通信系统原理概述

1、第第1 1章章 概论概论 通信原理课程组 2 目标要求目标要求 l 基本要求基本要求 了解了解通信的发展；通信的发展； 掌握掌握消息、信息、信号的定义；消息、信息、信号的定义； 掌握掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；数字通信的概念，理解数字通信的优点； 掌握掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；数字通信系统模型及其主要性能指标； 熟悉熟悉无线信道、有线信道；无线信道、有线信道； 熟悉熟悉信道中的噪声。信道中的噪声。 3 目标要求目标要求 l 重点、难点重点、难点 重点是：重点是： 信息的度量；信息的度量； 数字通信系统模型的理解与掌握。数字通信系统模型的理解与掌握。 难点是：难点是： 数

2、字通信系统性能指标的理解与计算。数字通信系统性能指标的理解与计算。 4 主要内容主要内容 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.3 1.3 数字通信数字通信 1.4 1.4 信道信道 1.5 1.5 信道中的噪声信道中的噪声 1.6 1.6 小结小结 思考题、习题思考题、习题 5 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 一、历史的通信方式一、历史的通信方式 1.1.古代：古代： 公元前公元前800800年年( (周朝周朝) )，周幽王烽火戏诸侯周幽王烽火戏诸侯。 应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。应用光通信的见证最简单的二进制数字通信。

3、 2.2.近代：近代： 18201820年：安培发明电报通信，年：安培发明电报通信，近代数字通信近代数字通信的的 开始开始。 18381838年：莫尔斯将电报通信年：莫尔斯将电报通信推向实用推向实用。 18761876年：贝尔发明电话，年：贝尔发明电话，模拟通信的开始模拟通信的开始。 6 l周幽王骄奢淫逸，自从得到褒国进献的美女褒姒后，封为宠妃，整天周幽王骄奢淫逸，自从得到褒国进献的美女褒姒后，封为宠妃，整天 沉溺于佳丽之中，朝政荒废。褒姒美艳无比，但生性不笑，面对宫中沉溺于佳丽之中，朝政荒废。褒姒美艳无比，但生性不笑，面对宫中 玉宇琼楼，锦衣玉食，她毫无悦色。幽王欲睹褒姒笑容，大臣们想尽玉宇

4、琼楼，锦衣玉食，她毫无悦色。幽王欲睹褒姒笑容，大臣们想尽 千方百计始终不得效果。一天幽王出游骊山，佞臣虢（千方百计始终不得效果。一天幽王出游骊山，佞臣虢（guo）石父献）石父献 出烽火戏诸葛侯拙劣计策，幽王决意一试，遂命点燃烽火。各路诸侯出烽火戏诸葛侯拙劣计策，幽王决意一试，遂命点燃烽火。各路诸侯 见烽火报警，以为京城出现敌情。迅速整装带兵而至。见君臣安然无见烽火报警，以为京城出现敌情。迅速整装带兵而至。见君臣安然无 恙，且游兴正浓，感到莫名其妙。问其原因，对方笑而不答。看到这恙，且游兴正浓，感到莫名其妙。问其原因，对方笑而不答。看到这 种场面，褒姒忍不住开怀大笑。看到褒姒终于开了笑口，而且笑

5、时姿种场面，褒姒忍不住开怀大笑。看到褒姒终于开了笑口，而且笑时姿 态更美，昏君乐得忘乎所以。风尘仆仆的诸侯终于明白，烽火报警，态更美，昏君乐得忘乎所以。风尘仆仆的诸侯终于明白，烽火报警， 调兵遣将，原本为博宠妃欢心。王命如山，无可奈何，只得怏怏离去。调兵遣将，原本为博宠妃欢心。王命如山，无可奈何，只得怏怏离去。 但事隔不久，犬戎果真来犯，虽然点起了烽火，却无援兵赶到。原来但事隔不久，犬戎果真来犯，虽然点起了烽火，却无援兵赶到。原来 各诸侯以为周幽王又是故伎重演。结果都城被攻下，褒姒被抢走了，各诸侯以为周幽王又是故伎重演。结果都城被攻下，褒姒被抢走了， 周幽王也被杀死了，从此西周灭亡了。周幽王也

6、被杀死了，从此西周灭亡了。 l东周列国志中有这样一段话来形容中有这样一段话来形容褒姒：“目秀眉清，唇红齿白，目秀眉清，唇红齿白， 发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，倾国倾城之貌。之貌。” l原来周王朝为了防备西部一个叫犬戎的原来周王朝为了防备西部一个叫犬戎的少数民族部落的进攻，在部落的进攻，在骊山 一带造了二十多座一带造了二十多座烽火台，每隔几里地就是一座。如果犬戒打过来，每隔几里地就是一座。如果犬戒打过来， 把守第一道关的士兵就把火烧起来；第把守第一道关的士兵就把火烧起来；第二道关的士兵见到烟火，也把的士兵见到烟火，也把 烽火烧起来。这样一个接一个烧着烽

