2020年通信原理-第1讲-确知信号-电08参照模板课件

通信原理

夏舸xiaboat@电子信息工程学院CollegeofElectronics&InformationEngineering,9/11/20231通信原理

夏舸电子信息工程学院CollegeofE采用教材：普通高校“十一五”国家级规划教材

通信原理（第6版）樊昌信曹丽娜编著

国防工业出版社2006年9月第6版教材与参考书参考教材：现代通信原理，曹志刚

清华大学出版社9/11/20232采用教材：普通高校“十一五”国家级规划教材教材与参考书参考教教材与参考书9/11/20233教材与参考书8/3/20233关于课程课程类型：专业必修课教学对象：电信学院本科生学时：4*16=64考核：平时成绩30％（考勤、作业、课堂表现）期末考试70％（闭卷）9/11/20234关于课程课程类型：专业必修课8/3/20234上课时间：周一：3-4节，06-106&周四：3-4节，06-106不得迟到、早退、缺课，有事请假上课时请关闭手机迟交的作业恕不批改，只作记录关于课程9/11/20235上课时间：周一：3-4节，06-106关于课程8/3/20《通信原理》课程特点理论性（概念性）、系统性（实践性）强与先行课程联系紧密

先修课程：《电路分析》《模拟电路》《数字电路》《信号与系统》《高等数学》《概率论》《通信原理》关于课程9/11/20236《通信原理》课程特点先修课程：《通信原理》关于课程8/3/三个重要环节课前预习、消化教材是学习好本课程的主要方式上完课及时复习，学完一章进行小结做习题加深概念和理解经常进行阶段复习

掌握各章、各节内容之间的内在逻辑联系关于学习方法的建议9/11/20237三个重要环节关于学习方法的建议8/3/20237Youhear,youforgetYoudo,yourememberYouthink,youunderstand

如果你只是听，那么你会忘记如果你去做，你就会记住如果你思考，你才能明白关于学习方法的建议理解万岁！熟能生巧！“三多”！9/11/20238Youhear,youforget内容第1章绪论第2章确知信号第3章随机过程第4章信道第5章模拟调制系统第6章数字基带传输系统第7章数字带通传输系统第8章新型数字调制技术第9章模拟信号的数字传输第10章数字信号的最佳接收

第11章差错控制编码第12章正交编码和伪随机码第13章同步原理第14章通信网基础核心扩展第5、6、7、9章！由“厚”到“薄”9/11/20239内容第1章绪论第11章差错控制编码基础核心扩展第5、6第1章绪论1.1通信的基本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6小结9/11/202310第1章绪论1.1通信的基本概念8/3/2023101.1通信的基本概念一、通信技术发展回顾伟大的事业总离不开伟大的人物、重大的事件！第1章绪论9/11/2023111.1通信的基本概念伟大的事业总离不开伟大的人物、重大的事第1章绪论

塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。1826年至1842年任美国画家协会主席。

在一次远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克逊把话题转到电磁感应现象上。从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于1836年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍然继续从事电报发明工作。终于在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机。

1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝创造了何等的奇迹!”人物9/11/202312第1章绪论塞缪尔·莫尔斯（SamuelF第1章绪论1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文《论物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。

麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（MaxPlankl858—1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。人物9/11/202313第1章绪论1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文《论第1章绪论

赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝世时，年仅37岁。

1886年29岁发现电磁波，其后不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：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。

赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。人物9/11/202314第1章绪论赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝第1章绪论1876-------------贝尔发明电话贝尔制成的电话机贝尔于1875年制成上图电话的原型。这个装置由一圈电线、一个磁臂和一块张紧薄膜组成。声音震动薄膜，再振动磁臂。磁石的移动令线圈产生波动的感生电流。这个电讯号可利用线路另一端的相同装置再转换回声音。人物9/11/202315第1章绪论1876-------------贝尔发明电话第1章绪论信息论的创始人香农Shannon，1916年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代数。1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。后来，香农到贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。无失真变长信源编码定理(香农第一定理)有噪信道编码定理(香农第二定理)保真准则下信源编码定理(香农第三定理)建立了通信的统计理论人物9/11/202316第1章绪论信息论的创始人香农Shannon，1916年生第1章绪论1965-------------发明程控电话交换机1991-------------GSM商用1995-------------CDMA（IS-95）商用移动通信2.5代（2.5G）、三代（3G）；移动通信快速普及，移动电话用户数超过固定电话

