1、通信原理（1）主要内容,一、绪论 二、预备基础知识 三、随机信号分析 四、模拟调制系统 五、模拟信号数字化 六、数字基带传输系统,参考书目,徐家恺等，通信原理教程，第1版，科学出版社，2003年 樊昌信等，通信原理，第6版，国防工业出版社，2009年 储钟圻，数字通信导论，第1版，机械工业出版社，2003年8月 美Bernard Sklar，徐平平等译，数字通信基础与应用，第1版，电子工业出版社，2002年9月 美John G. Proakis，张力军等译，数字通信，第1版（原第4版），电子工业出版社，2003年 张辉等，通信原理辅导，西安电子科技大学出版社,第一章 绪论,1.1 引言-通信历
2、史回顾 1.2 信息及其度量 1.3 通信信道及噪声,1.1引言-通信发展历史回顾,远古通信方式：烽火台，击鼓，信鸽，旗语，驿站乃至航行用的信号灯等工具。 在较远的距离之间及时地完成消息的传递。,最早留有记载的是公元前1184年，特诺失陷时，希腊军队使用火炬通过8个哨所中转送过爱琴海。 在公元前100年以前，希腊用火炬做成了信号台。,图1为摩洛哥于1965年国际电信联盟成立100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支架通信。公元1794年，法国的查佩发明了“信号机”. 图2 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，利用烽火向
3、远方传递信息。,中国烽火台通信： 近三千年前 ， “千金买笑”-“烽火戏诸侯”（褒姒）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！ 这个历史故事不仅生动的描绘了当时利用烽火台通信的情况，同时也告戒后人，通信的重要性，不论在什么时候也不论是什么人，都不能拿通信当儿戏,新疆呼图壁县境内的烽火台,生动的马拉松故事： 公元前490年，波斯入侵希腊，在希腊雅典东北的马拉松附近登陆。 雅典只有11000人的军队，抵抗数倍敌人，统帅米太雅得的英明指挥，取得了胜利。 快跑能手斐力庇第斯跑回雅典报信。 “欢乐吧，我们胜利了！” ，古代英雄信使，倒地牺牲了。 至今已2000多年，奥林匹克体育运
4、动会，规定了一项马拉松长跑竞赛项目。（战场至雅典的距离42公里195米。）,电信方式：从电报、电话和广播的发明开始 电信是利用电信号驮载待传信息进行传输和交换的通信方式。 通信（communication)作为电信（Telecomunication)是从19世纪30年代开始的。,1.理论发展 1831年 法拉弟（英）提出“电磁感应现象”。预告了发电机的诞生（学徒出身，化学家戴维认为：我最伟 大的发现是一个人） 1873年 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 础 1930年 调制理论，复用理论问世，在理论上为模拟通信准备了条件,1948年 信息论问世（香农提出，香农又称
5、shannon,仙农，山农），在理论 上为数字通信准备了条件 用数理统计的方法来研究通信系统，影响深远的信息论 “通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息”通信的数学理论 解决如何精确地传送通信符号的基本技术问题。,1962年 数字传输理论问世（在理论上为数字通信准备了条件） 1969年 “分组交换”理论问世（ARPAnet),2.技术发展 1837年 莫尔斯发明有线电报，标志着人类从此进入了电通信时代 （1844，发送第一份电报） 1899年，人们首次用莫尔斯电码报道了英吉利海峡的一次海难。 1906年以来一直为国际遇难信号广泛应用于海上救援 SOS：的的的、嗒嗒嗒、
