通信原理_(完整)

光纤通信的基本形式

码分复用（CDM）：Code Division Multiplexing 扩频通信、移动通信的基本形式
按用途分 按通信者是否运动分 按传输媒质分
专用通信 公用通信
固定通信 移动通信 有线通信 无线通信 长波通信
中波通信 短波通信 微波通信
按工作频率分
光波通信
通信方式

单工
若误差为信道引人的加性干扰引起， 2 t 为接收 端噪声功率

信噪比：与噪声的功率比，用分贝表示
Ps SNR 10log P n
Ps 信号功率 Pn 噪声功率
2
有效值 方差
2
x E x
1.6 连续信道的信道容量

ຫໍສະໝຸດ Baidu
香农公式 假设信道的带宽为B（Hz），信道输出的功率为 Ps 加性高斯白噪声功率为 Pn ，则该信道的信道容量为：
1 I log 2 log 2 M 1/ M
当M=2时，则I=1bit。
(b)
工程上，常常不考虑是否为等概率的消息， 总认为一个二进制波形（或码元）等于1bit 。即 通常把一个二进制码元称做1bit。
熵

熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系 统的紊乱程度越高，熵就越大；系统越有序， 熵就越小。
连续信道/模拟信道。

编码信道：
编码器输出端到译码器输入端的所有设备和媒介。 研究编码时，常用编码信道。 离散信道/数字信道。

连续信道：信道输入、输出的信号取值是连续的。 离散信道：信道输入、输出的信号取值是离散的。
狭义信道 信道 （信号通道） 广义信道
媒质及有关 变换装置
有线信道 无线信道 调制信道
（连续信道） 随参信道
信号的传输媒质
恒参信道
编码信道
（离散信道）
有记忆编码信道
无记忆编码信道
3.2 调制信道模型

输入端和输出端； 信号通过信道具有一定的延迟时间，而且 还会受到(固定或时变的)损耗； 绝大多数的信道都是线性的，即满足叠加 定理； 即使没有信号输入，在信道输出端仍有一 定的功率输出。
短波电离层反射

无线信道
超短波、微波视距传输 超短波、微波对流层散射 卫星中继
编
码
信
道
调制信道
信 源
加 编 调 发 信 收 解 解 解 信 转 密 码 制 转 调 码 密 器 器 器 换 道 换 器 器 器 宿 器 器 发送设备
噪 声
广义信道
接收设备
广义信道

调制信道：
调制器输出端到解调器输入端的所有设备和媒介。 研究调制和解调时，常用调制信道。
发端
信道
收端
发端
发端 信道

半双工
收端
收端
发端

全双工
收端
信道 信道
收端
发端
如何度量信息？
度量信息量的方法，必须满足：
能度量任何消息 与内容无关 抽象的 用数学方式描述 与消息的类型无关 与形式无关 文字 声音 图像 消息的重要程度无关 与接收者无关 重要性是相对的

香农将信息定义为Uncertainty不确定性的 减少。 信息量的大小与消息出现的概率有关。
通信系统的分类
按信号特征分类

数字通信 电话、电视、计算机数据等信号的远距离传输。

模拟通信 有线电话环路、无线电广播、电视广播等。
按数字信号码元排列次序
串行 并行

远程 近程、高速
发 送 设 备
接 收 设 备
1 发 送 设 备
0
1 接 收 设 备
(a)
…
(b)
按调制方式分类
调制方式 用途
第一章 绪论
1.1通信技术及发展史

通信： 克服距离上的障碍，进行信息的传递与交 换的过程。 ‚通信的基本问题就是在一点重新准确地 或近似的再现另一点所选择的消息。‛

通信目的：传输信息

任务：迅速、准确的进行信息的传输。
军用 意义： 民用
按照社会发展进程中通信方式的不同，人 类的文明史可分为：


调制信道模型
ei（t） h(t) eo(t)
e0 t ht ei t nt
e0 t k t ei t nt
n(t)
n(t): 加性干扰 k(t): 乘性干扰
k t 依赖于网络的特性，k t 反映网络特性对 ei t 的作用。
脉宽调制PDM(PWM) 脉位调制PPM 脉码调制PCM 增量调制DM 差分脉码调制DPCM
其 他 语 言 编 码 方 式 中低速数字电话 ADPCM、 APC、 LPC
按信号复用方式分类

