通信原理 第一章 概论)

1、1通信系统原理通信系统原理课程介绍课程介绍【教学目标教学目标】本课程是电子通信类专业的本课程是电子通信类专业的一门重要课程，既是基础理论课，又是一一门重要课程，既是基础理论课，又是一门专业性的课程。通过该课程的学习，使门专业性的课程。通过该课程的学习，使学生打下良好的理论基础，并可初步培养学生打下良好的理论基础，并可初步培养对通信系统进行分析和设计的能力。对通信系统进行分析和设计的能力。【课程要求课程要求】掌握数字通信的基本概念、掌握数字通信的基本概念、基本理论以及基本的分析方法；熟悉通信基本理论以及基本的分析方法；熟悉通信系统的组成和工作原理；了解通信系统主系统的组成和工作原理；了解通信系统

2、主要组成部分的实现方法。要组成部分的实现方法。教学参考书教学参考书樊昌信樊昌信通信原理教程通信原理教程，电子工业出版社，电子工业出版社樊昌信等，樊昌信等，通信原理通信原理，国防工业出版社，国防工业出版社 曹志刚等，曹志刚等，现代通信原理现代通信原理，清华大学出，清华大学出版社版社 【美美】约翰约翰 G G。ProakisProakis 著，著，数字通信数字通信，电子工业出版社电子工业出版社第一章概论第一章概论2356147通信的发展通信的发展谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远

3、方的人们火传达给远方的人们( (类似的例子还有抗日类似的例子还有抗日战争时期的战争时期的“消息树消息树”) )；舰船上的灯语和；舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话；传统的信函以船或港口进行无声的对话；传统的信函以文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺素之文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺素之中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建设工地上，工人们经常使用对讲机相互联设工地上，工人们经常使用对讲机相互联络，协调工作；在电影电视中经常看到军络，协调工作；在电影电视中经常看到军通信的发展通信的发展人或警

4、察利用无线电台进行作战指挥；还有电人或警察利用无线电台进行作战指挥；还有电报、电传、电话、寻呼、移动电话、有线广播、报、电传、电话、寻呼、移动电话、有线广播、无线广播、有线电视、无线电视等当代最为普及无线广播、有线电视、无线电视等当代最为普及的通信手段都是现实生活中我们所熟悉的通信实的通信手段都是现实生活中我们所熟悉的通信实例。例。在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚的烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含的烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊的书信，还是绚丽多彩的电视画面，尽管通情谊的书信，还是绚丽多彩的电视画面，尽管通信的方式各种各样，

5、传递的内容千差万别，但都信的方式各种各样，传递的内容千差万别，但都有一个共性，那就是有一个共性，那就是进行信息的传递。进行信息的传递。通信的发展通信的发展 自自19世纪初电通信技术问世以来，短短的世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼千里眼”、“顺风耳顺风耳”等古人的梦想不但得以等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通好

6、地了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通信技术发展历史简表。信技术发展历史简表。通信的发展通信的发展 通信技术发展史简表通信技术发展史简表通信的发展通信的发展。摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。的领域。载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。的局面，使一个物理介质上传送多路音

7、频电话信号成为可能。电流只要停止片刻，就会现出火花。有火花出现可以看成是一种符号，电流只要停止片刻，就会现出火花。有火花出现可以看成是一种符号，没有火花出现是另一种符号，没有火花的时间长度又是一种符号。没有火花出现是另一种符号，没有火花的时间长度又是一种符号。这三种符号组合起来可代表字母和数字，就可以通过导线来传递这三种符号组合起来可代表字母和数字，就可以通过导线来传递文字了文字了。 通信的发展通信的发展电子计算机。计算机被公认为是电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。快了各类科学技术的发展进程。光纤通信。光导纤维的发明，使人们

8、寻求到一种真正能够承光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。方便快捷的通信手段。因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成了一个没有距离的小村落了一个没有距离的小村落-“地球村地球村”。第一章概论第一章概论2356147消息、信息和信号消息、信息和信号 消息（消息（MessageMessage）消息是

9、指消息是指通信过程中传输的具体原始对象通信过程中传输的具体原始对象，如，如电话中语音，电视中图像，电报中电文，雷达中电话中语音，电视中图像，电报中电文，雷达中目标的距离、高度、方位，遥测系统中测量的数目标的距离、高度、方位，遥测系统中测量的数据等。这些消息在物理特征上各不相同，所以各据等。这些消息在物理特征上各不相同，所以各种消息的组成亦不相同。种消息的组成亦不相同。在通信领域中，消息可在通信领域中，消息可以分为离散消息和连续消息。由离散信息源产生以分为离散消息和连续消息。由离散信息源产生的消息称为离散消息，由连续信息源产生的消息的消息称为离散消息，由连续信息源产生的消息就是连续消息。就是连续

