信息與通信通信原理

課程名稱——通信系統(tǒng)原理CommunicationSystemsConcepts開場白通信系統(tǒng)原理是一門介紹信息傳輸基本原（理論和技術）的課程。它的研究對象是通信系統(tǒng)。一、本課的重要性:1、入專業(yè)之門。2、墊專業(yè)之底。3、領專業(yè)之路。理通信網(wǎng)中涉及傳輸（Transmission）、復用（Multiplexing）、交換（Switching）、網(wǎng)絡（Network）四大技術,通信系統(tǒng)原理重點介紹傳輸和復用。二、目的要求:1、明白原理。2、學會計算。3、聯(lián)系實際。三、學習要領:1、求真知。2、常復習。3、重自學。參考書·《通信原理（第5版）》樊昌信等·《通信原理》馬海武等·《現(xiàn)代通信原理》曹志剛、錢亞生·《通信系統(tǒng)（第四版）》英文版〔電子工業(yè)出版社·《DigitalandAnalogCommunicatiLeonW.CouchII清華大學出版社國防工業(yè)出版社北京郵電大學出版社清華大學出版社加〕

SimonHaykinonSystems》（第五版）（影印版)·郝建軍

、尹長川

北京郵電大學出版社·《通信原理習題集》

楊鴻文

、桑林北京郵電大學出版社教材

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《通信原理教程》

達新宇等社·《通信原理

－學習與考研指導》·《通信原理考研指導》沙濟彰等科學出版社信息通信專業(yè)考研指導叢書教材及參考書北京郵電大學出版第1章緒論本章教學要求:1、掌握信息量和通信系統(tǒng)主要性能指標的計算；掌握恒參信道和隨參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊憽?、熟悉通信基本概念（通信、消息、信號、信息等）3、理解信道的定義和模型。4、了解通信系統(tǒng)模型、分類和通信方式。主要外語詞匯通信（Communication）電信（Telecommunication消息(Message)信號(Signal)信息（Informatio模擬通信（AnalogCommunication）數(shù)字通信（DigitalCommunication）信息量（AmountofInformation）信道（Channels）信道容量（ChannelCapacity）信噪比（Signal-to-noiseratio,簡寫SNR）噪聲（Noise）信息熵（InformationEntropy）P213,4,7,8,18,19作業(yè)本章主要內(nèi)容11..11通通信信的的基基本本概概念念11..22通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的組組成成11..33通通信信發(fā)發(fā)展展概概況況11..44信信息息及及其其量量度度11..55通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的主主要要性性能能指指標標11..66信信道道11..66..11信信道道的的分分類類和和有有關關概概念念11..66..22恒恒參參信信道道特特性性及及其其對對信信號號傳傳輸輸?shù)牡挠坝绊戫?1..66..33隨隨參參信信道道特特性性及及其其對對信信號號傳傳輸輸?shù)牡挠坝绊戫憽?.1通信的基本概念一、通信的定義?通信（communication）————指從一個地方向另一個地方進行消息的有效傳遞與交換。?電信（Telecommunication）————利用電子等技術手段,借助電信號（含光信號）實現(xiàn)從一地向另一地進行消息的有效傳遞與交換。未來的個人通信——任何人（Whoever）

在任何時候（Whenever）

和任何地方（Wherever）

與另一人（Whomever）以任何方式（Whatever）

進行信息的實地實時全

天候的交互。1

、

電報4

、廣播2

、

電話5

、

電視3

、傳真6

、

因特網(wǎng)二

、現(xiàn)代通信的業(yè)務內(nèi)容三、消息、信號和信息1、消息（message）——有待傳輸?shù)姆?、文字、?shù)據(jù)和語聲等。2、信號（signal）——與消息相對應的電或光的波形,是消息的物質(zhì)載體。3、信息（information）——消息中包含的有意義（有的內(nèi)容。不同形式的消息可包含相同信息。1、按信號形式分:模擬通信和數(shù)字通信2、按傳輸媒介分:有線通信和無線通信3、按通信業(yè)務分:電報、電話、傳真、數(shù)據(jù)傳輸、可視電話、無線尋呼等4、按調(diào)制方式分:基帶傳輸和頻帶傳輸5、按復用方式分:頻分復用、時分復用、碼分復用6、按工作頻段分:長波通信、中波通信、短波通信和微波通信7、按收信者是否運動分:移動通信和固定通信四