频分复用（FDM）：Frequency Division Multiplexing 模拟通信的基本形式 时分复用（TDM）：Time Division Multiplexing 数字通信的基本形式 波分复用（WDM）：Wave Division Multiplexing
3.3 信道传输特性
ei (t )
h(t )
eo (t )
ei ( )
H ( )
eo ( )
e0 t ht ei t
e0 H ei
H H e
幅频特性
j
相频特性
理想信道传输特性
无失真传输 (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减； (2) 对信号在时间上产生固定的迟延。

消 息
信号
信 源
发 送 设 备
信 道
噪声
接 收 设 备
信 宿
发送端
接收端
通信系统模型
模拟信源（连续信源）：输出的消息状态是连 续变化的； 数字信源（离散信源）：输出的消息状态是离 散的、可数的。 模拟信号：信号参量的取值是连续的； 数字信号：携带信息的参量仅可取有限个数值。 模拟通信系统：信道中传送的是模拟信号； 数字通信系统：信道中传送的是数字信号。
用途 相位键控PSK、 DPSK、 数据传输、 数字微波、 空间 QPSK等 通信
其他高效数字调制QAM、数字微波、 空间通信 MSK等
脉幅调制PAM 中间调制方式、 遥测 中间调制方式 遥测、 光纤传输 市话、 卫星、 空间通信 军用、 民用电话 电视电话、 图像编码
脉冲模拟调制
脉冲 数字 调制 脉冲数字调制
消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大；

信息论将以模糊的信息概念用数学概念加 以定义，用数学方法加以定量化，是通信 学发展的一项重要理论基础。
信息量的定义：
信息量是消息出现概率的函数； 消息出现的概率越小，所包含的信息量就越大； 若某消息由若干个独立消息所组成，则该消息所 包含的信息量是每个独立消息所含信息量之和。 确定性事件的信息量等于零。

信 源
压 缩 编 码
保 密 编 码
信 信 调 信 解 道 道 编 解 制 道 调 码 码
保 密 解 码
压 缩 信 解 宿 码
信源编码
噪声
步同
信源解码
发送端
接收端
数字通信系统模型
数字通信的主要优点：
可作信源编码，压缩冗余度，提高信道利用率。 可采用数字加密技术，保密性好。 可采用纠错和检错技术，差错可控制。 便于存储和处理。 可综合传输各种模拟和数字输入消息，便于复用。 易于设计、制造，体积更小、重量更轻。 抗干扰能力强，可中继再生。
i 1 i 1
熵的单位为：bit / 符号
对于M个离散独立等概消息组成的消息源， log2 M 它发送的每个消息所包含的信息量为 。
等概时具最大熵： H ( x) log2 M
1.5 通信系统的性能指标
有效性
速度指标
矛盾
可靠性
质量指标
数字通信系统性能

有效性
传码率 RBN ：单位时间传输的码元个数 baud 传信率 Rb ：单位时间传输的平均信息量 bps
第2章 信道
消 息
信号
信 源
发 送 设 备
信 道
噪声
接 收 设 备
信 宿
发送端
接收端
通信系统模型
信道

信道：信号传输的通道（媒介）。

信道
狭义信道 广义信道
狭义信道：传输媒介 广义信道：传输媒介及有关的设备

狭义信道
架空明线

有线信道
对称电缆
同轴电缆
光纤

无线信道
狭义信道

有线信道
中长波地波
数字通信的主要优点：
(a) 失真的数字信号
(b) 恢复的数字信号
数字信号波形的失真和恢复
数字通信的主要缺点：
占用带宽大 设备复杂 宽带通信、压缩编码 VLSI、SOC、ASIC 信号处理技术
同步要求高
应用实例：
数字传输技术：电话、电视、计算机数据等 信号的远距离传输。 模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等。

