通信原理讲义.docx

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通信原理讲义

第一章绪论

1.1引言

信息科学与技术包括：

涉及信息的传感、采集处理、传输、输出、电气传动等相关的科学技术领域。

通信工程专业、计算机应用专业与信息的传输、通信是不可分的，因此学习通信原理这门课程是必要的。

现代通信系统几乎采用的都是数字通信技术，所以，我们这门课较多地讲授数字通信原理。

在人类社会发展的近10年间，信息科学技术迅猛发展，在社会各个领域得到越来越广泛的应用。

信息技术快速发展的动因和显著特点之一是计算机技术和数字通信技术的快速发展以及计算机网络与通信网的相互融合，使得因特网迅速发展，遍及世界各地，延伸各个角落，并从有线扩展到无线，延伸到人的手中。

各种类型的数字通信网是因特网的载体。

数据通信是计算机和通信这两种技术的相互渗透和相互结合的产物。

近年来国外刊经常出现一新词Compunication，是Computer与Communication两词的结合而成。

有关数字通信的研究主要是从网络的物理层研究数字信号的传输机理及其可靠性和有效性，为建立高可靠的、高效的因特网提供坚实的物理基础。

通信原理这门课程主要侧重于讲授数据（字）通信原理，因此学好这门课程是十分必要、重要的。

《通信原理》课程：

对于通信专业：

前期课程包括：

《信号与系统》（复变函数.积分变换）

《高频电路》（通信电子电路）

后读课程包括：

《现代通信技术》（微波、卫星、光纤通信）

《通信网》、《交换技术》

1.2通信的定义

一般的说：

通信是指由一地向另一地进行消息的有效传递。

应用例子：

古代的，烽火台，近代的，信号灯，现代的，打电话。

由于电、光传递信息快、准确可靠，这类传递信息方式称为“电信”，今天电信已习惯指通信。

1.3通信系统的组成

1.3.1通信系统模型

通信例子：

电报、电话、可视电话、广播、电视、雷达、遥测遥控系统等。

通信系统可以用图1-1模型加以抽象概括。

信息源——把各种可能消息转换成原始电信号。

语声、事件场景、数据记录→麦克风、摄象机、光驱、软盘。

发送设备——将原始电信号变换成利于在信道传输的信号。

广播电台、电视发射塔、计算机COM口。

信道——信号传输通道。

空间、电线。

接收设备——从接收信号恢复相应的原始信号。

收音机、电视机、计算机COM口。

受信者——将原始电信号转换成消息。

喇叭、TV显象管、显示器。

噪声源——信道中噪声及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示。

上述模型是通信系统的一般表示，反映了通信系统的共性，通信原理的讨论是围绕着通信系统的模型展开的。

关于模型

将研究的问题抽象成模型再研究是科学研究的一般方法。

在“物理”课程中，研究物体的运动速度是先将物体抽象成一个质点或者刚体，然后再建立数学模型：

，（

是质点移动的距离，

是质点移动的速度）。

在“电路”课程中，正弦电压源信号是用数学模型描述，即

式中

分别是角频率、初始相位、峰值电压。

如果

，则是直流电压源信号的数学模型：

模型是多样的（广义的），不仅有数学模型，还有关系模型，比如程序设计流程图、企业组织关系图，通信系统的方框图（模型）；物理比例模型，如地图、风洞实验中的飞机模型；仿真模型，通过计算机程序所表示的模型；知识模型，如毛泽东主席语录：

