1、通信原理桂林理工大学信息科学与工程学院桂林理工大学信息科学与工程学院通信教研室通信教研室 施晓东施晓东Email:v通信原理为信息类专业的，要求重点掌握通信系统的和，以及信息传输的；熟悉各种通信技术的。v先修课程：、等v课程结构：理论（54课时）+实验（10课时）v学习方式：课堂教学+课后作业+实验v考试方式：笔试，v成绩评定：70%考试+30%（平时+实验）v 樊昌信通信原理第六版 国防工业出版社v 曹志刚,现代通信原理 清华大学出版社v L.W.Couch,数字与模拟通信系统第七版 电子工业出版社v 第1章 绪论（4学时）v v 第3章 随机过程（6学时）v 第4章 信道（4学时）v 第5
2、章 模拟调制系统（6学时）v 第6章 数字基带传输系统（6学时）v 第7章 数字带通传输系统（6学时）v 第8章 新型数字带通调制技术（4学时）v 第9章 模拟信号的数字传输（6学时）v 第10章 数字信号的最佳接收（4学时）v 第11章 差错控制编码（6学时）v v 第13章 同步原理（2学时）v v1.1 通信的基本概念v1.2 通信系统的组成v1.3 通信系统的分类和通信方式v1.4 信息及其度量v1.5 通信系统的主要性能指标 了解 通信技术的发展；掌握 消息、信息、信号 的定义；掌握 数字通信的概念，理解 数字通信的优点；掌握 通信系统模型 及其 主要性能指标；重点：1.信息的度量；
3、2.数字通信系统模型的理解与掌握。难点：数字通信系统性能指标的理解与计算；古代峰火边防海军旗语信鸽传书 传统通信的几种形式无线广播无线广播移移动动通通信信移动电视移动电视电视广播电视广播雷达雷达卫星广播卫星广播 现代通信的几种形式通信:信息（或消息）的 传输 和 交换。（要求 准确、迅速）消息：信息的 。如符号、文字、话音、数据 或 图像 等。信息：消息 的 ，即信息是消息中所包含 的。电通信：是利用（电流或电波，包括光）来 传 递 信息。现代通信 一般 均是指 “电通信”。信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术 设备
4、和传输媒介所构成的总体。v 通信系统与电力系统的主要区别v在电力系统中，信号的波形是确定的，设计电力系统时主要考虑如何尽量减少电能的损失。v通信系统中，接收端在没有收到信号之前是不知道信号波形的，否则就没有可传输的信息，也就没必要进行通信了。思考：在本书中，特指将原始信息转换成电信号的设备，如麦克风等信源发送设备信道噪声源接收设备信宿如调制器、功率放大器、天线等如双绞线、光纤、同轴电缆等。注意：自由空间也是一种信道是一种随机信号，对通信有害，但不可避免。是发送设备处理的“逆过程”在本书中，特指将电信号还原成原始信息的设备，如扬声器等1.2.2 模拟通信系统和数字通信系统模拟通信系统和数字通信系
5、统v模拟信号与数字信号 通信系统中，消息的传递是通过其物理载体电 信号来实现的，即把消息寄托在电信号的（幅度、频率或相位等）上。按信号参量的不同，可把信号分为模拟 信号和数字信号两类。v模拟通信系统和数字通信系统 按照 信道中传输的信号 是模拟信号还是数字信 号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字 通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号 (a)话音信号 (b)抽样信号 模拟信号：电参量的取值连续（不可数、无穷多）数字信号：电参量的取值仅可能取有限个值p 两种重要的变换模拟信源模拟信源调制器调制器信道信道噪声源噪声源解调器解调器信宿信宿1.发送端通过信源把连续消息变换成原始电信号（基
6、带信号，基带的含义是信号频谱从零频附近开始），在接收端通过信宿进行相反的变换。2.调制器把基带信号转换成适合在信道传输的信号，并在接收端通过解调器进行反变换。经过调制后的信号成为已调信号（带通信号、频带信号）。模拟通信系统模型 模拟通信系统模型（以AM广播为例）模拟信源模拟信源调制器调制器信道信道噪声源噪声源解调器解调器信宿信宿人 的 语 音 频 率 在300Hz到4000Hz之间，无法通过天线发射出去（教 材 P 6 5）从这个过程中我们可以知道，实际上，模型中的调制解调器中都包含了放大功能 数字通信系统模型可能是模拟信源（如麦克风），也可能是数字信源（如计算机）若信源是数字信源，主要是对其
7、进行数据压缩，以降低码元速率，提高信息传输的有效性；若是模拟信源，则先进行A/D变换再进行压缩主要功能是检错和纠错，提高信号的抗干扰能力，从而保证通信的可靠性。与模拟调制的作用类似：把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道传输的带通信号。是发送端处理的“逆过程”，不再赘述信信息息源源信信源源编编码码信信道道编编码码数数字字调调制制信道信道噪声源噪声源数数字字解解调调信信道道译译码码信信源源译译码码受受信信者者加加密密解解密密 通过人为地将所传输的数字序列扰乱，提高信息传输的安全性。v 数字通信的特点p 抗干扰能力强，且噪声不积累。p 传输差错可控。p 便于现代数字信号处理技术对数字信息
8、进 行处理、变换、存储等。p 易于集成，使通信设备微型化，重量轻。p 易于加密处理，且保密性好。v 优点：v 缺点：p 需要较大的传输带宽。p 对同步要求较高。一路模拟电话 4kHz一路数字电话 64kHzv 通信系统的分类v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、图像通信系统等。v按调制方式分类：基带传输系统市内电话、有线广播等；带通传输系统AM、FM、FSK、PSK等；v按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统v按传输媒质分类：有线通信系统和无线通信系统v按工作波段分类：长波通信、中波通信和短波通信等v按信号复用方式分类：FDM、TDM和CDM调 制 方 式 用 途 连