7、火，附近的诸侯见到了，就会发烽火烧起来。这样一个接一个烧着烽火，附近的诸侯见到了，就会发 兵来救。兵来救。 7 l最原始的光通信、二进制数字通信最原始的光通信、二进制数字通信 有光信号有光信号-有敌情有敌情 无光信号无光信号-无敌情无敌情 8 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 l 烽火台烽火台 9 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 3.3.现代现代 2020世纪世纪6060年代以后：年代以后： 数字通信技术进入高级发展阶段。数字通信技术进入高级发展阶段。 近近2020多年：多年： 数字通信迅猛发展；数字通信迅猛发展； 光纤通信也携手同行。光纤通信也携手同行。 两者都成为现代通行网的主要

8、支柱。两者都成为现代通行网的主要支柱。 10 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 “上帝创造了上帝创造了 何等的奇迹何等的奇迹! !” 塞缪尔塞缪尔莫尔斯莫尔斯 （Samuel Finley Breese Morse，1791-1872） 11 l1832年秋天，在年秋天，在大西洋大西洋中航行的一艘邮船上，美国医生杰克逊给旅中航行的一艘邮船上，美国医生杰克逊给旅 客们讲电磁铁原理，旅客中客们讲电磁铁原理，旅客中41岁的岁的美国美国画家莫尔斯被深深地吸引住了，画家莫尔斯被深深地吸引住了， 并牢记住了这些。他联想起自己所看到的法国信号机体系，它每次只并牢记住了这些。他联想起自己所看到的法国信号机

9、体系，它每次只 能凭视力所及传讯数英里而已；如果用电流传输电磁讯号，不是可以能凭视力所及传讯数英里而已；如果用电流传输电磁讯号，不是可以 在瞬息之间把消息传送数千英里之遥吗？从这以后，他毅然改行投身在瞬息之间把消息传送数千英里之遥吗？从这以后，他毅然改行投身 于于电学电学研究领域。研究领域。 l莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实莫尔斯从在电线中流动的电流在电线突然截止时会迸出火花这一事实 得到启发，得到启发，“异想天开异想天开”地想，如果将电流截止片刻发出火花作为一地想，如果将电流截止片刻发出火花作为一 种信号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又种信

10、号，电流接通而没有火花作为另一种信号，电流接通时间加长又 作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字，作为一种信号，这三种信号组合起来，就可以代表全部的字母和数字， 文字就可以通过电流在电线中传到远处了。文字就可以通过电流在电线中传到远处了。 经过几年的琢磨，经过几年的琢磨，1837 年，莫尔斯设计出了著名且简单的年，莫尔斯设计出了著名且简单的电码电码，称为莫尔斯电码，它是利用，称为莫尔斯电码，它是利用 “点点”、“划划”和和“间隔间隔”（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号）（实际上就是时间长短不一的电脉冲信号） 的不同组合来表示的不同组合来表示字母字母、数字数字、标点标点和

11、和符号符号。 l1844年年5月月24日，在华盛顿日，在华盛顿国会大厦国会大厦联邦最高法院会议厅里，一批科联邦最高法院会议厅里，一批科 学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯，只见他亲手操纵着电报机，学家和政府官员聚精会神地注视着莫尔斯，只见他亲手操纵着电报机， 随着一连串的随着一连串的“点点”、“划划”信号的发出，远在信号的发出，远在64公里外的公里外的巴尔的摩巴尔的摩 城收到由城收到由“嘀嘀”、“嗒嗒”声组成的世界上第一份声组成的世界上第一份电报电报。第一封电报的。第一封电报的 内容是圣经的诗句：内容是圣经的诗句：上帝创造了何等的奇迹上帝创造了何等的奇迹。 12 1.1 1.1 通信的发展通

12、信的发展 贝尔贝尔 （1847-19221847-1922） 美国电话发明者美国电话发明者 13 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 1876年3月10日，美国 发明家贝尔发明世界上第世界上第 一部电话一部电话，并获美国专利 局批准的电话专利。这是 2005年8月11日拍摄的美 国新泽西州默里山贝尔实默里山贝尔实 验室博物馆内验室博物馆内的世界第一 部电话。 14 l贝尔在做聋哑人用的贝尔在做聋哑人用的“可视语言可视语言”实验时，发现了一个有趣的现象：实验时，发现了一个有趣的现象： 在电流流通和截止时，螺旋线圈会发出噪声，就像电报机发送莫尔斯在电流流通和截止时，螺旋线圈会发出噪声，就像电报机

13、发送莫尔斯 电码时发出的电码时发出的“嘀答嘀答”声一样。声一样。 “电可以发出声音电可以发出声音!”思维敏捷的贝尔思维敏捷的贝尔 马上想到，马上想到，“如果能够使电流的强度变化，模拟出人在讲话时的声波如果能够使电流的强度变化，模拟出人在讲话时的声波 变化，那么，电流将不仅可像电报机那样输送信号，还能输送人发出变化，那么，电流将不仅可像电报机那样输送信号，还能输送人发出 的声音，这也就是说，人类可以用电传送声音。的声音，这也就是说，人类可以用电传送声音。” l1875年年5月，贝尔和沃特森研制出两台粗糙的样机。这两台样机是在月，贝尔和沃特森研制出两台粗糙的样机。这两台样机是在 一个圆筒底部蒙上一

