通信原理《通信原理》課程教學大綱

《通信原理》是信息工程專業本科生一門重要的專業基礎課程。本課程系統深入地闡述現代通信系統的基本原理，其中包括模擬通信和數字通信，并以數字通信為主。本課程通過課堂教學、習題練習、實驗等教學環節，旨在使學生系統地掌握通信系統基本原理及其性能的基本分析方法，了解現代通信技術與理論的發展狀況。一、課程介紹二、課程的基本要求

1、掌握通信系統的組成、分類、性能度量

及所要解決的基本問題2、系統掌握通信系統的基本原理及其性能

的基本分析方法3、了解現代通信技術與理論的發展狀況及

趨勢

第一章緒論

復述常用通信術語區別模擬信號和數字信號說出系統的組成和分類，通信方式敘述數字通

信系統的主要特點分析離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）識別碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率

學習目標：現代通信與信息社會▲

通信的任務▲

交流方式/技術特點的劃分歷史▲

現代通信系統是信息時代的生命線▲

電信的社會作用（有線無線及其有機結合）▲

第一類電信事業與第二類電信事業▲

現代通信與經濟的發展密切相關ξ1.1通信系統的組成通信就是把消息從一地傳送到另一地（要求準確、迅速）

“電通信”是利用電（電流或電波，包括光的特征值）來傳遞信息通信系統：完成傳遞信息任務所需要的一切技術設備和傳輸媒介所構成的總體。圖1-1通信系統的一般模型

通信系統的一般模型n

信源：原始信號的來源，其作用是將消息轉換成相應的電信號。（如電話機、話筒、攝像機、計算機及備種數字終端設備）n

發送設備：

對原始電信號進行各種處理和變換，使它變換成適合于信道中傳輸的形式。（調制、放大、濾波及數字發送設備中的編碼功能等）

n

信道（傳輸媒介）：

發送設備和接收設備之間用于傳輸信號的傳輸媒介（有線和無線兩大類）n

接收設備：對接收的信號進行處理和變換，以便恢復出相應于發送端的原始電信號（放大、濾波、解調及數字接收設備中的譯碼等功能）n

信宿：原始信號的最終接收者，其作用是把接收設備恢復出來的原始電信號轉換成相應的消息（人、各種終端設備、計算機）n

噪聲源：是信道中的噪聲和通信系統中其它部分所產生的噪聲的集中表示。

ξ1.1.2模擬/數字通信系統的模型模擬信號：凡信號參量的取值是連續的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應的信號。圖1–2模擬信號波形

數字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直

接與消息相對應的信號。圖1-3數字信號波形圖1-4模擬通信系統模型模擬通信系統模型一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信號又稱頻帶信號。

已調信號的三個基本特征：

數字通信系統模型

圖1–5數字通信系統模型

數字通信系統的優缺點①抗干擾能力強②便于利用計算機進行各種數字信號處理③易于進行加密，實現保密通信④易于實現集成化

數字通信的優點：

比模擬通訊占據數倍甚至數十倍寬的系統頻帶。（以電話為例，一路模擬電話通常占據4KHZ的寬帶，但一路數字電路所能要占據20KHZ～60KHZ的帶寬）因此在頻帶十分緊張而對通訊質量沒有特殊要求的場合，仍將沿用模擬通信。其優點是以占據更多系統頻帶為代價的。數字通信的缺點：

現代通信的特征：計算機與通信系統的緊密結合是現代通信的主要特征。▲表現形式：（1）移動通信乃至衛星通信（GSM，CDMA，VSAT，GSP等）（2）INTERNET接入技術：FTTP-LAN;ADSL;Home-PNA

（3）衛星技術;光纖技術;數字蜂窩技術;寬帶接入技術等最新技術融入通信構成了現代通信的主要表現。▲傳輸系統和交換系統組成一個通信系統，

乃至通信網絡。ξ1.2.2

通訊方式：

1：按消息傳遞的方向與時間關系分：單工；半雙工；全雙工（圖1---6/P8）2：按數字信號排列順序分：并行傳輸和串行傳輸。（圖1—7/P9）

圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工

圖1-7并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸ξ1.3信息及其度量

消息——人或事物情況的報道信號——消息的載體（攜帶者）信息——指對于接收者來說事先不知道的消息I與F[P（x）]的關系1：I=f[P（x）]2：P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞3：事件獨立，信息具有相加性

