通信原理基础知识

通信原理基础知识通信原理基础知识专栏本课程为计算机通信专业、网络工程专业，及计算机科学与技术专业的学生开设。其目的是使计算机学院毕业的学生具有一定的通信知识背景，了解和掌握现代通信的基本原理及相关技术，尤其是数字通信的基本原理，为进一步学习后续通信和网络专业课程打下基础。[阅读全文]第1章通信系统概述更多..通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等第1节通信的基本概念第2节通信的发展历程第3节通信的发展趋势第4节本书概述第2章传输介质更多..传输介质是连接通信设备，为通信设备之间提供信息传输的物理通道；是信息传输的实际载体第1节传输介质的基本概念第2节双绞线第3节同轴电缆第4节无线信道第5节无线信道的微波频段第6节光纤第3章信号的传输技术更多..根据国际电信联盟（ITU）的定义，传输是指通过物理介质传播含有信息的信号的过程第1节传输技术概述第2节模拟信号的调制传输第3节数字信号的基带传输第4节数字信号的调制传输第5节光信号的传输第4章信号的数字化处理技术更多..通信系统中的信号可以分为模拟信号与数字信号两大类，与模拟信号相比，由于数字信号在传输、交换、处理等过程中有极大的优越性，因此目前的通信系统普遍是以数字信号为主的数字通信系统概述第1节模拟信号的数字化第2节多路复用技术第3节数字复接技术第4节同步技术第5节同步数字系列（SDH）第5章信号的交换更多..“交换”即是在通信网大量的用户终端之间，根据用户通信的需要，在相应终端设备之间互相传递话音、图像、数据等信息第1节交换技术概述第2节数字程控交换第3节ATM交换第4节以太网交换第5节光交换第6章话音通信更多..公用交换电话网即PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork），它是以电路交换为信息交换方式，以电话业务为主要业务的电信网。PSTN同时也提供传真等部分简单的数据业务第1节公用交换电话网（PSTN）第2节信令与信令网第3节智能网第7章数据通信基础更多..数据通信是指计算机和其他数字设备之间通过通信节点、有线或无线链路进行数字信息的交换第1节数据通信的演变第2节数据通信概述第3节数据通信系统主要任务第4节数据传输方式第5节数据通信关键技术第6节数据通信系统技术指标第7节数据通信网第8节OSI参考模型与协议第8章局域网更多..局域网是一种地理范围有限的网络，是一种使小区域内的各种通信设备互联在一起的通信网络第1节局域网概述第2节局域网技术第3节以太网第4节家庭网第9章广域网更多..广域网是将地理位置上相距较远的多个计算机系统，通过通信线路按照网络协议连接起来，实现计算机之间相互通信的计算机系统的集合第1节广域网概述第2节广域网技术第3节X.25技术第4节帧中继技术第5节ATM网技术第10章互联网更多..如果每个网络成员都保持它自身的特性，并且需要使用一些特殊的机制来完成经过多个网络间的通信，那么这整个网络配置通常就被称为是一个互联网第1节互联网概述第2节互联网的基本原理与关键技...第3节因特网第11章综合业务和多媒体通信更多..ISDN是基于公共电话网的数字化网络、专为高速数据传输和高质量语音通信而设计的一种高速、高质量的通信网络第1节综合业务数字网（ISDN）第2节多媒体通信第12章卫星和蜂窝移动通信更多..卫星通信实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信第1节卫星通信第2节蜂窝移动通信通信原理通信原理基础知识孙岩北京邮电大学计算机系[e-mail]简介•课程目的本课程为计算机通信专业、网络工程专业，及计算机科学与技术专业的学生开设。其目的是使计算机学院毕业的学生具有一定的通信知识背景，了解和掌握现代通信的基本原理及相关技术，尤其是数字通信的基本原理，为进一步学习后续通信和网络专业课程打下基础。•教材《通信原理》（第6版）樊昌信•预备知识电子电路、数字电路、信号与系统、电路分析基础、概率论与随机过程•课程介绍是一门介绍信息传输基本原理（理论和技术）的课程。