通信原理教程第二版樊昌信 第一章概述

课程名称：数字通信原理

使用教材：通信原理教程，樊昌信编著，

电子工业出版社，第2版

授课学时：54，实验18

考核方式：考试

任世锦

sjren_phd@163.com课程简介：

通信原理是电子、通信、计算机、信息处理等专业的重要专业基础课。课程主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性能指标和基本分析方法。以各种调制技术的分析作为主线，紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾进行分析，并对各种通信系统的性能指标进行评价与比较。

为什么要学？“why”

学什么？“what”

如何学？“how”

哪里可学？“where”

电信类专业的一门重要专业基础课程是必修课、核心主干课是一门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（SystemView,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、分析问题解决问题、动手实践、团结协作的能力；课程学习课堂教学：36学时实验教学：18学时

课程考核方式

最终总成绩包括：平时成绩：20%

实验成绩：20%

考试成绩：60%课程参考教材

《通信原理》（第5版），樊昌信，国防工业出版社，2001.《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/课程要求：

1、掌握模拟通信和数字通信的基本理论，各种调制解调性能比较，为进一步学习各种信息传输系统打下理论基础。

2、掌握数字通信系统的基本组成、工作原理、常用的性能指标。

3、理解模拟信号数字化的过程，掌握脉码调制等常用的数字化方法。

5、掌握数字通信中常用的调制和解调方法。关于本课程的基础知识和学习方法基础知识：《电路基础》《概率论》《随机过程》《信号与系统》学习方法：不准备考研的同学：侧重于基本原理和公式的应用考研的同学：不仅要会用，还要知道来龙去脉考不同学校的研究生要看不同的参考书，因为侧重点和难度差别很大第1章绪论1.1通信的发展1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标传统通信的几种形式古代峰火边防海军旗语信鸽传书1.1通信的基本概念无线广播移动通信移动电视电视广播雷达卫星广播现代通信的几种形式所谓通信，就是信息的传递。传递是一种信息传输的过程或方式。

消息包括话音、文字、数据、图片、视频等。信息是消息中的有用内容。消息中包含信息，是信息的载体。得到消息，从而获得信息。所讨论的通信均指电通信，即利用各种电信号，包括光信号作为通信信号。现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。通信原理就是介绍支撑各种通信技术的基本概念和数学理论基础。1.2

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：消息的载体 通信系统中传输的是信号信息的度量：

*制定度量方法考虑的原则

*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#对于一个等概率、M进制码元：

I=log2[1/P(x)]=log2[1/(1/M)] =log2

M

比特 若M=2k

，则I=k

比特信息及其量度（续）信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时单位是“比特”（bit—binaryunit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特”（nat—natureunit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart—Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。同学们要掌握的[例题]（顺便引出“信息熵”的概念）某信源每天播报某地的天气预报，此地晴天、多云、阴、雨的概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8求：（1）晴、多云、阴、雨的各自所含信息量（2）信息串“晴-多云-阴-晴-晴-晴-多云-雨”所含的总信息量（3）此信源的每个消息的平均信息量（称为“信息熵”）[例题1.4.1]（解）[例题1.4.1]（解）称为信息熵，因为其通用公式为这个公式与物理热力学中的熵很相似。但热力学中的熵总是增加的，而信息熵在通信过程中则总是减小的。请注意其量纲（即信息熵）例：已知英文字母e和z出现的概率分别为0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。

解：e的信息量

z的信息量:例：某离散信源由0，1，2，3四种符号组成，其概率场为

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息总长为N=57个符号，其中0出现23次(n1=23)，1出现14次(n2=14)，2出现13次(n3=13)，3出现7次(n4=17)。求得此消息总的信息量例：求上例中消息的平均信息量。解：每个符号的平均信息量(信源的熵)/符号消息有N=57个符号，所以该消息所含总信息量为I=1.906N≈108.64bit两种方法求总信息量，结果略有差异，原因在于两者平均处理的方法不同。随着消息中符号数的增加，这种误差会逐渐减小。不同的离散信息源可能有不同的熵值。可以证明，在信息源的最大熵发生在每一个符号等概率出现时，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为f(x)是连续消息出现的概率密度。

1.3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

模拟信号与数字信号模拟信号数字信号ts(t)ts(t)s(t)t码元ts(t)信号的基本分类（续）2进制数字信号连续的数字信号（2进制）t10010离散的数字信号（2进制）t10010注意：“数字”信号的特点是在取值上（即纵坐标）是有限多个值的集合多进制数字信号连续的数字信号（4进制）t（秒）00011011010123称为1个码元周期Tb注意：在多进制数字信号中，码元≠比特1234两类通信系统

