通信原理第一章概论

1通信系统原理河北科技师范学院薛艳茹[e-mail]通信原理电子工业出版社2课程介绍【教学目标】本课程是电子通信类专业的一门重要课程，既是基础理论课，又是一门专业性的课程。通过该课程的学习，使学生打下良好的理论基础，并可初步培养对通信系统进行分析和设计的能力。【课程要求】掌握数字通信的基本概念、基本理论以及基本的分析方法；熟悉通信系统的组成和工作原理；了解通信系统主要组成部分的实现方法。通信原理电子工业出版社3教学参考书樊昌信《通信原理教程》，电子工业出版社樊昌信等，《通信原理》，国防工业出版社曹志刚等，《现代通信原理》，清华大学出版社【美】约翰G。Proakis著，《数字通信》，电子工业出版社通信原理电子工业出版社4第一章概论消息、信息和信号2通信系统的组成3通信系统的分类及信息传输方式5通信系统的主要性能指标6通信的发展1模拟通信和数字通信4信道7通信原理电子工业出版社5通信的发展谈到通信，我们每个人都不陌生。古代的烽火报警，就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类似的例子还有抗日战争时期的“消息树”)；舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话；传统的信函以文字形式把游子的思乡之情浓缩于尺素之中，再利用邮政媒体送达家人；在各种建设工地上，工人们经常使用对讲机相互联络，协调工作；在电影电视中经常看到军通信原理电子工业出版社6通信的发展人或警察利用无线电台进行作战指挥；还有电报、电传、电话、寻呼、移动电话、有线广播、无线广播、有线电视、无线电视等当代最为普及的通信手段都是现实生活中我们所熟悉的通信实例。在上述实例中我们发现，无论是远古狼烟滚滚的烽火，还是今天四通八达的电话，无论是饱含情谊的书信，还是绚丽多彩的电视画面，尽管通信的方式各种各样，传递的内容千差万别，但都有一个共性，那就是进行信息的传递。通信原理电子工业出版社7通信的发展自19世纪初电通信技术问世以来，短短的100多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼”、“顺风耳”等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识。下面我们给出通信技术发展历史简表。通信原理电子工业出版社8通信的发展通信技术发展史简表通信原理电子工业出版社9通信的发展根据各种通信技术在通信发展史上的地位、作用以及对人类社会的影响，我们对过去的100多年通信技术的发展历史进行了概括性的总结，认为有10项重大通信技术值得人们纪念。摩尔斯发明有线电报。有线电报开创了人类信息交流的新纪元。马克尼发明无线电报。无线电报为人类通信技术开辟了一个崭新的领域。载波通信。载波通信的出现，改变了一条线路只能传送一路电话的局面，使一个物理介质上传送多路音频电话信号成为可能。电流只要停止片刻，就会现出火花。有火花出现可以看成是一种符号，没有火花出现是另一种符号，没有火花的时间长度又是一种符号。这三种符号组合起来可代表字母和数字，就可以通过导线来传递文字了。通信原理电子工业出版社10通信的发展电视。电视极大地改变了人们的生活，使传输和交流信息从单一的声音发展到实时图像。电子计算机。计算机被公认为是20世纪最伟大的发明，它加快了各类科学技术的发展进程。集成电路。集成电路为各种电子设备提供了高速、微小、功能强大的“心”，使人类的信息传输能力和信息处理能力达到了一个新的高度。光纤通信。光导纤维的发明，使人们寻求到一种真正能够承担起构筑未来信息化基础设施传输平台重任的通信介质。卫星通信。卫星通信将人类带入了太空通信时代。蜂窝移动通信。蜂窝移动通信为人们提供了一种前所未有、方便快捷的通信手段。因特网。因特网的出现意味着信息时代的到来，使地球变成了一个没有距离的小村落-“地球村”。通信原理电子工业出版社11第一章概论消息、信息和信号2通信系统的组成3通信系统的分类及信息传输方式5通信系统的主要性能指标6通信的发展1模拟通信和数字通信4信道7通信原理电子工业出版社12消息、信息和信号消息（Message）消息是指通信过程中传输的具体原始对象，如电话中语音，电视中图像，电报中电文，雷达中目标的距离、高度、方位，遥测系统中测量的数据等。这些消息在物理特征上各不相同，所以各种消息的组成亦不相同。在通信领域中，消息可以分为离散消息和连续消息。由离散信息源产生的消息称为离散消息，由连续信息源产生的消息就是连续消息。特点：能够被通信双方理解可以传递通信原理电子工业出版社13消息、信息和信号信息（Information）消息的有效内容，不同消息可有相同内容。信号（Signal）传输消息的手段（媒介），通信系统中传输的是信号，信号是传输的载体，如电信号、光信号等。信号的频谱确知信号的频谱为其傅氏变换：或dtetxXtj)()(dtetxfXftj2)()(通信原理电子工业出版社14消息、信息和信号信号的频谱随机信号的频谱常用其功率普密度表示：或功率谱密度与信号平均功率的关系：信号的带宽信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差。实际上，带宽是衡量信号频带宽度的一个量，它表示我们通过测量仪器可以感受到的频率范围，也就是说，一个信号在频域看上去有多宽。deXtxtj)(21)(dfefXtxftj2)()(dffPS)(通信原理电子工业出版社15消息、信息和信号信号的带宽零点带宽数据信号频谱主要能量是集中在第一个零点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真时，定义fb为信号的零点带宽。P(f)ffb零点带宽通信原理电子工业出版社16消息、信息和信号信号的带宽百分比带宽百分比带宽由下式来定义：其中fr称为百分比带宽，可以取96%、98%、99%等值，其含义是，在该带宽范围内信号的功率占总功率。%)()(00dffPdffPrf通信原理电子工业出版社17消息、信息和信号信号的带宽矩形等效带宽对于具有在零点或中心频率处取最大值频谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩形等效带宽BC。其含义为：P(f)f矩形等效带宽P000()CPBPfdf通信原理电子工业出版社18消息、信息和信号信号的带宽3dB带宽3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：信号频谱在f0处取最大值，2/)()()(),(021210fPfPfPfff且通信原理电子工业出版社19消息、信息和信号信息的度量传输信息是通信系统的根本任务。