14、张薄膜，薄膜中央垂直连接一根炭杆，插在硫酸一个圆筒底部蒙上一张薄膜，薄膜中央垂直连接一根炭杆，插在硫酸 液里。这样，人对着它讲话时，薄膜受到振动，炭杆与硫酸接触的地液里。这样，人对着它讲话时，薄膜受到振动，炭杆与硫酸接触的地 方电阻发生变化，随之电流也发生变化；接收时，因电流变化，也就方电阻发生变化，随之电流也发生变化；接收时，因电流变化，也就 产生变化的声波。由此实现了声音的传送。产生变化的声波。由此实现了声音的传送。 l1875年年6月月2日，他们又对带音箱的样机进行试验。贝尔在实验室里，日，他们又对带音箱的样机进行试验。贝尔在实验室里， 沃特森在隔着几个房间的另一头。贝尔一面在调整机器，

15、一面对着送沃特森在隔着几个房间的另一头。贝尔一面在调整机器，一面对着送 话器呼唤起来。话器呼唤起来。 忽然，贝尔在操作时，不小心把硫酸溅到腿上，他忽然，贝尔在操作时，不小心把硫酸溅到腿上，他 情不自禁地喊道：情不自禁地喊道：“沃特森先生，快来呀，我需要你沃特森先生，快来呀，我需要你!” “我听到我听到 了，我听到了。了，我听到了。”沃特森高兴地从那一头冲过来。他顾不上看贝尔受沃特森高兴地从那一头冲过来。他顾不上看贝尔受 伤的地方，把贝尔紧紧拥抱住。贝尔此时也忘了疼痛，激动得热泪盈伤的地方，把贝尔紧紧拥抱住。贝尔此时也忘了疼痛，激动得热泪盈 眶。眶。 15 1.1 1.1 通信的发展通信的发展

16、麦克斯韦在物理学中的最大麦克斯韦在物理学中的最大 贡献是贡献是建立了统一的经典电磁建立了统一的经典电磁 场理论和光的电磁理论场理论和光的电磁理论，预言预言 了电磁波的存在了电磁波的存在。18731873年，麦年，麦 克斯韦完成巨著克斯韦完成巨著电磁学通电磁学通 论论，这是一部可以同牛顿的，这是一部可以同牛顿的 自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理相媲相媲 美的书，美的书，具有划时代的意义具有划时代的意义， 是牛顿以后科学史上的又一座是牛顿以后科学史上的又一座 丰碑丰碑 。 麦克斯韦麦克斯韦(James (James Clerk Maxwel 1831Clerk Maxwel 1831 1879

17、)1879)英国物理学家英国物理学家 16 l他建立的电磁场理论，将电学、磁学、他建立的电磁场理论，将电学、磁学、 光学统一起来，是光学统一起来，是19世纪物理学发展世纪物理学发展 的最光辉的成果，是科学史上最伟大的最光辉的成果，是科学史上最伟大 的综合之一。他预言了的综合之一。他预言了电磁波电磁波的存在。的存在。 这种理论遇见后来得到了充分的实验这种理论遇见后来得到了充分的实验 验证。他为物理学树起了一座丰碑。验证。他为物理学树起了一座丰碑。 造福于人类的无线电技术，就是以电造福于人类的无线电技术，就是以电 磁场理论为基础发展起来的。磁场理论为基础发展起来的。 17 1.1 1.1 通信的发

18、展通信的发展 赫兹对人类赫兹对人类最伟大的贡献最伟大的贡献是是用实用实 验证实了电磁波的存在。验证实了电磁波的存在。 赫兹赫兹 （1857-18941857-1894） 德国物理学家德国物理学家 18881888年，成了近代科学史上的年，成了近代科学史上的 一座里程碑。一座里程碑。赫兹的发现具有划时代赫兹的发现具有划时代 的意义的意义，它，它不仅证实了麦克斯韦发现不仅证实了麦克斯韦发现 的真理的真理，更重要的是，更重要的是开创了无线电电开创了无线电电 子技术的新纪元子技术的新纪元。为了纪念他在电磁。为了纪念他在电磁 波发现中的卓越贡献，后人将波发现中的卓越贡献，后人将频率的频率的 单位命名为赫

19、兹单位命名为赫兹。 18 l1886年，赫兹经过反复实验，发明了年，赫兹经过反复实验，发明了 一种电波环，用这种电波环作了一系一种电波环，用这种电波环作了一系 列的实验，终于在列的实验，终于在1888年发现了人们年发现了人们 怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实 验公布后，轰动了全世界的科学界，验公布后，轰动了全世界的科学界， 由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁 理论理论，至此取得了决定性的胜利。麦，至此取得了决定性的胜利。麦 克斯韦的伟大遗愿终于实现了。克斯韦的伟大遗愿终于实现了。 19 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 在发现电

