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通信原理任课教师：陶宇TEL：17751280858E-MAIL：taoyu@cslg.edu.cn课程基本信息：学分：3学时：48（理论）先修课程：信号与系统，概率论与数理统计选用教材：邬正义主编，《通信原理简明教程》，机械工业出版社，2012年参考教材：樊昌信等，通信原理（第6版），国防工业出版社，2006课程性质与任务：本课程是电子与信息类专业的主要专业基础课；本课程是我校电子信息工程专业的学科（专业）必修课程；本课程在简要介绍模拟通信原理的基础上，以数字通信原理为重点，讲述现代通信系统的组成、性能指标、工作原理、性能分析和设计方法，使学生掌握现代通信系统的基本组成、基本性能指标和基本分析方法；本课程着重于培养学生把握通信信号设计的发展脉络和指导思想，在给学生奠定扎实的理论基础的同时，让学生学习与了解更多的现代通信技术和理论，以适应现代信息社会对通信人才的需求。课程基本内容：第1章通信的基本概念（6学时）第2章模拟调制系统（6学时）第3章信源编码（8学时）第4章数字信号的基带传输（10学时）第5章数字信号的调制传输（10学时）第6章差错控制与信道编码（6学时）第7章同步原理（2学时）考核方式：成绩组成：实验成绩20%+平时成绩20%+期末成绩60%平时成绩包括：上课出勤40%+课堂表现30%+课后作业40%期末考核方式：闭卷考试★课程目标：班级平均成绩达到良好，无挂科！教学内容通信与通信系统信息与信息的度量信道及信道容量通信系统的主要性能指标信道中的噪声重点及难点消息、信息和信号三者关系和区别；数字通信系统模型和数字通信的优点；传输速率；有线信道和无线信道教学要求理解通信系统模型中各组成部分的功能；掌握信息量、信道容量和系统的有效性、可靠性的概念及传输速率的计算方法；了解通信技术的发展状况。第一章通信的基本概念7第一章通信的基本概念1.1通信与通信系统1.1.1通信通信是从一地到另一地克服距离障碍进行的信息传递和交互。实现通信的方式和手段：从古代社会的烽火台、消息树到后来出现的驿站、旗语，以及现代社会的电报、电话、手机、因特网等等。近现代出现了利用电磁波或光波来传递各种消息的通信方式，使信息传递迅速、准确、可靠，而且几乎不受时间和空间距离的限制。8第一章通信的基本概念1、通信发展简史1844年，莫尔斯发明电报码，产生了利用电信号的通信方式——有线电报。1858年，英国开始铺设越洋海底通信电缆。1864年，麦克斯韦建立电磁场理论，预言了无线电波的存在。1876年，贝尔发明电话。1887年，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言，为现代无线通信奠定了基础。1896年，马可尼发明无线电报通信方式。1906年，弗莱明发明真空二极管。1918年，调幅无线电广播、超外差接收机问世。1928年，奈奎斯特提出著名的抽样定理。9第一章通信的基本概念1936年，调频无线电广播开播。1937年，脉冲编码调制原理被发明。1938年，电视广播开播。1940-1945年，第二次世界大战刺激了雷达和微波通信系统的发展。1948年，发明晶体管；香农提出了信息论，现代通信理论开始建立。1949年，时分多路通信应用于电话。1957年，苏联成功发射第一颗人造地球卫星。1958年，人类发射第一颗通信卫星。1960年，激光被发明。1961年，发明集成电路。1962年，第一颗同步通信卫星成功发射，为国际间大容量通信奠定了基础。10第一章通信的基本概念1960-1970年，数字传输的理论和技术得到了迅速发展；数字电子计算机运算速度大大提高。1970-1980年，大规模集成电路、商用通信卫星、程控数字交换机、光纤通信系统、微处理机等迅速发展。1980年以后，超大规模集成电路、光纤通信系统得到广泛应用；综合业务数字网崛起，现代通信朝着数字化、网络化、综合化、智能化、移动化、宽带化和个人化的方向发展。11第一章通信的基本概念奈奎斯特奈奎斯特(1889-1976)，美国物理学家。1917年获得耶鲁大学哲学博士学位。曾在美国AT&T公司与贝尔实验室任职。奈奎斯特为近代信息理论做出了突出贡献。他总结的奈奎斯特采样定理是信息论、特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。12第一章通信的基本概念克劳德·艾尔伍德·香农克劳德·艾尔伍德·香农（ClaudeElwoodShannon，1916－2001），美国数学家、电子工程师和密码学家，被誉为信息论的创始人。1937年21岁的香农是麻省理工学院的硕士研究生，他在其硕士论文中提出，将布尔代数应用于电子领域，能够构建并解决任何逻辑和数值关系，被誉为有史以来最具水平的硕士论文之一。1948年香农发表了划时代的论文——通信的数学原理，奠定了现代信息理论的基础。二战期间，香农为军事领域的密码分析——密码破译和保密通信——做出了很大贡献。2001年2月26日去世，享年84岁。13第一章通信的基本概念2、通信的方式（1）单工、半双工及全双工通信对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式。半双工通信方式可以实现双向的通信，但不能同时在两个方向上通信，必须轮流交替地进行。全双工通信是指在通信的任一时刻，通信双方都可同时进行收发消息的通信方式。14第一章通信的基本概念（2）并行传输与串行传输在计算机通信中，按数据代码的排列方式不同，可分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数字信号码元在并行信道上同时传输的方式。串行传输是将数字信号码元在一条信道上以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。15第一章通信的基本概念（3）点对点通信、点对多点通信与网络通信电话通信是典型的点对点通信，通信时发送信息点与接收信息点之间必须有独立的通信信道；广播、电视是典型的点对多点通信，这种通信的信道是公用的，发布信息的一方只需将信息通过公共信道传播出去，接收信息的任何一方可根据需要有选择地接收信息；现代通信需要任意时刻任意地点之间的多点对多点的通信，因此出现了各种交换系统和网络，网络通信蓬勃发展起来。