第1章清華大學(xué)通信原理課件內(nèi)部資料緒論sxq

《現(xiàn)代通信原理》(第三版)宋祖順?biāo)螘郧谒纹骄庪娮庸I(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理》1一、信息學(xué)科特點(diǎn)信息學(xué)科是當(dāng)代科學(xué)的前沿學(xué)科對(duì)幾乎所有其他學(xué)科都有很強(qiáng)的滲透性，生動(dòng)體現(xiàn)出整個(gè)學(xué)科在信息時(shí)代科技進(jìn)步中的先導(dǎo)作用從20世紀(jì)末到21世紀(jì)中葉，人類處在一個(gè)科學(xué)高度分化又高度綜合的時(shí)代。信息科學(xué)和技術(shù)在整個(gè)科學(xué)之中，依然是發(fā)展最迅速的學(xué)科一、信息學(xué)科特點(diǎn)信息學(xué)科是當(dāng)代科學(xué)的前沿學(xué)科21.通信的過(guò)程：信息的采集信息的加工處理信息的傳輸信息的交換信息的利用二、課程的地位與作用1.通信的過(guò)程：二、課程的地位與作用32.以人民防空系統(tǒng)為例詳解上述過(guò)程：

雷達(dá)獲取來(lái)犯敵機(jī)或?qū)椥畔?duì)信息進(jìn)行處理，如編碼、經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換等信息從雷達(dá)站向上級(jí)傳送信息經(jīng)逐級(jí)交換傳送至中央由中央決定對(duì)來(lái)犯者實(shí)施打擊或驅(qū)逐2.以人民防空系統(tǒng)為例詳解上述過(guò)程：雷達(dá)獲取來(lái)4模擬系統(tǒng)線性調(diào)制

AM，DSB，SSB，VSB非線性調(diào)制PM，F(xiàn)M數(shù)字系統(tǒng)基帶系統(tǒng)頻帶系統(tǒng)工具：信號(hào)、噪聲和信道的分析；信息論知識(shí)模/數(shù)變換：脈沖調(diào)制

PAM，PCM，DPCM多路傳輸、同步技術(shù)最佳接收、糾錯(cuò)編碼改善性能ASK，F(xiàn)SK，PSK，DPSK

基本原理、實(shí)現(xiàn)方法、性能分析！3、課程的內(nèi)容模擬系統(tǒng)線性調(diào)制AM，DSB，SSB，VSB非線性調(diào)制P5三、《現(xiàn)代通信原理》章節(jié)

1. 緒論

2. 統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析

3. 模擬調(diào)制

4. 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸

5. 數(shù)字基帶傳輸

6. 數(shù)字調(diào)制

7. 數(shù)字信號(hào)的最佳接收

8. 同步技術(shù)

9. 信道編碼10. 通信原理實(shí)驗(yàn)三、《現(xiàn)代通信原理》章節(jié)1. 緒論6四、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)

*模擬調(diào)制模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸*基帶傳輸數(shù)字調(diào)制*最佳接收四、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)*模擬調(diào)制7第1章緒論

