2009-7-29 通信原理 -周扬 1
通信原理周扬
csuyzhou@gmail.com
2009-7-29 通信原理 -周扬 2
与本课有关的几个问题
学时数,56学时，其中 50学时理论课,6学时实验课
课程性质：必修课（考试）
相关课程：高频电路、信号与系统、
随机信号分析、信息论
教材：,通信原理,樊昌信等 国防工业出版社
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与本课有关的几个问题
参考书
张辉等 现代通信原理与技术 西安电子科技大学出版社
曹志刚等 现代通信原理 清华大学出版社
其他教材、教学指导书及习题解答
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与本课有关的几个问题
成绩统计
出勤 10%
作业 20%
期末考试 70%
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与本课有关的几个问题
教学目的
电子信息专业的专业基础课。主要介绍通信系统的概念和信息传输的基本原理。讲述通信系统的构成原理及性能的基本分析方法。
基本要求
掌握通信系统的基本原理、系统构成，掌握通信系统的模型（方框图）；能够分析各通信系统的性能指标。
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与本课有关的几个问题
学习基础及方法
熟悉,信号与系统,中傅立叶变换及性质
熟悉,随机过程,中的基本概念
熟悉各种常用模块的信号变换关系
基于系统模型掌握各种通信系统
实验教学
硬件实验
DSP,FPGA等
软件仿真
SystemView
matlab
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与本课有关的几个问题
课程主要内容
通信的基本知识（概论、信号）
模拟通信系统
模拟信号的数字化
基带数字信号的表示与传输
基本的数字调制系统
同步
差错编码
正交编码与伪随机序列
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与本课有关的几个问题
研究方法,
是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。
在给定系统参数的情况下，估算系统的性能（系统分析）；在给定系统性能要求的情况下，设计和优化系统的参数（系统设计）。在系统的数学模型比较复杂时，可以采用计算机模拟仿真（如：用
MATLAB软件仿真）的方法获得这些参数之间的关系，
达到优化通信系统的目的。
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我们所知道的通信古代：烽火狼烟,击鼓鸣金,摇旗呐喊,飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题 。
我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信 。
现代：电话,电视,广播,邮政,因特网,其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。
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近代深空通信的一个成功范例美国宇航局 2005年 1月 12日发射了用来探测彗星的,深度撞击,
号探测器，它的目标是,坦普尔一号,彗星的彗核。,深度撞击,
发射了一发,炮弹,于 7月 4日与彗星 TEMPEL1在距地球 1.32亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约 74分钟）。
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海上舰船通信海上舰船通信对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）
通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、
图像）
甲板话音通信
2009-7-29 通信原理 -周扬 13
通信的目的：传递消息
通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等
实现通信的方式：声、光、电、磁等
1.1 引言
语 音 声光文 字图 形 消 息 电数 据 磁状 态 其 他 媒 质 （ 如 气 味,触 觉 等 ）
通信的定义,通信就是消息的传递 。（当今通信概念中也包含了通信信号的形成、变换、检测、处理、识别等）
2009-7-29 通信原理 -周扬 14
通信的发展简史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：
第一阶段 语言第二阶段 文字、邮政第三阶段 印刷术、出版物第四阶段 电报、电话、广播第五阶段 通信与计算机的结合、网络
2009-7-29 通信原理 -周扬 15
最早的电通信设想
1753年 2月 17日,,苏格兰人,杂志上发表了一封署名 C.M的书信 。
在这封信中,作者提出了用电流进行通信的大胆设想 。 他建议：
把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点,每根金属线与一个字母相对应 。 在一端发报时,便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接,使它们依次通过电流 。 电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来,从而起到远距离传递信息的作用 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 16
最早的有线电报
1844年 5月 24日,莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报 。 在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了,“上帝创造了何等奇迹 !”一语 。
莫尔斯发出第一封电报设备的复制品
2009-7-29 通信原理 -周扬 17
最早的有线电话
1875年 6月 2日,美国人亚力山大,格雷厄姆,贝尔 (Bell,Alekander Graham)发明了电话 。
至今美国波士顿法院路 109号的门口,仍钉着块镌有,1875年 6月 2日电话诞生在这里的铜牌 。
1876年 2月 14日,贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置 ——电话的专利 。
