现代通信原理第1章 概论

通信原理第1章概论1.1通信的根本概念1.2通信系统的组成1.3通信系统的分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统主要性能指标1.6小结通信的开展简史1753年2月17日，?苏格兰人?杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。最早的电通信设想通信的开展简史1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用冲动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等奇迹!〞一语。莫尔斯发出第一封电报设备的复制品

最早的有线电报通信的开展简史1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,AlekanderGraham)创造了。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置——的专利。同一天另一个创造家格雷〔1835-1901〕也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失创造权。最早的有线贝尔获得的专利证书通信的开展简史电磁波的发现通信的开展简史最早的无线通信波波夫实验用的无线电接收机

通信的开展简史1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔〔Bristol〕海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。人类首次远距离无线电通信影响通信开展的重要创造或理论1906年,LeeDeforest创造了真空三极管放大器。1925年，英国创造家贝尔德在前人研究的根底上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1941年，JohnV.Atanasoff在衣阿华州立大学创造数字计算机。

1947年，贝尔实验室的SteveO.Rice给出了噪声的统计1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，ClaudeE.Shannon发表了信息论。1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。影响通信开展的重要创造或理论1958年，创造了集成电路。1964年，电子交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝系统。1976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成〔VLSI〕电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，机〔FAX〕广泛使用。1989年，卫星全球定位系统〔GPS〕完成部署。1995年，互联网〔Internet〕及WWW浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字播送以及个人通信系统时代。1.2通信系统一般模型信源发送设备信道信宿接收设备发送端接收端噪声源信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。发送设备将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。1.2通信系统一般模型信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气〔自由空间〕在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。1.2通信系统一般模型噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的不是人为参加的设备，并且是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象参加到信道。接收设备完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。1.2通信系统一般模型信宿是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。1.2通信系统一般模型通信系统一般模型消息消息的状态连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。

消息的传递是通过它的物质载体——电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。hello信号信号参量的取值方式模拟信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，且直接与消息相对应的信号。如机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。时域离散信号：信号参量的取值是连续的或取无穷多个值，但时间上是离散的。数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。1.2.1通信系统一般模型1.2.1通信系统一般模型tf(t)0tf(t)0tf(t)0时间离散、参量连续时间连续、参量连续时间离散、参量离散抽样量化1.2.1通信系统一般模型信号信道中传输的是模拟信号还是数字信号模拟通信系统：利用模拟信号来传递信息的通信系统。数字通信系统：利用数字信号来传递信息的通信系统。信源调制信道信宿解调发送端接收端噪声源模拟通信系统模拟通信系统模型在模拟通信系统中，需要两种变换:

第一种变换：发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。第二种变换：调制和解调调制:将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，解调:在接收端将信道中传输的信号复原成原始的电信号。送端调制前和接收端解调后的信号成为基带信号。已调信号又称为频带信号。模拟信息源调制器解调器受信者信道噪声源图1-2模拟通信系统模型基带信号基带信号频带信号数字通信系统模型数字通信系统主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、以及加/解密等信源信源编码信道编码加密调制信宿信源译码信道译码解密解调信道噪声数字通信系统信源编码与译码

信源编码的作用有两个

1将模拟信号转换成数字信号，即通常所说的模/数转换;

2设法降低数字信号的数码率，即通常所说的数据压缩。

码元速率直接影响传输所占的带宽，而传输所占的带宽直接反响了通信的有效性。信源译码是信源编码的逆过程。

信道编码与译码数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及干扰等因素，将会引起过失。信道编码的目的就是提高通信系统的抗干扰能力，尽可能地控制过失，实现可靠通信。

调制与解调调制:将各种数字基带信号转换成适于信道传输的数字调制信号(已调信号或频带信号)；

解调:在接收端将收到的数字频带信号复原成数字基带信号。

在某些有线信道中，假设传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号可以直接传送，我们称之为数字信号的基带传输。而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号那么必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字信号的频带传输。

5〕同步与数字复接同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按功能可分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。数字复接是依据时分复用把假设干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。模拟&数字通信系统模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟线路传输，但这时必须使用调制解调器〔Modem〕将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。模拟&数字通信系统1.3通信系统分类调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制幅度键控ASK数据传输相位键控数据传输1.3通信系统分类调制方式用途脉冲数字调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话1.3通信系统分类频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF有线线对长波无线电音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF同轴电缆短波无线电移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航1.3通信系统分类频率范围波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10~100cm特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文学107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信通信方式按消息传递的方向与时间关系分：对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。

