通信原理第1章

1、东北东北石油石油大学大学通信原理通信原理通信工程教研室参考资料参考资料v 沈振元沈振元.通信系统原理，西电出版社通信系统原理，西电出版社v 1、西安电子科技大学通信原理网站、西安电子科技大学通信原理网站(9/txgc/)2、东南大学通信原理网站、东南大学通信原理网站(http:/ 无线资讯网无线资讯网http:/ Theory/crose/index545.html9、杨百翰大学的、杨百翰大学的Analog and Digital Communications/

2、ee/class/ee444/10、麻省理工学院麻省理工学院“开放式课程网页开放式课程网页” | 主要课程列表主要课程列表/cocw/mit/Global/all-courses.htm教学内容和学时分配教学内容和学时分配 绪论绪论 4学时学时1 随机过程随机过程 8学时学时2 信道信道 4学时学时3 模拟调制系统模拟调制系统 8学时学时45 正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统1212学时学时( (实验实验2 2学时）学时）67 差错控制编码差错控制编码 8学时学时8数字数字基带传输系统基带传输系统 10学时（实验学时（实验2学时）学时）第第1章章

3、 绪论绪论第第1章章 绪论绪论v1.1 通信的基本概念通信的基本概念 v1.2 通信系统的组成通信系统的组成 v1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式 v1.4 信息及其度量信息及其度量 v1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 tm(t)t 由一地向另一地由一地向另一地进行消息的有效传进行消息的有效传递。递。 利用电子等技术手利用电子等技术手段，借助电信号（含段，借助电信号（含光信号）实现从一地光信号）实现从一地向另一地进行消息的向另一地进行消息的有效传递。有效传递。通信定义通信定义1.2 通信系统的组成通信系统的组成1.2.1

4、1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型1.2.2 1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型1 1、信息源、信息源（简称信源，消息的发源地）（简称信源，消息的发源地） 作用作用：把各种消息转换成原始电信号。：把各种消息转换成原始电信号。 根据消息的种类不同，信源可根据消息的种类不同，信源可分为分为模拟信源模拟信源（话（话筒：声音筒：声音音频信号音频信号）和）和数字信源数字信源（电传机：键盘字（电传机：键盘字符符数字信号）。数字信号）。1.2.1 通信系

5、统的一般模型通信系统的一般模型受信者受信者（信宿）（信宿） 功能：把原始电信号还原成相应的消息，如电话功能：把原始电信号还原成相应的消息，如电话机的听筒（音频信号机的听筒（音频信号 声音）等。声音）等。1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型发送设备发送设备 作用：把原始电信号转换成适合于在信道中传输作用：把原始电信号转换成适合于在信道中传输的信号。通常包括编码、调制、放大等设备。的信号。通常包括编码、调制、放大等设备。1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型接收设备接收设备 功能：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始功能：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。电信号。1

6、.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型信道信道 传输信号的各种传输信号的各种物理媒质物理媒质 作用：将来自发送设备的信号传送到接收端。作用：将来自发送设备的信号传送到接收端。 信道分：信道分：有线信道有线信道和和无线信道无线信道两大类。两大类。6 6、噪声源、噪声源 集中表示分布于通信系统中各处的噪声。集中表示分布于通信系统中各处的噪声。1.2.1 通信系统的一般模型通信系统的一般模型1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟通信系统中两种重要变换：模拟通信系统中两种重要变换： （1）连续消息和）连续消息和原始的电信号原始的电信号之间的相互变换

7、；之间的相互变换； （2）基带信号基带信号到已调信号（带通信号或频带信到已调信号（带通信号或频带信号）的变换；号）的变换；v已调信号已调信号(带通信号或频带信号带通信号或频带信号)有三个基本特性：有三个基本特性： （1）携带有信息；）携带有信息； （2）适合在信道中传输；）适合在信道中传输； （3）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。v 1. 主要优点主要优点 （1）抗干扰能力强，且噪声不积累）抗干扰能力强，且噪声不积累 （2）传输差错可控（信道编码技术）传输差错可控（信道编码技术） （3）便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储）便于

