通信原理：第一章 概论

1、第1章 概论2目标要求 基本要求 了解通信的发展； 掌握消息、信息、信号的定义； 掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点； 掌握数字通信系统模型及其主要性能指标； 熟悉无线信道、有线信道； 掌握信道模型，并会分析信道特性对信号传输 的影响； 熟悉信道中的噪声。3目标要求 重点、难点 重点是： 信息的度量； 数字通信系统模型的理解与掌握。 难点是： 数字通信系统性能指标的理解与计算； 变参信道对信号传输的影响。4主要内容 1.1 通信的发展 1.2 消息、信息和信号 1.3 数字通信 1.4 信道 1.5 信道中的噪声 1.6 小结 思考题 习题51.1 通信的发展一、历史的通信方式1.古代：公

2、元前800年(周朝)，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。2.近代： 1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的开始。 1838年：莫尔斯将电报通信推向实用。 1876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。61.1 通信的发展 烽火台71.1 通信的发展 “上帝创造了何等的奇迹!” 塞缪尔莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872）81.1 通信的发展贝尔（1847-1922）美国电话发明者91.1 通信的发展 1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，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

3、新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第一部电话。 101.1 通信的发展 3.现代 20世纪60年代以后： 数字通信技术进入高级发展阶段。 近30多年： 数字通信迅猛发展； 光纤通信也携手同行。 两者都成为现代通行网的主要支柱。 111.1 通信的发展 麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著电磁学通论，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的书，具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑 。 麦克斯韦(James Clerk Maxwel 18311879)英国物理学家121.1 通信的发展 赫兹对

4、人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。 赫兹（1857-1894）德国物理学家 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。 131.1 通信的发展 在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。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（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年

5、）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。 141.1 通信的发展 1838莫尔斯 有线电报1948晶体管 香农IT 通信统计理论建立1864麦克斯韦尔 电磁辐射方程1950时分多路通信 应用于电话1876贝尔 电话1956越洋电话铺设1896马克尼 无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播 超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话 多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星 PCM进入实用1937脉冲编码调

6、制1960彩电 数字传输理论 高速计算机1938电视广播1970LSI 商用卫星 程控交换 光纤通讯1940二战刺激 雷达和微波系统发展1980SLSI 长波光纤通信 ISDN 3G返回151.2 消息、信息和信号1. 通信的目的 传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。2. 消息 天气预报“明天是晴天”字幕“明天是晴天” 文字播音员说“明天是晴天” 语言 图形、信息、消息和信号的定义与区别161.2 消息、信息和信号1. 通信的目的 传递消息中包含的信息。 本课程主要研究传输。2. 消息、信息、消息和信号的定义与区别 是指信源所产生的信息的物理表现。 例如：语音、文字、图形、图像等。 消

7、息必须转换成电信号（简称信号），才能在通信系统中传输。171.2 消息、信息和信号4. 信息 是指消息中所包含的对受信者有意义的内容 （或有效内容）。 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。3. 信号 是指消息的物理载体，是传输消息的手段。 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181.2 消息、信息和信号 如何度量信息？首先要解决的问题。191.2 消息、信息和信号二、消息中信息量的度量1. 信息量的定义 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； 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

8、含信息量之和。201.2 消息、信息和信号二、消息中信息量的度量2.要求 度量信息量的方法，必须满足： 能度量任何类型消息； 消息的重要程度无关。 211.2 消息、信息和信号 因此，若消息 出现的概率为 ，则所含信息量 I 可定义为： 信息量的单位： ，则为比特（bit），简记为b，最常用; ，则为奈特（nat）; ，则为哈特莱（hartley）。 22 当M = 2时，则I = 1b。 工程上，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1b 。即通常把一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位混淆，应注意。 若采用一个M 进制的波形，来传送M 个独立的等概离散消息之一，