在传输过程中，信息是以各种具体的电信号或光信号形式表现出来的。为了对通信系统的性能与质量进行定量的分析、研究与评价，就需要对信息进行度量。信息度量的定义能够衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。通信原理电子工业出版社20消息、信息和信号信息度量的原则能度量任何消息，并与消息的种类无关。度量方法应该与消息的重要程度无关消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关【例】“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表达的事件越不可能发生，信息量就越大。通信原理电子工业出版社21消息、信息和信号信息度量的方法事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述：消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。设：P(x)－消息发生的概率，I－消息中所含的信息量，则P(x)和I之间应该有如下关系：I是P(x)的函数：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)，I；P(x)=1时，I＝0；P(x)=0时，I＝通信原理电子工业出版社22消息、信息和信号信息度量的方法满足上述三个条件的公式为：上式中对数的底：若a=2，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为b若a=10，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。若a=e，信息量的单位称为奈特(nat)1loglog()()aaIPxPx通信原理电子工业出版社23消息、信息和信号信息度量的方法通常广泛使用的单位为比特，这时有【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息含量为在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比特。若有M个等概率波形（P=1/M），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221loglog()()IPxPx221(0)(1)loglog21(b)1/2II22211logloglog(b)1/IMPM通信原理电子工业出版社24消息、信息和信号信息度量的方法若M是2的整幂次，即M=2k，则有当M=4时，即4进制波形，I=2比特，当M=8时，即8进制波形，I=3比特。对于非等概率情况设：一个离散信源是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)独立出现，即2log2()kIkb1212,,,,,,MMxxxPxPxPx通信原理电子工业出版社25消息、信息和信号信息度量的方法且有则x1,x2,x3,…,xM所包含的信息量分别为于是，每个符号所含平均信息量为由于H(x)同热力学中的熵形式相似，故称它为信息源的熵1()1MiiPx21222log()log()log()MPxPxPx，，，121222221()()[log()]()[log()]()[log()]()g()(/MMMiiiHxPxPxPxPxPxPxPxloPx比特符号）通信原理电子工业出版社26消息、信息和信号信息度量的方法【例1】一离散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四个符号组成，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。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。【解】此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量每个符号的算术平均信息量为)b(1088log74log134log143/8log232222I符号）比特符号数/(89.157108II通信原理电子工业出版社27消息、信息和信号信息度量的方法若用熵的概念来计算：则该消息的信息量以上两种结果略有差别的原因在于，它们平均处理方法不同。前一种按算数平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随着消息序列中符号数的增加而减小。当消息序列较长时，用熵的概念计算更为方便。符号）（比特/906.181log8141log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I通信原理电子工业出版社28消息、信息和信号信息度量的方法连续消息的信息量关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。可以证明，连续消息的平均信息量为式中，f(x)－连续消息出现的概率密度。()logaHxfxfxdx通信原理电子工业出版社29第一章概论消息、信息和信号2通信系统的组成3通信系统的分类及信息传输方式5通信系统的主要性能指标6通信的发展1模拟通信和数字通信4信道7通信原理电子工业出版社30通信系统的组成通信的定义通信是传输消息的过程，其根本目的是把有信息的消息传到指定的目的地。通信的实现方法把消息变成对应的信号来传递。信号实际上就是消息的传载者。通信系统的组成：由传输设备和线路组成。通信原理电子工业出版社31通信系统的组成不同的通信系统均可概括为如下基本模型信源：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号。通信原理电子工业出版社32通信系统的基本模型发送设备：将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。通信原理电子工业出版社33通信系统的基本模型信道：信号传输的通道。通信原理电子工业出版社34通信系统的基本模型噪声源：信号在信道传输过程中受到的加性干扰。（来自通信设备和信道）通