通信原理第一章

通信原理課程教學(xué)講授：邵湘怡湖南文理學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院第一章緒論

主要內(nèi)容：通信系統(tǒng)的基本概念及模型。通信網(wǎng)的基本概念。通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。重點(diǎn)：通信系統(tǒng)模型。通信系統(tǒng)的任務(wù)。信號(hào)在傳輸過(guò)程中的無(wú)失真分析思路。第一章緒論1.1

基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.6通信技術(shù)的發(fā)展概況

習(xí)題解答及作業(yè)通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂(lè)、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹(shù)、烽火臺(tái)…電的：如電報(bào)、電話(huà)、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。在此我們所學(xué)習(xí)的“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過(guò)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.1基本概念1.1基本概念2、通信系統(tǒng)：以電信號(hào)作為信息轉(zhuǎn)換和傳輸系統(tǒng)。

它只能為兩個(gè)用戶(hù)之間提供單方向的信息傳遞。（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向傳輸）

3、電信網(wǎng)：多用戶(hù)通信系統(tǒng)互聯(lián)的通信體系。（多點(diǎn)中的任意兩點(diǎn)間的雙向傳輸）4、通信網(wǎng)：包括電信網(wǎng)，CATV網(wǎng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)，移動(dòng)通信網(wǎng)，廣播電視網(wǎng)等。5、網(wǎng)的結(jié)構(gòu)：環(huán)型，星型，總線(xiàn)型，復(fù)合型1、通信:信息的傳遞過(guò)程，完成信息的傳輸與交換。6、網(wǎng)的組成:以電話(huà)網(wǎng)為例

框圖信道

交換機(jī)電話(huà)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖:

為用戶(hù)

構(gòu)成網(wǎng)的基本要素：終端設(shè)備，傳輸鏈路，交換設(shè)備。（硬件）

交換機(jī)終端終端噪聲局間傳輸局內(nèi)傳輸局內(nèi)傳輸1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)模型（總模型）描述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信

框圖1.2.2模擬通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模型1、模擬系統(tǒng)框圖2、數(shù)字系統(tǒng)

框圖傳輸?shù)男盘?hào)是“離散”的強(qiáng)調(diào)已調(diào)參量和基帶信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)性。數(shù)字通信的特點(diǎn)

1）數(shù)字信號(hào)傳輸中所受的干擾可通過(guò)差錯(cuò)控制編碼控制并消除。增加編碼器、解碼器

2）需要保密時(shí)可對(duì)基帶信號(hào)人為“擾亂”加密、解密

3）傳輸中是按節(jié)拍逐個(gè)傳送脈沖單元信號(hào)，稱(chēng)之為碼元。收發(fā)須同步控制：包括碼元同步、幀同步、群同步等。常用的方式分兩大類(lèi)：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)：

1)數(shù)字傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng),尤其在中繼時(shí),數(shù)字信號(hào)可以再生而消除噪聲的積累

2)傳輸差錯(cuò)可以控制,從而改善了傳輸質(zhì)量

3)便于使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理

4)數(shù)字信息易于作高保密性的加密處理

5)數(shù)字信息可以綜合傳遞各種消息,使通信系統(tǒng)功能增強(qiáng)，易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。其優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是用占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶而換得的。

在系統(tǒng)頻帶緊張的場(chǎng)合這將成為其缺點(diǎn)。數(shù)字通信系統(tǒng)的具體模型也根據(jù)其設(shè)計(jì)方法有所不同1.2通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)總模型：通信系統(tǒng)由四部分組成。通信原理的討論是圍繞通信系統(tǒng)的模型而展開(kāi)的根據(jù)具體的通信形式有具體的系統(tǒng)模型與之對(duì)應(yīng)

各處的噪聲之和信號(hào)源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源

發(fā)送端接收端模擬系統(tǒng)框圖：

信號(hào)源調(diào)制器解調(diào)器受信者噪聲源信道基帶信號(hào)頻帶信號(hào)數(shù)字系統(tǒng)框圖：

信道編碼噪聲源信源編碼加密信息源數(shù)字調(diào)制信道受信者解密信源譯碼信道譯碼

數(shù)字解調(diào)注：缺省同步系統(tǒng)?；鶐盘?hào)頻帶信號(hào)1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式