16第一章通信的基本概念1.1.2通信系统通信的根本目的是传输信息，在信息传输过程中所需的一切设备和软硬件技术组成的综合系统称为通信系统。通信原理主要研究点对点通信系统的通信理论、通信方式和通信技术。17第一章通信的基本概念点对点通信系统的一般模型信源发送设备信道接收设备信宿噪声源发送端接收端18第一章通信的基本概念信源：信息的发源地，是消息的产生地。信源还包括把各种消息转换成原始电信号(基带信号)，完成非电量到电量的转换等功能。发送设备：主要功能是构造适合在信道中传输的信号，使信源信号和信道特性相匹配，并具有足够大的功率，以满足远距离传输的需要。信道：指传输信号的物理媒质。信道同时也是一个抽象的概念，泛指信号传输的通道。噪声源：将信道中的干扰和噪声以及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示的理想模型。接收设备：和发送设备相对应，完成发送设备的逆功能。信宿：又称收信者，信息传输最终到达的目的地。19第一章通信的基本概念1、模拟通信系统定义：模拟通信系统指在信道中传输模拟信号的通信系统。系统模型20第一章通信的基本概念调制器的主要功能是把从信源发送出来的基带信号变换成适合在信道中传输的频带信号。解调器的功能与调制器的功能相反。事实上，除了调制器外，发送设备还应包含放大、滤波、混频、辐射等各种环节，本模型认为这些环节都足够理想，从而不再讨论。21第一章通信的基本概念2、数字通信系统定义：数字通信系统指在信道中传输数字信号的通信系统。（1）系统模型22第一章通信的基本概念信源编码：主要解决数字信号的有效传输问题，又称为有效性编码。对于模拟信号源，信源编码首先要将模拟信号转换成数字信号；对于数字信号源，这一步可以省去。信源编码的另一个重要任务是对数字信号进行数据压缩，设法降低数字信号的数据传输率。信道编码：主要解决数字信号传输的抗干扰问题，又称为可靠性编码。数字调制：任务是将数字基带信号经过调制变为适合于信道传输的频带信号（带通信号），其实质就是对数字信号进行频谱搬移的过程。23第一章通信的基本概念数字解调：数字解调是数字调制的逆过程，将频带信号还原为原始的基带信号。信道解码：信道解码是信道编码的逆过程。信源解码：信源解码是信源编码的逆过程。24第一章通信的基本概念（2）数字通信系统的主要特点1）在传输中噪声不积累，抗干扰能力强；2）传输差错可控，通信质量高；3）可以采用现代数字信号处理技术对信息进行加工、处理，易于存储并能灵活地与各种信源综合到一起传输；4）采用集成电路后，通信设备可实现微型化；5）易于对传输信息进行加密处理，保密性好。25第一章通信的基本概念3、通信系统的分类（1）按通信业务分类：可分为话音通信和非话音通信。（2）按调制方式分类：根据是否进行调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输系统是将信源的原始基带信号直接传送的系统。频带传输系统是对基带信号调制后再传输的系统。（3）按传输信号的特征分类：根据信道传输的电信号的种类可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。26第一章通信的基本概念（4）按传送信号的复用方式分类：常用的复用方式有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、波分复用（WDM）等。（5）按传输媒质分类：可分为有线通信系统和无线通信系统。27第一章通信的基本概念1.2信息与信息的量度1.2.1信息、信号与消息消息（message）：指通信过程中被传输的具体内容，但只是一种泛指，是一个总体的概念。消息有多种形式，如语音、图像、视频、数据、文字、图片、符号等。信息（information）：是一个抽象的概念，指消息中对受信者有意义的内容，或者说是对受信者来说未知的那些内容。和物质、能量一样，信息已被公认为人类社会生存与发展的不可缺少的第三类资源。28第一章通信的基本概念信号（signal）：是承载消息的物理载体，或者说是消息的具体传输形式。在现代通信系统中，信号通常指电流或电压形式的电信号（光信号也常常被转换成电信号），因此可以用数学表达式来进行描述。当信号为时间的连续函数时，称为模拟信号；当信号只在离散的时间点上有值，并且这些取值都被数字化编码时，称为数字信号。29第一章通信的基本概念1.2.2信息的量度对信息传输多少的度量单位，这就是“信息量”的概念。度量信息量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述。某一消息发生的概率越小，它所包含的信息量越大。反之，概率越大，则它所包含的信息量就越小。信息量应该是消息出现概率的单调递减函数。如果收到的不只是一个消息，而是若干个互相独立的消息，则总的信息量应该是每个消息的信息量之和，即信息量还应满足相加性的条件。30第一章通信的基本概念假定某事件xi发生的概率为P(xi)，则事件xi所含的信息量为信息量的单位与对数的底有关若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b,是最为常用的信息量单位;若a=e，信息量的单位称为奈特(nat);若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。)(log)(1log)(iaiaixPxPxI31第一章通信的基本概念对于等概率离散信源设二进制离散信源（0,1）以相等的概率发送符号“0”和符号“1”，每个符号的发送与前面已经发送过的符号无关，即每个符号的发送是独立的。因此P(0)=P(1)=P(x)=1/2，故发送一个符号的信息量为如果离散信源的M个波形以等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，则传送M进制波形之一的信息量为)(12log)(1log)(22bitxPxI)(log11log)(1log)(22