ZHQ通信原理教程

通信原理教程

樊昌信（第3版）1信息科学与工程学院通信工程系郑惠琴E-mail:121017806@TEL.:1507711024621.教学内容

《通信原理教程》将以通信系统为背景，主要讲述通信系统和通信技术的基本原理。内容包括：通信系统基本概念、信号与噪声、模拟信号调制技术、脉冲编码调制、增量调制、多路复用、数字信号的基带传输和载波传输原理等等。32.先修课程电子线路数字逻辑电路线性代数概率论信号与系统数字信号处理43.考核方式闭卷考试总评＝平时*10%+实验*25%+段考*10%+期考*55%54.上课要求在课堂上的要求：

不许迟到！手机调成静音！严禁旷课，有事向辅导员请假，有假条！认真及时完成作业，不允许考试前补作业！认真完成实验报告！有问题及时和老师联系！希望我们合作愉快，共同学好这门课！

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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。

4、掌握数字通信中常用的调制和解调方法。5.课程要求7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6.学习方法87.教材《通信原理教程》樊昌信第3版第一篇为基本内容，必读的。第二篇为选读内容，各章相对独立。9《通信原理（第6版）》，樊昌信，国防工业出版社

8.参考书《通信原理》讲述现代通信的基本原理，主要内容包括模拟通信和数字通信，而侧重于数字通信。全书共12章，可分为三个部分：第一部分(第1—4章)阐述通信基础知识及模拟通信原理；第二部分(第5—8章)主要论述数字通信、模拟信号数字化及数字信号最佳接收的基本原理；第三部分(第9—12章)讨论数字通信中的编码和同步等技术以及通信网的概念。各章均设有习题和思考题，书后并附有部分习题答案。全书内容丰富，讲述由浅入深，简明透彻，概念清楚，重点较为突出，既便于教学，也有助于广大工程技术人员参考。10古典教材：曹志刚、钱亚生，《现代通信原理》，清华大学出版社，北京，1992

曹志刚等编著的《现代通信原理》是通信原理课程的经典教材之一，讲解细致清晰，是课程的主要教学用书。

11《PrinciplesofCommunications-System,ModulationandNoise(FifthEdition)》,RodgerE.Zimer,WilliamH.Tranter著，高等教育出版社（中、英文两版）

《通信原理--系统、调制与噪声(第5版)》是由美国克罗拉多大学R．E．Ziemer教授主编的一本通信原理教程，是一本流传较广的美国大学高年级本科生教材。其中文版于2004年7月在高等教育出版社出版，该书全面系统地介绍了通信系统的基本原理，以论述通信系统的物理层为主，内容涵盖信号和系统、概率论和随机过程、各种调制技术、最佳接收、信息论和编码等。本书第5版的一个显著特色是在每一章中补充了大量的MATLAB编程实例和上机练习，这在目前通信原理教材中是鲜见的。熟悉和掌握MATLAB语言可帮助学习者通过计算机编程加深对通信理论基本概念及问题的理解和分析，并可借助书本所学知识用仿真的手段解决通通信系统中出现的实际问题，是很好的一本教材。12《通信原理（合订本）》，周炯磐等编著，北京邮电大学出版社

这是北京邮电大学最近出版的一本相关教材，内容增加了很多新技术，简化或省略了复杂的数学推导，是一本不错的参考书。13原书名：FundamentalsofCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：（美）JohbG.Proakis,MasoudSalehi

[作译者介绍]译者：李锵等丛书名：国外电子与通信教材系列

出版社：电子工业出版社

14原书名：DigitalandAnalogCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：(美)LeonW.CouchII

邵怀宗

李晓峰

刘廉斧

[作译者介绍]丛书名：国外电子与通信教材系列

出版社：电子工业出版社15原书名：Digital&AnalogCommunicationSystems原出版社：

PrenticeHall作者：(美)LeonW.Couch,II

[作译者介绍]译者：罗新民

任品毅

黄华

丛书名：国外电子与通信教材系列

出版社：电子工业出版社16原书名：通信原理作者：李晓峰丛书名：电子与通信教材系列

出版社：清华大学出版社

网络课堂：电子科技大学网站171、《PrincipleofDigitalcommunication&Coding》,A.J.Viterbi著2、《Digitalcommunications》,3rdedition，JohnG.Proakis著3、《数字与模拟通信系统》LoenW.Couch,Ⅱ，电子工业出版社4、《调制、检测与编码》，Tommyöberg[瑞典]著，何英姿等译，电子工业出版社5、《通信原理教程》，樊昌信编著，电子工业出版社6、《通信原理》，王福昌等编著，清华大学出版社7、《数字通信原理》，王钦笙等编著，北京邮电大学出版社8、《现代通信系统原理》，王秉钧等编著，天津大学出版社18

9.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/1920第1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第一篇传统通信的几种形式古代峰火边防海军旗语信鸽传书21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22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。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。23241.2

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25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26

*制定度量信息的方法

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量将有1mm”

--信息量小

“明天降雨量将达到1m”

--信息量大

“明日太阳将从东方升起”

--信息量零

信息及其度量信息：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】“某客机坠毁”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。

27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，则消息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；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28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)。通常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29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时，即4进制波形，I=2比特， 当M=8时，即8进制波形，I=3比特。30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

课程扩展31【例1】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

32若用熵的概念来计算：则该消息的信息量

以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。33连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)－连续消息出现的概率密度。34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”）35例题解：36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37（即信息熵）38

39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。40

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41

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≈108.64bit42两种方法求总信息量，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。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。43441.3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45码元模拟信号模拟信号数字信号数字信号tttt模拟信号和数字信号46两类通信系统

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471.3.2数字通信的优点取值有限，能正确接收。

数字信号波形的失真和恢复(a)失真的数字信号波形(b)中继站整形后的数字信号波形48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。输出信噪比随带宽按指数规律增长。49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：形成适合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5051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两种变换： 模拟消息原始电信号（基带信号） 基带信号已调信号（带通信号）521.3.4

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）有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。

53数字通信系统有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。 式中T－码元的持续时间（秒）信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为b/s，或bps码元速率和信息速率的关系 或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。 对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200B，，则信息速率为3600b/s。5455 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

在二进制中有56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：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即 或能量利用率

频带利用率57581.4

信道信道的分类：

无线信道

有线信道信道中的干扰：

有源干扰---噪声

无源干扰---信道特性不良引起59

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60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61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62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）63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=10-6m64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65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66D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67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地面信号传播路径地面图1.4.2天波传播68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ddDr69无线电中继图1.4.4无线电中继70静止卫星中继通信71平流层中继通信HAPS(HighAltitudePlatformStation)72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73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74蜂窝网移动交换中心电话交换中心751.4.2

有线信道明线:右图为19世纪80年代纽约市百老汇

大街上架设的明线，可见大约有350条线。对称电缆（双绞线）同轴电缆图1.4.8同轴电缆截面示意图导体绝缘层76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10800300～600001.577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78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79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80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81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)82四进制

01233210接收端发送端831.4.4

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84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85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”ω()0理想特性理想特性()0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86直线非线性关系输入电压输出电压图1.4.13非线性特性87变参信道:变