通信原理第一章

1、 电子工程系电子工程系 通信系统原理 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 信号变换与分析信号变换与分析 第三章第三章 随机信号分析随机信号分析 第四章第四章 模拟调制系统模拟调制系统 第五章第五章 模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输 第六章第六章 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 第七章第七章 数字调制系统数字调制系统 第八章第八章 同步原理同步原理 课程主要内容课程主要内容 第一章 绪论 通信的概念与发展通信的概念与发展 通信系统组成与模型通信系统组成与模型 信息及其量度信息及其量度 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 1.1通信的概念与发展通信的概念与发展 1.1.通信：把信

2、息从一地向另一地传输。完成信通信：把信息从一地向另一地传输。完成信 息的传递和交换。息的传递和交换。 现代通信现代通信主要就是指主要就是指电通信电通信。 电通信电通信telecommunication的发起与起源：的发起与起源： 十九世纪三十年代低级有线电报出现是真正电十九世纪三十年代低级有线电报出现是真正电 通信的标志。莫尔斯通信的标志。莫尔斯 十九世纪七十年代出线电话机。贝尔、里程碑十九世纪七十年代出线电话机。贝尔、里程碑 十九世纪末又出现了无线通信方式，无线电报。十九世纪末又出现了无线通信方式，无线电报。 之后，随着电子管、晶体管的出现，通信之后，随着电子管、晶体管的出现，通信 的内容就

3、更广泛，到了二十世纪中期，随着的内容就更广泛，到了二十世纪中期，随着 集成电路和计算机技术的高度发展，通信的集成电路和计算机技术的高度发展，通信的 对象不仅是语言、文字，而且是音乐、图像、对象不仅是语言、文字，而且是音乐、图像、 数据都可以作为通信的对象。数据都可以作为通信的对象。 通信发展是一个国家发展水平的重要标志通信发展是一个国家发展水平的重要标志。 后面讲述中，后面讲述中，“通信通信”这一术语是指这一术语是指 “电通信电通信”，包括光通信，因为光也，包括光通信，因为光也 是一种电磁波。是一种电磁波。 在电通信系统中，消息的传递是通过在电通信系统中，消息的传递是通过 电信号来实现的。电信

4、号来实现的。 这些都与通信有关这些都与通信有关 18381838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报19481948晶体管晶体管 香农通信统计理论建立香农通信统计理论建立 18641864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程19501950时分多路通信时分多路通信 应用于电话应用于电话 18761876贝尔贝尔 电话电话19561956越洋电话铺设越洋电话铺设 18961896马克尼马克尼 无线电报无线电报19571957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射 19061906真空管真空管19581958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射 19181918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外

5、差接收机19601960激光发明激光发明 19251925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信19611961集成电路发明集成电路发明 19361936调频广播调频广播19621962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCMPCM实用实用 19371937脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM19601960彩电彩电 数字传输理论数字传输理论 高速计算机高速计算机 19381938电视广播电视广播19701970LSI LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯 19401940二战刺激二战刺激 雷达和微波系统雷达和微波系统19801980SLSI SLSI

6、长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3GISDN 3G 计算机 互联网 多媒体通信 多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信 息息( (声音、图像、图形、数据、文本等声音、图像、图形、数据、文本等) )的通信方式，它是通的通信方式，它是通 信技术、计算机技术和网络相结合的产物。利用多媒体通信，信技术、计算机技术和网络相结合的产物。利用多媒体通信， 相隔万里的用户不仅能利用声像图文并茂地交流信息，使分相隔万里的用户不仅能利用声像图文并茂地交流信息，使分 布在不同地点的多媒体信息能步调一致地作为一个完整的信布在不同地点的多媒体信息能步调一

7、致地作为一个完整的信 息呈现在用户面前，而且用户对通信全过程具有完备的交互息呈现在用户面前，而且用户对通信全过程具有完备的交互 控制能力。这就是多媒体通信的控制能力。这就是多媒体通信的分布性、同步性和交互性分布性、同步性和交互性特特 点点 1958年年8月月1 日我国第一台数日我国第一台数 字电子计算机诞字电子计算机诞 生，生，103 机是每机是每 秒秒30次运算速度次运算速度 的电子管计算机的电子管计算机 物联网技术（物联网技术（The Internet of thing）物联网就是）物联网就是“物物物物 相连的网相连的网” 定义：物联网的定义是通过射频识别装置、红外感应器、定义：物联网的定