（1）

信息量是概率的函數，即

I=f［P(x)］（2）

P(x)越小，I越大；反之，I越小，且

P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞

（3）若干個互相獨立事件構成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…簡單說明

綜上所述，信息量I與消息出現的概率P(x)之間的關系應為

I=loga=-logaP(x)(1.3-1)

信息量的單位與對數底數a有關。a=2時，信息量的單位為比特(bit)；a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時，信息量的單位為十進制單位，叫哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。下面舉例說明信息量的對數度量是一種合理的度量方法。例1–1設二進制離散信源，以相等的概率發送數字0或1，則信源每個輸出的信息含量為

I(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)(1.3-2)

可見，傳送等概率的二進制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。同理，傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示；傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時至少需要3個二進制脈沖。

對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發送，且每一個波形的出現是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為

I=log2=log2=log2M(bit)(1.3-3)

式中，P為每一個波形出現的概率，M為傳送的波形數。若M是2的整冪次，比如M=2K（K=1，2，3，…），則式(1.3-3)可改寫為

I=log22K=K(bit)(1.3-4)

如果是非等概情況，設離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,n)出現的概率為P(xi)，且有P(xi)=1,則x1,x2,…,xn所包含的信息量分別為-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每個符號所含信息量的統計平均值，即平均信息量為

H(x)=P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］

=

由于H同熱力學中的熵形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號。

當信源中每個符號等概獨立出現時，此時信源的熵有最大值。例1-2一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8，且每個符號的出現都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解此消息中，0出現23次，1出現14次，2出現13次，3出現7次，共有57個符號，故該消息的信息量為

每個符號的算術平均信息量為若用熵的概念來計算，由式（1.3-5）得ξ1.4通信系統的性能度量通信系統最主要的性能指標是：傳輸的有效性

和傳輸的可靠性。傳輸的有效性：在給定的信道帶寬條件下，能夠傳輸更多的消息。傳輸的可靠性：在給定的信道內接收到消息的準確程度。頻帶利用率：單位帶寬內的碼元（信息）傳輸速率

模擬通信系統：

有效性的衡量：用每路信號的有效傳輸帶寬來衡量（帶寬越窄，傳輸有效性越好；有效傳輸帶寬與調制方式有關）可靠性的衡量：用整個通信系統的輸出信噪比來衡量。（它是輸出端有用信號功率與噪聲功率之比）。

數字通信系統：

有效性的衡量：

RB（傳碼率）碼元傳輸速率------單位時間內所傳送的碼元數目。

Rb（傳信率）信息傳輸速率------單位時間內所傳送的信息量。單位為比特率（bit/s）根據信息論：一個N進制碼元所含信息量為I=log2N(bit)故：Rb=RBlog2N(bit/s)可靠性的衡量：用差錯率來衡量。誤碼率Pe=錯誤碼元數/傳輸總碼元數。誤信率（誤比特率）Pb=錯誤比特率/傳輸總比特數，在二進制碼中有Ps=Pb。

ξ1.5

通信技術發展概況

一：電信發展簡史 通信技術50年代以來發展尤為迅速。如50年代出現了同軸電纜和微波系統，使通信的容量大幅度增加，成本大幅度下降，促進了長途通信的發展。60年代使用了海底電纜和衛星通信，使國際通信得到迅速發展。70年代以來，大規模集成電路、光纖通信系統得到應用，數字通信進入全盛時期，包括語言、文本、數據、圖像等信息，傳輸的綜合業務數字網崛起，標志世界開始進入“信息時代”。

電信發展的原因：

1.

傳輸信道的發展：多芯電纜---同軸電纜---光纖2.

通信用元器件的發展：真空管---晶體管---集成電路---大規模集成電路3.