1、按消息的物理特征分類(lèi)（業(yè)務(wù)）如電報(bào)、電話(huà)、圖像、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2、按調(diào)制方式分類(lèi)針對(duì)頻帶傳輸信號(hào)而言信號(hào)數(shù)字：PCM、?M、DPCM、ADPCM等脈沖數(shù)字調(diào)制AM、DSB、SSB、VSBFM、PM模擬調(diào)制信號(hào)數(shù)字：ASK、FSK、PSK、DPSK

數(shù)字調(diào)制信號(hào)模擬信號(hào)模擬：PAM、PDM（PWM）、PPM

脈沖模擬調(diào)制正弦波調(diào)制脈沖調(diào)制兩類(lèi)1.3.1通信系統(tǒng)分類(lèi)表1-1常見(jiàn)的調(diào)制方式及用途

調(diào)制方式用途載波調(diào)制線(xiàn)性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)幅AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB

載波通信、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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)制振幅鍵控

ASK數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制方式用途脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK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(huà)、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM（?M）軍用、民用電話(huà)差分脈碼調(diào)制

DPCM

電視電話(huà)、圖像編碼其他編碼方式ADPCM、LPC中低速數(shù)字電話(huà)續(xù)表（2）3、按信號(hào)特征分類(lèi)最常用分為模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類(lèi)4、按傳輸媒介分類(lèi)最常用分為有線(xiàn)（包括光纖）與無(wú)線(xiàn)5、按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)頻分復(fù)用：使不同的信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍時(shí)分復(fù)用：不同的信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間碼分復(fù)用：用一組包含正交碼字的碼組攜帶多路信息6、按工作波段分類(lèi)

按通信設(shè)備的工作頻率不同可分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)通信等。

1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電音頻、電話(huà)、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、水下通信、聲納30~300kHz103~104m低頻LF有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線(xiàn)通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無(wú)線(xiàn)電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無(wú)線(xiàn)電移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電話(huà)、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無(wú)線(xiàn)電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車(chē)輛、通信、導(dǎo)航續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(jiàn)光紅外光纖激光空間傳播光通信1.3.2通信方式半雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）均能收發(fā)消息但不能同時(shí)收發(fā)。例如無(wú)線(xiàn)對(duì)講機(jī)單工：?jiǎn)畏较騻鬏敚ㄒ稽c(diǎn)發(fā)、一點(diǎn)收）。例如遙控全雙工：通信雙方（兩點(diǎn)）能同時(shí)收發(fā)信號(hào)。例如電話(huà)單工、半雙工、全雙工串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的傳輸,它占用一條通路。適合遠(yuǎn)距離。并行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列分割成多路同時(shí)傳輸，適合近距離

數(shù)字通信示意圖示意圖1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖發(fā)端信道收端發(fā)端信道收端發(fā)端收端(a)(b)發(fā)端信道收端收端發(fā)端信道(c)單工半雙工全雙工并行和串行通信方式示意圖并行傳輸串行傳輸1.4信息及其度量

1.4.1信息的描述傳輸信息的多少用信息量衡量信息：消息中有意義的內(nèi)容，消息理解為信源對(duì)由若干個(gè)相互獨(dú)立事件構(gòu)成消息，有：

I[p(x1)p(x2)…]=I[p(x1)]+I[p(x2)]+…

（2）取a=2

I：bit

比特取a=e

I：net

奈特取a=10

I：哈特萊由信息論知：消息出現(xiàn)的概率愈小，所包含的信息量愈大（1）定義：信息量為I、消息出現(xiàn)的概率為p(x)

則I

=[p(x)]I

是p(x)函數(shù))(log)(logxpxp1Iaa-==∵I與P(x)間的關(guān)系必滿(mǎn)足（1）、（2）∴1.4.2信息的度量

1、等概率1）設(shè)有二進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息

0、

1

消息p(x1)=p(x2)=1/2定義：傳送兩個(gè)等概的二進(jìn)制波形之一的信息量為1bit2）

對(duì)M進(jìn)制，等概率出現(xiàn)的離散消息

0，1，2,┅,M-1

消息p(x1)=p(x2)=┅=1/M從波形上看，M進(jìn)制有M種波性，每一種波形等概率出現(xiàn)所以M是波形數(shù)，p(xi)=P是每一波形出現(xiàn)的概率2、非等概率設(shè)消息由n

個(gè)相互獨(dú)立的符號(hào)組成，稱(chēng)為符號(hào)集且每個(gè)符號(hào)包含的信息量均不相等所以用統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)描述一個(gè)符號(hào)所含的信息量例子定義信息源的熵H(X)1.4.3

