2023/2/31/81通信原理任通菊2/812023/2/3通信原理是信息與通信工程學科的核心課程。講授模擬與數字通信系統的基本理論、主要技術與分析方法，說明典型實際系統與應用。內容包括：基本知識、模擬傳輸、數字基帶傳輸、數字頻帶傳輸、模擬信號數字化與PCM、信號空間與最佳傳輸理論、現代數字傳輸技術等。本課程討論典型系統并包含實驗與仿真學時，培養學生運用理論、分析問題與解決問題的能力，促進創新素質的提升。課程簡介3/812023/2/3本課程講授通信系統的基本理論、主要技術與分析方法，說明典型實際系統與應用。通過學習，學生要能夠系統地掌握和理解相關基礎知識，具備常規模擬與數字通信系統的理論知識、初步分析能力與與基礎設計技能，養成一定的工程與系統分析素質，并對通信工程專業的基本內容有更好的認識。

課程目標4/812023/2/3本課程強調理論與實踐的有機結合，旨在通過實驗與仿真增進學生領悟所學內容，進而培養學生運用數學、自然科學與專業理論知識、分析問題與解決問題的能力，促進創新素質提升。課程基礎：《隨機信號分析》、《信號與系統》后續課程：

《移動通信》、《衛星通信》、《計算機通信網》5/812023/2/3本課程對畢業要求的支撐1.畢業要求2理解工程活動中涉及的重要經濟與管理因素2.畢業要求3理解信息論、模擬與數字通信原理、基本編碼理論、典型通信系統的技術特點3.畢業要求5了解信息與通信技術基本發展，關注與分析經典創新案例6/812023/2/34.畢業要求7了解與通信技術相關的職業和行業方法、政策和法律、法規5.畢業要求9在基礎知識上具備擴展學習的能力，具有技術知識與課程內容的自學經歷7/812023/2/3成績構成：上課時間:1~14周考核方式:一頁紙開卷答疑時間：課前，課后，周三下午答疑地點：科B樓232

上課時間及考核方法平時20%＋實驗10%＋期末70%

愛課程---中國大學慕課----通信原理（李曉峰）----完成每章的單元測驗、每章的作業、每講的課堂討論題、最終的考試。共四部分點進討論區后就可以發言。類似于論壇回帖8/812023/2/32.《通信原理教程》樊昌信等電子工業出版社3.《通信原理簡明教程》南利平清華大學出版社4.《現代通信原理》曹志剛等清華大學出版社1.《通信原理》（合訂本）周炯槃等北京郵電大學出版社5.《數字與模擬通信系統》LeonW.Couch著電子工業出版社6.LeonW.CouchII.Digitalandanalogcommunicationsystems,6thed.北京：科學出版社影印參考書9/812023/2/37.

JohnG.Proakis,Masoud

Salehi.Communicationsystemsengineering,2nded.改編版，高等教育出版社8.SimonHaykin著.沈連豐等譯.通信系統（第4版）.北京：電子工業出版社10/812023/2/3

我命在我，不在天地。天助自助者。主動還是被動是成功與失敗的關鍵。梅花香自苦寒來。上好每堂課，課后讀教材，做好每次作業。愛課程---中國大學慕課----通信原理（李曉峰）學會讀書，讀專業書，讀文學作品（修身養性）。

從現在做起。11/812023/2/3第1章緒論12/812023/2/3本章講授通信的基本概念、術語和入門知識。使學生對通信的研究方向、應用環境、基本模型及系統有一個初步的了解。主要學習內容有：掌握：基本術語、模擬與數字消息、信息概念及其度量、信道模型與噪聲問題。

理解：數字與模擬通信系統特點、框圖及基本指標、無線電波傳播，山農公式與信道容量。了解：典型通信系統、常見消息、常用信道、頻帶13/812023/2/31.1通信的基本概念1.2歷史回顧1.3信源與常見的消息1.4信道1.5頻帶與電波傳播1.6數字與模擬通信系統1.7通信網絡14/812023/2/31.1

通信的基本概念現代信息社會中，充分利用與交流信息——通信通信原理——闡述通信及其系統的基礎理論、技術與分析方法。15/812023/2/3

1.幾個術語

通信(communication)通信就是溝通信息。信息(information)信息是我們感興趣的事物的狀態及狀態變化。

消息(message)

消息是信息的載體。

信號(signal)

