通信原理 第1章_绪论
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信息熵指每个符号平均所含的信息量。 1．等概信源的熵：
如果信源只发出两种符号0和1，并且概率相等 p0=p1=1/2,
则: I0=I1=log22=1(bit)；平均每符号仍为1(bit)；
如果信源发出四种符号A、B、C和D，并且概率相等，
则: IA=IB= IC=ID =log24=2(bit)，平均每符号仍为2(bit)；
9
通信技术发展历史（2）
1963，IEEE成立 1960-1970 彩色电视机问世；数字传输理论与技
术迅速发展；出现高速数字电子计算机 1970-1980，VLSI、程控数字交换机、光纤通信
系统、微处理器迅速发展 1985，传真机普遍实用 1989，Motorala引入便携式蜂窝移动电话 1990至今：Internet、
曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社
2
课程基本内容
绪论 确知信号分析 随机信号分析 模拟通信系统 数字信号的基带传输 数字信号的频带传输 信源和信源编码（模拟信号数字化） 信道编码*
3
第一章 绪论
1.1 引言 1.2 通信系统组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 主要性能指标
21
一、 通信系统的分类
1、按通信业务分： 电报、电话、传真、 数据通信、 可视电话、图像通信等
2、按调制方式分： 基带传输和频带传输 3、按信道中传输的信号分：模拟通信和数字通信 4、按传输媒质分： 有线通信和无线通信 5、按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信
和微波通信 6、按复用方式分： 频分复用、时分复用、码分复用 7、按收信者是否运动分：移动通信和固定通信
解：此消息中，0出现23次，l出现14次，2出现13次，3出现7次， 共有57个符号，故该消息的信息量为
每个符号的平均信息量为 若用熵的概念来计算 则该消息的信息量
b/符号
b
34
1.5 主要性能指标
35
主要性能指标：
有效性 ： 反映系统所能传输信息的多少和快慢的指标，
表明传输的“速度”问题； 可靠性：
（2）传信率Rb------信息传输速率，又称比特率等。
它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数， 单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。
（3）传信率Rb与传码率RB的关系 Rb=RB·H (b/s)
式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 往往用每个符号最大可荷载的信息量来估算：
则当：
P＝P1P2……Pn时， I ＝I1+I2+……+In
第五，对数以2为底时，信息量的单位叫“比特”（bit）
对数以e为底时，信息量的单位叫“奈特”。（nit）
对数以10为底时，信息量的单位叫“哈特莱” （hartley）
通常广泛使用的单位为比特，默认对数以2为底。
29
二 、信息熵（平均信息量）
概率为1的事件，不存在不确定性。其信息量为0。 概率越小，不确定性越大。正如罕见的事件信息量很大。
因此，应当用概率来定义信息。
并且信息的多少是与概率的大小成反比的。
28
第四，若干独立事件的总信息量应等于各事件信息量的总和； 而独立事件联合概率是各事件概率的乘积。
为此定义信息量：
I＝loga（1 / P）＝－loga P
14
f (t)
O f (nT )
(a) P AM信号
O (b)
模拟信号波形 (a) 连续信号 (b) 抽样信号
f (nT )
1 00 1 101 1 10 01
t
O
t
(a)
数字信 息
001110 0 1
PSK波形
t
(b)
图1-2
数字信号波形 (a) 脉冲波形 (b) 数字调制波形
15
2、模拟通信系统（Analog Communication）
图 1-8 按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串行传输方式 ； (b) 并行传输方式
24
3. 按通信网络形式分
终端A 转接站
终端
终端B
A
(a)
终端
B
终端
C
终端 终端 终端 … 终端
A
B
C
N
(b)
图1 -3
交换设备
终端 N
(c)
图 1-9 按网络形式划分的通信方式 (a) 两点间直通方式； (b) 广播方式； (c) 交换方式
