通信原理

通信原理吉林大学通信工程学院通信工程系赵蓉[e-mail]版权所有©赵蓉关于本课程通信原理为学科理论基础课程，要求重点掌握通信系统的基本概念和分析方法，以及信息传输的基本原理；熟悉各种通信技术的基本特点以及性能；在此基础上，研究通信系统的设计，了解通信发展方向。先修课程：《信号与系统》《概率论与随机过程》等学习方式：课堂教学/课后作业/实验版权所有©赵蓉上世纪60年代末期，欧美国家通信专业研究生课程；上世纪70年代，欧美国家通信专业研究生和本科生课程；上世纪80年代初，我国通信专业研究生和本科生课程；上世纪90年代，我国通信专业、电子类专业本科生也开设本课程。版权所有©赵蓉教材与参考书教材：《现代通信原理教程》北京邮电大学出版社主要参考书:樊昌信等《通信原理》（第6版）国防工业出版社周炯槃等《通信原理》北邮出版社冯玉珉等《通信系统原理》清华、北京交大曹金玉等《通信系统原理》吉林大学出版社杨鸿文桑林《通信原理习题集》北邮出版社版权所有©赵蓉教学内容第一章绪论第二章确知信号分析（已学）第三章随机过程第四章模拟调制系统第五章数字基带传输系统第六章数字调制系统第七章模拟信号的数字传输第九章数字信号的最佳接收版权所有©赵蓉教学安排共72学时（4.5学分）其中：理论教学60学时实验教学12学时考核方式：考试(闭卷）版权所有©赵蓉第1章绪论版权所有©赵蓉主要内容1.5通信系统的主要性能指标1.4信息及其度量1.3通信系统的分类与通信方式1.2通信系统的组成1.1通信的基本概念与发展简史1.6常用的通信信道及频带划分版权所有©赵蓉1.1通信的基本概念一、通信的基本概念信源信道信宿通信就是以语言、图像、数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一方。通信的一般概念：信息的传输与交换信源、信道、信宿称通信的三要素版权所有©赵蓉信息源受信者发送设备信道接收设备噪声源接收端发送端通信系统的模型版权所有©赵蓉二、通信发展简史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：第一阶段语言第二阶段文字、邮政第三阶段印刷术、出版物第四阶段电报、电话、广播第五阶段通信与计算机的结合、网络版权所有©赵蓉1.最初的电报与电话1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C.M的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。版权所有©赵蓉1820年，奥斯特通过实验得出了重要的结论：变化的电场能够产生变化的磁场，变化的磁场也能产生变化的电场。1837年，莫尔斯（SamuelMorse）制成了世界上第一台比较完善的电报机。版权所有©赵蓉最早的有线电报1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等的奇迹!”莫尔斯发出第一封电报设备的复制品版权所有©赵蓉最早的有线电话1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔(Bell,AlekanderGraham)发明了电话。至今美国波士顿法院路109号的门口，仍钉着块镌有：1875年6月2日电话诞生在这里的铜牌。1876年2月14日，贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置——电话的专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。贝尔获得电话的专利证书版权所有©赵蓉电话交换技术两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。版权所有©赵蓉使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机这里，“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。版权所有©赵蓉清朝时北京的电话局（人工交换）版权所有©赵蓉2.无线通信的产生1863年，麦克斯韦（Maxwell)提出了电磁场理论，建立了麦克斯韦方程。1887年，德国物理学家赫兹（Hertz）在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。版权所有©赵蓉最早的无线通信1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。波波夫实验用的无线电接收机版权所有©赵蓉人类首次远距离无线电通信1897年5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔（Bristol）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。版权所有©赵蓉3.影响通信发展的重要发明或理论1906年,LeeDeforest发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机。1941年，JohnV.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机。1947年，贝尔实验室的SteveO.Rice给出了噪声的统计描述。版权所有©赵蓉1948年，贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管。1948年，ClaudeE.Shannon发表了信息论。