第1章緒論OK教學(xué)課件

教學(xué)內(nèi)容

《通信原理》內(nèi)容包括：通信系統(tǒng)基本概念模擬信號調(diào)制技術(shù)模擬信號的數(shù)字傳輸多路復(fù)用數(shù)字信號的基帶傳輸和頻帶傳輸、差錯(cuò)控制編碼等。重點(diǎn)以數(shù)字通信為主7/24/20231第一章緒論

與前后課程的關(guān)系《信號與系統(tǒng)》《復(fù)變函數(shù)》《通信電路》

前期課程包括：后期課程包括：《現(xiàn)代通信技術(shù)》(微波、衛(wèi)星、光纖通信)《計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)》《現(xiàn)代交換技術(shù)》

7/24/20232第一章緒論教學(xué)參考書

樊昌信《通信原理教程》國防工業(yè)出版社

參考書張輝曹麗娜，《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》西安電子科技大學(xué)出版社-曹志剛錢亞生，《現(xiàn)代通信原理》清華大學(xué)出版社教材7/24/20233第一章緒論教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn):本課程的重點(diǎn)是數(shù)字通信系統(tǒng)的基本原理和最新應(yīng)用。本課程的難點(diǎn)是各種通信系統(tǒng)的性能分析、數(shù)字信號的最佳接收和編碼理論。7/24/20234第一章緒論研究方法：是在系統(tǒng)級模塊級層次上將實(shí)際通信系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬的方法對其進(jìn)行研究，得到系統(tǒng)性能與系統(tǒng)參數(shù)之間的定量關(guān)系。

7/24/20235第一章緒論１.1引言--通信的發(fā)展歷史古代：公元前800年(周朝)，周幽王烽火戲諸侯。

近代：

1820年：安培發(fā)明電報(bào)通信，近代數(shù)字通信的

開始。

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，模擬通信的開始。7/24/20236第一章緒論通信的發(fā)展

20世紀(jì)60年代以后：數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)入高級發(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)代通行網(wǎng)的主要支柱。

7/24/20237第一章緒論通信的發(fā)展作為一名畫家是成功的。莫爾斯曾兩度赴歐洲留學(xué)，在肖像畫和歷史繪畫方面成了當(dāng)時(shí)公認(rèn)的一流畫家。1826年至1842年任美國畫家協(xié)會主席。在一次遠(yuǎn)洋旅途中，莫爾斯結(jié)識了杰克遜。杰克遜是波士頓城的一位醫(yī)生，也是一位電學(xué)博士。閑聊中，杰克遜把話題轉(zhuǎn)到電磁感應(yīng)現(xiàn)象上。從此，莫爾斯走上了科學(xué)發(fā)明的崎嶇道路。為了維持生活，莫爾斯于1836年不得不重操舊業(yè)，擔(dān)任紐約大學(xué)藝術(shù)及設(shè)計(jì)教授。課余時(shí)間，他仍然繼續(xù)從事電報(bào)發(fā)明工作。終于在1837年9月4日，莫爾斯制造出了一臺電報(bào)機(jī)。

1844年5月24日，在華盛頓國會大廈聯(lián)邦最高法院會議廳里，進(jìn)行電報(bào)發(fā)收試驗(yàn)。年過半百的莫爾斯在預(yù)先約定的時(shí)間，興奮地向巴爾的摩發(fā)出人類歷史上的第一份電報(bào)。他的助手很快收到那份只有一句話的電報(bào)：“上帝創(chuàng)造了何等的奇跡!”

塞繆爾·莫爾斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）7/24/20238第一章緒論通信的發(fā)展出生于美國愛丁堡，早年研究聲學(xué)。21歲時(shí)在倫敦大學(xué)攻讀生理解剖學(xué)。

1871年遷居加拿大。24歲時(shí)又移民美國，后加入美國國籍。

1872年起任波士頓大學(xué)語言生理學(xué)教授。在此時(shí)期，曾以利用電流傳送聲音的研究。

1876年3月10日，他發(fā)明了有線電話，貝爾通過送話機(jī)與實(shí)驗(yàn)室的助手沃森首次通話成功。

1877年，建成從波士頓到紐約之間長距離電話線通話。第一份用電話發(fā)出的新聞電訊稿被發(fā)送到波士頓《世界報(bào)》，標(biāo)志著電話為公眾所采用。

1878年，貝爾電話公司正式成立。貝爾（1847-1922），美國電話發(fā)明者7/24/20239第一章緒論通信的發(fā)展

1876年3月10日，美國發(fā)明家貝爾發(fā)明世界上第一部電話，并獲美國專利局批準(zhǔn)的電話專利。這是2019年8月11日拍攝的美國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。7/24/202310第一章緒論通信的發(fā)展麥克斯韋是19世紀(jì)偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。19世紀(jì)最美妙的科學(xué)發(fā)現(xiàn)——電磁場理論的完成者，并且預(yù)言了電磁波的存在。

