第1章通信原理

1、通信原理徐偉強(qiáng)手機(jī)：60013819193697Email：通信原理課的地位通信專業(yè)的骨干核心課程，“承上啟下、頂天立地”的重要作用通信工程 大樹通信原理 主干高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電路信號(hào)、模電數(shù)電、電磁場(chǎng)等等 土壤后續(xù)的專業(yè)課 果實(shí)與通信原理課相關(guān)的前續(xù)課程高等數(shù)學(xué)提供我們理論上分析推導(dǎo)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；概率與隨機(jī)過程指導(dǎo)我們?nèi)绾闻咫S機(jī)信號(hào)（通信中的信號(hào)即為此類信號(hào)）的性質(zhì)、規(guī)律,以及對(duì)其分析的方法。 信號(hào)與系統(tǒng)教會(huì)我們對(duì)確知信號(hào)不僅進(jìn)行時(shí)域分析,而且可以變換到頻域、復(fù)頻域上分析的分析方法；通信原理課的特點(diǎn) 理論性強(qiáng)表現(xiàn)為有大量、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式細(xì)心體會(huì)得到的結(jié)論細(xì)心體會(huì)得到的結(jié)論,動(dòng)手認(rèn)真

2、推導(dǎo)公式動(dòng)手認(rèn)真推導(dǎo)公式 （這對(duì)準(zhǔn)備考（這對(duì)準(zhǔn)備考研的同學(xué)尤為重要）認(rèn)真地對(duì)待每一道習(xí)題。研的同學(xué)尤為重要）認(rèn)真地對(duì)待每一道習(xí)題。通信原理通信原理(第第6版版)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與考研指導(dǎo)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與考研指導(dǎo)作者：曹麗娜作者：曹麗娜;樊昌信樊昌信 ; 出版社：國(guó)防工業(yè)出版社出版社：國(guó)防工業(yè)出版社 ; 出版日期：出版日期：2007-8; ISBN：9787118052268 ; 定價(jià)：定價(jià)：39 元元 通信原理課的特點(diǎn)系統(tǒng)性強(qiáng) 通信原理是對(duì)通信系統(tǒng)的模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的學(xué)習(xí),因此抓住系統(tǒng)的模塊框圖就是抓住了系統(tǒng)的思路,依據(jù)具體模塊框圖可以數(shù)學(xué)地描述信號(hào)從發(fā)端信源、處理（常常是編碼或調(diào)制）、傳輸、逆處理（常常是解

3、碼或解調(diào)）到信宿的全過程。 通信原理課的特點(diǎn)物理性強(qiáng) 通信系統(tǒng)中的原理和物理量都有明確的物理意義,在學(xué)習(xí)的過程中必須仔細(xì)體會(huì)、深刻理解 對(duì)公式要仔細(xì)分析：有哪些物理量？量綱？這些量都是如何相互聯(lián)系、相互作用的？公式運(yùn)用的條件？公式能得出什么結(jié)論？ 通信原理第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。n消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。n實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái) u電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和

4、計(jì)算機(jī)通信等。 第第1章章 緒論緒論n電信發(fā)明史u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報(bào)u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機(jī)問世u1936年：商業(yè)電視廣播開播 n后面講述中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。n在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。 第第1章章 緒論緒論l1.2 通信系統(tǒng)的組成n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型u信息源（簡(jiǎn)稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。u發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。u信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線

5、信道兩大類。u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。第第1章章 緒論緒論u接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。 u受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。第第1章章 緒論緒論n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型u模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)p模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓： (a) 話音信號(hào) (b) 抽樣信號(hào)圖1-2 模擬信號(hào)第第1章章 緒論緒論p數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值為有限個(gè)，例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：u通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 (a)

6、 二進(jìn)制信號(hào) (b) 2PSK信號(hào)圖1-3 數(shù)字信號(hào)第第1章章 緒論緒論u模擬通信系統(tǒng)模型p模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)：p兩種變換：模擬消息 原始電信號(hào)（基帶信號(hào)）基帶信號(hào) 已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型第第1章章 緒論緒論u數(shù)字通信系統(tǒng)模型p數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng) p信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換 p信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力p加密與解密目的：保證所傳信息的安全p數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào) p同步目的：使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型第第1章章

7、緒論緒論n1.2.3 數(shù)字通信的特點(diǎn)u優(yōu)點(diǎn)p抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累p傳輸差錯(cuò)可控p便于處理、變換、存儲(chǔ)p便于將來自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸p易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕p易于加密處理，且保密性好u缺點(diǎn)：p需要較大的傳輸帶寬p對(duì)同步要求高第第1章章 緒論緒論l1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式n1.3.1 通信系統(tǒng)的分類u按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng) u按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng) 調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，詳見書中表1-1。u按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)u按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng) u按工

