課時學時（講授）通信技術(shù)與系統(tǒng)1、《現(xiàn)代通信原理》曹志剛等

清華大學出版社2、《現(xiàn)代通信原理》宋祖順電子工業(yè)出版社3、

《通信原理》馬海武等北京郵電大學出版社4、《CommunicationSystemEngineering》(2nd)JohnG.參考書目是一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，也是一門概念、原理理論較強的課程。主要學習和掌握通信原理的基本知識、基本原理、基本概念，為后續(xù)專業(yè)課程的學習打基礎(chǔ)。課程特點前言一、通信基本概念通信：信息的傳播與交流。任務(wù)：克服距離上的障礙，迅速而準確地傳遞信息。通信方式豐富多彩：文字、書信、電報、電話、可視電話、廣播、電視、雷達、遙測遙控等。當今，在自然科學領(lǐng)域研究“電通訊”。

二、各種通信的特點廣播通信、電視、電臺、網(wǎng)絡(luò)：穩(wěn)定性、可靠性、通用性。（覆蓋面大、有利推廣、商業(yè)價值大）軍事系統(tǒng)，如：雷達、電子對抗等：保密性、隱蔽性、特異性。重要數(shù)據(jù)傳輸：絕對可靠性、保密性。衛(wèi)星通信：體積小、重量輕、功耗低。第1章緒論1.1通信系統(tǒng)的組成1.1.1基本概念

消息：信息本身的物理表現(xiàn)形式。如：語言、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。

信息：抽象概念，指消息的內(nèi)涵，可用信息量來描述。

信號：電信號（電波形），信號是消息的載體，以具體物理特性來描述。如：電流、電壓等。

通信是信息傳輸或消息傳輸，根本目的在于傳輸含有信息的消息。通信系統(tǒng)：實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和。

1.1.2通信系統(tǒng)的一般模型1、信息源：消息的產(chǎn)生地，把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱為消息信號或基帶信號。如：電話機、電視攝像機、計算機、電傳機等是信源。2、發(fā)送設(shè)備：其基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式多種多樣，調(diào)制是最常見的。數(shù)字通信系統(tǒng)中可分為信源編碼和信道編碼。3、信道：傳輸信號的物理媒質(zhì)。無線信道中，信道可以是大氣；有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。4、噪聲源：不是人為加入的。來源多樣，可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。

為了簡化分析，常把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。5、接收設(shè)備：基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換。即進行解調(diào)、譯碼、解碼等。其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應(yīng)的基帶信號，對多路復用信號，還包括解除多路復用，實現(xiàn)正確分路。6、信宿是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。1.1.3模擬通信模型按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)示意圖1、模擬通信系統(tǒng)模型

調(diào)制的實質(zhì)是頻譜搬移。已調(diào)信號三個基本特征：一、攜帶有信息；二、適合在信道中傳輸；三、信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。調(diào)制的作用和目的：一、將調(diào)制信號（基帶信號）轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)囊颜{(diào)信號（頻帶信號）；二、實現(xiàn)信道的多路復用，提高信道利用率；三、減小干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力；四、實現(xiàn)傳輸帶寬與信噪比之間的互換。2、數(shù)字通信系統(tǒng)模型1)、信源：消息信號或基帶信號2)、信源編碼：將有效的二進制序列變換為高效二進制序列。作用之一：設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率。作用之二：當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。實質(zhì)：盡量提高編碼效率，盡量減少冗余度，降低碼元速率。3)、信道編碼：為了減少差錯，在傳輸信息碼元中按一定規(guī)則加入保護成分，組成抗干擾編碼，使其具有一定檢錯、糾錯能力，使抗干擾能力增強。4)、加密：人為將傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。5)、數(shù)字調(diào)制器：將數(shù)字基帶信號變換與信道匹配的頻帶信號。如：光波、正弦波、三角波等。6)、數(shù)字解調(diào)器：通常需要知道發(fā)射端的時鐘。7)、數(shù)字復接：依據(jù)時分復用基本原理把若干低速數(shù)字信號合并成一個高速的數(shù)字信號，以擴大傳輸容量和提高傳輸效率。8）、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形式和信號傳輸方式，它是通信各方在通信實施之前必須首先確定的問題。根據(jù)不同的標準，通信方式也有多種分類法。通信實際方式：(1)按通信對象數(shù)量的不同，通信方式可分為點到點通信(即通信是在兩個對象之間進行)、點到多點通信(一個對象和多個對象之間的通信)和多點到多點通信三種(多個對象和多個對象之間的通信)。(2)根據(jù)信號傳輸方向與傳輸時間的不同，可分為單工通信(Simplex)：某時間內(nèi)只能單向傳送信息。如：廣播、遙測、遙控、無限尋呼等。半雙工通信(Half―Duplex)：在任何一個時刻，信號只能單向傳輸，或從甲方向乙方，或從乙方向甲方，每一方都不能同時收、發(fā)信息。比如對講機、收發(fā)報機以及問詢、檢索等之間的通信。雙工通信(Full―Duplex)：在任何一個時刻，信號能夠雙向傳輸，每一方都能同時進行收信與發(fā)信工作。比如普通電話、手機。9)、多路復用：A、頻分復用（FDM）：按照頻率的不同復用多路信號的方法。B、時分復用（TDM）：利用不同時隙來傳送各路不同信號的方法。C、碼分復用（CDM）：用一組正交的脈沖序列來攜帶不同信號。數(shù)字通信系統(tǒng)的功能模塊圖

