1、2022-12-191通信原理通信原理徐徐 俊俊信息楼信息楼3022022-12-192引引 言言l 课程定位课程定位 电信类专业的一门电信类专业的一门重要专业基础课程重要专业基础课程 是是必修课、核心主干课必修课、核心主干课 是一门通信是一门通信专业的标志性专业的标志性课程课程 是是“信息与通信工程信息与通信工程”学科学科研究生入学考试研究生入学考试课程之一课程之一 起着承前启后的作用起着承前启后的作用占有重要的教学地位占有重要的教学地位 2022-12-193引引 言言l 课程目标课程目标 使学生使学生掌握掌握通信系统的通信系统的基本概念基本概念、基本理基本理 论论、基本技术基本技术和和系
2、统性能分析方法系统性能分析方法；掌握掌握基本的基本的分析、设计思想和方法分析、设计思想和方法；了解了解通信新技术的应用和发展；通信新技术的应用和发展；使学生使学生具备具备获取知识、分析问题解决问题、获取知识、分析问题解决问题、动手实践、团结协作的能力；动手实践、团结协作的能力；为本领域的进一步学习和研究奠定坚实的基为本领域的进一步学习和研究奠定坚实的基 础，适应现代信息社会对电信类人才的需求。础，适应现代信息社会对电信类人才的需求。2022-12-194引引 言言l 课程特点课程特点 具有理论性强、知识综合、数学含量大等具有理论性强、知识综合、数学含量大等特点；特点；从时域和频域两个方面分析信
3、号，掌握系从时域和频域两个方面分析信号，掌握系统的处理方法，常用统的处理方法，常用傅里叶变换傅里叶变换来分析信号频来分析信号频谱；谱；学习时要注意学习时要注意数学分析方法数学分析方法，更要注意数，更要注意数学分析所得结论的学分析所得结论的物理概念、物理意义物理概念、物理意义；2022-12-195引引 言言l 课程学习课程学习 课堂教学：课堂教学：56学时学时 实验教学：实验教学：16学时学时 考试：考试：20%平时平时+10%考勤考勤+70%试卷试卷注意：注意：充分利用充分利用课程网站、图书馆等相关资源，课程网站、图书馆等相关资源，做好做好预习、复习预习、复习；认真认真做作业、认真做实验、认
4、真做设计。做作业、认真做实验、认真做设计。2022-12-196引引 言言l 课程体系课程体系 由浅入深分为由浅入深分为四个部分四个部分：通信基础知识通信基础知识 模拟通信原理模拟通信原理 数字通信原理数字通信原理 通信网的多路通信技术。通信网的多路通信技术。引引 言言l主要内容主要内容 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 确知信号（选讲）确知信号（选讲）第第3章章 随机过程随机过程 第第4章章 信道信道 第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统 第第6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统 第第8章章 新型数字带通调制技术（选讲）新型数字带通调制技术（
5、选讲）2022-12-197 第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第第10章章 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收 第第11章章 差错控制编码差错控制编码 第第12章章 正交编码与伪随机序列（选讲）正交编码与伪随机序列（选讲）2022-12-1982022-12-199课程学习指导课程学习指导l抓住一条主线抓住一条主线 抗干扰抗干扰l领会两个领会两个 有效性和可靠性有效性和可靠性l掌握三种调制掌握三种调制 幅度调制、频率调制和相位调制幅度调制、频率调制和相位调制l理解四个定理理解四个定理 香农定理、奈圭斯特抽样定理、奈圭斯特第一香农定理、奈圭斯特抽样定理、奈圭斯特第一准则和奈圭
6、斯特第二准则准则和奈圭斯特第二准则2022-12-1910一些建议一些建议l上课时思维紧跟老师积极思考上课时思维紧跟老师积极思考l记住概念记住概念l重点掌握物理含义及其关系重点掌握物理含义及其关系l注意假设和条件注意假设和条件l阅读参考资料阅读参考资料l方法比结果更重要方法比结果更重要l多做习题多做习题课堂基本要求课堂基本要求l不准迟到、早退不准迟到、早退l手机调到振动手机调到振动l作业按学号随机抽查作业按学号随机抽查l随机抽查出勤随机抽查出勤2022-12-1911第第1章章 概论概论2022-12-1913学习目标学习目标 熟练熟练掌握掌握通信系统的组成，通信系统的组成，熟悉熟悉通信系统的
7、模型通信系统的模型 掌握掌握通信系统的分类方法以及三种通信方式，通信系统的分类方法以及三种通信方式，理理解解串行传输和并行传输的概念串行传输和并行传输的概念 重点把握重点把握信息的含义，信息的含义，掌握掌握信息量的定义及其单信息量的定义及其单位，位，了解了解信息熵的概念信息熵的概念 掌握掌握通信系统的性能指标及其表示方法通信系统的性能指标及其表示方法2022-12-1914目标要求目标要求l 重点、难点重点、难点 重点是：重点是：通信系统通信系统模型模型的理解与掌握；的理解与掌握；通信系统的通信系统的分类分类；信息的信息的度量度量；通信系统通信系统性能指标性能指标的理解与计算。的理解与计算。难
