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通信原理通信原理夏夏 舸舸电子信息工程学院电子信息工程学院College of Electronics&Information Engineering,College of Electronics&Information Engineering,5/21/20241通信原理夏 舸电子信息工程学院College of E采用教材采用教材采用教材采用教材：普通高校普通高校“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 通信原理（第通信原理（第6版）版）樊昌信樊昌信 曹丽娜曹丽娜 编著编著 国防工业出版社国防工业出版社 2006年年9月第月第6版版教材与参考书教材与参考书参考教材：参考教材：参考教材：参考教材：现代通信原理，曹志刚现代通信原理，曹志刚 清华大学出版社清华大学出版社5/21/20242采用教材：普通高校“十一五”国家级规划教材教材与参考书参考教教材与参考书教材与参考书5/21/20243教材与参考书8/3/20233关于课程关于课程课程类型：课程类型：课程类型：课程类型：专业必修课专业必修课教学对象：教学对象：教学对象：教学对象：电信学院本科生电信学院本科生电信学院本科生电信学院本科生学学学学 时：时：时：时：4*16=4*16=64考考考考 核：核：核：核：平时成绩平时成绩30（考勤、作业、课堂表现）考勤、作业、课堂表现）期末考试期末考试70（闭卷）闭卷）5/21/20244关于课程课程类型：专业必修课8/3/20234 上课时间：上课时间：周一：周一：3-4节，节，06-106&周四：周四：3-4节，节，06-106 不得迟到、早退、缺课，有事请假不得迟到、早退、缺课，有事请假 上课时请关闭手机上课时请关闭手机迟交的作业恕不批改，只作记录迟交的作业恕不批改，只作记录关于课程关于课程5/21/20245 上课时间：周一：3-4节，06-106关于课程8/3/20通信原理通信原理课程特点课程特点q 理论性（概念性）、系统性（实践性）强理论性（概念性）、系统性（实践性）强q 与先行课程联系紧密与先行课程联系紧密 先修课程：先修课程：先修课程：先修课程：电路分析电路分析模拟电路模拟电路数字电路数字电路信号与系统信号与系统高等数学高等数学概率论概率论通信原理通信原理通信原理通信原理关于课程关于课程5/21/20246通信原理课程特点 先修课程：通信原理关于课程8/3/三个重要环节三个重要环节q 课前课前预习、消化教材是学习好本课程的主要方式预习、消化教材是学习好本课程的主要方式q 上完课及时复习，学完一章进行小结上完课及时复习，学完一章进行小结q 做习题加深概念和理解做习题加深概念和理解 经常进行阶段复习经常进行阶段复习q 掌握各章、各节内容之间的内在逻辑联系掌握各章、各节内容之间的内在逻辑联系关于学习方法的建议关于学习方法的建议5/21/20247 三个重要环节关于学习方法的建议8/3/20237 You hear,you forget You do,you remember You think,you understand 如果你只是听，那么你会忘记如果你只是听，那么你会忘记如果你只是听，那么你会忘记如果你只是听，那么你会忘记 如果你去做，你就会记住如果你去做，你就会记住如果你去做，你就会记住如果你去做，你就会记住 如果你思考，你才能明白如果你思考，你才能明白如果你思考，你才能明白如果你思考，你才能明白关于学习方法的建议关于学习方法的建议理解万岁！理解万岁！熟能生巧！熟能生巧！“三多三多”！5/21/20248 You hear,you forget内内 容容第第1章章 绪论绪论第第2章章 确知信号确知信号第第3章章 随机过程随机过程第第4章章 信道信道第第5章章 模拟调制系统模拟调制系统第第6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统第第7章章 数字带通传输系统数字带通传输系统第第8章章 新型数字调制技术新型数字调制技术第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输第第10章章 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收 第第11章章 差错控制编码差错控制编码第第12章章 正交编码和伪随机码正交编码和伪随机码第第13章章 同步原理同步原理第第14章章 通信网通信网基础基础核心核心扩展扩展第第5、6、7、9章！章！由由“厚厚”到到“薄”5/21/20249内 容第1章 绪论第11章 差错控制编码基础核心扩展第5、6第第1 1章章 绪论绪论1.1 通信的基本通信的基本概念概念1.2 通信系统的通信系统的组成组成1.3 通信系统通信系统分类分类与通信与通信方式方式1.4 信息及其度量信息及其度量1.5 通信系统主要通信系统主要性能指标性能指标1.6 小结小结5/21/202410第1章 绪论1.1 通信的基本概念8/3/2023101.1 通信的基本概念通信的基本概念一、通信技术发展回顾一、通信技术发展回顾伟大的事业总离不开伟大的伟大的事业总离不开伟大的人物人物、重大的、重大的事件事件！第第1章章 绪论绪论5/21/2024111.1 通信的基本概念伟大的事业总离不开伟大的人物、重大的事第第1章章 绪论绪论 塞塞缪尔莫莫尔斯斯（Samuel Finley Breese Morse，1791-1872），作），作为一名画家是成功的。莫一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和学，在肖像画和历史史绘画方面成了当画方面成了当时公公认的一流画家。的一流画家。1826年至年至1842年任美国画家年任美国画家协会主席。会主席。