设：S为信号功率， N为噪声功率。 则：
或用分贝：
37
二、数字通信系统的主要性能指标：
1、有效性 （1）传码率RB-----码元传输速率，又称符号速率等。
它表示单位时间内传输码元的数目， 单位是波特（Baud），记为 B。 所以传码率又称波特率。 设：码元周期（每个码元的时间宽度）为T， 则：
38
1835，Morse发明了有线电磁电报
1876，Bell发明电话机（模拟通信）
1901，Marconi发明无线电报
1918，AM广播，超外差接收机问世
1936，BBC开始电视广播
1937，Alex Reeves构想出PCM原理
1948，Shannon提出信息论
1962，发射第一颗同步通信卫星
反映系统所传输信息准确程度的指标，表明系 统的“质量”问题。
36
一、模拟通信系统的主要性能指标：
1、有效性---------带宽
设：系统所允许传输信号的频率范围为Bm赫兹(Hz) 每路信号所占用的频率宽度为Bi 赫兹(Hz)
则：系统最多可传输的信号路数为：n= Bm/ Bi
2、可靠性--------信噪比（SNR）
信源
调制
信道 噪声
解调
信宿
图 1-3 模拟通信系统的模型
特点：1、信源发出模拟信号，信道中传输的也是模拟信号； 2、发送设备和接收设备主要功能是完成调制与解调。
16
3、数字通信系统（Digital Communication）
信
信
加
息
源 编
Байду номын сангаас
密
源
码
器
信 道 编 码
数 字 调 制
信 道
数 字 解 调
信 道 译 码
12
二、模拟通信系统与数字通信系统 ➢ 模拟通信与数字通信
模拟通信在信道中传输的是模拟信号； 数字通信在信道中传输的是数字信号；
13
1、模拟信号与数字信号
➢ 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦 克风输出电压，其幅度随时间连续变化。
➢ 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个。
数字信号与模拟信号的区别不在于波形是否连续， 而在于代表消息的信号参量，是在某个范围内连续 分布， 还是取个数可数的分立值。
Rb=RB log2 M (b/s)
式中，M为符号的进制数。
39
例如：码率为1200B， 采用二进制(M=2)时， 信息速率为1200b/s。 采用四进制 (M=4)时，信息率为2400b/s； 采用八进制 (M=8)时，信息率为3600b/s； 采用十六进制 (M=16)时，信息率为4800b/s； 二进制的码元速率和信息率在数量上相等， 而多进制码元的信息率翻倍。
25
1.4 信息及其度量
26
一、信息的定义
通信所传输的消息，不论其形式如何(话音、符号、文字、 数据等)，总应当有个物理量来定量地描述其数量（消息中所 含的量，系统所传输的量，以及信宿所获得的量）。这个量就
是信息。问题是如何定义信息？
首先，谈信息离不开通信，通信的目的是让接收者了解 原先所不清楚的事情。不清楚是因为信源的消息存在不确定性， 如果是完全明确的事件，就没必要通信了。之所以认为消息中
缺点： 1、需要较大的传输带宽 2、对同步要求高，系统设备复杂
18
图1-6 两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号； (b)数字信号
19
5、模拟信号数字化通信系统
鉴于数字通信系统的诸多优势，往往将模拟信源发出的 模拟信号，也转换成数字信号，借助数字通信系统传输。其 办法就是在发端与收端分别增加模/数转换与数/模转换。
模 拟 A/D 信源
数字
通 信 D/A 模 拟
系统
信宿
图 1-7 模拟信号数字化通信系统的模型 A/D转换（Analog—digital conversion）：模拟——数字转换。 D/A转换（Digital—analog conversion）：数字——模拟转换。
20
1.3 通信系统分类及传输方式
如果信源发出M种符号，并且概率相等，不难推知：
则： H0=Hmax=log2 M （b/符号）
30
2．非等概信源的熵：
如果信源发出M个不同消息（符号）的概率各不相同，分别为 Pi （i＝1、2、3……M）
则发不同消息（符号）时各信息量不同：
（i＝1、2、3……M）
平均而言，发出一个符号的信息量为 ：
含有信息，是因为消息具有某种不确定性。因此，
信息
是消息（信号）的不确定性的度量。
27
其次，通过通信，原来不知道的事情知道了，原来不清楚 的明白了，至少比通信前减少了一些不确定因素。可见通信是