8、点是：难点是：信息的度量信息的度量 2022-12-19151.1 通信的发展通信的发展l 历史历史古代：古代：利用自然界的基本规律和人的基础感官利用自然界的基本规律和人的基础感官 公元前公元前800年年(周朝周朝)，周幽王烽火戏诸侯。，周幽王烽火戏诸侯。应用光通信的见证；最简单的二进制数字通信应用光通信的见证；最简单的二进制数字通信近代：近代：以电磁技术为起始以电磁技术为起始 1820年：安培发明电报通信，年：安培发明电报通信，近代数字通信近代数字通信的的 开始开始。1838年：莫尔斯将电报通信年：莫尔斯将电报通信推向实用推向实用。1876年：贝尔发明电话，年：贝尔发明电话，模拟通信的开始模
9、拟通信的开始。2022-12-19161.1 通信的发展通信的发展 20世纪世纪60年代以后，年代以后，数字通信技术进入高数字通信技术进入高级发展阶段。级发展阶段。近近20多年，多年，数字通信迅猛发展；光纤通信数字通信迅猛发展；光纤通信也携手同行。两者都成为现代通行网的主要也携手同行。两者都成为现代通行网的主要支柱。支柱。当代通信：当代通信：移动通信和互联网通信时代移动通信和互联网通信时代 未来通信：未来通信：大融合时代大融合时代 2022-12-19171.1 通信的发展通信的发展 1838莫尔斯 有线电报1948晶体管 香农IT 通信统计理论建立1864麦克斯韦尔 电磁辐射方程1950时分
10、多路通信 应用于电话1876贝尔 电话1956越洋电话铺设1896马克尼 无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播 超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话 多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星 PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电 数字传输理论 高速计算机1938电视广播1970LSI 商用卫星 程控交换 光纤通讯1940二战刺激 雷达和微波系统发展1980SLSI 长波光纤通信 ISDN 3G2022-12-19181.1 消息、信息和信号消息、信息和信号l 通信的目的：通信的目的：传
11、递传递消息中包含的消息中包含的信息信息。本课程主要研究本课程主要研究信息传输的原理信息传输的原理。l 消息：消息：是指信源所产生的是指信源所产生的信息的物理表现信息的物理表现。例如：语音、文字、图形、图像等。例如：语音、文字、图形、图像等。消息必须转换成电信号或光信号（简称信消息必须转换成电信号或光信号（简称信号），才能在通信系统中传输。号），才能在通信系统中传输。2022-12-19191.1 消息、信息和信号消息、信息和信号l 信息：信息：是指消息中所包含的对受信者是指消息中所包含的对受信者有意义的内容有意义的内容 （或有效内容）。（或有效内容）。不同形式表现（汉字、符号、图形等）的同不同
12、形式表现（汉字、符号、图形等）的同 一消息，载有相同的信息。一消息，载有相同的信息。l 信号：信号：是指是指消息的物理载体消息的物理载体，是传输消息的手段。，是传输消息的手段。可分为模拟信号和数字信号。可分为模拟信号和数字信号。2022-12-19201.2 通信系统的组成通信系统的组成l通信系统：通信系统：实现信息传输所需一切设备和传输媒实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体。介所构成的总体。l点对点通信点对点通信发送端的消息通过信道传递到接收端发送端的消息通过信道传递到接收端一般模型一般模型 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
13、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。2022-12-19212022-12-19221.2 数字通信数字通信基本概念基本概念l 模拟信号和数字信号：模拟信号和数字信号：模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的模拟信号，也称连续信号。如：话筒送出的 语音信号。语音信号。数字信号，也称离散信号。如：代表文字的数字信号，也称离散信号。如：代表文字的 编码和计算机数据信
14、号。编码和计算机数据信号。注意：注意：区分准绳区分准绳为：考查为：考查信号的参量取值信号的参量取值是否连续是否连续，而不是看时间。，而不是看时间。2022-12-19231.2 数字通信数字通信基本概念基本概念码元2022-12-19241.2 通信系统的组成通信系统的组成l 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信 共性问题：共性问题：总存在总存在噪声和其他干扰，引起传噪声和其他干扰，引起传 输信号的失真，影响传输质量。输信号的失真，影响传输质量。解决噪声和解决噪声和 干扰的影响干扰的影响，就是通信系统设计的基本问题，就是通信系统设计的基本问题 之一。之一。l 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信