著名的香农公式：2log1SCBNC—信道容量B—信号带宽S/N—信号与噪声的功率之比版权所有©赵蓉1957年10月4日，原苏联发射了第一颗人造地球卫星，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来。1958年，发明了集成电路。1964年，电子电话交换机投入使用。1972年，摩托罗拉公司为FCC演示蜂窝电话系统。版权所有©赵蓉1976年，出现个人计算机。1979年，64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成（VLSI）电路时代的到来。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。1985年，传真机（FAX）广泛使用。1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署。1995年，互联网（Internet）及浏览广泛流行。2000年至今，进入基于微处理器的数字信号处理、高速个人计算机、扩频通信系统、数字卫星系统、数字电视、数字广播以及个人通信系统时代。版权所有©赵蓉1.2.1通信系统模型信息源受信者发送设备信道接收设备噪声源接收端发送端1.2通信系统的组成版权所有©赵蓉信息源受信者发送设备信道接收设备噪声源接收端发送端信息源：把需要传输的消息转换为原始电信号；发送设备：为了使这个原始信号适合在信道中传输，发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道；接收设备：接收设备的功能与发送设备的相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信息；噪声源：是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。各部分功能版权所有©赵蓉信号的分类模拟信号（连续信号）：是指消息的状态是连续的，如连续变化的语音、图象等；1.2.2模拟通信系统和数字通信系统模型ttVV数字信号（离散信号）：是指信号的幅度是离散取值的，如文字、符号、数据等。版权所有©赵蓉1.模拟通信系统模型概念：利用模拟信号来传递信息的通信系统。模拟信息源调制器信道解调器受信者噪声源★调制/解调器的作用：频谱搬移调制解调原理；信道特性、噪声特性对传输信号的影响；噪声条件下系统的性能。模拟通信系统研究的主要问题版权所有©赵蓉2.数字通信系统的模型概念：利用数字信号来传递信息的通信系统。★一般数字通信系统的收端要有同步的功能信源信源编码器信道编码器调制器信道解调器信道译码器信源译码器信宿噪声源版权所有©赵蓉各部分功能：信源：输出的是待传送的信号。它可以是模拟信号，也可以是数字信号。信源编码：信源输出为模拟信号时，完成模/数变换；信源输出为数字信号时，完成压缩编码等功能。加密：用于需要保密通信的系统版权所有©赵蓉信道编码：作用是提高可靠性，进行差错控制编码。调制器：将待传输的数字信号适当变化，以适于信道传输。信道：信号在媒质中传输的通路。噪声源：信号在信道传输过程中受到的加性干扰。解调器：将调制信号还原成基带信号版权所有©赵蓉信道解码：对信号完成纠检错功能解密：加密的反变换。信源解码：完成数/模变换或解压缩编码等功能信宿：受信者同步系统：因分散未画出。但它却是数字通信系统中必不可少的组成部分。版权所有©赵蓉数字通信特点抗干扰能力强，无噪声积累。传输差错可控。便于使用现代数字信号处理技术进行处理。易于集成，使设备微型化，重量轻。易于加密。所需的传输带宽宽（缺点）。版权所有©赵蓉数字通信系统研究的基本问题1.A/D、D/A变换，数字基带信号的特性；2.数字调制、解调原理；3.信道、噪声特性对数字系统的影响；4.信道编码、译码；5.加密；6.同步。版权所有©赵蓉通信系统的组成两种应用利用数字通信系统传送模拟消息•A/D，D/A变换，例如电话利用模拟通信系统传送数字信号•加装数字终端，例如调制解调器电话网因特网版权所有©赵蓉1.3通信系统的分类与通信方式1.按通信业务分类:电话、电报、数据、图象等2.根据调制方式分类连续波调制脉冲调制3.根据消息的物理特征：模拟通信系统数字通信系统4.根据传输媒介有线通信系统：双绞线、同轴电缆、光纤无线通信系统：1.3.1通信系统的分类版权所有©赵蓉5.根据信号复用方式分类频分复用(FDM)1时间频率234时分复用(TDM)1时间频率2341码分复用(CDM)1234时间频率版权所有©赵蓉单工通信（Simplex）sourcechanneldestinationsourcedistinationsourcechanneldistination半双工通信（HalfDuplex）Two-way-alternateOn-one-way6.按通信方式分类按消息传送方向与时间关系:单工、半双工、全双工版权所有©赵蓉sourcechanneldistinationdistinationsourcechannel全双工通信（FullDuplex）Two-way-simultaneous版权所有©赵蓉1.4信息及其度量(1)信息：消息中包含的有效内容信息的度量：信息量与消息的种类及重要程度无关事件的不确定程度越大，信息量越大消息x中所含信息量I与消息出现概率P(x)成反比•P(x)=1,I=0;•P(x)=0,I=1()()Ixpx1()Ipx版权所有©赵蓉信息及其度量(2)信息量I1logaIxPxa=2，信息量的单位为比特(bit)a=e，信息量的单位为奈特(nat)a=10,信息量的单位为哈特莱（Hartley)logaPx称自信息Ix版权所有©赵蓉离散信源的信息熵每个符号所含平均信息量（信息量的统计平均值）设离散信息源是一个由n个符号组成的符号集，且121211nnnxxxPxPxPxiiPx,且各符号x1x2…xn所包含的信息量分别为