消除不确定性的过程。因此可用通信所消除掉的不确定性 的多少来定义所传输信息的多少。
第三，不确定性来自客观事物本身的随机性，而随机性可 以用概率统计来定量描述之：
4
第1章 绪 论
本章教学要求
1、了解通信系统组成、分类和通信方式。 2、熟悉通信基本概念（模拟通信与数字通信）。 3、掌握信息量和通信系统主要性能指标的计算。
5
1.1 引言
6
通信的定义
通信（Communication）————指从一个地方向另 一个地方进行消息的有效传递与交换。
电信（Telecommunication）———— 利用电子等技 术手段，借助电信号实现从一地向另一地进行消息 的有效传递与交换。
7
消息、信号、信息
消息（message)：通信系统要传送的内容，例如： 语音、文字、图象等
（电）信号（signal)：传输消息的手段，是消息的 载体。
信息(information)：消息中包含的新的，有意义 的且可被理解的、不可压缩的东西，消息是信息的 载体。
8
通信技术发展历史（1）
18世纪发展电通信以来，通信技术的发 展很快，其发展简史如下：
40
[例1] 已知二进制数字信号在2分钟内共传送了72000 个码元。
(1) 问其码元速率和信息速率各为多少?
22
二、通信方式
1. 按消息传送的方向与时间分 单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式
全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式
23
2. 按数字信号排序分
101
发 送 设 备
接 收 设 备
发 送 设 备
…
接 收 设 备
(a)
(b)
理论上已证明，非等概信源的信息熵小于等概信源信息熵。
31
3．连续信源的熵（相对熵） 式中f(x)为连续消息x出现的概率密度函数。
32
[例1] 设由5个符号组成的信息源，相应概率为：
33
[例2] 一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分
别为3／8，l／4， 1／4，1／8，且每个符号的出现都是独立的。 试求某消息序列： 2010201302l3001203210l0032l0l00231020020103120321001202l0的 信息量。
将原始电 信号变成 适合在信 道传输的 形式（如： 编码器、 调制器等）
噪声源
信道中的噪声及 分布在通信系统 其他各处噪声的
集中表示。
将信道中送 来的带有噪 声和干扰的 接收信号正 确还原成原 始电信号。
图 1-1 通信系统的模型
传输信息的 归宿点，其 作用是将接 收设备恢复 出的原始信 号转换成相 应的消息 ， 如扬声器。
解
信信
密
源源 译译
器
码码
噪声源
基
频
带
带
信
信
号
号
17
4、数字通信系统优点
与模拟通信比较，数字通信主要有以下五大好处： 1、通信质量好，噪声不累积。 （图1-6） 2、可以通过编码进行差错控制，改善传输质量。 3、可利用现代数字信号处理技术处理数字信息。 可实现综合业务，使通信功能增强。 4、易于集成，使通信设备微型化，重量轻。 5、可加密，保安全。
GSM与CDMA、ISDN、 xDSL、HDTV、GPS 软件无线电、ATM与IP、蓝牙技术，SDH 3G 4G
10
1.2 通信系统组成
11
一 、通信系统一般模型
传输信号的物理媒质。包括 有线信道和无线信道
信息源
发送设备
信道
接收设备
受信者
发送端
接收端
消息的产 生地，其 作用是把 各种消息 转换成原 始电信号 （基带信 号），如 麦克风。
课程简介
性质
通信原理是一门介绍信息传输基本原理（理论和技 术）的课程。它的研究对象是通信系统。
特点
系统性强
原理性强
数学分析多
预备知识
傅氏变换（信号与系统）
随机过程（概率论）
调制与解调（高频）
1
教材及参考书
教材：《通信原理（第6版）》
樊昌信、曹丽娜编著 国防工业出版社 参考书: 《通信原理（第6版）学习辅导与考研指导》
如果信源只发出两种符号0和1，并且概率相等 p0=p1=1/2,
则: I0=I1=log22=1(bit)；平均每符号仍为1(bit)；
如果信源发出四种符号A、B、C和D，并且概率相等，
则: IA=IB= IC=ID =log24=2(bit)，平均每符号仍为2(bit)；
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通信技术发展历史（2）
1963，IEEE成立 1960-1970 彩色电视机问世；数字传输理论与技