它的研究对象是通信系统。•考核方式作业10%，期中考试30%，期末考试60%•作业周一交作业古代的通信方法•光-视觉：烽火，火炬•声波：击鼓鸣金•信鸽、旗语烽火台18世纪以来的通信方法•1837年SamuelMorse发明电报•1876年AlexanderGrahamBell发明电话•1895年GuglielmoMarconi发明无线电•1906年电子管的发明使模拟通信得到发展•1928年Nyquist取样定理和1948年shannon定理在理论上为数字通信奠定了基础•20世纪50年代、60年代半导体和集成电路的发展使数字通信得到发展•1945年第一台电子计算机的问世到80年代计算机的飞速发展使数据通信成为可能•1963年第一次实现同步卫星通信•20世纪70年代光导纤维的发明实现了光纤通信•1974年美国Bell实验室提出蜂窝移动通信概念课程要求•希望学生尽可能做到课前预习、课上认真听讲、课后及时复习、按时独立完成规定作业、遇到疑难问题应尽快通过答疑、讨论等环节来解决，以便更好地学好本课程。教学内容•绪论•确知信号•随机过程•信道•模拟调制系统•数字基带传输系统•数字带通传输系统•新型数字带通调制技术•模拟信号的数字传输•差错控制编码•正交编码与伪随机序列•同步原理第一章通信系统概述通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。第一节通信的基本概念1.1通信的基本概念1.1.1通信1．通信的定义通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。以各种通信技术，如以长途和本地的有线电话网（包括光缆、同轴电缆网）、无线电话网（包括卫星通信、微波中继通信网）、有线电视网和计算机数据网为基础组成的现代通信网，通过多媒体技术，可为家庭、办公室、医院、学校等提供文化、娱乐、教育、卫生、金融等广泛的信息服务。可见，通信网络已成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。(1)通信的定义：通信是传递信息的手段，即将信息从发送器传送到接收器(2)相关概念：①信息：可被理解为消息中包含的有意义的内容。信息一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更普通化，抽象化。②消息：消息是信息的表现形式，消息具有不同的形式，例如符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。也就是说：一条信息可以用多种形式的消息来表示，不同形式的消息可以包含相同的信息。例如：分别用文字（访问特定网站）和话音（拨打121特服号）发送的天气预报，所含信息内容相同。③信号：信号是消息的载体，消息是靠信号来传递的。信号一般为某种形式的电磁能（电信号、无线电、光）。(3)通信的目的：通信的目的是为了完成信息的传输和交换。2．消息、信息与信号（1）消息、信息与信息量一般将语言、文字、图像或数据称为消息，将消息给予受信者的新知识称为信息。因此，消息与信息不完全是一回事，有的消息包含较多的信息，有的消息根本不包含任何信息，为了更合理地评价一个通信系统传递信息的能力，需要对信息进行量化——即用“信息量”这一概念表示信息的多少。如何评价一个消息中所含信息量为多少呢？既可以从发送者角度来考虑，也可以从接收者角度来考虑。一般我们从接收者角度来考虑，当人们得到消息之前，对它的内容有一种“不确定性”或者说是“猜测”。当受信者得到消息后，若事前猜测消息中所描述的事件发生了，就会感觉没多少信息量，即已经被猜中；若事前的猜测没发生，发生了其它的事，受信者会感到很有信息量，事件若越是出乎意料，那么信息量就越大。事件出现的不确定性，可以用其出现的概率来描述。因此，消息中信息量I的大小与消息出现的概率P密切相关，如果一个消息所表示的事件是必然事件，即该事件出现的概率为100％，则该消息所包含的信息量为0，如果一个消息表示的是不可能事件，即该事件的出现的概率为0，则这一消息的信息量为无穷大。