1、1通通 信信 原原 理理第第1章章 CH1绪论绪论2通通 信信 原原 理理Communications PrinciplesPrinciples of CommunicationsCommunication systemsCourse Info3Course Info先修课程先修课程：概率与统计概率与统计 随机信号与系统随机信号与系统 电磁场与电磁波电磁场与电磁波 通信电子线路通信电子线路 信号与系统信号与系统 数字电路与系统数字电路与系统 模拟电子线路模拟电子线路后续课程后续课程：光纤通信光纤通信 卫星通信卫星通信 移动通信移动通信 现代交换技术现代交换技术 现代通信系统实验现代通信系统实验
2、4Course Info教材教材樊昌信樊昌信,曹丽娜曹丽娜.通信原理通信原理(第第6 6版版).).北京：国北京：国防工业出版社，防工业出版社，2006.2006.其他参考书目：其他参考书目：1.曹志刚曹志刚,钱亚生著钱亚生著.现代通信原理现代通信原理.北京北京:清华大学出版社清华大学出版社,1992 2.Leon W.Couch II著著.数字与模拟通信系统数字与模拟通信系统(第第5版版)(英文版英文版).北京北京:清清华大学出版社华大学出版社,1998 3.John G.Proakis著著.数字通信（第四版）数字通信（第四版）.北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，20014.The
3、odore S.Rappaportz著著.无线通信原理与应用（英文版）无线通信原理与应用（英文版）.北京：北京：电子工业出版社，电子工业出版社，1998 5Course Info EE解决的问题：解决的问题：Production and Transmission of Electrical Energy(把把物理信号用电信号的形式来描述、处理、传送物理信号用电信号的形式来描述、处理、传送)Transmission or Processing of Information（信息的传（信息的传递、处理）递、处理）消息传递？通信系统的根本任务6Syllabus 本课主要内容本课主要内容 绪论：基本的
4、概念，信号基础绪论：基本的概念，信号基础(CH1、CH2、CH3)信息论基础：信源部分、信道部分信息论基础：信源部分、信道部分(CH1、CH4)数字基带传输数字基带传输(CH6)模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输(CH9)频带传输：模拟频带传输频带传输：模拟频带传输(CH5)数字频带传输数字频带传输(CH7、CH8)数字最佳接收数字最佳接收(CH10)信道编码信道编码(CH11)码分复用与扩频通信码分复用与扩频通信(CH12)7CH1 CH1 绪论绪论 通信发展简史通信发展简史u狼烟、烽火狼烟、烽火u电报机电报机(S.Morse1837)u电话机电话机(Bell 1876)u无线电报无线电报
5、(Marconi 1895)u调幅广播调幅广播 AM broadcastingu电视电视 TV broadcastingu微波中继通信微波中继通信u蜂窝移动通信蜂窝移动通信Cellular systemu光纤通信光纤通信 Fiber Opticsu卫星通信卫星通信 Satellite Bell and TelephoneMarconi82020世纪早期通信工程的发展状况世纪早期通信工程的发展状况u模拟通信占大多数模拟通信占大多数u没有系统的设计方法，没有定量的分析没有系统的设计方法，没有定量的分析方法，处于经验科学的阶段方法，处于经验科学的阶段 Is there a general metho
6、dology for designing communication systems?Is there a limit to how fast one can communicate?通信发展简史通信发展简史 A brief history of communication)9l香农香农 Claude Shannonfather of information theory and digital communication“A Mathematical Theory of Communication”(1948)通信发展简史通信发展简史 A brief history of communica
7、tion)10通信发展简史通信发展简史 A brief history of communication)现在现在 数字化为主（包括转换、传输、处理、记录）数字化为主（包括转换、传输、处理、记录）数字通信的理论基础主要来自香农等创立的信息数字通信的理论基础主要来自香农等创立的信息理论理论InternetSD11通信系统一般模型通信系统一般模型CHANNEL12信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端l 信源：发送各种形式的消息（符号、文字、语音、信源：发送各种形式的消息（符号、文字、语音、数据、图像）数据、图像）l 发送设备：将消息转换成适于信道传输的信号形式发送设备：将消息转换成适