同一天另一个发明家格雷 （ 1835-1901）
也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书,只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权 。
贝尔获得电话的专利证书
2009-7-29 通信原理 -周扬 18
电磁波的发现
1887年 3月 21日,德国物理学家赫兹 （ Hertz） 在实验中发现,电火花的能量能够越过空间传到远处 。 这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在 。 但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性 。 他认为如要利用电磁波进行通信的话,需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 19
最早的无线通信
1895年 5月 7日,36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上,宣读了关于,金属屑与电振荡的关系,的论文,并当众展示了他发明的无线电接收机 。 当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时,波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器,铃声立即中止 。 几十年后,为了纪念波波夫在这一天的划时代创举,当时的苏联政府便把 5月 7日定为
,无线电发明日,。
波波夫实验用的无线电接收机
2009-7-29 通信原理 -周扬 20
人类首次远距离无线电通信
1897年 5月 18日,马可尼进行横跨布里斯托尔 （ Bristol） 海峡的无线电通信取得成功,通信距离为 14公里 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 21
影响通信发展的重要发明或理论
1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器 。
1925年,英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机 。
1941年,John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机 。
1947年,贝尔实验室的 Steve O.Rice给出了噪声的统计描述 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 22
1948年,贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管 。
1948年,Claude E.Shannon发表了信息论。
著名的香农公式：
2lo g 1
SCB
N
C— 信道容量
B— 信号带宽
S/N— 信号与噪声的功率之比
2009-7-29 通信原理 -周扬 23
1957年 10月 4日,原苏联发射了第一颗人造地球卫星,地球上第一次收到了来自人造卫星的电波 。 它不仅标志着航天时代的开始,也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来 。
1958年,发明了集成电路 。
1964年,电子电话交换机投入使用 。
1972年,摩托罗拉公司为 FCC演示蜂窝电话系统 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 24
1976年,出现个人计算机 。
1979年,64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成 （ VLSI） 电路时代的到来 。
1980年,贝尔公司推出 FT3光纤通信系统 。
1985年,传真机 （ FAX） 广泛使用 。
1989年,卫星全球定位系统 （ GPS） 完成部署 。
1995年,互联网 （ Internet） 及 WWW浏览广泛流行 。
2000年至今,进入基于微处理器的数字信号处理,高速个人计算机,扩频通信系统,数字卫星系统,数字电视,数字广播以及个人通信系统时代 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 25
发展趋势
数字化,数字技术
综合化,技术综合化、业务综合化
宽带化,高速数据传输与交换
智能化,计算机及其软件技术
网络化,互联网
个人化,任何人任何时间在任何地方
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4W
Whoever--无论是谁或与谁进行通信（通信自由选择性）；
Whatever--无论采用什么方式进行通信（通信服务多样性）；
Whenever--无论在什么时间进行通信（通信随时性）；
Wherever--无论在哪里与哪里进行通信（通信全方位、无约束性）；
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通信系统的组成
通信,就是信息传输或消息传输，是从一地向另一地传递和交换信息。
通信系统,是指实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。
信息源噪声源受信者接收设备信道发送设备
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
消息的分类
连续消息（模拟消息）：是指消息的状态是连续的，如连续变化的语音、图象等；
t t
V V
离散消息（数字消息）,是指消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数据等。
2009-7-29 通信原理 -周扬 29
模拟通信系统模型和数字通信系统模型
模拟通信系统,是利用模拟信号来传递信息的通信系统模拟 信息源噪声源受信者解调器信道调制器
2009-7-29 通信原理 -周扬 30
以传统语音信号为例来说明下图模拟通信系统模型各部分的作用。
2009-7-29 通信原理 -周扬 31
模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信,用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、
数字数据等数字信号，也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。
2009-7-29 通信原理 -周扬 32