在在一一次次远洋远洋旅途中，莫旅途中，莫尔斯斯结识了杰克了杰克逊。杰克。杰克逊是是波士波士顿城的一位医生，也是一位城的一位医生，也是一位电学博士。学博士。闲聊中，杰克聊中，杰克逊把把话题转到到电磁感磁感应现象上。象上。从此，莫从此，莫尔斯走上了科学斯走上了科学发明的崎明的崎岖道路。道路。为了了维持生活，莫持生活，莫尔斯于斯于1836年不得不重操旧年不得不重操旧业，担任，担任纽约大学大学艺术及及设计教授。教授。课余余时间，他仍然，他仍然继续从事从事电报发明工作。明工作。终于在终于在18371837年年9 9月月4 4日，莫尔斯制造出了一台电报机日，莫尔斯制造出了一台电报机。1844年年5月月24日，在日，在华盛盛顿国会大厦国会大厦联邦最高法院会邦最高法院会议厅里，里，进行行电报发收收试验。年。年过半百的莫半百的莫尔斯在斯在预先先约定的定的时间，兴奋地向巴地向巴尔的摩的摩发出出人人类历史上的第一份史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只。他的助手很快收到那份只有一句有一句话的的电报：“上帝上帝创造了何等的奇迹造了何等的奇迹!”人物人物5/21/202412第1章 绪论 塞缪尔莫尔斯（Samuel F第第1章章 绪论绪论1862年年31岁，岁，麦克斯韦麦克斯韦发表了第二篇论文论物理力线发表了第二篇论文论物理力线，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化，不但进一步发展了法拉第的思想，扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，产生电场，而且得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦光速，揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文年他的第三篇论文电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论，从几个基本实验事实出发，从几个基本实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁理论建立了系统的电磁理论。1873年出版的电学和磁学论一书是集电磁学大成的年出版的电学和磁学论一书是集电磁学大成的划时代著作，划时代著作，全面地总结了全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和赖尔的地质学原理相媲美的起源和赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著里程碑式的著作作。麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（Max Plank l8581947）指出的：）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界说，他属于全世界”。人物人物5/21/202413第1章 绪论1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文论第第1章章 绪论绪论赫兹赫兹是一个短命的物理学家。他是一个短命的物理学家。他于于1894年逝世时，年仅年逝世时，年仅37岁。岁。1886年年29岁发现电磁波岁发现电磁波，其后不到，其后不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：无线电使用。其他利用电磁波的技术：无线电报（报（1894年）、无线电广播（年）、无线电广播（1906年）、年）、无线电导航（无线电导航（1911年）、无线电话年）、无线电话（1916年）、短波通讯（年）、短波通讯（1921年）、无年）、无线电传真（线电传真（1923年）、电视（年）、电视（1929年）、年）、微波通讯（微波通讯（1933年）、雷达（年）、雷达（1935年），年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学学它们使整个世界面貌发生了深刻它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。的变化。赫兹关于电磁波的实验，为无线电赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，代文明的骨架，后人为了纪念他，把频后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹率的单位定为赫兹。人物人物5/21/202414第1章 绪论赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝第第1章章 绪论绪论1876-贝尔发明电话贝尔发明电话贝尔制成贝尔制成的电话机的电话机 贝尔于贝尔于1875年制成年制成上图电话的原型。这上图电话的原型。这个装置由一圈电线、个装置由一圈电线、一个磁臂和一块张紧一个磁臂和一块张紧薄膜组成。声音震动薄膜组成。声音震动薄膜，再振动磁臂。薄膜，再振动磁臂。磁石的移动令线圈产磁石的移动令线圈产生波动的感生电流。生波动的感生电流。这个电讯号可利用线这个电讯号可利用线路另一端的相同装置路另一端的相同装置再转换回声音。再转换回声音。人物人物5/21/202415第1章 绪论1876-贝尔发明电话第第1章章 绪论绪论信息论的创始人信息论的创始人香农香农Shannon，1916年生于美国，大学时年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为分分析仪，这使他对继电器电路的分析产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电这些电路的设计可用符号逻辑来实现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代数。