通信工程专业导论(第1-3章)

下图中的矩形波包含许多（无穷多）个不同频率的正弦 波。
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周期性信号的频谱：
周期性信号的定义： f (t) = f (t + T), ≤ t ≤ 注意：在上式中 t 的条件是从负无穷大到正无穷大。 周期性信号的频谱是离散的：
例：周期性矩形脉冲的波形和频谱
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非周期性信号的频谱是连续的：
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2.10 有线通信线路
有线电报线路
单工线路 半双工线路 双工线路
电话线路 — 双工线路
架空明线线路 电话电缆
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2.11 无线电报通信
1895年意大利人马可尼成功地进行了无线电报通信 试验。 发报试验装置：火花发报机、金属薄片做的天线、 金属粉末检波器、用于发送莫尔斯码的电键。
它每分钟能发送40个字，但是很难批量制造。13
2.6 波多电报机
1874年法国工程师波多发明的波多码和波多机能 够把信号自动翻译成印刷字符。 波多机主要包括3部分：键盘、分配器和纸带。
波多电报系统开始在法国使用，后来推广到其他 国家，
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2.7 电传打字机
1906年，由克鲁姆开发出可以实用的电传打字机。 1910年，摩可拉姆公司制造出第一个商用电传打字 机系统，并安装在波士顿和纽约市之间的邮政电报 公司的线路上。 下图示出上世纪七八十年代用的33型电传打字机 （带凿孔纸带阅读器和凿孔器，并可用作为计算机 终端）。 优点：
2.2 电磁电报的肇始
伏打电池的发明—意大利物理学家伏特发明的 电流磁效应的发现—丹麦科学家奥斯特发现的 检流计的发明—德国物理学家施温格发明的 检流计用于通信—法国物理学家安培发明的 磁力电报—美国科学家亨利发明的
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2.3 指针电报机
1838年由威特斯通和库克建立的 5针电报系统— 由2根指针的指向决定发送的字母
信息传输速率：比特/秒（b/s）
例：以天气预报为例，若用晴、阴、云、雨、雾、雪、 霜、霾8种状态预报天气，并且假设这8种状态出现的概 率相等，且8种天气状态各用一种不同的码元表示，则每 个码元含有3 比特的信息量。当信号传输速率是100波特
时，信息传输速率等于300比特/秒。
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3.3 模拟通信和数字通信
表2.4.1 ITU规定的国际莫尔斯电码
2.4.2 莫尔斯电码的国际标准
电码由“点”和“划”组成 为提高通信效率，按照字母 出现的概率设计电码。
国际莫尔斯电码 1.“点”的长度1单位时间。 2.“划”的长度3单位时间。 3.“点”和“划”的间隔1单位时间。 4. 字符的间隔3单位时间。 5. 字的间隔7单位时间。
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• 1.5 通信工程与通信工程教育
– 通信工程专业的诞生过程 – 通信工程专业培养人才的方向 – 通信工程专业学习的课程
• 1.6 小结
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第2章 早期电通信
2.1 静 电 电 报
2.1.1 静电的发现和检测
• 毛皮摩擦琥珀实验 • 静电信号通信系统的原型 —木髓球信号系统
2.1.2 静电电报
• 第一个实用的静电电报系统— 12.8千米架空电报线路
1940年，美军SCR-300型背负式步谈机 二战中，美军SCR-536型手持式步谈机
1968年蜂窝电话网概念 1981年第一个蜂窝电话网建成 目前即将进入第5代蜂窝网。
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2.13 小结
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第3章 通信工程的基本概念
3.1 消息和信息的概念
3.1.1 信息
客观世界三要素：物质、能量和信息。 信息不是物质也不是能量 信息是消息中包含的有效内容 消息是物质状态或精神状态的一种反映。 例如：语音、文字、音乐、数据、图片 或活动图像等都是消息。 通信的最终目的是传递消息中所包含的 信息。 信息可以用不同的消息形式传输。 例：天气预报可以用语音传输，也可以 用文字传输，又可以用图形传输。
在有了交换机之后，用户的电话机可以由交换机供电， 磁石电话机改进成为共电式电话机，去掉了笨重的手 摇磁石发电机和干电池。
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2.9 有线电话通信的发展
自动电话交换机： 1889年美国人史端乔发明步进 制自动电话交换机。
这时在共电式电话机中，增加了一个拨号盘。