术迅速发展；出现高速数字电子计算机 1970-1980，VLSI、程控数字交换机、光纤通信
系统、微处理器迅速发展 1985，传真机普遍实用 1989，Motorala引入便携式蜂窝移动电话 1990至今：Internet、
曹丽娜 樊昌信 编著 国防工业出版社
2
课程基本内容
绪论 确知信号分析 随机信号分析 模拟通信系统 数字信号的基带传输 数字信号的频带传输 信源和信源编码（模拟信号数字化） 信道编码*
3
第一章 绪论
1.1 引言 1.2 通信系统组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 主要性能指标
21
一、 通信系统的分类
1、按通信业务分： 电报、电话、传真、 数据通信、 可视电话、图像通信等
2、按调制方式分： 基带传输和频带传输 3、按信道中传输的信号分：模拟通信和数字通信 4、按传输媒质分： 有线通信和无线通信 5、按工作频段分：长波通信、中波通信、短波通信
和微波通信 6、按复用方式分： 频分复用、时分复用、码分复用 7、按收信者是否运动分：移动通信和固定通信
解：此消息中，0出现23次，l出现14次，2出现13次，3出现7次， 共有57个符号，故该消息的信息量为
每个符号的平均信息量为 若用熵的概念来计算 则该消息的信息量
b/符号
b
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1.5 主要性能指标
35
主要性能指标：
有效性 ： 反映系统所能传输信息的多少和快慢的指标，
表明传输的“速度”问题； 可靠性：
（2）传信率Rb------信息传输速率，又称比特率等。
它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数， 单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。
（3）传信率Rb与传码率RB的关系 Rb=RB·H (b/s)
式中，H为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。 往往用每个符号最大可荷载的信息量来估算：
则当：
P＝P1P2……Pn时， I ＝I1+I2+……+In
第五，对数以2为底时，信息量的单位叫“比特”（bit）
对数以e为底时，信息量的单位叫“奈特”。（nit）
对数以10为底时，信息量的单位叫“哈特莱” （hartley）
通常广泛使用的单位为比特，默认对数以2为底。
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二 、信息熵（平均信息量）
概率为1的事件，不存在不确定性。其信息量为0。 概率越小，不确定性越大。正如罕见的事件信息量很大。
因此，应当用概率来定义信息。
并且信息的多少是与概率的大小成反比的。
28
第四，若干独立事件的总信息量应等于各事件信息量的总和； 而独立事件联合概率是各事件概率的乘积。
为此定义信息量：
I＝loga（1 / P）＝－loga P
14
f (t)
O f (nT )
(a) P AM信号
O (b)
模拟信号波形 (a) 连续信号 (b) 抽样信号
f (nT )
1 00 1 101 1 10 01
t
O
t
(a)
数字信 息
001110 0 1
PSK波形
t
(b)
图1-2
数字信号波形 (a) 脉冲波形 (b) 数字调制波形
15
2、模拟通信系统（Analog Communication）
图 1-8 按数字信号排序划分的通信方式 (a) 串行传输方式 ； (b) 并行传输方式
24
3. 按通信网络形式分
终端A 转接站
终端
终端B
A
(a)
终端
B
终端
C
终端 终端 终端 … 终端
A
B
C
N
(b)
图1 -3
交换设备
终端 N
(c)
图 1-9 按网络形式划分的通信方式 (a) 两点间直通方式； (b) 广播方式； (c) 交换方式
设：S为信号功率， N为噪声功率。 则：
或用分贝：
37
二、数字通信系统的主要性能指标：
1、有效性 （1）传码率RB-----码元传输速率，又称符号速率等。
它表示单位时间内传输码元的数目， 单位是波特（Baud），记为 B。 所以传码率又称波特率。 设：码元周期（每个码元的时间宽度）为T， 则：
38
1835，Morse发明了有线电磁电报
1876，Bell发明电话机（模拟通信）
1901，Marconi发明无线电报
1918，AM广播，超外差接收机问世
1936，BBC开始电视广播
1937，Alex Reeves构想出PCM原理