事件9/11/202317第1章绪论1965-------------发明程控电话中国联通第1章绪论1.1通信的基本概念二、通信技术的当前状况(1)移动通信己成为个人通信的主要方式二代（GSM、CDMA）；三代（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)(2)IP网（基于IP技术的网络）正成为多媒体（语音、文字、图像）通信的综合通信平台，如IP电话、IPTV(3)三网（电话网、计算机网、电视网）正走向融合(4)无线接入正快速发展，与IP网结合进入移动IP新时代中国移动中国电信9/11/202318中国联通第1章绪论1.1通信的基本概念中国移动中国电信8网络正走向融合！Internet网无线移动互联网广电网固定电信网卫星网IPIPIPIP技术提供了各网统融合的基础IP语言、数据、视频信息于一网之中各网合一为人类工作和生活提供方便提供统一解决方案网络融合示意模型9/11/202319网络正走向融合！Internet网无线移动广电网发展下一代网络(NGN)推进网络融合！下一代光网络：MSTP智能光网下一代数据网：NGI,IPV6下一代交换网：软交换体系

下一代移动网：3G,3G后NGN伞9/11/202320发展下一代网络(NGN)推进网络融合！下一代光网络：下一个人通信新时代正在到来！

“三化”：无线化、多媒体化、网络化5W：Whenever无论何时Wherever无论何地Whoever无论是谁Whatever无论什么内容Whomever能找到对方多媒体：语音、数据、视频、音乐9/11/202321个人通信新时代正在到来！

“三化”：无线化、多媒体化、网络化通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：学校教育、个人与家庭、政府管理、医疗、企业、商贸、娱乐等无处不在！个人与家庭市场与营销学校与教育金融与理财政府与管理固定电话网移动电话网互联网IPTVHDTV医疗卫生9/11/202322通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：学校教育、个人与家庭、小结信息来源信息传输信源信息获取数字化信息传递与分配信息检测与存储信息利用(控制)语言、文字、图像、音乐遥测、遥感、医疗、军事生产控制社会管理存储信息产业传感设备、雷达、摄影器材广播器材、电视设备计算机设备、网络设备集成电路电话、通信系统软件系统信息理论通信理论与技术（编码理论、调制理论、检测理论）计算机科学与技术、人工智能、模式识别信息分析与处理网络理论、信息安全与控制信号处理论与技术（语音、图像、数据）信息科学与技术是科学技术现代化的支柱之一；掌握《通信原理》就获取了打开这一科学殿堂大门的钥匙！9/11/202323小结信息信息信源信息数字信息信息信息语言、文字、遥测消息／

message：信息的物理表现形式（语音、文字、图像、数据）信息／

information：消息的内涵，即消息中所包含的受信者原来不知而待知的有效内容信号／

signal：消息载体。消息携载在电信号的某一参量上（振幅、相位、频率）1.1通信的基本概念三、通信的基本概念9/11/202324消息／message：信息的物理表现形式（语音、文字、图像什么是通信？Communication“通”传送，“信”信息；信息的传送

人们的基本需求是：将信息从一个地方传到另一个地方

基本组成：发送、传输（信道）、接收信道通常是抽象的描述，与传输介(媒)质含义相似。信道有线信道无线信道有线电信道(双裸或双绞线、同轴电缆等)光纤信道无线电微波卫星红外9/11/202325什么是通信？Communication信道通常是抽象的描述，第1章绪论1.2通信系统的组成一、通信系统的一般模型描述了信息由发送至接收的流程1.经典模型信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源4342143421图1-1(a)经典通信系统模型发送端接收端9/11/202326第1章绪论1.2通信系统的组成描述了信息由发送至接收的信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源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。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源4342143421图1-1(a)经典通信系统模型发送端接收端9/11/202327信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源4342143421图第1章绪论1.2通信系统的组成一、通信系统的一般模型图1.1(b)现代通信系统功能模型2.现代通信系统功能模型9/11/202328第1章绪论1.2通信系统的组成图1.1(b)现代通第1章绪论模拟信号和数字信号

模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：1.2通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(a)话音信号(b)抽样信号图1-2模拟信号9/11/202329第1章绪论模拟信号和数字信号1.2通信系统的组成(a第1章绪论模拟信号和数字信号

数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：1.2通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(a)二进制信号(b)2PSK信号图1-3数字信号9/11/202330第1章绪论模拟信号和数字信号1.2通信系统的组成(第1章绪论通常，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和数字通信系统。1.2通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型9/11/202331第1章绪论通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，1.2通信系统的组成

