簡介課程目的本課程為計算機通信專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，及計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)。其目的是使計算機學(xué)院畢業(yè)的學(xué)生具有一定的通信知識背景，了解和掌握現(xiàn)代通信的基本原理及相關(guān)技術(shù)，尤其是數(shù)字通信的基本原理，為進一步學(xué)習(xí)后續(xù)通信和網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程打下基礎(chǔ)教材《通信原理》（第6版）樊昌信預(yù)備知識電子電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、電路分析基礎(chǔ)、概率論與隨機過程課程介紹是一門介紹信息傳輸基本原理（理論和技術(shù)）的課程。它的研究對象是通信系統(tǒng)。考核方式作業(yè)10%，期中考試30%，期末考試60%作業(yè)周二交作業(yè)光-視覺：烽火，火炬聲波：擊鼓鳴金信鴿、旗語古代的通信方法烽火臺1837年SamuelMorse發(fā)明電報1876年AlexanderGrahamBell發(fā)明電話1895年GuglielmoMarconi發(fā)明無線電1906年電子管的發(fā)明使模擬通信得到發(fā)展1928年Nyquist取樣定理和1948年shannon定理在理論上為數(shù)字通信奠定了基礎(chǔ)20世紀50年代、60年代半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)展使數(shù)字通信得到發(fā)展1945年第一臺電子計算機的問世到80年代計算機的飛速發(fā)展使數(shù)據(jù)通信成為可能1963年第一次實現(xiàn)同步衛(wèi)星通信20世紀70年代光導(dǎo)纖維的發(fā)明實現(xiàn)了光纖通信1974年美國Bell實驗室提出蜂窩移動通信概念18世紀以來的通信方法課程要求希望學(xué)生盡可能做到課前預(yù)習(xí)、課上認真聽講、課后及時復(fù)習(xí)、按時獨立完成規(guī)定作業(yè)、遇到疑難問題應(yīng)盡快通過答疑、討論等環(huán)節(jié)來解決，以便更好地學(xué)好本課程。教學(xué)內(nèi)容緒論確知信號隨機過程信道模擬調(diào)制系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)新型數(shù)字帶通調(diào)制技術(shù)模擬信號的數(shù)字傳輸差錯控制編碼正交編碼與偽隨機序列同步原理第一章緒論1.1通信系統(tǒng)模型1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式

1.3信息極其度量1.4主要性能指標1.5通信發(fā)展簡史1.1通信系統(tǒng)模型一、通信系統(tǒng)二、通信系統(tǒng)模型三、模擬通信與數(shù)字通信四、模擬通信系統(tǒng)五、數(shù)字通信系統(tǒng)六、數(shù)字通信的特點一、通信系統(tǒng)通信——消息由一地向另一地的傳遞。即通過某種媒體進行的信息傳遞。

通信系統(tǒng)——完成通信過程的全部設(shè)備和傳輸媒質(zhì)。二、通信系統(tǒng)模型信源信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，稱之為基帶信號。電話機、手機、計算機等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。模擬信源，輸出的是模擬信號；數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號。發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｗ儞Q方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調(diào)制是最常見的變換方式。對數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常包括信源編碼、信道編碼、波形設(shè)計以及數(shù)字調(diào)制方式。對于多路傳輸系統(tǒng)，還包括多路復(fù)用設(shè)備。信道-狹義的信道信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì)。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對象的不同，需要對實際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對信號的影響。噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進行解調(diào)、譯碼等。其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號。對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實現(xiàn)正確分路。信宿信宿是傳輸信息的歸宿點。其作用是將復(fù)原的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。三、模擬通信與數(shù)字通信

消息分：連續(xù)消息（模擬消息）——消息狀態(tài)連續(xù)變化。如：語音、圖像離散消息（數(shù)字消息）——消息狀態(tài)可數(shù)或離散。如：符號、文字、數(shù)據(jù)

信號是消息的表現(xiàn)形式，消息被承載在電信號的某一參量上。因此信號分：模擬信號——電信號的該參量連續(xù)取值。如：普通電話機發(fā)的語音信號數(shù)字信號——電信號的該參量離散取值。如：計算機內(nèi)總線的信號