8、于信道传输的信号形式l 信道：信号传输的媒介、路径（信道：信号传输的媒介、路径（噪声使信号失真噪声使信号失真）l 接收设备：发送设备的逆变换过程，从接收信号中接收设备：发送设备的逆变换过程，从接收信号中恢复消息恢复消息l 受信者受信者（信宿）：消息的接收者（信宿）：消息的接收者信道信道P2 图图1-1 通信系统一般模型通信系统一般模型通信系统一般模型通信系统一般模型13模拟与数字信号模拟与数字信号tx(t)tx(t)tx(t)1000110Tu模拟信号模拟信号 Analog signals 取值连续变化取值连续变化u数字信号数字信号 Digital signals 从有限集合中取值从有限集合中
9、取值u二进制信号二进制信号 Binary signals14模拟通信的主要特点模拟通信的主要特点优点优点 历史悠久、技术成熟、应用广泛、简单、易于实历史悠久、技术成熟、应用广泛、简单、易于实现现。缺点：缺点：1）抗干扰能力差）抗干扰能力差 2）不易于保密通信不易于保密通信 3）设备不易于大规模集成设备不易于大规模集成 4）不适应飞速发展的计算机通信的要求不适应飞速发展的计算机通信的要求15数字通信的特点数字通信的特点(P5(P5P6)P6)数字通信的特点数字通信的特点(P5(P5P6)P6)优势：优势：(1)(1)抗干扰能力强，且噪声不积累抗干扰能力强，且噪声不积累(2)(2)传输差错可控，提
10、高传输可靠性传输差错可控，提高传输可靠性(3)(3)便于与各种数字终端接口便于与各种数字终端接口(4)(4)便于集成化，便于采用数字信号处理技术便于集成化，便于采用数字信号处理技术(5)(5)便于加密便于加密,保密处理。保密处理。不足：不足：(1)占用带宽大；占用带宽大；(2)需要同步。需要同步。16数字通信系统一般模型数字通信系统一般模型(P4)发送设备发送设备接收设备接收设备P4 图图1-5 数字通信系统模型数字通信系统模型17数字通信系统一般模型（数字通信系统一般模型（P4）n信源编码译码信源编码译码(Source CODEC)提高信息传输提高信息传输有效性有效性（JPEG、MPEG-1
11、、2、4）模模/数数(A/D)转换转换(模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输)n信道编码译码信道编码译码(Channel CODEC)提高信息传输提高信息传输可靠性可靠性n加密与解密加密与解密(Encryption/Secrecy code)信息安全、保密通信信息安全、保密通信18数字通信系统一般模型（数字通信系统一般模型（P5）n数字调制解调数字调制解调(Digital Modulation)实现频带传输（窄带、带通）实现频带传输（窄带、带通）n同步同步 数字系统准确、有序、可靠工作数字系统准确、有序、可靠工作191.3.1 通信系统的分类通信系统的分类 （P6）按通信业务分类按通信业务分类
12、:电报、电话、数据、图像电报、电话、数据、图像(话务、话务、非话务非话务)按信号特征分类按信号特征分类:模拟信号还是数字信号模拟信号还是数字信号按传输媒质分类按传输媒质分类:有线通信系统和无线通信系统有线通信系统和无线通信系统按信号复用方式分类按信号复用方式分类:频分复用频分复用(FDM:Frequency Division Multiplexing)时分复用时分复用(TDM:Time Division Multiplexing)码分复用码分复用(CDM:Code Division Multiplexing)20按调制方式分类按调制方式分类:基带传输和频带（调制）传输基带传输和频带（调制）传输
13、 （P6 表表1-1）调调 制制 方方 式式 用途用途 连续连续波调波调制制线性调制线性调制常规双边带调制常规双边带调制广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB 电视广播、电视广播、数传、数传、传真传真 非线性调非线性调制制频率调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 相位键控相位键控数据传输数据传输 脉冲脉冲数字数字调制调制数
14、字调制数字调制相位键控相位键控PSK、DPSK、QPSK等等 数据传输、数据传输、数字微波、数字微波、空间通信空间通信 其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、MSK等等 数字微波、数字微波、空间通信空间通信 脉冲模拟脉冲模拟调制调制脉幅调制脉幅调制PAM 中间调制方式、中间调制方式、遥测遥测 脉宽调制脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM 遥测、遥测、光纤传输光纤传输 脉冲数字脉冲数字调制调制脉码调制脉码调制PCM 市话、市话、卫星、卫星、空间通信空间通信 增量调制增量调制DM 军用、军用、民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM 电视电话、电视电