8、义是通过射频识别装置、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描等信息传感设备，按约定的协议，全球定位系统、激光扫描等信息传感设备，按约定的协议， 把任何物品与互联网相连接，使用把任何物品与互联网相连接，使用LAN、GPRS、Wi-Fi、 Bluetooth等进行信息交换和通信，以实现智能化识别、等进行信息交换和通信，以实现智能化识别、 定位、跟踪、监控和管理的一种网络。定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 门窗安全无线门窗安全无线 传感器传感器 通信技术的发展趋势通信技术的发展趋势 1.数字化 2.微型化 3.标准化 4.智能化 5.全球化 6.个人化 通信的发展目标通信的发展目标-个人通信个人通信

9、 目标是实现：个人通信系统目标是实现：个人通信系统 (PCN)(PCN) 无论任何人无论任何人 (Whoever)(Whoever) 在任何时候在任何时候 (Whenever)(Whenever) 在任何地方在任何地方 (Wherever)(Wherever) 与另一个人与另一个人 (Whomever)(Whomever) 进行任何类型进行任何类型 (Whatever)(Whatever) 3、通信的分类、通信的分类 （1）按传输信道分：）按传输信道分： 有线有线：电磁波在导线中传输。（光纤、双绞线、同轴：电磁波在导线中传输。（光纤、双绞线、同轴 电缆）电缆） 无线无线：电磁波在空间中传输。（

10、无线电、微波、卫星）：电磁波在空间中传输。（无线电、微波、卫星） （2）按信号的形式不同分：）按信号的形式不同分： 模拟通信模拟通信：传输信号是连续变化的。如话音、：传输信号是连续变化的。如话音、AM、FM 数字通信数字通信：系统传输的信号是离散的。如：系统传输的信号是离散的。如PCM、数字广、数字广 播、数字电视等播、数字电视等 P5 数字通信近年来发展迅速，并且正在取代原有的数字通信近年来发展迅速，并且正在取代原有的 模拟通信方式，其原因：模拟通信方式，其原因： 大规模集成电路的发展，有了发展数字通信的大规模集成电路的发展，有了发展数字通信的 技术基础；技术基础； 数字通信具有抗干扰能力强

11、，噪声无积累，保数字通信具有抗干扰能力强，噪声无积累，保 密性好的优点；密性好的优点； 数字信号便于计算机处理。数字信号便于计算机处理。 （5）按工作频段分：）按工作频段分： 长波通信长波通信 中波通信中波通信 短波通信短波通信 微波通信等微波通信等 （3）按信号的复用方式：）按信号的复用方式： 频分频分 频率不同频率不同 时分时分 时间不同时间不同 码分码分 码型不同码型不同 （4）按通信连接情况：）按通信连接情况： 点点点点 电话电话 点点多点多点 广播广播 多点间的多点间的 （6）按调制方式分类：）按调制方式分类： 基带传输系统基带传输系统 频带传输系统频带传输系统 （7）按通信业务类型

12、分：）按通信业务类型分： 电报通信系统电报通信系统 电话通信系统电话通信系统 数据通信系统数据通信系统 图像通信系统图像通信系统 数字微波通信系统数字微波通信系统 微波通信系统设备微波通信系统设备 卫星通信系统卫星通信系统 1.2通信方式通信方式 按数据传输的方向性：按数据传输的方向性： 单工通信：单工通信： 信号传输是单向的。信号传输是单向的。 两个通信终端间的信号传输只能在一两个通信终端间的信号传输只能在一 个方向传输，个方向传输，一方仅发，另一方仅收。一方仅发，另一方仅收。 广播广播 P6 半双工通信：半双工通信： 双方可以互传数据信息，但不能同双方可以互传数据信息，但不能同 时发送。时

13、发送。 在同一时间，一方发，另一方收。在同一时间，一方发，另一方收。 对讲机对讲机 全双工通信：全双工通信：可以在两个方向上同时进行数据可以在两个方向上同时进行数据 的收发传输。的收发传输。 电话电话 按在信道上传输的方式：按在信道上传输的方式： 串行传输：串行传输：只使用一个传输信道，数据的若干只使用一个传输信道，数据的若干 位顺序的按位串行排列成数据流。位顺序的按位串行排列成数据流。 优点：节省信道利于远程传输。优点：节省信道利于远程传输。 并行传输：并行传输：数据的每一位各占用一条信道，数据的每一位各占用一条信道， 即数据的每一位放在多条并行的信道上同时即数据的每一位放在多条并行的信道上

