第1章 通信原理 绪论

第一章绪论12020/1/31通信原理是通信工程、无线电工程、信息工程、计算机通信、图像处理与传输等专业的必修专业基础课。课程介绍本课程主要介绍现代通信系统所涉及的基础理论、通信中常用的信号及噪声分析、通信系统的构成、原理及性能分析。第一章绪论22020/1/31信息与通信工程两个二级学科排名：第一名：清华大学第二名：西安电子科技大学第三名：上海交通大学学科排名樊昌信等《通信原理》国防工业出版社曹志刚《现代通信原理》清华大学出版社李白萍,吴东梅《通信原理与技术》人民邮电出版社张传生等《数字通信原理》西安交通大学出版社徐台松等《数字通信原理》电子工业出版社参考教材《通信原理》扩展知识网站移动通信在线通信人家园研学论坛中国通信资源网国外网站联邦通信委员会://://://参考网站第一章绪论1.1引言1.2通信系统的基本模型1.3通信系统分类与通信方式1.4信息及其度量1.5通信系统的主要性能指标习题本章重点本章思考第1章绪论常用通信术语模拟信号与数字信号的区别通信系统的组成和分类、通信方式数字通信系统的主要特点离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）通信系统的主要性能指标学习目标第一章绪论82020/1/311.1引言通信:信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速）1、几个概念消息：信息的物理表现形式。如语言、文字、数据或图像等。信息：消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。第一章绪论92020/1/31消息信息1.1引言第一章绪论102020/1/31电通信：是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。1.1引言信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。第一章绪论112020/1/31语言文字印刷术计算机网络网格计算2、通信的发展不可存储；速度低；广泛性低。可存储；广泛性低。表情动作可存储；速度低；广泛性高。电报电话在任何时刻可以在网上获得有效信息。1.1引言第一章绪论122020/1/31随着超级计算机的不断发展，它已经成为复杂科学计算领域的主宰。但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足。超级计算机虽然是一台处理能力强大的“巨无霸”，但它造价极高，通常只有一些国家级的部门，如航天、气象等部门才有能力配置这样的设备。随着人们日常工作遇到的商业计算越来越复杂，人们越来越需要数据处理能力更强大的计算机，而超级计算机的价格显然阻止了它进入普通人的工作领域。于是，人们开始寻找一种造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，最终科学家们找到了答案—GridComputing(网格计算)。GridComputing第一章绪论132020/1/311.2.11.2通信系统的基本模型图1–1通信系统的一般模型信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信道第一章绪论142020/1/31信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。1.2.1通信系统的一般模型第一章绪论152020/1/31发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号(1.2.1信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。返回电梯用综合电缆75Ω射频同轴电缆室外非金属光缆布线金属光缆第一章绪论172020/1/31噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。1.2.1接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，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。第一章绪论182020/1/31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。1.2.1图1-1概括地描述了一个通信系统的组成，它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。第一章绪论192020/1/31连续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、图像等。离散消息：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据、文字等。1、连续消息和离散消息1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论202020/1/31按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号.2、1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论212020/1/31（1）模拟信号电信号的参量取值是连续。(不可数、无穷多)。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1-2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论222020/1/31Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O图1–2模拟信号波形(a)连续信号；(b)抽样信号1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论232020/1/31电信号的参量仅可能取有限个值。如电报信号、计算机输入/输出信号等。这个离散是指信号的某个参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（2）数字信号第一章绪论242020/1/31100110111001Of(nT)t00111001数字信息PSK波形(a)(b)1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论252020/1/31按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论262020/1/313、模拟通信系统模型1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型图1-3模拟通信系统模型模拟通信系统模型可由图1-1略加演变而成，如图1-3所示。图中的调制器和解调器就代表图1-1中的发送设备和接收设备。信息源调制器信道解调器受信者噪声源第一章绪论272020/1/31模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统。信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz。模拟信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的频带信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论282020/1/31已调信号有三个基本特征：携带有信息适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论292020/1/314、数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源图1–4数字通信系统模型数字通信系统是传输数字信号的通信系统，如图1-4所示。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论302020/1/31数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/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。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论312020/1/31信源编码的作用：一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。在以后章节中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(ΔM)。二是设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（1第一章绪论322020/1/31信源译码是信源编码的逆过程。码元：数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论332020/1/31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。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（2）第一章绪论342020/1/31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。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（3）加密与解密第一章绪论352020/1/31数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。S(t)Acos(ωt+φ)S(t)Acos(ωt+φ)信源载波信号已调信号1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（4）数字调制与解调第一章绪论362020/1/31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。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型（5）同步第一章绪论372020/1/31图1-4是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节。如在某些有线信道中，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，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论382020/1/31模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论392020/1/31抗干扰能力强，可消除噪声积累；差错可控，可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性；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；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。5、数字通信的主要优点1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论402020/1/316、数字通信的主要不足占用带宽大；模拟电话4KHz,数字电话20-64KHz需要同步。1.2.2模拟通信系统模型与数字通信系统模型第一章绪论412020/1/311.3通信系统分类1按通信业务分，通信系统有话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及电视会议、图像通信等。第一章绪论422020/1/31视频会议系统返回第一章绪论432020/1/31根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多，表1-1列出了一些常见的调制方式。1.3通信系统分类2、按调制方式分类表1-1常见的调制方式（略）调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调幅广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残