麥克斯韋1831年6月13日出生于愛丁堡。16歲時(shí)進(jìn)入愛丁堡大學(xué)，三年后轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，1854年畢業(yè)并留校任教，兩年后到蘇格蘭的馬里沙耳學(xué)院任自然哲學(xué)教授，1860年到倫敦國王學(xué)院任教，1871年受聘籌建劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，并任第一任主任。1879年11月5日在劍橋逝世。

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)典電磁場理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。而這種理論預(yù)見后來得到了充分的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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，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)英國物理學(xué)家7/24/202311第一章緒論通信的發(fā)展生于漢堡。早在少年時(shí)代就被光學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)所吸引。十九歲入德累斯頓工學(xué)院學(xué)工程，由于對自然科學(xué)的愛好，次年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，在物理學(xué)教授亥姆霍茲指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。1885年任卡爾魯厄大學(xué)物理學(xué)教授。1889年，接替克勞修斯擔(dān)任波恩大學(xué)物理學(xué)教授，直到逝世。赫茲對人類最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。赫茲（1857-1894）德國物理學(xué)家1888年1月，赫茲將這些成果總結(jié)在《論動電效應(yīng)的傳播速度》一文中。赫茲實(shí)驗(yàn)公布后，轟動了全世界的科學(xué)界。由法拉第開創(chuàng)，麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。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，更重要的是開創(chuàng)了無線電電子技術(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。7/24/202312第一章緒論通信的發(fā)展在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，意大利的馬可尼、俄國的波波夫分別實(shí)現(xiàn)廠無線電傳播，并很快投人實(shí)際使用。其他利用電磁波的技術(shù)，也像雨后春筍般相繼問世。無線電報(bào)（1894年）、無線電廣播（1906年）、無線電導(dǎo)航（1911年）、無線電話（1916年）、短波通訊（1921年）、無線電傳真（1923年）、電視（1929年）、微波通訊（1933年）、雷達(dá)（1935年），以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)……它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。

7/24/202313第一章緒論1.2通信系統(tǒng)的組成1.2.1通信系統(tǒng)：通信中所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的總體。消息的產(chǎn)生地，作用為把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，可以是模擬信號也可以是數(shù)字信號。如：攝象機(jī)、光驅(qū)、。將信源和信道匹配起來。變換方式多樣，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。如廣播電臺傳輸信號的物理媒質(zhì)。包括無線信道：和有線信道。通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。將噪聲源看成各處噪聲集中加入到信道的。完成發(fā)送設(shè)備的反轉(zhuǎn)換，進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。如收音機(jī)、電視機(jī)。傳輸信息的歸宿點(diǎn)，作用為將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。如喇叭、顯示器。通信系統(tǒng)的一般模型7/24/202314第一章緒論1.2.2模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模型模擬信號波形(a)連續(xù)信號；(b)抽樣信號7/24/202315第一章緒論1.2.2模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字信號波形：(a)二進(jìn)制波形；(b)2PSK波形7/24/202316第一章緒論1.2.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型

共性問題：總存在噪聲和其他干擾，引起傳輸信號的失真，影響傳輸質(zhì)量。解決噪聲和

干擾的影響，就是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本問題

之一。模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)：7/24/202317第一章緒論1.模擬通信系統(tǒng)模型信道發(fā)送端接收端信源調(diào)制解調(diào)信宿噪聲模擬通信系統(tǒng)模型7/24/202318第一章緒論1）抗干擾能力差；2）不易于保密通信；3）設(shè)備不易于大規(guī)模集成；4）不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求；5）簡單、易于實(shí)現(xiàn)。模擬通信的主要特點(diǎn)：7/24/202319第一章緒論2．?dāng)?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數(shù)字通信系統(tǒng)模型7/24/202320第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型信源：將消息轉(zhuǎn)換為電信號的設(shè)備。信源編碼：降低數(shù)字信號的冗余，

提高數(shù)字信號的有效性。信道編碼：增加冗余字符，糾錯(cuò)編碼，

提高傳輸?shù)目煽啃浴?/24/202321第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型

調(diào)制：

★使編碼信號特性與信道特性相適應(yīng)，以通過信道傳輸。

★使多路信號合并，經(jīng)過同一信道傳輸－－多路復(fù)用。

7/24/202322第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型信道：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。如無線電波。

7/24/202323第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型同步：

★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7/24/202324第一章緒論2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字基帶信號無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。7/24/202325第一章緒論3.數(shù)字通信的主要特點(diǎn)：

取值有限，能正確接收?？刹捎眉m錯(cuò)和檢錯(cuò)技術(shù)，提高抗干擾性?？刹捎脭?shù)字加密技術(shù)，提高保密度?？删C合傳輸各種模擬和數(shù)字輸入消息。便于存儲和處理。易于設(shè)計(jì)、制造，體積更小、重量更輕?？勺餍旁淳幋a，壓縮冗余度，提高信道利用率。信噪比隨帶寬按指數(shù)規(guī)律增長。占用帶寬大－－壓縮、光纖。同步要求高。7/24/202326第一章緒論(a)失真的數(shù)字信號(b)恢復(fù)的數(shù)字信號數(shù)字信號波形的失真和恢復(fù)7/24/202327第一章緒論

