通信原理简明教程

塞缪尔·莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse ，17911872），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留 学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。 1826年至1842年任美国画家协会主席。
在一次远洋旅途中，莫尔斯结识了杰克逊。杰克逊是 波士顿城的一位医生，也是一位电学博士。闲聊中，杰克 逊把话题转到电磁感应现象上。
1.4.2 平均信息量
1、对以串符号构成的消息，设各符号的出现是相互独立的 ，则：
N
? I ? ? ni log Px( i ) i? 1
2、平均信息量（信息的熵）
N
? H ()x ? ? P(xi ) log P(xi ) i? 1
注意：单位是bit/sym
则总信息量为：I ? H (x) ?n
Rs 单位时
单位：bit/s
两者关系：
Rb ? Rs log2 M (bit/s)
Rs
?
Rb log2 M
(Baud)
注：波特率与码元进制数无关，只与码元的持续时间（码元宽
度）有关。
（2）频带利用率： 码元频带利用率：
?s
?
Rs B
3、当信源中每种符号出现的概率相等，且各符号的出现为统计独立时，
H(x)最大
? H ()x
max
?
?
N i?1
1 N
log
1 N
?
log N
注：工程上常用比特表示二进制码的位数
1.5 通信系统的质量指标
1、包含：有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用等。 其中有效性和可靠性最为重要。 2、有效性：传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间）
麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运 动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立 者普朗克（Max Plank l858 —1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌 刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性 来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。
(baud
/ Hz)
信息频带利用率：
?b
?
Rb B
(bit / (sH? z))
2、可靠性：用差错率来衡量
误比特率Pb
?
错误比特数 传输总比特数
误码元率Ps
?
错误码元数 传输的总码元数
作业： 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 预备知识
2.2.3 信号的能量谱与功率谱
? 1、能量信号：E ? ? f 2 ()t dt 该积分值为有限时信号为能量信号 ??
周期信号时功率信号，非周期信号可以是功率信号，也可以是能量信号。
3、巴塞伐尔定理（重要）
? ? ?? ? f 2 (t)dt ? 1
?
F ()
2d
? ? ?
2 ??
能量信号 E(? )
? ? F 1 ? f 2 (td) t ? ?
T ??
n???
2
n
周期信号 P(? )
2.2.4 波形的互相关和自相关 （相关是信号检测和提取的方法） 通常用相关函数衡量波形之间关联或相似程度。相关函数是描述
1.4信息及其度量
1.4.1 信息量 1、信息的概念：收信者在收到消息之前对消息的不确定性。 注：消息出现的可能性越小，则此消息携带的信息越多。 2、信息量：衡量信息多少的物理量 ⑴ 信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关 ⑵信息量应该是消息出现概率的单调递减函数 ⑶当有若干个互相独立的消息，则信息量还应满足相加性的条件 3、信息量的定义： （离散消息的信息量） 当对数以2为底时，Ix(信i )息? 量log的P单(1xi位) ?为? l比og特(P （xi)bit）;以e为底时，为奈特 （nit）
两个波形信号（或一个波形信号）在间隔时间? 的两点上的信号取 值互相依赖程度的函数，相关函数值越大，表明依赖程度越大，相 关性越强。
1、互相关函数R12 (t )
对两能量信号 f1(t)、f2 (t) 则
? ? ?? ?
R12 (t ) ? ?? f1( )(f2 t ? )d
对两功率信号，则
? ? R12
? 传输方式：基带传输，频带传输 ? 复用方式：频分，时分，码分和空分 ? 调制方式
连续波 脉冲调制
模拟
线性 AM，SSB，VSB 非线性 FM ，PM
数字 模拟
ASK ，FSK ，PSK ， QAM
PAM ，PPM
数字 PCM ，ADPCM ，CVSD，△M
音频或 视频信号
音频或 视频放大
调制
高频 功放
1948 1950 1956 1957 1958 1960 1961 1962 1960 1970 1980
晶体管 香农IT 通信统计理论建立 时分多路通信 应用于电话 越洋电话铺设 第一颗人造卫星发射 第一颗通信卫星发射 发明激光 发明集成电路 第一颗同步通信卫星 PCM 进入实用 彩电 数字传输理论 高速计算机 LSI 商用卫星 程控交换 光纤通讯 SLSI 长波光纤通信 ISDN 3G
赫兹关于电磁波的实验，为 无线电技术的发展开拓了新的道 路，构成了现代文明的骨架，后 人为了纪念他，把频率的单位定 为赫兹。
信息论的创始人香农Shannon，1916年生于美国，大 学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习，修过 布尔代数课，并曾在发明微分分析仪的数学家布什的 指导下使用微分分析仪，这使他对继电器电路的分析 产生兴趣。他认为这些电路的设计可用符号逻辑来实 现，并意识到分析继电器的有效数学工具正是布尔代 数。1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关 电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分 析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电 路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算 的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论 的开端。
可靠性：是接收信息的准确程度 注：两者之间相互矛盾，相互依赖
1.5.1 模拟通信系统的质量指标 1、有效性：用有效传输带宽来度量
频带宽度越窄，有效性越好
2、可靠性：用接收端最终的输出信噪比来度量 信噪比越大，通信质量越高
注：信噪比是由信号功率和传输中引入的噪声功率决定的。