信號是消息的載體。16/812023/2/32.通信系統（CommunicationSystems）TransmitterReceiverChannel信源：把消息轉換為原始電信號信宿:把原始電信號轉換為消息原始信息信號原始信息信號通信系統——發送器，信道與接收器。InformationsourceInformationsink終端：1）發信者——信源

2）收信者——信宿17/812023/2/3發送設備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產生的信號變換成適合在信道中傳輸的信號。接收設備的基本功能是完成發送設備的反變換，它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始信息信號來。信道是指傳輸信號的物理媒質。有線和無線信道均有多種物理媒質。18/812023/2/3要強調的是在通信中，信息是接收方所未知的，消息越感出乎意料，信息量就越大。通信系統中還存在噪聲，噪聲也是無法預知的，噪聲限制了通信的能力。噪聲源:發信者收信者發送器接收器信道噪聲源19/812023/2/3

信號波形的帶寬。信號波形的功率和能量。

信號波形的抗干擾能力如何？在發送端：產生該波形的代價如何？在接收端：檢測該波形的代價又如何？

信號波形(信息承載波形)的設計要考慮的因素：20/812023/2/3摩爾斯電報系統——最古老的電信系統，傳送文字消息。誕生于1837年，以不同長度的聲音組合表示字符——電碼信號。電子系統——通過電信號來實現信息的傳遞術語：“通信”與“電信”。（communication）（telecommunication）01100000110000011000021/812023/2/3基于信源和信宿的關系，分為兩種基本通信方式：廣播方式：信息同時送到多個收信者點—點方式：一個信源對一個收信者基于傳輸方向的特點：單工系統：只能沿一個固定方向傳輸信息。如，收音廣播、電視廣播、遙測、遙控、無線尋呼雙工系統：能夠同時沿兩個方向傳輸信息。如，電話通信。半雙工系統：任何時候只能沿一個方向傳輸信息，但可以切換傳輸方向。如，對講機通信。

通信系統分類22/812023/2/31.2

歷史回顧（自學）要求：了解到200多年來通信的發展歷程：電報與電話通信的重要作用收音、電視廣播、衛星通信、移動電話系統等重要的系統數字化與網絡化過程信息論與通信理論的發展通信朝著數字化、寬帶化、網絡化、綜合化、移動與個人化方向發展請大家自學該小節并查閱相關資料，關注與了解通信發展中的一些重要進展及其背景，體會技術的創新與發展過程23/812023/2/31.3消息與信源TransmitterReceiverChannel原始信息信號原始信息信號24/812023/2/31.3.1數字與模擬信源1.最基本的消息—文字與語音Digitalandanaloginformationsource25/812023/2/3(2)模擬信源:產生的消息的狀態（取值）是連續變化的、數目無限的。如：鍵盤。2.數字與模擬信源如：漢字集。(1)數字信源:產生的消息的狀態（取值）是離散的、數目是有限的。如：計算機的輸出如：語音源。26/812023/2/3消息符號（messagesymbol）：數字消息源的每一種狀態（取值）稱為一種消息符號消息符號集：數字消息源的所有狀態（取值）的集合一般：具有N種取值的數字信源數字消息源:消息符號、消息符號集、數字消息序列（數字信號）27/812023/2/3數字消息序列：其中xm

取中N個值之一。圖1.3.1數字消息信號示例28/812023/2/33.數字與模擬信源的基本指標

符號速率：M元數字信源：指數字信源具有M種符號二元數字信源：具有2種符號，可以用1位二進制編碼表示，稱為1bit.多元數字信源：如M元，可以用n位二進制編碼表示

數字信源的基本指標:消息符號數字信源的元數：指數字信源包含的消息符號的數目一般，，n取滿足該不等式的最小值Symbolrate29/812023/2/3例：假設計算機的終端鍵盤上有110字符，每個字符用二進制代碼組來表示。問每個字符需要用幾位二進制代碼?解:故需要7bits代碼來表示每個字符.英文字母：8bitASCII漢字：16bit，兩個字節摩爾斯碼：不等長編碼30/812023/2/3習題1.1考慮手機短消息通信，以你自己或其他某人的經驗，試估計（1）按鍵速率；（2）假定每個中文字符轉換為2字節表示，短消息的二元符號速率是多少？解：（1）經過多次試驗，按鍵速率為2.03