《現(xiàn)代通信原理（第三版）》宋祖順 宋曉勤 宋平電子工業(yè)出版社第1章緒論《現(xiàn)代通信原理（第三版8通信發(fā)展簡(jiǎn)史1通信系統(tǒng)的基本模型2通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)3信息量與香農(nóng)公式4第1章 緒論5數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信發(fā)展簡(jiǎn)史1通信系統(tǒng)的基本模型2通信系統(tǒng)分類和數(shù)字91.1通信發(fā)展簡(jiǎn)史電通信起源于18世紀(jì)末，開始用于軍事目的是19世紀(jì)初。1876年貝爾發(fā)明了電話。1895年馬可尼和波波夫同時(shí)別實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電通信。1929年貝爾實(shí)驗(yàn)室第一次進(jìn)行了電視試驗(yàn)。1946年美國(guó)造了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，到了20世紀(jì)50年代末開始了計(jì)算機(jī)通信。1956年美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)出第一個(gè)無(wú)線電尋呼機(jī)。1.1通信發(fā)展簡(jiǎn)史電通信起源于18世紀(jì)末，開始用于101957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，人類開始了空間通信。1962年美國(guó)發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通信步入實(shí)用階段。1966年美籍華人高錕提出光纖通信設(shè)想，十多年后實(shí)現(xiàn)了光纖通信。1970年第一部商用數(shù)字時(shí)分程控電話交換機(jī)在法國(guó)投入使用。1978年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)。1985年英國(guó)電信公司開設(shè)了綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。1986年歐洲推出泛歐數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)(GSM)并于1991年在歐洲開始商用。1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，人類開始了空間通信。111989年美國(guó)科克姆公司開始碼分多址數(shù)字蜂窩通信試驗(yàn)，93年生產(chǎn)出第一批雙模式移動(dòng)臺(tái)，此后CDMA席卷世界。1991年美國(guó)國(guó)防部“易通話”計(jì)劃提出軟件無(wú)線電概念，94年10月完成第一階段計(jì)劃并進(jìn)行演示。1994年國(guó)際最大的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(英特網(wǎng))商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)了世界范圍的網(wǎng)絡(luò)資源共享。2000年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)確定W-CDMA，CDMA-2000和TD-SCDMA三大主流無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)寫入第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)技術(shù)指導(dǎo)性文件。2006年后3G，4G技術(shù)的發(fā)展。1989年美國(guó)科克姆公司開始碼分多址數(shù)字蜂窩通信試驗(yàn)，93年12我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展以光纖為骨干，輔以微波、衛(wèi)是信道的“八縱八橫”高速傳輸系統(tǒng)覆蓋全國(guó)。金橋、金關(guān)、金卡、金稅、金企、金農(nóng)、金智、金策的“八金工程”巳經(jīng)建成。農(nóng)信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程和RFID工程列為六大專項(xiàng)工程正在建設(shè)。至2010年10月，我國(guó)固定電話達(dá)3.01億戶，手機(jī)用戶達(dá)8.3億部。我國(guó)固定電話網(wǎng)和移動(dòng)電話網(wǎng)均為世界第一大網(wǎng)。我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展13信源和輸入變換信道輸出變換和信宿發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備噪聲源消息傳輸?shù)哪康牡禺a(chǎn)生需傳輸?shù)南⒋嬖谟诎l(fā)信機(jī)、信道、收信機(jī),通常用等效噪聲源來(lái)表示發(fā)送設(shè)備：加工信號(hào)將消息轉(zhuǎn)換為合適在信道傳輸?shù)男盘?hào)接收設(shè)備：減小噪聲及干擾的影響，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為信宿能接收的信號(hào)信道：傳輸媒介(有線信道&無(wú)線信道1.2通信系統(tǒng)的基本模型信源和信道輸出變換發(fā)送接收噪聲源消息傳輸?shù)哪康牡禺a(chǎn)生需傳輸?shù)?41.3通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)1.通信系統(tǒng)分類：按收、發(fā)兩地有沒(méi)有線路連接分為：

有線通信和無(wú)線通信按消息的形式（通信業(yè)務(wù)的種類）分為：

電話、電報(bào)、傳真、電視按信號(hào)的性質(zhì)分為：

模擬通信和數(shù)字通信1.3通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)1.通信系統(tǒng)分類：15模擬通信與數(shù)字通信：

信道上傳輸?shù)氖悄M信號(hào)稱為模擬通信。

信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)稱為數(shù)字通信。

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)：

凡信號(hào)的某一參量可以取無(wú)限多個(gè)值，并且直接與消息對(duì)應(yīng)的信號(hào)稱為模擬信號(hào)。凡信號(hào)的某一參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接或者不準(zhǔn)確地與消息對(duì)應(yīng)的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。模擬通信與數(shù)字通信：16信號(hào)舉例信號(hào)舉例17信號(hào)舉例信號(hào)舉例18AMDSBSSBVSBFMPM信源信道聲噪變換器調(diào)制器發(fā)射機(jī)接收機(jī)解調(diào)器反變換器受信者解調(diào)：從已調(diào)信號(hào)中還原出被傳輸?shù)牡皖l信息信號(hào)。調(diào)制：將基帶信號(hào)變換成另一信號(hào)，以提高系統(tǒng)傳輸信息的效率和質(zhì)量。通常做頻率上的變換。核心部件為調(diào)制解調(diào)器模擬通信系統(tǒng)模型AM信源信道聲噪變換器調(diào)制器發(fā)射機(jī)接收機(jī)解調(diào)器反變換器受信者19信道信源基帶信號(hào)成形信宿噪聲同步系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)接收濾波器數(shù)字通信系統(tǒng)模型（基帶）信道信源基帶信號(hào)成形信宿噪聲同步系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)接收濾波20數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型（頻帶）信息源信道聲噪信源編碼信道編碼調(diào)制器解調(diào)器信道譯碼信源譯碼受信者同步系統(tǒng)加密解密交織解交織ASKFSKPSKDPSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型（頻帶）信息源信道聲噪信源21信源編（譯）碼：a）變換信源信號(hào)的表達(dá)方式，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào)，使其便于傳輸