6、的的的(“思想的瞬时大道”) 1912年4月15日，“泰坦尼克”号:“SOS。速来。我们撞上了冰山” 。 “加利福尼亚”号客轮上的报务员不值班，没有收到这条消息。于是，悲剧降临了。 1999年8月 ,莫尔斯电码停止使用。,1876年 贝尔发明电话 贝尔（18471922）英国人 1868年 在伦敦工作 1871年 去波士顿工作 1873年 任波士顿大学教授 1876年 发明电话（“沃森先生，快来帮我啊！ ）,贝尔与电话,1877年 在波士顿架设的第一条电话线路， 1879年 爱迪生利用电磁效应，制成炭精送话器，使送话效果显著提高。爱迪生炭精话筒的原理及其器件一直沿用至今。,1895年 马可尼(
7、意大利)，波波夫（俄国） 发明无线电报 马可尼（18741937），意大利人 1894年 在父亲的庄园试验 1895年 无线电通信试验获得成功，通信距离为30米。 1896年 马可尼实现了2英里远的无线电通信。（俄国青年教师波波夫也实现了无线电通信。） 1897年 在英国建立了无线电报及信号公司（后来的马可尼无线电公司）。 1902年 英国与加拿大之间正式开通了越洋无线电报通信电路 1909年 诺贝尔奖金,1904年 英国物理学家弗莱明发明电子管。(标志着世界从此进入了电子时代。) 开辟了模拟通信的新纪元。 弗莱明 1870年 弗莱明毕业于伦敦大学并留校任教 1877年 转入剑桥大学，成为著名
8、物理学家麦克斯韦的助手。 1885年 弗莱明成为剑桥大学第一位电气工程教授。 1904年 发明真空二极管获得专利（应用在无线电报的接收机） 1929年 获得爵士爵位。,1925年 载波电话系统问世，实现了在同一物理介质上传送多路电话信号（开辟了模拟通信的新纪元） 19401945年 微波通信系统的发展（二次大 战刺激了雷达和微波通信系统的发展） 1948年 美国贝尔电话研究所研制成功晶 体管 （肖克利，巴布，布拉顿，1956诺贝尔奖） (导致小型化) 1950年 时分多路复用电话系统问世,1957年 原苏联发射第一颗人造卫星 1959年 集成电路问世，使得数字通信得到进一步发展，对电子产品的发
9、展、更新起非常重要的作用 1964年 美国发射第一颗同步通信卫星，开辟了空间通信的新纪元 1969年 因特网（Internet）的前身ARPAnet出现，被后人称为网络之父,70年代 大规模集成电路(LSI) ，程控数字交换机，光纤通信系统，微处理机等迅速发展,光纤通信物理发现 通信技术发展 20世纪60年代发明激光（LASER） 企图用于通信，未成功 （美国，梅曼,红宝石激光器，不能持续发光） 20世纪70年代（常温下连续工作 1970年，一颗米粒大小 的半导体激光器） 可用电流控制激光的强度发明光导纤维 光纤通信得到发展,1977年 第一个商用光纤通信系统 在美国芝加哥的两个电话局（相距7
10、公里）之间开通(多模光纤，波长0.85m，速率为44.736Mbit/s)。 （开辟了光纤通信的新纪元）,80年代 超大规模VLSI集成电路迅速发展 综合业务数字网（ISDN）一线通崛起，蜂窝移动通信系统进入实用阶段(电子产品的更新，开辟了数字通信的新纪元）90年代 windows95出现，间接推动了互联网的大发展 21世纪 多媒体通信,21世纪 通信与信息 融入生活 改变生活 不可缺少,通信发展历史的启示,通信传输始终是最活跃的技术领域，物理上的新进展都可能在通信上找到新用途，从而形成新的通信产业。 通信传输的新要求又将推动物理和器件的进展，促使人们去研究发展新的物理机理来满足信息传输的需要
11、。 要想成为一个优秀的通信工作者和研究人员，必须对物理学和器件技术的新进展十分感兴趣，并善于抓住新方向、新突破口迎接通信技术的革命。,通信：信息的传递与交换。就是把消息从一地传送到另一地。 消息：是信息的载体。(语言、文字、图象） 信息：消息中包含的有意义的内容。 不同的消息可以包含相同的信息，如，分别用语言和文字发送的天气预报，所含信息内容相同。 通信传输的具体对象是消息，但通信的最终目的是传递信息。,1.2通信系统的组成,通信系统：传递信息所需要的一切技术设备和传输媒介。 通信系统是用电、光等信号形式来传递信息的系统。,通信业务分类： 根据所传递的消息不同，可分为：电报、电话、传真、数据传