key/s

（2）短消息的二元符號速率為31/812023/2/3

模擬信源的基本指標:如：語音的音量電信號（赫茲，Hz）

模擬消息信號的頻譜大多在0赫茲附近-----基帶信號32/812023/2/3數字消息——用離散型隨機變量描述N元消息源:數字消息序列——隨機變量序列1.3.2隨機信號與確定信號隨機性——信息對于接收者必須是新的，即事先未知的且無法預知的。數字信號（波形）——隨機波形33/812023/2/3模擬消息——用連續型隨機變量描述模擬消息信號是隨機過程x(t)，概率密度函數fx(t)(x)通信系統中的確定信號：正弦波與矩形脈沖等，用于協助傳送消息信號通信系統中常常傳送：34/812023/2/31.3.3信息的度量消息攜帶的信息量的大小與消息出現的不確定程度有關。信息(information)是事物的運動狀態及存在方式的不確定性的描述。

消息(message)

消息是信息的載體，是通信系統傳遞的具體內容。35/812023/2/3單個消息的信息量

設:離散信源X蘊含的信息量為：消息攜帶的信息量的大小與消息出現的不確定程度有關。對于單條消息，其pi越小，則Ii越大；Ii大小與消息的內容是否有實際意義無關36/812023/2/3以2為底時單位是“比特”（bit—binaryunit的縮寫）以e為底時單位是“奈特”（nat—natureunit的縮寫）以10為底時單位是“哈特”（Hart—Hartley的縮寫）注意：2.信源熵H(X)數字信源每個符號出現所帶來的平均信息量Entropy37/812023/2/3例1.1二元消息源X1、X2與X3的取值及概率為：

解：求它們的熵。38/812023/2/3例1.2數字信源X—4元等概，Y—2元等概，求它們的熵。

解：39/812023/2/33.信息速率（熵率）信源的信息速率為:其中:

H

為信源熵，

T

為發送一個消息符號的時間，Rs=1/T

為信源的符號速率，

R

為每秒內發送的信息量從信息的角度看，熵與熵率是信源的基本指標。40/812023/2/3例：計算信息速率。某電話鍵盤:0,1,…9,*,#，其中P[*]=P[#]=0.005，P[0]=P[1]=…=P[9]=0.099。如果按鍵速率為2keys/s,計算該信源的信息速率解:作業：41/812023/2/3（自學）要求：了解各種消息源的特點及基本指標數據速率：約3bps42/812023/2/3模擬消息數字語音速率：64kbps43/812023/2/3模擬消息44/812023/2/3模擬消息45/812023/2/3數字消息46/812023/2/31.4

信道TransmitterReceiverChannel原始信息信號原始信息信號信道——介于發信者與收信者之間，供消息信號經過的通道，是傳輸電、電磁波或光信號的物理媒質。47/812023/2/3兩大類：（1）有線信道：雙絞線、電纜、波導與光纖；（2）無線信道：大氣、真空與海水等。48/812023/2/3線性系統H(f)其中:So:線性系統無失真傳輸的條件

幅頻響應是平坦的

相頻響應是頻率的線性函數

線性系統無失真傳輸的條件49/812023/2/3系統群時延

無失真傳輸要求：（常數）x(t)的絕對帶寬050/812023/2/31.4.1信道的影響1.衰減及加性噪聲（以相加的形式混入的噪聲）。噪聲是隨機的，典型的為熱噪聲。外來干擾：1）自然界的干擾，如雷電等；2）人為干擾。衰減因子51/812023/2/3引入乘性噪聲2.信道的傳輸特性可能引起信號的畸變，使信號發生某種形式的失真。變參信道——參數特性是時變的，甚至是隨機變化的。信道的影響：信道衰減加性噪聲外來干擾信號畸變52/812023/2/31.4.2加性噪聲信道模型加性信道一般模型：加性高斯白噪聲信道（AWGN）——通常n(t)為熱噪聲，具有高斯白噪聲特性，功率譜密度值：，反映的是每Hz頻帶內噪聲的平均功率。瓦/赫茲實際信道是復雜的，把信道簡化為加性噪聲模型有利于簡化通信系統的數學分析。AdditiveWhiteGaussianNoise信號功率與噪聲強度信道帶寬53/812023/2/3全通濾波器:帶通濾波器:低通濾波器:理想信道模型:理想的

