現(xiàn)代通信原理（第4版）課件 第一章 緒論

2025/4/20信息與通信工程學(xué)院1第一章緒論2025/4/20信息與通信工程學(xué)院2本章安排緒論通信技術(shù)的發(fā)展與展望信息、信息量與信道容量通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院3

表情、動(dòng)作

---遠(yuǎn)古時(shí)代語言、文字、烽火臺(tái)、旌旗、旌鼓、信號(hào)燈

---近代電通信---

現(xiàn)代信息的交流是人類最基本的需求！構(gòu)成社會(huì)的三大基本要素：物質(zhì)、能量和信息物質(zhì)---交通網(wǎng)能量---電力網(wǎng)信息---通信網(wǎng)（信息的傳輸和交換）2.1通信的基本任務(wù)和目標(biāo)信息交流和傳遞方式：

2025/4/20信息與通信工程學(xué)院41.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望信息社會(huì)：信息成為重要的社會(huì)資源，信息的開發(fā)利用成為社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要標(biāo)志！2025/4/20信息與通信工程學(xué)院5里程碑(1)1800

Electricalsource(Volta)1838

Telegraph(Morse)1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院6里程碑(2)1876

Electrictransmission(A.G.Bell)1864

Maxwell麥克斯韋預(yù)言電磁波輻射的存在1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院7里程碑(3)1887Hertz

赫茲驗(yàn)證無線電波存在1stwirelesstransmissions(Marconi)1896馬可尼跨海無線電通信試驗(yàn)成功1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院8里程碑(4)1906發(fā)明真空管1918調(diào)幅廣播（超外差接收機(jī)）1936調(diào)頻廣播1928奈奎斯特（Nyquist）提出抽樣定理1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院9里程碑(5)

1937瑞維斯（A.H.Reeves）發(fā)明PCM技術(shù)1938電視廣播1940~45雷達(dá)、微波技術(shù)1945數(shù)字計(jì)算機(jī)、克拉克（A.C.Clarke）提出衛(wèi)星通信設(shè)想1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院10里程碑(6)貝爾實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出第一臺(tái)實(shí)用的PCM數(shù)字通信設(shè)備

19501948發(fā)明晶體管、C.E.Shannon發(fā)表信息論（AMathematicalTheoryofCommunication）1958第一顆通信衛(wèi)星1957發(fā)射第一顆衛(wèi)星1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院111stpublicmobiletelephoneIMTS（ImprovedMobileTelephoneServices）

196410101010

DigitalTechnology(1stdigitalswitch)1970里程碑(7)1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院121987GSMcommunication(digitalcellularnetwork)（2G）10101010

1stanalogcellularnetwork（1G）1979

里程碑(8)1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院13

進(jìn)入上世紀(jì)80年代后，通信技術(shù)突飛猛進(jìn)，出現(xiàn)了許多新技術(shù)及業(yè)務(wù)：

ISDN、SDH、ATM、

Bluetooth、ZigBee(WPAN)Wi-Fi(WLAN)、

WiMAX(WMAN)

(07年成為3G標(biāo)準(zhǔn))

（IEEE802無線標(biāo)準(zhǔn)系列：802.11x,802.15x,802.16x,802.20x）

3G、B3G、LTE、IMT-Advanced(4G)

移動(dòng)IP…1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院14通信最終的目標(biāo)：個(gè)人通信(PCN:PersonalCommunicationNetworks)---5W

任何人(Whoever)

任何時(shí)候(Whenever)

任何地方(Wherever)

與另一個(gè)人(Whomever)

任何方式(Whatever)1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院15Whoever,Wnenever,Wherevet,Whatever,Whomever!FutureSubscriber?未來通信的要求未來的通信終端：智能天線、軟件無線電（DSP技術(shù)）1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望2025/4/20信息與通信工程學(xué)院161、信息交流與傳遞是人類的基本需求；2、隨著技術(shù)的進(jìn)步，通信手段越來越先進(jìn)；3、通信技術(shù)的進(jìn)步離不開通信理論的指導(dǎo)，新的理論帶來技術(shù)的飛躍。

1.1通信技術(shù)的發(fā)展和展望小結(jié)：2025/4/20信息與通信工程學(xué)院171.2.1消息、信號(hào)及信息

1.2.2信息量

1.2.3平均信息量1.2信息、信息量與信道容量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院181.2.1消息、信號(hào)及信息消息(message)通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象

,具有不同形式和內(nèi)容。如:

氣象中的溫度、天氣的變化，語音，圖像畫面，文字及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。

消息是對(duì)事件的物理狀態(tài)變化進(jìn)行描述的一種具體形式，具有人們能感知的物理特性。

消息通常不能直接傳輸，為傳輸消息，應(yīng)把消息通過不同的傳感器轉(zhuǎn)換為信號(hào)。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院191.2.1消息、信號(hào)及信息信號(hào)(signal)

信號(hào)是由消息轉(zhuǎn)換來的可以被傳輸和處理的具體形式，是消息的運(yùn)載工具（載體）。電信號(hào)