20、磁波不到在发现电磁波不到6 6年，意大利的马可尼、俄年，意大利的马可尼、俄 国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投入实际国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投入实际 使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相 继问世。无线电报（继问世。无线电报（18941894年）、无线电广播（年）、无线电广播（19061906 年）、无线电导航（年）、无线电导航（19111911年）、无线电话（年）、无线电话（19161916 年）、短波通讯（年）、短波通讯（19211921年）、无线电传真（年）、无线电传真（19231923 年）、电视（年）、电视（19291

21、929年）、微波通讯（年）、微波通讯（19331933年）、雷年）、雷 达（达（19351935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电 天文学天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。 20 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 1838莫尔斯莫尔斯 有线电报有线电报1948晶体管晶体管 香农香农IT 通信统计理论建通信统计理论建 立立 1864麦克斯韦尔麦克斯韦尔 电磁辐射方程电磁辐射方程1950时分多路通信时分多路通信 应用于电话应用于电话 1876贝尔贝尔 电话电话1956越洋电话铺设越洋电话铺设 1896马克尼马克尼

22、 无线电报无线电报1957第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星发射 1906真空管真空管1958第一颗通信卫星发射第一颗通信卫星发射 1918调幅广播调幅广播 超外差接收机超外差接收机1960发明激光发明激光 1925三路明线载波电话三路明线载波电话 多路通信多路通信1961发明集成电路发明集成电路 1936调频广播调频广播1962第一颗同步通信卫星第一颗同步通信卫星 PCM进入实进入实 用用 1937脉冲编码调制脉冲编码调制1960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 1938电视广播电视广播1970LSI 商用卫星商用卫星 程控交换程控交换 光纤通讯光纤通讯 1940二战刺

23、激二战刺激 雷达和微波系统发雷达和微波系统发 展展 1980SLSI 长波光纤通信长波光纤通信 ISDN 3G 返回返回 1.1 1.1 通信的发展通信的发展 l请总结通信的发展趋势特点，展望请总结通信的发展趋势特点，展望 未来通信发展方向。未来通信发展方向。 模拟模拟-数字数字 单一媒体单一媒体-多媒体多媒体 有线有线-无线无线 窄带窄带-宽带。？宽带。？21 22 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.1. 通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。 本课程主要研究本课程主要研究传输传输。 2. 2. 消息消息 天气预报天气预报 “明天是晴天明天是晴天

24、” 字幕字幕“明天是晴天明天是晴天” 文字文字 播音员说播音员说“明天是晴天明天是晴天” 语言语言 图形图形 、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别 信息信息 23 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.1. 通信的目的通信的目的 传递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。 本课程主要研究本课程主要研究传输传输。 2. 2. 消息消息 、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和信号的定义与区别 是指信源所产生的是指信源所产生的信息的物理表现信息的物理表现。 例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。 消息必须转换成消息必须转换成电电

25、信号（简称信号），才能信号（简称信号），才能 在通信系统中传输。在通信系统中传输。 24 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 4. 4. 信息信息 是指消息中所包含的对受信者是指消息中所包含的对受信者有意义的内容有意义的内容 （或（或有效内容有效内容）。）。 不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。 3. 3. 信号信号 是指是指消息的物理载体消息的物理载体，是传输消息的手段。，是传输消息的手段。 可分为模拟信号和数字信号。可分为模拟信号和数字信号。 、信息、消息和信号的定义与区别、信息、消息和

26、信号的定义与区别 25 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 如何度量信息？如何度量信息？ 首先要解决的问题首先要解决的问题。 运输货物运输货物-货运量，衡量运输效率货运量，衡量运输效率 传递信息传递信息-？，衡量通信效率？，衡量通信效率？ 26 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1.1.要求要求 度量信息量的方法，必须满足：度量信息量的方法，必须满足： 能度量任何消息；能度量任何消息； 与消息的类型无关；与消息的类型无关； 消息的重要程度无关。消息的重要程度无关。 二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量 27 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号

27、 2.2. 信息量的定义信息量的定义 信息量是消息出现概率的函数；信息量是消息出现概率的函数； 消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大； 若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所 包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。 二、消息中信息量的度量二、消息中信息量的度量 28 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 1 loglog( ) ( ) aa IP x p x 因此，若消息因此，若消息 出现的概率为出现的概率为 ， 则所含则所含信息量信息量 I I

28、 可定义可定义为：为： 信息量的单位信息量的单位： ，则为则为比特比特（bitbit），简记为），简记为b b，最常用最常用; ; 2a ，则为奈特（则为奈特（natnat）; ; ，则为哈特莱（，则为哈特莱（hartleyhartley）。）。 ae 10a ( )P xx( )p x 29 22 1 loglog 1/ IM M 当当M M = 2= 2时，则时，则I I = 1b= 1b。 工程上工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，常常不考虑是否为等概率的消息， 总认为一个二进制波形（或码元）等于总认为一个二进制波形（或码元）等于1b 1b 。即通。即通 常把常把一个二进制码元称做一个

29、二进制码元称做1b1b。易与信息量的单位易与信息量的单位 混淆混淆，应注意应注意。 若采用一个若采用一个M M 进制的波形，来传送进制的波形，来传送M M 个独立的个独立的 等概等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：离散消息之一，则每一码元的信息量为： (b) 1.2 1.2 消息、信息和信号消息、信息和信号 返回返回 30 1.3 1.3 数字通信数字通信 1.1. 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语音信号，取值连续。语音信号，取值连续。 数字信号，也称离散信号。如：代表文字的数字信号，也称离散信号。如：代

