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1、通信原理第第1章章 绪论绪论第第1章章 绪论绪论l1.1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：传递消息中所包含的信息。n消息：是物质或精神状态的一种反映，例如语音、文字、音乐、数据、图片或活动图像等。n信息：是消息中包含的有效内容。n实现通信的方式和手段：u非电的：如旌旗、消息树、烽火台 u电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网和计算机通信等。第第1章章 绪论绪论n电信独创史n1837年：莫尔斯独创有线电报n1876年：贝尔独创有线电话 n1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世n1936年：商业电视广播开播 n n后面讲解并描述中，“通信”这一术语是指“电通信”，包括光
2、通信，因为光也是一种电磁波。n在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。远古通信手段远古通信手段烽火台烽火台击鼓击鼓在我国的古代历史上，流传着在我国的古代历史上，流传着“幽王烽火戏诸幽王烽火戏诸侯侯”、“梁红玉击鼓战金山梁红玉击鼓战金山”等传闻等传闻信鸽信鸽旗语旗语驿站驿站航行用的信号灯等工具。航行用的信号灯等工具。远古通信手段远古通信手段l图图1为摩洛哥于为摩洛哥于1965年国际电信联盟成立年国际电信联盟成立100周年发行的纪念邮票。左周年发行的纪念邮票。左图为古罗马时代传递信息的火炬塔。右图中是由烽火通信发展而来的图为古罗马时代传递信息的火炬塔。右图中是由烽火通信发展而来的支架通信。
3、公元支架通信。公元1794年，法国的夏普独创了年，法国的夏普独创了“托架式信号机托架式信号机”l图图2 为伊朗纪念为伊朗纪念1975年世界电信日发行的纪念邮标。在城堡上构筑高台，年世界电信日发行的纪念邮标。在城堡上构筑高台，利用烽火向远方传递信息。利用烽火向远方传递信息。l图图1 摩洛哥电信联盟成立摩洛哥电信联盟成立100周年纪念周年纪念 图图2伊朗世界电信日纪念伊朗世界电信日纪念远古通信手段远古通信手段l邮票上的烽火通信：邮票上的烽火通信：n1979年年5月月12日希腊发行的日希腊发行的欧罗巴邮政专题欧罗巴邮政专题首首日封，邮票为希腊乡村邮递员。日封，邮票为希腊乡村邮递员。n 点燃松脂传递信
4、号点燃松脂传递信号 高地筑墙墙背面两边高地筑墙墙背面两边 各有各有5个火炬插座个火炬插座 所燃火把数量和排列所燃火把数量和排列 位置的不同表示位置的不同表示 各种军事信息各种军事信息远古通信手段远古通信手段原始的光通信历史故事：原始的光通信历史故事：“千金买笑千金买笑”-”-（褒姒）（褒姒）良夜颐宫奏管簧，无端烽火烛穹苍。良夜颐宫奏管簧，无端烽火烛穹苍。可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场！可怜列国奔驰苦，止博褒妃笑一场！生动的马拉松故事：生动的马拉松故事：公元前四九零年，希腊人和波斯人在希公元前四九零年，希腊人和波斯人在希腊的马拉松进行了一场激烈的斗争，腊的马拉松进行了一场激烈的斗争，结果希腊人取
5、得了成功。结果希腊人取得了成功。菲力比斯菲力比斯 马拉松到雅典马拉松到雅典 ：4242公里公里195195米米 现代通信手段l电报电报l电话电话l寻呼寻呼l移动电话移动电话l有线广播、无线广播有线广播、无线广播l有线电视、无线电视有线电视、无线电视l因特网因特网远古通信与现代通信对比远古通信：远古通信：目视光通信方式：在较远的距离之间较刚目视光通信方式：在较远的距离之间较刚好地完成信息的传递。好地完成信息的传递。现代通信：现代通信：电信方式、电话和广播的独创起先电信方式、电话和广播的独创起先电信：利用电信号驮载待传信息进行传输电信：利用电信号驮载待传信息进行传输和交换的通信方式。和交换的通信方