b）壓縮信源信號(hào)的冗余成分，提高系統(tǒng)的傳輸效率。

A/D轉(zhuǎn)換、波形變換、參數(shù)編碼等信道編（譯）碼：通過(guò)有目的的增加信息的冗余度，使系統(tǒng)具有一定的糾檢錯(cuò)能力，提高系統(tǒng)傳輸信息的質(zhì)量。

分組碼、卷積碼、級(jí)聯(lián)碼等信源編（譯）碼：22

抗干擾能力強(qiáng)，特別在中繼傳輸時(shí)更明顯?？梢赃M(jìn)行差錯(cuò)控制，因而提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

便于使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)和變換從而提高信息傳輸?shù)撵`活性。

便于加密，實(shí)現(xiàn)保密信息傳輸。

便于系統(tǒng)集成。成本低、體積小、可靠性高。

可傳輸種類更多的消息，使通信系統(tǒng)更靈活，通用。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，特別在中繼傳輸時(shí)更明顯。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)23占用頻帶較寬系統(tǒng)復(fù)雜。如：模擬電話4KHz傳輸質(zhì)量相同的數(shù)字電話20～60KHz數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)占用頻帶較寬如：模擬電話4KHz數(shù)字通信系241.4信息量與香農(nóng)公式消息、信號(hào)與信息的基本概念：

消息—人或事物情況的報(bào)道。

信號(hào)—消息的載體或消息的攜帶者(對(duì)電通信，信號(hào)是指電流或電壓的幅度、頻率、相位；無(wú)線電波、光波等等)。

信息—對(duì)接收者事先不知道的消息(信息與不確定性緊密相關(guān)，越出人意料，信息量越大)。1.4信息量與香農(nóng)公式消息、信號(hào)與信息的基本概念：25信息的度量

1)

信息量的定義：假設(shè)信源由共

個(gè)離散符號(hào)組成，并且每個(gè)符號(hào)獨(dú)立，其中任一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率為則si的信息量上述對(duì)數(shù)以2為底，則信息量的單位為比特(bit)信息的度量26

2)討論

(a)等概二元制信源，每一個(gè)符號(hào)的信息量為1比特。如：并且等概二元制信號(hào)，是最簡(jiǎn)單的信息，每個(gè)符號(hào)的信息量為1比特，因此，它作為信息量的單位是非常適合的。(b)信息量的概念與概率聯(lián)系在一起，概率越小信息量越大，符合人們對(duì)信息的理解。2)討論(b)信息量的概念與概率聯(lián)系在一起27

(c)信息量用對(duì)數(shù)表示，能準(zhǔn)確地表達(dá)信息的本質(zhì)。

i)確定符號(hào)概率為1，取對(duì)數(shù)為0，表示信息量為0。

ii)多個(gè)符號(hào)總信息量為各個(gè)符號(hào)信息量之和。如三個(gè)等概二元制符號(hào)的信息量I(3s)=3I(s)，即三個(gè)符號(hào)的信息量是單個(gè)符號(hào)信息量的三倍。因3個(gè)二元制符號(hào)共有8種狀態(tài)000、001、……111,所以每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率為1/8，

I(3s)=-lb1/8=3l(s)=1

所以l(3s)=3l(s)

iii)信息量最小為0，不會(huì)為負(fù)。因概率在1~0之間，取對(duì)數(shù)則在0~無(wú)窮大之間，它不會(huì)為負(fù)數(shù)。因此，對(duì)數(shù)能準(zhǔn)確地表示信息量的意義。

