通信原理——绪论

1、1通通 信信 原原 理理张张 伟伟zhang_通 信 原 理2通信原理：讨论什么？通信原理：讨论什么？通 信 原 理v如何传输信息？如何传输信息？v本门课程：信息传输的最基本的问题：简单本门课程：信息传输的最基本的问题：简单基本的信道特征、信号在信道上的传输方法基本的信道特征、信号在信道上的传输方法v研究的方法：数学模型，特别是概率模型。研究的方法：数学模型，特别是概率模型。3通信原理：有什么用？通信原理：有什么用？通 信 原 理v解决信息如何传输的最基本的原理。这些原解决信息如何传输的最基本的原理。这些原理几乎适用目前的所有通信系统。是进一步理几乎适用目前的所有通信系统。是进一步研究通信系统

2、的基础。研究通信系统的基础。v通信专业的学生的必备的基础知识。通信专业的学生的必备的基础知识。v一个知识系统，本身就具备了解的价值。一个知识系统，本身就具备了解的价值。v无论技术怎么发展，学校的课程怎么改革，无论技术怎么发展，学校的课程怎么改革，基础的知识系统不会改变。基础的知识系统不会改变。4通信原理：系列课程中的地位通信原理：系列课程中的地位通 信 原 理v一、基础：数学，物理一、基础：数学，物理v二、专业基础：二、专业基础：信号与系统信号与系统 电路分析电路分析 电磁学电磁学v三、专业基础：三、专业基础：通信原理通信原理 电子电路电子电路 数字逻辑数字逻辑 计算机原理计算机原理 信息论信

3、息论 数据结构数据结构 微波技术微波技术 天线天线 交换交换 通信网通信网v专业课：移动通信专业课：移动通信 卫星通信卫星通信 等等等等 5通信原理：关系密切的先修课程通信原理：关系密切的先修课程通 信 原 理v概率论与随机过程概率论与随机过程v线性代数线性代数v信号与系统信号与系统6关于课程关于课程通 信 原 理v学习方式：课堂教学学习方式：课堂教学/ /课后作业课后作业v考试方式：开卷考试方式：开卷/ /闭卷闭卷v成绩评定：成绩评定：70%70%考试成绩考试成绩 + 30%+ 30%平平7主要参考书主要参考书通 信 原 理v樊昌信等编，通信原理，国防工业出版社樊昌信等编，通信原理，国防工业

4、出版社v周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社周炯磐等编，通信原理，北京邮电大学出版社v曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社曹志刚等编，现代通信原理，清华大学出版社vDigital and Analog Communication Systems Digital and Analog Communication Systems Edition). Edition). 清华大学出版社清华大学出版社vSimon Haykin, Communication Systems, Simon Haykin, Communication Systems, 电子工业出电子工业出版社版社vJ.G.Proa

5、kis. Digital Communication(4J.G.Proakis. Digital Communication(4rdrd Edition). Edition). 电子工业出版社电子工业出版社v通信原理习题通信原理习题8课程的基本内容课程的基本内容通 信 原 理v通信基本概念通信基本概念v确定信号和随机信号分析确定信号和随机信号分析v模拟调制系统模拟调制系统v数字基带传输系统数字基带传输系统v正弦载波数字调制系统正弦载波数字调制系统v数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收v模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输9通 信 原 理v什么是通信？什么是通信？v通信的发展简史通信的发展简史v

6、通信系统的组成通信系统的组成v通信系统的分类和通信方式通信系统的分类和通信方式v信息及其度量信息及其度量v通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标v信道及其模型信道及其模型v噪声噪声101. 1. 什么是通信什么是通信? ?通 信 原 理v通信就是互通信息通信就是互通信息本课程一般指电信，即远距离通信本课程一般指电信，即远距离通信（telecommunicationtelecommunication）v电报电报v电话电话vEtc.Etc.111. 1. 什么是通信什么是通信? ?通 信 原 理v通信：交流，传递消息；信息的传输与交换通信：交流，传递消息；信息的传输与交换消息消息文字、图象、

