[工学]通信原理第1章课件

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1、学时：72 实验：5个 参考书： 数字与模拟通信系统美，电子工业 出版社 现代通信原理曹志刚，钱亚生，清华 大学出版社1. 通信系统的组成 1. 通信系统的分类及通信方式 1. 信息及其度量 1. 通信系统的性能指标第 1 章 绪论1.1 通信系统的组成一、通信的定义所谓通信，就是信息的传递。这里“传递”可以 认为是一种信息传输的过程或方式。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

2、到信宿。通 信原理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。二、通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传 输媒质的总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的一般模型 可用图 1 - 1 来描述。信源发送 设备信道接收 设备信宿干扰源图1 - 1 定义产生消息的来源。 作用把各种消息转换成原始电信号。 类型电话机、摄像机、电传机、计算 机等。 分类模拟信源、数字信源信源 信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号使信源和信道匹配。发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。发送设备

3、信道是指传输信号的物理媒质。无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。有线信道中，信道可以是明线、 电缆或光纤。第3章讨论信道信道 功能是完成发送设备的反变换， 即进行 解调、译码等。 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确 恢复出相应的原始基带信号来，对于多路 复用信号，还包括解除多路复用，实现正 确分路。接收设备信宿是传输信息的归宿点， 其作用是 将复原的原始信号转换成相应的消息。信宿干扰源是通信系统中各种设备以及信道 中所固有的，并且是人们所不希望的。 干扰的来源是多样的，它可分为内部干 扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从 信道引入的，因此，为了分析方便，把 干扰源视为各处干扰的集中表现而抽

4、象 加入到信道-加性噪声。 干扰源三、模拟通信模型和数字通信模型消息的传递是通过它的物质载体电信号 来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量 上，按信号参量的取值方式不同可把信号分为 两类，即模拟信号和数字信号。凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值 的，称为模拟信号。如电话机送出的语音信号 、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有 时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参 量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可 以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续， 连续信号及其抽样图1-模拟信号凡信号参量只能取有限个值，称为数 字信号。如电报信号、计算机输入输出 信号、PCM 信号等。数字信号有时也称

5、 离散信号，这个离散是指信号的某一参 量是离散变化的，而不一定在时间上也 离散，如图1-3 数字信号波形。因此，按 照信道中传输的是模拟信号还是数字信 号，相应地把通信系统分为模拟通信系 统和数字通信系统。图1-3数字信号数字信号模拟通信系统模型如图1-4 信源发出的是基带信号，具有频率很低的频谱 分量， 一般不宜直接传输。把基带信号变换成 其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收 端进行反变换，是用调制器和解调器实现的。 模拟通信系统模型中的发送设备和接收设备主 要是调制器和解调器。图 1-4 模拟通信系统模型模拟 信源调制器信道解调器模拟 信宿干扰源模拟通信系统模型数字通信系统模型数字通信

6、系统是利用数字信号来传递信息的通 信系统， 如图 1 - 5 所示。数字通信涉及的技术问题很多，主要有信源编 码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数 字复接、 同步以及加密等。 数字信源信道干扰源编码器调制器解调器译码器信宿数字信源信道发生器 基带波形译码器信宿干扰源图1-5数字通信系统模型1) 信源编码与译码信源编码的作用：信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。 2） 信道编码与译码 为了减少差错，信道编码器对传输

7、的信 息码元按一定的规则加入保护成分（监 督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收 端的信道译码器按一定规则进行解码， 从解码过程中发现错误或纠正错误，从 而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠 通信。 3） 加密与解密 在需要实现保密通信的场合，为了保 证所传信息的安全，人为将被传输的数 字序列扰乱，即加上密码，这种处理过 程叫加密。在接收端利用与发送端相同 的密码复制品对收到的数字序列进行解 密，恢复原来信息，叫解密。4） 数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬 移到载频处， 形成适合在信道中传输的 频带信号。 基本的数字调制方式有振幅键控ASK、 频移键控FSK、绝对相移键控PSK、

8、相对 （差分）相移键控DPSK。 对这些信号可以采用相干解调或非相干 解调还原为数字基带信号。 数字调制是本课程的重点内容之一。5） 同步与数字复接 同步是使收、发两端的信号在时间上保 持步调一致。 按照同步的功用不同，可分为载波同步 、位同步、群同步和网同步。 数字复接就是依据时分复用基本原理把 若干个低速数字信号合并成一个高速的 数字信号，以扩大传输容量和提高传输 效率。说明 实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环 节。 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统 中传输，例如数字电话系统。 数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如通 过模拟电话线路传输数据，但这时要用调制解 调器（Mode

