通信原理教学课件：第1章 绪论

1、2022/7/151/81通信原理2/812022/7/15 通信原理是信息与通信工程学科的核心课程。讲授模拟与数字通信系统的基本理论、主要技术与分析方法，说明典型实际系统与应用。内容包括：基本知识、模拟传输、数字基带传输、数字频带传输、模拟信号数字化与PCM、信号空间与最佳传输理论、现代数字传输技术等。本课程讨论典型系统并包含实验与仿真学时，培养学生运用理论、分析问题与解决问题的能力，促进创新素质的提升。课程简介3/812022/7/15 本课程讲授通信系统的基本理论、主要技术与分析方法，说明典型实际系统与应用。通过学习，学生要能够系统地掌握和理解相关基础知识，具备常规模拟与数字通信系统的理

2、论知识、初步分析能力与与基础设计技能，养成一定的工程与系统分析素质，并对通信工程专业的基本内容有更好的认识。课程目标4/812022/7/15 本课程强调理论与实践的有机结合，旨在通过实验与仿真增进学生领悟所学内容，进而培养学生运用数学、自然科学与专业理论知识、分析问题与解决问题的能力，促进创新素质提升。课程基础：随机信号分析、信号与系统后续课程： 移动通信、卫星通信 、计算机通信网5/812022/7/15本课程对毕业要求的支撑1.毕业要求2理解工程活动中涉及的重要经济与管理因素2.毕业要求3 理解信息论、模拟与数字通信原理、基本编码理论、典型通信系统的技术特点3.毕业要求5了解信息与通信技

3、术基本发展，关注与分析经典创新案例6/812022/7/154.毕业要求7了解与通信技术相关的职业和行业方法、政策和法律、法规5.毕业要求9在基础知识上具备扩展学习的能力，具有技术知识与课程内容的自学经历7/812022/7/15成绩构成：上课时间: 114周考核方式: 一页纸开卷答疑时间：课前，课后，周二上午答疑地点：科B楼 232 上课时间及考核方法平时20% 实验10% 期末70% 8/812022/7/152.通信原理教程 樊昌信等 电子工业出版社3.通信原理简明教程 南利平 清华大学出版社4.现代通信原理 曹志刚等 清华大学出版社1.通信原理（合订本） 周炯槃等 北京邮电大学出版社

4、5.数字与模拟通信系统 Leon W.Couch著 电子工业出版社6. Leon W. Couch II. Digital and analog communication systems, 6th ed. 北京：科学出版社影印参考书9/812022/7/157. John G. Proakis , Masoud Salehi. Communication systems engineering, 2nd ed. 改编版，高等教育出版社8. Simon Haykin著. 沈连丰等译. 通信系统（第4版）. 北京：电子工业出版社10/812022/7/15 我命在我，不在天地。 天助自助者。 主

5、动还是被动是成功与失败的关键。 梅花香自苦寒来。 上好每堂课，课后读教材，做好每次作业。 学会读书，读专业书，读文学作品（修身养性 ）。 从现在做起。11/812022/7/15第1章 绪论12/812022/7/15 本章讲授通信的基本概念、术语和入门知识。使学生对通信的研究方向、应用环境、基本模型及系统有一个初步的了解。 主要学习内容有： 掌握：基本术语、模拟与数字消息、信息概念及其度量、信道模型与噪声问题。 理解：数字与模拟通信系统特点、框图及基本指标、无线电波传播，山农公式与信道容量。 了解：典型通信系统、常见消息、常用信道、频带13/812022/7/151.1 通信的基本概念1.2

6、 历史回顾1.3 信源与常见的消息1.4 信道1.5 频带与电波传播1.6 数字与模拟通信系统1.7 通信网络14/812022/7/151.1 通信的基本概念现代信息社会中，充分利用与交流信息通信通信原理阐述通信及其系统的基础理论、技术与分析方法。15/812022/7/15 1. 几个术语 通信 (communication) 通信就是沟通信息。 信息 (information) 信息是我们感兴趣的事物的状态及状态变化。 消息 (message) 消息是信息的载体。 信号 (signal) 信号是消息的载体。16/812022/7/152. 通信系统（Communication Syste