9、则每一码元的信息量为： (b) 1.2 消息、信息和信号返回231.3 数字通信1. 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 语音信号。 数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信号。注意：区分准绳为：考查取值是否连续， 而不是看时间。一、 基本概念241.3 数字通信模拟信号数字信号tttt码元251.3 数字通信2. 模拟通信和数字通信 （1）共性问题：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。解决噪声和干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题之一。3. 模拟通信系统和数字通信系统261.3 数字通信 模拟通信系统： 要求：高保真度复原。 度

10、量准则：输出信噪比。 基本问题：连续波形的参量估值问题。 （2） 个性问题 数字通信系统： 要求：正确判决（或检测）。 度量准则：产生错判的概率。 理论基础：统计判决理论。 注意：都是针对接收端的。271.3 数字通信以蜂窝移动通信系统为例说明数字通信系统模型281.3 数字通信二、数字通信系统模型信 源发送端接收端信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信 源编 码信 源解 码291.3 数字通信信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端二、数字通信系统模型301.3 数字通信数字通信系统模型1. 信源：将消息转换为电信号的设备。信源压缩编码保密编

11、码信源编码信道编码调制发送端二、数字通信系统模型311.3 数字通信数字通信系统模型信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端二、数字通信系统模型2. 信源编码：降低数字信号的冗余， 提高数字信号的有效性。321.3 数字通信数字通信系统模型信道压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端二、数字通信系统模型3. 信道编码：增加冗余字符，纠错编码， 提高传输的可靠性。331.3 数字通信数字通信系统模型信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端4. 调制：二、数字通信系统模型341.3 数字通信数字通信系统模型4.调制 （1）目的 使编码信号特性与信道特性相适应， 以通过信道传输。 （2

12、）几个基本概念 基带、基带信号、带通信号； 基带调制、带通调制。 （3）多路复用 使多路信号合并，经过同一信道传输。351.3 数字通信数字通信系统模型5. 信道 基带信道可传输很低的频率分量。 如双绞线。 频带信道不能传输很低的频率分量。 如无线电波。 361.3 数字通信数字通信系统模型5. 信道 信道的影响： 信道传输特性对数字信号的影响。 包括幅频特性、相频特性、频率偏 移、频率扩展和多径时延。 进入信道的外部加性噪声的影响。 包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干 扰。371.3 数字通信数字通信系统模型6. 同步 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使收端准确知

13、道每个符号的起止时刻，实现同步接收。 位同步（或码元同步）、字同步381.3 数字通信数字通信系统模型信 道发送端接收端信 源调 制解 调信 宿噪声模拟通信系统模型391.3 数字通信三、数字通信的特点 1.优点 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。 便于存储和处理。 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。 信噪比随带宽按指数规律增长。40数字信号波形的失真和恢复(a) 失真的数字信号(b) 恢复的数字信号 411.3 数字通信 占用带宽大压缩、光纤。 同步要

14、求高。3.应用实例 数字传输技术：电话、电视、计算机数据 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 播、电视广播等。三、数字通信的特点 2.缺点421.3 数字通信1. 衡量系统性能优劣的基本因素： 有效性 可靠性四、性能指标431.3 数字通信 - 性能指标 有效性 可靠性 注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。 提高有效性提高传输速率可靠性降低； 提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。 降低有效性，以提高可靠性； 降低可靠性，以提高有效性。441.3 数字通信 - 性能指标2. 性能指标：（1）传输速率：三种定义。 码元速率（RB）： 单位时间内传输码元数.波特

15、(Baud,符号/秒) 信息速率（Rb）： 单位时间内传输的信息量。“比特/秒(b/s)” 消息速率（RW）： 单位时间内传输的消息数。“字/秒”45信息速率(Rb)与码元速率(RB)关系平均信息量H 信息熵信息速率(R b)与码元速率(RB)关系46例：某离散信源由0，1，2，3四个符号组成，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。求消息201020130213001203210 100321010023102002010312030210012 0213的信息量。47例：某符号集由8个消息符号组成，每个符号间互相独立，其出现的概率分别为1/16,3/

