通信原理第一章

通信原理课程教学讲授：邵湘怡湖南文理学院电气与信息工程学院第一章绪论

主要内容：通信系统的基本概念及模型。通信网的基本概念。通信系统的技术指标。重点：通信系统模型。通信系统的任务。信号在传输过程中的无失真分析思路。第一章绪论1.1

基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类及通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标1.6通信技术的发展概况

习题解答及作业通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。在此我们所学习的“通信”这一术语是指“电通信”，包括光通信，因为光也是一种电磁波。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。

1.1基本概念1.1基本概念2、通信系统：以电信号作为信息转换和传输系统。

它只能为两个用户之间提供单方向的信息传递。（点对点的单向传输）

3、电信网：多用户通信系统互联的通信体系。（多点中的任意两点间的双向传输）4、通信网：包括电信网，CATV网，计算机网，移动通信网，广播电视网等。5、网的结构：环型，星型，总线型，复合型1、通信:信息的传递过程，完成信息的传输与交换。6、网的组成:以电话网为例

框图信道

交换机电话网结构示意图:

为用户

构成网的基本要素：终端设备，传输链路，交换设备。（硬件）

交换机终端终端噪声局间传输局内传输局内传输1.2通信系统的组成1.2.1通信系统模型（总模型）描述点对点的通信

框图1.2.2模拟通信与数字通信系统模型1、模拟系统框图2、数字系统

框图传输的信号是“离散”的强调已调参量和基带信号之间的一一对应性。数字通信的特点

1）数字信号传输中所受的干扰可通过差错控制编码控制并消除。增加编码器、解码器

2）需要保密时可对基带信号人为“扰乱”加密、解密

3）传输中是按节拍逐个传送脉冲单元信号，称之为码元。收发须同步控制：包括码元同步、帧同步、群同步等。常用的方式分两大类：数字基带传输系统和数字调制系统数字通信的优点：

1)数字传输的抗干扰能力强,尤其在中继时,数字信号可以再生而消除噪声的积累

2)传输差错可以控制,从而改善了传输质量

3)便于使用数字信号处理技术来对数字信息进行处理

4)数字信息易于作高保密性的加密处理

5)数字信息可以综合传递各种消息,使通信系统功能增强，易于集成化，从而使通信设备微型化。其优点的实现是用占据更宽的系统频带而换得的。

在系统频带紧张的场合这将成为其缺点。数字通信系统的具体模型也根据其设计方法有所不同1.2通信系统的组成通信系统总模型：通信系统由四部分组成。通信原理的讨论是围绕通信系统的模型而展开的根据具体的通信形式有具体的系统模型与之对应

各处的噪声之和信号源发送设备信道接收设备受信者噪声源

发送端接收端模拟系统框图：

信号源调制器解调器受信者噪声源信道基带信号频带信号数字系统框图：

信道编码噪声源信源编码加密信息源数字调制信道受信者解密信源译码信道译码

数字解调注：缺省同步系统。基带信号频带信号1.3通信系统的分类及通信方式

1、按消息的物理特征分类（业务）如电报、电话、图像、数据通信系统2、按调制方式分类针对频带传输信号而言信号数字：PCM、∆M、DPCM、ADPCM等脉冲数字调制AM、DSB、SSB、VSBFM、PM模拟调制信号数字：ASK、FSK、PSK、DPSK

数字调制信号模拟信号模拟：PAM、PDM（PWM）、PPM

脉冲模拟调制正弦波调制脉冲调制两类1.3.1通信系统分类表1-1常见的调制方式及用途

调制方式用途载波调制线性调制常规双边带调幅AM广播抑制载波双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB

载波通信、无线电台、数传残留边带调幅

VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM

微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制振幅键控

ASK数据传输频移键控FSK数据传输调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制

PAM

中间调制方式、遥测脉宽调制PDM（PWM）

中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制

PCM

市话、卫星、空间通信增量调制DM（∆M）军用、民用电话差分脉码调制

DPCM

电视电话、图像编码其他编码方式ADPCM、LPC中低速数字电话续表（2）3、按信号特征分类最常用分为模拟与数字通信系统两大类4、按传输媒介分类最常用分为有线（包括光纤）与无线5、按信号复用方式分类频分复用：使不同的信号占据不同的频率范围时分复用：不同的信号占据不同的时间区间码分复用：用一组包含正交码字的码组携带多路信息6、按工作波段分类

按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。

1.3通信系统的分类及通信方式

表1–2通信波段与常用传输媒质

频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、水下通信、声纳30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航续表（2）频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学

107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信1.3.2通信方式半双工：通信双方（两点）均能收发消息但不能同时收发。例如无线对讲机单工：单方向传输（一点发、一点收）。例如遥控全双工：通信双方（两点）能同时收发信号。例如电话单工、半双工、全双工串行传输：将数字信号按时间顺序一个接一个的传输,它占用一条通路。适合远距离。并行传输：将数字信号码元序列分割成多路同时传输，适合近距离