模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信系统模型方框图噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者噪声源信道基带信号 形成器信息源 接收滤波器 受信者
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信的基本特征,是它传送的信号是,离散,的或数字的。
数字通信的主要特点
（ 1）抗干扰能力强。
（ 2）差错可控。
（ 3）易于与各种数字终端接口，用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。
2009-7-29 通信原理 -周扬 34
模拟通信系统模型和数字通信系统模型
（ 4）易于集成化，从而使通信设备微型化。
（ 5）易于加密处理，且保密强度高。
2009-7-29 通信原理 -周扬 35
1.3通信系统分类与通信方式
说明：根据不同的目的，通信系统有不同的分类方法。
1.按消息的物理特征分类：根据通信业务不同，通信系统可分为话务（电话业务）通信和非话务通信。
2.按调制方式分类：根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。
表 1- 1常见的调制方式调 制 方 式 用途连续波调制线性调制 常规双边带调制 广播抑制载波双边带调幅 立体声广播单边带调幅 SSB 载波通信、无线电台、数传残留边带调幅 VSB 电视广播,数传,传真非线性调制 频率调制 FM 微波中继、卫星通信、广播相位调制 PM 中间调制方式数字调制 幅度键控 ASK 数据传输相位键控 数据传输调 制 方 式 用途脉冲数字调制数字调制 相位键控 PSK,DPSK、
QPSK等数据传输,数字微波、
空间通信其他高效数字调制
QAM,MSK等数字微波,空间通信脉冲模拟调制脉幅调制 PAM 中间调制方式,遥测脉宽调制 PDM(PWM) 中间调制方式脉位调制 PPM 遥测,光纤传输脉冲数字调制脉码调制 PCM 市话,卫星,空间通信增量调制 DM 军用,民用电话差分脉码调制 DPCM 电视电话,图像编码其他语言编码方式
ADPCM,APC,LPC
中低速数字电话
2009-7-29 通信原理 -周扬 38
1.3通信系统分类与通信方式
3.按信号特征分类：按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。
4.按传输媒质分类：按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。
2009-7-29 通信原理 -周扬 39
1.3通信系统分类与通信方式
5.按信号复用方式分类：传输多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。 频分复用 是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围； 时分复用 是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间； 码分复用 是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。
2009-7-29 通信原理 -周扬 40
1.3通信系统分类与通信方式
1.按消息传递的方向与时间关系分：通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。
单工通信,是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。
发端 接端信道
2009-7-29 通信原理 -周扬 41
1.3通信系统分类与通信方式
半双工通信,是指通信双方都能收发消息，
但不能同时进行收和发的工作方式。
发端接端发端接端信道
2009-7-29 通信原理 -周扬 42
1.3通信系统分类与通信方式
全双工通信,是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。
发端接端发端接端信道信道
2009-7-29 通信原理 -周扬 43
1.3通信系统分类与通信方式
2.按数字信号排列顺序分：在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。
并行传输,是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。
串行传输,是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。
2009-7-29 通信原理 -周扬 44
1.3通信系统分类与通信方式
并行和串行通信方式示意图
2009-7-29 通信原理 -周扬 45
1.4信息及其度量
信号是消息的载体，而信息是其内涵。
任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，
信源输出是用统计方法来定性的。
对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量,
根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。
消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。
2009-7-29 通信原理 -周扬 46
1.4信息及其度量
假设 P(x)是一个消息发生的概率,I是从该消息获悉的信息。
（ 1） 信息量是概率的函数,即 I = f［ P(x)］
（ 2） P(x)越小,I越大； 反之,I越小,且
P(x)→1 时,I→0 ； P(x)→0 时,I→∞
（ 3） 若干个互相独立事件构成的消息,所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性,即
I［ P(x1),P(x2)… ］ =I［ P(x1)］ +I［ P(x2)］ +…
2009-7-29 通信原理 -周扬 47
1.4信息及其度量信息量 I与消息出现的概率 P(x)之间的关系为：
1
l o g - l o g ( )aaI P x
Px
说明,a=2时，信息量的单位为比特（ bit）；
a=e时，信息量的单位为奈特（ nit）；
a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。
M=2时，且两种状态出现的概率相等（等概率），
即,则信息量为
M>2时，即 M个状态等概率出现，,则信息量为
如果 M是 2的幂次，即,则
12P(x)?