1948，Shannon提出信息论
1962，发射第一颗同步通信卫星
反映系统所传输信息准确程度的指标，表明系 统的“质量”问题。
36
一、模拟通信系统的主要性能指标：
1、有效性---------带宽
设：系统所允许传输信号的频率范围为Bm赫兹(Hz) 每路信号所占用的频率宽度为Bi 赫兹(Hz)
则：系统最多可传输的信号路数为：n= Bm/ Bi
2、可靠性--------信噪比（SNR）
信源
调制
信道 噪声
解调
信宿
图 1-3 模拟通信系统的模型
特点：1、信源发出模拟信号，信道中传输的也是模拟信号； 2、发送设备和接收设备主要功能是完成调制与解调。
16
3、数字通信系统（Digital Communication）
信
信
加
息
源 编
Байду номын сангаас
密
源
码
器
信 道 编 码
数 字 调 制
信 道
数 字 解 调
信 道 译 码
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二、模拟通信系统与数字通信系统 ➢ 模拟通信与数字通信
模拟通信在信道中传输的是模拟信号； 数字通信在信道中传输的是数字信号；
13
1、模拟信号与数字信号
➢ 模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦 克风输出电压，其幅度随时间连续变化。
➢ 数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个。
数字信号与模拟信号的区别不在于波形是否连续， 而在于代表消息的信号参量，是在某个范围内连续 分布， 还是取个数可数的分立值。
Rb=RB log2 M (b/s)
式中，M为符号的进制数。
39
例如：码率为1200B， 采用二进制(M=2)时， 信息速率为1200b/s。 采用四进制 (M=4)时，信息率为2400b/s； 采用八进制 (M=8)时，信息率为3600b/s； 采用十六进制 (M=16)时，信息率为4800b/s； 二进制的码元速率和信息率在数量上相等， 而多进制码元的信息率翻倍。
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1.4 信息及其度量
26
一、信息的定义
通信所传输的消息，不论其形式如何(话音、符号、文字、 数据等)，总应当有个物理量来定量地描述其数量（消息中所 含的量，系统所传输的量，以及信宿所获得的量）。这个量就
是信息。问题是如何定义信息？
首先，谈信息离不开通信，通信的目的是让接收者了解 原先所不清楚的事情。不清楚是因为信源的消息存在不确定性， 如果是完全明确的事件，就没必要通信了。之所以认为消息中
缺点： 1、需要较大的传输带宽 2、对同步要求高，系统设备复杂
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图1-6 两类通信方式抗干扰性能比较 (a)模拟信号； (b)数字信号
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5、模拟信号数字化通信系统
鉴于数字通信系统的诸多优势，往往将模拟信源发出的 模拟信号，也转换成数字信号，借助数字通信系统传输。其 办法就是在发端与收端分别增加模/数转换与数/模转换。
模 拟 A/D 信源
数字
通 信 D/A 模 拟
系统
信宿
图 1-7 模拟信号数字化通信系统的模型 A/D转换（Analog—digital conversion）：模拟——数字转换。 D/A转换（Digital—analog conversion）：数字——模拟转换。
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1.3 通信系统分类及传输方式
如果信源发出M种符号，并且概率相等，不难推知：
则： H0=Hmax=log2 M （b/符号）
30
2．非等概信源的熵：
如果信源发出M个不同消息（符号）的概率各不相同，分别为 Pi （i＝1、2、3……M）
则发不同消息（符号）时各信息量不同：
（i＝1、2、3……M）
平均而言，发出一个符号的信息量为 ：
含有信息，是因为消息具有某种不确定性。因此，
信息
是消息（信号）的不确定性的度量。
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其次，通过通信，原来不知道的事情知道了，原来不清楚 的明白了，至少比通信前减少了一些不确定因素。可见通信是
