通讯技术基础课件第1章 绪论

通信技术基础物理学与电子科学系电子科学与技术专业2教学计划与考核本课程32学时，授课30学时，考试2学时；期末成绩包括两部分：（1）20％：出勤、课堂纪律与回答问题；课后作业；（2）80％：期末考试。考试方式：闭卷3课程性质与主要内容本课程属于电子信息类各专业的专业基础课，是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术、计算机、自动控制及光电子专业的必修或选修课。本课程重点介绍数字通信的基本原理，并围绕原理介绍新的通信技术与实现方法，要求深刻理解通信系统的概念和重要结论，培养运用基本理论和方法分析与解决通信系统具体问题的能力。4建议的参考书1张辉等.现代通信原理与技术.西安电子科技大学出版社.2曹志刚等.现代通信原理.清华大学出版社.3周炯磐等.通信原理(上、下).北京邮电大学出版社.4徐家恺等.通信原理教程.科学出版社.5张辉等.通信原理学习指导.西安电子科技大学出版社.6钱学荣等.通信原理学习指导.电子工业出版社.7吴祁耀.随机过程.国防工业出版社.8罗鹏飞.随机信号分析.国防科技大学出版社.9JohnG.Proakis,MasoudSalehi著,刘树棠译.现代通信系统——使用MATLAB.西安交通大学出版社.参考书很多，并且每年有许多新书，可自己选择。5第一章绪论

1.1基本概念1.2通信系统的分类及通信方式1.3信息及其度量1.4通信系统的组成1.5通信系统的主要性能指标6第一章绪论

1.1通信的基本概念和基本模型通信（Communication）:

一般来说，用语言、图象、数据或文字等不同的形式表达信息，通过光（电）等信号将信息由一方传输到另一方。从定义可看出，信息是依靠物质载体实现传输、储存、交换和处理过程，装载信息的物质称为媒体，如语音、电磁波等。7通信的意义与过程通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。当今社会已进入信息时代，通信则与传感、计算技术紧密结合，成为整个社会的高级“神经中枢”。一般来说，社会生产力水平要求社会通信水平与之相适应。若通信水平跟不上，社会成员之间的合作程度就受到限制，社会生产力水平的发展也必然最终地受到限制。可见，通信对社会发展起到重要作用。

通信的过程

1消息的产生（如语音、图像和数据等）；2通过一系列的符号对消息进行描述；3用一种适合在物理媒质中传输的方式对这些符号进行编码；4将编码的符号送到指定地点；5将信号进行译码和重现；6重新生成原始消息。8通信技术的发展通信技术概括而言可分为两大部分：一是能量（电和光）产生和传输；二是信息的传输和处理。

通信技术的发展就是对这两方面的发展而言。下面简述通信技术的发展史远古时期，人们曾利用烽火、旗语等方式作为表达信息和传递信息的手段。

(速度可达每秒几个公里)

语音是人类通信重要的媒体。（人类出现语言开始）9通信技术的发展文字的发明，人们可以把信息传递到遥远的地方。印刷术是一个重大的发明，可向多人传递相同的信息，并可前人向后人传递信息。18世纪，人们发现电流可在导线中以惊人的速度传导，且可传到很远的地方，开始尝试用电作为信息的载体。电通信在19世纪得到迅速的发展，特别是在20世纪50年代发展更为迅速，一些重要的事件：1844年，莫尔斯（S.F.D.Morse）发明了电报，标志着人类进入了电通信时代；10摩尔斯和他的电磁式有线电报机111864年麦克斯韦（Maxwell）提出了电磁辐射方程1876年贝尔（A.G.Bell）发明了电话；

121896年马可尼(G.Marconi）发明了无线电报；131906年发明真空管1918年实现调幅无线电广播，超外差接收机问世1936年实现调频无线电广播1937年发明脉码调制（PCM）原理1938年电视广播开始1940－1945年雷达和微波通信系统迅速发展（二战）1948年发明晶体管；香农提出信息理论（通信的数学原理）1950年时分复用系统用于电话1956年建立了越洋电缆1957年发射了第一颗人造卫星1958年发射了第一颗通信卫星14通信技术的发展1960年发明了激光器1961年发明了集成电路（代替电子管、晶体管）1960－1970：彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论和技术；电子计算机产生1970－1980：大规模集成电路；商业卫星通信；程控数字交换机；光纤通信系统1980年以后：超规模集成电路，长波长光纤通信。