7、ms）TransmitterReceiverChannel信源： 一个换能器其他能量 电能信宿: 一个换能器电能 其他能量原始信息信号原始信息信号通信系统发送器，信道与接收器。 Information sourceInformation sink终端：1）发信者信源 2）收信者信宿17/812022/7/15发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信息信号来。信道是指传输信号的物理媒质。有线和无线信道均有多种物理媒质。18/812022/7/15要强调

8、的是在通信中， 信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量就越大。 通信系统中还存在噪声，噪声也是无法预知的，噪声限制了通信的能力。 噪声源发信者收信者发送器接收器 信道噪声源19/812022/7/15 信号波形的带宽。 信号波形的功率和能量。信号波形的抗干扰能力如何？ 在发送端：产生该波形的代价如何？ 在接收端：检测该波形的代价又如何？ 信号波形(信息承载波形)设计取决于如下几个因素：20/812022/7/15摩尔斯电报系统最古老的电信系统，传送文字消息。诞生于1837年，以不同长度的声音表示字符电码信号。 电子系统通过电信号来实现信息的传递术语：“通信”与“电信”。 （commun

9、ication）（telecommunication）21/812022/7/15基于信源和信宿的关系，分为两种基本通信方式：广播方式：信息同时送到多个收信者点点方式：一个信源对一个收信者 基于传输方向的特点：单工系统：只能沿一个固定方向传输信息。如，电视广播中、遥测、遥控、无线寻呼双工系统：能够同时沿两个方向传输信息。如，电话通信。半双工系统：任何时候只能沿一个方向传输信息，但可以切换传输方向。如，对讲机通信。 通信系统分类22/812022/7/151.2 历史回顾（自学）要求：了解到200多年来通信的发展历程： 电报与电话通信的重要作用 收音、电视广播、卫星通信、移动电话系统等重要的系统

10、 数字化与网络化过程 信息论与通信理论的发展 通信朝着数字化、宽带化、网络化、综合化、移动与个人化方向发展 请大家自学该小节并查阅相关资料，关注与了解通信发展中的一些重要进展及其背景，体会技术的创新与发展过程23/812022/7/151.3 消息与信源24/812022/7/151.3.1 数字与模拟信源1. 最基本的消息文字与语音Digital and analog information source 25/812022/7/15(2)模拟信源: 产生的消息的状态（取值）是连续变化的、数目无限的。如：键盘。 如：语音源。 2. 数字与模拟信源如：汉字集。 (1)数字信源: 产生的消息的状

11、态（取值）是离散的、数目是有限的。如：计算机的输出26/812022/7/15消息符号（message symbol）：数字消息源的每一种状态（取值）称为一种消息符号 消息符号集：数字消息源的所有状态（取值）的集合 一般：具有N种取值的数字信源数字消息源: 消息符号、消息符号集、数字消息序列（数字信号）27/812022/7/15数字消息序列：其中 xm 取 中 N个值之一。图1.3.1 数字消息信号示例28/812022/7/153. 数字与模拟信源的基本指标 符号速率： M元数字信源：指数字信源具有M种符号二元数字信源：具有2种符号，可以用1位二进制编码表示，称为1bit. 多元数字信源：

12、如M元，可以用n位二进制编码表示 数字信源的基本指标:消息符号 数字信源的元数：一般，29/812022/7/15例：假设计算机的终端键盘上有 110 字符 ，每个字符用二进制代码组来表示。 问每个字符需要用几位二进制代码? 解: 故需要 7bits代码来表示每个字符. 30/812022/7/15习题1.1 考虑手机短消息通信，以你自己或其他某人的经验，试估计（1）按键速率；（2）假定每个中文字符转换为2字节表示，短消息的二元符号速率是多少？ 解：（1）经过多次试验，按键速率为 2.03 key/s （2）短消息的二元符号速率为 31/812022/7/15 模拟信源的基本指标:信号带宽：电