14、同时 传送。传送。 特点：提高传输速率，硬件成本提高了。特点：提高传输速率，硬件成本提高了。 1.2通信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 信源信源：是发出信息的源。（模拟信源和数字信：是发出信息的源。（模拟信源和数字信 源）源） P2 信源和信宿可以是人，也可以是机器设备，因而既可以实现信源和信宿可以是人，也可以是机器设备，因而既可以实现 人人人通信，也可以实现人人通信，也可以实现人机或机机或机机通信。通信源发出的机通信。通信源发出的 信号可以是语音信号，也可以是数字、符号、图像等非语音信信号可以是语音信号，也可以是数字、符号、图像等非语音信 号。号

15、。 1.2通信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 发送设备：发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中为了使这个原始信号适合在信道中 传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，传输，由发送设备对原始信号完成某种变换， 然后进入信道。然后进入信道。 接收设备与发送设备相反接收设备与发送设备相反 1.2通信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 信道：信道：传输信号的通道。（有线、无线）传输信号的通道。（有线、无线） 无线信道可组成无线通信系统，如微波无线信道可组成无线通信系统，如微波 中继通信、卫星通信、移动通信等。中继

16、通信、卫星通信、移动通信等。 广义的信道还包括一些信号转换设备，广义的信道还包括一些信号转换设备， 如天线、馈线、调制、解调等。如微波如天线、馈线、调制、解调等。如微波 天线从广义上也属于信道。天线从广义上也属于信道。 1.2通信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 接收设备：接收设备：从接收信号中恢复出相应的原始信从接收信号中恢复出相应的原始信 号。号。 1.2通信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 信宿（受信者）：信宿（受信者）：将复原的原始信号转换成相将复原的原始信号转换成相 应的消息。应的消息。 1.2通

17、信系统组成与模型通信系统组成与模型 1、通信系统一般模型。、通信系统一般模型。 噪声源：噪声源：是信道中的噪声及分散在通信系统其是信道中的噪声及分散在通信系统其 它各处的噪声的集中表示。它各处的噪声的集中表示。 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应的按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应的 把通信系统分成两类：模拟通信系统和数字通信系统。把通信系统分成两类：模拟通信系统和数字通信系统。 1、模拟通信系统（传输模拟信号的通信系统。）、模拟通信系统（传输模拟信号的通信系统。） P3 模拟通信中需要两种变换：模拟通信中需要两种变换： 第一种：发送端的连续消息要变换成原始电信号，

18、接收端收第一种：发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收 到的信号要反变换成原始连续信号。到的信号要反变换成原始连续信号。 第二种：调制和解调第二种：调制和解调 调制：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号；调制：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号； 解调：在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。解调：在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。 基带信号基带信号 基带信号基带信号 频带信号频带信号 2、数字通信系统、数字通信系统 利用数字信号来传递信息的通信系统。利用数字信号来传递信息的通信系统。 变换器变换器的作用是把信息转换成数字基带信号。的作用是把信息转换成数字

19、基带信号。 P4 信源编码与译码信源编码与译码的主要任务是提高数字信号的主要任务是提高数字信号 传输的传输的有效性有效性。信源编码器的输出就是信息。信源编码器的输出就是信息 码元码元,此外，话音和图像压缩编码等都是在信此外，话音和图像压缩编码等都是在信 源编码器内完成。接收端信源译码则是信源源编码器内完成。接收端信源译码则是信源 编码的逆过程编码的逆过程 信道编码信道编码的任务是提高数字信号传输的的任务是提高数字信号传输的可靠性可靠性。 其基本做法是在信息码组中按一定的规则附加其基本做法是在信息码组中按一定的规则附加 一些监督码元，以使接收端根据相应的规则进一些监督码元，以使接收端根据相应的规