15、话、图像编码图像编码 其他语音编码方式其他语音编码方式ADPCM 中低速数字电话中低速数字电话 21按工作波段分类按工作波段分类：P7 P7 表表1-21-2频率范围频率范围 Hz波长波长 m名称名称典型应用典型应用330107 108极低频极低频ELF远程导航、水下通信远程导航、水下通信30300106 107超低频超低频SLF水下通信水下通信3003k105 106特低频特低频ULF远程通信远程通信3 k30 k 104105 甚低频甚低频VLF远程导航、水下通信、声纳远程导航、水下通信、声纳30k300 k 103104 低频低频LF 导航、导航、水下通信、信标水下通信、信标 300 k
16、3 M 102103 中频中频MF 调幅广播、海事通信、业余无线电调幅广播、海事通信、业余无线电 3M30 M 10102 高频高频HF 远程广播、电报、海上通信、远程广播、电报、海上通信、短波短波广播定点军用通信、广播定点军用通信、业余无线电业余无线电 30300 MHz 110 甚高频甚高频VHF 电视、电视、调频广播、调频广播、空中管制、空中管制、车辆、车辆、通信、通信、导航导航、航空通信、航空通信c=f22按工作波段分类按工作波段分类：P7 P7 表表1-21-2（续）（续）频率范围频率范围Hz 波长波长m 符号符号 用途用途300 M3 G10-1100特高频特高频UHF电视、地面移
17、动通信、导航、卫星电视、地面移动通信、导航、卫星通信、通信、GPS3G30 G10-210-1超高频超高频SHF 卫星通信、微波接力、卫星通信、微波接力、卫星和空卫星和空间通信、间通信、雷达雷达 30G300 G 10-310-2极高频极高频EHF 雷达、卫星通信、雷达、卫星通信、微波接力、微波接力、射射电天文学电天文学 3T以上以上 10-3紫外可见光紫外可见光红外红外 光通信光通信 231.3.2 通信方式通信方式（P8）(1)按消息传递的方向与时间关系分按消息传递的方向与时间关系分 n单单 工工 举例举例n 半双工半双工n 全双工（全双工（Duplex）(2)按数字信号排列顺序分按数字信
18、号排列顺序分p串行串行p并行并行241.4 信息及其度量信息及其度量（P10）通信的目的是传输信息（消息）通信的目的是传输信息（消息）信号（信号（signal）是消息（）是消息（message）的载体，）的载体，而信息（而信息（Information）是包含在消息中的。）是包含在消息中的。信源产生的消息输出具有不确定性。信源产生的消息输出具有不确定性。信息量信息量消息的不确定性的度量。消息的不确定性的度量。事件的不确定性事件的不确定性用概率来描述。用概率来描述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。简单地说：简单地说：信息一定具有不确定性信
19、息一定具有不确定性。251.4 信息及其度量信息及其度量（P10）假设假设P(x)是一个消息发生的概率，是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉的信息是从该消息获悉的信息。（1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fP(x)（2）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且P(x)1时，时，I0；P(x)0时，时，I I与与P(x)之间的关系为：之间的关系为：)(log)(1logxPxPIaa（3）若干个互相独立事件构成的消息，若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，各独立事件信息量之和，也就是
20、说，信息具有相加性，即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+261.4 信息及其度量信息及其度量（P10）信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a有关有关 a=2时，时，信息量的单位为比特信息量的单位为比特(bit)；a=e时，时，信息量的单位为奈特信息量的单位为奈特(nat)；a=10时，信息量的单位为哈特莱时，信息量的单位为哈特莱(Hartley)。数字通信中数字通信中目前广泛使用的单位为比特目前广泛使用的单位为比特(bit)。二进制表示。二进制表示。271.4 信息及其度量信息及其度量（P11）例例 1 1(等概分布等概分布)设二进制离散信源，设二进制离散信源，以