10、消息。特点：特点： 能够被通信双方理解能够被通信双方理解 可以传递可以传递消息、信息和信号消息、信息和信号 信息（信息（InformationInformation）消息消息的的有效内容，不同消息可有相同内容。有效内容，不同消息可有相同内容。信号（信号（SignalSignal）传输消息的手段（媒介），通信系统中传输的传输消息的手段（媒介），通信系统中传输的是信号，信号是传输的载体，如电信号、光信号是信号，信号是传输的载体，如电信号、光信号等。等。信号的频谱信号的频谱确知信号的频谱为其傅氏变换：确知信号的频谱为其傅氏变换： 或或dtetxXtj)()(dtetxfXftj2)()(消息、信息和

11、信号消息、信息和信号信号的频谱信号的频谱随机信号的频谱常用其功率普密度表示：随机信号的频谱常用其功率普密度表示： 或或功率谱密度与信号平均功率的关系：功率谱密度与信号平均功率的关系：信号的带宽信号的带宽信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差。实际上，带宽是衡量信号频带宽度的与最低频率分量之差。实际上，带宽是衡量信号频带宽度的一个量，它表示我们通过测量仪器可以感受到的频率范围，一个量，它表示我们通过测量仪器可以感受到的频率范围，也就是说，一个信号在频域看上去有多宽。也就是说，一个信号在频域看上去有多宽。 deXtxt

12、j)(21)(dfefXtxftj2)()(dffPS)(消息、信息和信号消息、信息和信号信号的带宽信号的带宽零点带宽零点带宽数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真时，定义旁瓣不足以引起信号失真时，定义 f fb b 为信号的零点带宽。为信号的零点带宽。 消息、信息和信号消息、信息和信号信号的带宽信号的带宽百分比带宽百分比带宽百分比带宽由下式来定义：百分比带宽由下式来定义：其中其中 f fr r 称为百分比带宽，可以取称为百分比带宽，可以取96%96%、98%98%、99%99%等值，等值，其含义是，在该带宽范

13、围内信号的功率占总功率其含义是，在该带宽范围内信号的功率占总功率 。%)()(00dffPdffPrf消息、信息和信号消息、信息和信号信号的带宽信号的带宽矩形等效带宽矩形等效带宽对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩形等效带宽如下图所示，可以定义矩形等效带宽B BC C 。其含义为：其含义为：00( )CP BP f df消息、信息和信号消息、信息和信号信号的带宽信号的带宽3dB3dB带宽带宽3dB3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：带宽又称半功率带宽，如下图所示：信号频谱在信号频谱在 f f0 0 处取最大

14、值，处取最大值，2/ )()()(),(021210fPfPfPfff且消息、信息和信号消息、信息和信号 信息的度量信息的度量传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。信息度量的定义信息度量的定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用用I I表示表示。消息、信息

15、和信号消息、信息和信号信息度量的原则信息度量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关度量方法应该与消息的重要程度无关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例例】 “某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今天下雨今天下雨”这这条消息包含有更多的信息。条消息包含有更多的信息。 上例表明：上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法信息度量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述

16、：消息事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。 设： P(x) 消息发生的概率，消息发生的概率， I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，则则 P(x) 和和 I 之间应该有如下关系：之间应该有如下关系： I 是是 P(x) 的函数：的函数： I I P(x) P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1时，时，I 0； P(x) = 0时，时，I 消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法信息度量的方法满足上述三个条件的公式为：满足上述三个条件的公式为：上式中对数的底：上式中对数的

17、底：若若a = 2，信息量的单位称为比特，信息量的单位称为比特(bit) ，可简记为，可简记为b若若 a = 10，信息量的单位称为哈特莱，信息量的单位称为哈特莱(Hartley) 。若若a = e，信息量的单位称为奈特，信息量的单位称为奈特(nat)1loglog( )( )aaIP xP x 消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法信息度量的方法通常广泛使用的单位为比特，这时有通常广泛使用的单位为比特，这时有【例例】 设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信息含量为，则信源每个输出的信息含量为 在工程应用

18、中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1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），且每一个波形的出现是独立的，则传送独立的，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221loglog( )( )IP xP x 221(0)(1)loglog 21 (b)1/2II22211logloglog(b)1/IMPM消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法信息度量的方法若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M = 2k，则有，则有当当M = 4时，即时，即4进制波形，进制波形，I = 2比特，比特，当当M