傳輸方法的發展：電報、電話、多載波調制（AM），PCM時分多址等

二.主要傳輸手段的發展現狀和趨勢

1.

電纜通信架空明線工作頻率：3HZ~300KHZ同軸電纜工作頻率：300KHZ~60MHZ與架空明線相比同軸電纜抗干擾能力強，容量大，（能傳送數于乃致萬路載波），是長途干線的主要通信手段。2.

微波中繼通信

60年代開始發展，工作頻率：50MHZ~15GHZ，容量大，帶寬達幾十至上百千兆赫，有幾十個分頻段，每個頻段又有6~10個頻道，每個頻道占有約30兆赫帶寬，每頻道可傳輸數千路話路；傳播比短波穩定；但需要每隔約50公里設立微波中繼站。目前主要用于國內長途通信和廣播電視節目傳送。其發展方向是數字微波及采用多電平調制技術。3.

光纖通信

70年代開始發展，工作頻率：105GHZ~107GHZ。容量大，成本低，不受電磁干擾。由于長波長光纖（波長為.0~1.6μm），使每路光纖通話路數可達百萬路，且由于其低損耗性，中繼距離將超過100公里。發展方向是長波長光纖通信，大容量數字傳輸技術和相干光通信4.

衛星通信短波通信容量小，不穩定，微波中繼通信不能越洋，海底電纜費用太高。如在遠離地球三萬六千公里的赤道上空的同步衛星上設置一個“微波中繼站”，則通信距離可長達18000公里，范圍覆蓋的三分之一以上。在地球赤道上空均勻地分布三顆衛星，基本上可實現全球范圍的通信。其發展方向也是數字調制、時分多路及向更高頻段發展。地面系統的發展趨勢是小型化。5.

移動通信公用移動通信（移動電話、無線尋呼）近幾年發展迅速，專用移動通信（導航、衛星定位等）。移動通信發展方向是數字化、微型化和標準化。

三：當前熱門的前沿技術

軟件無線電原理；藍牙技術；寬帶接入技術；衛星定位及測量系統。實驗與實踐：

1：PC模擬西門子中型計算機終端BAM通訊卡；

2：寶鋼能源中心I期與III期數據交換卡；

3：多路防盜報警器的產品開發；現在研究問題：電力線載波技術應用的研究與寬帶技術等。

ξ1.6通信系統中的基本問題。

1.

調制和解調的原理2.

已調信號的特征3.

信道與噪聲特性及其信號傳輸的影響4.

在有噪聲的條件下，系統的抗噪聲性能模擬通信研究的基本問題：1.

數字調制和數字解調原理2.

數字寬帶信號及數字頻帶信號的特征；3.

信道與噪聲的特性及其對數字信號傳輸的影響。4.

*抗噪聲編碼和譯碼。5.

*同步問題。數字通信研究的基本問題。

簡要回顧：

消息，信息，信號，通信模擬（信號）通信與數字（信號）通信系統的組

成和分類。通信方式。數字通

信系統的主要特點離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率通信的基本問題？練習1-4一個由字母A、B、C、D組成的字，對于傳輸的每一個字母用二進制脈沖編碼，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每個脈沖寬度為5ms。（1）不同的字母是等可能出現時，試計算傳輸的平均信息速率；（2）若每個字母出現的可能性分別為，，，試計算傳輸的平均信息速率。，，，

1-5設一數字傳輸系統傳送二進制碼元的速率為2400B，試求該系統的信息速率；若該系統改為傳送十六進制信號碼元，碼元速率不變，則這時的系統信息速率為多少？設各碼元獨立等概率出現。）

練習1-6某星系源的符號集由A、B、C、D和E組成，設每一符號獨立出現，其出現概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16；信息源以1000B速率傳送信息。（1）求傳送1小時的信息量；（2）求傳送1小時可能達到的最大信息量。練習1-7設有四個消息符號，其前三個符號出現的概率分別是1/4，1/8，1/8。個消息符號出現是相對獨立的。求該符號集的平均信息量。練習樹立質量法制觀念、提高全員質量意識