8、用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储 （4）易于集成，使通信设备微型化，重量轻）易于集成，使通信设备微型化，重量轻 （5）易于加密处理，且保密性好）易于加密处理，且保密性好v 2. 缺点缺点 （1）需要较大的传输带宽）需要较大的传输带宽 （2）系统设备复杂）系统设备复杂(由于需要严格的同步，对同步要求高由于需要严格的同步，对同步要求高) 1.3.1 1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类 1 1、按通信业务分类、按通信业务分类 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。 目前，已实现了业务综合，即把各种

9、通信业务（电报、电话、传真、数据、图像）综目前，已实现了业务综合，即把各种通信业务（电报、电话、传真、数据、图像）综合在一个网内进行传输。其中，电话通信网是一种电信业务量最大、服务面积最广的专业合在一个网内进行传输。其中，电话通信网是一种电信业务量最大、服务面积最广的专业网，可兼容其它许多种非话业务网。网，可兼容其它许多种非话业务网。 2 2、按调制方式分类、按调制方式分类 根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统基带传输系统（如：市内电（如：市内电话、有线广播）和话、有线广播）和带通（频带或调制）传输系统带通（频带或调制

10、）传输系统。连续波连续波脉冲序列脉冲序列线性线性 AM，DSB，SSB，VSB非线性非线性 FM，PMASK，FSK，PSK，QAM模拟模拟数字数字模拟模拟数字数字PAM，PDM，PPMPCM，DPCM，M1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类 3 3、按信号特征分类、按信号特征分类 模拟通信系统与数字通信系统模拟通信系统与数字通信系统 4 4、 按传输媒质分类按传输媒质分类 有线通信系统有线通信系统（市内电话、有线电视等）和（市内电话、有线电视等）和无线通信系统无线通信系统（短波（短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等）电离层传播、微波视距传播、卫星中继等） 5 5、 按工作波段分类按工

11、作波段分类 按照通信设备的工作频率或波长不同，分为：按照通信设备的工作频率或波长不同，分为：长波通信、中波通长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等信、短波通信、远红外线通信等。（表。（表1-21-2） 信号的波长与信号的频率、光速的关系：信号的波长与信号的频率、光速的关系： ffc81036、 按信号复用方式分类按信号复用方式分类 复用是把多路信号同时传输的方式，复用是把多路信号同时传输的方式，传输多路信号有三传输多路信号有三种复用方式：种复用方式：频分复用、时分复用和码分复用。频分复用、时分复用和码分复用。 说明说明：同一个通信系统可以分属于不同的分类，例：同一个通信系统可以分属于不同

12、的分类，例：AMAM广播系统，既是中短波通信系统，也是模拟通信系统和带广播系统，既是中短波通信系统，也是模拟通信系统和带通传输系统。通传输系统。1.3.1 通信系统的分类通信系统的分类1 1、按消息传递的方向与时间关系划分、按消息传递的方向与时间关系划分单工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式（双向、不同时）发的工作方式（双向、不同时） 全双工通信全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 1.3.2 通信方式通

13、信方式通信方式通信方式指通信双方之间的工作方式或信号传输方式指通信双方之间的工作方式或信号传输方式2、（在数据通信中）、（在数据通信中）按数据码元传输方式不同划分按数据码元传输方式不同划分 并行传输并行传输：在：在并行信道并行信道上同时传输上同时传输n个个bit。 优点优点：节省传输时间，传输速度快：节省传输时间，传输速度快缺点缺点：需要：需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 应用应用：设备之间的近距离通信，如：设备内部、芯片之间、计：设备之间的近距离通信，如：设备内部、芯片之间、计算机和打印机之间数据的传输。算机和打印机之间数据的传输。1.3.2 通信方式通信方式 串行传输串行传输