13、信号频带的宽度（赫或赫兹，Hz） 如：语音的音量 电信号32/812022/7/15数字消息用离散型随机变量描述 N元消息 源: 数字消息序列 随机变量序列 1.3.2 随机信号与确定信号 随机性信息对于接收者必须是新的，即事先未知的且无法预知的。 数字信号（波形） 随机波形 33/812022/7/15模拟消息用连续型随机变量描述 模拟消息信号是随机过程 x(t)，概率密度函数 fx(t)(x)通信系统中的确定信号：正弦波与矩形脉冲等，用于协助传送消息信号通信系统中常常传送：34/812022/7/151.3.3 信息的度量单个消息的信息量 设: 离散信源 X蕴含的信息量为：消息携带的信息量

14、的大小与消息出现的不确定程度有关。对于单条消息，其pi越小，则Ii越大；Ii大小与消息的内容是否有实际意义无关35/812022/7/15以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）以e为底时单位是“奈特”（natnature unit的缩写）以10为底时单位是“哈特”（Hart Hartley的缩写）注意：2 . 信源熵 H(X)数字信源每个符号出现所带来的平均信息量Entropy36/812022/7/15例1.1 二元消息源X1、X2与X3的取值及概率为： 解： 37/812022/7/15例1.2 数字信源X 4元等概， Y 2元等概，求它们的熵。 解： 38/81

15、2022/7/153. 信息速率（熵率）信源的信息速率为:其中 : H 为信源熵 . T 为发送一个消息符号的时间. R 为每秒内发送的信息量从信息的角度看，熵与熵率是信源的基本指标。 39/812022/7/15例： 计算信息速率。某电话键盘: 0, 1, 9 ,* ,#，其中P*=P#=0.005 ，P0= P1= =P9=0.099。如果按键速率为 2keys/s, 计算该信源的信息速率解:作业：1.2 1.4 1.640/812022/7/15（自学）要求：了解各种消息源的特点及基本指标41/812022/7/15模拟消息42/812022/7/15模拟消息43/812022/7/15

16、模拟消息44/812022/7/15数字消息45/812022/7/151.4 信道 46/812022/7/15信道介于发信者与收信者之间，供消息信号经过的通道，是传输电、电磁波或光信号的物理媒质。 两大类：（1）有线信道：双绞线、电缆、波导与光纤；（2）无线信道：大气、真空与海水等。 47/812022/7/151.4.1 信道的影响 线性系统 H( f )其中:So:线性系统无失真传输的条件 幅频响应是平坦的 相频响应是频率的线性函数 48/812022/7/15系统群时延 无失真传输要求：（常数）x(t)的绝对带宽k049/812022/7/15引入乘性噪声1.4.1 信道的影响 1.

17、 衰减及加性噪声（以相加的形式混入的噪声）。 噪声是随机的，典型的为热噪声。 其他干扰：1）自然界的干扰，如雷电等；2）人为干扰。 2. 信道的传输特性可能引起信号的畸变，使信号发生某种形式的失真。 变参信道参数特性是时变的，甚至是随机变化的。 衰减因子50/812022/7/151.4.2 加性噪声信道模型 加性信道一般模型： 加性高斯白噪声信道（AWGN） 通常n(t)为热噪声，具有高斯白噪声特性，功率谱密度值： ，反映的是每Hz频带内噪声的平均功率。 瓦/赫兹实际信道是复杂的，把信道简化为加性噪声模型有利于简化通信系统的数学分析。51/812022/7/15全通滤波器:带通滤波器:低通滤