消除不确定性的过程。因此可用通信所消除掉的不确定性 的多少来定义所传输信息的多少。
第三，不确定性来自客观事物本身的随机性，而随机性可 以用概率统计来定量描述之：
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第1章 绪 论
本章教学要求
1、了解通信系统组成、分类和通信方式。 2、熟悉通信基本概念（模拟通信与数字通信）。 3、掌握信息量和通信系统主要性能指标的计算。
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1.1 引言
6
通信的定义
通信（Communication）————指从一个地方向另 一个地方进行消息的有效传递与交换。
电信（Telecommunication）———— 利用电子等技 术手段，借助电信号实现从一地向另一地进行消息 的有效传递与交换。
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消息、信号、信息
消息（message)：通信系统要传送的内容，例如： 语音、文字、图象等
（电）信号（signal)：传输消息的手段，是消息的 载体。
信息(information)：消息中包含的新的，有意义 的且可被理解的、不可压缩的东西，消息是信息的 载体。
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通信技术发展历史（1）
18世纪发展电通信以来，通信技术的发 展很快，其发展简史如下：
40
[例1] 已知二进制数字信号在2分钟内共传送了72000 个码元。
(1) 问其码元速率和信息速率各为多少?
22
二、通信方式
1. 按消息传送的方向与时间分 单工通信：消息只能单方向传输的工作方式 半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式
全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式
23
2. 按数字信号排序分
101
发 送 设 备
接 收 设 备
发 送 设 备
…
接 收 设 备
(a)
(b)
理论上已证明，非等概信源的信息熵小于等概信源信息熵。
31
3．连续信源的熵（相对熵） 式中f(x)为连续消息x出现的概率密度函数。
32
[例1] 设由5个符号组成的信息源，相应概率为：
33
[例2] 一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的概率分
别为3／8，l／4， 1／4，1／8，且每个符号的出现都是独立的。 试求某消息序列： 2010201302l3001203210l0032l0l00231020020103120321001202l0的 信息量。
将原始电 信号变成 适合在信 道传输的 形式（如： 编码器、 调制器等）
噪声源
信道中的噪声及 分布在通信系统 其他各处噪声的
集中表示。
将信道中送 来的带有噪 声和干扰的 接收信号正 确还原成原 始电信号。
图 1-1 通信系统的模型
传输信息的 归宿点，其 作用是将接 收设备恢复 出的原始信 号转换成相 应的消息 ， 如扬声器。
解
信信
密
源源 译译
器
码码
噪声源
基
频
带
带
信
信
号
号
17
4、数字通信系统优点
与模拟通信比较，数字通信主要有以下五大好处： 1、通信质量好，噪声不累积。 （图1-6） 2、可以通过编码进行差错控制，改善传输质量。 3、可利用现代数字信号处理技术处理数字信息。 可实现综合业务，使通信功能增强。 4、易于集成，使通信设备微型化，重量轻。 5、可加密，保安全。
GSM与CDMA、ISDN、 xDSL、HDTV、GPS 软件无线电、ATM与IP、蓝牙技术，SDH 3G 4G
10
1.2 通信系统组成
11
一 、通信系统一般模型
传输信号的物理媒质。包括 有线信道和无线信道
信息源
发送设备
信道
接收设备
受信者
发送端
接收端
消息的产 生地，其 作用是把 各种消息 转换成原 始电信号 （基带信 号），如 麦克风。
课程简介
性质
通信原理是一门介绍信息传输基本原理（理论和技 术）的课程。它的研究对象是通信系统。
特点
系统性强
原理性强
数学分析多
预备知识
傅氏变换（信号与系统）
随机过程（概率论）
调制与解调（高频）
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教材及参考书
教材：《通信原理（第6版）》
樊昌信、曹丽娜编著 国防工业出版社 参考书: 《通信原理（第6版）学习辅导与考研指导》