15、系统和数字通信系统2022-12-19251.2 通信系统的组成通信系统的组成 模拟通信系统：模拟通信系统：要求：要求：高保真度复原高保真度复原。度量准则：度量准则：输出信噪比输出信噪比。基本问题：连续波形的基本问题：连续波形的参量估值问题参量估值问题。个性问题个性问题：数字通信系统：数字通信系统：要求：要求：正确判决正确判决（或检测）。（或检测）。度量准则：产生度量准则：产生错判的概率错判的概率。理论基础：理论基础：统计判决理论统计判决理论。注意注意：都是针对：都是针对接收端接收端的。的。2022-12-1926模拟通信系统模型模拟通信系统模型l模拟信号：电信号的参量是连续取值的模拟信号：电
16、信号的参量是连续取值的l模拟通信系统模型：模拟通信系统模型：l模拟通信系统模拟通信系统研究重点研究重点：调制与解调以及噪声对：调制与解调以及噪声对信号传输的影响。信号传输的影响。两种变换：两种变换：模拟消息模拟消息 原始电信号（基带信号）原始电信号（基带信号）基带信号基带信号 已调信号（带通信号）已调信号（带通信号）信道：信道：基带信道：可传输很低的频率分量。如双绞线。基带信道：可传输很低的频率分量。如双绞线。频带信道：不能传输很低的频率分量。频带信道：不能传输很低的频率分量。如无线电波如无线电波。2022-12-19272022-12-1928数字通信系统模型数字通信系统模型l数字信号数字信
17、号电信号的参量是离散取值的（仅取有限个值）电信号的参量是离散取值的（仅取有限个值）l数字通信系统可进一步细分为：数字数字通信系统可进一步细分为：数字频带传输频带传输通信通信系统和数字系统和数字基带传输基带传输通信系统。通信系统。2022-12-1929数字通信系统模型数字通信系统模型 信源：将消息转换为电信号的设备。信源：将消息转换为电信号的设备。信源编码：信源编码：降低降低数字信号的冗余，数字信号的冗余，提高提高数字信号的有效性。数字信号的有效性。信道编码：信道编码：增加增加冗余字符，纠错编码，冗余字符，纠错编码，提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。2022-12-1930数字通信系统模型数
18、字通信系统模型 调制：调制：使编码信号特性与信道特性相适应，以通过使编码信号特性与信道特性相适应，以通过 信道传输。信道传输。使多路信号合并，经过同一信道传输使多路信号合并，经过同一信道传输 多路复用。多路复用。2022-12-1931数字通信系统模型数字通信系统模型信道的影响：信道的影响：信道传输特性信道传输特性对数字信号的影响。对数字信号的影响。包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率包括幅频特性、相频特性、频率偏移、频率 扩展和多径时延。扩展和多径时延。进入信道的进入信道的外部加性噪声外部加性噪声的影响。的影响。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。包括起伏噪声、脉冲干扰、人为干扰。2022-
19、12-1932数字通信系统模型数字通信系统模型 同步：同步：数字通信系统中不可缺少的组成部分。数字通信系统中不可缺少的组成部分。发端、收端间需共同的时间标准使收端发端、收端间需共同的时间标准使收端 准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接准确知道每个符号的起止时刻，实现同步接 收。收。位同步（或码元同步）、字同步位同步（或码元同步）、字同步2022-12-1933数字通信系统模型数字通信系统模型l基带系统基带系统2022-12-1934数字通信系统模型数字通信系统模型l 数字通信的主要优点：数字通信的主要优点：取值有限，抗干扰能力强，能正确接收。取值有限，抗干扰能力强，能正确接收。可采用纠错和检
20、错技术，提高抗干扰性。可采用纠错和检错技术，提高抗干扰性。可采用数字加密技术，提高保密度。可采用数字加密技术，提高保密度。可综合传输各种模拟和数字输入消息。可综合传输各种模拟和数字输入消息。便于存储和处理。便于存储和处理。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。易于设计、制造，体积更小、重量更轻。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。信噪比随带宽按指数规律增长。信噪比随带宽按指数规律增长。2022-12-1935数字通信系统模型数字通信系统模型(a)失真的数字信号失真的数字信号(b)恢复的数字信号恢复的数字信号 数字信号波形的失真和恢复数字信号波形的失
21、真和恢复2022-12-1936数字通信系统模型数字通信系统模型l 数字通信的主要缺点：数字通信的主要缺点：占用带宽大压缩、光纤占用带宽大压缩、光纤。同步要求高同步要求高。l 应用实例：应用实例：数字传输技术：电话、电视、计算机数据等数字传输技术：电话、电视、计算机数据等 信号的远距离传输。信号的远距离传输。模拟传输技术：有线电话环路、无线电广模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等播、电视广播等。2022-12-19371.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式l按传输媒质分类：按传输媒质分类：有线、无线有线、无线l按信号特征：按信号特征：模拟信号、数字信号模拟信号、数