12、输及可视电话等。 从广义角度看，广播、电视、雷达、导航、遥测遥控等也可列入通信的范围。,点对点通信,通信系统实例,1、信源、信宿 信源：发送信息的一端称为信源 声音、数据、文字、图像等 信宿：是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。 信源、信宿可以是人或设备,2、发送与接收设备（1）发送设备（变换器）：是指把信源发出的信息变成适合于信道传输的信号所需要的设备。（声电变换：送话器） 功能有两个：,加工处理：放大、滤波、调制、编码等,（2）接收设备（反变换器）: 将从信道上接收的信号再恢复成受信者可以接收的信息所需的设备。功能也有两个： 一.对接收信号进行与发送设备相反的变换处
13、理,以便恢复出消息供受信者接收。 如解调、译码等 二.接收的信号已叠加有噪声干扰，接收设备应尽可能地抑制干扰，使所恢复的信号尽可能准确。,3、信号：传输的消息是以光、电或磁的形式表现出来的称为信号。（1）信号的特征参数: 频率:周期的倒数，单位为赫兹。 幅值:信号各个时刻的瞬时值。 相位:描述周期信号在时间轴上的相对位置，单位为弧度,图1-2 信号的特征量,（2）信号的表示方法 三种信号表示法： 数学表达式表示法 时域图形表示法 频率域频谱图形表示法。,数学表达式法：u(t)=sin(2ft) 周期信号 非周期信号,时域图形法：,频谱表示法：组成信号的各次谐波的振幅或相位随频率分布的状况。,图
14、中三个正弦波，频率分别为:f、3f、5f；振幅分别为:4v、2v、1v。 图中d波形是由a、b、c三个不同振幅、不同频率正弦波的叠加所得。 或认为d波形可分解为a、b、c三个不同振幅、不同频率正弦波的叠加。 该结论可以用频谱图形象地表示出来，如图e所示 频谱图中，三条谱线长度分别代表三个正弦波的振幅，谱线在频率轴上的位置分别为三个正弦波的频率。,结论:任何波形的信号都可以分解为若干个不同振幅、不同频率正弦波（谐波）的叠加。频谱：是一个信号所含有的频率成份 信号带宽:信号所含最高频率fH与最低频率fL之差，即信号所含频率的宽度。例如，人类话音信号就可以分解f=88000Hz的很多个正弦波的叠加
15、带宽Bfh-fl=8000-8Hz,（3）信号的分类:信号幅度取值方式的不同，分为两类：模拟信号和数字信号。 模拟信号:用连续变化的数值来表示信息。 数字信号:是用离散（不连续）的数字来表示信息。,模拟信号（连续信号） 幅度取值连续的信号。（函数值随时间连续变化）电话通信,模拟信号特点： 信号的波形在幅度上连续 它连续地“模拟”着信息的变化。 如发话者的话音改变时，信号的波形也改变。 模拟信号将待传递的信息包含在信号的波形之中。 普通的电话、传真、电视的信号都是模拟信号。,数字信号 幅度取值离散的信号,“1”码:有一定持续时间(Ts)的“有电流脉冲” “0”码:有一定持续时间(Ts)的“无电流
16、脉冲” 每个码又称为数字脉冲或码元。,图1-4 数字信号,数字信号的特点: 波形从时间和幅度上都是离散的（取值是有限个）、不连续的。 从时间上看，脉冲的个数是有限个。即一段时间内（T时间内）只能传送有限个脉冲； 从幅度上看，取值亦为有限个。如图(a)是二个（0、1），图 (b)是四个（3、1、1、3）。所以又称数字信号为离散信号。 数字信号将待传递的信息包含在码元的不同组合之中。 如早期的莫尔斯电报用101110表示A。 现代电子计算机输入、输出的信号以及所处理的信号都是速率非常高的数字信号。,例:早期的莫尔斯电报，其电报信号是用“点”和“划”组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。 “
