通信电子线路高如云第1章 绪论

通信原理主讲教师：周珏邮箱:zoujuegdzj@163.com手机程介绍本课程共64学时，其中54学时为理论教学；10学时为实验教学。成绩评定方式：平时成绩20%+实验成绩10%+期末成绩70%。第一章绪论第一节通信的基本概念第二节

通信系统的组成

第三节

通信系统分类及通信方式第四节信息及其度量第五节通信系统主要性能指标1.1通信的基本概念1．1．1通信的定义通信(communication)是指从一地向另一地传递消息的过程。如古代的烽火传警、击鼓作战、鸣金收兵等，就是人类最早的利用光或声音进行通信的实例。利用电磁波或光波来传递各种消息的通信方法就是我们通常所说的电通信，简称通信。

现代通信定义为：利用光、电技术手段，借助光波或电磁波，实现从一地向另一地迅速而准确的信息传递和交换。通信的目的：传递消息中所包含的信息。消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。信息：是消息中包含的有效内容。实现通信的方式和手段：非电的：如旌旗、消息树、烽火台…电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。现代通信定义为：利用光、电技术手段，借助光波或电磁波，实现从一地向另一地迅速而准确的信息传递和交换。

在电子信息、通信、自控、微电子和计算机等领域中，经过100多年的发展历程，涌现出了无数科学发现和技术发明。

历史的回顾麦克斯韦提出电磁波理论（1864年）傅里叶建立信号分析理论（1822年）拉普拉斯建立变换分析理论（1802年）香农创立信息论（1948年）贝塔朗菲创立系统论（1948年）维纳创立控制论（1948年）图1图2

莫尔斯与电报，贝尔与电话，马可尼与无线电图3第一台计算机与今天的微型电脑图4

半导体材料与基尔比发明集成电路图5

早期的电视、广播与现代通信图6

光纤图7

光电子器件的诞生，开创了光通信的新时代图8

空间技术图9

航天技术1．1．2通信发展史1．1800年前，为原始通信形式。如古代的烽火台、金鼓、旌旗，航行用的信号灯等等。2．1800年伏特(Votta)发明电源，开始了电通信。3．1837年，莫尔斯(Morse)发明有线电报。标明了数字通信的起源。4．1876年，贝尔(A.G.Bell)发明了电话机，标明了模拟通信的起源。5．1864年，麦克斯韦(Maxwell)预言了电磁波辐射的存在，1887年，赫兹(Hertz)通过实验加以证实，6．20世纪初，出现了幅度调制AM。7．1936年，频率调制FM技术出现了。8．1928年奈奎斯特(Nyquist)定理被提出，到1937年出现了PCM(脉冲编码调制)通信，开始由模拟通信向数字通信发展。9．l955年皮尔斯(Pierce)提出了卫星通信的设想。1960年，人类历史上第一颗通信卫星(TELSTAR)发射成功，为国际通信开辟了通道。10．20世纪60年代，出现了电缆电视、激光通信、雷达、计算机网络和数字技术，光电处理技术和射电天文学飞速发展。11．20世纪70年代，大规模集成电路、商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信、微处理机迅猛发展。12．20世纪80年代，超大规模集成电路、移动通信、光纤通信得到广泛应用，综合业务数字网迅速掘起。13．1990年以后，卫星通信、移动通信和光纤通信进一步飞速发展，高清晰彩色数字电视技术不断成熟，全球定位系统（GPS）得到广泛应用。1.2通信系统的组成1．2．1信息、信号及分类1．消息消息是指利用一定的方式来表示的某种事件。如语音、文字、数据和图像等。2．信息信息是指消息中所包含的有意义的内容。对接收者来说，某事件愈不可能出现，则愈使人感到意外和惊奇，则所含信息量就愈大。3．信号信号是信息的直接反映，一一对应。信号是信息的载体。它由电压、电流或电波等物理量来表示。

4．信号的分类（1）模拟信号：在时间上连续的称为连续信号或模拟信号。（2）离散信号：在时间上离散的信号。（3）数字信号：在时间和幅度上均离散的信号图1-1模拟信号与数字信号1．2．2通信系统的组成1．通信系统模型（一般）图1-2通信系统一般模型（1）信息源：信息的发出者（2）受信者：信息传送的终点（接收者）（3）发送设备：把信源发出的信息变换成适合信道传输的信号。（4）信道：发送端传输到接收端的媒介或通道或信号传输的通道。分有线信道和无线信道。（5）接收设备：与变换器功能相反。（6）噪声源：并不是一个人为实现的实体，但又客观存在。2．模拟通信系统信源发出的消息经变换器变换处理后，送往信道上传输的是模拟信号的通信系统就称为模拟通信系统。模拟信号的频谱较窄，模拟通信系统的信道利用率较高。但因为连续信号中混入噪声后很难清除，使得输出的还原信号产生波形失真，系统抗干扰能力差；且不易实现保密通信。图1-3模拟通信系统模型两种变换： 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）3．数字通信系统信源发出的信息经变换处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统就是数字通信系统。图1-4数字通信系统模型信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性完成模/数转换信道编码与译码目的：增强抗干扰能力加密与解密目的：保证所传信息的安全数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致数字通信相比模拟通信主要具有如下优点：1．抗干扰能力强，数字信号可以通过中继再生消除噪声积累。2．可以通过差错控制编码，在接收端发现甚至纠正错误，提高了通信的可靠性。3．可以使用计算机进行信号处理技术。4．便于处理、变换、存储。5．易于加密处理，保密性强。6．易于集成化，体积小、重量轻、可靠性高。缺点：数字通信占用频带宽。对同步要求高。