22
1I l og l og 2 1 ( )
1 / 2 bi t
1MP(x)?
22
1I l o g l o g M ( b i t )
1 / M
kM2?
k22I l o g M l o g 2 k ( b i t )
等概率出现的离散消息的度量设离散消息源是一个有 n个符号组成的集合,符号集中的每一个符号 在消息中是按一定概率独立出现的,设符号集中各符号出现的概率为
，并且有
ix iP(x )
1 2 n
1 2 n
x,x,,x
P( x ),P( x ),,P( x )
n
i
i1
P( x ) 1
非等概率情况下的离散消息的度量则 所包含的信息量分别是则每个符号所包含信息量的统计平均值为
1 2 nx,x,,x
2 1 2 2 2 nl o g P ( x ),l o g P ( x ),,l o g P ( x )
1 2 1 2 2 2 n 2 nH P ( x ) l o g P ( x ) P ( x ) l o g P ( x ) P ( x ) l o g P ( x )
n
i 2 i
i1
P ( x ) l o g P ( x )( /b i t
符号）
在何种情况下,H的值最大？试证明之解 0出现 23次,1为 14次,2为 13次,3为 7次
0,23× log8/3 = 33 bit
1,14× log4 = 28 bit
2,13× log4 = 26 bit
3,7× log8 = 21 bit
消息信息量,33+ 28+ 26+ 21 = 108 bit
平均信息量,108/57 = 1.89 bit/symbol
平均每符号信息量消息信息量,1.906× 57= 108.64 bit
2009-7-29 通信原理 -周扬 53
1.5 通信系统的主要性能指标通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标 。
有效性：消息传输的,速度,问题；
可靠性：消息传输的,质量,问题 。
在实际通信系统中,提高系统的有效性会降低可靠性,反之亦然 。 因此在设计通信系统时,对两者应统筹考虑 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 54
模拟系统性能衡量有效性 —— 有效传输带宽可靠性 —— 均方误差，信噪比
2009-7-29 通信原理 -周扬 55
数字通信系统性能码元长度：用来表示一位二进制数字的时间间隔
2009-7-29 通信原理 -周扬 56
数字通信系统性能
有效性指标－传输速率
码元传输速率 RB 每秒传送码元 (符号 )
的数目
RB=1/TB (Baud,B、波特）
信息传输速率 Rb 每秒传送比特个数
Rb=1/Tb (bit/s,bps)
2009-7-29 通信原理 -周扬 57
数字通信系统性能
RB与 Rb关系
2
2
/ l o g ( )
l o g ( / )
Bb
bB
R R N B a u d
R R N b i t s
2009-7-29 通信原理 -周扬 58
数字通信系统性能
可靠性指标－传输差错率
误码率 Pe
误比特率 Pb
bP?
错误比特数传输总比特数传输总码元数错误码元数?
eP
3 0 0 0 /bR b it s?