单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。半双工通信，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。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。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。1.3.5按通信方式分类

对于点到点之间的通信，按消息传送的方向与时间的关系，通信方式可分为:单工通信:指消息只能单方向传输的工作方式。例如遥控、遥测、播送、电视等。

半双工通信: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。例如使用同一载频工作的无线电对讲机。全双工通信: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。例如。通信方式是指通信双方之间的工作方式或信号传输方式。单工：播送半双工：对讲机双工：信道收端发端a单工通信信道发端发端收端收端b半双工通信信道收端信道发端发端发端c全双工通信双工：半双工：对讲机数字通信中，按照数字信号码元排列方法不同，通信方式可分为:

串行传输:是指数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。远距离数字通信大多采用串行传输方式。并行传输:是指将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。近距离数字通信可采用并行传输方式。

FLASH演示01101100发送方接收方8比特同时发送a并行传输01101100发送方接收方并/串转换器01101100并/串转换器8比特依次发送b串行传输1.4信息及其度量〔重点〕

信号是消息的载体，而信息是其内涵。 任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否那么，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。信息及其度量从常识的角度来感觉三条消息：①太阳从东方升起；②太阳比往日大两倍；③太阳将从西方升起。第一条几乎没有带来任何信息第二条带来了大量信息第三条带来的信息多于第二条第一事件是一个必然事件，人们缺乏为奇；第三事件几乎不可能发生，它使人感到惊奇和意外，也就是说，它带来更多的信息信息含量是与惊奇这一因素相关联的，这是不确定性或不可预测性的结果。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。信息及其度量

根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。

可能性越小，概率越小；反之，概率越大。

因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。信息及其度量信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为

信息量的单位与对数底数a有关。a=2时，信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。【例】设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，那么信源每个输出的信息含量为I(0)=I(1)=log22=1(bit)传送等概率的二进制波形之一(P=1/2〕的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一〔P=1/4〕的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一〔P=1/8〕的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率〔P=1/M〕发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，那么传送M进制波形之一的信息量为信息及其度量信息及其度量如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，且有P(xi)=1,那么x1,x2,…,xn所包含的信息量分别为-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为

通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。显然，当信源中每个符号等概独立出现时，此时信源的熵有最大值。信息及其度量信息及其度量假设用熵的概念来计算

可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。1.5通信系统主要性能指标〔重点〕通信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度〞问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量〞问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。

主要性能指标模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，那么需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量。可靠性可用过失率来衡量。主要性能指标TTTA二进制0TT/2T/3符号比特码元宽度码元宽度码元宽度比特宽度比特宽度比特宽度码元码元四进制01八进制010主要性能指标传输速率：码元传输速率和信息传输速率码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特〔Baud〕，记为B。例如，假设1秒内传2400个码元，那么传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:主要性能指标信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。每个码元或符号通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即Rb=RB·H(b/s)式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量〔熵〕。等概传输时，熵有最大值log2M，信息速率也到达最大，即Rb=RBlog2M(b/s)主要性能指标【例】码元速率为1200B，采用十六进制〔M=16〕时，信息速率为b/s；采用二进制〔M=2〕时，信息速率为1200b/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，有时简称它们为数码率4800主要性能指标频带利用率η比较不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占的信道的频带宽度。所以，真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即数字信号的传输带宽B取决于码元速率，而码元速率RB和信息速率Rb有着确定的关系。为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为过失率衡量数字通信系统可靠性的指标是过失率，常用误码率和误信率表示。误码率〔码元过失率〕Pe是指发生过失的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率，即误信率〔信息过失率〕Pb是指发生过失的比特数在传输总比特数中所占的比例，即主要性能指标信道与噪声信道定义与数学模型恒参信道及其传输特性随参信道及其传输特性加性噪声信道容量的概念信道定义信道〔channel〕：以传输媒质为根底的信号通道。狭义信道：信号的传输媒质。广义信道：不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置。信道定义狭义信道按照传输媒质的特性可分为有线信道明线、双绞线、同轴电缆及光纤等无线信道地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。广义信道与通信系统有关的变换装置可以是发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等等。广义信道按照它包括的功能，调制信道编码信道信道定义明线(即平行绝缘线)优点：传输损耗低缺点：噪声干扰敏感铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套同轴电缆优点：外导体接地、屏蔽干扰LAN用基带电缆：50Ω、93Ω〔1~20MHz〕CATV用宽带电缆：75Ω〔750MHz〕信道定义内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套双绞线(拧成扭绞状的电缆)优点：较稳定缺点：损耗较大屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)常用的双绞线为3类(16Mbit/s)和5类(155Mbit/s)两种以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外无任何屏蔽层信道定义入射角折射角包层纤芯涂覆层涂覆层包层纤芯62.5μm0.0063cm125μm0.0124cm250μm0.025cm只要射到光纤外表的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤〔MultimodeFiber〕无线视距中继信道——超短波、微波两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路