17、点” . :1、0，“划”_:1、1、1、0。“1”:有电流、 “0”:无电流， A( . _): 101110 B(_ . . .):1110101010,A/D转换：模拟信号通过数字化的方法转化成数字信号. “模数转换”（A/D）器 D/A转换: 数字信号可通过模拟化的方法转化成模拟信号。 “数模转换”（D/A）器。,数字通信系统的特点:,1.抗干扰能力强，无噪声积累,模拟通信:噪声也被同时放大,噪声累积 数字通信:信号可多次再生，噪声不会累积;可通过纠、检错消除噪声干扰,所谓中继再生： 首先判决：如当信号超过某一规定门限电平，如接收信号A的一半时，就判为“1”，达不到某一规定门限电平时则
18、判为“0”。 然后再生：经过判决以后，就可按所作的判断重新形成新的数字信号，即所谓再生，于是消除了干扰噪声。 这个过程，每经过一个再生中继器就重复一次。,2.电路易于集成化，使通信设备体积小、功耗低。 “超大规模集成电路VLSI（Very Large Scale Integration）” 3.便于采用各种数字信号处理技术，易于与计算机接口。通信实现数字化之后，其信号与计算机的信号一致，都为二进制脉冲信号 4.便于实现多种业务综合通信，使通信系统的功能增强 将电话、图像和数据业务结合起来，实现综合业务通信，方法是将模拟信号变成数字信号，在数字通信系统中传输。,5.数字信号易于加密处理，保密性能
19、强。模拟通信，尤其微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。 6.数字信号占用信道频带较宽例,一路模拟电话传输时要占用4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz（经压缩后可占据32kHz或16kHz左右）。毫米波和光纤通信的出现及发展，使数字通信带宽问题已基本上得到解决，数字通信得到了迅速的发展。,4、干扰（或噪声源） 噪声源：为了分析问题方便，一般将系统内所存在的干扰均折合到信道中，用噪声源来表示。,通信系统中的噪声可分成三类： 第一类：通信系统的外部噪声。 人为：各种电器开关通断时产生的短促脉冲，荧光灯闪烁产生的脉冲串等 非人为：雷电干扰、宇宙辐射等。 其频率分布可以覆盖整个无线电波段，但其能量
20、主要集中在20MHz以下频段。,第二类：通信系统的内部噪声。 起伏噪声或白噪声 由电子热运动引起。它是通信系统中的主要噪声，是不可避免的噪声。 主要包括通信设备中使用的电子元器件（例如，电阻和半导体元器件）、转换器以及天线或传输线等。,第三类：信道的特性不理想所引起的噪声。 有线信道中：多对传输线间产生的不必要的耦合。 无线信道中：例如，电离层和对流层的随机变化引起信号的随机变化，而构成对信号的干扰。,5、信道(channel)：是传输信号的通路； 信道可以由不同的传输媒介组成。,（1）信道的带宽：指信道不失真传输信号的频率范围，即信道容许通过的最高与最低信号频率之差。 若要求信道无失真地传输
21、信号，则要求信道带宽B信号的带宽B。,(2)电信线路的发展 电信线路的发展，大体上经历了： 架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆等主要阶段。,电信线路发展大事记,电信线路发展大事记 1844年，在美国华盛顿与巴尔的摩之间建造的电报线路是最早的商用架空明线，全长40英里，采用单根铜线传送电报。 1850年在法国和英国之间的英吉利海峡敷设最早传送电报的海底电缆，也是单根铜线的电缆。,电信线路发展大事记,1876年电话问世。最初的电话是利用电报线通话的。 单根导线通话噪音很大，后来为了减少噪音干扰，电话明线和电缆都改用了双线环路。在电缆中则采取双线相互扭绞的办法。 将多对由两根相同线质、相同线径、相互