3、數(shù)字通信具有以下特點：①抗干擾能力強。由于數(shù)字信號的取值個數(shù)有限(例如：二進制數(shù)字通信中取值有0和1兩個值)，因此在傳輸過程中我們不太關(guān)心信號的絕對值，只注意相對值即可。比如設(shè)高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認為是5V就行了。

如：傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累。一個中繼器收到一個受干擾而變成8V的信號，若是模擬通信，中繼器就會原封不動地把這個8V信號放大后送往下一級，下一級接著放大再往下送，這樣一級一級下去，噪聲被不斷地放大，形成噪聲積累直到通信終端。

如果是數(shù)字通信，第一個收到這個8V信號的中繼器先認為該信號為一高電平信號，然后并不將該信號往下傳，而是重新生成一個標準高電平信號(比如為5V)傳往下一級，這樣，噪聲就不會像模擬通信那樣被一級一級地放大，而是被中繼器“隔離”，從而消除了噪聲積累。②差錯可控。采用信道編碼技術(shù)，傳輸中出現(xiàn)的差錯(誤碼)可以設(shè)法控制，提高了傳輸?shù)目煽啃?。③易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進行信號處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網(wǎng)。④易于加密且保密性強。⑤易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。

總之，數(shù)字通信的優(yōu)點很多，但事物總是一分為二的。數(shù)字通信的許多長處是以增加信號帶寬為代價的。比如，一路模擬電話信號的帶寬為4kHz，而一路數(shù)字電話信號大概要占20～60kHz的帶寬。這說明數(shù)字通信的頻帶利用率低。另外，數(shù)字通信對同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備比較復雜。盡管如此，數(shù)字通信仍將是未來通信的發(fā)展方向。1.3信息及其度量1.3.1信息的度量信號是消息的載體，以具體物理特性來描述消息，如：電流、電壓等。信息是其內(nèi)涵。傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。為了對通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量進行定量的分析、研究與評價，就需要對信息進行度量。我們定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I

表示。信息是一個抽象的概念，它能否被量化并且如何量化呢？讓我們看看下面的例子，比如，“明天太陽從東邊出來”絕對沒有“明天太陽從西邊出來”對信息的受者更有吸引力；同樣，當你聽說“有人被狗咬了”并不會感到驚奇，但若有人告訴你“一條狗被人咬了”你一定非常吃驚。這說明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越感興趣，信息量就越大。顯然，信息量與事件發(fā)生的概率有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率為1，則它傳遞的信息量就為0。據(jù)此，我們得到信息量與事件概率之間的關(guān)系為I與P(x)之間的關(guān)系反映規(guī)律如下：信息量是概率的函數(shù)。P(x)越小，I越大；反之，I越小。

如果消息由若干個互相獨立的事件構(gòu)成，則該消息所含信息量等于各獨立事件所含信息量之和。式中，P表示某事件發(fā)生的概率，I為該事件發(fā)生的信息中得到的信息量。我們知道，消息是信息的具體內(nèi)容，信息通過消息來承載。因此，我們通過對消息的分析就可得到其中所含的信息量。由離散信息源產(chǎn)生的消息稱為離散消息，由連續(xù)信息源產(chǎn)生的消息就是連續(xù)消息。在通信領(lǐng)域，消息可分為離散消息和連續(xù)消息。離散消息只能有有限個符號，可看成是一種具有有限個狀態(tài)的隨機序列，可以用離散型隨機過程的統(tǒng)計特性來進行描述。離散消息x所含信息量I與消息出現(xiàn)概率P(x)的定義為信息量單位的確定取決于上式中的對數(shù)底a。如果取對數(shù)的底a=2，則信息量的單位為比特(bit)；如果取e為對數(shù)的底，則信息量的單位為奈特(nit)；若取10為底，則信息量的單位稱為十進制單位，或叫哈特萊。上述三種單位的使用場合，應(yīng)根據(jù)計算及使用的方便來決定。通常廣泛使用的單位為比特。1、討論獨立（即信源無記憶的）并等概率出現(xiàn)的離散消息的度量

a）二進制（M=2）:P(1)=P(0)=0.5,

可見，傳送等概率的二進制波形之一的信息量為1bit。

b)M進制:

