工學(xué)通信原理國防工業(yè)大學(xué)出版社-第六版CH1第一章

1通信原理第1章CH1緒論2024/11/152通信原理CommunicationsPrinciplesPrinciplesofCommunicationsCommunicationsystemsCourseInfo2024/11/15CourseInfo先修課程：概率與統(tǒng)計(jì)隨機(jī)信號與系統(tǒng)電磁場與電磁波通信電子線路信號與系統(tǒng)數(shù)字電路與系統(tǒng)模擬電子線路3后續(xù)課程：光纖通信衛(wèi)星通信移動(dòng)通信現(xiàn)代交換技術(shù)現(xiàn)代通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)2024/11/15CourseInfo教材樊昌信,曹麗娜.通信原理(第6版).北京：國防工業(yè)出版社，2006.其他參考書目：1.曹志剛,錢亞生著.現(xiàn)代通信原理.北京:清華大學(xué)出版社,19922.LeonW.CouchII著.數(shù)字與模擬通信系統(tǒng)(第5版)(英文版).北京:清華大學(xué)出版社,19983.JohnG.Proakis著.數(shù)字通信（第四版）.北京：電子工業(yè)出版社，20014.TheodoreS.Rappaportz著.無線通信原理與應(yīng)用（英文版）.北京：電子工業(yè)出版社，199842024/11/15CourseInfoEE解決的問題：ProductionandTransmissionofElectricalEnergy(把物理信號用電信號的形式來描述、處理、傳送)TransmissionorProcessingofInformation（信息的傳遞、處理） 5消息傳遞？？通信系統(tǒng)的根本任務(wù)2024/11/15Syllabus本課主要內(nèi)容緒論：基本的概念，信號基礎(chǔ)(CH1、CH2、CH3)信息論基礎(chǔ)：信源部分、信道部分(CH1、CH4)數(shù)字基帶傳輸(CH6)模擬信號的數(shù)字傳輸(CH9)頻帶傳輸：模擬頻帶傳輸(CH5)數(shù)字頻帶傳輸(CH7、CH8)數(shù)字最佳接收(CH10)信道編碼(CH11)碼分復(fù)用與擴(kuò)頻通信(CH12)62024/11/15CH1緒論通信發(fā)展簡史狼煙、烽火電報(bào)機(jī)(S.Morse1837)電話機(jī)(Bell1876)無線電報(bào)(Marconi1895)調(diào)幅廣播AMbroadcasting電視TVbroadcasting微波中繼通信蜂窩移動(dòng)通信Cellularsystem光纖通信FiberOptics衛(wèi)星通信Satellite

7BellandTelephoneMarconi2024/11/15通信發(fā)展簡史Abriefhistoryofcommunication)20世紀(jì)早期通信工程的發(fā)展?fàn)顩r模擬通信占大多數(shù)沒有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，沒有定量的分析方法，處于經(jīng)驗(yàn)科學(xué)的階段

8Isthereageneralmethodologyfordesigningcommunicationsystems?Istherealimittohowfastonecancommunicate?2024/11/15通信發(fā)展簡史Abriefhistoryofcommunication)9香農(nóng)ClaudeShannon—fatherofinformationtheoryanddigitalcommunication“AMathematicalTheoryofCommunication”(1948)2024/11/15通信發(fā)展簡史Abriefhistoryofcommunication)現(xiàn)在數(shù)字化為主（包括轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、記錄）數(shù)字通信的理論基礎(chǔ)主要來自香農(nóng)等創(chuàng)立的信息理論10InternetSD2024/11/15通信系統(tǒng)一般模型11CHANNEL2024/11/1512信源：發(fā)送各種形式的消息（符號、文字、語音、數(shù)據(jù)、圖像）發(fā)送設(shè)備：將消息轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)男盘栃问叫诺溃盒盘杺鬏數(shù)拿浇?、路徑（噪聲使信號失真）接收設(shè)備：發(fā)送設(shè)備的逆變換過程，從接收信號中恢復(fù)消息受信者（信宿）：消息的接收者信道P2圖1-1通信系統(tǒng)一般模型通信系統(tǒng)一般模型2024/11/15模擬與數(shù)字信號13tx(t)tx(t)tx(t)1000110T模擬信號Analogsignals

取值連續(xù)變化數(shù)字信號Digitalsignals

從有限集合中取值二進(jìn)制信號Binarysignals2024/11/15模擬通信的主要特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)歷史悠久、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、簡單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：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142024/11/15數(shù)字通信的特點(diǎn)(P5～P6)數(shù)字通信的特點(diǎn)(P5～P6)優(yōu)勢：(1)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累(2)傳輸差錯(cuò)可控，提高傳輸可靠性(3)便于與各種數(shù)字終端接口(4)便于集成化，便于采用數(shù)字信號處理技術(shù)(5)便于加密,保密處理。