器的有效数学工具正是布尔代数。1938年，香农发表了著年，香农发表了著名的论文继电器和开关电路的符号分析名的论文继电器和开关电路的符号分析，首次用布尔，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路成为开关电路理论的开端理论的开端。后来，香农到后来，香农到贝尔贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。无失真变长信源编码定理无失真变长信源编码定理(香农第一定理香农第一定理)有噪信道编码定理有噪信道编码定理(香农第二定理香农第二定理)保真准则下信源编码定理保真准则下信源编码定理(香农第三定理香农第三定理)建立了建立了通信的统计理论通信的统计理论人物人物5/21/202416第1章 绪论信息论的创始人香农Shannon，1916年生第第1章章 绪论绪论1965-发明程控电话交换机发明程控电话交换机1991-GSM商用商用1995-CDMA（IS-95）商用）商用 移动通信移动通信2.5代（代（2.5G）、三代（）、三代（3G）；）；移动通信快速普及，移动电话用户数超过固定电话移动通信快速普及，移动电话用户数超过固定电话 事件事件5/21/202417第1章 绪论1965-发明程控电话中国联通中国联通第第1 1章章 绪论绪论1.1 通信的基本概念通信的基本概念二、通信技术的当前状况二、通信技术的当前状况 (1)移动通信己成为个人通信的主要方式移动通信己成为个人通信的主要方式 二代（二代（GSM、CDMA）；）；三代（三代（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)(2)IP网（基于网（基于IP技术的网络）正成为多媒体（语音、文字、图像）通信的综技术的网络）正成为多媒体（语音、文字、图像）通信的综 合通信平台，如合通信平台，如 IP电话、电话、IPTV (3)三网（三网（电话网电话网、计算机网计算机网、电视网电视网）正走向融合）正走向融合 (4)无线接入正快速发展，与无线接入正快速发展，与IP网结合网结合 进入移动进入移动IP新时代新时代中国移动中国移动中国电信中国电信5/21/202418中国联通第1章 绪论1.1 通信的基本概念中国移动中国电信8网络正走向融合！网络正走向融合！InternetInternet网网无线移动无线移动互联网互联网广电网广电网 固定电信网固定电信网卫星网卫星网IPIPIPIPIPIPIP技术提供了各网统融合的基础技术提供了各网统融合的基础IPIP语言、数语言、数据、视频据、视频信息于一信息于一网之中网之中各网合一为人各网合一为人类工作和生活类工作和生活提供方便提供提供方便提供统一解决方案统一解决方案网络融合示意模型网络融合示意模型网络融合示意模型网络融合示意模型5/21/202419网络正走向融合！Internet网无线移动广电网 发展下一代网络发展下一代网络发展下一代网络发展下一代网络 (NGN)(NGN)推进网络融合！推进网络融合！推进网络融合！推进网络融合！vv下一代下一代下一代下一代光光光光网络：网络：网络：网络：MSTPMSTP智能光网智能光网智能光网智能光网vv下一代下一代下一代下一代数据网：数据网：数据网：数据网：NGI,NGI,IPIPV6V6vv下一代下一代下一代下一代交换网：交换网：交换网：交换网：软交换软交换软交换软交换体系体系体系体系 vv下一代下一代下一代下一代移动移动移动移动网：网：网：网：3G,3G,3G 3G后后后后NGN伞伞5/21/202420发展下一代网络(NGN)推进网络融合！下一代光网络：下一个人通信新时代正在到来个人通信新时代正在到来个人通信新时代正在到来个人通信新时代正在到来！“三化三化三化三化”：无线化、多媒体化、网络化无线化、多媒体化、网络化无线化、多媒体化、网络化无线化、多媒体化、网络化5W：qWhenever无论何时无论何时qWherever无论何地无论何地qWhoever无论是谁无论是谁qWhatever无论什么内容无论什么内容qWhomever能找到对方能找到对方多媒体：多媒体：语音、数据、视频、音乐语音、数据、视频、音乐5/21/202421个人通信新时代正在到来！“三化”：无线化、多媒体化、网络化通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：学校教育、个人与家庭、政府管理、医疗、企业、商贸、娱乐等无处不在！学校教育、个人与家庭、政府管理、医疗、企业、商贸、娱乐等无处不在！个人与家庭个人与家庭市场与营销市场与营销学校与教育学校与教育金融与理财金融与理财政府与管理政府与管理固定电话网移动电话网互联网IPTVHDTV医疗医疗卫生卫生5/21/202422通信已渗透到人类工作、生活的各个方面：学校教育、个人与家庭、小小 结结信息信息来源来源信息信息传输传输信源信源信息信息获取获取数字数字化化信息信息传递传递与分配与分配信息信息检测检测与存储与存储信息信息利用利用(控制控制)语言、文字、语言、文字、图像、音乐图像、音乐遥测、遥感、遥测、遥感、医疗、军事医疗、军事生产生产控制控制社会社会管理管理存储存储信息信息产业产业传感设备、传感设备、雷达、摄影雷达、摄影器材器材广播器广播器材、电材、电视设备视设备计算机设备、计算机设备、网络设备网络设备集成集成电路电路电话、电话、通信系通信系统统软件软件系统系统信息理论信息理论通信理论通信理论与技术与技术（编（编码理论、调制理码理论、调制理论、检测理论）论、检测理论）计算机科学计算机科学与技术、人与技术、人工智能、工智能、模式识别模式识别信息信息分析分析与处理与处理网络理论、网络理论、信息安全信息安全与控制与控制信号处信号处理论与理论与技术技术（语（语音、图像、音、图像、数据）数据）信息科学与技术是科学技术现代化的支柱之一；掌握通信原理就获信息科学与技术是科学技术现代化的支柱之一；掌握通信原理就获取了打开这一科学殿堂大门的钥匙！