模擬信號和數(shù)字信號可以互相轉(zhuǎn)換。因此，任何一個消息既可以用模擬信號表示，也可以用數(shù)字信號表示。信道中傳輸?shù)氖悄M信號——模擬通信系統(tǒng) 模擬調(diào)制傳輸系統(tǒng)、模擬基帶傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號——數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)四、模擬通信系統(tǒng)基帶信號——由消息轉(zhuǎn)化而來的原始模擬信號。一般含直流和低頻，不宜直接傳輸。已調(diào)信號——由基帶信號轉(zhuǎn)化來的，頻帶適合信道傳輸?shù)男盘枴Ｓ址Q帶通信號（也稱頻帶信號）。模擬通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容是研究不同信道條件下不同的調(diào)制解調(diào)方法。基帶信號信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘枺⒖稍诮邮斩诉M行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。頻帶信號經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特征：攜帶有信息適合在信道中傳輸信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調(diào)信號又稱帶通信號或頻帶信號。基本變換兩種變換連續(xù)消息與基帶信號的變換基帶信號與頻帶信號之間的變換實際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進行了放大或改善了信號特性，因而被認為是理想的而不予討論。模擬通信系統(tǒng)的主要工作是研究不同信道時采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)模擬通信的主要特點抗干擾能力差不易于保密通信在信息安全方面，模擬通信傳送的電信號，很容易被“竊聽”，我們平時打電話，有時能聽到一些不相干的串音，就是如此。為了通信保密，可以采取加密措施，使信息密化。但模擬信號加密和解密都比較困難，而且保密程度不可能很高。有時，制造一臺模擬信號保密機，所花的時間甚至比制造通信設(shè)備本身還長，所花費的資金甚至比通信設(shè)備還昂貴。設(shè)備不易于大規(guī)模集成不適應(yīng)飛速發(fā)展的計算機通信的要求簡單、易于實現(xiàn)。五、數(shù)字通信系統(tǒng)信源編/譯碼器——模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換加/解密器——保密傳輸信道編/譯碼器——差錯控制調(diào)制/解調(diào)器——傳輸、復(fù)用以上各個功能框可根據(jù)需要設(shè)置。數(shù)字通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容就是研究這些功能框的實現(xiàn)方法。信源編碼與譯碼作用一：是當信息源給出的是模擬語音信號時，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。作用二：是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。信源編碼方法：波形編碼（PCM、ADPCM、DM）、參數(shù)編碼（LPC）。信源譯碼是信源編碼的逆過程。信道編碼與譯碼數(shù)字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護成分（監(jiān)督碼元），組成所謂“抗干擾編碼”，即差錯控制。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)可靠通信。信道編碼：線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼等。加密與解密加密：在需要實現(xiàn)保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼。（MD5）解密：在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對收到的數(shù)字序列進行解密，恢復(fù)原來信息。數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制：是把數(shù)字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號。基本的數(shù)字調(diào)制方式：振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對相移鍵控DPSK。解調(diào)：對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測，一般用相關(guān)器接收機或匹配濾波器實現(xiàn)。同步同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步位同步幀同步網(wǎng)同步六、數(shù)字通信的特點再生中繼，抗干擾能力強差錯控制，改善傳輸質(zhì)量支持各種消息的傳遞集成化，小型化保密性強數(shù)字通信由于傳輸?shù)臄?shù)字信號是離散電信號，很難被人聽清，本身就具有較高的保密性。而為了密上加密，還可以很方便地進行加密處理。而且加密的規(guī)律愈復(fù)雜，通信保密的程度就愈高，敵方愈不容易破譯。可己方聯(lián)絡(luò)對象，只要利用相應(yīng)的解密設(shè)備就可以進行信息還原。代價：頻帶利用率低，同步技術(shù)復(fù)雜MPC8347MPC8347評估板示例音頻傳感器節(jié)點1.2通信系統(tǒng)的分類與通信方式一、通信系統(tǒng)分類二、通信方式一、通信系統(tǒng)分類按通信業(yè)務(wù)分：電報系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)按調(diào)制方式分：基帶傳輸、頻帶傳輸（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、脈幅、脈寬、脈位）按信號特征分：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸媒質(zhì)（信道）分：有線系統(tǒng)（架空明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖）、無線系統(tǒng)按工作波段分：長波、中波、短波、微波、衛(wèi)星按復(fù)用方式分：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、碼分復(fù)用二、通信方式