不足：

(1)占用帶寬大；(2)需要同步。152024/11/15數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型(P4)16發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備P4圖1-5數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型（P4）信源編碼譯碼(SourceCODEC)提高信息傳輸有效性（JPEG、MPEG-1、2、4）模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換(模擬信號的數(shù)字傳輸) 信道編碼譯碼(ChannelCODEC)提高信息傳輸可靠性

加密與解密(Encryption/Secrecycode)信息安全、保密通信172024/11/15數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型（P5）數(shù)字調(diào)制解調(diào)(DigitalModulation)實(shí)現(xiàn)頻帶傳輸（窄帶、帶通）同步數(shù)字系統(tǒng)準(zhǔn)確、有序、可靠工作 182024/11/151.3.1通信系統(tǒng)的分類（P6）按通信業(yè)務(wù)分類:電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、圖像(話務(wù)、非話務(wù))按信號特征分類:模擬信號還是數(shù)字信號按傳輸媒質(zhì)分類:有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按信號復(fù)用方式分類:頻分復(fù)用(FDM:FrequencyDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用(TDM:TimeDivisionMultiplexing)碼分復(fù)用(CDM:CodeDivisionMultiplexing)192024/11/15按調(diào)制方式分類:基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸（P6表1-1）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、圖像編碼其他語音編碼方式ADPCM中低速數(shù)字電話調(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202024/11/15按工作波段分類：P7表1-2頻率范圍Hz波長m名稱典型應(yīng)用3~30107~

108極低頻ELF遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信30～300106~

107超低頻SLF水下通信300～3k105~

106特低頻ULF遠(yuǎn)程通信3k~30k104~105

甚低頻VLF遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信、聲納30k~300k103~104

低頻LF導(dǎo)航、水下通信、信標(biāo)300k~3M102~103

中頻MF調(diào)幅廣播、海事通信、業(yè)余無線電3M~30M10~102

高頻HF遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、、海上通信、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10甚高頻VHF電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航、航空通信21c=f按工作波段分類：P7表1-2（續(xù)）頻率范圍Hz波長m符號用途300M~3G10-1~100特高頻UHF電視、地面移動(dòng)通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、GPS3G~30G10-2~10-1超高頻SHF衛(wèi)星通信、微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30G~300G10-3~10-2極高頻EHF雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波接力、射電天文學(xué)3T以上<10-3紫外可見光紅外光通信221.3.2通信方式（P8）(1)按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分

單工舉例半雙工全雙工（Duplex）(2)按數(shù)字信號排列順序分串行并行232024/11/151.4信息及其度量（P10）通信的目的是傳輸信息（消息）24信號（signal）是消息（message）的載體，而信息（Information）是包含在消息中的。信源產(chǎn)生的消息輸出具有不確定性。信息量——消息的不確定性的度量。事件的不確定性——用概率來描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。簡單地說：信息一定具有不確定性。2024/11/151.4信息及其度量（P10）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。（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→∞I與P(x)之間的關(guān)系為：25（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，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…1.4信息及其度量（P10）信息量的單位與對數(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)，信息量的單位為哈特萊(Hartley)。數(shù)字通信中目前廣泛使用的單位為比特(bit)。二進(jìn)制表示。262024/11/151.4信息及其度量（P11）例1–1(等概分布)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27P=1/4的信息量為I=2bitP=1/8的信息量為I=3bitP=1/M的信息量為I=log2M(bit)（1.4-4）若M是2的整冪次，M=2K則1.4信息及其度量（P11）28設(shè)離散信源是一個(gè)由M個(gè)符號組成的符號集，其中每個(gè)符號xi(i=1,2,3,…,M)出現(xiàn)的概率為P(xi)，且有由于H同熱力學(xué)中的熵形式相似，故通常又稱它為信息源的熵（Entropy），其單位為bit/符號。則x1,x2,…,xn所包含的信息量分別為

log2

P(x1),

log2

P(x2),

…,

log2

P(xM)于是，每個(gè)符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為(1.4-6)2024/11/151.4信息及其度量（P11）29離散信源的最大熵：

信源符號等概分布且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，具有最大熵：（這種信源又稱為無記憶離散信源）即：2024/11/151.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（P12）有效性和可靠性。

有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；

可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。二者對立統(tǒng)一，系統(tǒng)中可折中、互換。301.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（P12）31有效性——傳輸速率、傳信率?？煽啃浴铄e(cuò)率、誤碼率。數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)有效性——傳輸帶寬。可靠性——輸出信噪比。模擬通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（P13）32（1）

碼元