7、符号、声音文字、图象、符号、声音. .信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而信号是消息的承载者，信号常常由消息变换而来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间来，是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随着时间变化的电压的函数，例如随着时间变化的电压( (电流电流) )。v通信是一种产业，它生产的是一种信息在空通信是一种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应间转移的效应2. 2. 通信的发展简史通信的发展简史通 信 原 理12最早的电通信设想最早的电通信设想 17531753年年2 2月月1717日日，苏格兰人苏格兰人杂志上发表了一封署名杂志上发表了一封署名C.MC.M的书信。在这封

8、信中，作者提出了用电流进行通信的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。吸了起来，从而起到远距离传

9、递信息的作用。 通 信 原 理13最早的有线电报最早的有线电报18441844年年5 5月月2424日日，莫尔斯从华盛，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里席的国会大厦里, ,莫尔斯用激莫尔斯用激动得有些颤抖的双手动得有些颤抖的双手, ,操纵着操纵着他倾十余年心血研制成功的他倾十余年心血研制成功的电报机电报机, , 发出了发出了: :“上帝创造上帝创造了何等奇迹了何等奇迹! !”一语。一语。 莫尔斯发出第一封莫尔斯发出第一封电报设备的复制品电报设备的复制品 通 信 原 理14最早的有线电话最早的有线电话 18

10、751875年年6 6月月2 2日日，美国人亚力山大，美国人亚力山大. .格雷厄姆格雷厄姆. .贝尔贝尔(Bell,Alekander Graham)(Bell,Alekander Graham)发明了电话发明了电话。至今美国波士顿法院路。至今美国波士顿法院路109109号的门口，仍号的门口，仍钉着块镌有：钉着块镌有：18751875年年6 6月月2 2日电话诞生在这日电话诞生在这里的铜牌。里的铜牌。18761876年年2 2月月1414日日，贝尔申请了那个著名的他和，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置沃森一直研究着的装置电话的专利。电话的专利。同一天另一个发明家格雷（同一天另一个发

11、明家格雷（1835-19011835-1901）也）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。发明权。 贝尔获得电话贝尔获得电话的专利证书的专利证书 通 信 原 理15电磁波的发现电磁波的发现 18871887年年3 3月月2121日日，德国物理学家赫兹（，德国物理学家赫兹（HertzHertz）在实）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。通 信 原 理

12、16最早的无线通信最早的无线通信 18951895年年5 5月月7 7日日，3636岁的波波夫在彼德堡岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于了关于“金属屑与电振荡的关系金属屑与电振荡的关系”的论的论文，并当众展示了他发明的无线电接收文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一

13、天的划时代创举，当时的苏联夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把政府便把5 5月月7 7日定为日定为“无线电发明日无线电发明日”。 波波夫实验用的无线电接收机波波夫实验用的无线电接收机 通 信 原 理17人类首次远距离无线电通信人类首次远距离无线电通信 18971897年年5 5月月1818日日, ,马可尼进行横跨布里斯托尔（马可尼进行横跨布里斯托尔（BristolBristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为海峡的无线电通信取得成功，通信距离为1414公里。公里。通 信 原 理18影响通信发展的重要发明或理论影响通信发展的重要发明或理论 19061906年年,Lee Defores

14、t,Lee Deforest发明了真空三极管放大器。发明了真空三极管放大器。 19251925年年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。世界上第一台有实用价值的电视机。19381938年年，电视广播开播。，电视广播开播。19411941年年，John V.AtanasoffJohn V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算在衣阿华州立大学发明数字计算机。机。19471947年年，贝尔实验室的，贝尔实验室的Steve O.RiceSteve O.Rice给出了噪声的统计描述给出了噪声的统计描述。 通

15、信 原 理1919481948年年，贝尔实验室向公，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空众展示了用以取代真空管的晶体管。管的晶体管。19481948年年，Claude E.ShannonClaude E.Shannon发发表了信息论。表了信息论。著名的香农公式：著名的香农公式：2log1SCBNC C 信道容量信道容量B B 信号带宽信号带宽S/NS/N 信号与噪声的功率之比信号与噪声的功率之比通 信 原 理2019571957年年1010月月4 4日日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航上第一次收到了来自人

16、造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，天时代的开始， 也意味着一个利用卫星进行通信的时也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。代即将到来。19581958年年，发明了集成电路。，发明了集成电路。19641964年年，电子电话交换机投入使用。，电子电话交换机投入使用。19721972年年，摩托罗拉公司为，摩托罗拉公司为FCCFCC演示蜂窝电话系统。演示蜂窝电话系统。影响通信发展的重要发明或理论影响通信发展的重要发明或理论通 信 原 理2119761976年年，出现个人计算机。，出现个人计算机。19791979年年，64KB64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（随机存储器的出现宣告超大