19、= 8时，即时，即8进制波形，进制波形，I = 3比特。比特。对于非等概率情况对于非等概率情况设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M M个符号组成的集合，其中每个符号个符号组成的集合，其中每个符号x xi i ( (i i = 1, 2, 3, = 1, 2, 3, , , M M) )按一定的概率按一定的概率P(P(x xi i) )独立出现，即独立出现，即 2log 2( )kIkb 1212,MMxxxP xP xP x消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法且有且有则则x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为于是，于是，每个符号所含平均信息量为

20、每个符号所含平均信息量为由于由于H H( (x x) )同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵熵1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符号）消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法【例例1 1】 一离散信源由一离散信源由“0”0”，“1”1”，“2”2”，“3”3”四个四个符号组成，它们出现的概率分别为符号组成，它们出现的概率

21、分别为3/83/8，1/41/4，1/41/4，1/81/8，且，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130 2010201302130 0120321010032101002310200201031203210012021001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。【解】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”出出现现13次，次，“3”出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信

22、息量为每个符号的算术平均信息量为)b(1088log74log134log143/8log232222I符号）比特符号数/(89. 157108II消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法若用熵的概念来计算：若用熵的概念来计算：则该消息的信息量则该消息的信息量以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。当消息序列较

23、长时，用熵的概念计算更为方便。符号）（比特/906. 181log8141log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I消息、信息和信号消息、信息和信号信息度量的方法信息度量的方法连续消息的信息量连续消息的信息量 关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为证明，连续消息的平均信息量为式中，式中，f (x) 连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。 ( )logaH xfxfx dx 第一章概论第一章概论2356147通信系统的组成通信系统的组成 通信的定义通信的定义

24、通信是传输消息的过程，其根本目的是把有信通信是传输消息的过程，其根本目的是把有信息的消息传到指定的目的地。息的消息传到指定的目的地。 通信的实现方法通信的实现方法把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就是消息的传载者。是消息的传载者。 通信系统的组成：通信系统的组成：由传输设备和线路组成。由传输设备和线路组成。通信系统的组成通信系统的组成不同的通信系统均可概括为如下基本模型不同的通信系统均可概括为如下基本模型信源信源。通信系统的基本模型通信系统的基本模型发送设备发送设备通信系统的基本模型通信系统的基本模型信道信道通信系统的基本模型通信系统的基本模型 噪声

25、源噪声源通信系统的基本模型通信系统的基本模型接收设备接收设备：功能与发送设备的相反，完成发送设备功能与发送设备的相反，完成发送设备的反变换，使接收信号恢复为的原始电信号。的反变换，使接收信号恢复为的原始电信号。通信系统的基本模型通信系统的基本模型信宿信宿第一章概论第一章概论2356147模拟通信和数字通信模型模拟通信和数字通信模型模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟通信系统模型模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信的主要特点数字通信的主要特点模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号模拟信号参量参量 (幅度、频率或相位幅度、频率或相位) 随着消息连续变化随着消息连续变化

26、的信号。的信号。特点：特点：幅度连续幅度连续 时间上可连续也可不连续时间上可连续也可不连续例如：语音信号和例如：语音信号和 PAM 信号等信号等模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号数字信号数字信号幅度（电压或电流）的取值不仅是时间的离散幅度（电压或电流）的取值不仅是时间的离散函数，而且取值也是有限可数的离散值。函数，而且取值也是有限可数的离散值。例如：计算机输入输出信号和各种数据信号，例如：计算机输入输出信号和各种数据信号，电报信号电报信号,PCM 信号等信号等模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 模拟通信：用模拟信号传消息的通信模拟通信：用模拟信号传消息的通信 数字通信：用数字通信传消息的通

27、信数字通信：用数字通信传消息的通信 相应地的通信系统为相应地的通信系统为模拟通信系统模拟通信系统和和数数字通信系统。字通信系统。模拟通信和数字通信模型模拟通信和数字通信模型模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟通信系统模型模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信的主要特点数字通信的主要特点模拟通信系统模拟通信系统 模拟通信系统模型模拟通信系统模型调制器和解调器调制器和解调器模拟通信和数字通信模型模拟通信和数字通信模型模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统数字通信的主要特点数字通信的主要特点数字通信系统模型数字通信系统模型信信源源信