按消息傳送的方向和時間分：單工、半雙工、全雙工按數(shù)字信號的排列順序分：串序、并序按連接形式分：專線直通（點對點）、交換網(wǎng)絡(luò)（多點對多點）通信方式（續(xù)）單工通信：是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑虼酥徽加靡粋€信道。廣播、遙測、遙控、無線尋呼通信方式（續(xù)）半雙工通信：是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。使用同一載頻的對講機，收發(fā)報機以及問詢、檢索、科學(xué)計算等數(shù)據(jù)通信。通信方式（續(xù)）全雙工通信：是指通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式。普通電話、手機都是最常見的全雙工通信方式，計算機之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。通信方式（續(xù)）在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是節(jié)省傳輸時間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計算機和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個接一個地在一條信道上傳輸。通常，一般的遠距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。通信方式（續(xù)）并行和串行通信方式示意圖1.3 信息極其度量通信的目的是傳遞信息。信息可以被理解為消息中包含的有意義的內(nèi)容。當?shù)玫较⒑螅羰孪炔聹y消息中所描述的事件發(fā)生的可能性越小，則此消息的信息量越大。信息量可以用消息所描述的事件發(fā)生的概率來描述。信息量的定義等概率離散消息的信息量不等概離散消息的信息量連續(xù)消息的平均信息量一、信息量的定義信息：包含在消息中，認為是消息中有意義的內(nèi)容，更具普遍性和抽象性。信息量特性：消息中所含信息量與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)，消息出現(xiàn)的概率愈大，則所含信息量就愈少。獨立事件構(gòu)成的消息所含信息量為各事件所含信息量的和。一、信息量的定義（續(xù)）設(shè)消息所代表的事件出現(xiàn)的概率為P(x)，則該消息所含的信息量I為：I=-logaP(x)a=2單位：比特（bit）a=e單位：奈特（nit）a=10單位：哈特萊二、等概率離散消息的信息量信源有M種消息，這M種消息獨立等概率出現(xiàn)，傳送M個消息中的一個，等價于傳送一個M進制的碼元（波形）。一個M進制碼元（波形）的信息量：

I=-log2(1/M)=log2M(bit)一個二元碼的信息量I=log22=1(bit)三、不等概離散消息的信息量設(shè)信源由n個符號組成，各個符號xi出現(xiàn)的概率為P(xi)，則每一符號的平均信息量（信源的熵）為：(bit/符號)當各符號等概率時，信源熵值最大： Hmax=log2n(bit/符號)設(shè)消息包含m個符號，該消息的信息量為： I=mH(bit)例例1：二元離散信源由“0”和“1”兩個符號組成，其中p(0)=1/3，p(1)=2/3，則出現(xiàn)符號“1”的信息量

解：I=-log22/3=0.585bit例2：某離散信源由0、1、2、3四個符號組成，概率分別為3/8、1/4、1/4、1/8，求消息2013021103200120033020320102223的信息量。 解：I=-Σnilog2p(xi) =-（11×log23/8+5×log21/4+9×log21/4+6 ×log21/8） =-(15.62+28.09+18.06)=61.77bit例例3：某離散信源由0、1、2、3四個符號組成，出現(xiàn)概率相同，求消息2013021103200120033020320102223的信息量。方法1：按H(x)=-Σp(xi)·log2p(xi) I=符號個數(shù)×H(x)方法2：I=-Σni·log2p(xi)四、連續(xù)消息的平均信息量f(x)——連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度1.4主要性能指標性能指標有：有效性（速度）、可靠性（質(zhì)量）、適應(yīng)性、經(jīng)濟性、可維護性等模擬通信系統(tǒng)性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標一、模擬通信系統(tǒng)性能指標速度指標：單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘俊?/p>

通常用頻帶利用率來衡量質(zhì)量指標：接收信號與發(fā)送信號的均方誤差。

對于加性噪聲系統(tǒng)，通常用輸出信噪比表示。

二、數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標速度指標碼元速率RB：每秒傳送碼元的數(shù)目。單位：波特（Baud）BRB=1/T