線性時不變系統54/812023/2/3（自學）要求：了解各種信道的特點及基本指標（帶寬）55/812023/2/356/812023/2/3光纖有以下的一些獨特的優點：頻帶寬，容量大：潛在帶寬可達Hz2.傳輸損耗低：無中繼傳輸幾百公里。3.光信號不受電磁干擾，抗噪聲好、保密性強。4.體積小、質量輕、易于使用；材料豐富、價格低廉。長途電話網與互聯網中常用光纖作為其傳輸媒質。

57/812023/2/358/812023/2/359/812023/2/360/812023/2/31.5

頻帶與電波傳播

61/812023/2/31.5.1頻帶的名稱頻帶——某個頻率范圍。

信號的頻帶（帶寬）——信號的絕大部分能量或功率集中的頻率范圍。信道的頻帶（帶寬）——信道能傳送信號的頻率范圍。62/812023/2/3海底通信等調幅廣播等短波廣播等頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

頻率與波長關系：（要有效地輻射電磁能量，天線的物理尺寸必須大于電磁波波長的1/10）63/812023/2/3頻帶的位置、常用名稱與典型的通信用途：

調頻廣播、電視廣播等微波通信、電視廣播、個人通信系統等光通信64/812023/2/3幾千赫茲以上的信號可以用于無線電通信，電波傳播模式主要由其頻率值決定。1.5.2無線電波的傳播地波模式天波模式視線傳播模式65/812023/2/3中頻、低頻、甚低頻3MHz以下地波模式——電波沿地表面彎曲傳播的方式。較低頻率電波的主要傳播方式，如，MF的調幅(AM）廣播。波長幾百米至幾十千米噪聲：熱噪聲、雷電、外臺干擾66/812023/2/3天波模式——電波經天空中的電離層反射而折回地面的傳播方式。HF（3~30MHz）電波主要以天波模式傳播。位于地面上方60~400km處D,E,F1,F2層波長幾十米67/812023/2/3電離層——大氣層中環繞地球的離子層。基本規律：白天由于太陽充足，D層濃度高，能大量吸收2MHz以下的電波；夜晚D層濃度低，電波可達F層，30MHz以下的電波反射回來。常見問題是：1.多徑傳播，造成頻率選擇性衰落。2.電離層是時變的，因而短波信道也是時變的。加性噪聲：熱噪聲、雷電、外臺干擾68/812023/2/32.也可以用于地面的視距傳播1.30M以上的電磁波向上傳播時會穿過電離層而不被反射回來，可以用于衛星通信和外太空通信視線傳播模式——電波像光波作直線傳播的方式，是VHF及更高的頻率（30MHz以上）電波的主要工作模式。可用于衛星和外太空通信。波長幾毫米至幾米加性噪聲：熱噪聲、宇宙噪聲（視距傳播）69/812023/2/3視距的計算：在地面應用時，地球表面的彎曲限制了傳播的距離。微波中繼，接力式的傳信號。而且中繼站架得很高。衛星中繼70/812023/2/31.5.3無線頻譜及其管理無線信道是人類共有的自由空間，開放給所有發送與接收用戶的共享資源。為了維護秩序，協調通信應用，減少干擾，各個國家都建立了有關政府部門進行管理。國際機構為國際電信聯盟（ITU）負責，其前身是:國際電話與電報咨詢委員會（CCITT）和國際無線電咨詢委員會（CCIR）。請同學們自學該小節，弄明白通信行業的生產、設計、研究與開發中需要遵循的一些與通信技術相關的職業和行業方法、政策和法律、法規”（自學）71/812023/2/3FrequencyDivisionMultiplexing管理無線頻帶的基本方法1.5.4頻分復用（FDM）頻分復用——

多個信號錯開頻率位置共用頻帶的方法FDM這種思想也大量用在有線信道內。從FDM可見，帶寬是信道本質上的資源。72/812023/2/31.6數字與模擬

通信系統

模擬通信系統——信道中傳輸模擬波形的通信系統。數字通信系統——信道中傳輸數字波形的通信系統。73/812023/2/3(補充)

數字波形與模擬波形（傳輸波形）

對于數字信源數字波形：信號的傳信息的參量只取有限個值。例1：二進制波形（二電平波形）碼元寬度數字基帶信號頻譜在零頻附近Ts：Timeslot74/812023/2/3例2：M進制波形（M電平波形）碼元寬度Ts：Timeslot門限75/812023/2/3