28、信源源编编码码器器信信道道编编码码器器调调制制器器信信道道解解调调器器信信道道译译码码器器信信源源译译码码器器信信宿宿噪声源噪声源数字通信系统模型数字通信系统模型信源信源：输出的是待传送的信号。它可以是模拟信号，也可以输出的是待传送的信号。它可以是模拟信号，也可以是数字信号。是数字信号。信源编码器信源编码器：信源输出为模拟信号时，完成模信源输出为模拟信号时，完成模/ /数变换；信源输出为数变换；信源输出为数字信号时，完成压缩编码等功能。数字信号时，完成压缩编码等功能。加密器加密器：用于需要保密通信的系统：用于需要保密通信的系统数字通信系统模型数字通信系统模型信道编码器信道编码器：作用是提高可靠

29、性，进行差错控制编码。作用是提高可靠性，进行差错控制编码。调制器调制器：将待传输的数字信号适当变化，以适于信道传输。将待传输的数字信号适当变化，以适于信道传输。 信道信道：信号在媒质中传输的通路。信号在媒质中传输的通路。 噪声源噪声源：信号在信道传输过程中受到的加性干扰。信号在信道传输过程中受到的加性干扰。 解调器解调器：将调制信号还原成基带信号将调制信号还原成基带信号数字通信系统模型数字通信系统模型信道解码器信道解码器：对信号完成纠检错功能对信号完成纠检错功能解密器解密器：加密的反变换。加密的反变换。信源解码器信源解码器：完成数完成数/模变换或解压缩编码等功能模变换或解压缩编码等功能信宿信宿

30、：受信者受信者同步系统：同步系统：因分散未画出。但它却是数字通信系统中必不可少的因分散未画出。但它却是数字通信系统中必不可少的组成部分。组成部分。模拟通信和数字通信模型模拟通信和数字通信模型模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟通信系统模拟通信系统数字通信系统数字通信系统数字通信的主要特点数字通信的主要特点数字通信特点（优点）数字通信特点（优点） 抗干扰能力强，无噪声积累抗干扰能力强，无噪声积累 可进行信码再生，去掉传输过程的噪声积累可进行信码再生，去掉传输过程的噪声积累 可靠性高可靠性高 易于加密易于加密 通用性、灵活性好通用性、灵活性好数字通信特点（缺点）数字通信特点（缺点） 占用的频带

31、宽占用的频带宽 数字通信的许多优点都是用比模拟通信占数字通信的许多优点都是用比模拟通信占 据更宽的系统频带换得的据更宽的系统频带换得的 对同步的要求高对同步的要求高 系统设备较复杂系统设备较复杂第一章概论第一章概论2356147通信系统分类及信息传输方式通信系统分类及信息传输方式 通信系统分类通信系统分类 信息传输方式信息传输方式通信系统分类通信系统分类通信系统通信系统的的分类方式很多，我们仅介绍如分类方式很多，我们仅介绍如下的常见方式下的常见方式。 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统统按通信业务分类：话务通信和非话务通信按通信业务分类：话务通信

32、和非话务通信按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统统按调制方式分类：基带传输和频带（调制）传按调制方式分类：基带传输和频带（调制）传输输通信系统分类及信息传输方式通信系统分类及信息传输方式 通信系统分类通信系统分类 信息传输方式信息传输方式信息传输方式信息传输方式按消息传递的方向与时间关系分为按消息传递的方向与时间关系分为单工通信：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，但不通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式能同时进行收和发的工作方式全双工通信：全双工通信：通信

33、双方可同时进行收发消息通信双方可同时进行收发消息的工作方式的工作方式在点与点之间的通信系统中通信方式通信方式单工、半双工及全双工通信单工、半双工及全双工通信信息传输方式信息传输方式按数字信号代码排列的顺序可分为按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输：并行传输：将代表信息的数字序列以成组的方式将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输在两条或两条以上的并行信道上同时传输优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施缺点：需要缺点：需要 n n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 信息传输方式信息传输方式串行传输：串行传输：

34、串行传输：数字序列以串行方式一串行传输：数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输个接一个地在一条信道上传输优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施第一章概论第一章概论2356147通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标有效性有效性指传输一定信息量时所占用的信指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的传输的“速度速度”问题。问题。可靠性可靠性指接收信息的准确

35、程度，也就是指接收信息的准确程度，也就是传输的传输的“质量质量”问题。问题。模拟通信系统主要性能指标模拟通信系统主要性能指标 对模拟通信系统的基本要求对模拟通信系统的基本要求有效性有效性可用有效传输频带来度量可用有效传输频带来度量可靠性可靠性可用接收端最终输出信噪比来度可用接收端最终输出信噪比来度量量。 数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要性能指标 对数字通信系统的基本要求对数字通信系统的基本要求传得快，即效率高传得快，即效率高传输效率用传输速率传输效率用传输速率描述描述传得准确，即准确可靠传得准确，即准确可靠可靠性用差错概可靠性用差错概率描述率描述数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要