18、波器:理想信道模型 :理想的 线性时不变系统52/812022/7/15（自学）要求：了解各种信道的特点及基本指标（带宽）53/812022/7/1554/812022/7/15光纤有以下的一些独特的优点：频带宽，容量大：潜在带宽可达 Hz2.传输损耗低：无中继传输几百公里。3.光信号不受电磁干扰，抗噪声好、保密性强。4.体积小、质量轻、易于使用；材料丰富、价格低廉。长途电话网与互联网中常用光纤作为其传输媒质。 55/812022/7/1556/812022/7/1557/812022/7/1558/812022/7/151.5 频带与电波传播 59/812022/7/151.5.1 频带的名

19、称 频带某个频率范围。 信号的频带（带宽）信号的绝大部分能量或功率集中的频率范围。 信道的频带（带宽）信道能传送信号的频率范围。 60/812022/7/15海底通信等调幅广播等短波广播等频带的位置、常用名称与典型的通信用途： 频率与波长关系：61/812022/7/15频带的位置、常用名称与典型的通信用途： 调频广播、电视广播等微波通信、电视广播、个人通信系统等光通信62/812022/7/15几千赫兹以上的 信号可以用于无线电通信，电波传播模式主要由其频率值决定。要有效地辐射电磁能量，天线的物理尺寸必须大于电磁波波长的1/10中频、低频、甚低频3MHz以下1.5.2 无线电波的传播 地波模

20、式电波沿地表面弯曲传播的方式。较低频率电波的主要传播方式，如，MF的调幅(AM）广播。 波长几百米至几十千米噪声：热噪声、雷电、外台干扰63/812022/7/15天波模式电波经天空中的电离层反射而折回地面的传播方式。HF（330MHz）电波主要以天波模式传播。 位于地面上方60400km处D,E,F1,F2层波长几十米64/812022/7/15电离层大气层中环绕地球的离子层。基本规律：白天由于太阳充足，D层浓度高，能大量吸收2MHz以下的电波；夜晚D层浓度低，电波可达F层，30MHz以下的电波反射回来。 常见问题是多径传播，造成频率选择性衰落。 加性噪声：热噪声、雷电、外台干扰65/812

21、022/7/152. 也可以用于地面的视距传播1. 30M以上的电磁波向上传播时会穿过电离层而不被反射回来，可以用于卫星通信和外太空通信视线传播模式电波像光波作直线传播的方式，是VHF及更高的频率（30MHz以上）电波的主要工作模式。可用于卫星和外太空通信。 波长几毫米至几米加性噪声：热噪声、宇宙噪声66/812022/7/15视距的计算：在地面应用时，地球表面的弯曲限制了传播的距离。 67/812022/7/151.5.3 无线频谱及其管理 无线信道是人类共有的自由空间，开放给所有发送与接收用户的共享资源。为了维护秩序，协调通信应用，减少干扰，各个国家都建立了有关政府部门进行管理。 国际机构

22、为国际电信联盟（ITU）负责，其前身是:国际电话与电报咨询委员会（CCITT）和国际无线电咨询委员会（CCIR）。 请同学们自学该小节，弄明白通信行业的生产、设计、研究与开发中需要遵循的一些与通信技术相关的职业和行业方法、政策和法律、法规”68/812022/7/15Frequency Division Multiplexing 管理无线频带的基本方法1.5.4 频分复用 （FDM）频分复用 多个信号错开频率位置共用频带的方法 FDM这种思想也大量用在有线信道内。从FDM可见，带宽是信道本质上的资源。 69/812022/7/151.6 数字与模拟 通信系统 模拟通信系统信道中传输模拟波形的通

23、信系统。 数字通信系统信道中传输数字波形的通信系统。 70/812022/7/15 (补充) 数字波形与模拟波形（传输波形） 对于数字信源数字波形：信号的传信息的参量只取有限个值。例1：二进制波形（二电平波形）码元宽度数字基带信号频谱在零频附近Ts：Time slot71/812022/7/15例2：M 进制波形（M电平波形）码元宽度Ts：Time slot72/812022/7/15 对于模拟信源模拟波形：信号的传信息的参量的取值是连续变化的模拟波形在模拟通信系统中传输。模拟波形经过A/D变换变成数字波形，也可以在数字通信系统中传输。73/812022/7/151.6.1 模拟通信系统 模拟