数字化、智能化、综合化是目前和今后通信技术的发展方向。通信技术发展的越来越快。

15物理发现对通信技术发展的影响

物理发现 通信技术发展

1906年发明电子管

模拟通信得到发展

开辟了模拟通信的新纪元

20世纪50年代发明半导体 20世纪60年代发明集成电路

数字通信得到发展

开辟了数字通信的新纪元 20世纪50年代航天技术 1963年第一次实现同步卫星通信

开辟了空间通信的新纪元

60年代发明激光器70年代发明光导纤维

光纤通信得到发展

开辟了光纤通信的新纪元16

通信发展历史的启示

1.通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。2.通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要。3.一个优秀的通信工程师和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技术的革命。

171.2通信系统的分类通信的内容和形式很丰富，常见的分类方式有：

1.按消息的物理特征分类电报/电话/数据/图象等

2.按调制的方式分类基带传输和频带传输基带传输：信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式。频带传输：信号经过调制后再送到信道中去传输的一种方式

调制的目的有三：便于发送/抗干扰/利用频带消息：信息的载荷体，如文字、符号、图片等183.按传输信号的特征分类

信道中传输的是模拟信号时成为模拟通信系统。信道中传输的是数字信号时成为数字通信系统。

模拟通信系统：模拟信号－参量取值无限数字通信系统：数字信号－量取值有限(信号：消息的载荷体。用电或者光传输消息，通常用函数表示。)19

模拟信号与数字信号

模拟信号基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态无限，如正弦信号.语音信号.图像信号等。已调信号(载波一般为正弦信号)的参数状态数无限

20模拟信号与数字信号数字信号

基带信号的瞬时值状态数有限。如计算机.电报机等输出的信号。已调信号的参数A.F.P状态数有限。

21数字通信系统的优越性和缺点优越性：抗干扰能力强（对信号再整理，可去掉累积的噪声）便于进行各种数字信号处理（如加密等）易于实现集成化和小型化经济效益优于模拟(载波)通信传输与交换很容易结合起来→综合业务便于实现多路复用缺点：占用较宽频带，资源利用率较低对信号同步要求严格22所谓单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，如图(a)所示。例如遥测、遥控，就是单工通信方式。

所谓半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式，如图(b)所示。例如，使用同一载频工作的无线电对讲机，就是按这种通信方式工作的。

所谓全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式，如图(c)所示。例如，普通电话就是一种最常见的全双工通信方式。4.对于点与点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种235.按传输信号的复用方式分类 频分复用FDM/FDMA

时分复用TDM/TDMA

码分复用CDM/CDMA

波分复用WDM/WDMA6.按传输介质进行分类 有线通信：电缆/波导/光缆 无线通信：微波/移动/卫星24常用传输媒介有线通信

如果没有介质传送信息，就不存在通信网络，传输介质按特点分有看的见、摸的到，称其为硬介质，如双绞线、同轴电缆和光纤等；有的不容易看到，称其为软介质，如无线电波。

（1）双绞线电话线是双绞线，两根电线纽在一起（可降低干扰）。它的频带窄（3300Hz），在现代通信中受到限制。25（2）同轴电缆同轴电缆的中心是一根铜导线，外面包一层绝缘材料，绝缘层外又是一层导体，外层包上橡胶外皮。同轴电缆有宽频带和基频带两种传送方式。宽频带传送方式即一根同轴电缆能分出多个信号通道，每一通道传送不同的信号。其典型应用是有线电视，有线电视公司能将多个频道的信号传送到每个家庭。基频传输只能传输一种类型的信号，其典型应用是计算机通信。26光纤及光缆

六光纤光缆27

1通信容量大一对光纤3万路/多纤成缆/波分复用，传输容量十分惊人；2中继距离长单模1.55m波长处损耗可达0.15dB/km；若采用非石英超长波(波长>2m)光缆有望实现1000km以上无中继；3抗电磁干扰电力输送线/电气化铁路沿线/雷击多发区；4不产生串扰，保密性好5光缆尺寸小、重量轻(电缆的1/3~1/10)6光缆不会锈蚀，使用寿命长7光缆接头不会产生放电，没有点火花，运行安全8节省金属材料和能源光纤通信主要特点：28微波中继通信微波传输具有视距传播特性微波传播具有传播损耗→必须中继无线通信29卫星通信

