M

為傳送的波形數(shù)。若

M

是

2

的

整冪次，比如

（

K

=1，2，）則式(1.4-4)可改寫為：式(1.4-4)1.4信息及其度量傳送等概率四進(jìn)制波形之781.4信息及其度量

設(shè)

離散

信息源

是一個(gè)由

n

個(gè)

符號(hào)

組成的

集合，按獨(dú)立出現(xiàn)。記2、非等概情況的信息量的計(jì)算

則每個(gè)符號(hào)所含信息量

的

統(tǒng)計(jì)

平均值

，即

平均

信息量

為：式(1.4-6)1.4信息及其度量設(shè)離散信息源是一個(gè)由791.4信息及其度量

由于

H

同熱力學(xué)中的熵形式一樣，故通常又稱它為

信息源的熵

，其單位為

bit/符號(hào)。

當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)

等概

獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，式(1.4-6)即成為式(1.4-5)

?？梢宰C明，此時(shí)

信源的熵有最大值：

根據(jù)信息量

的

相加性

概念

，N

個(gè)符號(hào)

的

總信息量

可表示為：

其中

ni為

符號(hào)

xi

出現(xiàn)

的

次數(shù)

(

事件發(fā)生次數(shù)

)1.4信息及其度量由于H同熱力學(xué)中的熵形801.4信息及其度量【例1-2】一離散信源由0

，1

，2

，3

四個(gè)符號(hào)

組成

，它們

出現(xiàn)

的

概率

分別為

3/8

，1/4

，1/4

，1/8

，且每個(gè)符號(hào)

的

出現(xiàn)都是獨(dú)立的

。試求某消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的

信息量

。

解：0

出現(xiàn)

23

次

；

1

出現(xiàn)

14

次；2

出現(xiàn)

13

次；3

出現(xiàn)

7

次；共有

57

個(gè)

符號(hào)，故該消息的總信息量為1.4信息及其度量【例1-2】一離散信源由0，1811.4信息及其度量

每個(gè)符號(hào)

的

算術(shù)平均信息量

為：

可見，兩種算法

的

結(jié)果有一定誤差

，但當(dāng)

消息很長

時(shí)，用

熵

的

概念

來計(jì)算

比較方便

。

而且隨著消息序列長度

的

增加

，

兩種

計(jì)算誤差