36、性能指标 对数字通信系统的基本要求对数字通信系统的基本要求传得快，即效率高传得快，即效率高传输效率用传输速率传输效率用传输速率描述描述传得准确，即准确可靠传得准确，即准确可靠可靠性用差错概可靠性用差错概率描述率描述 主要性能指标主要性能指标 传输速率传输速率频带利用率频带利用率 差错概率差错概率数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要性能指标传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 R RB B 信息传输速率信息传输速率R Rb b 码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 消息传输速率消息传输速率传输速率传输速率码元传输速率码元传输速率 码元传输速率码元传输速率(码

37、元速率或传码率码元速率或传码率):单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（特（BaudBaud），简记为），简记为B B。式中式中T T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒） )B(1TRB传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 R RB B 信息传输速率信息传输速率R Rb b 码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 消息传输速率消息传输速率传输速率传输速率信息传输速率信息传输速率 信息传输速率（传信率或比特率）：信息传输速率（传信率或比特率）：单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位单位时间内传递的平均信息量或比

38、特数，单位为比特为比特/ /秒，简记为秒，简记为 b/sb/s ，或，或bpsbps主要性能指标主要性能指标传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 R RB B 信息传输速率信息传输速率R Rb b 码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 消息传输速率消息传输速率码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系在传送等概的一个二进制波特即传送在传送等概的一个二进制波特即传送1比特信息，比特信息，所以，这时信息传输速率的数值等于码元传输速所以，这时信息传输速率的数值等于码元传输速率的数值。当率的数值。当M=2n时，且时，且n不等于不等于1，码元传输速

39、，码元传输速率的数值不等于信息传输速率数值。其关系为：率的数值不等于信息传输速率数值。其关系为： bBRRlog M2码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 【例例】四进制系统的码元传输速率四进制系统的码元传输速率r rB B=2400=2400波特，波特，则信息传输速率则信息传输速率2bBRRlog M=2400 log 24800bps22码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 【例例】某信息源的符号集由某信息源的符号集由A A、 B B、 C C、 D D、E E组成，组成， 设每一符设每一符号独立出现，其出现的概率分别为号独立出现，其

40、出现的概率分别为 1/41/4、 1/81/8、 1/81/8、 3/16 3/16 和和 5/165/16。（。（1 1） 试求该信息源符号的平均信息量；（试求该信息源符号的平均信息量；（2 2） 若信息源若信息源以以 1000B1000B速率传送信息，速率传送信息， 试求传送试求传送 1 1 小时的信息量；（小时的信息量；（3 3） 试求传送试求传送1 1小时可能达到的最大信息量。小时可能达到的最大信息量。 解解 （1 1） 该信息源符号的平均信息量为该信息源符号的平均信息量为 1( )( )1( )111133551211log4488161616162.23niiiH xP xogP

41、xogogog bit/符号 码元传输速率与信息传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 （2 2） 平均信息速率为平均信息速率为R Rb b= =R RB BH H( (x x)=1000)=10002.23=2.232.23=2.2310103 3 bit/s bit/s 传送传送1 1小时的信息量为小时的信息量为 I I= =R Rb bt t=2.23=2.2310103 33600=8.0283600=8.02810106 6 bit bit主要性能指标主要性能指标传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 r rd d 信息传输速率信息传输速率r re e 码元传输速率与信息

42、传输速率的关系码元传输速率与信息传输速率的关系 消息传输速率消息传输速率传输速率传输速率消息传输速率消息传输速率传送的消息数传送的消息数/ / 单位时间单位时间 主要性能指标主要性能指标 传输速率传输速率 频带利用率频带利用率差错概率差错概率数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要性能指标主要性能指标主要性能指标频带利用率频带利用率有时为了进一步描述数字通信系统传输信有时为了进一步描述数字通信系统传输信息的效率，还定义了频带利用率息的效率，还定义了频带利用率。频带。频带利用率是指单位频带利用率是指单位频带( (每赫兹每赫兹) )内的传输速内的传输速率，率， 即即 B/HzB频带宽度码元传输速率