、

通信系統(tǒng)的分類五、通信方式1.按消息傳送的方向與時間分圖

1-

1

按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式(a)單工方式；

(b)半雙工方式；

(c)全雙工方式圖

1-2按數(shù)字信號排序劃分的通信方式

(a)

串行傳輸方式

；

(b)并行傳輸方式2.按數(shù)字信號排序分圖

1-3按網(wǎng)絡形式劃分的通信方式(a)兩點間直通方式；

(b)廣播方式；

(c)交換方式3.按通信網(wǎng)絡形式分§1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)模型:圖

1-4通信系統(tǒng)的模型數(shù)字信號與模擬信號模擬信號:代表消息的參量是連續(xù)的或在某一范圍內(nèi)可以取無窮多個值，時間上不一定連續(xù)；數(shù)字信號:代表消息的參量是離散或可數(shù)的，時間上不一定離散；數(shù)字信號波形(a)二進制波形(b)2PSK波形模擬信號波形

(a)連續(xù)信號

(b)抽樣信號

信道解調(diào)

信宿

噪聲源二

、模擬通信系統(tǒng)（第3章）

（AnalogCommunication）圖

1-5模擬通信系統(tǒng)的模型信源

調(diào)制信源

編碼信道解碼

信宿噪聲源圖

1-6數(shù)字基帶通信系統(tǒng)的模型三

、數(shù)字通信系統(tǒng)（Digital

Communication）1

、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（第4章）2

、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)（第5章）圖

1-7數(shù)字頻帶通信系統(tǒng)的模型四、數(shù)字通信系統(tǒng)優(yōu)點與模擬通信比較，數(shù)字通信主要有以下五大好處:1、通信質(zhì)量好，噪聲不累積。2、可以通過編碼進行差錯控制，改善傳輸質(zhì)量。3、可利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術處理數(shù)字信息。4、可加密，保安全。5、可實現(xiàn)綜合業(yè)務，使通信功能增強。圖1-8

兩類通信方式抗干擾性能比較

(a)模擬信號；(b)數(shù)字信號圖1-9模擬信號數(shù)字化通信系統(tǒng)的模型A/D轉(zhuǎn)換（Analog—digitalconversion）:模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)D/A轉(zhuǎn)換（Digital—analogconversion）:數(shù)字——模擬轉(zhuǎn)模擬信號數(shù)字化通信系統(tǒng)（第6章）數(shù)字通信系統(tǒng)模擬