则 2/ l o g 8 1 0 0 0BbR R B a u d
因此由公式得到系统的误码率 为
5103
60101 0 0 0
18
eP
2009-7-29 通信原理 -周扬 60
本章小结
几点建议
1,明确,,通信原理,这门课程所研究的对象就是通信系统本身，学习通信理论与技术的目的就是要在尽量节省资源
（频率资源、功率资源）和尽量低的设备成本条件下，在模块级系统级层次上寻求提高通信系统性能指标（有效性和可靠性）的方式、方法和手段。
2009-7-29 通信原理 -周扬 61
本 章 小 结
研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，
它突出了影响通信质量的关键部件。在这里强调了 调制和解调 在通信系统中的重要作用，对数字通信来说,编码和解码 也是很重要的。
M个等概率出现的离散消息的信息量 ；非等概率出现的离散消息的每符号信息量 。
通常从信号传输的 有效性和可靠性 两方面来衡量通信质量的好坏。对模拟通信系统，为 有效传输带宽 和 输出信噪比 ；对数字通信系统，为 信息传输速率 和 误码率 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 62
习题
通信原理周扬
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学时数,56学时，其中 50学时理论课,6学时实验课
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随机信号分析、信息论
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电子信息专业的专业基础课。主要介绍通信系统的概念和信息传输的基本原理。讲述通信系统的构成原理及性能的基本分析方法。
基本要求
掌握通信系统的基本原理、系统构成，掌握通信系统的模型（方框图）；能够分析各通信系统的性能指标。
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学习基础及方法
熟悉,信号与系统,中傅立叶变换及性质
熟悉,随机过程,中的基本概念
熟悉各种常用模块的信号变换关系
基于系统模型掌握各种通信系统
实验教学
硬件实验
DSP,FPGA等
软件仿真
SystemView
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课程主要内容
通信的基本知识（概论、信号）
模拟通信系统
模拟信号的数字化
基带数字信号的表示与传输
基本的数字调制系统
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正交编码与伪随机序列
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与本课有关的几个问题
研究方法,
是在系统级模块级层次上将实际通信系统抽象成数学模型，采用数学分析和计算机模拟的方法对其进行研究，得到系统性能与系统参数之间的定量关系。
在给定系统参数的情况下，估算系统的性能（系统分析）；在给定系统性能要求的情况下，设计和优化系统的参数（系统设计）。在系统的数学模型比较复杂时，可以采用计算机模拟仿真（如：用
MATLAB软件仿真）的方法获得这些参数之间的关系，
达到优化通信系统的目的。
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我们所知道的通信古代：烽火狼烟,击鼓鸣金,摇旗呐喊,飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题 。
我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替通信 。
现代：电话,电视,广播,邮政,因特网,其他方式目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。
2009-7-29 通信原理 -周扬 10
近代深空通信的一个成功范例美国宇航局 2005年 1月 12日发射了用来探测彗星的,深度撞击,
号探测器，它的目标是,坦普尔一号,彗星的彗核。,深度撞击,
发射了一发,炮弹,于 7月 4日与彗星 TEMPEL1在距地球 1.32亿公里处相撞，并将观测到的宝贵图像和数据传回地球（延时大约 74分钟）。
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海上舰船通信海上舰船通信对空通信、卫星通信编队通信、对岸通信对潜通信（水声）
通信侦察、通信对抗内部通信（语音、数据、
图像）
甲板话音通信
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通信的目的：传递消息
通信的表达形式：语言、文字、图象、数据等
实现通信的方式：声、光、电、磁等
1.1 引言
语 音 声光文 字图 形 消 息 电数 据 磁状 态 其 他 媒 质 （ 如 气 味,触 觉 等 ）
通信的定义,通信就是消息的传递 。（当今通信概念中也包含了通信信号的形成、变换、检测、处理、识别等）
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通信的发展简史按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：
第一阶段 语言第二阶段 文字、邮政第三阶段 印刷术、出版物第四阶段 电报、电话、广播第五阶段 通信与计算机的结合、网络
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最早的电通信设想
1753年 2月 17日,,苏格兰人,杂志上发表了一封署名 C.M的书信 。
在这封信中,作者提出了用电流进行通信的大胆设想 。 他建议：
把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点,每根金属线与一个字母相对应 。 在一端发报时,便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接,使它们依次通过电流 。 电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来,从而起到远距离传递信息的作用 。
2009-7-29 通信原理 -周扬 16
最早的有线电报
1844年 5月 24日,莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报 。 在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了,“上帝创造了何等奇迹 !”一语 。
莫尔斯发出第一封电报设备的复制品
2009-7-29 通信原理 -周扬 17
最早的有线电话
1875年 6月 2日,美国人亚力山大,格雷厄姆,贝尔 (Bell,Alekander Graham)发明了电话 。
至今美国波士顿法院路 109号的门口,仍钉着块镌有,1875年 6月 2日电话诞生在这里的铜牌 。