9、续波调制线性调制常规双边带调幅广播 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 频移键控 FSK数据传输 脉冲调制数字数字调制调制相位键控 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 脉脉 冲冲模模 拟拟调调 制制脉幅调制脉幅调制 PAMPAM 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、
10、光纤传输 脉脉 冲冲数数 字字调调 制制脉码调制脉码调制 PCM PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制增量调制 DM DM 军用、民用电话 差分脉码调制差分脉码调制 DPCM 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 频 率波 长 符号 媒 质 用 途3Hz30 kHz 104108 m 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 30300 kHz 103104 m 低频 LF 有线线对长波无线电 导航、信标、电力线通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中频 MF 同轴电缆短波无线电 调幅广播、移动
11、陆地通信、业余无线电 330 MHz 10102 m 高频 HF 同轴电缆短波无线电 移动电话、短波广播定点军用通信、业余无线电 30 300 MHz 110 m 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 300 MHz 3 GHz 10100 cm 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 330 GHz 110 cm 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 30 300 GHz 110 mm 极高频EHF 波导毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 107 108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外
12、 可见光 红外 光纤激光空间传播 光通信 时间频率时分复用（TDM）时间频率码字码分复用（CDM）时间频率频分复用（FDM）v 通信方式单工、半双工和全双工通信发送端发送端接收端接收端信道信道发送端发送端发送端发送端接收端接收端接收端接收端信道信道信道信道发送端发送端发送端发送端接收端接收端接收端接收端信道信道v单工通信：消息只能够 的工作方式，如广播、遥控等。v半双工通信：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，如使用同一载频的传统对讲机等。v全双工通信：通信双方可 同时进行收发 消息的工作方式，如电话等。v 通信方式并行传输 和 串行传输发发送送设设备备接接收收设设备备发发送
13、送设设备备接接收收设设备备v并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。v串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地再一条信道上传输。任何 信源信源 产生的 输出 都是 随机的随机的，信息量信息量 就是 对 消息 中 这种 不确定性不确定性 的 度量度量。信息量信息量 与 事件发生 的 概率概率 有关，事件 出现的概率 越小，信息量 就 越大；必然事件的 概率 为 1，则 它 传递的 信息量 就为 0。信息量信息量 是 概率的函数概率的函数，即 越小，越大；反之，越小。且 时，；时，()If P x)(xPII0)(xP1)(xP0I
14、I)(xPx假设 是 消息 发生的概率，则：若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量具 有相加性相加性:)()()().(2121xPIxPIxPxPI 综合 以上 三条规律，根据 概率论 知识，信息量信息量与 消息 出现的 概率概率 之间的 关系关系 应为：信息量的单位信息量的单位 与 对数 底数 a 有关。a=2 时，信息量的单位为 比特比特(bit)，最常用最常用；a=e 时，信息量的单位为 奈特奈特(nat)；a=10 时，信息量的单位为 哈特莱哈特莱（Hartly）。1aaIP xP xloglog()()(log/loglog)()(bitPII12211110222 可见，传送
15、等概率 的 二进制二进制 波形波形 之一 的 信息量信息量 为 1 比特比特。同理，传送 等概率 的 四进制四进制 波形波形 之一 的 信息量信息量 为 2 比特比特。)/(21P(1/4)P 对于离散信源，M 个波形等概率等概率 发送，且 每一个 波形波形 的的 出现出现 是 独立的，即 信源 是 无记忆无记忆的，则 传送 M 进制进制 波形波形 之一 的 信息量 为：)/(MP11 1、等概率情况下信息量的计算等概率情况下信息量的计算【例1-1】设 二进制 离散信源，以 相等 的 概率 发送数字 0 或 1，则 信源 每个输出 的 信息含量信息含量 为多少？传送 等概率 四进制 波形 之一
