通信原理课件第1章绪论资料

通信原理电子教案西北工业大学2009.27/20/20231第1章

绪论

本章主要介绍通信的基本概念，目的对通信的基本概念、术语以及本课程所要研究的主要对象有一个初步了解。是通信原理与技术的基础。研究内容：

1.1

引言

1.2

通信系统的组成1.3

通信系统分类及通信方式1.4

信息及其度量1.5

主要性能指标7/20/202321.1

通信的基本概念通信的定义：是指由一地向另一地进行消息的有效传递。●古代：烽火台、驿站。

●近代：鸡毛信、消息树。●现代：电话、广播、电视。通信的目的是传递消息/信息。（信息：是消息中包含的有效内容）7/20/20233要素：

●一地、另一地：发信、收信方。●消息：是物质或精神状态的一种反映－－概率论意义上的“事件”。

特征：▲具有不同的形式，如：语音、文字、数据、符号、图片或活动图像等；

▲具有不同的内容，如：海湾战争、开关通断。

▲消息带有需要送给收信者的信息。消息以信号的形式在系统中进行传输。●系统：电子系统、语音系统、声光系统等。通信系统：完成通信这一过程的全部技术设备和传输媒介。

通信是“信号与系统”的集合。7/20/20234●信号：是消息的载荷者，与消息一一对应的东西。在电信系统里，载荷者为“电”，对应－－消息被载荷在电信号的某参量上，如电压、电流或电波等物理量（进一步还可以是该物理量的幅度、相位或频率等）。此时的信号为电信号，习惯上简称为信号。

▲模拟信号、数字信号。●传输电信号的通信系统为电信通信系统，常简称之通信系统。7/20/20235通信的再定义：

利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递称为通信。7/20/202361.2

通信系统的组成

信源（信息源）：把待传输的消息转换成原始电信号，如麦克风。可分为模拟信源和数字信源。

发送设备：产生适合于在信道中传输的信号－－信源和信道匹配。1.2.1通信系统的一般模型

7/20/20237信道：信号传输的通道。将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。

噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。

接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。

信宿（受信者）：将复原的原始电信号还原成相应的消息。如扬声器。

7/20/20238通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为：

●模拟通信系统

●数字通信系统7/20/202391.2.2模拟通信系统－－是利用模拟信号来传递信息的通信系统。可由一般通信系统模型略加改变而成。

1.研究的问题（1）模拟通信系统中两种重要变换：

●消息←→原始电信号（基带信号）●调制信号（基带信号）←→已调信号（频带信号）

（第5章）

（2）信号受噪声干扰的影响－－噪声背景下的信号传输。（第3、4章）7/20/202310

2.

调制的功用●提高频率，便于辐射；（辐射：天线尺寸>1/10波长）●频率分配；●实现频分复用；

FDM●改善系统性能。7/20/2023113.已调信号有三个基本特征：

（1）携带有消息；（2）适合在信道中传输；（3）频谱具有带通形式，且中心频率远离零频－－频带信号。如：卫星电视信号（中心频率6/4GHz、带宽36MHz）相应地，原始电信号的频谱具有低通形式，直流/低频分量丰富－－基带信号。

如：话音信号：300～3.4kHz；全电视信号：0～8MHz。7/20/2023121.2.3数字通信系统

（1）定义：信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。（2）基本特征

●消息或信号具有“数字”的特性；

●强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。

(模拟：强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性)。7/20/202313（3）数字通信的主要特点

●抗干扰能力强：抗噪声性能好、消除噪声积累；●信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的－－差错可控：检错、纠错；

●易加密（进行人为的扰乱）；●易于与现代技术相结合（数字终端、计算机等）。（4）数字通信需要解决的问题：

●差错可控：通过信道编码实现（第11章）

；

●加密：通过加密、解密实现；

●节拍一致：位同步/帧同步（第13章）

。7/20/202314（5）分类●数字基带传输通信系统（第6章）●数字频带传输通信系统（第7、8章）●模拟信号的数字传输系统（第9章）7/20/202315数字频带传输通信系统－－数字通信系统的一般模型注：

●加密/解密

、编码/译码不为必须，但一旦存在，必须成对；

●关键－－必需含调制/解调器。信源编码与译码：提高信息传输的有效性信道编码与译码：增强抗干扰能力7/20/202316注：基带信号形成器：可能包括编码器、加密器以及波形变换等；

接收滤波器：可能包括译码器、解密器等。关键：不含调制/解调器。

数字基带传输通信系统模型：

7/20/202317

3.模拟信号数字化传输通信系统解决问题：模拟信源、数字通信系统如何对接。模型：

关键：模拟信号数字化及其反之。

A/D转换器组成：抽样、量化、编码。发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；接收端需进行相反的转换，即D/A转换。7/20/2023181.2.4数字通信的主要特点

1.优点

（1）抗干扰能力强；（2）差错可控；（3）易于加密处理，且保密性好；（4）便于处理、变换、存储；（5）便于将来自不同信源的信号综合到一起传输；（6）易于集成，使通信设备微型化，重量轻。

2.缺点

（1）需要较大的传输带宽。（2）对同步要求高－－系统设备结构复杂。7/20/2023191.3

通信系统分类及通信方式1.3.1通信系统的分类1.按传输媒质分：有线通信和无线通信；

●有线通信：其特点是媒质能看得见，摸得着。可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。

●无线通信是指传输消息的媒质为看不见、摸不着（如电磁波）的一种通信形式。常见形式：微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信、红外通信等。2.按工作波段分：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。地波、天波、反射波、视距波