9、m）将数字基带信号进行正弦调制 。信源信道模拟通信信宿信宿信源信道数字通信数据通信信道 信源 信宿图1-6 三种通信系统示意图四、数字通信的主要特点1、数字通信的优点抗干扰能力强：远距离传输可消除噪声积累。可靠性：采用信道编码技术可控制差错。降低误码率 ， 提高传输的可靠性。智能性：易于与各种数字终端接口，用现代计算技术 对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能 网。 集成化： 从而使通信设备微型化。 安全性：易于加密处理， 且保密强度高。2、数字通信的缺点 占据宽的系统频带，因此数字通信的频带利用率不高。 数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。 不过，随着光纤等的采用、 窄带调制

10、技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。数字通信将占主导地位。1.2 通信系统的分类及通信方式一、通信系统的分类按调制方式分类：详见书上表 1 1按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统。传输媒质分传输媒质：有线通信系统和无线通信系统。按消息的物理特征：话音、数据、可视图文、图像通信等。 有线通信-导线、架空明线、同轴电缆、光纤、波导 无线通信-短波电离层、微波视距传播、卫星中继按信号复用方式分类：频分复用、时分复用和码分复用。多路信号在同一信道中的传输称为复用。二、通信方式对于点与点之间的通信，按消息传递的方 向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工 及全双工通信三种。按

11、数字信号排列顺序，可分为并行传输和 串行传输。按通信的网络形式划分。由于通信网的基础 是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在 点与点之间的通信上。图 1-7 单工、半双工、双工通信模型图 1-8 串行、并行通信模型1.3 信息及其度量一、信息量的定义信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的。对接收者来 说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否 则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输 它了。信息量就是对消息中不确定性的度量。 事件的不确定性可用事件出现的概率来 描述。可能性越小，概率越小；反之， 概率越大。因此，消息中包含的信息量 与消息发生的概率密切相关。消息出现的概

12、率越小，消息中包含的信息量就越 大。假设P(x)是一个消息发生的概率，I 是从该消息获悉的信息，I与P(x)之间的关系反映为如下规律： （1） 信息量是概率的函数， 即 I=fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1时， I0P(x)0时， I （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之和，也就 是说，信息具有相加性， 即IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+综上所述， 信息量I与消息出现的概率P(x)之间的关系应为 信息量的单位与对数底数a有关。a=2时， 信息量的单位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈

13、特(nat)； a=10时， 信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特。 例 1 1 设二进制离散信源， 以相等的概率发送数字0或1，则信源每个输出的信息含量为I(0)=I(1)= - log2 (1/2) =log22=1 (bit) 可见，传送等概率的每个二进制波形（P=1/2）的信息量为1比特。由此，通常把一个二进制脉冲波形称为一个比特。由此可见，比特的定义的含义。综上所述，对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制每个波形的信息量为二、平均信息量的定义如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符

14、号集，每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)， 且有 P(xi)=1, 则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，- log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量（或称为信源的熵）为：显然，当信源中每个符号等概独立出现时 ， 此时信源的熵有最大值。 例 1 2 ： 一离散信源由0， 1， 2， 3四个符号组成，它们出现的概率分别为3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息2010201302130012032101003210100 231020

15、02010312032100120210的信息量。 解 此消息中，0出现23次，1出现14次，2出现13次，3出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量为每个符号的算术平均信息量为若用熵的概念来计算， 由式（1.3 - 5）得 返回1.4 主要性能指标 通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。我们把通信的有效性和可靠性这对矛盾作为评价通信系统性能的主要指标。有效性和可靠性是根据对 通信质量的要求而定义出的客观标准，但它们是抽象 的，没有可操作性，也很难量化。因此必须在通信系 统中找到具体的、可以操作且能够反映有效性和可靠 性的参数或指标。 有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少， 或者说是传输的“速度”。 可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量 ”。模拟通信系统的有效性和可靠性有效性可用有效传输频带来度量。系统的传输带宽主要取决于两个方面，一 是传输介质，二是对信号的处理方式。通常传 输介质的带宽都比较大，完全能够满足传输要 求，系统的带宽主要由对信号的处理方式决定可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到 的最终解调后的信噪比是不同的。 如调频信号 抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频 带却宽于调幅。数字通信系统的有效性和可靠性有效性可用传输速率来衡量。l码元传输速率RBl信息传输速率Rb可靠性可用差错率来衡量。l误码率Pe