30、表文字的 编码和计算机数据信号，取值有限。编码和计算机数据信号，取值有限。 注意注意：区分准绳区分准绳为：考查为：考查取值是否连续取值是否连续， 而不是看时间。而不是看时间。 一、一、 基本概念基本概念 31 1.3 1.3 数字通信数字通信 码元码元 32 1.3 1.3 数字通信数字通信 2.2. 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 （1 1）共性问题）共性问题：总存在噪声和其他干扰，：总存在噪声和其他干扰， 引起传输信号的失真，影响传输质量。引起传输信号的失真，影响传输质量。解解 决噪声和干扰的影响决噪声和干扰的影响，就是，就是通信系统设计通信系统设计 的基本问题之一的基本问题之一。

31、3. 3. 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系统 33 1.3 1.3 数字通信数字通信 模拟通信系统：模拟通信系统： 要求：要求：高保真度复原高保真度复原。 度量准则：度量准则：输出信噪比输出信噪比。 基本问题：连续波形的基本问题：连续波形的参量估值问题参量估值问题。 （2 2） 个性问题个性问题 数字数字通信系统通信系统： 要求：要求：正确判决正确判决（或检测）。（或检测）。 度量准则：产生度量准则：产生错判的概率错判的概率。 理论基础：理论基础：统计判决理论统计判决理论。 注意注意：都是针对：都是针对接收端接收端的。的。 34 1.3 1.3 数字通信数字通信 二、二、数

32、字通信的特点数字通信的特点 1.1.优点优点 取值有限，能正确接收。取值有限，能正确接收。 可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。 可采用数字加密技术，提高保密度。可采用数字加密技术，提高保密度。 可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。 便于存储和处理。便于存储和处理。 易于设计、制造，体积更小、重量更轻。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。 可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。 35 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失

33、真和恢复 (a) 失真的数字信号失真的数字信号(b) 恢复的数字信号恢复的数字信号 返回返回 36 1.3 1.3 数字通信数字通信 占用带宽大压缩、光纤占用带宽大压缩、光纤。 同步要求高同步要求高。 3.3.应用实例应用实例 数字传输技术：电话、电视、计算机数据数字传输技术：电话、电视、计算机数据 等信号的远距离传输。等信号的远距离传输。 模拟传输技术：有线电话环路、无线电广模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等播、电视广播等。 二、二、数字通信的优点数字通信的优点 2.2.缺点缺点 37 1.3 1.3 数字通信数字通信 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 信信 源源

34、发送端发送端接收端接收端 信道编码信道编码 调调 制 制 信信 道 道 压缩编码压缩编码 解解 调 调 信信 宿宿 保密解码保密解码 信道解码信道解码 压缩解码压缩解码 保密编码保密编码 噪声噪声同步同步 信信 源源 编编 码码 信信 源源 解解 码码 38 1.3 1.3 数字通信数字通信 信信 源源 压压 缩缩 编编 码码 保保 密密 编编 码码 信源编码信源编码 信信 道道 编编 码码 调调 制制 发发 送送 端端 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 39 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 1. 1. 信源：信源：将消息转换为电信号的设备。将消息转换

35、为电信号的设备。 信信 源源 压压 缩缩 编编 码码 保保 密密 编编 码码 信源编码信源编码 信信 道道 编编 码码 调调 制制 发发 送送 端端 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 40 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 信信 源源 压压 缩缩 编编 码码 保保 密密 编编 码码 信源编码信源编码 信信 道道 编编 码码 调调 制制 发发 送送 端端 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 2. 2. 信源编码信源编码：降低降低数字信号的冗余，数字信号的冗余， 提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。 41 42 43 44 保密编码保密编码 l

36、数据通信的迅速发展带来了数据失密问题。信息数据通信的迅速发展带来了数据失密问题。信息 被非法截取和数据库资料被窃的事例经常发生，被非法截取和数据库资料被窃的事例经常发生， 在日常生活中信用卡密码被盗是常见的例子。数在日常生活中信用卡密码被盗是常见的例子。数 据失密会造成严重后果据失密会造成严重后果(如金融信息、军事情报如金融信息、军事情报 等等)，所以数据保密成为十分重要的问题。，所以数据保密成为十分重要的问题。 45 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 信信 道道 压压 缩缩 编编 码码 保保 密密 编编 码码 信源编码信源编码 信信 道道 编编 码码 调调 制

37、制 发发 送送 端端 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 3. 3. 信道编码信道编码：增加增加冗余字符，纠错编码，冗余字符，纠错编码， 提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。 46 信道编码信道编码 l提高提高数据传输效率数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道降低误码率是信道编码的任务。信道 编码的本质是增加通信的可靠性。编码的本质是增加通信的可靠性。 l信道编码的过程是在源数据码流中加插一些信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元码元，从而达，从而达 到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的 开销。这就好象我们运送一

