通信原理 第1章 绪论

通信原理

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电话663938Email:weiwensheng287@163.comweiwensheng287@香农公式S/N(SNR)

C如果N0,SNR，C。无干扰信道的信道容量无穷大。W，C，但趋于一个极限。因为W，N=W*n0

，若C为常数，W与SNR可以互换。(扩频通信)

为什么要学？“why”学什么？

“what”如何学？

“how”哪里可学？

“where”

课程性质：

电信类专业的一门重要专业基础课程是必修课、核心主干课是专业的标志性课程

是“信息与通信工程”学科研究生入学考试课程之一起着承前启后的作用占有重要的教学地位。

课程目标：使学生掌握用电路构成通信系统的基本概念、基本理论、基本技术和系统性能分析方法；掌握基本的分析、设计思想和方法；了解仿真工具的应用(System

View,

Matlab(Simulink),

Candence(SPW)，等等)；了解通信新技术的应用和发展；

使学生具备获取知识、分析解决问题、动手实践、团结协作的能力；学习方式、方法：课堂教学：54学时实验教学：16学时课程考核方式：闭卷

最终总成绩包括：平时成绩：20%

实验成绩：30%

考试成绩：50%参考教材：

《通信原理》（第6版），樊昌信，国防工业出版社，2010.《通信原理》（上，下），

周炯槃等，北京邮电大学出版社,

2002.《通信原理教程》，

徐家恺等，科学出版社,

2003.《通信系统原理》，沈振元等，西安电子科技大学出版社,

1999.《现代通信原理与技术》，张辉等，西安电子科技大学出版社,

2002.《现代通信原理》，曹志刚，清华大学出版社，1992.《通信原理学习指导与题解》，王福昌，华中科技大学出版社,

2002.《通信原理学习指导》，张辉等，西安电子科技大学出版社,

2003.《通信原理学习与考研指导》，沙济彰，科学出版社,

2004.《数字通信系统的SystemView仿真与分析》，青松等，北京航空航天大学出版社，2001.《SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计》，罗卫兵，西安电子科技大学出版社,

2001.《数字通信》(第三版)，(美)JohnG.Proakis

，张力军等译，电子工业出版社，2001.《数字通信基础》，(美)RodgerE.Ziemer等著，尹长川译，机械工业出版社，2005.

课程参考网站：武汉科技大学通信原理网站：ttp:///ec/Root/default.asp西安电子科技大学通信原理网站：/txgc/北京邮电大学通信原理网站：/东南大学通信原理网站：/jpkc/declare/2006txyl/old/1.htm北京交通大学通信原理网站：/course/xnjp/dzxy/txxtyl南京邮电大学通信原理网站：85/tongxin/index.aspx无线资讯网：/研学论坛：/杨百翰大学的AnalogandDigitalCommunications：/ee/class/ee444/哥伦比亚大学的CommunicationTheory：/Courses/Summer2004/ELENE4702.html麻省理工学院的TransmissionofInformation：/6.441/www/与前后课程的关系《信号与系统》《复变函数》《通信电路》

前期课程包括：后期课程包括：《现代通信技术》

(微波、卫星、光纤通信)《计算机通信网》《现代交换技术》

1.1引言电信发明史1837年：莫尔斯发明有线电报1876年：贝尔发明有线电话1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世1936年：商业电视广播开播

……………后面讲述中，“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。通信标准及制订机构ISO（InternationalStandardOrganization）世界上从事国际标准化的最大的综合性非官方机构，由各参与国的国家标准化组织选派代表组成，成立于1947年。ISO的标准制定过程要经过四个阶段，即工作草案、建议草案、国际标准草案和国际标准。ISO下设近200个TC（技术委员会），其中TC97负责IT技术有关标准的制定。TC97又下辖16个SC（分委会）和一个直属组。标准意味着知识产权。ISOSC6为数据通信分委会，制定了HDLC（高级数据链路规程）。SC16致力于OSI/RM（开放系统互联参考模型），后被改组为SC21负责解决“开放系统互联的信息检索、传输与管理”等问题。TC97与国际电工委员会（IEC-InternationalElectrotechnicalCommissions）的TC83于1987年成立了一个新的JTC（联合技术委员会）来替代TC97，该机构名称是ISO/IECJTC1,下属各SC仍沿用TC97中的序号。ITU(InternationalTelecommunicationUnion)成立于1932年，后成为联合国下属机构。其前身为始建于1865年的国际电报联合会（UTI）。ITU的宗旨维护与发展成员国之间的国际合作以改进和共享各种电信技术帮助发展中国家大力发展电信事业；通过各种手段促进电信技术设施和电信网的改进与服务管理无线电频带的分配与注册，避免各国电台的相互干扰。