28平均信息量(熵)

當(dāng)信源等概時(shí),有最大值。平均信息量(熵)291)熵的物理概念是：每個(gè)符號(hào)的平均信息量，單位是比特/符號(hào)。2)熵是非負(fù)的，最小為零。3)當(dāng)信源符號(hào)等概時(shí)，熵有最大值記為4)只要信源不等概，則熵有如下性質(zhì)1)熵的物理概念是：每個(gè)符號(hào)的平均信息量，單位是比特/符號(hào)30若A、B、C、D等概，求平均信息量。例1若A、B、C、D等概，求平均信息量。例131例2設(shè)A、B、C、D四個(gè)消息分別以概率1/4、1/8、1/8、1/2傳送，求平均信息量。例2設(shè)A、B、C、D四個(gè)消息分別以概率1/4、1/8、1/832一離散信源由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。試求該信源的熵。例3用熵的概念來(lái)計(jì)算：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33香農(nóng)公式：香農(nóng)公式給出了信道最大的無(wú)差錯(cuò)傳輸速率。香農(nóng)公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密度為n0，噪聲功率N=n0B

，則香農(nóng)公式：香農(nóng)公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密34a)增大信號(hào)功率S可以增加信道容量C。若信號(hào)功率S趨于無(wú)窮大時(shí)，則信道容量C也趨于無(wú)窮大b)減小噪聲功率譜密度n0

也可以增加信道容量C。若n0趨于零，則C趨于無(wú)窮大關(guān)于香農(nóng)公式的幾點(diǎn)討論（1）在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。（2）提高信道容量的方法:a)增大信號(hào)功率S可以增加信道容量C。b)減小噪聲功率譜35當(dāng)信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量C的極限值為c)

增大信道帶寬B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C無(wú)限制地增大。 當(dāng)信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量C的極限值為c)增大信道36（3）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。

若增加信道帶寬，可以適當(dāng)降低信噪比，反之亦然。當(dāng)信道容量C給定時(shí)，B1，S1/N1和B2，S2/N2分別表示互換前后的帶寬和信噪比，則有（4）當(dāng)信道傳輸?shù)男畔⒘坎蛔儠r(shí)，信道帶寬B、信噪比S/N是可以互換的。

（5）香農(nóng)公式并沒(méi)有給出帶寬與信噪比互換的具體方法。（3）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。（437

在傳輸圖片時(shí)，每幀約個(gè)象素。為了接收端能良好的重現(xiàn)，需要12個(gè)等級(jí)的亮度，假定所有的亮度等級(jí)等概出現(xiàn)，信道的信噪比為30dB，1）若傳送一張圖片所需時(shí)間改為3min，則所需的信道帶寬？2）若在帶寬為3.4kHz的線路上傳輸這種圖片，試問(wèn)傳輸一張圖片所需的時(shí)間為多少？例4解：每個(gè)像素的平均信息量：每幀的平均信息量：傳信率：信道帶寬：在傳輸圖片時(shí)，每幀約個(gè)象素。為了接381.5數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.概述有效性、可靠性、適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)性、經(jīng)濟(jì)性、及美觀大方，便于維修等等都是通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。其中最重要的是有效性與可靠性。有效性——快可靠性——正確1.5數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.概述392.模擬通信系統(tǒng)的有效性與可靠性有效性：取決于消息所含的信息量及對(duì)消息的處理。

通過(guò)有效傳輸帶寬Ｂ來(lái)衡量可靠性：與原信號(hào)的相似程度。

用均方誤差或信噪比表征2.模擬通信系統(tǒng)的有效性與可靠性403.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性與可靠性

(1)有效性：用碼元速率(傳碼率)及信息速率(傳信率)來(lái)表征。

碼元速率：每秒鐘傳送碼元的個(gè)數(shù)，用表示，單位為波特，記為B。僅有碼元速率表示有效性是不夠的，例如對(duì)八種天氣進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)晴云陰雨雪霧霜雹八進(jìn)制01234567

二進(jìn)制000001010011100101110111若每秒鐘報(bào)告一次，則八進(jìn)制碼元速率為1B，則二進(jìn)制碼元速率為3B是否二元制系統(tǒng)有效性高呢？結(jié)論是否定的，因?yàn)閮蓚€(gè)系統(tǒng)完成的工作是一樣的，都是進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，八種天氣，每秒鐘報(bào)告一次。因此，有效性僅用碼元速率來(lái)衡量有失公允。3.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性與可靠性41