运行轨道：赤道/极轨道/倾斜轨道卫星距离地面的高度：低高度（轨道）卫星，低于5000公里中高度（轨道）卫星，在5000公里到20000公里之间高高度（轨道）卫星，高于20000公里卫星与地球任何一点相对位置关系：同步卫星：沿赤道上空35800公里与地球同向非同步卫星：运行周期不等于地球自转周期，其轨道倾角/高度/形状因需要而定。30卫星通信的主要优点：通信距离远，覆盖面积大；具有多址连接特性，通信灵活性好；可利用频带宽，通信容量大；传播稳定可靠，通信质量高；成本与通信距离无关。卫星通信的主要缺点：通信卫星使用寿命较短；通信卫星系统技术比较复杂和投入较大；卫星通信有较大的传输延迟。31移动通信系统20世纪80年代，基于FDMA的第一代模拟系统(G1)

20世纪90年代，基于TDMA和CDMA的第二代数字系统

(G2)目前，基于WCDMA的数字第三代系统已经出现(G3)

32电磁波的频谱33通信系统的一般模型噪声源发送设备接收设备信源信宿信道(发送端)(接收端)通信系统：通信中所需要的一切技术设备和传输媒质构成的总体。

通信系统的基本目的是由信源向信宿传送消息。通信系统的最基本要求是迅速和可靠。34

信源:顾名思义，指信息产生的源头，将消息变成电信号。其发出的消息也可以是多种多样的，如语音、文字、图像、数据等。这些信息可以是离散的，也可以是连续的。35

发送器:发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用是将信源发出的信号转换成便于传输的某种信号。模拟与数字通信系统两者的发送器功能有很大差异。种类及其功能多样化，如编码、调制、放大、滤波、发射等。36

信道:即信息传输通道，也是传递物质信号的媒介。信道可以是明线、电缆、波导、光纤、无线电波等。37

噪声源:是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道中传输时遭受的干扰情况。在任何通信系统中，干扰的性质与强弱都是影响系统性能的重要因素。38

接收器:其作用主要是接收信道中的信号，并转换成发送前相同表示形式的信息传递给信宿，与发送器功能正好相反。对接收器的要求是尽可能地从受干扰的信号中精确地提取和还原来自信源的信息。39

信宿:信息传输的目的地，即将接收设备产生的电信号还原成消息.40通信系统的一般模型总结信源的作用是把各种可能消息转换成原始电信号。发送设备对原始信号完成某种变换，使之适合在信道中传输。信道是信号传输的通道，可能是一条简易的传输线路,也可能是一个复杂的网络。接收设备的功能与发送设备相反，它从接收信号中恢复出原始信号。信宿是将复原的原始信号转换成相应的消息。噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其它各处噪声的集中表示。41在数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，有串序传输与并序传输之分。

一般的远距离数字通信大都采用串序传输方式，因为这种方式只需占用一条通路。并序传输在近距离数字通信中有时也会遇到，它需要占用两条或两条以上的通路，比如，使用多条导线传输。

42串序传输所谓串行传输，是将数字信号码元序列按时间顺序一个按一个地在信道中传输。这种方式只需占用一条通路。一般的远距离数字通信大都采用串行传输方式。发送设备接收设备1010043并序传输如果将数字信号码元序列分割成两路或两路以上同时在多个信道中传输，则称为并行传输。一般在计算机内部或近距离数字通信中采用。如打印机连接线。发送设备接收设备······44数字通信系统点---点单路数字通信系统

（1）信源和信宿：消息原始电信号。（2）信源编码和解码：模/数转换，数据压缩。（3）信道编码和解码：使数字信号适应在信道中传输，提高系统抗干扰能力。（4）调制和解调：携带信息，适应在信道中传输。（5）信道：信号传输的媒质，传输信号同时伴随着噪声的加入。（6）最佳接收和同步：按最小差错准则接收并使系统步调一致地工作以正确传输信息。451.3信息及其度量信息一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更普遍化、抽象化。信息可以理解为消息（事件）中包含的有意义的内容，虽不可见，但能使大脑发生一定的思维活动，即有认知发生。信息可以光、电信号的形式表示、传输。通信系统传输信息的多少使用“信息量”去衡量。46消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大，且概率为0时（不可能发生事件）信息量为无穷大；概率为1时（必然事件）信息量为0。P（x）=1时 I=0P（x）=0时 I=∞47信息的特点不同形式的消息可以包含相同的信息。如分别用话音和文字发送的天气预报，所含信息内容相同。消息中所含信息量的多少与消息的重要程度无关。对接收者来说，消息（事件）越不可能，包含的信息量越大。

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的和，即I[P1（x）·P2（x）…]=I[P1（x）]+I［P2（x）］+…

48信息（Information）：消息（Message）中包含有意义的内容。传输信息的多少用信息量进行衡量。消息中所含的信息量和消息出现的概率的关系为：当单位为比特（bit），时，单位为奈特（nit），