22、字信号l按调制方式分类按调制方式分类 基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输系统和频带（调制）传输系统。l按通信业务类型分类按通信业务类型分类 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等和图像通信系统等.l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）通信系统、时分复用（）通信系统、时分复用（TDM）通信系统和码分复用（通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。）通信系统等。2022-12-1938表表 1.3-1 通信频段通信频段、常用传输媒质及主要用途常用传输媒质及主要用途 l 按工作波段分类按工作波段分类202
23、2-12-19391.3.2 通信方式通信方式 1、按信息传输的、按信息传输的方向与时间关系方向与时间关系划分通信方式：划分通信方式：单工通信、半双工通信及全双工通信单工通信、半双工通信及全双工通信l单工通信单工通信是指信息只能单方向进行传输的一种通是指信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，信工作方式，l半双工通信方式半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式，不能同时进行收和发的工作方式，l全双工通信全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式息的工作方式2022-12-1940通信方式示意
24、图通信方式示意图2022-12-19412、按数字信号、按数字信号码元排列方式码元排列方式划分通信方式：划分通信方式：串行传输和并行传输串行传输和并行传输l并行传输是并行传输是将代表信息的数字信号码元序列分割将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输通信方式。传输，则称为并行传输通信方式。优点：优点：速度快、节省传输时间速度快、节省传输时间缺点：缺点：但需占用频带宽，设备复杂，成本高但需占用频带宽，设备复杂，成本高应用：应用：一般适用于计算机和其他高速数字系统，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别
25、适用于设备之间的特别适用于设备之间的近距离通信近距离通信。2022-12-1942图图1-6 并行和串行通信方式并行和串行通信方式 串行传输串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按是将代表信息的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。通常，一般时间顺序一个接一个地在信道中传输。通常，一般的的远距离数字通信远距离数字通信都采用这种传输方式。都采用这种传输方式。2022-12-19433、按照、按照网络结构网络结构划分通信方式划分通信方式线型、星型、树型、环型等类型。线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通
26、信属于网通信。之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论重点讨论点对点通信点对点通信的原理。的原理。2022-12-19441.4 消息、信息和信号消息、信息和信号 度量信息量的方法，必须满足：度量信息量的方法，必须满足：如何度量信息？如何度量信息？首先要解决的问题首先要解决的问题。能度量任何消息，与消息的类型无关；能度量任何消息，与消息的类型无关；与消息的重要程度无关。与消息的重要程度无关。2022-12-19451.4 消息、信息和信号消息、信息和信号 信息量的定义：信息量的定义：信息量是消息出现概率的函数；
27、信息量是消息出现概率的函数；消息出现的概率越小，所包含的信息量就消息出现的概率越小，所包含的信息量就 越大；越大；若某消息由若干个独立消息所组成，则该若某消息由若干个独立消息所组成，则该 消息所包含的信息量是每个独立消息所含消息所包含的信息量是每个独立消息所含 信息量之和。信息量之和。2022-12-19461.4 消息、信息和信号消息、信息和信号1loglog()()aaIP xp x 因此，若消息因此，若消息 x 出现的概率为出现的概率为 p(x)，则所含，则所含信息量信息量 I 可定义可定义为：为：信息量信息量 单位单位：a=2，则为，则为比特比特（bit），简记为），简记为b，最常用最