信息速率：每秒鐘傳送的信息量，用表示，單位為比特/秒，簡(jiǎn)記為b/s。二進(jìn)制系統(tǒng)，碼元速率與信息速率之間關(guān)系(僅僅數(shù)值相等，單位并不相同)：

多進(jìn)制系統(tǒng)，碼元速率與信息速率之間關(guān)系(僅僅數(shù)值相等，單位并不相同)：

若保持信息速率不變，N進(jìn)制系統(tǒng)與二進(jìn)制系統(tǒng)碼元速率之間的關(guān)系為：

信息速率：每秒鐘傳送的信息42

(2)可靠性：用誤碼率、誤信率、誤字率等來(lái)衡量。

(2)可靠性：用誤碼率、誤信率、誤字率等來(lái)衡量。43作業(yè)習(xí)題1

習(xí)題2習(xí)題6例4(2)（本章計(jì)算題所需的知識(shí)點(diǎn)：①信息量與熵的計(jì)算、②香農(nóng)公式、③碼元速率與信息速率的轉(zhuǎn)換）作業(yè)習(xí)題144

《現(xiàn)代通信原理》(第三版)宋祖順?biāo)螘郧谒纹骄庪娮庸I(yè)出版社《現(xiàn)代通信原理》45一、信息學(xué)科特點(diǎn)信息學(xué)科是當(dāng)代科學(xué)的前沿學(xué)科對(duì)幾乎所有其他學(xué)科都有很強(qiáng)的滲透性，生動(dòng)體現(xiàn)出整個(gè)學(xué)科在信息時(shí)代科技進(jìn)步中的先導(dǎo)作用從20世紀(jì)末到21世紀(jì)中葉，人類處在一個(gè)科學(xué)高度分化又高度綜合的時(shí)代。信息科學(xué)和技術(shù)在整個(gè)科學(xué)之中，依然是發(fā)展最迅速的學(xué)科一、信息學(xué)科特點(diǎn)信息學(xué)科是當(dāng)代科學(xué)的前沿學(xué)科461.通信的過(guò)程：信息的采集信息的加工處理信息的傳輸信息的交換信息的利用二、課程的地位與作用1.通信的過(guò)程：二、課程的地位與作用472.以人民防空系統(tǒng)為例詳解上述過(guò)程：

雷達(dá)獲取來(lái)犯敵機(jī)或?qū)椥畔?duì)信息進(jìn)行處理，如編碼、經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換等信息從雷達(dá)站向上級(jí)傳送信息經(jīng)逐級(jí)交換傳送至中央由中央決定對(duì)來(lái)犯者實(shí)施打擊或驅(qū)逐2.以人民防空系統(tǒng)為例詳解上述過(guò)程：雷達(dá)獲取來(lái)48模擬系統(tǒng)線性調(diào)制

AM，DSB，SSB，VSB非線性調(diào)制PM，F(xiàn)M數(shù)字系統(tǒng)基帶系統(tǒng)頻帶系統(tǒng)工具：信號(hào)、噪聲和信道的分析；信息論知識(shí)模/數(shù)變換：脈沖調(diào)制

PAM，PCM，DPCM多路傳輸、同步技術(shù)最佳接收、糾錯(cuò)編碼改善性能ASK，F(xiàn)SK，PSK，DPSK

基本原理、實(shí)現(xiàn)方法、性能分析！3、課程的內(nèi)容模擬系統(tǒng)線性調(diào)制AM，DSB，SSB，VSB非線性調(diào)制P49三、《現(xiàn)代通信原理》章節(jié)

1. 緒論

2. 統(tǒng)計(jì)信號(hào)分析

3. 模擬調(diào)制

4. 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸

5. 數(shù)字基帶傳輸

6. 數(shù)字調(diào)制

7. 數(shù)字信號(hào)的最佳接收

8. 同步技術(shù)

9. 信道編碼10. 通信原理實(shí)驗(yàn)三、《現(xiàn)代通信原理》章節(jié)1. 緒論50四、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)

