通信原理第一頁，共四十三頁。《通信原理》課程教學大綱

《通信原理》是信息工程專業(yè)本科生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程系統(tǒng)深入地闡述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理，其中包括模擬通信和數(shù)字通信，并以數(shù)字通信為主。本課程通過課堂教學、習題練習、實驗等教學環(huán)節(jié)，旨在使學生系統(tǒng)地掌握通信系統(tǒng)基本原理及其性能的基本分析方法，了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的發(fā)展狀況。一、課程介紹第二頁，共四十三頁。二、課程的基本要求

1、掌握通信系統(tǒng)的組成、分類、性能度量

及所要解決的基本問題2、系統(tǒng)掌握通信系統(tǒng)的基本原理及其性能

的基本分析方法3、了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的發(fā)展狀況及

趨勢第三頁，共四十三頁。

第一章緒論

復述常用通信術(shù)語區(qū)別模擬信號和數(shù)字信號說出系統(tǒng)的組成和分類，通信方式敘述數(shù)字通

信系統(tǒng)的主要特點分析離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）識別碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率

學習目標：第四頁，共四十三頁。現(xiàn)代通信與信息社會▲

通信的任務(wù)▲

交流方式/技術(shù)特點的劃分歷史▲

現(xiàn)代通信系統(tǒng)是信息時代的生命線▲

電信的社會作用（有線無線及其有機結(jié)合）▲

第一類電信事業(yè)與第二類電信事業(yè)▲

現(xiàn)代通信與經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)第五頁，共四十三頁。ξ1.1通信系統(tǒng)的組成通信就是把消息從一地傳送到另一地（要求準確、迅速）

“電通信”是利用電（電流或電波，包括光的特征值）來傳遞信息通信系統(tǒng)：完成傳遞信息任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體。第六頁，共四十三頁。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

第七頁，共四十三頁。通信系統(tǒng)的一般模型n

信源：原始信號的來源，其作用是將消息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。（如電話機、話筒、攝像機、計算機及備種數(shù)字終端設(shè)備）n

發(fā)送設(shè)備：

對原始電信號進行各種處理和變換，使它變換成適合于信道中傳輸?shù)男问?。（調(diào)制、放大、濾波及數(shù)字發(fā)送設(shè)備中的編碼功能等）

第八頁，共四十三頁。n

信道（傳輸媒介）：

發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號的傳輸媒介（有線和無線兩大類）n

接收設(shè)備：對接收的信號進行處理和變換，以便恢復出相應(yīng)于發(fā)送端的原始電信號（放大、濾波、解調(diào)及數(shù)字接收設(shè)備中的譯碼等功能）n

信宿：原始信號的最終接收者，其作用是把接收設(shè)備恢復出來的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息（人、各種終端設(shè)備、計算機）n

噪聲源：是信道中的噪聲和通信系統(tǒng)中其它部分所產(chǎn)生的噪聲的集中表示。

第九頁，共四十三頁。ξ1.1.2模擬/數(shù)字通信系統(tǒng)的模型模擬信號：凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號。圖1–2模擬信號波形

第十頁，共四十三頁。

數(shù)字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直

接與消息相對應(yīng)的信號。圖1-3數(shù)字信號波形第十一頁，共四十三頁。圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。已調(diào)信號的三個基本特征：第十二頁，共四十三頁。

數(shù)字通信系統(tǒng)模型

圖1–5數(shù)字通信系統(tǒng)模型

第十三頁，共四十三頁。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點①抗干擾能力強②便于利用計算機進行各種數(shù)字信號處理③易于進行加密，實現(xiàn)保密通信④易于實現(xiàn)集成化

數(shù)字通信的優(yōu)點：第十四頁，共四十三頁。

比模擬通訊占據(jù)數(shù)倍甚至數(shù)十倍寬的系統(tǒng)頻帶。（以電話為例，一路模擬電話通常占據(jù)4KHZ的寬帶，但一路數(shù)字電路所能要占據(jù)20KHZ～60KHZ的帶寬）因此在頻帶十分緊張而對通訊質(zhì)量沒有特殊要求的場合，仍將沿用模擬通信。其優(yōu)點是以占據(jù)更多系統(tǒng)頻帶為代價的。數(shù)字通信的缺點：第十五頁，共四十三頁。

現(xiàn)代通信的特征：計算機與通信系統(tǒng)的緊密結(jié)合是現(xiàn)代通信的主要特征?！憩F(xiàn)形式：（1）移動通信乃至衛(wèi)星通信（GSM，CDMA，VSAT，GSP等）（2）INTERNET接入技術(shù)：FTTP-LAN;ADSL;Home-PNA

