通信原理课件：第一章 概论

1通信原理0.1本课程在信息学科的位置电子科学技术通信自动化生物信息工程电气工程计算机技术

图示：信息科学技术涉及的学科0.2本课程的教学目的掌握通信原理的基本知识、系统构成及通信系统的基本分析方法；初步建立通信系统的概念；了解提高通信系统性能的基本措施方法，为后续专业课程的学习打下良好的基础。0.3本课程的要求同学们一定要理解通信系统的基本概念；基本构成和信息传输的基本原理。请同学们课堂上注意听讲做好课堂笔记，认真独立完成作业，做好课前预习和课后复习。1）回顾前修课程：

数学基础：高等数学、概率论与随机过程

专业基础：信号与系统、模拟电路及数字电路0.4本课程的学习方法2）首先从概念上去理解通信系统，其次才用数学的方法去推导论证

3）学会归纳总结：不同的通信系统有不同的指标

第三章--模拟调制系统：调制的目的，线性调制与非线性调制系统的模型及分析方法，频分复用

第五章--数字基带传输系统：数字基带信号与频谱特性，各种码型介绍；无码间干扰基带系统分析；改善系统特性的方法。0.5本课程内容组织

第一章--绪论：通信的基本概念术语、组成及分类，性能指标

第二章--信号：随机过程有关的基本概念，统计特性

第四章--模拟信号的数字化：话务传输系统

第七章--同步原理：位同步、载波同步、群同步的概念及实现方法

0.5本课程内容组织

第六章—基本的数字调制系统：二进制、多进制和改进

主要参考书现代通信系统原理张会生高等教育出版社通信原理教程樊昌信电子工业出版社通信原理（第6版）樊昌信国防工业出版社9第一章概论1.1

通信的发展古代通信的起源两类通信方式近代通信的发展101112131.2

消息、信息和信号消息：语音、文字、图形、图像…信息：消息的有效内容

不同消息可有相同内容信号：传输消息的手段（媒介） 通信系统中传输的是信号14信息的度量：

*制定度量方法考虑的原则

货物 消息 货运量 信息量 有多种 有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度 和重要程度 无关 无关 总量是单件 总量是单件独立 货运量之和 消息的信息量之和15

*制定度量信息的方法

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量将有一毫米”

--信息量小

“明天降雨量将达到一米”

--信息量大

“明日太阳将从东方升起”

--信息量零

#信息量I=I[P(x)]，P(x)--发生概率

#定义：I=loga[1/P(x)]=-logaP(x) #通常取a=2,此时单位为“比特”。

#对于一个等概率、二进制码元：

I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/2)]=1比特16#对于一个等概率、M进制码元：

I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/M)] =log2M 比特 若M=2k

，则I=k比特171.3数字通信

1.3.1基本概念两类信号

模拟信号：取值连续，例如语音

数字信号：取值离散，例如数据18

模拟信号与数字信号模拟信号数字信号tttt码元19两类通信系统

模拟通信系统 要求－高保真度 准则－信号噪声功率（电压）比 手段－参量估值方法 数字通信系统 要求－正确 准则－错误率 手段－统计判决理论201.3.2数字通信的优点取值有限，能正确接收。(a)失真的数字信号(b)恢复的数字信号

数字信号波形的失真和恢复21可采用纠错和检错技术，大大提高抗 干扰性。可采用高保密性能的数字加密技术。可综合传输各种模拟和数字输入信号易于设计、制造，体积小、重量轻。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。22数字通信系统模型发送端接收端信源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1.3.3数字通信系统模型23模拟通信系统模型发送端接收端噪声调制信道解调信宿信源241.3.4

数字通信系统的主要性能指标有效性和可靠性的关系（速度～质量） 传输速率：码元速率RB

－波特信息速率：Rb－比特/秒 对M进制：Rb=RBlog2M消息速率：RM 错误率：误码率Pe

=错误接收码元数/传输码元总数误比特率Pb=错误接收比特数/传输总比特数25误字率Pw=错误接收字数/总传输字数误码率和误比特率的关系

Pb=PexM/[2(M-1)]Pe/2误字率和误比特率的关系 对于二进制， 若一个字由k比特组成，则

Pw＝1–(1–Pe)k频带利用率能量利用率261.4

信道

1.4.0信道的定义：译码器输入发转换器

媒质收转换器

解调器

调制器（调制）信道广义（编码）信道编码器输出27

1.4.1

无线信道无线电通信的起源电磁波发射对波长的要求频段（波长）划分28频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用

