通信原理之概论

通信原理之概论第一页，共九十三页，2022年，8月28日目标要求

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；

熟悉无线信道、有线信道；

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。2第二页，共九十三页，2022年，8月28日目标要求

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。3第三页，共九十三页，2022年，8月28日主要内容

1.1通信的发展1.2消息、信息和信号1.3数字通信1.4信道1.5信道中的噪声1.6小结

思考题、习题4第四页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展一、历史的通信方式1.古代：

公元前800年(周朝)，周幽王烽火戏诸侯。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。5第五页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展

烽火台6第六页，共九十三页，2022年，8月28日1.1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。两者都成为现代通行网的主要支柱。

7第七页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展

“上帝创造了何等的奇迹!”

塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）8第八页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展贝尔（1847-1922）美国电话发明者9第九页，共九十三页，2022年，8月28日1.1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。

10第十页，共九十三页，2022年，8月28日1.1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11第十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展

赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。

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。

12第十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展

在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。

13第十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.1通信的发展

1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立1864麦克斯韦尔电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话1876贝尔电话1956越洋电话铺设1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电数字传输理论高速计算机1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通讯1940二战刺激雷达和微波系统发展1980SLSI长波光纤通信ISDN3G返回14第十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号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.消息天气预报“明天是晴天”字幕“明天是晴天”——文字播音员说“明天是晴天”——语言——图形、信息、消息和信号的定义与区别15第十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号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。16第十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.2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）的同一消息，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。、信息、消息和信号的定义与区别17第十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号如何度量信息？－－首先要解决的问题。18第十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号1.要求度量信息量的方法，必须满足：

能度量任何消息；与消息的类型无关；消息的重要程度无关。

二、消息中信息量的度量19第十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号2.

信息量的定义

信息量是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。二、消息中信息量的度量20第二十页，共九十三页，2022年，8月28日1.2消息、信息和信号

因此，若消息出现的概率为，则所含信息量I

可定义为：

信息量的单位：，则为比特（bit），简记为b，最常用;

，则为奈特（nat）;

，则为哈特莱（hartley）。

21第二十一页，共九十三页，2022年，8月28日

当M=2时，则I=1b。

工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于1b。即通常把一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位混淆，应注意。

若采用一个M进制的波形，来传送M个独立的等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：

(b)

1.2消息、信息和信号返回22第二十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信1.

模拟信号和数字信号

模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的语音信号。数字信号，也称离散信号。如：代表文字的编码和计算机数据信号。注意：区分准绳为：考查取值是否连续，而不是看时间。一、基本概念23第二十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信模拟信号数字信号tttt码元24第二十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信2.

模拟通信和数字通信（1）共性问题：总存在噪声和其他干扰，引起传输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题之一。3.模拟通信系统和数字通信系统25第二十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信

模拟通信系统：要求：高保真度复原。

度量准则：输出信噪比。基本问题：连续波形的参量估值问题。

（2）个性问题

数字通信系统：要求：正确判决（或检测）。度量准则：产生错判的概率。理论基础：统计判决理论。注意：都是针对接收端的。26第二十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信二、数字通信的特点

1.优点

取值有限，能正确接收。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用数字加密技术，提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。27第二十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信

占用带宽大－－压缩、光纤。同步要求高。3.应用实例数字传输技术：电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广播、电视广播等。二、数字通信的优点2.缺点28第二十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信三、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29第二十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型30第三十页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型1.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三、数字通信系统模型31第三十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型信源压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型2.信源编码：降低数字信号的冗余，

提高数字信号的有效性。32第三十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型信道压缩编码保密编码信源编码信道编码调制发送端三、数字通信系统模型3.信道编码：增加冗余字符，纠错编码，

提高传输的可靠性。33第三十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型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：三、数字通信系统模型34第三十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型4.调制

（1）目的

使编码信号特性与信道特性相适应，以通过信道传输。

（2）几个基本概念基带、基带信号、带通信号；基带调制、带通调制。

（3）多路复用使多路信号合并，经过同一信道传输。35第三十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型5.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。

36第三十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型5.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。37第三十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型6.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38第三十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信－数字通信系统模型信道发送端接收端信源调制解调信宿噪声模拟通信系统模型39第三十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信1.