（3）衛(wèi)星技術(shù);光纖技術(shù);數(shù)字蜂窩技術(shù);寬帶接入技術(shù)等最新技術(shù)融入通信構(gòu)成了現(xiàn)代通信的主要表現(xiàn)?！鴤鬏斚到y(tǒng)和交換系統(tǒng)組成一個通信系統(tǒng)，

乃至通信網(wǎng)絡(luò)。第十六頁，共四十三頁。ξ1.2.2

通訊方式：

1：按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分：單工；半雙工；全雙工（圖1---6/P8）2：按數(shù)字信號排列順序分：并行傳輸和串行傳輸。（圖1—7/P9）

第十七頁，共四十三頁。圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工第十八頁，共四十三頁。

圖1-7并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸?shù)谑彭摚菜氖?。?.3信息及其度量

消息——人或事物情況的報道信號——消息的載體（攜帶者）信息——指對于接收者來說事先不知道的消息I與F[P（x）]的關(guān)系1：I=f[P（x）]2：P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞3：事件獨立，信息具有相加性

第二十頁，共四十三頁。

（1）

信息量是概率的函數(shù)，即I=f［P(x)］（2）

P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞（3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…第二十一頁，共四十三頁。簡單說明第二十二頁，共四十三頁。

綜上所述，信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為I=loga=-logaP(x)(1.3-1)信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時，信息量的單位為比特(bit)；a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時，信息量的單位為十進制單位，叫哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。下面舉例說明信息量的對數(shù)度量是一種合理的度量方法。第二十三頁，共四十三頁。例1–1設(shè)二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個輸出的信息含量為

I(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)(1.3-2)可見，傳送等概率的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。同理，傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示；傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時至少需要3個二進制脈沖。

第二十四頁，共四十三頁。對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為

I=log2=log2=log2M(bit)(1.3-3)式中，P為每一個波形出現(xiàn)的概率，M為傳送的波形數(shù)。若M是2的整冪次，比如M=2K（K=1，2，3，…），則式(1.3-3)可改寫為I=log22K=K(bit)(1.3-4)第二十五頁，共四十三頁。

如果是非等概情況，設(shè)離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，且有P(xi)=1,則x1,x2,…,xn所包含的信息量分別為-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為H(x)=P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］

=

由于H同熱力學中的熵形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號。

第二十六頁，共四十三頁。當信源中每個符號等概獨立出現(xiàn)時，此時信源的熵有最大值。例1-2一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息232120120210的信息量。解此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量為第二十七頁，共四十三頁。

每個符號的算術(shù)平均信息量為若用熵的概念來計算，由式（1.3-5）得第二十八頁，共四十三頁。ξ1.4通信系統(tǒng)的性能度量通信系統(tǒng)最主要的性能指標是：傳輸?shù)挠行?/p>

和傳輸?shù)目煽啃浴鬏數(shù)挠行裕涸诮o定的信道帶寬條件下，能夠傳輸更多的消息。傳輸?shù)目煽啃裕涸诮o定的信道內(nèi)接收到消息的準確程度。頻帶利用率：單位帶寬內(nèi)的碼元（信息）傳輸速率

第二十九頁，共四十三頁。模擬通信系統(tǒng)：

有效性的衡量：用每路信號的有效傳輸帶寬來衡量（帶寬越窄，傳輸有效性越好；有效傳輸帶寬與調(diào)制方式有關(guān)）可靠性的衡量：用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。（它是輸出端有用信號功率與噪聲功率之比）。

第三十頁，共四十三頁。數(shù)字通信系統(tǒng)：

有效性的衡量：

RB（傳碼率）碼元傳輸速率------單位時間內(nèi)所傳送的碼元數(shù)目。

Rb（傳信率）信息傳輸速率------單位時間內(nèi)所傳送的信息量。單位為比特率（bit/s）根據(jù)信息論：一個N進制碼元所含信息量為I=log2N(bit)故：Rb=RBlog2N(bit/s)可靠性的衡量：用差錯率來衡量。誤碼率Pe=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)。誤信率（誤比特率）Pb=錯誤比特率/傳輸總比特數(shù)，在二進制碼中有Ps=Pb。

第三十一頁，共四十三頁。ξ1.5

通信技術(shù)發(fā)展概況

一：電信發(fā)展簡史 通信技術(shù)50年代以來發(fā)展尤為迅速。如50年代出現(xiàn)了同軸電纜和微波系統(tǒng)，使通信的容量大幅度增加，成本大幅度下降，促進了長途通信的發(fā)展。60年代使用了海底電纜和衛(wèi)星通信，使國際通信得到迅速發(fā)展。70年代以來，大規(guī)模集成電路、光纖通信系統(tǒng)得到應(yīng)用，數(shù)字通信進入全盛時期，包括語言、文本、數(shù)據(jù)、圖像等信息，傳輸?shù)木C合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起，標志世界開始進入“信息時代”。

第三十二頁，共四十三頁。電信發(fā)展的原因：

1.