7/20/2023203.按信道中所传信号特征分：模拟通信系统数字通信系统；4.按调制方式分：基带传输和频带传输（AM、SSB、DSB、VSB；ASK、FSK、PSK、DPSK；PAM、PCM、△M等）；表1-15.按业务的不同分：话务通信和非话务通信；●电话业务在电信领域中一直占主导地位，它属于人与人之间的通信。●非话务通信：数据通信、电报通信、图像通信等。电话通信最为发达，其它通信常借助于公共的电话通信系统进行。●另：从广义角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控/测等也应列入通信的范畴。但已从通信中派生出来，形成了独立的学科。

7/20/2023216.按收发信者是否运动分：移动通信和固定通信。7.按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用按多地址方式：频分多址通信（FDMA)、时分多址通信(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址（SDMA）通信等。

7/20/2023221.3.2通信方式

1.按消息传送的方向与时间分

通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。

消息只能单向传输双向不能同时收发双向可同时收发7/20/2023232.按数字信号排序分可将通信方式分为串序传输和并序传输。串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输。优点：只需一条信道、设备简单、传输距离远。缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施。7/20/202324并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。优点：节省传输时间，速度快，不需要字符同步措施。缺点：需要n条信道，设备复杂、成本高、传输距离近。7/20/202325

3.按通信网络形式分

（a）专线通信：点对点（b）网通信：交换、协议注：●网通信的基础仍是点与点之间的通信。●本课程只研究：点对点通信，而不涉及通信网的其它问题（移动通信、计算机通信、程控交换等）。

7/20/2023261.4信息及其度量

通信的主要目的在于传递信息！－－消息。（1）信息的概念定义：消息中包含的有意义的内容。信息社会

●

“信息”一词在概念上与消息的意义相似，但含义却更具普遍性、抽象性。消息可以有各种形式，但其内容可统一用信息来表述。

●在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息比另外一些消息的传递具有更多的信息。例：非常可能发生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。极不可能发生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。消息所表达的事件越不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大。7/20/202327（2）信息的度量1）度量信息量的原则

●体现“事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，信息量就愈大”。●度量消息中所含的信息量的方法，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。●消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。－－消息中所含信息量仅与消息内容的不确定性有关！

2）度量信息量的方法工具：概率论！由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述：事件发生的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。－－消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。7/20/202328规律：信息量与消息出现概率关系。（1）消息x中所含信息量I是消息出现概率P(x)的函数：（2）P(x)→I；P(x)→I

特别：

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（

x1，x2

，……）所含信息量等于各独立事件x1，x2

，……信息量的和：不可能事件必然事件7/20/202329信息量的计算公式：信息量的单位取决于对数底数a的取值：

a=2单位为比特（bit，简写为b）；

a=e单位为奈特（nat，简写为n）；

a=10单位为哈特莱（Hartley）。通常广泛使用的单位为比特：7/20/202330例1.1

设二进制离散信源，数字0或1以相等的概率出现，试计算每个符号的信息量。

解:二进制等概率时有即二进制等概时，每个符号的信息量相等，为1bit。在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。7/20/202331式中，P=1/M

为每一个符号出现的概率。一般情况下M=2K，则上式可改写成例1.2对于M进制离散信源，若M个符号等概率出现，且每一个符号的出现是独立的，即信源是无记忆的，则每个符号的信息量相等，为结论：独立等概情况下M进制的每一符号包含的信息量，是二进制每一符号包含信息量的K倍。（K是每一个M进制符号用二进制符号表示时所需的符号数目）。当M=4时：I=？当M=8时：I=？7/20/202332例1.3非等概率情况－－平均信息量当各个符号出现的概率不相等时，计算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

多进制时，设各符号出现的概率为：则平均信息量－－每个符号所含信息的统计平均值为：7/20/202333显然，当信源中每个符号独立等概出现时，有信息源的熵：可以证明，此时信息源的熵为最大值。

7/20/202334（3）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。比较：7/20/2023351.5

通信系统的主要性能指标1.5.1一般通信系统的性能指标

一般通信系统的性能指标归纳起来有以下几个方面:（1）有效性：通信系统传输消息的“速率”问题，即快慢问题。（2）可靠性：通信系统传输消息的“质量”问题，即好坏问题。（3）适应性：通信系统对环境条件的适应性。（4）经济性：系统的成本问题。（5）保密性：系统对所传信号的加密措施。对军用系统尤为重要。（6）标准性：系统的接口、各种结构及协议是否合乎国家、国际标准。（7）维修性：系统是否维修方便。（8）工艺性：通信系统各种工艺要求。通信的任务是快速、准确地传递信息，从研究消息传输的角度来说，有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标。7/20/202336对于模拟通信来说：

有效性：可用有效传输频带来度量－－系统频带利用率。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。对于数字通信系统而言：有效性：可用传输速率和频带利用率来衡量。可靠性：可用误码率来衡量。

7/20/2023371.5.2有效性指标的具体表述

数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。通常有两种表示方法。1.码元传输速率RB

（数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率）

定义：单位时间（s）内传输码元的数目；单位：波特（Baud），用符号“B”表示；其中：Tb为码元宽度。数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率与信号的进