ITUITU曾下辖总秘书处、国际频率注册委员会（IFRB）、国际无线电咨询委员会（CCIR）、国际电报电话咨询委员会（CCITT）和电信发展局（BDT）五个常设机构。CCITT是国际电报电话咨询委员会的法文名称ComitConsulatifInternationalTelegraphigueetTelephonique的缩写，它主要由联合国各成员国的邮政、电报和电话管理机构的代表组成，是一个开发全球电信技术标准的国际组织。该机构已经为国际通信使用的各种通信设备及规程的标准化提出了一系列建议。ITUCCITT的建议标准系列F系列：有关电报、数据传输和远程信息通信业务（传真、可视图文等）的定义、操作和服务质量标准的建议；I系列：有关数字网的建议，包括ISDN的若干建议；T系列：有关终端设备的若干建议；V系列：有关在电话网上进行数据通信的若干建议；X系列：有关数据通信网的若干建议。ITU1993年3月起，ITU下属的IFBR改称无线通信部（RS），BDT改称电信发展部（TDS）CCITT与CCIR合并为电信标准化部（TSS），简称ITU-TITU-T由一个常设职能部门TSB（电信标准局）和许多SG（研究小组）构成ITU-T目前正与ISO合作，共同制定数据通信标准IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)国际标准化工作还有美国的一个重要组织IEEE的参与，它是全球最大的专业学术团体，开发通信和网络标准也是该组织的主要工作。其研究领域主要涉及ISO的物理层与数据链路层。例如，IEEE的802委员会制定的系列标准已成为当今主流的局域网标准。除开发标准标准外，IEEE每年还召开各种会议，出版许多刊物，因此它在世界上具有很高的知名度。

EIA(ElectronicIndustriesAssociations)另一个与制定电气标准有关的组织是美国的EIA该协会主要制定过许多电子传输标准，包括ISO的物理层标准。它颁布的RS-232和ES-449已经成为全球广泛采用的DTE和DCE之间串行接口标准。ANSI(AmericanNationalStandardInstitute)美国国家标准学会虽然只是一个非官方非赢利的民间组织，但实际上却是全美技术情报交换中心，并负责协调美国的标准化工作。其研究范围与ISO相对应，它是ISO中美国指定的代表。IEEE和EIA都是ANSI的成员。

ECMA(EuropeanComputerManufacturesAssociation)欧洲计算机制造商协会，是由欧洲一些计算机厂商组成的标准化与技术评议机构，成立于1961年，总部在日内瓦。其宗旨在于促进国家和国际机构间的合作，致力于计算机与通信技术标准的协调与开发，主要活动包括OSI协议、数据网、文本准备与交换等。ECMA是ISO和ITU-T的无表决权成员，同时也颁布自己的标准。ETSI(EuropeanTelecommunicationStandardInstitute)欧洲电信标准学会，由欧洲共同体各国政府资助，是一个由电信行业的厂商与研究机构参加并从事研究开发到标准制定的组织。ASTAP(Asia-PacificTelecommunityStandardizationProgram)亚洲与泛太平洋电信标准化协会1998年由日本与韩国发起成立的标准化组织。旨在加强亚洲与太平洋地区各国信息通信基础设施及其相互连接的标准化工作的协作FCC(FederalCommunicationsCommission)美国对通信技术的管理的官方机构是联邦通信委员会（FCC）,主要职责是通过对无线电、电视和有线通信的管理来保护公众利益。也对包括标准化在内的通信产品技术特性进行审查和监督。在与通信有关的美国和国际商务领域具有权威性。任何一项通信技术和产品推向市场前必须获得FCC批准(发放FCC认证标志)。我国从事标准化工作的官方机构是国家标准局国家标准代号为GBxxxx-xx，前四位数字是标准编号,后两位数字为标准颁布年份（目前已采用四位数字表示年份）第1章绪论1.1通信的基本概念通信之目的：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。