6、式。通信（通信（communication)作为电信作为电信（Telecomunication)是从是从19世纪世纪30年头起先年头起先的。的。现代通信发展历史回顾现代通信发展历史回顾（1）理论发展）理论发展1831年年 法拉弟（英）提出法拉弟（英）提出“电磁感应现象电磁感应现象”。预报了发电机的诞生预报了发电机的诞生1873年年 麦克斯韦提出电磁波辐射原理，奠麦克斯韦提出电磁波辐射原理，奠 定了用无线电波进行通信的理论基定了用无线电波进行通信的理论基 础础1930年年 调制理论，复用理论问世，在理论上调制理论，复用理论问世，在理论上为模拟通信准备了条件为模拟通信准备了条件现代通信发展历史回顾
7、现代通信发展历史回顾1948年年 信息论问世（香农提出，香农又信息论问世（香农提出，香农又称称shannon），在理论上为数字通信准备），在理论上为数字通信准备了条件了条件“通信的基本问题就是在一点重新精确地或通信的基本问题就是在一点重新精确地或近似地再现另一点所选择的消息近似地再现另一点所选择的消息”通通信的数学理论信的数学理论用数理统计的方法来探讨通信系统，影响用数理统计的方法来探讨通信系统，影响深远的信息论深远的信息论解决如何精确地传送通信符号的基本技术解决如何精确地传送通信符号的基本技术问题。问题。现代通信发展历史回顾现代通信发展历史回顾19621962年年 数字传输理论问世数字传输理
8、论问世 （在理论上为数字通信准备了条件）（在理论上为数字通信准备了条件）19691969年年 “分组交换分组交换”理论问世理论问世（ARPAnet)Advanced Research Projects ARPAnet)Advanced Research Projects AgencyAgency（高级探讨支配管理局）（高级探讨支配管理局）Network Network Internet Internet前身前身现代通信发展历史回顾现代通信发展历史回顾（2）技术发展）技术发展1838年年 莫尔斯独创有线电报，标记着人类莫尔斯独创有线电报，标记着人类从今从今 进入了电通信时代进入了电通信时代现代通
9、信发展历史回顾现代通信发展历史回顾l18761876年年 贝尔独创电话（电磁感应原理制作的贝尔独创电话（电磁感应原理制作的送话器）送话器）l贝尔（贝尔（1847184719221922）英国人）英国人 l诞生在苏格兰的爱丁堡诞生在苏格兰的爱丁堡 l18681868年年 在伦敦工作在伦敦工作l18711871年年 去波士顿工作去波士顿工作l18731873年年 任波士顿高校任波士顿高校l 声音生理学教授声音生理学教授l18751875年年 独创多路电报独创多路电报l18761876年年 独创电话独创电话l电话的另一位独创者：格雷电解液送话电话的另一位独创者：格雷电解液送话器器l1876年年2月月
10、14日，贝尔和格雷都向电话专利日，贝尔和格雷都向电话专利局申请专利，不过，格雷晚到了局申请专利，不过，格雷晚到了2个钟头。个钟头。l于于1876年年3月月7日，专利局就把这一专利权日，专利局就把这一专利权授于贝尔了。授于贝尔了。l在以后的日子里，就贝尔属于独创以及申在以后的日子里，就贝尔属于独创以及申请专利权这一事务，在法律上，引起了一请专利权这一事务，在法律上，引起了一系列的激烈纷争，最终贝尔成功了。系列的激烈纷争，最终贝尔成功了。现代通信发展史的回顾现代通信发展史的回顾（贝尔与电话）（贝尔与电话）现代通信发展历史回顾现代通信发展历史回顾l18951895年年 马克尼马克尼(意大利意大利)，
11、波波夫（俄，波波夫（俄国）独创无线电报国）独创无线电报l为人类通信技术开拓了一个为人类通信技术开拓了一个l 崭新的领域崭新的领域 l马可尼（马可尼（1874193718741937），意大利人。），意大利人。l18941894年年 在父亲的庄园试验在父亲的庄园试验 l18951895年年 去伦敦去伦敦l18971897年年 建立无线电报公司建立无线电报公司l18991899年年 首次实现美法无线通信首次实现美法无线通信l19391939年年 建立世界性无线通信网建立世界性无线通信网l曾获诺贝尔奖金曾获诺贝尔奖金l曾参与法西斯党曾参与法西斯党第第1章章 绪论绪论l1.2 通信系统的组成n1.2.
