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1、通信原理,中北大学通信工程系,第一章 概论 1.1 引言 例子：古代的烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类似的例子还有抗日战争时期的“消息树”)；舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话；,通信（Communication）是把消息从一地有效地传递到另一地，即消息传递的全过程。,在这里我们所讨论的通信不是广义上的通信，而是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。 作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。“通信原理
2、”就是介绍支撑各种通信技术的通信基本概念和数学理论基础。,通信技术发展史,自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼”、“顺风耳”等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通信技术发展历史简表。,通信技术发展历史简表,通信技术发展历史简表 （续）,根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作用以及对人类社会的影响，对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结，有10项重大通信技术值得人们纪念。 (1)摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类
3、信息交流的新纪元。 (2)马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。 (3)载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。 (4)电视。电视极大地改变了人们的生活，使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。,(5)电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。 (6)集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的“心”，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。 (7)光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施
4、传输平台重任的通信介质。 (8)卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。 (9)蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。 (10)因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，地球变成“地球村”。,1)融合趋势：PSTN、CATV、计算机网络三网业务融合；语音和数据融合；电域与光域融合；移动与WLAN融合 2) 交换技术：电路交换 分组交换 快速分组交换 3) 传输手段：电缆 微波中继 光纤 卫星 移动 4) 传输技术：点到点网络 光网络 5) 接入技术： 宽带: XDSL；光网络；无线宽带 6) 移动通信：1G 2G 2.5G 3G 7) IP网络的演变：下一
5、代Internet,通信发展现状和趋势,通信系统的模型,1.2通信系统的组成,1.2.1通用模型:,1.2.2基本概念 两类信号 模拟信号：取值连续，例如语音 凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的， 称为模拟信号。 数字信号：取值离散，例如数据,模拟信号与数字信号,1.2.3两类通信系统 模拟通信系统 要求 高保真度 准则 信号噪声功率（电压）比 手段 参量估值方法 数字通信系统 要求 正确 准则 错误率 手段 统计判决理论,A. 模拟通信系统,模拟通信系统模型,1. 数字基带传输通信系统,数字基带传输通信系统模型,
6、B. 数字通信系统,2. 数字频带传输通信系统,数字频带传输通信系统模型,3. 模拟信号数字化传输通信系统,模拟信号数字化传输通信系统模型,基带传输: 是指信号没有经过调制而直接送到信道中 去传输的一种方式,频带传输: 是指信号经过调制后再送到信道中传输， 收端有相应解调措施的通信方式,C. 数字通信的优点 取值有限，能正确接收。,可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。 可采用高保密性能的数字加密技术。 可综合传输各种模拟和数字输入信号 易于设计、制造，体积小、重量轻。 可作信源编码，压缩冗余度，提高信 道利用率。 信噪比随带宽按指数规律增长。,1.3通信的分类 及通信方式,按传输媒质分:
7、有线通信 无线通信 2. 按信道中所传信号的不同分: 模拟信号 数字信号 3. 按工作频段分：低、中、高频等 4. 按调制方式分：连续波调制与脉冲调制 5. 按业务的不同分:电报、电话、数据、图 象等 6. 按收信者是否运动分:固定与移动 7. 按信号复用方式分：TDM、FDM、CDM,1.3.1通信系统分类,1.3.2 通信方式,1. 按消息传送的方向与时间分,按消息传送的方向和时间划分的通信方式 (a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式,2. 按数字信号排序分,按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串序传输方式 ； (b) 并序传输方式,3. 按通信网络形式分,按网络形
8、式划分的通信方式 (a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式,1.4.1 消息、信息和信号 消息：随机状态的描述，有不同的形式： 语音、文字、图形、图像 信息：消息的有效内容 不同消息可有相同内容 信号：传输消息的手段（媒介） 通信系统中传输的是信号,1.4 信息及其量度,*制定度量方法考虑的原则 货 物 消 息 货运量 信息量 有多种 有多种 和种类无关 和类型无关 和贵重程度 和重要程度 无关 无关 总量是单件 总量是单件独立 货运量之和消息的信息量之和,1.4.2信息的度量：,*制定度量信息的方法 # 消息“量” 信息量 # 例： “明天降雨量将有一毫米” - 信息量