38、批玻璃杯一样，为了保证运送开销。这就好象我们运送一批玻璃杯一样，为了保证运送 途中不出现打烂玻璃杯的情况，我们通常都用一些泡沫或途中不出现打烂玻璃杯的情况，我们通常都用一些泡沫或 海棉等物将玻璃杯包装起来，这种包装使玻璃杯所占的容海棉等物将玻璃杯包装起来，这种包装使玻璃杯所占的容 积变大，原来一部车能装积变大，原来一部车能装5000各玻璃杯的，包装后就只各玻璃杯的，包装后就只 能装能装4000个了，显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个个了，显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个 数减少了。同样，在带宽固定的信道中，总的传送码率也数减少了。同样，在带宽固定的信道中，总的传送码率也 是固定的，由于信道编

39、码增加了数据量，其结果只能是以是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以 降低传送有用信息码率为代价了。降低传送有用信息码率为代价了。 l将有用将有用比特数比特数除以总比特数就等于编码效率了，不同的除以总比特数就等于编码效率了，不同的编编 码方式码方式，其编码效率有所不同。，其编码效率有所不同。 47 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 信信 源源 压压 缩缩 编编 码码 保保 密密 编编 码码 信源编码信源编码 信信 道道 编编 码码 调调 制制 发发 送送 端端 4. 4. 调制：调制： 三、数字通信系统模型三、数字通信系统模型 48 1.3 1.3

40、数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 4.4.调制调制 （1 1）目的）目的 使编码信号特性与信道特性相适应，使编码信号特性与信道特性相适应， 以通过信道传输。以通过信道传输。 （2 2）几个）几个基本概念基本概念 基带、基带信号、带通信号；基带、基带信号、带通信号； 基带调制、带通调制。基带调制、带通调制。 （3 3）多路复用）多路复用 使多路信号合并，经过同一信道传输。使多路信号合并，经过同一信道传输。 49 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 5. 5. 信道信道 基带信道基带信道可传输很低的频率分量。可传输很低的频率分量。 如双绞线。如双绞线。

41、 频带信道频带信道不能传输很低的频率分量。不能传输很低的频率分量。 如无线电波。如无线电波。 50 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 5. 5. 信道信道 信道的影响：信道的影响： 信道传输特性对数字信号的影响。信道传输特性对数字信号的影响。 包括包括幅频特性幅频特性、相频特性相频特性、频率偏频率偏 移移、频率扩展频率扩展和和多径时延。多径时延。 进入信道的进入信道的外部加性噪声外部加性噪声的影响。的影响。 包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干 扰。扰。 51 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 6. 6.

42、同步同步 数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。 发端、收端间需共同的时间标准发端、收端间需共同的时间标准 使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现 同步接收。同步接收。 位同步（或码元同步）、字同步位同步（或码元同步）、字同步 52 1.3 1.3 数字通信数字通信数字通信系统模型数字通信系统模型 信信 道 道 发送端发送端接收端接收端 信信 源源 调调 制 制 解解 调 调 信信 宿宿 噪声噪声 模拟通信系统模型模拟通信系统模型 53 1.3 1.3 数字通信数字通信 1.1. 衡量系统性能优劣的基本因素：衡量系统性能优劣的

43、基本因素： 有效性有效性 可靠性可靠性 四、性能指标四、性能指标 54 1.3 1.3 数字通信数字通信 - - 性能指标性能指标 有效性有效性 可靠性可靠性 注意：注意：两者是两者是互相矛盾互相矛盾的，也是的，也是可互换可互换的。的。 提高有效性提高有效性提高传输速率提高传输速率可靠性降低；可靠性降低； 提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。有效性降低。 降低有效性，以提高可靠性；降低有效性，以提高可靠性； 降低可靠性，以提高有效性。降低可靠性，以提高有效性。 55 1.3 1.3 数字通信数字通信 - - 性能指标性能指标 2. 2. 性能指标：

44、性能指标： （1 1）传输速率）传输速率：三种定义。三种定义。 码元速率（码元速率（RB）：）： 单位时间内传输码元数。单位时间内传输码元数。“波特（波特（BaudBaud）” 信息速率（信息速率（Rb）：）： 单位时间内传输的信息量。单位时间内传输的信息量。“比特比特/ /秒秒(b/s)(b/s)” 消息速率（消息速率（RW）：）： 单位时间内传输的消息数。单位时间内传输的消息数。“字字/ /秒秒” 56 1.3 1.3 数字通信数字通信 - - 性能指标性能指标 （1 1） 传输速率：传输速率： 信息量信息量I I： 对于二进制系统而言，如果对于二进制系统而言，如果“0 0”和和“1 1”

45、等概率等概率 出现的话，每个码元所含的信息量出现的话，每个码元所含的信息量 I = 1，此时，码，此时，码 元速率和信息速率在数值上相等。元速率和信息速率在数值上相等。 对于多（对于多（M M）进制系统而言，每个码元所含的信）进制系统而言，每个码元所含的信 息量是息量是I=log2 M，此时，二者的关系为，此时，二者的关系为Rb=RBlog2 M。 22 1 loglog 1/ IM M 2. 2. 性能指标：性能指标： 57 l例例1： 58 59 60 61 1.3 1.3 数字通信数字通信 - - 性能指标性能指标 （2） 错误率错误率：三种定义。三种定义。 误码率（误码率（P Pe e