随着电话号码位数不断增加，拨号费时太长，电话 机改进为双音多频按键键盘电话机。 1970年代出现的程控电话交换机体积小、可靠性高， 并且运行安静，是目前广泛应用的电话交换机。
• 2.4.4 莫尔斯电码的应用
– 1844年莫尔斯第一次成功地在64千米的实验线 路上演示了这种电报通信。
– 用听觉也可以接收莫尔斯电码。 – 目前在业余无线电等领域仍然在使用。
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2.5 印 字 电 报
1846年，豪斯发明了印字电报。他在一条电线 的两端连接上一个具有28个电键的键盘，每个 键表示一个字母。当按下一个键时在接收端就 印出对应的字母。 它类似后来发明的菊花字轮打印机：
模拟通信：由于信道中的噪声干扰和信道特性不良， 接收信号波形会产生失真，而且这种失真通常很难 完全消除，故对接收质量造成较大影响。 数字通信：当数字信号的失真不是很大时，由于数 字信号的可能取值数目有限，可能不影响接收端的 正确接收（判决）。 数字信号在多次转发的线路中，中继站可以对有失 真的接收信号加以整形，恢复的数字信号波形。
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3.1.2 信息量
以天气预报为例，一次天气预报的各种可能性越多，即 每种天气出现的可能性（概率）越小，接收者得到的信 息量就越大。 信息量的定义：I = log2 [1 / P(x)] 比特 (b) 式中，I为信息量；P(x)为事件x出现的概率。 例：若只用晴和雨两种状态预报天气 I = log2 [1 / 1/2] = 1 b 若用晴、阴、云、雨4种状态预报天气 I = log2 [1 / 1/4] = 2 b 若用晴、阴、云、雨、雾、雪、霜、霾8种状态预报天气 I = log2 [1 / 1/8] = 3 b
A Z Λ Π Φ
B H M P X
E K O r
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– 臂板信号装置 – 窗光信号系统 – 旗语 – 灯塔 – 日光反射信号机
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• 1.3 早期的wk.baidu.com通信
– 战鼓 – 铜钲
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• 1.4 通信的范畴
– 《新华词典》通信：通过某种媒体将信息由一处 传送到另一处的过程。
– 《现代汉语词典》通信：用书信或声、光、电等媒 质传送消息。 – 人们之间面对面地直接交流消息，不属于通信范畴。 – Communicaton：还包括人和人之间的直接消息交 流。 – 除语言外，还有：手势、触觉、表情、眼神等
图中：第1和4根指针决定了发送的字母是“V”
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2.4 莫尔斯电报机和莫尔斯电码
2.4.1 莫尔斯电报机
1838年1月11日莫尔斯在美 国新泽西州沿3千米线路发 送了第一封电报。当时的设 备并不实用。 后来韦尔做了很大改进，制 出了实用的系统。用点和划 直接对字符编码，就是后来 被广泛应用的莫尔斯电码。
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• 表2.4.2 英文中各字母出现的概率
字母 出现 概率 字母 出现 概率 字母 出现 概率 A B C D E F G H I J 8.167 1.492 2.782 4.253 12.70 2.22 2.015 6.094 6.966 0.153 % % % % 2% 8% % % % % K L M N O P Q R S T 0.722 4.025 2.406 6.749 7.507 1.92 0.095 5.987 6.327 9.056 % % % % % 9% % % % % U V W X Y Z 2.758 0.978 2.360 0.150 1.974 0.07 % % % % % 4%
例：一段声音波形（横轴 – 秒）
其频谱（横轴 - Hz）
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信号频谱的意义：
信号频谱和通信的关系：信号的频谱必须和它传输线路 的频率特性相适应。 按照信号频谱的位置不同，信号可以区分为： 基带信号 — 来自信源的原始信号，又称低通信号，其频 谱可以（不必须）自直流分量开始。 带通信号 —是基带信号经过调制后的信号，其频谱被搬 移到了较高的频率范围。
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2.12 无线电话通信
早期的无线电话通信
1918年，德国曾在柏林和左森之间的军用列车上试验过 无线电话通信。 1924年，在柏林和汉堡间的列车之间开始试验民用电话 通信。 1925年，楚格电话公司成立，为火车供应电话设备。 1921年，美国开始在警车上安装调度用的无线电话设备。
可以个人携带的无线电话通信设备 — 最早为军用
9日
佳 17日 筱 25日 有
10日
灰 18日 巧 26日 宥
11日
真 19日 皓 27日 感
12日
文 20日 号 28日 俭