傳輸信道的發(fā)展：多芯電纜---同軸電纜---光纖2.

通信用元器件的發(fā)展：真空管---晶體管---集成電路---大規(guī)模集成電路3.

傳輸方法的發(fā)展：電報、電話、多載波調(diào)制（AM），PCM時分多址等

第三十三頁，共四十三頁。二.主要傳輸手段的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

1.

電纜通信架空明線工作頻率：3HZ~300KHZ同軸電纜工作頻率：300KHZ~60MHZ與架空明線相比同軸電纜抗干擾能力強，容量大，（能傳送數(shù)于乃致萬路載波），是長途干線的主要通信手段。2.

微波中繼通信

60年代開始發(fā)展，工作頻率：50MHZ~15GHZ，容量大，帶寬達幾十至上百千兆赫，有幾十個分頻段，每個頻段又有6~10個頻道，每個頻道占有約30兆赫帶寬，每頻道可傳輸數(shù)千路話路；傳播比短波穩(wěn)定；但需要每隔約50公里設(shè)立微波中繼站。目前主要用于國內(nèi)長途通信和廣播電視節(jié)目傳送。其發(fā)展方向是數(shù)字微波及采用多電平調(diào)制技術(shù)。第三十四頁，共四十三頁。3.

光纖通信

70年代開始發(fā)展，工作頻率：105GHZ~107GHZ。容量大，成本低，不受電磁干擾。由于長波長光纖（波長為.0~1.6μm），使每路光纖通話路數(shù)可達百萬路，且由于其低損耗性，中繼距離將超過100公里。發(fā)展方向是長波長光纖通信，大容量數(shù)字傳輸技術(shù)和相干光通信4.

衛(wèi)星通信短波通信容量小，不穩(wěn)定，微波中繼通信不能越洋，海底電纜費用太高。如在遠離地球三萬六千公里的赤道上空的同步衛(wèi)星上設(shè)置一個“微波中繼站”，則通信距離可長達18000公里，范圍覆蓋的三分之一以上。在地球赤道上空均勻地分布三顆衛(wèi)星，基本上可實現(xiàn)全球范圍的通信。其發(fā)展方向也是數(shù)字調(diào)制、時分多路及向更高頻段發(fā)展。地面系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是小型化。5.

移動通信公用移動通信（移動電話、無線尋呼）近幾年發(fā)展迅速，專用移動通信（導航、衛(wèi)星定位等）。移動通信發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。

第三十五頁，共四十三頁。三：當前熱門的前沿技術(shù)

軟件無線電原理；藍牙技術(shù)；寬帶接入技術(shù)；衛(wèi)星定位及測量系統(tǒng)。實驗與實踐：

1：PC模擬西門子中型計算機終端BAM通訊卡；

2：寶鋼能源中心I期與III期數(shù)據(jù)交換卡；

3：多路防盜報警器的產(chǎn)品開發(fā)；現(xiàn)在研究問題：電力線載波技術(shù)應(yīng)用的研究與寬帶技術(shù)等。

第三十六頁，共四十三頁。ξ1.6通信系統(tǒng)中的基本問題。

1.

調(diào)制和解調(diào)的原理2.

已調(diào)信號的特征3.

信道與噪聲特性及其信號傳輸?shù)挠绊?.

在有噪聲的條件下，系統(tǒng)的抗噪聲性能模擬通信研究的基本問題：1.

數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)原理2.

數(shù)字寬帶信號及數(shù)字頻帶信號的特征；3.

信道與噪聲的特性及其對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊憽?.

*抗噪聲編碼和譯碼。5.

*同步問題。數(shù)字通信研究的基本問題。第三十七頁，共四十三頁。

簡要回顧：

消息，信息，信號，通信模擬（信號）通信與數(shù)字（信號）通信系統(tǒng)的組

成和分類。通信方式。數(shù)字通

信系統(tǒng)的主要特點離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率通信的基本問題？第三十八頁，共四十三頁。練習1-4一個由字母A、B、C、D組成的字，對于傳輸?shù)拿恳粋€字母用二進制脈沖編碼，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每個脈沖寬度為