(kHz)

3–30甚低频(VLF)远程导航、水下通信 (10-100km) 声纳、授时

30–300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10km) 无线电信标300–3000中频(MF)广播、海事通信、

(100-1000m) 测向、遇险求救、 海岸警卫29频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用

(MHz)3–30高频(HF) 远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m) 与船只间通信、船－岸通信、 业余无线电

30–300 甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽车、 警察、导航、飞机通信300–3000特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、

(分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、 无线电高度计30频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用

(GHz)

3–30超高频(HF)

卫星通信、无线电高度计、

（厘米波）微波链路、机载雷达、气象 雷达、公用陆地移动通信

30–300 极高频(VHF)

铁路业务、雷达着陆系统、

（毫米波）实验用300–3000亚毫米波

实验用

（0.1–1mm）31频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用

(THz)

43–430 红外线光通信系统

(7–0.7m)

430–750可见光 光通信系统

(0.7–0.4m)

750–3000 紫外线 光通信系统

(0.4–0.1m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,m=10-6m32对流层地球0~10km电离层60~300km平流层电磁波传播：地波、天波、视线传播33地波频率：2MHz以下绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百～数千km地球34D层：高60~80kmE层：高100~120kmF层：高150~400kmF1层：140~200kmF2层：250~400km晚上：D层、F1层消失

E层、F2层减弱

电离层的结构DEFF2F1地面35天波电离层高度：60～300km单跳最大距离：4000km多跳可以环球频率：2～30MHz36频率：>30MHz传播距离:d2+r2=(h+r)2,

或

hD2/50(m)式中D－km视线传播hr地面ddD37无线电中继图1.4.4无线电中继38静止卫星中继通信39平流层中继通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)40频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/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大气衰减大气对电磁波传播的影响41散射通信电离层散射频率:30~60MHz对流层散射频率:100~4000MHz流星余迹散射频率:30~100MHz图1.4.6对流层散射通信地球有效散射区域地球图1.4.7流星余迹散射通信42蜂窝网移动交换中心电话交换中心431.4.2

有线信道明线对称电缆同轴电缆图1.4.8同轴电缆截面示意图44有线电信道电气特性信道类型通话容量（路）频率范围(kHz)传输距离(km)明线1+30.3～27300明线1+3+120.3～150120对称电缆2412～10835对称电缆6012～25212～18小同轴电缆30060～13008小同轴电缆96060～41004中同轴电缆1800300～90006中同轴电缆2700300～120004.5中同轴电缆10800300～600001.545光纤结构损耗n1n2折射率折射率n1n22a光波波长（nm）1.55m1.31m0.7 0,9 1.1 1.3 1.5 1.7461.4.3

信道模型调制信道模型:对于单“端对”信道

eo(t)=f[ei(t)]+n(t)式中ei(t)－输入的已调信号；

eo(t)－输出信号；

n(t)－加性噪声，它与ei(t)相互独立。

f[ei(t)]－与输入有关的一个函数,

表示信道对于信号的影响。ei(t)eo(t)时变线性网络47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)－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，移动蜂窝网通信信道48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

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)49四进制

01233210接收端发送端501.4.4

信道特性对信号传输的影响恒参信道:~非时变线性网络振幅~频率特性f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性51相位~频率特性:

理想特性:相位()=k;

群迟延()=d()/d=k

畸变的影响:波形失真（相位失真）、码间串扰。线性失真:

频率失真和相位失真：属于线性失真 可用“线性补偿网络”纠正，－“均衡”非线性失真:

振幅特性非线性、频率偏移、相位抖动…

非线性失真－难以消除ω()0理想特性理想特性()052变参信道:变参信道的共性－衰落:衰减随机变化 传输时延:随机变化 多径效应:快衰落接收信号的特性:

设发送信号为Acos0t，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(t)－第i条路径的传输时延 i(t)=-0i(t) Xc(t) Xs(t)53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，相对于而言，ri(t)和i(t)变化缓慢，故Xc(t),Xs(t)及V(t),(t)也是缓