*模擬調(diào)制模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸*基帶傳輸數(shù)字調(diào)制*最佳接收四、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)*模擬調(diào)制51第1章緒論

《現(xiàn)代通信原理（第三版）》宋祖順 宋曉勤 宋平電子工業(yè)出版社第1章緒論《現(xiàn)代通信原理（第三版52通信發(fā)展簡(jiǎn)史1通信系統(tǒng)的基本模型2通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)3信息量與香農(nóng)公式4第1章 緒論5數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通信發(fā)展簡(jiǎn)史1通信系統(tǒng)的基本模型2通信系統(tǒng)分類和數(shù)字531.1通信發(fā)展簡(jiǎn)史電通信起源于18世紀(jì)末，開始用于軍事目的是19世紀(jì)初。1876年貝爾發(fā)明了電話。1895年馬可尼和波波夫同時(shí)別實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電通信。1929年貝爾實(shí)驗(yàn)室第一次進(jìn)行了電視試驗(yàn)。1946年美國(guó)造了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，到了20世紀(jì)50年代末開始了計(jì)算機(jī)通信。1956年美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)出第一個(gè)無(wú)線電尋呼機(jī)。1.1通信發(fā)展簡(jiǎn)史電通信起源于18世紀(jì)末，開始用于541957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，人類開始了空間通信。1962年美國(guó)發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通信步入實(shí)用階段。1966年美籍華人高錕提出光纖通信設(shè)想，十多年后實(shí)現(xiàn)了光纖通信。1970年第一部商用數(shù)字時(shí)分程控電話交換機(jī)在法國(guó)投入使用。1978年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)。1985年英國(guó)電信公司開設(shè)了綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。1986年歐洲推出泛歐數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)(GSM)并于1991年在歐洲開始商用。1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，人類開始了空間通信。551989年美國(guó)科克姆公司開始碼分多址數(shù)字蜂窩通信試驗(yàn)，93年生產(chǎn)出第一批雙模式移動(dòng)臺(tái)，此后CDMA席卷世界。1991年美國(guó)國(guó)防部“易通話”計(jì)劃提出軟件無(wú)線電概念，94年10月完成第一階段計(jì)劃并進(jìn)行演示。1994年國(guó)際最大的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(英特網(wǎng))商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)了世界范圍的網(wǎng)絡(luò)資源共享。2000年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)確定W-CDMA，CDMA-2000和TD-SCDMA三大主流無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)寫入第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)技術(shù)指導(dǎo)性文件。2006年后3G，4G技術(shù)的發(fā)展。1989年美國(guó)科克姆公司開始碼分多址數(shù)字蜂窩通信試驗(yàn)，93年56我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展以光纖為骨干，輔以微波、衛(wèi)是信道的“八縱八橫”高速傳輸系統(tǒng)覆蓋全國(guó)。金橋、金關(guān)、金卡、金稅、金企、金農(nóng)、金智、金策的“八金工程”巳經(jīng)建成。農(nóng)信工程、共信工程、安信工程、家信工程、城信工程和RFID工程列為六大專項(xiàng)工程正在建設(shè)。至2010年10月，我國(guó)固定電話達(dá)3.01億戶，手機(jī)用戶達(dá)8.3億部。我國(guó)固定電話網(wǎng)和移動(dòng)電話網(wǎng)均為世界第一大網(wǎng)。我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展57信源和輸入變換信道輸出變換和信宿發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備噪聲源消息傳輸?shù)哪康牡禺a(chǎn)生需傳輸?shù)南⒋嬖谟诎l(fā)信機(jī)、信道、收信機(jī),通常用等效噪聲源來(lái)表示發(fā)送設(shè)備：加工信號(hào)將消息轉(zhuǎn)換為合適在信道傳輸?shù)男盘?hào)接收設(shè)備：減小噪聲及干擾的影響，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為信宿能接收的信號(hào)信道：傳輸媒介(有線信道&無(wú)線信道1.2通信系統(tǒng)的基本模型信源和信道輸出變換發(fā)送接收噪聲源消息傳輸?shù)哪康牡禺a(chǎn)生需傳輸?shù)?81.3通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)1.通信系統(tǒng)分類：按收、發(fā)兩地有沒(méi)有線路連接分為：

