通信原理-緒論1講

第1章概論

電子技術(shù)系2023/2/61目標(biāo)要求

基本要求

了解通信的發(fā)展；

掌握消息、信息、信號(hào)的定義；

掌握數(shù)字通信的概念，理解數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)；

掌握數(shù)字通信系統(tǒng)模型及其主要性能指標(biāo)；

掌握信道模型，并會(huì)分析信道特性對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?/p>

熟悉信道中的噪聲。2023/2/62目標(biāo)要求

重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)是：信息的度量；數(shù)字通信系統(tǒng)模型的理解與掌握。

難點(diǎn)是：數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的理解與計(jì)算；變參信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?023/2/63主要內(nèi)容

1.1通信的概述

1.2通信系統(tǒng)的組成

1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式

1.4信息及其度量

1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

1.6信道及其容量思考題、習(xí)題2023/2/64什么是通信？異地間人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器進(jìn)行信息的傳遞和交換。2023/2/65通信的發(fā)展一、歷史的通信方式1.古代：

公元前800年(周朝)，烽火臺(tái)。應(yīng)用光通信的見(jiàn)證－最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)字通信。2.近代：

1820年：安培發(fā)明電報(bào)通信，近代數(shù)字通信的

開(kāi)始。

1838年：莫爾斯將電報(bào)通信推向?qū)嵱谩?/p>

1876年：貝爾發(fā)明電話，模擬通信的開(kāi)始。2023/2/66通信的發(fā)展3.現(xiàn)代

20世紀(jì)60年代以后：數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)入高級(jí)發(fā)展階段。近20多年：數(shù)字通信迅猛發(fā)展；光纖通信也攜手同行。兩者都成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要支柱。

2023/2/67通信的發(fā)展

烽火臺(tái)2023/2/68通信的發(fā)展

將電報(bào)通信推向?qū)嵱?/p>

塞繆爾·莫爾斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）2023/2/69通信的發(fā)展貝爾（1847-1922）美國(guó)電話發(fā)明者2023/2/610通信的發(fā)展

1876年3月10日，美國(guó)發(fā)明家貝爾發(fā)明世界上第一部電話，并獲美國(guó)專(zhuān)利局批準(zhǔn)的電話專(zhuān)利。這是2005年8月11日拍攝的美國(guó)新澤西州默里山貝爾實(shí)驗(yàn)室博物館內(nèi)的世界第一部電話。

2023/2/611通信的發(fā)展

麥克斯韋在物理學(xué)中的最大貢獻(xiàn)是建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學(xué)通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相媲美的書(shū)，具有劃時(shí)代的意義，是牛頓以后科學(xué)史上的又一座豐碑。麥克斯韋(JamesClerkMaxwel1831～1879)英國(guó)物理學(xué)家2023/2/612通信的發(fā)展赫茲（1857-1894）德國(guó)物理學(xué)家

1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。為了紀(jì)念他在電磁波發(fā)現(xiàn)中的卓越貢獻(xiàn)，后人將頻率的單位命名為赫茲。

赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在2023/2/613通信系統(tǒng)一般模型通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和。信源發(fā)送設(shè)備信道信宿接收設(shè)備發(fā)送端接收端噪聲源通信系統(tǒng)的一般模型2023/2/614通信系統(tǒng)一般模型信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱(chēng)之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。發(fā)送設(shè)備將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。2023/2/615通信系統(tǒng)一般模型信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間）在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同，需要對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。2023/2/616通信系統(tǒng)一般模型噪聲源是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，不是人為加入的。噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的。為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。2023/2/617通信系統(tǒng)一般模型接收設(shè)備完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。

2023/2/618消息、信息和信號(hào)（重點(diǎn)）1.通信的目的

傳遞消息中包含的信息。本課程主要研究傳輸。2.消息、信息、消息和信號(hào)的定義與區(qū)別

是指信源所產(chǎn)生的信息的物理表現(xiàn)。例如：語(yǔ)音、文字、圖形、圖像等。消息必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)），才能在通信系統(tǒng)中傳輸。2023/2/619消息、信息和信號(hào)4.信息

是指消息中所包含的對(duì)受信者有意義的內(nèi)容（或有效內(nèi)容）。不同形式表現(xiàn)（漢字、符號(hào)、圖形等）的消息，可以載有相同的信息。3.信號(hào)

是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段?？煞譃槟M信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。2023/2/620消息、信息和信號(hào)消息消息的狀態(tài)連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等離散消息指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。

消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體——

電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。hello2023/2/621消息、信息和信號(hào)信號(hào)信號(hào)參量的取值方式模擬信號(hào)：信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。如電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。時(shí)域離散信號(hào)：信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值，但時(shí)間上是離散的。數(shù)字信號(hào)：凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)等。2023/2/622消息、信息和信號(hào)tf(t)0tf(t)0時(shí)間離散、參量連續(xù)時(shí)間連續(xù)、參量連續(xù)f(t)t0時(shí)間離散、參量離散抽樣量化2023/2/623通信系統(tǒng)一般模型信號(hào)信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)模擬通信系統(tǒng)：利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)：利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)2023/2/624數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源發(fā)送端接收端信道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼2023/2/6251.信源：將消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調(diào)制發(fā)送端數(shù)字通信系統(tǒng)模型2023/2/626信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調(diào)制發(fā)送端數(shù)字通信系統(tǒng)模型2.信源編碼：降低信號(hào)的冗余，并且對(duì)信號(hào)加密，