傳送每一個M進制波形的信息量等于用二進制脈沖表示該波形所需的脈沖數(shù)目N。（假設(shè)M是2的整冪次）2、獨立非等概率的情況設(shè)離散信息源是一個由n個符號組成的集合，稱符號集。符號集中的每一個符號xi在消息中是按一定概率P(xi)獨立出現(xiàn)的，即符號概率均為

且有，則整個消息的信息為【例題1―1】已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”出現(xiàn)概率為1／3，求出現(xiàn)“1”所含的信息量。解由于全概率為1，因此出現(xiàn)“1”的概率為2／3。由信息量定義式可知，出現(xiàn)“1”的信息量【例題1―2】已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。解：e的信息量

I(e)=-log20.105=3.24（bit）z的信息量:

I(z)=-log20.001=9.97（bit）【例題1―3】某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率均為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解此消息總長為57個符號，其中0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次?？汕蟮么讼⒌男畔⒘慨斚⒑荛L時，用符號出現(xiàn)概率計算信息量比較麻煩，此時用平均信息量計算較好。所謂平均信息量是指每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，因此，n個符號的離散消息的平均信息量為由于上式同熱力學中的熵的計算公式形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵

，其單位為bit／符號?！纠}1―4】求例題1―3中消息的平均信息量。解由上式可得因為消息有57個符號，所以該消息所含信息量為I=57×1.906≈108.64bit與例題1―3相比，總信息量的結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法不同。隨著消息中符號數(shù)的增加，這種誤差會逐漸減小。不同的離散信息源可能有不同的熵值。無疑，我們期望熵值愈大愈好?？梢宰C明，信息源的最大熵發(fā)生在每一個符號獨立等慨率出現(xiàn)時，即P(xi)=1/M，最大熵值：(bit／符號)關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述。其平均信息量為式中f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。1.4主要性能指標如前所述，根據(jù)各種不同的劃分標準，通信系統(tǒng)多種多樣。那么如何評價一個通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是選擇和使用一個通信系統(tǒng)所面臨的首要問題。這就需要我們找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的各種技術(shù)指標。然而，研究通信系統(tǒng)性能指標是一個非常復雜的問題，包括的內(nèi)容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標準性、快速性、方便性、經(jīng)濟性以及實用維護等諸多方面。另外，很多特性之間是有矛盾的，此消彼長，如果把所有因素都考慮進去，面面俱到，不但系統(tǒng)的設(shè)計難以完成，對系統(tǒng)的評價也無法開展。而在設(shè)計和使用通信系統(tǒng)時，通信的有效性和可靠性常常是我們首要考慮的問題。有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或傳輸?shù)摹彼俣取皢栴}。可靠性是指接收信息的準確程度，或傳輸?shù)摹辟|(zhì)量“問題。因此，我們把通信的有效性和可靠性這對矛盾作為評價通信系統(tǒng)性能的主要指標。有效性和可靠性是根據(jù)對通信質(zhì)量的要求而定義出的客觀標準，但它們是抽象的，沒有可操作性，也很難量化。因此必須在通信系統(tǒng)中找到具體的、可以操作且能夠反映有效性和可靠性的參數(shù)或指標。模擬通信系統(tǒng)：有效性常用系統(tǒng)的有效傳輸頻帶來衡量。可靠性則用接收端最終輸出的信噪比來評價。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，用傳輸速率來衡量系統(tǒng)的有效性，可靠性用差錯率衡量。

（1）碼元傳輸速率：單位時間傳輸?shù)拇a元個數(shù)，其單位為波特(Baud)，簡寫為B，故也常常稱為波特率（傳碼率）。碼元傳輸速率與進制無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度有關(guān)。比如：一個系統(tǒng)1秒鐘傳送了1200個二進制碼元，其波特率就是1200Baud。波特率僅僅告訴我們系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的能力，我們還不知其傳輸信息的多少。（2）信息傳輸速率：單位時間傳輸?shù)男畔⒘?。（傳信率、比特率）碼元傳輸速率、信息傳輸速率之間的關(guān)系獨立等概傳輸時：式中，Rb為信息傳輸速率(b/s)；RB為碼元傳輸速率(Baud)；M為采