16、16,1/32,3/32,5/32,7/32,7/64和9/64。若每个符号对应的宽度为0.5ms，试求：（1）平均信息量；（2）码元速率和平均信息速率。481.3 数字通信 - 性能指标（2） 错误率：三种定义。 误码率（Pe）： 误比特率（Pb）： 误字率（PW）： 491.3 数字通信 - 性能指标（3）频带利用率： 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。 （4）能量利用率： 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。 该能量与占用频带间可交换。返回501.4 信道一、信道分类（依传输媒体分）1. 无线信道： 利用电磁波来传播信号。 如广播电

17、台、移动电话。2.有线信道： 利用人造传输媒体来传输信号。 如传统的固定电话。注意：信道中的噪声有源干扰； 信道传输特性不良无源干扰。511.4 信道频率范围名称波长典型应用330Hz极低频ELF103102km远程导航、水下通信30300Hz超低频SLF104103km海底通信、电报0.33kHz特低频ULF103102km数据终端、有线通信330kHz甚低频VLF10210km导航、电话、电报、水下通信30300kHz低频LF101km导航、水下通信、无线电信标033MHz中频MF103102m广播、业余无线电、海事通信330MHz高频HF10210m国际定点通信、军用通信、广播、业余无线

18、电、电报、传真30300MHz甚高频VHF101m电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制0.33 GHz特高频UHF10210cm电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、GPS330GHz超高频SHF101cm卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信30300GHz极高频EHF101mm射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务300G3THz亚毫米波10.1mm未划分，实验用43430 THz红外70.7m光通信系统430750 THz可见光0.70.4m光通信系统7503000THz紫外0.40.1m光通信系统521.4 信道二、无线信道 1.电磁波的发射和接收 均要用天线

19、因天线尺寸的要求，通信频率都较高。 频率使用规划和管理 国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会WRC（The World Radio- communication Conference），制定频率使用国际协议。 我国：信息产业部无线电管理局。531.4 信道根据通信距离、频率和位置的不同： 地波传播 天波传播 视线传播二、无线信道 2.电磁波的传播541.4 信道（1） 地波传播 频率：2MHz 以下，有一定的绕射能力 绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具 有的能力 通信距离：可达数百数千 km地面接收天线发射天线传播路径返回551.4 信道（2）天波传播 频率：230MHz 电离层

20、反射： 通信距离：单次可达4000km，多次可达10000km地 面接收天线发射天线信号传播路径电离层561.4 信道 电离层：60-400 km D层：高60 - 80 km E层：高100 - 120 km F层：高150 -400 km F1层：140 - 200 km F2层：250 - 400 km 晚上：D层、F1层消失； E层、F2层减弱 反射高频电磁波的主要是F层DEFF2F1地 面返回571.4 信道（3） 视线传播 频率：30MHz以上 类似光波做视线传播（将穿透电离层） 天线高度h与传播距离D(=2d)的关系： D 2=8rh50h （r为地球的等效半径）地 面接收天线发

21、射天线信号传播hdrDd581.4 信道 采用无线电中继，实现远程通信。 若天线架设高度为50m，则视线距离约为 50km。即视距传输距离有限，需中继。地 面接收天线传播路径发射天线（3） 视线传播591.4 信道 转发站（基站）： 人造卫星：3颗静止卫星 （卫星通信系统），目前广泛应用。601.4 信道 高空平台电台HAPS(High Altitude Platform Station) ： 250个充氦气艇（平流层通信系统），很有发展前途。611.4 信道 高空飞行器间的电磁波传播、太空中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传播，都符合视线传播规律，且不受或少受大气层的影响。 电磁波在大气层内传播

22、会衰减： 频率越高，衰减越严重； 且存在谐振点，应避开。621.4 信道频率(GHz)(a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减频率(GHz)(b) 降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率图1.4.5 大气衰减631.4 信道无线信道（4） 散射传播 电离层散射：30 60 MHz 对流层散射: 100 4000 MHz 流星余迹散射: 30 100 MHz 对流层散射通信地球有效散射区域接收天线发射天线641.4 信道无线信道地 球流星余迹散射通信651.4 信道无线信道注意：目前民用无线电通信中，应用最广的是蜂窝网和卫星通信。661.4 信道无线信道移动交换