1876年 2月 14日,贝尔申请了那个著名的他和沃森一直研究着的装置 ——电话的专利 。
同一天另一个发明家格雷 （ 1835-1901）
也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书,只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权 。
贝尔获得电话的专利证书
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电磁波的发现
1887年 3月 21日,德国物理学家赫兹 （ Hertz） 在实验中发现,电火花的能量能够越过空间传到远处 。 这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在 。 但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性 。 他认为如要利用电磁波进行通信的话,需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜 。
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最早的无线通信
1895年 5月 7日,36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上,宣读了关于,金属屑与电振荡的关系,的论文,并当众展示了他发明的无线电接收机 。 当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时,波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器,铃声立即中止 。 几十年后,为了纪念波波夫在这一天的划时代创举,当时的苏联政府便把 5月 7日定为
,无线电发明日,。
波波夫实验用的无线电接收机
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人类首次远距离无线电通信
1897年 5月 18日,马可尼进行横跨布里斯托尔 （ Bristol） 海峡的无线电通信取得成功,通信距离为 14公里 。
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影响通信发展的重要发明或理论
1906年,Lee Deforest发明了真空三极管放大器 。
1925年,英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机 。
1941年,John V.Atanasoff在衣阿华州立大学发明数字计算机 。
1947年,贝尔实验室的 Steve O.Rice给出了噪声的统计描述 。
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1948年,贝尔实验室向公众展示了用以取代真空管的晶体管 。
1948年,Claude E.Shannon发表了信息论。
著名的香农公式：
2lo g 1
SCB
N
C— 信道容量
B— 信号带宽
S/N— 信号与噪声的功率之比
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1957年 10月 4日,原苏联发射了第一颗人造地球卫星,地球上第一次收到了来自人造卫星的电波 。 它不仅标志着航天时代的开始,也意味着一个利用卫星进行通信的时代即将到来 。
1958年,发明了集成电路 。
1964年,电子电话交换机投入使用 。
1972年,摩托罗拉公司为 FCC演示蜂窝电话系统 。
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1976年,出现个人计算机 。
1979年,64KB随机存储器的出现宣告超大规模集成 （ VLSI） 电路时代的到来 。
1980年,贝尔公司推出 FT3光纤通信系统 。
1985年,传真机 （ FAX） 广泛使用 。
1989年,卫星全球定位系统 （ GPS） 完成部署 。
1995年,互联网 （ Internet） 及 WWW浏览广泛流行 。
2000年至今,进入基于微处理器的数字信号处理,高速个人计算机,扩频通信系统,数字卫星系统,数字电视,数字广播以及个人通信系统时代 。
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发展趋势
数字化,数字技术
综合化,技术综合化、业务综合化
宽带化,高速数据传输与交换
智能化,计算机及其软件技术
网络化,互联网
个人化,任何人任何时间在任何地方
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4W
Whoever--无论是谁或与谁进行通信（通信自由选择性）；
Whatever--无论采用什么方式进行通信（通信服务多样性）；
Whenever--无论在什么时间进行通信（通信随时性）；
Wherever--无论在哪里与哪里进行通信（通信全方位、无约束性）；
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通信系统的组成
通信,就是信息传输或消息传输，是从一地向另一地传递和交换信息。
通信系统,是指实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。
信息源噪声源受信者接收设备信道发送设备
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
消息的分类
连续消息（模拟消息）：是指消息的状态是连续的，如连续变化的语音、图象等；
t t
V V
离散消息（数字消息）,是指消息的状态是离散取值的，如文字、符号、数据等。
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
模拟通信系统,是利用模拟信号来传递信息的通信系统模拟 信息源噪声源受信者解调器信道调制器
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以传统语音信号为例来说明下图模拟通信系统模型各部分的作用。
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信,用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。它可传输电报、
数字数据等数字信号，也可以传输经过数字化处理的语音和图像等模拟信号。
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信系统模型方框图噪声信道调制器信道编码器加密器信源编码器信息源解调器信道译码器解密器信源译码器受信者噪声源信道基带信号 形成器信息源 接收滤波器 受信者
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
数字通信的基本特征,是它传送的信号是,离散,的或数字的。