17、规模集成（VLSIVLSI）电路时代的到来。电路时代的到来。19801980年年，贝尔公司推出，贝尔公司推出FT3FT3光纤通信系统。光纤通信系统。19891989年年，卫星全球定位系统（，卫星全球定位系统（GPSGPS）完成部署）完成部署 。19951995年年，互联网（，互联网（InternetInternet）及）及WWWWWW浏览广泛流行。浏览广泛流行。影响通信发展的重要发明或理论影响通信发展的重要发明或理论通 信 原 理22233. 3. 通信系统的组成通信系统的组成(1) (1) 通 信 原 理通信系统模型通信系统模型信息源发送设备传输媒介接收设备受信者噪声源243. 3. 通信系

18、统的组成通信系统的组成(2) (2) 通 信 原 理v模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信模拟模拟( (连续连续) )消息：状态连续变化，例如语音，图像消息：状态连续变化，例如语音，图像 数字数字( (离散离散) )消息：状态可数或离散，如符号，文消息：状态可数或离散，如符号，文字，数据字，数据模拟信号：载荷消息的电参量连续取值模拟信号：载荷消息的电参量连续取值 数字信号：载荷消息的电参量离散取值数字信号：载荷消息的电参量离散取值模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话模拟通信系统：信道中传输模拟信号，例如电话 数字通信系统：信道中传输数字信号，例如电报数字通信系统：信道中传输数字信号，例如

19、电报25模拟信号模拟信号 通 信 原 理26数字信号数字信号 通 信 原 理273. 3. 通信系统的组成通信系统的组成(3) (3) 通 信 原 理v模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟信息源调制器信道解调器受信者噪声源基带信号已调信号已调信号基带信号283. 3. 通信系统的组成通信系统的组成(4) (4) 通 信 原 理v数字通信系统模型数字通信系统模型信源信源编码加密器信道编码调制器信道噪声干扰解调器信道译码解密器信源译码信宿293. 3. 通信系统的组成通信系统的组成(5) (5) 通 信 原 理v数字通信的优点：数字通信的优点：抗干扰能力强抗干扰能力强( (消除噪声积累；差错可控消

20、除噪声积累；差错可控) )便于处理和管理，便于传输和交换便于处理和管理，便于传输和交换便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变换、便于与各种数字终端接口，进行处理、加工、变换、存储，形成智能网；存储，形成智能网；便于集成化，微型化；便于集成化，微型化；便于加密处理便于加密处理v数字通信的缺点：数字通信的缺点：频带利用率低：一路模拟电话：频带利用率低：一路模拟电话：4KHz4KHz，接近同样话，接近同样话音质量的一路数字电话：音质量的一路数字电话：64K64K。对同步要求高，系统设备比较复杂。对同步要求高，系统设备比较复杂。30(a) (a) 失真的数字信号失真的数字信号(b) (b) 恢复的

21、数字信号恢复的数字信号 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失真和恢复通 信 原 理313. 3. 通信系统的组成通信系统的组成(6) (6) 通 信 原 理v两种应用两种应用利用数字通信系统传送模拟消息利用数字通信系统传送模拟消息vA/DA/D，D/AD/A变换，例如电话变换，例如电话利用模拟通信系统传送数字信号利用模拟通信系统传送数字信号v加装数字终端，例如调制解调器加装数字终端，例如调制解调器324 4 通信系统的分类通信系统的分类(1)(1)通 信 原 理v根据信号特征根据信号特征模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统v根据消息的物理特征：电话、电报、数据、图象等根据消息的

22、物理特征：电话、电报、数据、图象等v根据调制方式根据调制方式基带传输：基带传输：频带传输：频带传输：v根据传输媒介根据传输媒介有线传输有线传输无线传输无线传输334 4 通信系统的分类通信系统的分类(2)(2)通 信 原 理v根据信号复用方式根据信号复用方式频分复用频分复用(FDM)(FDM)时分复用时分复用(TDM)(TDM)码分复用码分复用(CDM)(CDM)344 4 通信系统的分类通信系统的分类(3)(3)通 信 原 理v按消息传送方向与时间关系按消息传送方向与时间关系单工：遥测、遥控、寻呼单工：遥测、遥控、寻呼半双工：无线电对讲机半双工：无线电对讲机( (同一载频同一载频) )全双工