兩種應(yīng)用

利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳送模擬消息A/D，D/A變換，例如電話利用模擬通信系統(tǒng)傳送數(shù)字信號加裝數(shù)字終端，例如調(diào)制解調(diào)器7/24/202328第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式1、根據(jù)信號特征?模擬通信系統(tǒng)?數(shù)字通信系統(tǒng)2、根據(jù)消息的物理特征：電話、數(shù)據(jù)、電視等3、根據(jù)調(diào)制方式?基帶傳輸：周期性脈沖序列作為載波?頻帶傳輸：正弦型載波4、根據(jù)傳輸媒介?有線傳輸：雙絞線、同軸電纜、光纖?無線傳輸7/24/202329第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式7/24/202330第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式7/24/202331第一章緒論表1-1常見的調(diào)制方式及用途

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、無線電臺、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7/24/202332第一章緒論調(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、遙測脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、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、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）7/24/202333第一章緒論

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航7/24/202334第一章緒論續(xù)表（2）頻率范圍波長符號傳輸媒質(zhì)用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、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)毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)105~106GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可見光、紅外光纖激光空間傳播光通信7/24/202335第一章緒論1、單工、半雙工和雙工通信2、串行與并行通信1.3.2通信方式7/24/202336第一章緒論

(a)單工(b)半雙工(c)全雙工單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖1.3.2通信方式7/24/202337第一章緒論(a)并行傳輸(b)串行傳輸并行和串行通信方式示意圖1.3.2通信方式按數(shù)字信號的碼元排列方法串行傳輸：遠(yuǎn)距離數(shù)字通信并行傳輸：近距離數(shù)字通信7/24/202338第一章緒論1.4信息及其度量度量信息量的方法，必須滿足：如何度量信息？－－首先要解決的問題。能度量任何消息；與消息的類型無關(guān)；消息的重要程度無關(guān)。

7/24/202339第一章緒論1.4信息及其度量

信息量的定義：

信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成，則該消息所包含的信息量是每個(gè)獨(dú)立消息所含信息量之和。7/24/202340第一章緒論1.4信息及其度量信息量的定義：信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)；消息出現(xiàn)的概率越小，所包含的信息量就越大；若某消息由若干個(gè)獨(dú)立消息所組成，則該消息所包含的信息量是每個(gè)獨(dú)立消息所含信息量之和。7/24/202341第一章緒論1.4信息及其度量因此，若消息出現(xiàn)的概率為，則所含信息量I

可定義為：信息量單位：，則為比特（bit），簡記為b，最常用;，則為奈特（nat）;，則為哈特萊（hartley）。7/24/202342第一章緒論1.4信息及其度量當(dāng)M=2時(shí)，則I=1b。

若采用一個(gè)M進(jìn)制的波形，來傳送M個(gè)獨(dú)立的等概離散消息之一，則每一碼元的信息量為：(b)

7/24/202343第一章緒論1.4信息及其度量

例1–1設(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(bit)P=1/4的信息量為2比特P=1/8的信息量為3比特P=1/M的信息量為log2M(bit)若M是2的整冪次，則7/24/202344第一章緒論1.4信息及其度量等概時(shí)具最大熵：對于離散獨(dú)立非等概消息組成的消息源，則采用平均（統(tǒng)計(jì)平均）信息量－－熵來描述：熵的單位為：bit/符號7/24/202345第一章緒論例：由5個(gè)符號組成的信息源，相應(yīng)概率為

（每條消息用字母A/B/C/D/E表示），求信源5條消息的平均信息量：7/24/202346第一章緒論[例]一離散信源由0，1，2，3四個(gè)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(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息201920190213001203210100321010023102019010312032100120210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(gè)符號，故該消息的信息量為

每個(gè)符號的算術(shù)平均信息量為

若用熵的概念來計(jì)算，得:

I=57*H=108.64(bit)可見，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長時(shí)，用熵的概念來計(jì)算比較方便。而且隨著消息序列長度的增加，兩種計(jì)算誤差將趨于零。7/24/202347第一章緒論1.5主要性能指標(biāo)衡量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的基本因素：

有效性

可靠性注意：兩者是互相矛盾的，也是可互換的。

★提高有效性→提高傳輸速率→可靠性降低；提高可靠性→增加冗余的抗干擾編碼碼元

→有效性降低。

★降低有效性，以提高可靠性；降低可靠性，以提高有效性。7/24/202348第一章緒論模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性可用有效傳輸頻帶來度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。7/24/202349第一章緒論數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性可用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。碼元傳輸速率信息傳輸速率頻帶利用率（真正衡量的指標(biāo)）可靠性可用差錯(cuò)率來衡量。誤碼率（碼元差錯(cuò)率）誤信率（信息差錯(cuò)率）

。7/24/202350第一章緒論1.傳輸速率

碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B(Bd)例如：若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為RB=2400B。數(shù)字信號有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):7/24/202351第一章緒論信息傳輸