28、常用;a=e，则为奈特（，则为奈特（nat）;a=10，则为哈特莱（，则为哈特莱（hartley）。）。2022-12-19471.4 消息、信息和信号消息、信息和信号221loglog1/IMM 当当M=2时，则时，则I=1b。工程上工程上，常常不考虑是否为等概率的消息，常常不考虑是否为等概率的消息，总认为一个二进制波形（或码元）等于总认为一个二进制波形（或码元）等于1b。即通。即通常把常把一个二进制码元称做一个二进制码元称做1b。易与信息量的单位易与信息量的单位混淆混淆。若采用一个若采用一个M进制的波形，来传送进制的波形，来传送M 个独立的个独立的等概等概离散消息之一，则每一码元的信息量为
29、：离散消息之一，则每一码元的信息量为：(b)2022-12-19481.4 消息、信息和信号消息、信息和信号11()()log()()()MMiiiiiiH xP xP xP x I x 对于对于M个离散独立个离散独立等概等概消息组成的消息源，消息组成的消息源，它发送的每个消息所包含的信息量为它发送的每个消息所包含的信息量为 。等概时具最大熵等概时具最大熵：2log M 对于对于离散独立离散独立非等概非等概消息组成的消息源，则消息组成的消息源，则采用平均（统计平均）信息量采用平均（统计平均）信息量熵熵来描述：来描述：2()logH xM熵的单位为：熵的单位为：bit/符号符号2022-12-1
30、949例：已知信息源由例：已知信息源由4个符号个符号0、1、2、3组成，组成，它们出现的概率分别为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。且每个符号的出现都是独立的。试求消息：试求消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量和平均信息量。的信息量和平均信息量。解：解：符号出现次数0：23次；1：14次；2：13次；3：7次；共57个符号 2022-12-1950所以，该消息的信息量为：I=I(0)+I(1)+I(2)+I(3)=33+28+26+21=108bit 平均信
31、息量：信息熵：222211(0)23 log33(1)14log283/81/411(2)13 log26(3)7log211/41/8Ibit IbitIbit Ibit1081.895757IIbit/符号符号3111()()(0)(1)(2)(3)1.9068448iiHP x I xIIII2022-12-19511.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标l 衡量系统性能优劣的基本因素：衡量系统性能优劣的基本因素：有效性有效性：速度问题：速度问题 可靠性可靠性：准确度问题：准确度问题注意注意：两者是：两者是互相矛盾互相矛盾的，也是的，也是可互换可互换的。的。提高有效性提高有效
32、性提高传输速率提高传输速率可靠性降低；可靠性降低；提高可靠性提高可靠性增加冗余的抗干扰编码码元增加冗余的抗干扰编码码元 有效性降低。有效性降低。降低有效性，以提高可靠性；降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。降低可靠性，以提高有效性。2022-12-19521.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标l模拟系统模拟系统 有效性：传输占用的带宽有效性：传输占用的带宽 可靠性：信噪比可靠性：信噪比l数字系统数字系统 有效性：传输速率，频带利用率有效性：传输速率，频带利用率 可靠性：误码率，误信率可靠性：误码率，误信率2022-12-19531.5 通信系统的主要性能指标通信系
33、统的主要性能指标l 性能指标：性能指标：传输速率传输速率：三种定义。三种定义。码元速率（码元速率（RB）：）：单位时间内传输码元数。单位时间内传输码元数。“波特（波特（Baud）”信息速率（信息速率（Rb）：）：单位时间内传输的信息量。单位时间内传输的信息量。“比特比特/秒（秒（b/s）”2022-12-1954l例：已知二进制数字信号的传输速率为例：已知二进制数字信号的传输速率为1600波特，设码元速率不变，问变成八进波特，设码元速率不变，问变成八进制数字信号时的传输速率为多少比特制数字信号时的传输速率为多少比特/秒？秒？l解：解：2log33 16004800/bBBRRMRbit s2022-12-19551.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 频带利用率：频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。单位频带内所能达到的信息速率。通常与采用的调制及编码方式有关。通常与采用的调制及编码方式有关。2022-12-19561.5 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 错误率错误率：两：两种定义。种定义。误码率（误码率（Pe）：）：误比特率（误比特率（Pb）：）：eP错误接收码元数 传输码元总数=eP错误接收比特数 传输总比特数=2022-12-1958思考题、习题思考题、习题1-11-41-71-10