43、(b/s)/Hzb频带宽度信息传输速率 主要性能指标主要性能指标 传输速率传输速率 频带利用率频带利用率差错概率差错概率数字通信系统主要性能指标数字通信系统主要性能指标主要性能指标主要性能指标差错概率差错概率误码率：错误接收码元在传送码元总数中误码率：错误接收码元在传送码元总数中所占的比例。所占的比例。误信率：又称误比特率。是错误接收的信误信率：又称误比特率。是错误接收的信息量在总传送信息量中的比例。息量在总传送信息量中的比例。对于二进制信号，显然误码率等于误比特对于二进制信号，显然误码率等于误比特率，即率，即P Pb b= =P Pe e。 传输码元数目接收错误码元数目eP传输比特总数目接收

44、错误比特数目bP主要性能指标主要性能指标差错概率差错概率 对于对于M进制信号，每个码元含有进制信号，每个码元含有k=logM bit(M=2k)。当一个码元发生错误时，在。当一个码元发生错误时，在k个比特个比特中错误比特所占比例的平均值中错误比特所占比例的平均值(数学期望值数学期望值)为为 ) 1(21211)(11MMMCkiMEkEkikki一个码元中的比特数错误比特数主要性能指标主要性能指标差错概率差错概率误码率与误比特率之间关系为误码率与误比特率之间关系为ebe( )2(1)MPE k PPM当当M较大时，较大时， 误比特率为误比特率为eb21PP 第一章概论第一章概论2356147信

45、道信道 信道分类信道分类 有线信道有线信道 无线信道无线信道 信道模型信道模型 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声信道中的噪声信道分类信道分类狭义信道和广义信道：若信道仅是指信号的传输媒体，则狭义信道和广义信道：若信道仅是指信号的传输媒体，则称为狭义信道；若信道除包括传输媒体外，还包括通信系称为狭义信道；若信道除包括传输媒体外，还包括通信系统中的一些变换装置，例如发送设备、接收设备、馈线与统中的一些变换装置，例如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制解调器等，则称为广义信道。天线、调制解调器等，则称为广义信道。 有线信道和无线信道：狭义信道按照传输媒体分，可分为有线信

46、道和无线信道：狭义信道按照传输媒体分，可分为有线信道和无线信道。有线信道和无线信道。 无线信道利用电磁波在自由空间中无线信道利用电磁波在自由空间中的传播来传输信号；有线信道利用人造的传输媒体来传输的传播来传输信号；有线信道利用人造的传输媒体来传输信号。信号。 有线信道包括：明线、对称电缆、同轴电缆和光纤等有线信道包括：明线、对称电缆、同轴电缆和光纤等 无线信道包括：无线信道包括：地波传播、地波传播、 短波电离层反射、超短波或微短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、对流层散射、移动无线信道波视距中继、人造卫星中继、对流层散射、移动无线信道等等信道分类信道分类调制信道和编码信道：广义

47、信道按照其功能可分为调制信调制信道和编码信道：广义信道按照其功能可分为调制信道和编码信道。调制信道包括发转换器、传输媒体和收转道和编码信道。调制信道包括发转换器、传输媒体和收转换器。编码信道包括调制器、调制信道和解调器。换器。编码信道包括调制器、调制信道和解调器。输入发转换器收转换器解调器调制器输出调制信道编码信道编码器传输媒体译码器信道信道 信道分类信道分类 有线信道有线信道 无线信道无线信道 信道模型信道模型 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声信道中的噪声有线信道有线信道架空明线：架空明线是指架空明线：架空明线是指平行架设在电线杆上的架平行架设在电线杆上的架空空

48、( (裸线或带绝缘层的导裸线或带绝缘层的导线线) )线路。架空明线的特线路。架空明线的特点是容易建设，低频信号点是容易建设，低频信号的传输损耗低，但高频信的传输损耗低，但高频信号的衰耗较大，带宽窄，号的衰耗较大，带宽窄，易受天气和环境的影响，易受天气和环境的影响， 对外界噪声干扰较敏感。对外界噪声干扰较敏感。目前，已逐渐被电缆取代。目前，已逐渐被电缆取代。 有线信道有线信道双绞线（对称电缆）双绞线（对称电缆） 定义：将一对绝缘线纽绞在一起，任意拧成螺旋形就构成定义：将一对绝缘线纽绞在一起，任意拧成螺旋形就构成了双绞线。了双绞线。 构造：双绞线线对绞合越紧密和均匀，双绞线的质量越好。构造：双绞线

49、线对绞合越紧密和均匀，双绞线的质量越好。 特性：双绞线的优点是价格便宜、使用方便、安装容易。特性：双绞线的优点是价格便宜、使用方便、安装容易。因此常作为用户与本地中心站及中心站与中心站间的连线。因此常作为用户与本地中心站及中心站与中心站间的连线。 分类：双绞线根据有无屏蔽层可以分为：非屏蔽双绞线分类：双绞线根据有无屏蔽层可以分为：非屏蔽双绞线(UTP)(UTP)和屏蔽双绞线和屏蔽双绞线(STP)(STP)。有线信道有线信道双绞线（对称电缆）双绞线（对称电缆）有线信道有线信道同轴电缆同轴电缆 定义：同轴电缆是对地不对称的同轴管构成的一种通信回定义：同轴电缆是对地不对称的同轴管构成的一种通信回路。