衡量系统性能优劣的基本因素：

有效性可靠性四、性能指标40第四十页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信-性能指标

有效性可靠性注意：两者是互相矛盾的，也是可互换的。★提高有效性→提高传输速率→可靠性降低；提高可靠性→增加冗余的抗干扰编码码元

→有效性降低。

★降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。41第四十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信-性能指标2.性能指标：（1）传输速率：三种定义。

★码元速率（RB）：单位时间内传输码元数。“波特（Baud）”★信息速率（Rb）：单位时间内传输的信息量。“比特/秒(b/s)”★消息速率（RW）：单位时间内传输的消息数。“字/秒”42第四十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信-性能指标（1）

传输速率：

信息量I：对于二进制系统而言，如果“0”和“1”等概率出现的话，每个码元所含的信息量I=1，此时，码元速率和信息速率在数值上相等。对于多（M）进制系统而言，每个码元所含的信息量是I=log2M，此时，二者的关系为Rb=RBlog2M。

2.性能指标：43第四十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信-性能指标（2）

错误率：三种定义。★

误码率（Pe）：

★误比特率（Pb）：

★误字率（PW）：

44第四十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.3数字通信-性能指标（3）频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。

（4）能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。该能量大小与系统带宽有直接关系。该能量与占用频带间可交换。返回45第四十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道一、信道分类（依传输媒体分）1.

无线信道：利用电磁波来传播信号。如广播电台、移动电话。2.有线信道：利用人造传输媒体来传输信号。如传统的固定电话。注意：信道中的噪声－－有源干扰；信道传输特性不良－－无源干扰。46第四十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道频率范围名称波长典型应用3～30Hz极低频ELF103～102km远程导航、水下通信30～300Hz超低频SLF104～103km海底通信、电报0.3～3kHz特低频ULF103～102km数据终端、有线通信3～30kHz甚低频VLF102～10km导航、电话、电报、水下通信30～300kHz低频LF10～1km导航、水下通信、无线电信标0．3～3MHz中频MF103～102m广播、业余无线电、海事通信3～30MHz高频HF102～10m国际定点通信、军用通信、广播、业余无线电、电报、传真30～300MHz甚高频VHF10～1m电视、调频广播、移动通信、导航、空中管制0.3～3GHz特高频UHF102～10cm电视、雷达、遥控遥测、点对点通信、移动通信、导航、GPS3～30GHz超高频SHF10～1cm卫星和空间通信、微波接力、雷达、移动通信30～300GHz极高频EHF10～1mm射电天文、雷达、微波接力、移动通信、铁路业务300G～3THz亚毫米波1～0.1mm未划分，实验用43～430THz红外7～0.7μm光通信系统430～750THz可见光0.7～0.4μm光通信系统750～3000THz紫外0.4～0.1μm光通信系统47第四十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道二、无线信道

1.电磁波的发射和接收

均要用天线因天线尺寸的要求，通信频率都较高。频率使用规划和管理★国际电信联盟（ITU）定期召开世界无线电通信大会WRC（TheWorldRadio-communicationConference），制定频率使用国际协议。

★我国：信息产业部无线电管理局。48第四十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道根据通信距离、频率和位置的不同：

地波传播

天波传播

视线传播二、无线信道

2.电磁波的传播49第四十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道（1）

地波传播

★频率：2MHz以下，有一定的绕射能力

★绕射：电磁波沿弯曲的地球表面传播所具有的能力

★通信距离：可达数百～数千km地面接收天线发射天线传播路径返回50第五十页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道（2）天波传播★频率：2～30MHz★电离层反射：★通信距离：单次可达4000km，多次可达10000km地面接收天线发射天线信号传播路径电离层51第五十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道

★

电离层：60-400km

D层：高60-80km

E层：高100-120km

F层：高150-400km

F1层：140-200km

F2层：250-400km晚上：D层、F1层消失；E层、F2层减弱

反射高频电磁波的主要是F层DEFF2F1地面返回52第五十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道（3）视线传播★频率：30MHz以上★类似光波做视线传播（将穿透电离层）★天线高度h与传播距离D(=2d)的关系：