当时，单位为哈特（hart）。注：有的书中，。对于一连串符号构成的消息，用平均信息量表示信源中每个符号所含信息量的平均值。平均信息量为：

由于同热力学中的熵形式一样，故也称之为信息源的熵。49连续消息的平均信息量连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（相对熵）为：

式中，f(x)—连续消息出现的概率密度。50信息及信息量例1.3.1

某信息源的符号集由A、B、C、D和E组成，设每一个符号独立出现，其出现的概率分别为：，试求该信息源符号的平均信息量。解：由公式可知：51例1.3.2一信息源由4个符号0，1，2，3组成，它们出现的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，求该信息源的熵（统计平均信息量）。解：H=-∑P(xi)㏒2P(xi)=3/8·㏒2(8/3)+1/4·㏒24+1/4·㏒28+1/8·㏒28=1.906(bit/符号)可以证明：离散信息源的最大熵发生在每一符号等概率出现时，即P(xi)=1/n,i=1,2,…,n，而最大熵值等于㏒2n(bit/符号)。（例题）信息及信息量52例1.3.3一信息源由4个符号a、b、c、d组成，他们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为cabacabdacbdaabcadcbabaadcbabaacdbacaacabadbcadcbaababa的信息量。解信源输出的信息序列中，a出现23次，b出现14次，c出现13次，d出现7次，共有57个。则出现a的信息量为(bit)

出现b的信息量为(bit)

出现c的信息量为(bit)出现d的信息量为(bit)535455例1.3.3

一信息源由4个符号0，1，2，3组成，它们出现的概率分别为3/8、1/4、1/4、1/8，试求某个消息20102,01302,13001,20321,01003,21010，02310,20020,10312,03210,01202,10的信息量。解：I=23㏒28/3＋14㏒24＋13㏒24＋7㏒28=107.55(bit/符号)信息及信息量该信息源符号的平均信息量：若利用熵的公式，该信息源符号的平均信息量这种误差将随着消息中符号数的增加而减少。561.4通信系统的主要性能指标有效性：系统传输消息的速率；可靠性：系统传输消息的质量；适应性：系统对环境条件的变化的影响；经济性：系统的成本；保密性：对系统所传信号的加密措施；标准性：系统的接口、各种结构及协议符合国际标准；维修性：系统是否维修方便；工艺性：系统的各种工艺要求。

57通信的任务是传递信息。从信息传输的角度来说，最基本也是最主要的性能指标是信息传输的有效性和可靠性。通信的有效性是指在给定的信道内传输信息的数量，即信息传输的速度问题；而通信的可靠性是指在给定的信道内接收信息的准确程度，即信息传输的质量问题。1.4通信系统的主要性能指标58有效频带

传输给定的信号所需要的有效传输频带越窄，或者说，在给定传输带宽的信道中，能同时传输的信号路数越多，则系统的传输有效性就越高。即信号的复用程度越高，有效性越好。信噪比

信噪比越高，信息传输的准确性就越高，通信质量就越好。模拟通信系统的主要性能指标59系统的有效性用传输速率来衡量。从两个角度定义：（1）码元传输速率RB：单位时间内传输码元的数目，单位波特（B或Bd）。

数字信号一般有二进制和多进制(N)，它们码元速率之间的转换关系为：（举例）二进制和四进制

数字通信系统的主要性能指标(1)60（2）信息传输速率Rb：单位时间内传输的信息量，单位比特/秒（bit/s）。

二进制和多进制(N)信息传输速率的转换关系为：

码元速率RB和信息传输速率Rb之间的变换关系：

1.在二进制中，两者数值相等，但单位不同。2.在多进制中，两者单位不同，数值关系为：当信源各个符号等概独立时，61

例2：二进制（0，1）；四进制（－3，－1，1，3）Ts表示码元宽度：传输一个码元所用的时间。RB=1/Ts从上式可看出码元速率与进制无关，仅于码元长度有关。62频带利用率定义：单位频带的传输速率。对二进制而言，频带利用率其中B传输信号所占信道的频带宽度。一般：独立事件X1，X2，…XM

构成消息X，当P(Xi)=1/Mi=1,2,

…M时，每个符号携带信息量的平均值为最大，且其最大值为：H(X)=log2Mbit/符号，此时Rb=RB×log2M63（2）可靠性和差错率

误码率，是指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比例，或者更确切地说，误码率即是码元在传输系统中被传错的概率。误信率，又称误比特率，是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。数字通信系统的主要性能指标(2)64利用信号在传输过程中出错的概率来表示通信系统的可靠性。

（1）码元差错率（误码率）：