16、 的 信息量信息量 为 2 比特，每个 四进制波形四进制波形 需要用 2 个 二进制脉冲 表示；传送 等概率 八进制 波形 之一 的 信息量信息量 为 3 比特，每个 八进制波形八进制波形 需要用 3 个 二进制脉冲 表示。综上所述，式中 K 是 二进制二进制 脉冲脉冲 数目数目。式中 P 为 每一个波形出现的概率，M 为传送的波形数。若 M 是 2 的的 整幂次整幂次，比如 （K=1，2，）则 式(1.4-4)可改写为：)(log/loglogbitMMPI2221112KM 2log 2()KIK bit 式(1.4-4)设 离散离散 信息源信息源 是 一个 由 n 个个 符号符号 组成的
17、 集合 ，按 独立出现。记2、非等概情况的信息量的计算nxxx,21 ixp 12112,1niniiinxxxxp xp xp xp xp x 且且有有 则 每个符号每个符号 所含 信息量 的 统计统计 平均值平均值，即 平平均均 信息量信息量 为：112nniiiiiiH xP xP xbI xixtP()()()()log()(/)符符号号式(1.4-6)由于 H 同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为 信息源的熵信息源的熵，其 单位 为 bit/符号。当信源中 每个符号 等概等概 独立独立 出现 时，式(1.4-6)即成为 式(1.4-5)。可以证明，此时 信源的熵有最大值信源的熵有最
18、大值：2()logH xM 根据 信息量 的 相加性相加性 概念概念，N 个符号 的 总信息总信息量量 可 表示为：211log()NNiiiiiiIn InP x 其中 ni 为 符号符号 出现 的 次数 (事件发生次数)【例1-2】一 离散信源 由 0，1，2，3 四个符号四个符号 组成，它们 出现出现 的的 概率概率 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 信息量信息量。解解：出现 次；出现 次；出现 次；出现 次；共
19、有 符号，故 该消息的 总信息量总信息量 为2222823log14log 413log 47log 8108()3bit21log()NiiiInP x 每个符号 的 算术平均信息量算术平均信息量 为：可见，两种算法 的 结果 有 一定误差，但当 消息很长 时，用 熵熵 的的 概念概念 来计算 。而且 随着 消息序列长度消息序列长度 的 增加，两种 计算误差计算误差将趋于将趋于 零零。若用 熵熵 的的 概念概念 来计算，由 式(1.4-5)得：81log8141log4141log4183log832222H1.906(/)bit符号1081.89(/)57IIbit符号数符号 通信的任务是
20、快速、准确地传递信息。评价通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性有效性 是指 在 给定时间 内 所传输 的 信息内容 的多少多少，或者说是 传输的“速度速度”问题；可靠性可靠性 是指 接收信息 的 准确程度准确程度，也就是 传输的“质量质量”问题。这两个问题 相互矛盾 而又 相对统一，通常 还可以 进行 互换互换。一、模拟通信系统有效性指标：用 单位时间单位时间 传送的 信息量信息量 或 有效传输有效传输频带频带 来衡量。频带相同时，单位时间内传送信息量越大，有效性越好；单位时间传送的信息量相同时，占用频带越窄，有效性越好。如 调频信号 抗干扰能力抗干扰能力 比 调幅 好，但
21、 调频信号 所需 传输频带传输频带 却宽于 调幅。可靠性指标：用 接收端 最终 输出 信噪比信噪比 来 度量，信噪比 越大，可靠性 越好。有效性 用 传输速率 来衡量；可靠性 用 差错率 来衡量。二、数字通信系统1 1、传输速率传输速率 码元传输速率码元传输速率 RB 简称 传码率传码率，又称 符号速率符号速率。它表示 单位时间内 传输码元的数目，单位 是波特波特（Baud），记为 B。例如，若 1 秒内 传 2400 个 码元，则 传码率 为 2400B 在数字通信中，一个码元（符号）在 时间轴上的长度 被称为 码元长度。11()BBBBRBTTR或或 数字信号有多进制和二进制之分，但码元速
22、率与进制数无关，只与传输的 码元长度 TB 有关 信息传输速率 Rb 简称 传信率传信率，又称 比特率比特率 等。它表示，单位是，可记为bit/s，或 b/s，或 bps。式中，H 是 信源中 每个符号 所含的 平均信息量平均信息量(熵)码元码元速率速率 和 信息速率信息速率 有 确定的关系 ，即.(/)bBRR Hbit s 等概传输 时，熵 有 最大值 ，信息速率信息速率 也达到 最大，即2log MbBRRMbit s2.log(/)式中，M 为 符号的 进制数进制数。二进制 的 和 在数量上 相等。频带利用率频带利用率是单位频带内的码元传输速率。它真正衡量数字通信系统的传输效率，即系统
23、有效性。BBBRBHz(/):信信道道带带宽宽 数字信号的传输带宽 B 不仅与 码元速率 RB 有关，而且与数字信号的调制方式有关。bRbits HzB/(.)码元传输速率 RB 与 信息传输速率 Rb 有关，为了比较不同系统的传输效率，又可定义 频带利用率频带利用率 为：误码率误码率（码元差错率码元差错率）Pe ，是指发生差错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：eP 错误码元数传输总码元数 衡量数字通信系统可靠性的指标是差错率，常用误码率和误信率表示。2 2、差错率差错率 误信率（信息差错率）是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即：bP 错 误 比 特 数传 输 总 比 特 数显然，在二进制中有：bePP 习题：1-2、1-4、1-6、1-10作作 业业