模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：

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）二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型天线、变频、放大、解调等调制、放大、天线等图1-4模拟通信系统模型重点讲：调制与解调原理；噪声对信号传输的影响第5章9/11/2023321.2通信系统的组成模拟通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成模拟通信的主要特点抗干扰能力差不易于保密通信设备不易于大规模集成不适应飞速发展的计算机通信的要求简单、易于实现二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型9/11/2023331.2通信系统的组成模拟通信的主要特点二、模拟通信系统模1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型图1-5数字通信系统模型在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。第6章9/11/2023341.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(1)信源编码与译码作用一：是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。

作用二：是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的逆过程。通信原理与信息论第9章9/11/2023351.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(2)信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。★第11章9/11/2023361.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(3)加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。第12章9/11/2023371.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(4)数字调制与解调

数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK、差分相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。第7章9/11/2023381.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2通信系统的组成

数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(5)同步同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为：载波同步、位同步、群同步和网同步第13章9/11/2023391.2通信系统的组成数字通信系统模型二、模拟通信系统模型抗干扰能力强。传输差错可控。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。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。需要较大的传输带宽，对同步要求高。1.2通信系统的组成三、数字通信的主要特点9/11/202340抗干扰能力强。1.2通信系统的组成三、数字通信的主要特点8按通信业务分：话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。按调制方式分类：基带传输和频带（调制）传输按信号特征分类：模拟信号还是数字信号按传输媒质分类：有线通信系统和无线通信系统

按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、红外线通信……

按信号复用方式分类：频分复用、时分复用和码分复用。1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类9/11/202341按通信业务分：话务通信和非话务通信。1.3通信系统分类与1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-1常见调制方式及用途9/11/2023421.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-1常1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-19/11/2023431.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-181.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-2频段划分及典型应用9/11/2023441.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-2频1.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-29/11/2023451.3通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-28

单工、半双工和全双工通信

单工通信：消息只能单方向传输的工作方式

半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式9/11/202346单工、半双工和全双工通信1.3通信系统分类与通信方式二、

单工、半双工和全双工通信

全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式9/11/202347单工、半双工和全双工通信1.3通信系统分类与通信方式二、

并行传输和串行传输

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条通信线路，成本高1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式9/11/202348并行传输和串行传输1.3通信系统分类与通信方式二、通信方

并行传输和串行传输串行传输：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：只需一条通信信道，节省线路铺设费用

缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式9/11/202349并行传输和串行传输1.3通信系统分类与通信方式二、通信方其他分类方式：同步通信和异步通信专线通信和网通信1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式9/11/202350其他分类方式：1.3通信系统分类与通信方式二、通信方式81.5通信系统主要性能指标有效性：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。9/11/2023511.5通信系统主要性能指标有效性：指传输一定信息量时所占用1.5通信系统主要性能指标模拟通信系统：

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。9/11/2023521.5通信系统主要性能指标模拟通信系统：8/3/20231.5通信系统主要性能指标

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bps9/11/2023531.5通信系统主要性能指标数字通信系统8/3/202351.5通信系统主要性能指标数字通信系统

有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。

码元速率和信息速率的关系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。或9/11/2023541.5通信系统主要性能指标数字通信系统或8/3/2021.5通信系统主要性能指标数字通信系统

有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。

频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即：或9/11/2023551.5通信系统主要性能指标数字通信系统或8/3/20231.5通信系统主要性能指标数字通信系统

可靠性：常用误码率和误信率表示。误码率：误比特率（误信率）：在二进制中有：9/11/2023561.5通信系统主要性能指标数字通信系统8/3/202351.6小结(1)通信的目的：传递消息中的信息消息是信息的物理表现，信息是消息的内涵。9/11/2023571.6小结(1)通信的目的：传递消息中的信息8/3/201.6小结(2)通信系统有不同的分类方法按信道中传输的是模拟信号还是数字信号分：9/11/2023581.6小结(2)通信系统有不同的分类方法8/3/20231.6小结(3)数字通信系统是当前通信技术的主流抗干扰能力强，可消除积累误差；差错可控；数字处理灵活，可将来自不同信源的信号综合到一起传输；易集成，成本低；保密性好。9/11/2023591.6小结(3)数字通信系统是当前通信技术的主流8/3/1.6小结(4)按消息传递的方向与时间关系分单工半双工全双工(5)按数据代码排列顺序分并行传输串行传输9/11/2023601.6小结(4)按消息传递的方向与时间关系分8/3/201.6小结(6)通信的两个主要指标

两者相互矛盾而又相对统一，且可互换。9/11/2023611.6小结(6)通信的两个主要指标8/3/202361思考题P.141-1～1-119/11/202362思考题P.148/3/202362第1章绪论1.4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。

9/11/202363第1章绪论1.4信息及其度量8/3/202363第1章绪论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