20、则进 行检错和纠错，信道编码也称纠错编码。接收行检错和纠错，信道编码也称纠错编码。接收 端信道译码是其相反的过程。端信道译码是其相反的过程。 数字通信系统还有一个非常重要的控制单元，数字通信系统还有一个非常重要的控制单元， 即即同步系统同步系统。使收发两端的信号在时间上保持。使收发两端的信号在时间上保持 步调一致步调一致 3、数字通信的主要特点、数字通信的主要特点 目前，无论是模拟通信还是数字通信，目前，无论是模拟通信还是数字通信， 在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。 但是，数字通信更能适应现代社会对通信技但是，数字通信更能适应现代社会对通信技 术越来

21、越高的要求，数字通信技术已成为当术越来越高的要求，数字通信技术已成为当 代通信技术的主流。代通信技术的主流。 与模拟通信相比，它有如下优点：与模拟通信相比，它有如下优点： 1、抗干扰、抗噪声性能好、抗干扰、抗噪声性能好 2、差错可控、差错可控 3、易加密、易加密 4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计 和制造更容易，体积更小，重量更轻。和制造更容易，体积更小，重量更轻。 5、数字信号便于计算机处理，数字信号可以、数字信号便于计算机处理，数字信号可以 通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提 高信道利用率。高信道利用率。

22、 6、易于与现代技术相结合。、易于与现代技术相结合。 缺点：缺点： 需要较大的传输带宽。模拟电话需要较大的传输带宽。模拟电话 4KHz,数字电话数字电话20-64KHz 对同步要求高对同步要求高 4、数字通信系统可进一步细分为数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系数字频带传输通信系 统统和和数字基带传输通信系统。数字基带传输通信系统。 基带传输基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。 频带传输频带传输是对各种信号调制后传输的总称。（经过调制器是对各种信号调制后传输的总称。（经过调制器/解解 调器的数字通信系统）调器的数字通信系统）

23、1-3信息及其量度信息及其量度 一、基本概念一、基本概念 消息消息：指通信系统传输的对象、：指通信系统传输的对象、 特点：随机性的，无法预知的。特点：随机性的，无法预知的。 信号信号：反映消息的电信号。：反映消息的电信号。 信息信息：把消息中的内容用概率统计的方法抽象出来。：把消息中的内容用概率统计的方法抽象出来。 信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西。信息是消息和信号中包含的某种有意义的抽象的东西。 P7 2、信息量：是信息或消息的一种度量信息量：是信息或消息的一种度量。信息的。信息的 大小由信息量来衡量。大小由信息量来衡量。 不同的消息人们对它的反映是不同的，如：下雨、地震不同的

24、消息人们对它的反映是不同的，如：下雨、地震 下雨：经常发生，不足为奇，信息量小；下雨：经常发生，不足为奇，信息量小； 地震：不常发生，很惊讶，信息量大。地震：不常发生，很惊讶，信息量大。 （太阳从东方升起）（太阳从东方升起） （太阳从西方升起）（太阳从西方升起） 消息出现的概率越大，则消息中包含的信息量消息出现的概率越大，则消息中包含的信息量 越小；越小； 消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量 越大。越大。 P（x）1 必然事件必然事件 I0 P（x）0 不可能发生事件不可能发生事件 I 信息量是与事件发生的概率成反比。信息量是与事件发生的概率成反比

25、。 信息量：信息量：I information )(log )( 1 logxp xp I aa 定义：定义： P（x）：消息的概率）：消息的概率 a ：2的整数次幂的整数次幂 P8 信息量的单位的确定取决于底数信息量的单位的确定取决于底数a： 若对数以若对数以2为底时单位是为底时单位是“比特比特”（bit binary unit的缩的缩 写）；写）； 若以若以e为底时单位是为底时单位是“奈特奈特”（natnature unit的缩写）；的缩写）； 若以若以10为底时单位是为底时单位是“哈特哈特”（Hart Hartley的缩写）。的缩写）。 通常采用通常采用“比特比特”作为信息量的实用单位作

26、为信息量的实用单位 例例1、一个二进制信号的信息量为多少？、一个二进制信号的信息量为多少？ 二进制码二进制码0、1出现的概率是等概的出现的概率是等概的 （一个二进制码所代表的信息量为多少比特？）（一个二进制码所代表的信息量为多少比特？） 解：解： P（1）P（0）1/2 bitI1loglog 2 2 2 1 1 2 所以一个二进制码代表的信息量为一比特。所以一个二进制码代表的信息量为一比特。 例例2、四进制码、四进制码0、1、2、3中每个码元出现的中每个码元出现的 概率相同，概率相同， 即即P(0)=P(1)=P(2)=P(3)=1/4 bitI2loglog 4 2 4 1 1 2 一个四