21、相等以相等的概率发送数字的概率发送数字0或或1，则信源每个输出的信息含，则信源每个输出的信息含量为量为)bit(loglog22/112KIKM P=1/4的信息量为的信息量为I=2 bit P=1/8的信息量为的信息量为I=3 bit P=1/M的信息量为的信息量为I=log2 M(bit)（1.4-4）若若M是是2的整幂次，的整幂次，M=2K 则则)bit(12log2/11log)(1log)1()0(222xPII281.4 信息及其度量信息及其度量（P11）设离散信源是一个由设离散信源是一个由M个符号组成的符号集，个符号组成的符号集，其中每个符号其中每个符号xi(i=1,2,3,M)
22、出现的概率为出现的概率为P(xi)，且有且有符号）/bit)(log)()(log)(.)(log)()(log)()(212222121iMiiMMxPxPxPxPxPxPxPxPxH由于由于H同热力学中的熵形式相似，同热力学中的熵形式相似，故通常又称它为信息源的故通常又称它为信息源的 熵（熵（Entropy），其单位为），其单位为bit/符号。符号。则则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为 log2 P(x1),log2 P(x2),log2 P(xM)1)(1MiixP于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信
23、息量为(1.4-6)291.4 信息及其度量信息及其度量（P11）离散信源的离散信源的最大熵最大熵：信源符号等概分布且统计独立，具有最大熵：信源符号等概分布且统计独立，具有最大熵：（这种信源又称为无记忆离散信源）（这种信源又称为无记忆离散信源）即：即：符号）/bit(loglog1)(log)()(22121MMMxPxPxHMiiMii301.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P12）有效性和可靠性。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，或者说是传输的者说是传输的“速度速度”问题；问题；可靠性是指接收信息
24、的准确程度，也就是传输的可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。二者对立统一，系统中可折中、互换二者对立统一，系统中可折中、互换。311.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P12）有效性有效性传输速率、传信率。传输速率、传信率。可靠性可靠性差错率、误码率。差错率、误码率。数字通信系统数字通信系统主要性能指标主要性能指标有效性有效性传输带宽。传输带宽。可靠性可靠性输出信噪比。输出信噪比。模拟通信系统模拟通信系统主要性能指标主要性能指标321.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P13）（1）码元传输速率码元传输速率码元传输速率码元传输速率R
25、B简称传码率传码率，又称码元速率、符号速率码元速率、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，若1秒内传2400个码元，则传码率为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:)B(1BTR（1.5-1）331.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P13）（2）信息传输速率信息传输速率信息传输速率信息传输速率Rb简称传信率传信率，又称比特率等。二进制表示 它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数。单位是比特单位是比特/秒，可记为秒，可记为bit/s，或，或 b/s，或，或bps。（1.5-2）M
26、进制的码元速率进制的码元速率RB与二进制的码元速率与二进制的码元速率Rb之间有以下之间有以下转换关系：转换关系：)bps(log2BbMRR 341.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P13）)B/Hz(BBR（3）频带利用率频带利用率单位带宽（单位单位带宽（单位Hz）内的信息传输速率）内的信息传输速率Rb或码元传输信速码元传输信速率率。（1.5-4）)bps/Hz(bBR（1.5-5）上式中，上式中，B为带宽，单位为为带宽，单位为Hz351.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（P13）e传输总码元数错误码元数P（4）误码率误码率（1.5-6）（1.5-7）衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率常用误码率和误信率表示。和误信率表示。误码率（码元差错率）误码率（码元差错率）Pe(5)误信率误信率 b传输总比特数错误比特数P在二进制中，有在二进制中，有 Pe=Pb