取了打开这一科学殿堂大门的钥匙！5/21/202423小 结信息信息信源信息数字信息信息信息语言、文字、遥测消息消息 message：信息的信息的物理表现形式物理表现形式（语音、文字、图像、数据）（语音、文字、图像、数据）信息信息 information：消息的消息的内涵内涵，即消息中所包含的受信者原来不知而，即消息中所包含的受信者原来不知而 待知的有效内容待知的有效内容信号信号 signal：消息消息载体载体。消息携载在电信号的某一参量上。消息携载在电信号的某一参量上 （振幅、相位、频率）（振幅、相位、频率）1.1 通信的基本概念通信的基本概念三、通信的基本概念三、通信的基本概念5/21/202424消息 message：信息的物理表现形式（语音、文字、图像n什么是通信通信？Communicationn“通通”传送传送，“信信”信息信息；信息的传送信息的传送 人们的基本需求是人们的基本需求是：将信息从一个地方传到另一个地方：将信息从一个地方传到另一个地方n 基本组成：发送发送发送发送、传输传输传输传输（信道）、（信道）、接收接收接收接收信道信道通常是抽象的描述，与通常是抽象的描述，与传输介传输介(媒媒)质质含义相似含义相似。信信信信道道道道有线有线信道信道无线无线信道信道有线电信道有线电信道有线电信道有线电信道(双裸或双绞线、同轴电缆等双裸或双绞线、同轴电缆等)光纤光纤光纤光纤信道信道无线电无线电微波微波卫星卫星红外红外5/21/202425什么是通信？Communication信道通常是抽象的描述，第第1章章 绪论绪论1.2 通信系统的组成通信系统的组成一、通信系统的一般模型一、通信系统的一般模型描述了信息由发送至接收的流程描述了信息由发送至接收的流程1.经典模型经典模型信息源信息源发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备受信者受信者噪声源噪声源4342143421图1-1(a)经典通信系统模型发送端发送端接收端接收端5/21/202426第1章 绪论1.2 通信系统的组成描述了信息由发送至接收的信息源信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。源可分为模拟信源和数字信源。发送设备发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。：产生适合于在信道中传输的信号。信道信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信 道和无线信道两大类。道和无线信道两大类。噪声源噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。信息源信息源发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备受信者受信者噪声源噪声源4342143421图1-1(a)经典通信系统模型发送端发送端接收端接收端5/21/202427信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源4342143421图第第1章章 绪论绪论1.2 通信系统的组成通信系统的组成一、通信系统的一般模型一、通信系统的一般模型图 1.1(b)现代通信系统功能模型2.现代通信系统功能模型现代通信系统功能模型5/21/202428第1章 绪论1.2 通信系统的组成图 1.1(b)现代通第第1章章 绪论绪论 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号q 模拟信号模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：1.2 通信系统的组成通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(a)话音信号 (b)抽样信号图1-2 模拟信号5/21/202429第1章 绪论 模拟信号和数字信号1.2 通信系统的组成(a第第1章章 绪论绪论 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号q 数字信号数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：算机输入输出信号：1.2 通信系统的组成通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号5/21/202430第1章 绪论 模拟信号和数字信号1.2 通信系统的组成(第第1章章 绪论绪论通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应通常，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地把通信系统分为模拟通信系统模拟通信系统和和数字通信系统数字通信系统。