24、通信系统信道中传输模拟波形的通信系统。 信源调制器发射机信道接收机解调器信宿噪声发送设备接收设备系统的核心：调制与解调单元。 基带信号基带信号分为模拟基带传输和模拟频带传输74/812022/7/15借助于正弦载波形成频带信号R(t) 或(t)（或两者同时）随信息m(t)变化。 调制： 基带信号 频带信号modulation依据变化方式的不同，调制有各种制式，相应的带宽与抗噪声能力也不同。 是调制的逆过程。 解调： 频带信号 基带信号demodulation 调制解调器（modem）75/812022/7/151.6.2 数字通信系统 数字通信系统信道中传输数字波形的通信系统。 一个较为完善的

25、现代数字通信系统： 基本的白色实线框；可选的灰色虚线框。 76/812022/7/15收发两端结构基本对称，相应的单元彼此互逆。77/812022/7/15信道噪声接收设备信源信宿格式化脉冲基带调制发送设备信源编码信道编码加密频带调制发射机格式化脉冲基带检测信源译码信道译码解密频带解调接收机数字通信系统简化模型 信号处理信号处理基带信号基带信号78/812022/7/15发格式化：把来自信源的消息信号整理为二进制序列。收格式化：把收到的二进制序列还原为原始消息信号。 格式化：对于模拟信源，格式化还包括A/D和D/A变换。 脉冲基带调制和基带检测脉冲基带调制: 把二进制序列变换成二元或多元传输波

26、形脉冲基带检测:把二元或多元传输波形还原为二进制序列。通过对基带波形进行抽样和判决实现。 同步单元为整个数字传输系统提供各种定时时钟，使各个单元能够正确、有序地工作。79/812022/7/15 信源编码和信源译码 信源编码: 为了改善传输效率（压缩编码） 信源译码: 为了恢复原始信号，作相反的变换 信道编码和信道译码 信道编码: 为了改善传输的可靠性（信道纠错编码） 信道译码: 为了恢复原始信号，作相反的变换 加密和解密 加密: 为信息传输提供保密性 解密: 作相反的变换80/812022/7/15数字通信系统(相比模拟系统)突出的优点：（1）信号状态有限，抗干扰能力强，可实现低误码率。中继

27、再生可以避免噪声积累，利于长距离传输；（2）由信道纠错编码技术可进一步降低误码率；（3）易于进行加密处理；（4）易于进行压缩，以减少冗余度，提高传输效率。（5）易于不同种类的信源数据，共用数字通信系统；（6）便于计算机与网络通信；缺点：（1）通常需要更多的带宽；（2）复杂的同步系统。81/812022/7/15characteristics measure1.6.3 通信系统的基本性能指标 通信系统的基本性能指标：有效性给定的时间内能传输的信息内容的多少；可靠性接收到的信息的准确程度。 82/812022/7/15 数字通信系统比特率 : Rb 每秒传输的bit（0、1代码）数 单位: bit

28、s/s b/s bps1.数字通信系统的有效性：频带利用率：平均每赫兹所能提供的传输速率（bps/Hz）。 B: 数字波形的带宽Rb: 数字波形的bit率83/812022/7/152. 数字通信系统的可靠性： 误比特率 (BER):(Bit Error Rate): 模拟通信系统模拟通信系统的有效性信息承载信号的传输带宽；模拟通信系统的可靠性接收机输出信号的信噪比（SNR） (信号噪声功率比):84/812022/7/156.4 信道的容量1. 信道容量 C : 即能无误通过信道的最大信息速率。香农指出信道有一个传输信息的“能力”，称为信道容量，是无差错传输的速率上界。 (channel capacity)85/812022/7/152. 香农公式设:信道H()=1 ，B