對于模擬信源模擬波形：信號的傳信息的參量的取值是連續變化的模擬波形在模擬通信系統中傳輸。模擬波形經過A/D變換變成數字波形，也可以在數字通信系統中傳輸。76/812023/2/31.6.1模擬通信系統模擬通信系統——信道中傳輸模擬波形的通信系統。信源調制器發射機信道接收機解調器信宿噪聲發送設備接收設備系統的核心：調制與解調單元。基帶信號基帶信號分為模擬基帶傳輸和模擬頻帶傳輸77/812023/2/3調制：基帶信號頻帶信號modulation是調制的逆過程。解調：頻帶信號基帶信號demodulation

調制解調器（modem）模擬通信系統的核心單元：調制與解調78/812023/2/3借助于正弦波攜帶信息---載波R(t)

或θ(t)（或兩者同時）隨信息m(t)變化。依據變化方式的不同，調制有各種制式，相應的帶寬與抗噪聲能力也不同。79/812023/2/31.6.2數字通信系統數字通信系統——信道中傳輸數字波形的通信系統。一個較為完善的現代數字通信系統：

基本的——白色實線框；可選的——灰色虛線框。80/812023/2/3發送端接收端收發兩端結構基本對稱，相應的單元彼此互逆。81/812023/2/3基本的數字通信系統模型：數字通信系統分為基帶傳輸系統與頻帶傳輸系統兩大類。格式化脈沖基帶調制頻帶調制發射機信道接收機頻帶解調格式化信源信宿脈沖基帶檢測噪聲基帶信號基帶信號發送設備接收設備同步脈沖成型網絡82/812023/2/3發格式化：把來自信源的消息信號整理為二進制序列。收格式化：把收到的二進制序列還原為原始消息信號。

格式化：對于模擬信源，格式化還包括A/D和D/A變換。

脈沖基帶調制和基帶檢測脈沖基帶調制:

把二進制序列變換成二元或多元傳輸波形脈沖基帶檢測:把二元或多元傳輸波形還原為二進制序列。通過對基帶波形進行抽樣和判決實現。

同步單元為整個數字傳輸系統提供各種定時時鐘，使各個單元能夠正確、有序地工作。83/812023/2/3信源編碼單元：對數字序列實現壓縮編碼，以降低消息中的冗余度，提高傳輸效率。加密單元：提供保密性，防止非授權用戶獲取信息或注入錯誤信息。信道編碼單元：為了改善傳輸的可靠性（信道糾錯編碼）復用單元：把用戶的多種消息信號合并在一起傳輸。頻譜擴展單元：展寬傳輸信號的頻譜，提高其抗干擾能力與保密性，同時，（擴頻）擴頻技術還是一種常用的多址接入技術。多址接入單元：使多個用戶可以從不同的地址進入同一信道，共享通信資源。83/52發送端信號處理84/812023/2/3發送端接收端

收端的多址接入單元、頻譜解擴單元、解復用單元、信道譯碼單元、解密單元、信源譯碼單元的功能分別是發端對應單元的逆功能。信號處理信號處理85/812023/2/3數字通信系統(相比模擬系統)突出的優點：（1）信號狀態有限，抗干擾能力強，可實現低誤碼率。中繼再生可以避免噪聲積累，利于長距離傳輸；（2）由信道糾錯編碼技術可進一步降低誤碼率；（3）易于進行加密處理；（4）易于進行壓縮，以減少冗余度，提高傳輸效率。（5）易于不同種類的信源數據，共用數字通信系統；

易于集成，使設備微型化，成本低。（6）便于計算機與網絡通信；缺點：（1）通常需要更多的帶寬；（2）復雜的同步系統。天生抗噪性、潛在標準性、便利的實現性86/812023/2/3characteristicsmeasure1.6.3通信系統的基本性能指標通信系統的基本性能指標：有效性——給定的時間內能傳輸的信息內容的多少；可靠性——接收到的信息的準確程度。87/812023/2/3

數字通信系統比特率:Rb

每秒傳輸的bit（0、1代碼）數單位:bits/sb/sbps1.數字通信系統的有效性：頻帶利用率：平均每赫茲所能提供的傳輸速率（bps/Hz）。B:數字波形的帶寬Rb:數字波形的bit率88/812023/2/32.數字通信系統的可靠性