有線通信和無(wú)線通信按消息的形式（通信業(yè)務(wù)的種類）分為：

電話、電報(bào)、傳真、電視按信號(hào)的性質(zhì)分為：

模擬通信和數(shù)字通信1.3通信系統(tǒng)分類和數(shù)字通信系統(tǒng)1.通信系統(tǒng)分類：59模擬通信與數(shù)字通信：

信道上傳輸?shù)氖悄M信號(hào)稱為模擬通信。

信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)稱為數(shù)字通信。

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)：

凡信號(hào)的某一參量可以取無(wú)限多個(gè)值，并且直接與消息對(duì)應(yīng)的信號(hào)稱為模擬信號(hào)。凡信號(hào)的某一參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接或者不準(zhǔn)確地與消息對(duì)應(yīng)的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。模擬通信與數(shù)字通信：60信號(hào)舉例信號(hào)舉例61信號(hào)舉例信號(hào)舉例62AMDSBSSBVSBFMPM信源信道聲噪變換器調(diào)制器發(fā)射機(jī)接收機(jī)解調(diào)器反變換器受信者解調(diào)：從已調(diào)信號(hào)中還原出被傳輸?shù)牡皖l信息信號(hào)。調(diào)制：將基帶信號(hào)變換成另一信號(hào)，以提高系統(tǒng)傳輸信息的效率和質(zhì)量。通常做頻率上的變換。核心部件為調(diào)制解調(diào)器模擬通信系統(tǒng)模型AM信源信道聲噪變換器調(diào)制器發(fā)射機(jī)接收機(jī)解調(diào)器反變換器受信者63信道信源基帶信號(hào)成形信宿噪聲同步系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)接收濾波器數(shù)字通信系統(tǒng)模型（基帶）信道信源基帶信號(hào)成形信宿噪聲同步系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)接收濾波64數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型（頻帶）信息源信道聲噪信源編碼信道編碼調(diào)制器解調(diào)器信道譯碼信源譯碼受信者同步系統(tǒng)加密解密交織解交織ASKFSKPSKDPSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)模型（頻帶）信息源信道聲噪信源65信源編（譯）碼：a）變換信源信號(hào)的表達(dá)方式，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào)，使其便于傳輸

b）壓縮信源信號(hào)的冗余成分，提高系統(tǒng)的傳輸效率。

A/D轉(zhuǎn)換、波形變換、參數(shù)編碼等信道編（譯）碼：通過(guò)有目的的增加信息的冗余度，使系統(tǒng)具有一定的糾檢錯(cuò)能力，提高系統(tǒng)傳輸信息的質(zhì)量。

分組碼、卷積碼、級(jí)聯(lián)碼等信源編（譯）碼：66

抗干擾能力強(qiáng)，特別在中繼傳輸時(shí)更明顯?？梢赃M(jìn)行差錯(cuò)控制，因而提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

便于使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)和變換從而提高信息傳輸?shù)撵`活性。

便于加密，實(shí)現(xiàn)保密信息傳輸。

便于系統(tǒng)集成。成本低、體積小、可靠性高。

可傳輸種類更多的消息，使通信系統(tǒng)更靈活，通用。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，特別在中繼傳輸時(shí)更明顯。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)67占用頻帶較寬系統(tǒng)復(fù)雜。如：模擬電話4KHz傳輸質(zhì)量相同的數(shù)字電話20～60KHz數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)占用頻帶較寬如：模擬電話4KHz數(shù)字通信系681.4信息量與香農(nóng)公式消息、信號(hào)與信息的基本概念：

消息—人或事物情況的報(bào)道。

信號(hào)—消息的載體或消息的攜帶者(對(duì)電通信，信號(hào)是指電流或電壓的幅度、頻率、相位；無(wú)線電波、光波等等)。

信息—對(duì)接收者事先不知道的消息(信息與不確定性緊密相關(guān)，越出人意料，信息量越大)。1.4信息量與香農(nóng)公式消息、信號(hào)與信息的基本概念：69信息的度量

1)

信息量的定義：假設(shè)信源由共

個(gè)離散符號(hào)組成，并且每個(gè)符號(hào)獨(dú)立，其中任一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率為則si的信息量上述對(duì)數(shù)以2為底，則信息量的單位為比特(bit)信息的度量70