22、绝缘的芯线相互相绞而成组合在一起，便成了电缆，叫做对称电缆。 对称电缆通常能传送频率为4MHz以下的电信号。,电信线路发展大事记,在30年代后期，出现了同轴电缆。传送更高频率的电信号， 1941年，美国建成了第一条同轴电缆线路，可以同时开通480路电话，后来逐渐发展扩大、最后发展到一条同轴电缆上可同时开通10080和13200路电话。,电信线路发展大事记,1970年，由于用于通信的激光器和光导纤维（光纤）相继研制成功 1976年，美国在亚特兰大用含有144根光纤的光缆建成了第一条光纤通信实验系统。 1988年，第一条横跨大西洋的海底通信光缆敷设成功。成为欧美两大洲之间的骨干通信线路。,1.3
23、通信系统的分类及通信方式,1.按消息的物理特征分类 电话通信系统、电报通信系统、数据通信系统、图像通信系统、广播电视通信系统和多媒体通信系统。 2.按传输信号的特征分类 模拟通信系统 数字通信系统,3。按传输媒介分类 有线通信和无线通信。实用的通信系统有下述五类：短波通信系统、微波通信系统、卫星通信系统、光纤通信系统、移动通信系统。 4。按调制方式分类 基带传输系统、频带传输系统 5。按信号复用方式分类 频分复用、时分复用、码分复用等,通信方式,对于点于点之间进行的通信，按消息传送的方向与时间的关系，有三种基本的通信方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。 （1）单工通信（单向通信） 单工通信
24、指消息只能单方向传输，而不能进行与此相反方向传送的工作方式。 如遥控、无线电广播、电视、将计算机的信息向打印机输出的场合都属于这种方式。,（2）半双工通信（双向交替通信） 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。 使用同一载波频率的无线电对讲机。 （3）全双工通信（或双工通信，双向同时通信） 全双工通信是指通信双方可以同时进行发送和接收消息的工作方式。 电话通信（手机、固定电话）、计算机之间的信息交换以及利用光波的光纤通信就属于这种通信方式。,数字通信中,按照数字信号码元排列方法的不同 ，可分为串行通信和并行通信： 串行传输：将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。
25、,并行传输：将数字信号码元分割成两路或两路以上的数字信号码元序列同时在信道中传输。 通常的数字通信大都采用串行传输方式。,并行传输-打印机数据线 计算机内部的总线数据传送通常都是以并行方式进行传输的。 串行传输-RS232、USB因为串行数据传输的硬件经济和实用，在实际应用中往往选择串行数据传输.,1.5 通信系统的主要性能指标,性能指标 也称质量指标，是对整个系统综合提出和规定的,用以衡量系统的质量优劣。 通信系统的性能：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等等。 有效性：指给定信道内传送信息的能力。 可靠性：指系统接收端恢复信息的准确度。模拟通信系统中通信的有效性高而可靠性低；
26、数字通信系统通信的有效性 低而可靠性高。,1.模拟通信系统的有效性和可靠性 （1）有效性：通常可用有效传输带宽来衡量。 工程上常用给定信道内可同时传输的电话路数来衡量传输信息的多少。 例如，在频分制多路载波通信系统内使用同轴电缆作为传输线路时，若同轴电缆容许传输带宽可以容纳10800路话音信号。,1.5 通信系统的主要性能指标,（2）可靠性：系统输出端的信噪比来衡量。是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)。 S/N=10lg(信号功率/噪声功率) (dB) 信噪比越高，通信质量就越好。 如普通电话要求信噪比为30dB，电视图象则要求信噪比在40dB以上。 在同样信道条件下，不同