微波传送塔地面微波接力卫星中继通信地面站地球地面站使用微波频段使用转发器接收和转发信道定义编码信道调制信道编码器调制器发转换器媒质译码器解调器收转换器输入输出调制信道和编码信道调制信道数学模型调制信道模型调制信道是为研究调制与解调问题所建立的一种广义信道，是模拟信道，它具有如下共性：〔1〕有一对〔或多对〕输入端和一对〔或多对〕输出端〔2〕绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；〔3〕信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间；〔4〕信号通过信道会受到固定的或时变的损耗；〔5〕即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定的输出〔噪声〕调制信道数学模型可用一个二端对〔或多端对〕的时变线性网络去代替调制信道，这个网络称作调制信道模型二端对网络多端对网络调制信道数学模型

寻找到这种函数关系是表示信道对信号的影响〔变换〕的某种函数关系信道对信号影响有两点加性干扰乘性干扰调制信道数学模型随编码信道数学模型编码信道包括调制信道、调制器和解调器，是一种数字信道或离散信道。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误，因此输入、输出数字序列之间的关系可以用一组转移概率来表征。二进制编码信道模型发送端接收端对于多进制无记忆编码信道：对于二进制无记忆编码信道：输出的总的错误概率：M元输入符号：N元输出符号：转移概率：编码信道数学模型编码信道数学模型一个多进制无记忆编码信道模型恒参信道的特性及对信号的影响理想恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的迟延。这种情况也称信号是无失真传输恒参信道是指乘性干扰根本不随时间变化的信道恒参信道的特性及对信号的影响传输特性幅-频特性相-频特性经过信道后不产生失真，那么希望H(w)满足不失真条件为一条直线呈线性关系恒参信道的特性及对信号的影响理想信道的幅频特性、相频特性恒参信道的特性及对信号的影响幅度-频率失真幅度-频率失真是由实际信道的幅度频率特性的不理想所引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。信道的幅度-频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，假设传输数字信号，那么会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成码间干扰。相位-频率失真也是属于线性失真。它对模拟话音传输影响不明显。如果传输数字信号，相频失真同样会引起码间干扰。相位-频率失真恒参信道的特性及对信号的影响随参信道及其传输特性随参信道的传输媒质具有以下三个特点：(1)对信号的衰耗随时间随机变化；(2)信号传输的时延随时间随机变化；(3)多径传播。多径衰落与频率弥散(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)频率选择性衰落与相关带宽

(Frequency-selectivefadingandcoherencebandwidth)多径衰落与频率弥散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)输入信号输出信号hbd2dd1qqhm多径衰落与频率弥散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)r(t)的包络和相位形式均匀分布瑞利分布(Rayleigh)多径衰落与频率弥散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)相对于载波来说V(t)和j(t)是慢变化随机过程，于是r(t)可以看成是一个窄带随机过程。两个结论:(1)多径传播使单一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型衰落；(2)从频谱上看，多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。多径衰落与频率弥散

(Multi-pathfadingandfrequencydispersal)两条路径信道模型频率选择性衰落与相关带宽

(Frequency-selectivefadingandcoherencebandwidth)信道幅频特性它表示信道传输特性相邻两个零点之间的频率间隔。如果信号的频谱比相关带宽宽，那么将产生严重的频率选择性衰落。为了减小频率选择性衰落，就应使