2)討論

(a)等概二元制信源，每一個(gè)符號(hào)的信息量為1比特。如：并且等概二元制信號(hào)，是最簡(jiǎn)單的信息，每個(gè)符號(hào)的信息量為1比特，因此，它作為信息量的單位是非常適合的。(b)信息量的概念與概率聯(lián)系在一起，概率越小信息量越大，符合人們對(duì)信息的理解。2)討論(b)信息量的概念與概率聯(lián)系在一起71

(c)信息量用對(duì)數(shù)表示，能準(zhǔn)確地表達(dá)信息的本質(zhì)。

i)確定符號(hào)概率為1，取對(duì)數(shù)為0，表示信息量為0。

ii)多個(gè)符號(hào)總信息量為各個(gè)符號(hào)信息量之和。如三個(gè)等概二元制符號(hào)的信息量I(3s)=3I(s)，即三個(gè)符號(hào)的信息量是單個(gè)符號(hào)信息量的三倍。因3個(gè)二元制符號(hào)共有8種狀態(tài)000、001、……111,所以每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率為1/8，

I(3s)=-lb1/8=3l(s)=1

所以l(3s)=3l(s)

iii)信息量最小為0，不會(huì)為負(fù)。因概率在1~0之間，取對(duì)數(shù)則在0~無(wú)窮大之間，它不會(huì)為負(fù)數(shù)。因此，對(duì)數(shù)能準(zhǔn)確地表示信息量的意義。

72平均信息量(熵)

當(dāng)信源等概時(shí),有最大值。平均信息量(熵)731)熵的物理概念是：每個(gè)符號(hào)的平均信息量，單位是比特/符號(hào)。2)熵是非負(fù)的，最小為零。3)當(dāng)信源符號(hào)等概時(shí)，熵有最大值記為4)只要信源不等概，則熵有如下性質(zhì)1)熵的物理概念是：每個(gè)符號(hào)的平均信息量，單位是比特/符號(hào)74若A、B、C、D等概，求平均信息量。例1若A、B、C、D等概，求平均信息量。例175例2設(shè)A、B、C、D四個(gè)消息分別以概率1/4、1/8、1/8、1/2傳送，求平均信息量。例2設(shè)A、B、C、D四個(gè)消息分別以概率1/4、1/8、1/876一離散信源由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。試求該信源的熵。例3用熵的概念來(lái)計(jì)算：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77香農(nóng)公式：香農(nóng)公式給出了信道最大的無(wú)差錯(cuò)傳輸速率。香農(nóng)公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密度為n0，噪聲功率N=n0B

，則香農(nóng)公式：香農(nóng)公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密78a)增大信號(hào)功率S可以增加信道容量C。若信號(hào)功率S趨于無(wú)窮大時(shí)，則信道容量C也趨于無(wú)窮大b)減小噪聲功率譜密度n0

也可以增加信道容量C。若n0趨于零，則C趨于無(wú)窮大關(guān)于香農(nóng)公式的幾點(diǎn)討論（1）在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時(shí)能夠做到無(wú)差錯(cuò)傳輸（即差錯(cuò)率為零）。（2）提高信道容量的方法:a)增大信號(hào)功率S可以增加信道容量C。b)減小噪聲功率譜79當(dāng)信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量C的極限值為c)

增大信道帶寬B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C無(wú)限制地增大。 當(dāng)信道帶寬B趨于無(wú)窮大時(shí)，信道容量C的極限值為c)增大信道80（3）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。

若增加信道帶寬，可以適當(dāng)降低信噪比，反之亦然。當(dāng)信道容量C給定時(shí)，B1，S1/N1和B2，S2/N2分別表示互換前后的帶寬和信噪比，則有（4）當(dāng)信道傳輸?shù)男畔⒘坎蛔儠r(shí)，信道帶寬B、信噪比S/N是可以互換的。

（5）香農(nóng)公式并沒(méi)有給出帶寬與信噪比互換的具體方法。（3）信道容量可以通過(guò)系統(tǒng)帶寬與信噪比的互換而保持不變。（481

在傳輸圖片時(shí)，每幀約個(gè)象素。為了接收端能良好的重現(xiàn)，需要12個(gè)等級(jí)的亮度，假定所有的亮度等級(jí)等概出