27、调制方式得到的输出信噪比不同。 例如调频信号的干扰性能比调幅信号好，但调频信号所需的传输带宽却宽于调幅信号。 可靠性与有效性是矛盾的，并可相互转换。,在模拟通信系统中，传送的信号是一个模拟的电波形，它要求接收设备能够高保真的重现原始波形信号。 所以模拟通信系统中追求的主要质量指标是较高的信噪比。,2.数字通信系统的有效性和可靠性 有效性：用数字信号的传输速率来衡量。 可靠性：用差错率来衡量。 （1）传输速率 数字信号的传输速率有两种不同的表示方法: 信息的传输速率Rb 码元传输速率Rs。,信息的传输速率Rb 又称信息速率和传信率。为信道每秒种所传送的信息量。单位是“比特/秒”（bit/s或b/
28、s或bps）。 信息量的单位是“比特”（bit） 用二进制数字0和1取值时，规定传送一个二进制数字时的信息量就是1bit。,码元传输速率RS 又称传码率，符号速率； 指信道单位时间（每秒）内所传送的码元（脉冲）数目。单位为“波特”（Baud） 数字信号由码元组成，它有二进制和多进制之分。 二进制码元:一个码元表示一位二进制位。 该信号的幅度取值只有2种（0，1） 多进制码元：一个码元表示log2N整数位二进制位。 该信号的幅度取值有N种。,例：信息源要传输10110100的数据信息，可以采用二进制码元传输，也可采用四进制码元传输。每个二进制码元信息量：1bit 每个四进制码元信息量： log2
29、4=2bit 每个N进制码元信息量： log2N（bit） 结论： 在码元速度相同的条件下，多进制传输时，每个码元包含的信息量大，所以采用多进制时，信息传输有效性高。 但进制越高，抗干扰能力越差，即可靠性降低。,RS= 2400B 采用二进制码元传输方式时，信息速率为 Rb= 2400bit/s； 采用八进制码元传输方式，信息速率为 Rb= 2400bit/s log28 =7200bit/s。 ；,例：每秒钟传送2400个码元，码元速率为？当采用二进制码元传输方式时，信息速率为？若采用八进制码元传输方式，信息速率为？,码元速率Rs和信息速率Rb之间的关系为：Rb=Rslog2N （bit/s
30、）Rs=Rb/log2N（Baud） 对二进制信号， Rb=Rs，有时简称它们为数码率。,（2）差错率衡量误码多少的指标。指收信机收到的数字信号出现错误的概率。,图1-8 误码情况示意图,差错率有两种表示方法：误码率和误信率。 误码率PS指通信过程中，系统传错码元的数目与所传输的总码元数目之比，也就是传错码元的概率。 误码率PS=错误码元数/传输总码元数误信率Pb又称误比特率，是指错误接收的比特数在总传送比特数中所占的比例。误比特率Pb =错误比特数/传输总比特数,数字通信系统的误码率越低，则系统的可靠性越高，通信质量越好。,数字信号的传输可靠性要求与模拟信号的要求不同： 模拟信号的传输要求接
31、收端无波形失真较高信噪比。 数字信号的传输要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码(可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信码即可)较低的误码率。,现代数字微波通信要求误码率PS10-6；数字光纤通信要求误码率Ps10-11 10-9。 这种误码率的要求相当高。 例如对于数字光纤通信而言，要求光收信机每接收1091011个码元，只允许一个码元出错。,总结,电通信的标志 通信系统的基本组成 通信系统的质量指标 1模拟通信系统的质量指标 （1）传输带宽 （2）信噪比 2数字通信系统的质量指标 （1）传输速率 （2）误码率,未来的发展趋势 高速 宽带 数字化 智能化、综合性 集音频、视频于一身,通信与网络标准的制定机构,1 、制定标准的意义：扩大兼容性 2 、制定标准的不利因素：限制新技术推广 3 、制定标准的机构：ITU , ISO, NIST,The end,姓名： 学号：为什么要选修该课程？ 以前是否学过相关的课程？ 对本科程中的哪些内容比较了解或熟悉？ 最想了解本课程中的哪些内容？,