14、 ：将数字信号码元序列以将数字信号码元序列以串行方式串行方式一个码元接一个码一个码元接一个码元地在元地在一条信道一条信道上传输上传输 优点优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用，：只需一条通信信道，节省线路铺设费用，成本低成本低缺点缺点：速度慢，需要外加：速度慢，需要外加码组或字符码组或字符同步措施同步措施 应用应用：远距离的数字传输：远距离的数字传输1.3.2 通信方式通信方式1.4 信息及其度量信息及其度量1 1、信息、信息 消息中包含的有效内容，或是受信者预先不消息中包含的有效内容，或是受信者预先不知而待知的内容。知而待知的内容。2 2、信息与消息的关系、信息与消息的关系 消息是信息的

15、物理表现形式，信息是其内涵。消息是信息的物理表现形式，信息是其内涵。 不同形式的消息可以包含相同的信息。不同形式的消息可以包含相同的信息。3 3、传输信息的多少用、传输信息的多少用“信息量信息量”衡量衡量 如何度量消息中所含的信息量？如何度量消息中所含的信息量？ 1.4 信息及其度量信息及其度量如何度量消息中所含的信息量？如何度量消息中所含的信息量？消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关1.4 信息及其度量信息及其度量 4 4、消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关、消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关 I I与与P(x)P(x)之间的关

16、系具体可以描述为如下规律：之间的关系具体可以描述为如下规律： （1 1）消息中所含信息量是消息出现概率的函数；）消息中所含信息量是消息出现概率的函数； （2 2）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈）消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小；且当小；且当p(x)=1p(x)=1，I=0I=0； p(x)=0p(x)=0，I I无穷无穷 （3 3）若干个互相独立事件构成的消息）若干个互相独立事件构成的消息, ,所含信息量等于各独立所含信息量等于各独立事件信息量的和。事件信息量的和。)(log)(1logxPxPIaa)2()1() 2() 1(xPIxPIxPxPI1.

17、4 信息及其度量信息及其度量 5 5、信息量的单位信息量的单位 信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a有关。有关。 a=2时，时， 信息量的单位为比特信息量的单位为比特(bit)； a=e时，时， 信息量的单位为奈特信息量的单位为奈特(nat)； a=10时，信息量的单位为哈特莱时，信息量的单位为哈特莱(Hartley) 。)(log)(1logxPxPIaa)()(log)(1log22bxPxPIv 例例1 设二进制离散信源，设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字以相等的概率发送数字0或或1，求信源每个输出的信息量。求信源每个输出的信息量。 解解:二进制等概率时二进制等概率时 即

18、二进制等概时，每个符号的信息量相等，为即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。 工程应用中，习惯把一个二进制码元称作工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1b5021)0() 1 (. PPbitII150)0() 1 (2.log6、离散消息的度量、离散消息的度量（1）等概率离散消息的度量）等概率离散消息的度量1.4 信息及其度量信息及其度量 当当M = 4时，即时，即4进制波形，进制波形，I = 2比特，比特，当当M = 8时，即时，即8进制波形，进制波形，I = 3比特。比特。 若有若有M个等概率波形（个等概率波形（P = 1/M），且每一个波形的出现是独立），且每一个波形的出现

19、是独立的，则传送的，则传送M进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为 若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M = 2k，则有，则有 )b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb1.4 信息及其度量信息及其度量 当各个符号出现的当各个符号出现的概率不相等概率不相等时，时，计算消息的计算消息的信息量，常用到信息量，常用到平均信息量平均信息量的概念。的概念。 平均信息量：平均信息量：每个符号所含信息量的每个符号所含信息量的统计平均统计平均值值。（2 2）非等概率离散消息的度量）非等概率离散消息的度量1.4 信息及其度量信息及其度量)(,),(),(,21, 2, 1

20、nnxPxPxPxxxniixP11)( 设离散信源是一个由设离散信源是一个由M个符号组成的集个符号组成的集合，其中：合，其中：符号bxPxPxPxPxPxPxPxPxHniiinn122222121)(log)()(log)()(log)()(log)()(且且则平均信息量（信息源的熵）为：则平均信息量（信息源的熵）为：1.4 信息及其度量信息及其度量v例例2 离散信源产生离散信源产生A、B、C三个符号，概率三个符号，概率分别为分别为1/2，1/4，1/4， 且每个符号的出且每个符号的出现都是独立的。求信源熵。现都是独立的。求信源熵。41log4141log4121log21)(222xH符