1.3通信系统分类与通信方式1.3.1通信系统的分类按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统……按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统按传输媒介分类：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……按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用1．3．2通信的方式单工、半双工和全双工通信1．单工通信信号只能单方向传送，在任何时候都不能进行反向传输的通信方式就叫做单工传输，如图1-5(a)所示。2．半双工传输半双工传输方式中，信号可以在两个方向上传输，但时间上不能重叠，即通信双方不能同时既发送信号又接收信号而只能交替进行。如对讲机。这种方式使用的是双向信道，如图1-5(b)所示。3．全双工通信全双工通信方式中，信号可以同时在两个方向上传输，如电话等。如图1-5(c)所示。这种方案使用的也是双向信道。图1-5通信的方式(a)(b)(c)串行传输和并行传输1．串行传输数据流的各个码元是一位接一位地在一条信道上传输的，如图1-6(a)所示。收发双方只需要一条传输通道。该传输方式实现容易，但速率比较低，适合远距离传输系统。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2．并行传输构成一个编码的所有码元都是同时传送的，码组中的每一位都单独使用一条通道，如图1-6(b)所示。优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施。速率比较高，适合远近距离传输系统。缺点：需要n条通信线路，成本高。

并行传输主要用于设备内部或近距离传输，长距离传输时一般多采用串行信道。所以串行传输存在着并/串、串/并变换问题，即发送端要将输入的字符通过并/串变换，形成一连串的单个字符才能进入串行信道；接收端再通过串/并变换，将收到的串行码元还原成原来的并行字符结构后输出。（a）（b）图1-6并行传输与串行传输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。

1.信息量的表达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。综上所述，可以得出消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系反映如下规律。（1）消息中所含信息量I是消息出现的概率P（x）的函数，即

I=I[P（x）]（2）消息出现的概率愈小，它所包含信息量愈大；反之信息量愈小。且P（x）=1时 I=0P（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的和，即I[P1（x）·P2（x）…]=I[P1（x）]+I［P2（x）］+…因此:I=loga1/p(x)=-logap(x)当a=2时I的单位为比特bit当a=e时I的单位为奈特nit当a=10时I的单位为哈特莱2.等概率出现的离散消息的信息量的度量（1）对于二进制，一个二进制码元的信息量：I=log21/1/2=log22=1bit（2）对于M进制，一个M进制码元的信息量：I=log21/1/M=log2Mbit当M=2K时：I=log21/1/M=log2M=log22K=Kbit3.非等概率出现的离散消息信息量的度量N个符号组成的符号集x1·x2…出现的概率为非等概率，其对应出现的概率为P（x1）·P（x2）…，则每一个符号的平均信息量（熵）H（x）为：H（x）=P（x1）[-log2P（x1）]+P（x2）[-log2P（x2）]+…P（xN）[-log2P（xN）]bit/符号当每个符号等概地独立出现（P（x）=1/M）时，信源的熵有最大值，即Hmax=log2M（bit/符号）结论：熵的最大值出现在每一个符号等概率出现时。总信息量：设某信源的熵为H（x），则当该信源发送m个符号（构成一条消息）时，所发送的总信息量为

I=m•H（X）【例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8，1/4，1/4，1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量

每个符号的算术平均信息量为

若用熵的概念来计算：则该消息的信息量

以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。 当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。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。1.5通信系统主要性能指标通信系统的主要性能指标：有效性和可靠性有效性：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，即衡量一个系统传输信息的多少和快慢。可靠性：指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。它衡量收、发信息之间的相似程度，取决于系统的抗干扰能力。

模拟通信系统：有效性：可用有效传输频带来度量。模拟通信系统中，有效性一般用系统的有效传输频带来表示。采用不同的调制方式传输同样的信息，所需要的频带宽度和系统的性能都是不一样的。调频（FM）信号的频带宽度高于调幅（AM）信号，但它的抗噪声性能却优于AM信号。采用多路复用技术可以提高系统的有效性，显然，信道复用程度越高，则信号传输所用的频带越窄，系统的有效性就越好。可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。综以所述，模拟通信系统（1）有效性指标：传输带宽B。传送同样的消息（可用不同的调制方式）所需的带宽越小，通信的有效性就越好。（2）可靠性指标：输出信噪比S。/N。。不同的通信业务，对信噪比的要求也不同。数字通信系统中，一般用信息传输速率和频带利用率来衡量有效性。（1）码元速率（传码率、波特率）RB：是指系统每秒钟传送的码元个数，单位为“波特”(Baud)，简写为“B”。RB

=1/TT：码元宽度（秒）注意：码元速率仅仅表征单位时间传送码元的数目，而没有限定码元是何种进制。因此，只要知道每个码元的持续时间（码元宽度