“鼓足干劲，力争上游，多快好省地建设社会主义”，这句话指导了我国50~60年代社会经济发展的模式。

对于经济问题、社会问题，采用定量加定性模型加以研究。

对于通信信号与系统的研究，采用的是精确严谨的数学模型。

1.3.2模拟通信与数字通信系统模型

通信传输的消息是多种多样的：

符号、文字、语声、图像等等。

分两类：

离散消息（数字消息），符号、数据、文字

模拟消息（连续消息），语音、图像

消息与电信号必须建立单一的对应关系，否则接收端无法复制。

如语声~音频电信号，幅度和频率与语声一一对应。

数字信号：

消息被载荷在电信号的某一参量上，如果电信号的该参量携带离散消息，该参数量取值必是离散取值的，这样的电信号为数字信号。

如电传机输出的信号就是数字信号。

如：

晴～a，雨～b

ASC码：

a=65D=1000001B，

b=66D=1000010B

模拟信号：

如果电信号的参量连续取值，则称这样的电信号为模拟信号。

如普通模拟电话机输出的是模拟信号。

按信道中传输的是模拟信号——模拟通信系统

是数字信号——数字通信系统

应当指出：

也可将模拟信号变成数字信号传输。

（一）模拟通信系统模型

模拟通信系统的一个例子是中波广播电台，如发射频率为1450KHz的徐州台。

中波广播系统图示（樊昌信书P3.图1-2）

图中的调制器功能：

将原始电信号（频谱分布低）变成高频（发送设备）

（二）数字通信系统模型

数字通信系统的例子：

（樊昌信书P3.图1-3）

1．4通信系统的分类及通信方式

1.4.1通信系统的分类

（1）按传输媒体分

有线通信：

光缆、电缆（电线）。

无线通信：

微波、短波、移动、卫星、散射等。

（2）按信道所传信号分

数字通信系统、模拟通信系统。

（3）按调制方式分

基带（如RS232（COM））、频带传输（调制传输）（如音频电话）

（4）按信号复用方式分

频分复用：

不同信号占据不同的频率范围

时分复用：

不同信号占据不同的时间区间

码分复用：

1.4.2通信方式

对于点点通信：

按消息传输的方向与时间关系分：

（见樊昌信书P6，图1-4.）

方式

单工

半双工

全双工通信

例子

BP、广播、电视

对讲机

电话、手机

在数字通信中，按数字信号码元序列排列，有串行、并行通信传输之说：

（见樊昌信书P6，图1-5.）

方式

串序（串行）

并序传输（并行）

说明

一条通道

多条导线传输

例子

COM、RS232（计算机）

打印机口（计算机）

1.5信息及其度量

通信的目的在于传递信息，消息包含着信息，消息的传递意味着信息的传递。

对信息这个术语的含义以及它的定量描述作扼要的讨论是十分必要的。

信息一词在概念上与消息的含义相似。

消息的传递意味着信息的传递。

每一消息信号必定包含有接收者需要知道的信息，消息以具体信号形式表现出来，而信息则是更抽象化、更普遍化。

是有本质的内容。

这是消息与信息的不一致。

①信息与消息的形式无关

用语音和文字发送的天气预报消息，所含信息内容相同

②信息与消息的重要程度无关

明日下雨的天气预报消息，不因该地区曾久旱无雨，还是风调雨顺而含有信息量增大。

③信息的多少与消息事件发生的可能性有关

“明天中午12时正常开饭”、“明天中午12时有地震”后者听后会使人惊奇和意外，则信息量大。

或者说某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。

如何度量信息？

如何计算消息的信息量？

火车运输货物多少用“货运量”衡量

消息信号传输信息多少用“信息量”衡量

消息的传递意味着消息的传递，信息可被理解为消息中包含的有意义的内容。

某些消息比另外一些消息传递了更多的信息。

概率论知识：

事件出现的可能性愈小，概率愈小

事件出现的可能性愈大，概率愈大

信息量

与消息

出现的概率有关。

综上所述，为计算信息量

（消息

）关系式，应反映如下规律：

（1）消息中的信息量I是消息

出现的概率的

函数：

（2）

（3）若干独立消息之和的信息量是每个消息所含信息量的线性叠加，即信息具有相加性。

满足以上三点，

与

的函数关系为：

信息量I的单位与对数的底数a有关：

a=2单位为bit（常使用）

a=e单位为奈特（nat）

a=10单位为笛特（Det）或称十进制单位

a=r单位为r进制单位

下面讨论等概率出现的离散信息的度量

假设信息源传送的是“晴”“雨”两个气象消息：

“晴”～a