46、）：）： 误比特率（误比特率（P Pb b）：）： 误字率（误字率（P PW W）：）： e P错误接收码元数 传输码元总数= e P错误接收比特数 传输总比特数= e P错误接收字数 传输总字数= 62 1.3 1.3 数字通信数字通信 - - 性能指标性能指标 （3 3）频带利用率：）频带利用率： 单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。 通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。 （4 4）能量利用率：）能量利用率： 传输每一比特所需的信号能量。传输每一比特所需的信号能量。 该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量大小与系统带宽有直接关系。 该能量

47、与占用频带间可交换。该能量与占用频带间可交换。 返回返回 63 1.4 1.4 信道信道 一、信道分类（依传输媒体分）一、信道分类（依传输媒体分） 1.1. 无线信道：无线信道： 利用电磁波来传播信号。利用电磁波来传播信号。 如广播电台、移动电话。如广播电台、移动电话。 2.2.有线信道：有线信道： 利用人造传输媒体来传输信号。利用人造传输媒体来传输信号。 如传统的固定电话。如传统的固定电话。 注意注意：信道中的噪声有源干扰；：信道中的噪声有源干扰； 信道传输特性不良无源干扰。信道传输特性不良无源干扰。 64 无线信道无线信道- -电磁波的频率划分电磁波的频率划分 频率范围频率范围名称名称波长

48、波长典型应用典型应用 330Hz极低频极低频ELF103102km远程导航、水下通信远程导航、水下通信 30300Hz超低频超低频SLF104103km海底通信、电报海底通信、电报 0.33kHz特低频特低频ULF103102km数据终端、有线通信数据终端、有线通信 330kHz甚低频甚低频VLF10210km导航、电话、电报、水下通信导航、电话、电报、水下通信 30300kHz低频低频LF101km导航、水下通信、无线电信标导航、水下通信、无线电信标 033MHz中频中频MF103102m广播、业余无线电、海事通信广播、业余无线电、海事通信 330MHz高频高频HF10210m国际定点通信、

49、军用通信、广播、业余无线电、电报、国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、 传真传真 30300MHz甚高频甚高频VHF101m电视、电视、调频广播调频广播、移动通信、导航、空中管制、移动通信、导航、空中管制 0.33 GHz特高频特高频UHF10210cm电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信移动通信、导、导 航、航、GPS 330GHz超高频超高频SHF101cm卫星和空间通信卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信、微波接力、雷达、移动通信 30300GHz极高频极高频EHF101mm射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务射电天文、雷达

50、、微波接力、移动通信、铁路业务 300G3THz亚毫米波亚毫米波10.1mm未划分，实验用未划分，实验用 43430 THz红外红外70.7m光通信系统光通信系统 430750 THz可见光可见光0.70.4m光通信系统光通信系统 7503000THz紫外紫外0.40.1m光通信系统光通信系统 65 1.4 1.4 信道信道 二、无线信道二、无线信道 1.1.电磁波的发射和接收电磁波的发射和接收 均要用天线均要用天线 因天线尺寸的要求，通信频率都较高。因天线尺寸的要求，通信频率都较高。 频率使用规划和管理频率使用规划和管理 国际电信联盟（国际电信联盟（ITUITU）定期召开世界无）定期召开世界

51、无 线电通信大会线电通信大会WRCWRC（The World Radio- The World Radio- communication Conferencecommunication Conference），制定频率使），制定频率使 用国际协议。用国际协议。 我国：信息产业部无线电管理局。我国：信息产业部无线电管理局。 66 lc=f 其中：其中：c：波速：波速(这是一个常量，约等于这是一个常量，约等于 3*108m/s) 单位：单位：m/s f：频率：频率(单位：单位： Hz,1MHz=1000kHz=1*106Hz) ：波长（单位：波长（单位：m） l天线的尺寸不小于电磁波波长的天线的尺

52、寸不小于电磁波波长的1/10 67 1.4 1.4 信道信道 根据通信距离、频率和位置的不同：根据通信距离、频率和位置的不同： 地波传播地波传播 天波传播天波传播 视线传播视线传播 二、无线信道二、无线信道 2.2.电磁波的传播电磁波的传播 68 1.4 1.4 信道信道 （1 1） 地波传播地波传播 频率：频率：2MHz2MHz 以下，有一定的绕射能力以下，有一定的绕射能力 绕射绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具 有的能力有的能力 通信距离：可达数百数千通信距离：可达数百数千 kmkm 地面地面 发射天线发射天线 返回返回 69 1.4 1.4 信道信道 （