1.1引言（一）通信和电信概念:1.通信（Communication）定义：通信是按照一致同意的协定传递信息。－通信是传递信息。2.电信（Telecommunication）定义：

ITU关于电信有三种定义(G.701/M.60/Q.9/F.710)，其中G.701中定义:

电信是利用有线、无线、光或其它电磁系统，传递代表符号、书写件、影像、声音或其它信息的信号。（二）电信网络概念1.基本电信系统：由用户终端设备和传输系统组成。传输系统可能是：－单向传输；－半双向传输；－对称双向传输；－不对称双向传输。单工通信半双工通信对称双工通信不对称双工通信2.基本电信系统的N2问题：

－用户数量N，－用户之间传输信道数量N(N-1)≈N2；－信道最大可能利用率≈1/N2当电信用户数量扩大，用户之间传输信道数量按平方增加；传输信道最大可能利用率按平方降低。3.电信网络（TelecommunicationNetwork）：为了解决基本电信系统的N2问题，出现了电信网络。－引出了复用和寻址问题。－解决了N2问题。分级网络国家省市分区网络区县本地交换机中转交换机边缘路由器网关路由器基本电信系统：－单人走路；－直接到家。电信网络：

－大众同路而行－复用问题；

－个人寻找归宿－寻址问题。寻址问题：个人寻找归宿复用问题：大众同路而行通信网络的分类接入网核心网有线接入无线接入卫星接入高空平台蜂窝接入微波接入FWA,WLLWLANPAN通信网光纤接入PON，APONFTTB/C/H/R混合光纤同轴网CableModemDSL(ADSL,

HDSL)1.2通信系统的组成1.2.1通信系统的一般模型消息的产生地，作用为把各种消息转换成原始电信号，可以是模拟信号也可以是数字信号。如：摄象机、光驱、。将信源和信道匹配起来。变换方式多样，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。如广播电台、通信系统中各种设备以及信道中所固有的，分为内部噪声和外部噪声。将噪声源看成各处噪声集中加入到信道的。完成发送设备的反转换，进行解调、译码、解码等。如收音机、电视机。传输信息的归宿点，作用为将复原的原始信号转换成相应的消息。如喇叭、显示器。传输信号的物理媒质。包括无线信道：和有线信道。以蜂窝移动通信系统为例云？1.2.2模拟通信系统模型和数字通信系统模型模拟信号和数字信号模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：

(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：两种变换： 模拟消息原始电信号（基带信号，声音——话筒） 基带信号已调信号（带通信号，电视，调频广播）图1-4模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成可在信道中传输的带通信号

同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致图1-5数字通信系统模型1.2.3数字通信的特点优点抗干扰能力强，且噪声不积累传输差错可控便于处理、变换、存储便于将来自不同信源的信号综合到一起传输易于集成，使通信设备微型化，重量轻易于加密处理，且保密性好缺点：需要较大的传输带宽对同步要求高1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统……按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信……按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用1.3.2通信方式单工、半双工和全双工通信单工通信：消息只能单方向传输的工作方式半双工通信：通信双方都能轮流收发消息，但不能同时收 发的工作方式全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式并行传输和串行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元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 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要n条通信线路，成本高串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上依次传输 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其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信1.4信息及其度量(重点)信息：是消息中包含的有效内容如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则能度量任何消息，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。消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关

【例】“**台风”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。

度量信息量的方法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，则其中包含的信息量就越大。设：P(x)－消息发生的概率，

I

－消息中所含的信息量，

则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)，I；反之P(x)

，I；

P(x)=1时，I

＝0；P(x)=0时，I

＝；

满足上述3条件的关系式如下：

——信息量的定义上式中对数的底： 若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b

若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)， 若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。广泛使用的单位为比特，这时有 (b)【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为：

在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特

若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为：若M是2的整幂次，即M=2k，则有 当M=4=22时，即4进制波形，I=2比特， 当M=8=23时，即8进制波形，I=3比特。对于非等概率情况 设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即

且有

则x1,x2,

x3,…,

xM所包含的信息量分别为

于是，每个符号所含平均信息量为

由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵

香农熵：平均信息量香农熵的性质香农熵是非负的，即H(x)0香农熵具有上凸性，即H(x)是P(x)的上凸函数。离散信源的最大香农熵PH(x)[例]一离散信源由“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。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。[解]此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量

每个符号的算术平均信息量为：

若用熵的概念来计算：则该消息的信息量