通信原理教程1

第一章 概论 学习目标：1、了解通信的发展史 2、理解信息、消息和信号的联系和区别 3、理解 模拟通信系统的原理框图 4、理解数字通信系统的原理框图 5、掌握衡量通信系统的主要性能指标 6、掌握数字通信的主要优点 7、了解无线电的传播方式 8、理解信道的数学模型 9、了解噪声的来源和种类1

第一章 概论1.1 通信的发展一、古代通信的起源(狼烟四起、信鸽传书)1848年，莫尔斯发明了电报； (上帝创造了何等的奇迹) 1876年，贝尔发明了电话； 1864年，英国人麦克斯韦提出了电磁波学说； 1896年，意大利的马可尼发明了无线电报； 1901年，马可尼(G.Marconi)成功地实现了横渡大西洋的无线 电通信。

由此以后，相继出现了无线广播、超短波通信、广播电 视、雷达、无线电导航等。2

二、现代通信的发展 1、计算机的发明计算机与通信两者相结合，使电信业务更加丰 富，如 可视图文、多媒体通信

2、 20世纪50年代之后 (1) 通信理论上：香农信息论、纠错编码理论、信号保真度理 论等；

(2)通信体制上：模拟通信、数字通信； (3)通信种类上：脉码通信、微波通信、卫星通信、激光通信、移动通信和计算机通信等；

(4)通信对象上：突破了人与人之间进行通信的范畴，实现了人与机器、机器与机器之间的通信。3

1.2 消息、信息和信号通信的目的：把含有信息的消息转换成电信号 后从一地传向另一地。

消息：来自外界的各种报道，具有真实性、可 靠性、广泛性、实用性、准确性。

信息：新的、有用的消息、消息中的有效成分 信号：传输消息的手段(媒介) 通信系统中传输的是电信号、光信号 信号是消息的表现形式，而消息是信号的具体内 容。 4

1. 信息及其度量 不同的消息中所含的信息量是不一样的， # 消息“量” 信息量 # 例：“明天降雨量将有一毫米” -- 信息量小 “明天降雨量将达到一米” -- 信息量大

# 例：“今年冬天的气候要比去年冬天的更冷些” “今年冬天的气候将与去年夏天的一样热” # 例： “明日太阳将从东方升起” -- 信息量零

信息的度量：为了计算信息量，消息中所含的信息量I 与消息出现的概 率P (x)间的关系式应满足如下规律： (1)消息中所含信息量I 是该消息出现的概率P (x)的函数， 即 I=I [P (x)] (2)消息出现的概率越小，它所含的信息量越大，反之信息 量越小，且当P (x)=1 时，I =0;当P (x)=0 时，I =∞;(3)若干个互相独立的事件构成的消息，所含信息量等于各 独立事件信息量的和，即 I [P (x1) P (x2)…]=I [P (x1)]+ I [P (x2)]+ … ∴I 与P (x) 间的关系式为

I = loga [1/P(x)] = -log

aP(x)

信息量的单位： a = 2, 信息量的单位为“比特bit” a = e, 信息量的单位为“奈特nit” a =10, 信息量的单位为“哈特来” 通常取a=2

2. 等概率出现的离散消息的度量 若需要传送M个独立的等概率消息之一，则可采用一个M进制的 波形来传送，则每一个消息所含的信息量是： I = log2 [1/P(x)] = log2 M (bit) 当M=2时，I = log2 [1/P(x)] = log2 [1/(1/2)] = 1 (bit) 3. 非等概率出现的离散消息的度量 设离散信息源是一个由n个符号组成的集合，其中每一个符号在 消息中按一定概率P(xi)独立出现，设个符号出现的概率为 x1 , x2 , … xn

P (x1), P (x2) ,… P (xn)

且∑P (xi) =1

每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为H (x)= P (x1)[-logP (x1)]+P (x2)[-logP (x2)]+ … +P (xn)[-logP (xn)]

平均信息量的单位为：bit/符号8

课堂练习： 一信息源由4个符号0、1、2、3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。试求如下消息的

信息量。2010201302130012032101003210100(该消息共有31个符号，其中0出现13次，1出现8次，2出现6次，3出现4次)9

1.3数字通信一、 模拟通信信 源 调 制 信 道 噪 声发送端 接收端

解 调

信 宿

模拟通信系统模型

信源：把模拟信号变换成原始电信号(通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，所以通常需要有第二种变换——调制。原始电信号又 称为基带信号。