提高數(shù)字信號(hào)的有效性及安全性。2023/2/627信道壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調(diào)制發(fā)送端數(shù)字通信系統(tǒng)模型3.信道編碼：增加糾錯(cuò)編碼，提高傳輸?shù)目煽啃?，但增加了信?hào)的冗余。2023/2/628信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調(diào)制發(fā)送端4.調(diào)制：數(shù)字通信系統(tǒng)模型2023/2/6294.調(diào)制使編碼信號(hào)特性與信道特性相適應(yīng)，以方便信號(hào)通過(guò)信道傳輸。2023/2/6305.信道

基帶信道－－可傳輸很低的頻率分量。如雙絞線。頻帶信道－－不能傳輸很低的頻率分量。如無(wú)線電波。

2023/2/6315.信道信道的影響：★信道傳輸特性對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響。包括幅頻特性、相頻特性、頻率偏移、頻率擴(kuò)展和多徑時(shí)延。★進(jìn)入信道的外部加性噪聲的影響。包括起伏噪聲、脈沖干擾、人為干擾。2023/2/6326.同步

★數(shù)字通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

★發(fā)端、收端間需共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)－－使收端準(zhǔn)確知道每個(gè)符號(hào)的起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)同步接收。

★位同步（或碼元同步）、字同步2023/2/633模擬&數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)的例子。數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性?？梢?jiàn)，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類(lèi)。2023/2/634模擬&數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信的主要特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)。差錯(cuò)可控。易于與各種數(shù)字終端接口，可用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)。易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。易于加密處理，且保密強(qiáng)度高?？蓪?duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，提高信道利用率。數(shù)字通信的上述優(yōu)點(diǎn)，都是用比模擬通信占據(jù)更寬的頻帶為代價(jià)而換取的。數(shù)字通信對(duì)同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。2023/2/635通信系統(tǒng)分類(lèi)調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無(wú)線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸2023/2/636通信系統(tǒng)分類(lèi)

調(diào)制方式

用途脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語(yǔ)言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話2023/2/637通信系統(tǒng)分類(lèi)頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無(wú)線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無(wú)線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無(wú)線電移動(dòng)無(wú)線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無(wú)線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無(wú)線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車(chē)輛、通信、導(dǎo)航2023/2/638通信系統(tǒng)分類(lèi)頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無(wú)線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外線、可見(jiàn)光、紅外線光纖激光空間傳播光通信2023/2/639通信方式按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。

單工通信，是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。全雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。2023/2/640通信方式發(fā)送信道接收單工：廣播發(fā)送信道接收雙工：手機(jī)發(fā)送信道接收半雙工：對(duì)講機(jī)2023/2/641信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒(méi)有必要再傳輸它了。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量。2023/2/642信息及其度量（重點(diǎn)）消息、信息和信號(hào)

如何度量信息？－－首先要解決的問(wèn)題。2023/2/643信息及其度量從常識(shí)的角度來(lái)感覺(jué)三條消息：①太陽(yáng)從東方升起；②太陽(yáng)比往日大兩倍；③太陽(yáng)將從西方升起。第一條幾乎沒(méi)有帶來(lái)任何信息第二條帶來(lái)了大量信息第三條帶來(lái)的信息多于第二條第一事件是一個(gè)必然事件，人們不足為奇；第三事件幾乎不可能發(fā)生，它使人感到驚奇和意外，也就是說(shuō)，它帶來(lái)更多的信息信息含量是與驚奇這一因素相關(guān)聯(lián)的，這是不確定性或不可預(yù)測(cè)性的結(jié)果。越是不可預(yù)測(cè)的事件，越會(huì)使人感到驚奇，帶來(lái)的信息越多。2023/2/644信息及其度量

根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述。

可能性越小，概率越??；反之，概率越大。

因此，消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。2023/2/645信息及其度量

假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息量；根據(jù)前面的認(rèn)知，顯然I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律：（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(shí)，I→0

P(x)→0時(shí)，I→∞（3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說(shuō)，信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…2023/2/646信息及其度量在信息論中，信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系為信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。

a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit)；

a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nat)；

a=10時(shí)，信息量的單位為哈萊(Hart)。目前廣泛使用的單位為比特?！纠吭O(shè)二進(jìn)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(gè)輸出的信息含量為

I(0)=I(1)=log22=1(bit)2023/2/647

傳送等概率的二進(jìn)制波形之一(P=1/2）的信息量為1比特。傳送等概率的四進(jìn)制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時(shí)每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè)二進(jìn)制脈沖表示；傳送等概率的八進(jìn)制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時(shí)至少需要3個(gè)二進(jìn)制脈沖。對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無(wú)記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為信息及其度量2023/2/648信息及其度量

如果是非等概情況，設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，其中每個(gè)符號(hào)xi(i=1,2,3,…,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，且有ΣP(xi)=1,則x1,x2,…,xn

所包含的信息量分別為-log2P(x1),-log2P(x2),…,-log2P(xn