21、号）/(5 . 1bit1.4 信息及其度量信息及其度量v例例3 离散信源由离散信源由0，1，2，3 四个符号组成，四个符号组成，它们出现的概率分别为它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8， 且每个符号的出现都是独立的。试求且每个符号的出现都是独立的。试求某消息某消息010201302130012032101002 1010023102002010312032100120210 的信息量。的信息量。v解解I：此消息中，此消息中，0出现出现23次，次，1出现出现14次，次，2出现出现13次，次，3出现出现7次，共有次，共有57个符号。个符号。1.4 信息及其度量信息及其度量v该消息的

22、信息量为该消息的信息量为)(1088log74log134log1438log232222bitI 每个符号的每个符号的算术平均信息量算术平均信息量为为符号）符号位/(89. 157108bitII符号位）/(906. 1bit1.4 信息及其度量信息及其度量v解解II ：若用熵的概念来计算，若用熵的概念来计算， 得得 81log8141log4141log4183log832222H符号）/(906. 1bit则该消息的信息量：则该消息的信息量：)b(64.108906. 157I1.4 信息及其度量信息及其度量 设设f(x)为连续消息出现的概率密度，则连续为连续消息出现的概率密度，则连续消

23、息的平均信息量为：消息的平均信息量为：dxxfxfxHa)(log)()(1.4 信息及其度量信息及其度量7、连续消息的度量、连续消息的度量 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 有效性有效性:传输一定信息量所占用的频带宽度，传输一定信息量所占用的频带宽度，即频带利用率。即频带利用率。 可靠性：可靠性：传输信息的准确程度。传输信息的准确程度。 不同的通信系统对有效性和可靠性的要求及不同的通信系统对有效性和可靠性的要求及度量方法也不尽相同。度量方法也不尽相同。 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标1.5.1 有效性有效性1.5.2 可靠性可靠性 传输同样的信源信号，所需的

24、传输同样的信源信号，所需的传输带宽传输带宽越小，越小，频带利用率越高，有效性越好。频带利用率越高，有效性越好。 信号带宽信号带宽与调制方式有关。与调制方式有关。1.5.1 有效性有效性频带利用率：频带利用率：单位带宽（每赫）内的传输速率。单位带宽（每赫）内的传输速率。）（HzBBR/B）（HzsbBRb/b1.5.1 有效性有效性码元传输速率（码元速率、传码率、波特率）码元传输速率（码元速率、传码率、波特率） 定义：定义：单位时间内（每秒）传输码元的数目；单位时间内（每秒）传输码元的数目； 单位：单位：波特（波特（BaudBaud）T TB B为码元宽度，即每个码元的长度为码元宽度，即每个码元

25、的长度BBTR11.5.1 有效性有效性信息传输速率（传信率、比特率）信息传输速率（传信率、比特率） 定义：定义：单位时间内传输的平均信息量；单位时间内传输的平均信息量； 单位：单位：比特比特/秒秒(bit/s) ，简记为，简记为b/s或或bps； 符号：符号： , ,它它与进制数与进制数M有关。有关。bR1.5.1 有效性有效性与与 之间的关系：之间的关系：一个一个M进制码元携带的信息量进制码元携带的信息量 在数值上有如下关系：在数值上有如下关系：bRBR)/(log2sbMRRBb）（BMRRB2blogM2log1.5.1 有效性有效性解解: (1)(1)在在2 260s60s内传送了内传送了72 00072 000个码元个码元R RB2B2=72 000/(2=72 000/(260)=600 (B)60)=600 (B)R Rb2b2= =R RB2B2=600 (b/s) =600 (b/s) 例例4 4 已知二进制数字信号在已知二进制数字信号在2min2min内共传送内共传送7200072000个码元，个码元，（1 1）码元速率和信息速率各为多少）码元速率和信息速率各为多少? ?（2 2）如果码元宽度不变）如果码元宽度不变( (即码元速率不变即码元速率不变) )，但改为八进，但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少制数字信号，则其码元速率为多少? ? 信息速率