1.2 通信系统的组成通信系统的组成二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型5/21/202431第1章 绪论通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，1.2 通信系统的组成通信系统的组成 模拟通信系统模型模拟通信系统模型q 模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：q 两种变换：两种变换：模拟消息模拟消息 原始原始电信号（信号（基基带信号信号）基基带信号信号 已已调信号（信号（带通信号通信号）二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型天线、变频、天线、变频、放大、解调等放大、解调等调制、放大、调制、放大、天线等天线等图图1-4 模拟通信系统模型模拟通信系统模型重点讲：重点讲：调制与解调调制与解调原理原理；噪声对信号传噪声对信号传输的影响输的影响5/21/2024321.2 通信系统的组成 模拟通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 模拟通信的主要特点模拟通信的主要特点q 抗干扰能力差抗干扰能力差q 不易于保密通信不易于保密通信q 设备不易于大规模集成设备不易于大规模集成q 不适应飞速发展的计算机通信的要求不适应飞速发展的计算机通信的要求q 简单、易于实现简单、易于实现二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型5/21/2024331.2 通信系统的组成 模拟通信的主要特点二、模拟通信系统模1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型图图1-5 数字通信系统模型数字通信系统模型 在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带基带传输传输，其模型中就不包括调制与解调环节。，其模型中就不包括调制与解调环节。5/21/2024341.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(1)信源编码与译码信源编码与译码q 作用一：作用一：是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的是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。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。映了通信的有效性。q 作用二：作用二：是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将是当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。其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。q 信源译码是信源编码的逆过程。信源译码是信源编码的逆过程。通信原理与信息论5/21/2024351.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(2)信道编码与译码信道编码与译码q数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”。q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。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。q信道编码：信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。线性分组码、卷积码、循环码等。5/21/2024361.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(3)加密与解密加密与解密q在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的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，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。这种处理过程叫加密。q在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的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。数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。5/21/2024371.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(4)数字调制与解调数字调制与解调q 数字调制数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。在信道中传输的频带信号。q 基本的数字调制方式有振幅键控基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控、频移键控FSK、相移键、相移键控控PSK、差分相移键控、差分相移键控DPSK。q 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。号。q 对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。实现。5/21/2024381.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型1.2 通信系统的组成通信系统的组成 数字通信系统模型数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型(5)同步同步q 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。时间上保持步调一致。q 按照同步的功用不同，可分为：按照同步的功用不同，可分为：载波同步、位同步、群同步和网同步载波同步、位同步、群同步和网同步5/21/2024391.2 通信系统的组成 数字通信系统模型二、模拟通信系统模型抗干扰能力强。