12、1 通信系统的一般模型u信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。u发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。u信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。u噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。第第1章章 绪论绪论u接收设备：从受到减损的接收信号中正确复原出原始电信号。u受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。第第1章章 绪论绪论n1.2.2 模拟通信系统模型和数字通信系统模型u模拟信号和数字信号p模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：(a)话音信号 (b)抽样信号图1
13、-2 模拟信号第第1章章 绪论绪论p数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：p通常，依据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。(a)二进制信号 (b)2PSK信号图1-3 数字信号第第1章章 绪论绪论u模拟通信系统模型p模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统：p两种变换：模拟消息 原始电信号（基带信号）基带信号 已调信号（带通信号）图1-4 模拟通信系统模型第第1章章 绪论绪论u数字通信系统模型u数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统 u信源编码与译码目的：u提高信息传输的有效性u完成模/数转换
14、u信道编码与译码目的：增加抗干扰实力u加密与解密目的：保证所传信息的平安u数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 u同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一样 图1-5 数字通信系统模型第第1章章 绪论绪论n1.2.3 数字通信的特点n优点n抗干扰实力强，且噪声不积累n传输差错可控n便于处理、变换、存储n便于将来自不同信源的信号综合到一起传输n易于集成，使通信设备微型化，重量轻n易于加密处理，且保密性好n缺点：n须要较大的传输带宽n对同步要求高第第1章章 绪论绪论l1.3 通信系统分类与通信方式n1.3.1 通信系统的分类u按通信业务分类：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系
15、统、图像通信系统 u按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 调制传输系统又分为多种调制，详见书中表1-1。u按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统u按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 u按工作波段分类：长波通信、中波通信、短波通信 详见书中表1-2u按信号复用方式分类：频分复用、时分复用、码分复用 第第1章章 绪论绪论n1.3.2 通信方式u单工、半双工和全双工通信p单工通信：消息只能单方向传输的工作方式p半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式p全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式 第第1章章 绪论绪论u并行传输和串行传输u并行传输：将代
16、表信息的数字信号码元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 u优点：节约传输时间，速度快：不须要字符同步措施u缺点：须要 n 条通信线路，成本高 第第1章章 绪论绪论p串行传输：将数字信号码元序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输p优点：只需一条通信信道，节约线路铺设费用p缺点：速度慢，须要外加码组或字符同步措施p其他分类方式：p同步通信和异步通信p专线通信和网通信第第1章章 绪论绪论l1.4 信息及其度量信息及其度量l信息：是消息中包含的有效内容信息：是消息中包含的有效内容l如何度量离散消息中所含的信息量如何度量离散消息中所含的信息量?l度量信息量的原则度量信息量的
17、原则l能度量任何消息，并与消息的种类无关。能度量任何消息，并与消息的种类无关。l度量方法应当与消息的重要程度无关。度量方法应当与消息的重要程度无关。l消息中所含信息量和消息内容的不确定性消息中所含信息量和消息内容的不确定性有关有关l【例】【例】“某客机坠毁某客机坠毁”这条消息比这条消息比“今日今日下雨下雨”这条消息包含有更多的信息。这条消息包含有更多的信息。l上例表明：上例表明：l消息所表达的事务越不行能发生，信息量消息所表达的事务越不行能发生，信息量就越大。就越大。第第1章章 绪论绪论u度量信息量的方法u事务的不确定程度可以用其出现的概率来描述：u消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越