23、中心电话交换中心 蜂窝网671.4 信道 明线 对称电缆 同轴电缆三、有线信道 1. 传输电信号681.4 信道有线信道（1）明线691.4 信道有线信道（2）对称电缆：双绞线701.4 信道有线信道（2）对称电缆：双绞线711.4 信道有线信道 双绞线（Twisted Pairwire）由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，把两根导线按一定密度互相缠绕在一起,可降低信号干扰的程度。 双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两大类。 其中屏蔽双绞线分别有3类和5类二种，非屏蔽双绞线又分别有3类、4类、5类、超5类四种。 （2）对称电缆：双绞线721.4 信道有线信道（3）同轴电缆

24、同轴电缆截面示意图双同轴电缆及6芯接头 731.4 信道有线信道（3）同轴电缆基站用射频同轴电缆(50同轴电缆) 射频同轴电缆741.4 信道有线信道解释：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。 常用的同轴电缆有两类：50和75同轴电缆。 （3）同轴电缆751.4 信道有线信道 有线信道电气特征信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.327300明线1+3+120.3150120对称电缆241210835对称电缆60122521218小同轴电缆300601 3008小同轴电

25、缆960604 1004中同轴电缆1 8003009 0006中同轴电缆2 70030012 0004.5中同轴电缆10 80030060 0001.5761.4 信道有线信道2.传输光信号光纤表面涂层包层芯区771.4 信道有线信道2. 光纤n1n2折射率折射率n1n22a光纤结构781.4 信道有线信道光纤损耗光波波长（nm）1.55 m1.31 m0.7 0,9 1.1 1.3 1.51.72. 光纤791.4 信道 调制信道模型 编码信道模型四、信道模型80信 源发送端接收端信道编码调 制信 道压缩编码解 调信 宿保密解码信道解码压缩解码保密编码噪声同步信源编码信源解码数字通信系统模型

26、1.4 信道信道模型811.4 信道信道模型1. 调制信道(连续信道)模型 对于单“端对”信道：ei(t)eo(t)时变线性网络eo(t) = f ei(t) + n(t)821.4 信道信道模型通常，f ei(t) 可以表示为：k(t) ei(t)， 此时， eo(t) = k(t)ei(t) + n(t)其中k(t)表示时变线性网络的特性 ，称为乘性干扰。 k(t)是一个复杂的函数，反映信道的衰减、线性失真、非线性失真、延迟 等。 最简单情况：k(t) = 常数，表示衰减。 当k(t) =常数，称为恒(定)参(量)信道 例如，同轴电缆 当k(t)常数，称为随(机)参(量)信道 例如，移动蜂

27、窝网通信信道eo(t) = f ei(t) + n(t)831.4 信道信道模型1. 调制信道 (连续信道)的信道容量 香农公式(Shannon)：C=Blog2 (1+S/N) (bit/s) 信道带宽为B,信道输出的信号功率为S(W)及输出加行高斯白噪声功率为N(W). 由上式可见，一个连续信道的信道容量受“三要素”B,S,N的限制。 841.4 信道信道模型1. 调制信道 (连续信道)的信道容量C=Blog2 (1+S/N) (bit/s) N=0或S=时，信道容量C= 。如果增大带宽B,能否使C ? 851.4 信道信道模型例：电视图像可以大致认为由300 000个像素组成。对于一般要

28、求的对比度，每一像原大约取10个可辨别的亮度电平。假设10个亮度电平是等概率地出现，每秒发送30帧图像，图像信噪比S/N为1000(30dB)。在这种条件下，计算传输上述信号所需的带宽？861.4 信道信道模型2. 编码信道模型 二进制信号、无记忆信道其中，P(0/0), P(1/1) 正确转移概率P(0/1), P(1/0) 错误转移概率 转移概率 决定于编码信道的特性。且有：P(0/0) = 1 - P(1/0)；P(1/1) = 1 - P(0/1)0110P(0/0)P(0/1)P(1/1)P(1/0)871.4 信道信道模型 四进制编码信道模型：01233210接收端发送端881.4