抗干扰能力强。传输差错可控。传输差错可控。易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处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。理、加工、变换、存储，从而形成智能网。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于集成化，从而使通信设备微型化。易于加密处理，且保密强度高。易于加密处理，且保密强度高。需要较大的传输带宽，对同步要求高。需要较大的传输带宽，对同步要求高。1.2 通信系统的组成通信系统的组成三、三、数字通信的主要特点数字通信的主要特点5/21/202440抗干扰能力强。1.2 通信系统的组成三、数字通信的主要特点8 按通信业务分：按通信业务分：话务通信话务通信和和非话务通信非话务通信。q 非话务通信主要是非话务通信主要是分组数据业务分组数据业务、计算机通信计算机通信、数据库检索数据库检索、电子电子信箱信箱、电子数据交换电子数据交换、传真存储转发传真存储转发、可视图文及会议电视可视图文及会议电视、图像通图像通信信等。等。按调制方式分类：按调制方式分类：基带传输基带传输和和频带（调制）传输频带（调制）传输 按信号特征分类：按信号特征分类：模拟信号模拟信号还是还是数字信号数字信号 按传输媒质分类：按传输媒质分类：有线通信系统有线通信系统和和无线通信系统无线通信系统 按工作波段分类：按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、红外长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、红外线通信线通信 按信号复用方式分类：按信号复用方式分类：频分复用频分复用、时分复用时分复用和和码分复用码分复用。1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、一、通信系统的分类通信系统的分类5/21/202441 按通信业务分：话务通信和非话务通信。1.3 通信系统分类与1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、一、通信系统的分类通信系统的分类表表1-1 常见调制方式及用途常见调制方式及用途5/21/2024421.3 通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-1 常1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、一、通信系统的分类通信系统的分类续表续表1-15/21/2024431.3 通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-181.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、一、通信系统的分类通信系统的分类表表1-2 频段划分及典型应用频段划分及典型应用5/21/2024441.3 通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类表1-2 频1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、一、通信系统的分类通信系统的分类续表续表1-25/21/2024451.3 通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类续表1-28 单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信q 单工单工通信通信：消息只能单方向传输的工作方式：消息只能单方向传输的工作方式q 半双工半双工通信通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式二、通信方式二、通信方式5/21/202446 单工、半双工和全双工通信1.3 通信系统分类与通信方式二、单工、半双工和全双工通信单工、半双工和全双工通信q 全双工全双工通信通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式：通信双方可同时进行收发消息的工作方式1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式二、通信方式二、通信方式5/21/202447 单工、半双工和全双工通信1.3 通信系统分类与通信方式二、并行传输和串行传输并行传输和串行传输q 并行传输并行传输：将代表信息的数字信号码元序列以将代表信息的数字信号码元序列以成组成组的方式在两条或的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输两条以上的并行信道上同时传输 优点优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点缺点：需要需要 n 条通信线路，成本高条通信线路，成本高 1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式二、通信方式二、通信方式5/21/202448 并行传输和串行传输1.3 通信系统分类与通信方式二、通信方 并行传输和串行传输并行传输和串行传输q串行传输串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输在一条信道上传输 优点优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施速度慢，需要外加码组或字符同步措施1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式二、通信方式二、通信方式5/21/202449 并行传输和串行传输1.3 通信系统分类与通信方式二、通信方 其他分类方式：其他分类方式：q 同步通信和异步通信同步通信和异步通信q 专线通信和网通信专线通信和网通信1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式二、通信方式二、通信方式5/21/202450 其他分类方式：1.3 通信系统分类与通信方式二、通信方式81.