18、大。u设：P(x)消息发生的概率，u I 消息中所含的信息量，u则 P(x)和 I 之间应当有如下关系：uI 是 P(x)的函数：I I P(x)uP(x)，I ；P(x)，I；u P(x)=1时，I 0；P(x)=0时，I ；u u 满足上述3条件的关系式如下：u信息量的定义第第1章章 绪论绪论l上式中对数的底：上式中对数的底：l 若若a=2，信息量的单位称为比特，信息量的单位称为比特(bit)，可简记为，可简记为b l 若若a=e，信息量的单位称为奈特，信息量的单位称为奈特(nat)，l 若若 a=10，信息量的单位称为哈特莱，信息量的单位称为哈特莱(Hartley)。l通常广泛运用的单位
19、为比特，这时有通常广泛运用的单位为比特，这时有l(b)l【例】【例】设一个二进制离散信源，以相等的概率设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字发送数字“0”或或“1”，则信源每个输出的信息含，则信源每个输出的信息含量为量为 l在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1比比特特 第第1章章 绪论绪论p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p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。第第1章章 绪论绪论p对于非等概率状况p设：一个离散信源
20、是由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1,2,3,M)按确定的概率P(xi)独立出现，即 p且有p则x1,x2,x3,xM 所包含的信息量分别为p于是，每个符号所含平均信息量为p由于H(x)同热力学中的熵形式相像，故称它为信息源的熵 第第1章章 绪论绪论u【例例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。试求某消息的信息量。【解解】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 第第1章章 绪论绪论
21、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缘由在于，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便利。第第1章章 绪论绪论n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。第第1章章 绪论绪论l1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标l通信系统的主要性能指标：有效性和牢靠通信系统的主要性能指标：有效性和牢靠性性l有效性：指传输确定信息量时所占用的信有效性：指传输确定信息量时所占用的信道资
22、源（频带宽度和时间间隔），或者说道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的是传输的“速度速度”问题。问题。l牢靠性：指接收信息的精确程度，也就是牢靠性：指接收信息的精确程度，也就是传输的传输的“质量质量”问题。问题。l模拟通信系统：模拟通信系统：l有效性：可用有效传输频带来度量。有效性：可用有效传输频带来度量。l牢靠性：可用接收端最终输出信噪比来度牢靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。量。第第1章章 绪论绪论n数字通信系统u有效性：用传输速率和频带利用率来衡量。p码元传输速率RB：定义为单位时间（每秒）传送码元的数目，单位为波特（Baud），简记为B。式中T 码元的持续时间（秒）p信息传输
23、速率Rb：定义为单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，简记为 b/s，或bps 第第1章章 绪论绪论p码元速率和信息速率的关系或 对于二进制数字信号：M=2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（M=8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为3600 b/s。第第1章章 绪论绪论p频带利用率：定义为单位带宽（1赫兹）内的传输速率，即p或p牢靠性：常用误码率和误信率表示。p误码率p误信率，又称误比特率p在二进制中有第第1章章 绪论绪论l1.6 小结小结l通信的目的、电信独创史通信的目的、电信独创史l通信系统的模型通信系统的模型l数字信号、模拟信号，基带信号、
24、已调信数字信号、模拟信号，基带信号、已调信号（带通信号、频带信号）号（带通信号、频带信号）l数字通信特点数字通信特点l通信系统分类通信系统分类 l单工、半双工、全双工通信，并行传输和单工、半双工、全双工通信，并行传输和串行传输串行传输l信息及其度量信息及其度量l通信系统的有效性和牢靠性通信系统的有效性和牢靠性人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的学问面。有很多书籍还能培育我们的道德情操，给我们巨大的精神力气，鼓舞我们前进。