信宿模擬

信源A/DD/A§

1.3通信技術發(fā)展概況一

、通信發(fā)展簡史表表

11--11通信重大事二、通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（第11章）1.光纖通信光纖通信具有容量大、成本低等優(yōu)點,且不怕電磁干擾,與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。因此,自1977年世界上第一個光纖通信系統(tǒng)在芝加哥投入運行以來,光纖通信發(fā)展極為迅速,新器件、新工藝、新技術不斷涌現(xiàn),性能日臻完善。由于長波長激光器和單模光纖的出現(xiàn),使每芯光纖通話路數(shù)可高達百萬路,中繼距離將達到100km,市話中繼光纖成本也連續(xù)大幅度下降。我國近幾年來光纖通信已得到了快速發(fā)展,目前光纜長度累計近幾十萬km。我國已不再敷設同軸電纜,新的工程將全部采用光纖通信新技術。2.衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠,覆蓋面積廣,不受地理條件限制,可以大容量傳輸,建設周期短,可靠性高等。自1960年第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來,衛(wèi)星通信發(fā)展特別迅猛。目前,衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球,僅國際衛(wèi)星通信組織就擁有數(shù)十萬條話路。衛(wèi)星通信的廣泛應用,使國際間重大活動能及時得以實況轉(zhuǎn)播,它使全世界人與人之間的“距離”縮短。3.移動通信移動通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段,它是隨著汽車、飛機、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來的。近10年來,在微電子技術和計算機技術的推動下,移動通信從過去簡單的無線對講或廣播方式發(fā)展成為一個把有線、無線融為一體,固定、移動相互連通的全國規(guī)模,甚至全球范圍的通信系統(tǒng)。移動通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。20世紀90年代是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在多種不同的技術體制,互不兼容,因此標準化成為當務之急。數(shù)字化的關鍵是調(diào)制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標是研制重量非常輕的個人攜帶的手機。4.微波中繼通信微波中繼通信始于20世紀60年代,它較一般電纜通信具有易架設,建設周期短等優(yōu)點。它是目前通信的主要手段之一,主要用來傳輸長途電話和電視節(jié)目,其調(diào)制主要采用SSB/FM/FDM等方式。微波中繼通信的主要發(fā)展方向是數(shù)字微波,同時要不斷增加系統(tǒng)容量,增加容量的途徑是向多電平調(diào)制技術發(fā)展。目前采用的調(diào)制方式有16QAM和64QAM,并已出現(xiàn)256QAM、1024QAM等超多電平調(diào)制的方式。采用多電平調(diào)制,在40MHz的標準頻道間隔內(nèi),可傳送1920至7680路PCM數(shù)字電話。§1.4信息及其量度我們定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量,通常用I表示。這說明信息有量值可言,并且信息所包含的事件越不可發(fā)生,人們就越感興趣,信息量就越大。顯然,信息量與事件發(fā)生的概率有關,事件出現(xiàn)的概率越小,信息量就越大；必然事件的概率為1,則它傳遞的信息量就為0。一、信息量的定義:1、信息是消息（信號）的不確定性的度量。有不確定性，才有“惑”要解。確定事物不含信息。通信是消除不確定性的過程。可用通信所消除的不確定性的多少來定義所傳輸信息的多少。2、不確定性來自客觀事物本身的隨機性，可以用概率統(tǒng)計來定量描述之。3、概率為1的事件，不存在不確定性；概率越小，不確定性越大。用不確定性的大小表達信息，應與概率的倒數(shù)有關。I∝1/P4、若干獨立事件的總信息量應等于各事件信息量的總和；而獨立事件聯(lián)合概率是各事件概率的乘積。為此定義:I＝log（1/P）＝－logP則有:當P＝P1P2……Pn時，I=I1+I2+……+In5、對數(shù)以2為底時，信息量的單位叫“比特”。（bit）對數(shù)以e為底時，信息量的單位叫“奈特”。（nit）對數(shù)以10為底時，信息量的單位叫“哈特萊”。（hartley）通常廣泛使用的單位為比特。二、信息熵（平均信息量）所謂平均信息量是指每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值。1．離散信源的熵已知信源發(fā)出M個不同消息（符號）的概率分別為Pi，（i＝1、2、3……M）則發(fā)不同消息（符號）時各信息量不同:（i＝1、2、3……M）平均而言，發(fā)出一個符號的信息量為:2.離散信源的最大熵H0=Hmax=log2M發(fā)生在P1=P2=……=PM=1/M的等概情況下。二元等概信源H0=log22=1，每位碼元所含信息量為1比特。3.連續(xù)信源的熵（相對熵）式中f(x)為連續(xù)消息x出現(xiàn)的概率密度函數(shù)。例1設由5個符號組成的信息源,相應概率為1

、有效性5

、保密性2

、可靠性6

、標準性3

、適應性7

、維修性4

、經(jīng)濟性8

、工藝性§

1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標一、一般通信系統(tǒng)的性能指標: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確程度,也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一,通常還可以進行互換。通信的任務是快速、準確地傳遞信息。因此,評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標是系統(tǒng)的有效性和可靠性。來度量。可靠性用接收端最終輸出信噪比來度量。有效性可用帶寬（信號所占用的頻率范圍的寬度）二、模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性指標:S為信號功率,N為噪聲功率。三、數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性指標:1、有效性數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量。 （1）碼元傳輸速率RB——簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。數(shù)字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數(shù)無關,只與傳輸?shù)拇a元長度T有關:通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的進制。在保證信息速率不變的情況下，M進制的碼元速率RBM與二進制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關系:RB2=RBMlog2M(B)M=2k(k=1,2,3……)注:log2＝lb （2）信息傳輸速率Rb——簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。（3）碼元速率RB和信息速率Rb的關系Rb=RB·H(b/s)式中,H為信源中每個符號所含的平均信息量（熵）。等概傳輸時,熵有最大值H=log2M,信息速率也達到最大,即Rb=RBlog2M(b/s)式中,M為符號的進制數(shù)。例如碼元速率為1200B,采用八進制（M=8）時,最大信息速率為3600b/s；采用二進制（M=2）時,最大信息速率為1200b/s。可見,二進制的碼元速率和最大信息