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－统计判决理论数字通信的特点

1、抗干扰能力强数字信号的取值个数有限(大多数情况只有0和1两个值)，因此在传输过程中不太关心信号的绝对值，只注意相对值。比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪声影响，5V变成8V，而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了。一般可以将大于2.5v的信号都判为1，小于2.5v都判为0。如果0V受干扰也可能变成8V，以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后，数据0不是用简单的低电平表示，因此，这种误码出现的可能性很小。2、传输中继器可再生信号，消除噪声积累比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号，若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信终端。如果是数字通信，第一个收到这个8V信号的中继器先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级，这样，噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地放大，而是被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累。3、便于进行信号加工与处理由于信号可以储存，因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。4、传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量5、数字信息易于加密且保密性强。6、能够传输话音、电视、数据等多种信息，增加了通信系统的灵活性和通用性。数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电话信号一般为64kHz的带宽，这说明数字通信的频带利用率低。这一缺点在在系统频带紧张场合很突出，但目前在微波通信、光通信场合，数字通信这些弱点被弱化，数字通信几乎成了唯一选择。§1.3通信系统的一般模型如下图所示：信源在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等发送设备信道噪声源接收设备信宿如调制器、功率放大器、天线等如双绞线、光纤、同轴电缆等。注意：自由空间也是一种信道是一种随机信号，对通信有害，但不可避免。与是发送设备处理的“逆过程”在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等在上述通用模型中，发送设备对来自信源的信号的处理可能有2种情况：一、直接对模拟信号进行放大和传输（例如无线广播电台、第一代移动通信系统“大哥大”）二、把模拟信号转换成数字信号（提高抗噪声性能、且易于加密）后，再进行处理和传输，如数字电视、网络电台、2G/3G/4G移动通信等根据这两种不同情况，我们把通信系统分为：模拟通信系统和数字通信系统2大类要点提示：区分模拟还是数字通信系统，要看信道中传输的是模拟信号和还是数字信号§1.3.1模拟通信系统模型如下图所示（以调幅/AM广播为例）：模拟信源调制器信道噪声源解调器信宿人的语音频率在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了放大功能§1.3.2数字通信系统模型数字通信系统又可分为数字基带通信系统（用以传输数字基带信号）数字频带通信系统（又称“数字调制通信系统”，用以传输数字频带信号）那么，什么是“数字基带信号”？什么是“数字频带信号”呢？补充知识：基带信号与频带信号基带信号：很多信源输出的信号，含有丰富的低频成分，即，其频谱在低频附近（例如我们说的语音在300~4kHz，再例如数字电路输出的TTL信号）。这些信号我们统称为基带信号频带信号：将基带信号从低频段调制到高频段后的信号（又称“已调信号/已调波”）1、数字基带通信系统模型如下图所示其原理将在第7章详细介绍，此处知道即可例如局域网通信、USB串口通信都属于这一类2、数字频带通信系统模型

信源可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）信源编码如果信源是数字信源，主要对其压缩、加密等；如果是信源是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩、加密信道编码主要功能是检错和纠错，将在第12章详细介绍。主要目的是为了保证通信的可靠性数字调制与模拟调制的作用是类似的：都是为了使通信传输的信息更远、更多、更抗干扰，将在第8章详细介绍信道噪声源数字解调信道译码信源译码信宿是发送端处理的“逆过程”，不再赘述随着通信技术的飞速发展，信道编码与数字调制有融合的趋势怎样理解信源编码和信道编码信源编码：根据信源的特点进行的相应的编码处理（主要指的是压缩）。例如语音可采用PCM编码（第6章要讲），静止图像有jpg编码，动态图像有mpeg编码，音乐有mp3编码等等…可以看出不同的信源往往有不同的信源编码（这是因为不同的信源的统计特性是不同的）目的：提高通信的有效性怎样理解信源编码和信道编码信道编码：根据信道的特点进行相应的编码，以使信号适合在这种信道中传输，主要指的是检错、纠错。如在计算机中普遍用的CRC(循环冗余)编码等不同的信道往往采用不同的信道编码（因为不同的信道有不同的误码特性）目的：提高通信的可靠性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1.3.4

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(Baud)信息速率：Rb

－比特/秒(b/s)

对M进制：Rb=RB

log2

M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例：已知二进制数字信号在2min内共送了72000个码元。(1)码元速率和信息速率各为多少？(2)如果码元宽度不变，但改为八进制数字信号，则其码元速率为多少?信息速率又为多少？例：已知某八进制数字通信系统的信息速率为12000b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，求系统的误码率。解：§1.4通信系统的分类及通信方式§1.4.1通信系统的分类按信道传输的信号种类来分按传输的媒介种类来分按信号是否经过调制模拟通信系统数字通信系统有线通信系统无线通信系统基带通信系统频带（调制）通信系统根据实际情况来确定（如传输距离）通信系统有线通信系统有线载波通信光通信架空明线对称电缆同轴电缆空间光通信光纤通信无线通信系统微波中继通信卫星通信移动通信微波散射通信流星余迹通信§1.4.1通信系统的分类（续）按通信系统承载的业务种类分电报通信系统电话通信系统数据通信系统图像通信系统等Service按复用的方式分频分复用（FDM）通信系统时分复用（TDM）通信系统码分复用（CDM）通信系统在11章将详细介绍这些复用方式并不互相排斥，可能同时使用在一个通信系统中，例如在TD-SCDMA中就同时使用了TDM和CDM§1.4.2通信的方式1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式分：§1.4.2通信的方式（续）2、按数字信号码元排列方式划分通信方式如打印机与计算机之间如USB、RS-232等§1.4.2通信的方式（续）3、按照网络结构划分通信方式点对点通信网通信1.4

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

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）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=10-6m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D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：2～30MHz视线传播频率：>30MHz传播距离:d2+r2=(h+r)2,

或

h

D2/50(m)式中D

－kmhr地面ddD无线电中继图1.4.4无线电中继静止卫星中继通信平流层中继通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)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流星余迹散射通信蜂窝网移动交换中心电话交换中心1.4.2

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10800300～600001.5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

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)四进制

01233210接收端发送端1.4.4

信道特性对信号传输的影响恒参信道:~非时变线性网络链路：一段物理线路，中间没有任何交换设备。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频率失真的补偿0Af(a)频率失真信道特性0Af(b)线性补偿网络特性0Af(c)补偿后信道特性相位~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