13日
元 21日 马 29日 艳
14日
寒 22日 养 30日 卅
15日
删 23日 漾 31日 世
16日
铣 24日 敬
例如，1935年9月6日，张伯苓致电南京教育部部长王世杰， 电报全文：“为小站学田事，鱼抵京，虞晨晋谒”。电 11 文中“鱼”表示“6日”、“虞”表示“7日”。
不需要两个电报员，只需要一个打字员 可以利用凿孔纸带保存报文 可以和计算机连接
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2.8 电话通信的发明
2.8.1 电话机的发明
1876年3月7日，美国人贝尔申请的电话装置发明专利获 得批准。 初期的电话机称作磁石电话机：壁挂式、台式
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2.8.2 电话交换机的发明
利用交换机可以减少线路数量 人工交换机：由话务员将线路进行人工连接
研究信号频谱的数学工具
傅里叶级数 —分析周期性信号 傅里叶变换 — 分析非周期性信号
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3.5 无线电频带的划分
无线电波：从3Hz到3000GHz（3THz）的电磁波 国际电信联盟（ITU）：对无线电频谱的各部分规 定了不同的传输技术和不同的应用。 频带：是无线电通信频谱的一小段，它通常分配用 于某些用途的信道。 ITU把无线电频谱划分为12个频带，每个频带从波 长为10的n次幂（10n）起，相当于频率为3108-nHz 起，覆盖十倍的频率或波长范围。
“E”的出现概率最大，所以只用一个“点”表示 它。
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• 2.4.3 用莫尔斯电码发送汉字
– 每个汉字用4位阿拉伯数字编码
– 为了尽量节省，设计了汉字代码（代字）。例如， 在电报中常用到的日期，就把月和日缩写为代字。
表2.4.3 汉字电报中使用的日期代字
1日 东 2日 冬 3日 江 4日 支 5日 歌 6日 鱼 7日 虞 8日 齐
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3.2 信号的概念
3.2.1 模拟信号
定义：电压可以连续取值的信号为模拟信号。 例：声音、图像
3.2.2 数字信号
定义：电压离散取值的信号为数字信号。 例：键盘输出的信号。
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模拟信号和数字信号的区别：
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3.2.3 信号传输速率
码元速率：按照每秒传输多少个码元计算，单位是波特
波特 = 码元数/秒
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3.4 信号频谱的概念
光谱：光波也是电磁波，在日光光谱中红光的频率 最低，紫光的频率最高，所以光谱就是不同频率电 磁波的频谱。
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信号的频谱：信号的波形可以分解成许多不同频率 的正弦波形，这些正弦波的频率与其幅度和相位的 （函数）关系就是频谱。
下图中粗的波形包含频率为50、150和250Hz的三个正弦 波：
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频带名
缩写字
ITU 频带号 1
频率和波长范围 3～30Hz 99930.8～ 9993.1km 30～300Hz 9993.1～999.3km 300～3000Hz 999.3～99.9km 3～30kHz 99.9～10.0km 30～300kHz 10.0～1.0km 300～3000kHz 1.0～0.1km 3～30MHz 99.9～10.0m 30～300MHz 10.0～1.0m 300～3000MHz 1.0～0.1m 3～30GHz 99.9～10.0mm 30～300GHz 10.0～1.0mm 300～3000GHz 1.0～0.1mm
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数字通信其他优点：
可以采用纠错编码等差错控制技术，从而大大提高系统 的抗干扰性； 可以采用保密性极高的数字加密技术，从而大大提高系 统的保密度；
可以用信源编码方法压缩数字信号，以减小冗余度，提 高信道利用率。
模拟信号的数字化
若把信源产生的模拟信号转化成数字信号再传输就可以 获得上述这些数字通信的优越性能。 模拟信号数字化后，还可以和信源输入的数字信号综合 起来，在数字通信系统中传输。
第1章 绪 论
1.1 早期的运动通信
运动通信 —用人力、驿马、信鸽等传送信件 驿站—传递文书人员中途暂息和住宿的地方
信鸽
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• 1.2 早期的光通信
– 烽火台 – 信号墙
表1.2.1 波利比奥斯用的希腊字母编码表 左
1 2 3 Γ Θ N Σ Ψ
墙
4 Δ I Ξ T Ω 5
1 2 右墙 3 4 5