“雨”～b

字母a、b就可看作是一个消息（离散消息）。

我们可用适当的波形来传送每一个消息。

假设用二进制脉冲传送这两个消息。

消息信号：

电压0伏脉冲代表消息a（晴）

电压1伏脉冲代表消息b（雨）

如果每一消息信号是等概率出现，则

，即

每一消息信号传输（传送）载荷的信息量：

bit

在下表1.5—1中，考虑4条消息的情况，（4个等概率出现的消息情况），用4进制脉冲也能传送a、b、c、d、4条消息。

表1.5—1

4进制

脉冲波形

消息

消息信号

的脉冲波形

消息出现的概率

每一消息信号

携带的信息量

a（晴）

b（雨）

c（多云）

d（大风）

4进制脉冲情况：

用4进制脉冲也能传送4条消息，或者说用单个4进制脉冲也能传送两个二进制脉冲所传送的信息。

因此单个4进制脉冲传送2bit信息。

一个二进制脉冲能传送1bit信息，可表示2个消息。

二个二进制脉冲能传送2bit信息，可表示4个消息。

三个二进制脉冲能传送3bit信息，可表示8个消息。

…

K个二进制脉冲能传送kbit信息，可表示

个消息。

个消息等概率出现，且独立，则信息量：

下面考虑非等概率情况：

设离散信息源是一个由

个符号组成的集合

，按

独立出现。

记

则

各符号的信息量分别为：

这里式中的每个符号（消息）的信息量不同。

下面我们引入平均信息量

：

等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率再相加

例1.5.1

设由5个符号组成的信息源，相应概率为

（每条消息用字母A/B/C/D/E表示），求信源5条消息的平均信息量

：

例1.5.2见樊昌信书P8

这57个符号代表的消息，其中：

出现0的信息量为

，出现1的信息量为

，出现2的信息量为

，出现3的信息量为

消息的信息量：

平均信息量（算术平均）

若用樊昌信书的公式（1.4—9）计算

上述

计算有差异，算术平均方法存在误差，如果消息中符号数目

，则以上两种计算结果一样。

1.6通信系统的主要指标

衡量比较评价一个系统的好坏，必然要涉及通信系统的主要指标问题，否则无法衡量。

指标有：

有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护性等。

有效性和可靠性是消息传输的主要矛盾。

从消息的传输来说，通信系统两个重要指标：

下面仅讨论数字通信情况。

一、有效性指标的具体表达

数字通信系统的有效性具体可用传输速率来衡量，传输速率越高，则系统有效性越好。

通常可以从以下三个不同角度定义传输速率。

（1）码元传输速率

码元/秒，单位：

波特（B）

如2秒内共传送4800个码元，则传码率为2400B。

（2）信息传输速率

bit/秒

如1秒内传1200符号，且每一符号的平均信息量为1bit，则该信源的

（3）消息传输速率

汉字时，单位是，字/秒

之间互换

☆对于二进制码元，码速率与信息速率在数值上相等，但单位不同。

数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率

与信号的进制无关，只与码元宽度

有关。

简单地说一个直观的例子：

（参见表1.5—1）

假设码元宽度

秒，单个二进制脉冲（码元）的码和单个4进制脉冲（码元）的码元速率均为1B。

但是，二进制脉冲的传递的信息量为1b/s

4进制脉冲的传递的信息量为2b/s

以上说明一个系统的码元速率与信息速率可能是不同的。

☆在多进制中，

之间数值不同，单位也不同，有：

☆通常在给出通信系统码元速率时，有必要说明码元的进制。

多进制（N）码元速率

与二进制码元速率

之间，在保证系统信息速率不变情况下可相互转换：

（信息速率不变）

☆二进制的信息速率

与多进制信息速率

之间，在保证系统信息速率不变情况下可相互转换：

（码元速率不变）

二进制信息速率；

多进制信息速率

二、可靠性指标的具体表达

例：

超短波水情遥测系统的误码率约

数量级。

即发送了

个码元中有1个错码。

第一章总结复习

☆常用通信术语

通信

消息

信号

通信系统

通信系统的组成（见樊昌信书图1—1）

系统的一般模型

☆数字通信系统的模型（见樊昌信书图1—3a）

☆通信系统的分类

☆通信方式双工、半工、半双工、串序（串行）、并序（并行）传输

☆信息及度量

离散消息

所携带的信息量为

离散消息源的平均信息量

☆传输速率、差错率