23、通信：电话全双工通信：电话发送端信道接收端发送端信道发送端接收端接收端发送端信道接收端接收端发送端信道354 4 通信系统的分类通信系统的分类(4)(4)通 信 原 理v按数字信号的码元排列方法按数字信号的码元排列方法串行传输：远距离数字通信串行传输：远距离数字通信并行传输：近距离数字通信并行传输：近距离数字通信发送设备接收设备 1 0 1发送设备接收设备.365 5 信息及其度量信息及其度量(1)(1)通 信 原 理v信息：消息中包含的有意义的内容信息：消息中包含的有意义的内容v信息的度量：信息量信息的度量：信息量与消息的种类及重要程度无关与消息的种类及重要程度无关事件的不确定程度越大，信息

24、量越大事件的不确定程度越大，信息量越大消息消息 x x 中所含信息量中所含信息量 I I 与消息出现概率与消息出现概率 P P( (x x) ) vI I ( (x x) ) = I = I P P( (x x)vI I 1 1/ / P P( (x x) ): : P P( (x x) ) = =1 1, I = , I = 0;0; P P( (x x) ) = = 0 0, I =, I = v若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立若干互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和事件信息量之和 I I ( (x x1 1 , x, x2 2 , , ) ) = I

25、 = I P P( (x x1 1) + I + I P P( (x x2 2) + + 375 5 信息及其度量信息及其度量(2)(2)通 信 原 理v信息量信息量 I I 的定义的定义a a =2: =2: 比特比特(bit)(bit)a a =e: =e: 奈特奈特(nit)(nit)a a =10: =10: 哈特莱哈特莱 1loglogaaIP xP x 385 5 信息及其度量信息及其度量(3)(3)通 信 原 理v离散消息的度量离散消息的度量设离散信息源是一个由设离散信息源是一个由n n个符号组成的符号集，且个符号组成的符号集，且 121211nnnxxxiP xP xP xiP

26、 x , ,且且n 各符号各符号 x x1 1 x x2 2 x xn n 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为 21222loglog,lognP xP xP x ，n 每个符号所含信息量的统计平均值每个符号所含信息量的统计平均值( (平均信息量平均信息量) )为为 1212222logloglognnHxE I xP xP xP xP xP xP x 21log/niiiP xP xbit 符符号号395 5 信息及其度量信息及其度量(4)(4)通 信 原 理信息源的最大熵信息源的最大熵 如果各符号如果各符号x x1 1 x x2 2 x xn n等概出现，即等概出现，即P P( (x

27、 xi i)=1/)=1/n n，则有，则有 12221loglog/I xI xHxn bitn 符符号号结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时结论：信息源的最大熵，发生在每一个符号等概率出现时 22 ,log 2/kknHxk bit 例例如如符符号号n 用平均信息量计算消息的信息量用平均信息量计算消息的信息量 若消息传送的符号总数为若消息传送的符号总数为m m，则，则 I I = = m Hm H( (x x) (bit) (bit) 例例: :信息源由独立等概的符号信息源由独立等概的符号0, 10, 1组成，组成， n n = 2, = 2, H H( (x x)=1bit

28、/)=1bit/符号，符号数与比特数相等。符号，符号数与比特数相等。 405 5 信息及其度量信息及其度量(5)(5)通 信 原 理例例 一信息源由四个符号一信息源由四个符号0, 1, 2, 30, 1, 2, 3组成，它组成，它们出现的概率分别为们出现的概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/83/8, 1/4, 1/4, 1/8，且，且每个符号的出现都是独立的。试求某个消息每个符号的出现都是独立的。试求某个消息201020130(57201020130(57个符号：个符号：023, 114, 023, 114, 213, 37)213, 37)的信息量和该消息中每个符号的平的信息量和该