27、进制码代表的信息量为二比特。一个四进制码代表的信息量为二比特。 对于对于M进制码，进制码，M个数等概率出现时，一个码个数等概率出现时，一个码 元所携带的信息量为元所携带的信息量为 )(loglog 2 1 1 2 bitI M M 如：对于八进制码等概出现时一个码元所携如：对于八进制码等概出现时一个码元所携 带的信息量为：带的信息量为： bitI3loglog 8 2 8 1 1 2 如上：如上： 一个二进制码代表的信息量为一个二进制码代表的信息量为1bit； 一个四进制码代表的信息量为一个四进制码代表的信息量为2bit； 一个八进制码代表的信息量为一个八进制码代表的信息量为3bit。 0 1

28、 2 3 4 5 6 7 二进制二进制 0 1 四进制四进制 00 01 10 11 八进制八进制 000 001 010 011 100 101 110 111 3、平均信息量（非等概情况）、平均信息量（非等概情况） 一个消息由多个符号组成，每个符号所含的一个消息由多个符号组成，每个符号所含的 信息量的统计平均值称为符号的信息量的统计平均值称为符号的平均信息量平均信息量。 平均平均 算数平均算数平均 统计平均统计平均统计平均统计平均 平均信息量是由每个消息的信息量的概率加权平均信息量是由每个消息的信息量的概率加权 和得到的。和得到的。 例：有例：有A、B、C三个事件，每个事件发生的概三个事件

29、，每个事件发生的概 率为率为P（A）、）、P（B）、）、P（C），则该信源中），则该信源中 每个事件的平均信息量为：每个事件的平均信息量为： H= -P(A)log2P(A)+P(B)log2P(B)+P(C)log2P(C) 若：一个信源是由若：一个信源是由n个独立的符号个独立的符号12,n 所构成，且每一个符号出现的概率分别为所构成，且每一个符号出现的概率分别为p(1)、 p(2) p(n) 则此信源中每个符号的统计平均信息量为：则此信源中每个符号的统计平均信息量为： n i ii ppH 1 2 )(log)( 如果：上式中如果：上式中 p(1)= p(2)= =p(n)=1/n 则：则

30、： n nn H n i 2 1 2 log 1 log 1 P8 在等概出现的二进制码中，在等概出现的二进制码中， 每个码的平均信息量为每个码的平均信息量为1bit； 在等概出现的四进制码中，在等概出现的四进制码中， 每个码的平均信息量为每个码的平均信息量为2bit； 在等概出现的八进制码中，在等概出现的八进制码中， 每个码的平均信息量为每个码的平均信息量为3bit。 1-4通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 通信系统的主要性能指标有：信号传输的有效通信系统的主要性能指标有：信号传输的有效 性和可靠性。性和可靠性。 有效性：有效性：指给定信道内传输信息的多少指给定信道内传输信息的多

31、少 速度速度 可靠性：可靠性：指在给定信道内接收的信号的准确程度 指在给定信道内接收的信号的准确程度 质量质量 P9 1、模拟通信系统、模拟通信系统 有效性：指有效传输频带。有效性：指有效传输频带。 信号带宽信号带宽小小 好好 信道带宽信道带宽宽宽 好好 f 可靠性：可靠性：用系统输出的信噪比来衡量用系统输出的信噪比来衡量。 信噪比：信号功率与噪声功率之比。单位：分贝信噪比：信号功率与噪声功率之比。单位：分贝dB 定义：定义： S：single 信号平均功率信号平均功率 N：Noise 噪声平均功率噪声平均功率 S N （ ） dB=10lg S N （dB） S大，大， 大，可靠性大，可靠性高。高。 S N 2、数字通信系统、数字通信系统 一个数字通信系统的有效性用三个指标来说明有效性：一个数字通信系统的有效性用三个指标来说明有效性： 码元速率码元速率RB（传码率）：单位时间内传递码元的数（传码率）：单位时间内传递码元的数 目。目。 单位：单位：Baud 波特波特 简写（简写（Bd、B） 例：如某系统每秒钟传送