8、作波段分類：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信 u按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用 表表 1- 1常見的調(diào)制方式常見的調(diào)制方式 調(diào)調(diào) 制制 方方 式式 用途用途 載載波波調(diào)調(diào)制制線性調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅抑制載波雙邊帶調(diào)幅 立體聲廣播立體聲廣播 單邊帶調(diào)幅單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳 殘留邊帶調(diào)幅殘留邊帶調(diào)幅VSB 電視廣播、電視廣播、 數(shù)傳、數(shù)傳、 傳真?zhèn)髡?非線性調(diào)制非線性調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播 相位調(diào)制相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式 數(shù)

9、字調(diào)制數(shù)字調(diào)制幅度鍵控幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 頻移鍵控頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 調(diào)調(diào) 制制 方方 式式 用途用途 脈沖脈沖調(diào)制調(diào)制數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等等 數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微波、數(shù)字微波、 空間通信空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、 MSK等等 數(shù)字微波、數(shù)字微波、 空間通信空間通信 脈沖模擬調(diào)脈沖模擬調(diào)制制脈幅調(diào)制脈幅調(diào)制PAM 中間調(diào)制方式、中間調(diào)制方式、 遙測(cè)遙測(cè) 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制PDM(PWM) 中間調(diào)制方式中間調(diào)制方式 脈位調(diào)制脈位調(diào)制PPM 遙測(cè)、遙測(cè)、 光纖傳輸光纖傳輸 脈沖數(shù)字調(diào)脈沖數(shù)字調(diào)制制脈

10、碼調(diào)制脈碼調(diào)制PCM 市話、市話、 衛(wèi)星、衛(wèi)星、 空間通信空間通信 增量調(diào)制增量調(diào)制DM 軍用、軍用、 民用電話民用電話 差分脈碼調(diào)制差分脈碼調(diào)制DPCM 電視電話、電視電話、 圖像編碼圖像編碼 其他語言編碼方式其他語言編碼方式ADPCM、 APC、 LPC 中低速數(shù)字電話中低速數(shù)字電話 續(xù)表（續(xù)表（2）第第1章章 緒論緒論n1.3.2 通信方式u單工、半雙工和全雙工通信p單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞絧半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式p全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式 第第1章章 緒論緒論u并行傳輸和串行傳輸p并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼

11、元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施缺點(diǎn)：需要 n 條通信線路，成本高 第第1章章 緒論緒論p串行傳輸 ：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施u其他分類方式：p同步通信和異步通信p專線通信和網(wǎng)通信第第1章章 緒論緒論l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容n如何度量離散消息中所含的信息量?u度量信息量的原則p能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。p度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。p消息中所含信息量和

12、消息內(nèi)容的不確定性有關(guān)【例】 “某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 第第1章章 緒論緒論u度量信息量的方法p事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。 p設(shè)：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， p則 P(x) 和 I 之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x)P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時(shí)，I 0； P(x) = 0時(shí)，I ； p 滿足上述3條件的關(guān)系式如下：信息量的定義)()()()(2121xP

13、IxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa第第1章章 緒論緒論p上式中對(duì)數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡(jiǎn)記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley) 。p通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有(b)p【例】例】 設(shè)一個(gè)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 p在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特 )(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II第第1章章

14、 緒論緒論p若有M個(gè)等概率波形（P = 1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為p若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當(dāng)M = 4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I = 2比特，當(dāng)M = 8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I = 3比特。)b(log/11log1log222MMPI2log 2( )kIkb第第1章章 緒論緒論p對(duì)于非等概率情況設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個(gè)符號(hào)所含平均信息量為由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式

15、相似，故稱它為信息源的熵 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/(1.4 6)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號(hào)）第第1章章 緒論緒論u【例例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符號(hào)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(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息2010201302130 012032101003210100231020

16、02010312032100120210的信息量?！窘狻俊窘狻看讼⒅校?”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(hào)，故該消息的信息量每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log232222I符號(hào)）比特符號(hào)數(shù)/(89. 157108II第第1章章 緒論緒論若用熵的概念來計(jì)算：則該消息的信息量 以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小。當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。符號(hào)）（比特/906. 181log8141

17、log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I第第1章章 緒論緒論n連續(xù)消息的信息量關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述。可以證明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。 ( )logaH xfxfx dx 第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)n通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性u(píng)有效性：指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘繒r(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。u可靠性：指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。n模擬通信系統(tǒng)：u有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 第第1章章 緒論緒論n數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 p碼元傳輸速率RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)記為B。式中T 碼元的持續(xù)時(shí)間（秒） p信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為 b/s ，或bps 1(B)BRT第第1章章 緒論緒論p碼元速