50、路。 构造：其内导体是一铜质芯线，外面包有绝缘层和网状编构造：其内导体是一铜质芯线，外面包有绝缘层和网状编织物的外导体屏蔽层，最外面是塑料保护外层。织物的外导体屏蔽层，最外面是塑料保护外层。 特性：寿命长、通信容量大、质量稳定、外界干扰小、可特性：寿命长、通信容量大、质量稳定、外界干扰小、可靠性高和维护便利等优点。在有限通信中占有很大比重。靠性高和维护便利等优点。在有限通信中占有很大比重。在局域网中应用非常广泛。在局域网中应用非常广泛。 分类：按其阻抗特性来分主要有三大类，即分类：按其阻抗特性来分主要有三大类，即5050、7575、9393。有线信道有线信道同轴电缆同轴电缆有线信道有线信道光纤

51、光纤 定义：光纤又称光导纤维，通常由非常透明的石英玻璃拉定义：光纤又称光导纤维，通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝状，是一根很细很细的、能传导光束的介质。成细丝状，是一根很细很细的、能传导光束的介质。 构造：和同轴电缆相似，但没有网状屏蔽层。中心是玻璃构造：和同轴电缆相似，但没有网状屏蔽层。中心是玻璃纤芯，芯外面包围着一层玻璃封套，又叫包层，再外面是纤芯，芯外面包围着一层玻璃封套，又叫包层，再外面是一层薄的塑料外壳，用来保护玻璃封套。一层薄的塑料外壳，用来保护玻璃封套。 分类：目前广泛应用的光纤分为两大类，单模光纤和多模分类：目前广泛应用的光纤分为两大类，单模光纤和多模光纤。光纤。 单模：细芯，

52、要有激光源；端难接；色散小，效率高；价单模：细芯，要有激光源；端难接；色散小，效率高；价格昂贵；适于长距离与高速场合。格昂贵；适于长距离与高速场合。 多模：粗芯；端接容易；色散大，效率低；价格较便宜；多模：粗芯；端接容易；色散大，效率低；价格较便宜；用于短距离与低速场合。用于短距离与低速场合。有线信道有线信道光纤光纤 光纤的物理原理：塑料制成的外壳可以吸收光线，防止串光纤的物理原理：塑料制成的外壳可以吸收光线，防止串音，保护外层表面；透明玻璃制成的纤芯和包层可使光线音，保护外层表面；透明玻璃制成的纤芯和包层可使光线沿着纤芯传播，并在它们之间的接触面上进行光的反射；沿着纤芯传播，并在它们之间的接

53、触面上进行光的反射；纤芯的折射率要高于包层，以保证光线在纤芯中传输时比纤芯的折射率要高于包层，以保证光线在纤芯中传输时比在包层中慢，这样就使从纤芯向包层传送的光波能被反射在包层中慢，这样就使从纤芯向包层传送的光波能被反射回纤芯，并沿光纤传播。回纤芯，并沿光纤传播。 光纤的传输原理：利用光导纤维传递光脉冲来完成通信。光纤的传输原理：利用光导纤维传递光脉冲来完成通信。光源被放置在发送端，如采用发光二极管或半导体激光器，光源被放置在发送端，如采用发光二极管或半导体激光器，并使之在电脉冲的作用下产生光脉冲，有光脉冲相当于并使之在电脉冲的作用下产生光脉冲，有光脉冲相当于“1”1”，无光脉冲相当于，无光脉

54、冲相当于“0”0”，在接收端利用光电二极管，在接收端利用光电二极管制成光检测器，在检测到光脉冲时便可还原出电脉冲。制成光检测器，在检测到光脉冲时便可还原出电脉冲。有线信道有线信道光纤光纤信道信道 信道分类信道分类 有线信道有线信道 无线信道无线信道 信道模型信道模型 信道特性对信号传输的影响信道特性对信号传输的影响 信道中的噪声信道中的噪声无线信道无线信道电磁波划分电磁波划分 在无线信道中，信号的传输是利用电磁波在空间的传播在无线信道中，信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。为了避免不同通信系统间的干扰，来实现的。为了避免不同通信系统间的干扰， 国际电信国际电信联盟联盟(ITU)(ITU