信息： 是指消息中所包含的对受信者有意义的内 容（或有效内容）。 不同形式表现（汉字、符号、图形等）的 同一消息，载有相同的信息。

信号： 是指消息的物理载体，是传输消息的手段。 消息必须转换成信号，才能在通信系统中传 输。表现形式取决于媒体。 消息与信号一一对应。 可分为模拟信号和数字信号。
原始通信时代
以语音为主 以文字发明为标志 电报、电话 信息多样化、方式多样化、 与计算机相结合
邮政通信时代
电气通信时代
信息时代
1.2 通信系统
信息源 发送设备 信道 接收设备 接收者
干扰
通信系统的一般简化模型
消息： 通信系统所传输的对象，如语音、文字、图 形、图像等。 是指信源所产生的信息的物理表现。
信息量的定义
若消息 x 出现的概率为 P( x) ，则所含信息量 I 可定义为：
1 I log a log a P( x) p ( x)
信息量的单位：
a 2 ，则为比特（bit），最常用;
ae
，则为奈特（nat）;
a 10 ，则为哈特莱（hartley）。
若采用一个M进制的波形，来传送M 个独立的 等概离散消息之一，则每一码元的信息量为：
常规双边带调制
抑制载波双边带调幅
广播
立体声广播 载波通信、无线电台、数传
线性调制
连续 载波 调制 非线性调制
单边带调幅SSB
残留边带调幅VSB
频率调制FM 相位调制PM 幅度键控ASK 数字调制 相位键控
电视广播、 数传、 传真
微波中继、卫星通信、广播 中间调制方式 数据传输 数据传输
调制方式 连续 载 波 数字调制 调制
Ps C B log2 1 P n
(bit / s )
C:信道容量，信道的最大无失真信息传输速率 仅当传信率不超过C时，才有可能实现无误码传输
也可表示可能达到的最大的频谱利用率 带宽B是指正频率范围，不包括负频率范围。 信道为理想带通信道。 B的范围并不要求一个连续的频带，可以允 许由若干不相邻的频段组成。 只要求噪声谱密度在信号带宽内为常数， 不考虑信号频带外的噪声特性。 当噪声为非高斯时，该式不适用。 达到信道容量时，信道的输入也应该是高 斯过程。
干扰
加性干扰：本地噪声
始终存在
与信号共存
乘性干扰：非理理想信道
sR t sT t ht nt
乘性 加性
乘性干扰

恒参信道
信道的参数不随时间、空间的变化而变化或缓慢 变化。（可等效为一个线性时不变网络来分析）

随参信道
信道的参数随时间、空间的变化快速、随机的变 化。
Rb log2 M RBN
数字通信系统性能
可靠性
误码率：信息码元在传输过程中被误传的概率 误信率：信息量 在传输过程中被丢失的概率
误差

模拟通信系统中，误差是源信号与接收信号之间 的均方误差来表示：
t ks t t sR t
2
2


ｋ：衰减系数 ：传输时延 若信道为平稳信道，ｋ为常数

提高可靠性

B固定：增加信噪比
SNR固定：增大带宽
B、SNR固定：降低通信速度
Ps C B log2 1 BN 0
无限增大信号功率，或无噪声时，信道容量无穷大
SNR , c
无限增大信道带宽，不能无限增大信道容量。
Ps B , c 1.44 n0
eo t Aei t d
h(t ) A t d H () Ae
j d
eo Aei e
“一个系统的熵就是它的无组织程度的度 量。” －维纳 所有自然过程都增加熵 －克劳修斯

任何信息都增加系统的负熵
－布里渊
对于离散独立非等概消息组成的消息源，采用 平均（统计平均）信息量－－熵来描述：
M M
H ( x) P( xi ) log P( xi ) P( xi ) I ( xi )