1.5.2 数字通信系统的质量指标 1、有效性：用传输速率和频带利用率来衡量 （1）传输速率
赫兹是一个短命的物理学家。 他于1894年逝世时，年仅37岁。
1886年29岁发现电磁波，其后 不到6年，意大利的马可尼、俄国
的波波夫分别实现厂无线电传播， 并很快投人实际使用。其他利用 电磁波的技术：无线电报（ 1894 年）、无线电广播（1906年）、 无线电导航（1911年）、无线电 话（1916年）、短波通讯（1921 年）、无线电传真（1923年）、 电视（1929年）、微波通讯 （1933年）、雷达（1935年）， 以及遥控、遥感、卫星通讯、射 电天文学……它们使整个世界面 貌发生了深刻的变化。
R(t) ? F(?) F(?? ) ? F(?) 2
? R(t) ? E(? )
? （功率信号） R(t) ? P( )
（维纳辛钦关系）
综上所诉，一个信号的自相关函数与其谱密度之间有确定的傅里 叶变换关系。只要变换是存在的，则傅里叶变换的所有运算性质 都适用于自相关函数与谱密度之间。
后来，香农到贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代 数运算的继电器或电子元件来制造计算机，香农的理论还为计算机具有逻辑 功能奠定了基础，从而使电子计算机既能用于数值计算，又具有各种非数值 应用功能，使得以后的计算机在几乎任何领域中都得到了广泛的应用。
无失真变长信源编码定理 (香农第一定理) 有噪信道编码定理(香农第二 定理) 保真准则下信源编码定理 (香农第三定理)
高频
高频放大
振荡
倍频
高频 放大
混频
中频 放大
解调
音频或 视频功放
本地 振荡
无线模拟发送、 接收系统方框图
音频或 视频 信号
音频或 视频 放大
信源编码
信道 编码
调制
高频 功放
高频 振荡
高 频 放大 倍频
高频 放大
混频
中频 放大
解调
信道 译码
信源 译码
音频或 视频 功放
本地 振荡
无线数字频带传输发送、 接收系统方框图
6、按媒质的不同，通信方式分为： 有线通信：用导线作为传输媒质：如架空明线、电缆。。。 无线通信：利用 无线电波在空间的传播 7、通信系统的定义：为完成通信任务所需要的一切技术设备和传 输媒质所构成的总体。 8、通信系统的组成
信息源 输入变换器 发送设备 信道 接收设备 输出变换器 受信者
噪声源
1.2 通信系统的分类
信息社会
1 绪论
1.1 通信和通信系统的一般概念
1、通信的目的：传递消息中所包含的信息。 2、消息的表达形式：语言、文字、图像、数据等 3、实现通信的方式：目前最广泛的是电通信 4、电通信的概念：用电信号携带所要传递的消息，然后经过各种电信道 进行传输，达到通信的目的。 5、电通信的优势：能使消息几乎在任意的通信距离上实现迅速而又准确 的传递。
? 2、功率信号：P ? lim 1 T /2 f 2 (t)d t 若信号能量趋于无穷大，且此积分为大
T T ? ?
?T /2
于零的有限值，则为功率信号。
注：对于能量信号，可用其频谱密度函数及信号的能量谱密度函数来描述； 对于功率信号，常用信号的功率谱来描述功率信号。这是时间信号的另一个 重要特征。
从此，莫尔斯走上了科学发明的崎岖道路。为了维持生活，莫尔斯于 1836年不得不重操旧业，担任纽约大学艺术及设计教授。课余时间，他仍 然继续从事电报发明工作。终于在 1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电 报机。
1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报 发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人 类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝 创造了何等的奇迹!”
1862年31岁，麦克斯韦发表了第二篇论文《论 物理力线》，不但进一步发展了法拉第的思想， 扩充到磁场变化产生电场，而且得到了新的结 果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的 存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示 了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研 究电磁理论达到的主要结果。 1864年他的第三 篇论文《电磁场的动力学理论》，从几个基本 实验事实出发，运用场论的观点，以演绎法建 立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和 磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作， 全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研 究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一 部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达 尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》 相媲美的里程碑式的著作。
通信原理简明教程
南利平
目录
? 绪论 ? 预备知识 ? 模拟线性调制 ? 模拟角调制 ? 模拟信号的波形编码 ? 数字信号的基带传输 ? 数字信号的调制传输 ? 现代数字调制技术 ? 差错控制编码
现代通信与信息社会
语言
文字
图像
人力 信鸽、邮政 烽火台
马力
电报 信号弹
电话、广播 Emai 电视 视频会议 l
(t )
?
lim
T? ?
1 T
T/2
?T /2 f1( )(ft2
对两周期为T的信号，则
? ?)?d
? ? ?? 1 T/2
R12(t) ? T ?T /2 f1( ) f2 (t ? )d
2、互相关函数的重要特性： ①若对所有的t,R12 (t) ? 0 ,则两个信号为互不相关 ②当t ? 0 时，互相关函数表达式中f1 (t)与f2 (t) 的前后次序不同，结果 不同，即 R12 (t) ? R21(t) 而有R1t2 ( ) ? R21 (? t )
无线电通信波段
1.3 通信技术发展概况
1838 1864 1876 1896 1906 1918 1925 1936 1937 1938 1940
莫尔斯 有线电报 麦克斯韦尔 电磁辐射方程 贝尔 电话 马克尼 无线电报 真空管 调幅广播 超外差接收机 三路明线载波电话 多路通信 调频广播 脉冲编码调制 电视广播 二战刺激 雷达和微波系统发展
③④当? 12t（=0归时一，R化12 (相0)关表系示数f1）(t)、f2 (t) 在无时差时的相关性。
?12 ? 1
3、自相关函数 R(t) （两信号形式完全相同）
4、自相关函数的重要特性
5、相关函数与能量谱密度或功率谱密度之间的确定关系
(能量信号) R12 (t) ? F2 (?) F1(?) (互能量谱密度)