为了对信息进行度量，科学家哈莱特提出采用消息出现概率倒数的对数作为信息量的度量单位。定义：若一个消息出现的概率为P，则这一消息所含信息量I为：当a=2，信息量单位为比特（bit）；a=e，信息量单位为奈特（nit）；a=10，信息量单位为哈莱特；目前应用最广泛的是比特，即a=2。以下举例说明信息量的含义：不可能事件P＝0，I=；小概率事件P＝0.125，I=3；大概率事件P＝0.5，I=1；必然事件P＝0，I=0；可见，信息量I是事件发生概率P的单调递减函数。图1-1讨论对于等概率出现的离散消息的度量。图1-1二进制和四进制码元系列对于双极性二进制码元系列，只有两个计数符号（0和1）的进制码系列，如果0、1出现的概率相等，即，那么任何一个0或1码元的信息量为：对于四进制码元系列，共有四种不同状态：0、1、2、3，每种状态必须用两位二进制码元表示，即00、01、10、11。如果每一种码元出现的概率相等，即，那么任何一种0、1、2、3码元的信息量为：由以上分析可知：多进制码元包含的信息量大，所以采用多进制信息编码时，信息传输效率高。当采用二进制时，噪声电压大于E/2，才会引起误码；而当采用四进制时，只要噪声电压大于E/4，就会引起误码，因此，进制数越大，抗干扰能力也就越差。（2）信号的时域分析时域：信号的表示形式是时间的函数。其中，三个重要参数是：幅度（振幅）、频率和相位。——正弦波的幅度，表示正弦波的最大值；——正弦波的角频率，；——正弦波的频率，表示正弦在单位时间内重复变化的次数，单位：Hz；——正弦波的初相位，时，即值决定的大小。时域信号的波形如图1-2所示。图1-2正弦信号时域波形图（3）信号的频域分析在通信领域中，信号的频域观点比时域观点更为重要。如果不考虑相位，正弦波的时域表达式为：根据傅立叶变换，其频域表达式为：频域波形为图1-3所示。图1-3正弦信号频域波形图我们以一个例子说明信号的时域分析与频域分析之间的变换关系。一个时域信号由两个正弦波信号叠加构成，其一：幅度为3V，频率为1hz；其二：幅度为1V，频率为3hz。信号的时域波形如图1-4所示。图1-4叠加信号时域波形图信号的频谱图如图1-5所示。图1-5叠加信号频域波形图其中，两条谱线的长度分别代表两个正弦波的幅度，谱线在频率轴的位置分别代表两个正弦波的频率。利用傅里叶变换，任何信号都可以被表示为各种频率的正弦波的组合。信号在时域缩减，叫做频域展宽；信号在时域展宽，叫做频域缩减。也就是说，信号的时间周期越长，则频率越低；反之，信号的时间周期越短，则频率越高。1.1.2通信系统通信系统是以实现通信为目标的硬件，软件以及人的集合。1．通信系统的模型图1-6是一个基本的点到点通信系统的一般模型：图1-6通信系统的一般模型其中，各部分的功能如下：①信息源：把各种可能消息转换成原始电信号；②发送设备：为了使原始电信号适合在信道中传输，对原始电信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；③信道：信号传输的通道；④接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号；⑤收信者：将复原的原始电信号转换成相应的消息；要传送的信息（消息）是m（t），其表达形式可以是语言、文字、图像、数据……，经输入设备处理，将其变换成输入数据g（t），并传输到发送设备（发送机）。通常g（t）并不是适合传输的形式（波形和带宽），在发送机中，它被变换成与传输媒质特性，相匹配的传输信号S（t）经传输媒质一方面为信号传输提供通路，另一方面衰减信号并引入噪声n（t），r（t）是受到噪声干扰的S（t），是接收机恢复输入信号的依据，r（t）的质量决定了通信系统的性能，r（t）经接收设备转换成适合于输出的形式g’（t），它是输入数据g（t）的近似或估值。最后，输出设备将由g’（t）传出的信息m’（t）提交给终点的经办者，完成一次通信。事实上，噪声只对输出造成影响，可以将整个系统产生的噪声等同成一个噪声源。根据所要研究的对象和所关心的问题的重点的不同，又可以