連續(xù)消息的信息量用概率密度來(lái)描述f(x)解：方法一因消息共57個(gè)符號(hào)，一個(gè)符號(hào)含有算術(shù)平均信息量為方法二總總1.5主要性能指標(biāo)

接續(xù)質(zhì)量：迅速性

傳輸質(zhì)量：清晰度

穩(wěn)定質(zhì)量：可靠性涉及系統(tǒng)的有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)使用有效性、可靠性的具體體現(xiàn)是消息傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量問(wèn)題誤差形式：1）加性干擾產(chǎn)生的誤差通常由噪聲引起

2）乘性干擾產(chǎn)生的誤差通常由信道傳輸特性不理想引起。目前，我們僅研究加性干擾產(chǎn)生的誤差，均方誤差指標(biāo)將轉(zhuǎn)化為信噪比。信息量：衡量單位時(shí)間內(nèi)傳送消息中有效內(nèi)容的能力。1.5.1

模擬系統(tǒng)性能指標(biāo)：信息量和均方誤差均方誤差：衡量發(fā)送和接收信號(hào)之間的誤差程度1.5.2

數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：傳輸速率和差錯(cuò)率數(shù)字信號(hào)的描述：二進(jìn)制：0、1兩個(gè)狀態(tài)

N進(jìn)制：0、1、2…N-1N個(gè)狀態(tài)

碼元的概念：在二進(jìn)制中，用相同的時(shí)間間隔表示一位二進(jìn)制數(shù)字，這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為碼元長(zhǎng)度。在碼元長(zhǎng)度內(nèi)的信號(hào)稱(chēng)為二進(jìn)制碼元。所以二進(jìn)制的每個(gè)碼元時(shí)間上等長(zhǎng)。同理

N進(jìn)制的每個(gè)碼元時(shí)間上也等長(zhǎng)。

進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系：例：N=4

表示4進(jìn)制的每個(gè)狀態(tài)可用2位二進(jìn)制狀態(tài)描述；若為小數(shù)，則取大于此值的第一個(gè)整數(shù)。推廣1、傳輸速率：碼元傳輸速率。又稱(chēng)碼元速率或傳碼率定義：每秒鐘傳送碼元的數(shù)目。不同進(jìn)制的碼元速率轉(zhuǎn)換關(guān)系已知N進(jìn)制信號(hào)（），碼元速率為，單位：符號(hào)/秒

若將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制信號(hào)，碼元速率為，單位：波特

則2、差錯(cuò)率：誤碼率、誤信率

誤碼率：碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。即接收的錯(cuò)誤碼元數(shù)在傳送總碼元數(shù)中所占的比例

誤信率：碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。即接收中丟失信息量在傳送信息總量中所占的比例在二進(jìn)制中有Pb=Pe1.5.2

數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：傳輸速率和差錯(cuò)率推廣：

定義：每秒鐘傳送的信息量。

單位：比特/秒或bit/s或bps

二進(jìn)制（bit/s）

N進(jìn)制（bit/s）信息傳輸速率

：又稱(chēng)信息速率或傳信率八進(jìn)制：等概率時(shí)則：例：二進(jìn)制：則：等概率

1.6通信發(fā)展趨勢(shì)在過(guò)去三四十年間，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字通信的發(fā)展。目前數(shù)字通信在下列領(lǐng)域有了新的進(jìn)展。衛(wèi)星通信光纖通信移動(dòng)通信微波通信1．衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(fā)射來(lái)的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)地面站，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間的通信。根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。靜止通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為35780km，采用三個(gè)相差120°的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。預(yù)計(jì)到2010年前，

星間激光通信的傳輸速率將達(dá)到40Gb/s，地面終端設(shè)備將日益小型化，2．光纖通信系統(tǒng)光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)光纖)作為傳輸媒質(zhì)、以光波為運(yùn)載工具（載波）的通信方式。光纖通信具有容量大、頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且成本低，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。目前，單波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)速率已達(dá)10Gb/s，其潛力已不大，采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)來(lái)擴(kuò)容是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)超大容量光傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。光傳送網(wǎng)是通信網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，它可以處理高速率的光信號(hào)，擺脫電子瓶頸，實(shí)現(xiàn)靈活、動(dòng)態(tài)的光層聯(lián)網(wǎng)，透明地支持各種格式的信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。因此，世界上許多國(guó)家紛紛進(jìn)行研究、試驗(yàn)，驗(yàn)證由波分復(fù)用、光交叉連接設(shè)備及色散位移光纖組成的高容量通信