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标有效性有效性：指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是和时间间隔），或者说是传输的传输的“速度速度”问题问题。可靠性可靠性：指接收信息的准确程度，也就是指接收信息的准确程度，也就是传输的传输的“质量质量”问问题题。5/21/2024511.5 通信系统主要性能指标有效性：指传输一定信息量时所占用1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 模拟通信系统：模拟通信系统：q 有效性有效性：可用可用有效传输频带有效传输频带来度量。来度量。q 可靠性可靠性：可用可用接收端最终输出信噪比接收端最终输出信噪比来度量。来度量。5/21/2024521.5 通信系统主要性能指标 模拟通信系统：8/3/20231.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 数字通信系统数字通信系统q 有效性有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。用传输速率和频带利用率来衡量。码元传输速率码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（单位为波特（Baud），简记为），简记为B。式中式中T 码元的持续时间（秒）码元的持续时间（秒）信息传输速率信息传输速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特数，单位为比特/秒，简记为秒，简记为 b/s，或，或bps5/21/2024531.5 通信系统主要性能指标 数字通信系统8/3/202351.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 数字通信系统数字通信系统q 有效性有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。用传输速率和频带利用率来衡量。码元速率和信息速率的关系码元速率和信息速率的关系对于二进制数字信号：对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为则信息速率为3600 b/s。或或5/21/2024541.5 通信系统主要性能指标 数字通信系统或8/3/2021.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 数字通信系统数字通信系统q 有效性有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。用传输速率和频带利用率来衡量。频带利用率频带利用率：定义为单位带宽（定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即：赫兹）内的传输速率，即：或或5/21/2024551.5 通信系统主要性能指标 数字通信系统或8/3/20231.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 数字通信系统数字通信系统q 可靠性可靠性：常用误码率和误信率表示。常用误码率和误信率表示。误码率误码率：误比特率误比特率（误信率）：（误信率）：在二进制中有：在二进制中有：5/21/2024561.5 通信系统主要性能指标 数字通信系统8/3/202351.6 小结小结(1)通信的目的：传递消息中的通信的目的：传递消息中的信息信息v 消息是信息的物理表现，信息是消息的内涵。消息是信息的物理表现，信息是消息的内涵。5/21/2024571.6 小结(1)通信的目的：传递消息中的信息8/3/201.6 小结小结(2)通信系统有不同的分类方法通信系统有不同的分类方法v 按信道中传输的是模拟信号还是数字信号分：按信道中传输的是模拟信号还是数字信号分：5/21/2024581.6 小结(2)通信系统有不同的分类方法8/3/20231.6 小结小结(3)数字通信系统是当前通信技术的主流数字通信系统是当前通信技术的主流v 抗干扰能力强，可消除积累误差；抗干扰能力强，可消除积累误差；v 差错可控；差错可控；v 数字处理灵活，可将来自不同信源的信号综合到一起传数字处理灵活，可将来自不同信源的信号综合到一起传输；输；v 易集成，成本低；易集成，成本低；v 保密性好。保密性好。5/21/2024591.6 小结(3)数字通信系统是当前通信技术的主流8/3/1.6 小结小结(4)按消息传递的方向与时间关系分按消息传递的方向与时间关系分v 单工单工v 半双工半双工v 全双工全双工(5)按数据代码排列顺序分按数据代码排列顺序分v 并行传输并行传输v 串行传输串行传输5/21/2024601.6 小结(4)按消息传递的方向与时间关系分8/3/201.6 小结小结(6)通信的两个主要指标通信的两个主要指标 两者相互矛盾而又相对统一，且可互换。两者相互矛盾而又相对统一，且可互换。