数字通信的主要特点
（ 1）抗干扰能力强。
（ 2）差错可控。
（ 3）易于与各种数字终端接口，用现代计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。
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模拟通信系统模型和数字通信系统模型
（ 4）易于集成化，从而使通信设备微型化。
（ 5）易于加密处理，且保密强度高。
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1.3通信系统分类与通信方式
说明：根据不同的目的，通信系统有不同的分类方法。
1.按消息的物理特征分类：根据通信业务不同，通信系统可分为话务（电话业务）通信和非话务通信。
2.按调制方式分类：根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带（调制）传输。
表 1- 1常见的调制方式调 制 方 式 用途连续波调制线性调制 常规双边带调制 广播抑制载波双边带调幅 立体声广播单边带调幅 SSB 载波通信、无线电台、数传残留边带调幅 VSB 电视广播,数传,传真非线性调制 频率调制 FM 微波中继、卫星通信、广播相位调制 PM 中间调制方式数字调制 幅度键控 ASK 数据传输相位键控 数据传输调 制 方 式 用途脉冲数字调制数字调制 相位键控 PSK,DPSK、
QPSK等数据传输,数字微波、
空间通信其他高效数字调制
QAM,MSK等数字微波,空间通信脉冲模拟调制脉幅调制 PAM 中间调制方式,遥测脉宽调制 PDM(PWM) 中间调制方式脉位调制 PPM 遥测,光纤传输脉冲数字调制脉码调制 PCM 市话,卫星,空间通信增量调制 DM 军用,民用电话差分脉码调制 DPCM 电视电话,图像编码其他语言编码方式
ADPCM,APC,LPC
中低速数字电话
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1.3通信系统分类与通信方式
3.按信号特征分类：按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。
4.按传输媒质分类：按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。
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1.3通信系统分类与通信方式
5.按信号复用方式分类：传输多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用和码分复用。 频分复用 是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围； 时分复用 是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间； 码分复用 是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。
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1.3通信系统分类与通信方式
1.按消息传递的方向与时间关系分：通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。
单工通信,是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。
发端 接端信道
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1.3通信系统分类与通信方式
半双工通信,是指通信双方都能收发消息，
但不能同时进行收和发的工作方式。
发端接端发端接端信道
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1.3通信系统分类与通信方式
全双工通信,是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。
发端接端发端接端信道信道
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1.3通信系统分类与通信方式
2.按数字信号排列顺序分：在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。
并行传输,是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。
串行传输,是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。
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1.3通信系统分类与通信方式
并行和串行通信方式示意图
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1.4信息及其度量
信号是消息的载体，而信息是其内涵。
任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，
信源输出是用统计方法来定性的。
对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量,
根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描述。
消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。
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1.4信息及其度量
假设 P(x)是一个消息发生的概率,I是从该消息获悉的信息。
（ 1） 信息量是概率的函数,即 I = f［ P(x)］
（ 2） P(x)越小,I越大； 反之,I越小,且
P(x)→1 时,I→0 ； P(x)→0 时,I→∞
（ 3） 若干个互相独立事件构成的消息,所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性,即
I［ P(x1),P(x2)… ］ =I［ P(x1)］ +I［ P(x2)］ +…
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1.4信息及其度量信息量 I与消息出现的概率 P(x)之间的关系为：
1
l o g - l o g ( )aaI P x
Px
说明,a=2时，信息量的单位为比特（ bit）；
a=e时，信息量的单位为奈特（ nit）；
a=10时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。
M=2时，且两种状态出现的概率相等（等概率），
即,则信息量为
M>2时，即 M个状态等概率出现，,则信息量为
如果 M是 2的幂次，即,则
12P(x)?