9、小 “明天降雨量将达到一米” - 信息量大 “明日太阳将从东方升起” - 信息量零 # 事件的不确定度，可用其出现的概率来描 述： 可能性小概率小信息量大 可能性大概率大信息量小 必然发生的概率为1信息量零 不会发生的概率为0信息量无穷,(1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的 函数，即,(2) 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大； 反之信息量愈小。 且,# 信息量 I = I P(x) ，P(x) - 发生概率,可得如下的结论：,(3) 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息 量等于各独立事件信息量的和， 即,可以看出I与P(x)间应满足以上三点， 则它们 有如下关系式：,
10、# 定义：I = loga 1/P(x) = -logaP(x),信息量I的单位与对数的底数a有关： a=2 单位为比特(bit，简写为b)； a=e单位为奈特(nat，简写为n)； a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位； a=r单位称为r进制单位。 # 通常取 a = 2, 此时单位为“比特”。,# 对于一个等概率、二进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/2) = 1 比特 # 对于一个等概率、M进制码元： I = log2 1/P(x) = log2 1/(1/M) = log2 M比特 若 M = 2k ，则 I = k 比特,例 1-1 试计算二进
11、制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。,例 1-2 试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。,例 1-3 设由5个符号组成的信息源，相应概率为,例 1-4 一信息源由4个符号A、 B、 C、 D组成，它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为CABACABDACBDAABCAD-CBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。 解： 信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出现13次，D出现7次，共有57个。,该信息源总的信息量为 ：,1.5 通信系统的主要性能
12、指标,有效性和可靠性的关系（速度质量） 模拟通信系统性能指标： 有效性指标：单位时间内传送的信息量 可靠性指标：均方误差 数字通信系统性能指标： 有效性指标：传输速率 可靠性指标：差错率,*码元传输速率通常又可称为码元速率、数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率。 码元速率：指单位时间(每秒钟)内传输码 元的数目，用符号RB来表示。 码元速率：RB 波特(B) 码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关：,1.5.1 数字通信系统有效性指标的具体表述,通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制，多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间，在保证系统信息速率不变的情况下
13、，相互可转换，转换关系式为 :,*信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。 比特率：指单位时间(每秒钟)内送的信息 量，用符号Rb来表示。 比特率：Rb 比特秒(bit/s,bps,b/s) 因为信息量与信号进制数有关，因此，Rb也与有关： 对M进制：Rb = RB log2 M 例: 若某信源在1秒钟内传送1 200个符号，且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信源的Rb=1 200b/s或1 200 bps。 ,*消息传输速率亦称消息速率 消息速率：单位时间(每秒钟)内传输的消息数，用Rm表示。 消息速率： Rm 字秒（特定） 因消息的衡量单位不同，有各种不同的含义。消息
14、速率在实际中应用不多。 ,*在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2的关系在数值上相等，但单位不同。 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系式：,*在码元速率保持不变条件下，二进制信息速率Rb2与多进制信息速率RbN之间的关系为： Rb2=RbN/log2N,四进制信号示意图,例1-5 已知二进制数字信号在2min内共传送了72 000个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在260s内传送了72 000个码元 RB2=7
15、2 000/(260)=600 (B) Rb2=RB2=600 (b/s) (2) 若改为8进制 则 RB8=72 000/(260)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) ,* 码元差错率Pe ： 简称误码率，它是指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率就是码元在传输系统中被传错的概率。 用表达式可表示成： 误码率Pe = 错误接收码元数/传输码元总数 ,1.5.2 数字通信系统可靠性指标的具体表述,*信息差错率Peb： 简称误信率，或误比特率，它是指接收错误的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概
16、率。 用表达式可表示成： 误比特率Peb = 错误接收比特数/传输总比特数,*误字率Pw = 错误接收字数/总传输字数 *误码率和误比特率的关系 Peb = Pe x M / 2(M-1) Pe /2 *误字率和误比特率的关系 对于二进制， 若一个字由k比特组成，则 Pw1 (1 Pe)k,例 1-6 已知某八进制数字通信系统的信息速率为12 000 b/s，在收端半小时内共测得出现了216个错误码元，试求系统的误码率。,解 ：,1.6 数字通信的主要技术问题,1.6.1 数字调制/解调 调制与解调是数字通信系统的核心，是最基本的也是最重要的技术之一。调制的作用是将输入的数字信号(基带数字信号)变换为适合于信道传输的频带信号。常见的基本数字调制方式有振幅键