55、)负责定期召开世界无线电大会（负责定期召开世界无线电大会（WRCWRC）来制定有）来制定有关电磁波频率使用的国际协议。关电磁波频率使用的国际协议。 在实际通信应用中，电磁波的频率划分为许多频段，如表在实际通信应用中，电磁波的频率划分为许多频段，如表 1 - 1 1 - 1 所示。所示。 无线信道无线信道电磁波划分电磁波划分表表 1 - 1 1 - 1 电磁波的频段划分电磁波的频段划分无线信道无线信道电磁波划分电磁波划分表表 1 - 1 1 - 1 电磁波的频段划分（续）电磁波的频段划分（续）无线信道无线信道电磁波的传播电磁波的传播 根据通信距离、频率和位置的不同，电波的传播主要有地根据通信距离

56、、频率和位置的不同，电波的传播主要有地波传播、视距传播和天波传播。波传播、视距传播和天波传播。地波传播地波传播 地波传播是指频率较低地波传播是指频率较低(103(103106 Hz)106 Hz)的电磁的电磁波沿地球表面传播，地波传播距离可超过数百米波沿地球表面传播，地波传播距离可超过数百米或数千千米，如图或数千千米，如图1 1（a a）所示。由于地表面的电）所示。由于地表面的电性能及地貌、地物等基本上不随时间快速变化，性能及地貌、地物等基本上不随时间快速变化，也不受气候条件的影响，因此信号稳定，这是地也不受气候条件的影响，因此信号稳定，这是地波传播的突出优点。波传播的突出优点。 无线信道无线

57、信道电磁波的传播电磁波的传播天波传播天波传播 利用电离层反射的传播方式称为天波传播。利用电离层反射的传播方式称为天波传播。电离层位于地面上空约电离层位于地面上空约 60601000 km1000 km，它是因太，它是因太阳紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。阳紫外线和宇宙射线辐射使大气电离的结果。 白白天强烈的阳光使大气电离产生天强烈的阳光使大气电离产生D D、 E E、F1F1、F2F2层等层等多个电离层，夜晚多个电离层，夜晚D D层和层和F1F1层消失。层消失。F2F2层是反射层，层是反射层， 其高度约为其高度约为 250250300km300km，一次反射的最大距离约，一次反射的最大距

58、离约为为 4000 km, 4000 km, 如图如图 1 (b)1 (b)所示。天波传播的主要所示。天波传播的主要特点有：特点有： 无线信道无线信道电磁波的传播电磁波的传播天波传播天波传播 (1) (1) 频率的选择非常重要，频率太高，电磁波会穿透电离层而频率的选择非常重要，频率太高，电磁波会穿透电离层而射向太空；频率太低，电离层吸收太大，以致不能保证必要的射向太空；频率太低，电离层吸收太大，以致不能保证必要的信噪比。信噪比。由于电离层随年、月、日、时而变化，因此，由于电离层随年、月、日、时而变化，因此， 为了保为了保证可靠地进行通信最好在不同时刻使用不同的频率。证可靠地进行通信最好在不同时

59、刻使用不同的频率。 但为了避但为了避免换频太频繁，通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个免换频太频繁，通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。频率。 (2) (2) 天波传播的随机多径效应严重，多径时延较长，信道带天波传播的随机多径效应严重，多径时延较长，信道带宽较窄。宽较窄。 因此为了保证通信质量，在接收时通常要采用抗多径因此为了保证通信质量，在接收时通常要采用抗多径干扰技术。干扰技术。 (3) (3) 天波传播不太稳定，天波传播不太稳定， 衰落严重。衰落严重。 (4) (4) 电离层所能反射的频率范围很有限，一般为短波范围，电离层所能反射的频率范围很有限，一般为短波范围， 因此短波

60、电台特别拥挤，电台间的干扰很大。因此短波电台特别拥挤，电台间的干扰很大。 无线信道无线信道电磁波的传播电磁波的传播传 播 路 径地 面接 收 天 线发 射 天 线F2层AB地 球 反 射 点终 端 站中 继 站中 继 站终 端 站地 球人 造 卫 星人 造 卫 星35 800 km(a)(b)(c)(d)人 造 卫 星无线信道无线信道电磁波的传播电磁波的传播视线传播视线传播 频率高于频率高于 30 MHz30 MHz的电磁波将穿透电离层，只能做视线的电磁波将穿透电离层，只能做视线传播。传播。 提高天线的高度可增大视线传播的距离。提高天线的高度可增大视线传播的距离。 为了实为了实现远程通信，现远