5/21/2024611.6 小结(6)通信的两个主要指标8/3/202361思考题思考题 P.14 1-11-11 5/21/202462思考题 P.148/3/202362第1章 绪论1.4 信息及其度量信息及其度量q信息信息：是消息中包含的有效内容：是消息中包含的有效内容q如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?度量信息量的原则度量信息量的原则v能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。v度量方法应该与消息的重要程度无关。度量方法应该与消息的重要程度无关。v消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】【例】“某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今天下雨今天下雨”这条消这条消息包含有更多的信息。息包含有更多的信息。上例表明：上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。5/21/202463第1章 绪论1.4 信息及其度量8/3/202363第1章 绪论度量信息量的方法度量信息量的方法v事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。v设：设：P(x)消息发生的概率，消息发生的概率，I 消息中所含的信息量，消息中所含的信息量，v则则 P(x)和和 I 之间应该有如下关系：之间应该有如下关系：I 是是 P(x)的函数：的函数：I I P(x)P(x)，I ；P(x)，I ；P(x)=1时，时，I 0；P(x)=0时，时，I ；v 满足上述满足上述3条件的关系式如下：条件的关系式如下：信息量的定义信息量的定义5/21/202464第1章 绪论度量信息量的方法8/3/202364第1章 绪论v上式中对数的底：上式中对数的底：若若a=2，信息量的单位称为，信息量的单位称为比特比特(bit)，可简记为，可简记为b 若若a=e，信息量的单位称为奈特，信息量的单位称为奈特(nat)，若若 a=10，信息量的单位称为哈特莱，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。v通常广泛使用的单位为比特，这时有通常广泛使用的单位为比特，这时有(b)v【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信息含量为，则信源每个输出的信息含量为 v在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特比特 5/21/202465第1章 绪论8/3/202365第1章 绪论v若有若有M个等概率波形（个等概率波形（P=1/M），且每一个波形的出现是独立的，），且每一个波形的出现是独立的，则传送则传送M进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为v若若M是是2的整幂次，即的整幂次，即 M=2k，则有，则有当当M=4时，即时，即4进制波形，进制波形，I=2比特，比特，当当M=8时，即时，即8进制波形，进制波形，I=3比特。比特。5/21/202466第1章 绪论若有M个等概率波形（P=1/M），且每一个波第1章 绪论v对于非等概率情况对于非等概率情况设：一个离散信源是由设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,M)按一定的概率按一定的概率P(xi)独立出现，即独立出现，即 且有且有则则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为于是，每个符号所含平均信息量为由于由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵熵 5/21/202467第1章 绪论对于非等概率情况8/3/202367第1章 绪论【例1】一离散信源由一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，四个符号组成，它们出现的概率分别为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，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息立的。试求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。【解】此消息中，此消息中，“0”出现出现23次，次，“1”出现出现14次，次，“2”出现出现13次，次，“3”出现出现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量个符号，故该消息的信息量 每个符号的算术平均信息量为每个符号的算术平均信息量为 5/21/202468第1章 绪论【例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“第1章 绪论若用熵的概念来计算：若用熵的概念来计算：则该消息的信息量则该消息的信息量 以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。5/21/202469第1章 绪论若用熵的概念来计算：8/3/202369第1章 绪论q连续消息的信息量连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为连续消息的平均信息量为式中，式中，f(x)连续消息出现的概率密度。连续消息出现的概率密度。5/21/202470第1章 绪论连续消息的信息量8/3/202370
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