数字通信示意图示意图1.3通信系统的分类及通信方式单工、半双工和全双工通信方式示意图发端信道收端发端信道收端发端收端(a)(b)发端信道收端收端发端信道(c)单工半双工全双工并行和串行通信方式示意图并行传输串行传输1.4信息及其度量

1.4.1信息的描述传输信息的多少用信息量衡量信息：消息中有意义的内容，消息理解为信源对由若干个相互独立事件构成消息，有：

I[p(x1)p(x2)…]=I[p(x1)]+I[p(x2)]+…

（2）取a=2

I：bit

比特取a=e

I：net

奈特取a=10

I：哈特莱由信息论知：消息出现的概率愈小，所包含的信息量愈大（1）定义：信息量为I、消息出现的概率为p(x)

则I

=[p(x)]I

是p(x)函数)(log)(logxpxp1Iaa-==∵I与P(x)间的关系必满足（1）、（2）∴1.4.2信息的度量

1、等概率1）设有二进制，等概率出现的离散消息

0、

1

消息p(x1)=p(x2)=1/2定义：传送两个等概的二进制波形之一的信息量为1bit2）

对M进制，等概率出现的离散消息

0，1，2,┅,M-1

消息p(x1)=p(x2)=┅=1/M从波形上看，M进制有M种波性，每一种波形等概率出现所以M是波形数，p(xi)=P是每一波形出现的概率2、非等概率设消息由n

个相互独立的符号组成，称为符号集且每个符号包含的信息量均不相等所以用统计平均的方法来描述一个符号所含的信息量例子定义信息源的熵H(X)1.4.3

连续消息的信息量用概率密度来描述f(x)解：方法一因消息共57个符号，一个符号含有算术平均信息量为方法二总总1.5主要性能指标

接续质量：迅速性

传输质量：清晰度

稳定质量：可靠性涉及系统的有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用有效性、可靠性的具体体现是消息传输的速度和质量问题误差形式：1）加性干扰产生的误差通常由噪声引起

2）乘性干扰产生的误差通常由信道传输特性不理想引起。目前，我们仅研究加性干扰产生的误差，均方误差指标将转化为信噪比。信息量：衡量单位时间内传送消息中有效内容的能力。1.5.1

模拟系统性能指标：信息量和均方误差均方误差：衡量发送和接收信号之间的误差程度1.5.2

数字通信系统性能指标：传输速率和差错率数字信号的描述：二进制：0、1两个状态

N进制：0、1、2…N-1N个状态

码元的概念：在二进制中，用相同的时间间隔表示一位二进制数字，这个时间间隔称为码元长度。在码元长度内的信号称为二进制码元。所以二进制的每个码元时间上等长。同理

N进制的每个码元时间上也等长。

进制之间的相互转换关系：例：N=4

表示4进制的每个状态可用2位二进制状态描述；若为小数，则取大于此值的第一个整数。推广1、传输速率：码元传输速率。又称码元速率或传码率定义：每秒钟传送码元的数目。不同进制的码元速率转换关系已知N进制信号（），码元速率为，单位：符号/秒

若将其转化为二进制信号，码元速率为，单位：波特

则2、差错率：误码率、误信率

误码率：码元在传输系统中被传错的概率。即接收的错误码元数在传送总码元数中所占的比例

误信率：码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。即接收中丢失信息量在传送信息总量中所占的比例在二进制中有Pb=Pe1.5.2

数字通信系统性能指标：传输速率和差错率推广：

定义：每秒钟传送的信息量。

单位：比特/秒或bit/s或bps

二进制（bit/s）

N进制（bit/s）信息传输速率

：又称信息速率或传信率八进制：等概率时则：例：二进制：则：等概率

1.6通信发展趋势在过去三四十年间，对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展，促进了数字通信的发展。目前数字通信在下列领域有了新的进展。卫星通信光纤通信移动通信微波通信1．卫星通信系统卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止通信卫星(或同步通信卫星)和移动通信卫星。静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星，它离地面高度为35780km，采用三个相差120°的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域(两极盲区除外)。预计到2010年前，

星间激光通信的传输速率将达到40Gb/s，地面终端设备将日益小型化，2．光纤通信系统光纤通信是以光导纤维(简称光纤)作为传输媒质、以光波为运载工具（载波）的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点，且成本低，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。目前，单波长光通信系统速率已达10Gb/s，其潜力已不大，采用密集波分复用（DWDM）技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术。光传送网是通信网未来的发展方向，它可以处理高速率的光信号，摆脱电子瓶颈，实现灵活、动态的光层联网，透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复。因此，世界上许多国家纷纷进行研究、试验，验证由波分复用、光交叉连接设备及色散位移光纤组成的高容量通信