通信原理-绪论1讲

第1章概论

电子技术系2023/2/61目标要求

基本要求

了解通信的发展；

掌握消息、信息、信号的定义；

掌握数字通信的概念，理解数字通信的优点；

掌握数字通信系统模型及其主要性能指标；

掌握信道模型，并会分析信道特性对信号传输的影响；

熟悉信道中的噪声。2023/2/62目标要求

重点、难点

重点是：信息的度量；数字通信系统模型的理解与掌握。

难点是：数字通信系统性能指标的理解与计算；变参信道对信号传输的影响。2023/2/63主要内容

1.1通信的概述

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信道及其容量思考题、习题2023/2/64什么是通信？异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。2023/2/65通信的发展一、历史的通信方式1.古代：

公元前800年(周朝)，烽火台。应用光通信的见证－最简单的二进制数字通信。2.近代：

1820年：安培发明电报通信，近代数字通信的

开始。

1838年：莫尔斯将电报通信推向实用。

1876年：贝尔发明电话，模拟通信的开始。2023/2/66通信的发展3.现代

20世纪60年代以后：数字通信技术进入高级发展阶段。近20多年：数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。两者都成为现代通信网的主要支柱。

2023/2/67通信的发展

烽火台2023/2/68通信的发展

将电报通信推向实用

塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）2023/2/69通信的发展贝尔（1847-1922）美国电话发明者2023/2/610通信的发展

1876年3月10日，美国发明家贝尔发明世界上第一部电话，并获美国专利局批准的电话专利。这是2005年8月11日拍摄的美国新泽西州默里山贝尔实验室博物馆内的世界第一部电话。

2023/2/611通信的发展

麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》，这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书，具有划时代的意义，是牛顿以后科学史上的又一座丰碑。麦克斯韦(JamesClerkMaxwel1831～1879)英国物理学家2023/2/612通信的发展赫兹（1857-1894）德国物理学家

1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。

赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在2023/2/613通信系统一般模型通信是从一地向另一地传递和交换信息。通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。信源发送设备信道信宿接收设备发送端接收端噪声源通信系统的一般模型2023/2/614通信系统一般模型信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。发送设备将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。2023/2/615通信系统一般模型信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间）在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。2023/2/616通信系统一般模型噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，不是人为加入的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的。为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。2023/2/617通信系统一般模型接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。

2023/2/618消息、信息和信号（重点）1.通信的目的

传递消息中包含的信息。本课程主要研究传输。2.消息、信息、消息和信号的定义与区别

是指信源所产生的信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号（简称信号），才能在通信系统中传输。2023/2/619消息、信息和信号4.信息

是指消息中所包含的对受信者有意义的内容（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的消息，可以载有相同的信息。3.信号

是指消息的物理载体，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。2023/2/620消息、信息和信号消息消息的状态连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。

消息的传递是通过它的物质载体——

电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。hello2023/2/621消息、信息和信号信号信号参量的取值方式模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。2023/2/622消息、信息和信号tf(t)0tf(t)0时间离散、参量连续时间连续、参量连续f(t)t0时间离散、参量离散抽样量化2023/2/623通信系统一般模型信号信道中传输的是模拟信号还是数字信号模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统。模拟通信系统2023/2/624数字通信系统模型信源发送端接收端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2023/2/6251.信源：将消息转换为电信号的设备。信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端数字通信系统模型2023/2/626信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端数字通信系统模型2.信源编码：降低信号的冗余，并且对信号加密，

提高数字信号的有效性及安全性。2023/2/627信道压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端数字通信系统模型3.信道编码：增加纠错编码，提高传输的可靠性，但增加了信号的冗余。2023/2/628信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端4.调制：数字通信系统模型2023/2/6294.调制使编码信号特性与信道特性相适应，以方便信号通过信道传输。2023/2/6305.信道

基带信道－－可传输很低的频率分量。如双绞线。频带信道－－不能传输很低的频率分量。如无线电波。

2023/2/6315.信道信道的影响：★信道传输特性对数字信号的影响。包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率扩展和多径时延。★进入信道的外部加性噪声的影响。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。2023/2/6326.同步

★数字通信系统中不可缺少的组成部分。

★发端、收端间需共同的时间标准－－使收端准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接收。

★位同步（或码元同步）、字同步2023/2/633模拟&数字通信系统模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。2023/2/634模拟&数字通信系统数字通信的主要特点抗干扰能力强。差错可控。易于与各种数字终端接口，可用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于加密处理，且保密强度高。可对信号进行压缩，提高信道利用率。数字通信的上述优点，都是用比模拟通信占据更宽的频带为代价而换取的。数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。2023/2/635通信系统分类调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅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幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输2023/2/636通信系统分类

调制方式

用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK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军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话2023/2/637通信系统分类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、时标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2023/2/638通信系统分类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紫外线、可见光、红外线光纤激光空间传播光通信2023/2/639通信方式按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。

单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。2023/2/640通信方式发送信道接收单工：广播发送信道接收双工：手机发送信道接收半双工：对讲机2023/2/641信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。2023/2/642信息及其度量（重点）消息、信息和信号

如何度量信息？－－首先要解决的问题。2023/2/643信息及其度量从常识的角度来感觉三条消息：①太阳从东方升起；②太阳比往日大两倍；③太阳将从西方升起。第一条几乎没有带来任何信息第二条带来了大量信息第三条带来的信息多于第二条第一事件是一个必然事件，人们不足为奇；第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。2023/2/644信息及其度量

根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。

可能性越小，概率越小；反之，概率越大。

因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。2023/2/645信息及其度量

假设P(x)是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息量；根据前面的认知，显然I与P(x)之间的关系反映为如下规律：（1）信息量是概率的函数，即I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1时，I→0

P(x)→0时，I→∞（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…2023/2/646信息及其度量在信息论中，信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系为信息量的单位与对数底数a有关。

a=2时，信息量的单位为比特(bit)；

a=e时，信息量的单位为奈特(nat)；

a=10时，信息量的单位为哈莱(Hart)。目前广泛使用的单位为比特。【例】设二进制离散信源，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

I(0)=I(1)=log22=1(bit)2023/2/647

传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为信息及其度量2023/2/648信息及其度量

如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，且有ΣP(xi)=1,则x1,x2,…,xn

所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2),…,-log2P(xn