29、 信道信道模型2. 编码(离散)信道的信道容量(自学)Ht(x): 单位时间内信息源发出的平均信息量;Ht(x/y):单位时间内对发送x而收到y的条件平均 信息量.r: 单位时间传送的符号数.信息传输速率，在单位时间内所传输的平均信息量。R =Ht(x) - Ht(x/y)= rH (x) - H (x/y) (bit/s) 89例：设信息源由符号0和1组成，顺次选择两符号构成所有可能的消息。如果消息传输速率是每秒1000符号，其符号等概率出现。传输中弱干扰引起的差错是平均每100符号中有一个符号不正确。问 1. 这时信源发送信息的速率？ 2. 在干扰下，信道输出收到符号0，而实发送符号也是0

30、的概率为0.99,实发送符号是1的概率为0.01，同样，信道输出收到符号1，而实发送符号也是1的概率为0.99,实发送符号是0的概率为0.01，求信道传输信息的速率？901.4 信道1. 恒参信道对信号传输的影响 非时变线性网络。其振幅-频率特性f (Hz)30030000衰耗 (dB)理想特性典型音频电话信道特性五、信道特性对信号传输的影响911.4 信道信道特性对信号传输的影响1. 恒参信道对信号传输的影响其相位-频率特性： ()0理想特性理想特性 ()0 ()0理想特性921.4 信道信道特性对信号传输的影响线性失真: 频率失真和相位失真频率失真:幅频特性不理想，信号发生失真-波形失真,

31、导致码间串扰。相位失真：相频特性不理想。模拟信号影响不大，数字信号可导致数字波形失真，发生码间串扰。可用“线性补偿网络”纠正， “均衡”非线性失真:振幅特性,相频特性非线性、频率偏移、相位抖动 非线性失真 难以消除931.4 信道信道特性对信号传输的影响2.变参信道对信号传输的影响（1）变参信道的共性 ： 衰落: 衰减随时间变化； 传输时延:随时间变化，慢衰落； 多径效应: 快衰落。941.4 信道信道特性对信号传输的影响（2）多径效应引起的接收信号的快衰落: 设发送信号为Acos 0t，则经过n条路径传播后的接收信号R(t)可以表示为： 式中 ri (t) 第 i 条路径的接收信号振幅； i

32、 (t) 第 i 条路径的传输时延； I (t) = - 0 i (t) X c (t) X s (t)951.4 信道信道特性对信号传输的影响式中： V(t) 合成波R(t)的包络; 多径衰落 (t) 合成波R(t)的相位。即有： 由于，相对于0而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t), Xs(t)及V(t), (t)也是缓慢变化的。 所以，R(t)可以视为一个窄带信号（随机过程）。961.4 信道信道特性对信号传输的影响由下式可见： 原发送信号Acos0t，经过传输后： 恒定振幅A，变成慢变振幅V(t); 恒定相位0，变成慢变相位(t)；因而，频谱由单一频率变成窄带频谱。快衰落tf

33、f0971.4 信道信道特性对信号传输的影响（3）多径效应引起的接收信号的频率选择性衰落: 设只有两条多径传播路径，且衰减相同，时延不同；发射信号为f(t)，接收信号为af(t-0)和af(t-0-)；发射信号的频谱为F()。则有 f(t) F() af(t - 0) a F() e -j0 af(t - 0 - ) a F() e -j(0 + ) af(t-0)+af(t-0-) a F()e-j0(1+e -j) 981.4 信道信道特性对信号传输的影响（3）多径效应引起的接收信号的频率选择性衰落:H() = a F() e -j0 (1+e -j)/F() = ae -j0 (1+e -j)|1+e -j| = |1+cos-jsin| =|(1+cos)2+sin21/2| =2|cos(/2)|991.4 信道信道特性对信号传输的影响（3）经过信道传输后收到的三类信