22
1I l og l og 2 1 ( )
1 / 2 bi t
1MP(x)?
22
1I l o g l o g M ( b i t )
1 / M
kM2?
k22I l o g M l o g 2 k ( b i t )
等概率出现的离散消息的度量设离散消息源是一个有 n个符号组成的集合,符号集中的每一个符号 在消息中是按一定概率独立出现的,设符号集中各符号出现的概率为
，并且有
ix iP(x )
1 2 n
1 2 n
x,x,,x
P( x ),P( x ),,P( x )
n
i
i1
P( x ) 1
非等概率情况下的离散消息的度量则 所包含的信息量分别是则每个符号所包含信息量的统计平均值为
1 2 nx,x,,x
2 1 2 2 2 nl o g P ( x ),l o g P ( x ),,l o g P ( x )
1 2 1 2 2 2 n 2 nH P ( x ) l o g P ( x ) P ( x ) l o g P ( x ) P ( x ) l o g P ( x )
n
i 2 i
i1
P ( x ) l o g P ( x )( /b i t
符号）
在何种情况下,H的值最大？试证明之解 0出现 23次,1为 14次,2为 13次,3为 7次
0,23× log8/3 = 33 bit
1,14× log4 = 28 bit
2,13× log4 = 26 bit
3,7× log8 = 21 bit
消息信息量,33+ 28+ 26+ 21 = 108 bit
平均信息量,108/57 = 1.89 bit/symbol
平均每符号信息量消息信息量,1.906× 57= 108.64 bit
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1.5 通信系统的主要性能指标通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标 。
有效性：消息传输的,速度,问题；
可靠性：消息传输的,质量,问题 。
在实际通信系统中,提高系统的有效性会降低可靠性,反之亦然 。 因此在设计通信系统时,对两者应统筹考虑 。
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模拟系统性能衡量有效性 —— 有效传输带宽可靠性 —— 均方误差，信噪比
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数字通信系统性能码元长度：用来表示一位二进制数字的时间间隔
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数字通信系统性能
有效性指标－传输速率
码元传输速率 RB 每秒传送码元 (符号 )
的数目
RB=1/TB (Baud,B、波特）
信息传输速率 Rb 每秒传送比特个数
Rb=1/Tb (bit/s,bps)
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数字通信系统性能
RB与 Rb关系
2
2
/ l o g ( )
l o g ( / )
Bb
bB
R R N B a u d
R R N b i t s
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数字通信系统性能
可靠性指标－传输差错率
误码率 Pe
误比特率 Pb
bP?
错误比特数传输总比特数传输总码元数错误码元数?
eP
3 0 0 0 /bR b it s?
则 2/ l o g 8 1 0 0 0BbR R B a u d
因此由公式得到系统的误码率 为
5103
60101 0 0 0
18
eP
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本章小结
几点建议
1,明确,,通信原理,这门课程所研究的对象就是通信系统本身，学习通信理论与技术的目的就是要在尽量节省资源
（频率资源、功率资源）和尽量低的设备成本条件下，在模块级系统级层次上寻求提高通信系统性能指标（有效性和可靠性）的方式、方法和手段。
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本 章 小 结
研究通信系统模型是本门课程的基本分析方法，
它突出了影响通信质量的关键部件。在这里强调了 调制和解调 在通信系统中的重要作用，对数字通信来说,编码和解码 也是很重要的。
M个等概率出现的离散消息的信息量 ；非等概率出现的离散消息的每符号信息量 。
通常从信号传输的 有效性和可靠性 两方面来衡量通信质量的好坏。对模拟通信系统，为 有效传输带宽 和 输出信噪比 ；对数字通信系统，为 信息传输速率 和 误码率 。
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习题