D

2=8rh≈50h

（r为地球的等效半径）地面接收天线发射天线信号传播hdrDd53第五十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道★采用无线电中继，实现远程通信。若天线架设高度为50m，则视线距离约为50km。即视距传输距离有限，需中继。地面接收天线传播路径发射天线（3）视线传播54第五十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道

转发站（基站）：－－人造卫星：3颗静止卫星（卫星通信系统），目前广泛应用。55第五十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－－高空平台电台HAPS(HighAltitudePlatformStation)

：250个充氦气艇（平流层通信系统），很有发展前途。56第五十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道★高空飞行器间的电磁波传播、太空中人造卫星或宇宙飞船间的电磁波传播，都符合视线传播规律，且不受或少受大气层的影响。

电磁波在大气层内传播会衰减：频率越高，衰减越严重；且存在谐振点，应避开。57第五十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道频率(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58第五十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－无线信道（4）散射传播

★电离层散射：30～60MHz

★对流层散射:100～4000MHz

★通信流星余迹:30～100MHz对流层散射通信地球有效散射区域接收天线发射天线59第五十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－无线信道地球流星余迹散射通信60第六十页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－无线信道注意：目前民用无线电通信中，应用最广的是蜂窝网和卫星通信。61第六十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－无线信道移动交换中心电话交换中心

蜂窝网62第六十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道

明线对称电缆同轴电缆二、有线信道

1.传输电信号63第六十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道（1）明线64第六十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道（2）对称电缆：双绞线65第六十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道（2）对称电缆：双绞线66第六十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道双绞线（TwistedPairwire）由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，把两根导线按一定密度互相缠绕在一起,可降低信号干扰的程度。双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）与非屏蔽双绞线（UTP）两大类。其中屏蔽双绞线分别有3类和5类二种，非屏蔽双绞线又分别有3类、4类、5类、超5类四种。

（2）对称电缆：双绞线67第六十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道（3）同轴电缆同轴电缆截面示意图双同轴电缆及6芯接头

68第六十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道（3）同轴电缆基站用射频同轴电缆(50Ω同轴电缆)

射频同轴电缆69第六十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道解释：

同轴电缆是一种通讯电缆，电缆结构为以实心铜体为芯外包着一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又再覆盖一层保护性材料。

常用的同轴电缆有两类：50Ω和75Ω同轴电缆。

（3）同轴电缆70第七十页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道

有线信道电气特征信道类型通话容量（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10800300～600001.571第七十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道2.传输光信号——光纤表面涂层包层芯区72第七十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道2.光纤n1n2折射率折射率n1n22a光纤结构73第七十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－有线信道光纤损耗光波波长（nm）1.55m1.31m0.7 0,9 1.1 1.3 1.5 1.72.光纤74第七十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道

调制信道模型编码信道模型四、信道模型75第七十五页，共九十三页，2022年，8月28日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数字通信系统模型1.4信道－信道模型76第七十六页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道模型1.

调制信道模型★对于单“端对”信道：ei(t)eo(t)时变线性网络eo(t)=f[ei(t)]+n(t)77第七十七页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道模型通常，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)是一个复杂的函数，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eo(t)=f[ei(t)]+n(t)78第七十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道模型2.

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。且有：

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)79第七十九页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道模型★四进制编码信道模型：01233210接收端发送端80第八十页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道1.

恒参信道对信号传输的影响★非时变线性网络。其振幅-频率特性：f(Hz)30030000衰耗(dB)理想特性典型音频电话信道特性五、信道特性对信号传输的影响81第八十一页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道特性对信号传输的影响1.

恒参信道对信号传输的影响其相位-频率特性：ω()0理想特性理想特性()0ω()0理想特性82第八十二页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道特性对信号传输的影响畸变的影响: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83第八十三页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道特性对信号传输的影响2.变参信道对信号传输的影响（1）变参信道的共性：－衰落:衰减随时间变化；－传输时延:随时间变化；－多径效应:快衰落。84第八十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.4信道－信道特