29、消息中每个符号的平均信息量。均信息量。416. 6. 主要性能指标主要性能指标(1)(1)通 信 原 理v有效性：有效性：v可靠性：可靠性：v信息论观点，有效性和可靠性常常信息论观点，有效性和可靠性常常是一对矛盾。是一对矛盾。426. 6. 主要性能指标主要性能指标(2)(2)通 信 原 理v实现最佳通信系统设计的关键。实现最佳通信系统设计的关键。v设计原则设计原则( (基本出发点基本出发点) )：在一定代价下使系：在一定代价下使系统最优化统最优化在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去在一定可靠性的要求下，如何尽可能地去提高系统的有效性；提高系统的有效性；在一定有效性的要求下，如何最大限度地在一

30、定有效性的要求下，如何最大限度地去提高可靠性。去提高可靠性。v这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基这种矛盾的相对统一也是通信技术发展的基本动力本动力436. 6. 主要性能指标主要性能指标(3)(3)通 信 原 理v模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的性能指标有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。有效性：用所传信号的有效传输带宽来表征。显然信道的传输频带越宽，则能够容纳的信显然信道的传输频带越宽，则能够容纳的信息量就越大。息量就越大。可靠性：均方误差可靠性：均方误差v输出信噪比输出信噪比( (仅考虑加性干扰仅考虑加性干扰) )：接收端输出的信：接收端输出的信号平均功率与噪声平均功率之比号平

31、均功率与噪声平均功率之比(SNR)(SNR)电话：电话：SNR 40dB, SNR 40dB, 话音清晰度话音清晰度95%95%电视：电视：SNR = 4060dBSNR = 4060dB446. 6. 主要性能指标主要性能指标(4)(4)通 信 原 理v离散数字信号的表示离散数字信号的表示离散信源的离散信源的 N N = = 2 2k k 种可能状态可以用种可能状态可以用 k k 位二进制位二进制数字或一位数字或一位 N N 进制数字表示进制数字表示用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或用时间间隔相同的信号来表示一位二进制或 N N 进制进制数字数字v这个间隔称为符号这个间隔称为符号/ /码

32、元长度码元长度v间隔内的信号称为符号间隔内的信号称为符号/ /码元码元( (二进制或二进制或 N N 进制进制) )T tT t1T t2-1T t-2T 2T t1 T 2T t1 T 2T t-1 T 2T t1456. 6. 主要性能指标主要性能指标(5)(5)通 信 原 理v数字通信系统的性能指标：数字通信系统的性能指标：传输速率和差错率传输速率和差错率符号符号( (码元码元) )传输速率：每秒钟传送的符号数量，单传输速率：每秒钟传送的符号数量，单位为位为“波特波特”(baud(baud或或B)B)，又称传码率，又称传码率信息传输速率：每秒钟传送的信息速率，单位为信息传输速率：每秒钟传

33、送的信息速率，单位为“比特比特/ /秒秒”(bit/s)(bit/s)，又称传信率，又称传信率符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为符号速率与信息速率之间的关系：若符号速率为R Rs s，信息速率为信息速率为R Rb b，每个符号有，每个符号有 N N 种可能状态，则有种可能状态，则有Rb Rs log2 N (bit/s)Rs Rb /log2 N (baud)n 频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为频带利用率：传输速率与系统带宽之比，单位为bit/s/Hzbit/s/Hz或或Baud/HzBaud/Hz466. 6. 主要性能指标主要性能指标(6)(6)通 信 原 理误符号率误符

34、号率( (误码率误码率) ) ：符号在传输系统中被传：符号在传输系统中被传错的概率错的概率误比特率误比特率( (误信率误信率) )：符号信息量在传输系统中：符号信息量在传输系统中被丢失的概率被丢失的概率 sP 错错误误符符号号数数传传输输总总符符号号数数bP 错错误误比比特特数数传传输输总总比比特特数数477. 7. 信道信道(1)(1)通 信 原 理信道的定义：信道的定义：译码器译码器输输 入入发转换器发转换器媒媒 质质收转换器收转换器解解 调调 器器调调 制制 器器（调（调 制）制） 信信 道道广义（编码）信道广义（编码）信道编码器编码器输输 出出487. 7. 信道信道(2)(2)通 信 原 理信道模型信道模型调制信道模型调制信道模型: : 对于单对于单“端对端对”信道信道eo(t) = f ei(t) + n(t)式中式中 ei(t) 输入的已调信号；输入的已调信号；eo(t) 输出信号；输