53、2 2）天波传播）天波传播 频率：频率：2 230MHz30MHz 电离层反射电离层反射： 通信距离：单次可达通信距离：单次可达4000km4000km，多次可达，多次可达10000km10000km 地地 面面 发射天线发射天线 70 1.4 1.4 信道信道 电离层电离层：60-400 60-400 kmkm D D层层：高：高60 - 80 km60 - 80 km E E层层：高：高100 - 120 km100 - 120 km F F层层：高：高150 -400 km150 -400 km F1F1层层：140 - 200 km140 - 200 km F2F2层层：250 - 4

54、00 km250 - 400 km 晚上：晚上：D D层、层、F1F1层消失；层消失； E E层、层、F2F2层减弱层减弱 反射高频电磁波的主要是反射高频电磁波的主要是F F层层 返回返回 71 1.4 1.4 信道信道 （3 3） 视线传播视线传播 频率：频率：30MHz30MHz以上以上 类似光波类似光波做视线传播（将穿透电离层）做视线传播（将穿透电离层） 天线高度天线高度h h与传播距离与传播距离D(=2d)的关系：的关系： D 2=8rh50h （r为地球的等效半径）为地球的等效半径） 地地 面面 发射天线发射天线 h d r D d 72 1.4 1.4 信道信道 采用采用无线电中继

55、无线电中继，实现，实现远程通信远程通信。 若天线架设高度为若天线架设高度为5050m，则视线距离约为则视线距离约为 5050km。即视距传输距离有限，需中继。即视距传输距离有限，需中继。 地地 面面 发射天线发射天线 （3 3） 视线传播视线传播 73 1.4 1.4 信道信道 转发站转发站（基站基站）：）： 人造卫星：人造卫星：3 3颗静止卫星颗静止卫星 （卫星通信系统卫星通信系统），目前），目前广泛应用广泛应用。 74 1.4 1.4 信道信道 高空平台电台高空平台电台HAPSHAPS( (High Altitude High Altitude Platform Station)Platf

56、orm Station) ： 250250个充氦气艇（个充氦气艇（平流层通信系统平流层通信系统），很），很 有发展前途。有发展前途。 75 1.4 1.4 信道信道 高空高空飞行器间的电磁波传播、飞行器间的电磁波传播、太空太空 中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传 播，都播，都符合视线传播规律符合视线传播规律，且，且不受或不受或 少受少受大气层的影响。大气层的影响。 电磁波在大气层内传播会衰减：电磁波在大气层内传播会衰减： 频率越高，衰减越严重；频率越高，衰减越严重； 且存在谐振点，应避开。且存在谐振点，应避开。 76 1.4 1.4 信道信道 频率频率(GHz)

57、(a) 氧气和水蒸气（浓度氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减）的衰减 频率频率(GHz) (b) 降雨的衰减降雨的衰减 衰减衰减 (dB/km) 衰减衰减 (dB/km) 水蒸气水蒸气 氧气氧气 降雨率降雨率 图图1.4.5 大气衰减大气衰减 77 1.4 1.4 信道信道无线信道无线信道 注意注意：目前：目前民用民用无线电通信无线电通信 中，应用最广的是中，应用最广的是蜂窝网蜂窝网和和 卫星通信卫星通信。 78 1.4 1.4 信道信道无线信道无线信道 移动移动 交换交换 中心中心 电话电话 交换交换 中心中心 蜂蜂 窝窝 网网 79 1.4 1.4 信道信道 l 明线明线 l 对称

58、电缆对称电缆 l 同轴电缆同轴电缆 二、有线信道二、有线信道 1.1. 传输电信号传输电信号 80 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 （1 1）明线明线 81 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 （2 2）对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线 82 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 （2 2）对称电缆：双绞线）对称电缆：双绞线 83 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 双绞线（双绞线（Twisted PairwireTwisted Pairwire）由两根具由两根具 有绝缘保护层的有绝缘保护层的铜导线铜导线组成，把两根导线按组成，把两根导线按 一定密度互相缠绕在一起一定

59、密度互相缠绕在一起, ,可降低信号干扰可降低信号干扰 的程度。的程度。 双绞线可以分为双绞线可以分为屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STPSTP）与）与 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（UTPUTP）两大类。）两大类。 其中屏蔽双绞线分别有其中屏蔽双绞线分别有3 3类和类和5 5类二种，类二种， 非屏蔽双绞线又分别有非屏蔽双绞线又分别有3 3类、类、4 4类、类、5 5类、超类、超5 5 类四种。类四种。 （2 2）对称电缆：双绞线对称电缆：双绞线 84 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 （3 3）同轴电缆）同轴电缆 同轴电缆截面示意图同轴电缆截面示意图 双同轴电缆及双同轴电缆及6 6芯接头芯接头 8

60、5 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 （3 3）同轴电缆同轴电缆 基站用射频同轴电缆基站用射频同轴电缆 (50(50同轴电缆同轴电缆) ) 射频同轴电缆射频同轴电缆 86 1.4 1.4 信道信道有线信道有线信道 解释：解释： 同轴电缆是一种通讯电缆，电缆同轴电缆是一种通讯电缆，电缆 结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材 料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕， 网外又再覆盖一层保护性材料。网外又再覆盖一层保护性材料。 常用的同轴电缆有常用的同轴电缆有两类两类：5050和和7575 同轴电缆。同轴电缆。 （3 3）