调制：将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。调制后的信号称为已调信号(或频带信号),它有两个基本特性：一是携带 有消息，二是适合在信道中传输。 10

二、数字通信系统模型

信 源

压 缩 编 码

保 密 编 码

信 道 编 码

调 制

信 道

解 调

信 道 解 码同 步

保 密 解 码

压 缩 解 码

信 宿

信源编码

噪 声

信源解码

发送端

接收端

数字通信系统模型11

可见，通信系统主要分为三大模块：发送端、信道 和接收端。12

信源：信息的产生者，可以是人或机器终端。产生的信号 可以是数字的，也可以是模拟的。 信源编码：包括A/D转换，压缩编码，保密编码等，其作 用是提高通信的有效性。 信道编码：作用是提高通信的可靠性，又称为纠错编码。 调制器：编码器输出的信号通常都包含较低频率的分量， 甚至包含直流分量，而许多信道都不能传输低的频率分量 或直流分量。所以，通常要对基带信号进行调制，将基带 信号的频率范围搬移到较高的频段，使之能顺利通过信道 传输。 信道：传输信号的通路，分为有线信道和无线信道两类。 同步系统：使系统各个环节有序地工作，主要位同步、码 元同步、群同步、载

波同步和网同步等。

三、数字通信的优点

1. 抗干扰能力强：

数字信号是离散信号，取值数目有限。 且可采用纠错和检错技术，大大提高抗干扰性。

(a) 失真的数字信号

(b) 恢复的数字信号

数字信号波形的失真和恢复14

2. 容易实现高质量的远距离传输：采用再生中 继器。 3.可采用高保密性能的数字加密技术，实现高 度的保密通信。 4. 便于实现综合业务数字网(ISDN)综合业务数字网:将各种消息(语音、文字、图 像、数据等)都变换成统一的数字信号在同一个网 络中进行传输。

5.便于集成化、智能化：数字通信设备大都由 数字电路构成，而数字电路比模拟电路更容易 集成化。15

四、数字通信系统的主要性能指标

有效性和可靠性的关系(速度~质量)

1. 有效性：系统的有效性主要从传输速率、频带利用率和能量利用率3个方面来考虑。

(1) 传输速率： 码元速率RB - 波特 信息速率：Rb - 比特/秒 消息速率：RM,传输文字时单位是“字/s”

码元速率和信息速率的关系： 对M进制：设每个码元出现的概率相等，则 Rb = RB log2 M

对于二进制(M=2),码元速率和信息速率在数值 上相等，只是单位不同。例1:若某八进制系统的码元速率为1200 B,则该系统 的信息速率为_________。 例2:若每秒传输300个二进制码元，则码元速率为 ______B,信息速率为_______ bit/s。17

(2)频带利用率：单位频带内所能达到的信息速率。 η=Rb/B 式中 ： Rb — 信息速率 B — 带宽 (3)能量利用率：传输每一比特所需的信号能量。用 系统信噪比来衡量。

2. 可靠性

错误率： 误码率Pe

= 错误接收码元数/传输码元总数 错误接收比特数/传输总比特数 错误接收字数/传输总字数

误比特率Pb = 误字率Pw =

显然，对于二进制，误码率和误比特率相等。18

课堂练习： 一个信息源由A、B、C、D四个符号组成，对 于传输的每个符号用二进制脉冲编码，A、B、C、 D分别用00、01、10、11表示，每个脉冲宽度为5ms: (1)不同的符号是等可能出现时，试计算传输 的平均信息速率；

(2)若每个符号出现的可能性分别为 PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10 试计算传输的平均信息速率。

1.4 信

道

一、 信道的定义：编码器 输 出

调 制 器

发 转 换 器

媒 质

收 转 换 器

解 调 器

译码器 输 入

(调 制) 信 道 广义(编码)信道20

调制信道：指调制器输出端到解调器输入端的部分。 若仅研究调制和解调时，可采用这种信道。调制器 输出端到解调器输入端的所有变换装置及传输媒质，不 论其过程如何，只不过是对已调信号进行某种变

换，我 们只需要关心变换的结果，而无需关心其详细物理过程。 编码信道：指编码器输出端到译码器输入端的部分。 若仅着眼于讨论编码和译码，则采用编码信道。 编 码器的输出是某一数字序列，而译码器的输入也是某一 数字序列，可以用一个对数字序列进行变换的方框来加 以概括，而无需关心其详细物理过程。

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