隨某參數(shù)（通常為t）變化的電量（電壓、電流、電荷量、磁通量、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度…）。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院20信息(information)

信息是消息或信號(hào)隨機(jī)變化中的“不確定性”是消息中所含的待知的本質(zhì)內(nèi)容。

確定的消息中不含有信息。信息的主要特征：（1）信息無體積和重量；（2）信息易擴(kuò)

散和傳遞；（3）信息具有依附性；（4）信息可共享。信息量(informationcontent)：信息的度量。1.2.1消息、信號(hào)及信息2025/4/20信息與通信工程學(xué)院21（1）信息量是概率的函數(shù)。（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小。

P(x)=1，I為零；P(x)=0，I為無窮大。（3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有可加性。

信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系、規(guī)律：1.2.2信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院221.2.2信息量信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系為：即：消息包含的信息量為消息出現(xiàn)概率的倒數(shù)的對(duì)數(shù)。信息量單位：a=2時(shí)，信息量單位為比特（bit---binaryunit）；a=e時(shí)，信息量的單位為奈特（nat---natureunit

）；a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊（Hartleyordecit）。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院231.2.3平均信息量

x1x2x3…xnp(x1)p(x2)p(x3)…p(xn)

一般地說，離散信源產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的消息（符號(hào)），每個(gè)消息發(fā)生的概率不同，故包含的信息量也不相同。(完備性)描述離散信源的方法---概率場

這時(shí)通?？紤]信源的統(tǒng)計(jì)平均信息量（信源的平均信息量或信源熵）。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院24

若有M個(gè)獨(dú)立等概出現(xiàn)的消息，每個(gè)消息出現(xiàn)的概率為1/M，則每個(gè)消息的信息量為獨(dú)立等概時(shí)信息量M=2時(shí)，每個(gè)消息出現(xiàn)的概率為1/2，則消息的信息量為單個(gè)獨(dú)立離散消息的信息量為1.2.3平均信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院25011/21/2結(jié)論：一個(gè)等概二進(jìn)制消息（符號(hào)）包含的信息量為1bit。

（工程上定義一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)包含的信息量為1比特。）比特若有M個(gè)獨(dú)立等概的消息之一要傳送，且滿足時(shí)，此消息可用個(gè)二進(jìn)制（符號(hào)、脈沖）傳遞，即此消息包含的信息量為比特。1.2.3平均信息量

獨(dú)立等概時(shí)，信源平均信息量與單個(gè)離散消息的信息量相同。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院26上節(jié)課程內(nèi)容通信技術(shù)的發(fā)展與展望消息、信號(hào)、信息、信息量信息量與消息出現(xiàn)概率的關(guān)系單個(gè)獨(dú)立離散消息信息量獨(dú)立等概時(shí)信息量信息量單位：a=2時(shí)，信息量單位為比特（bit---binaryunit）確定的消息中不含有信息。平均信息量(信源熵Entropy)bit/符號(hào)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院271.2.3平均信息量

x1x2x3…xnp(x1)p(x2)p(x3)…p(xn)獨(dú)立不等概時(shí)平均信息量消息xi包含的信息量為：2025/4/20信息與通信工程學(xué)院281.2.3平均信息量

平均信息量(信源熵Entropy)由每個(gè)消息的信息量按概率加權(quán)求和得到，即：bit/符號(hào)如:一個(gè)信源由A、B、C三種符號(hào)組成，出現(xiàn)概率分別是

P(A)、P(B)、P(C)，則信源的平均信息量為2025/4/20信息與通信工程學(xué)院29例1.1：某信源的符號(hào)集由A、B、C、D和E

組成，設(shè)每一個(gè)符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，出現(xiàn)的概率分別為1/4、

1/8、1/8、3/16和5/16。試求該信源的平均信息量。解：信源的平均信息量，即信源熵，為1.2.3平均信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院30條件平均信息量

1.2.3平均信息量

當(dāng)信源各符號(hào)出現(xiàn)不獨(dú)立（統(tǒng)計(jì)相關(guān)）時(shí)，必須用條件概率來計(jì)算信源的平均信息量，稱為條件平均信息量。其中：為前一符號(hào)為xi,后一符號(hào)為xj的條件概率轉(zhuǎn)移概率矩陣2025/4/20信息與通信工程學(xué)院31

1.2.3平均信息量條件平均信息量為：其中：為符號(hào)xi出現(xiàn)概率

為前一符號(hào)為xi,后一符號(hào)為xj的條件概率2025/4/20信息與通信工程學(xué)院32例1.2

某離散信源由A、B兩種符號(hào)組成，其轉(zhuǎn)移概率矩陣為

已知P(A)=1/4，P(B)=3/4，試求該信源的平均信息量。

1.2.3平均信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院33解：由條件平均信息量計(jì)算式可得1.2.3平均信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院34當(dāng)A、B兩個(gè)符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，信源的平均信息量為

1.2.3平均信息量結(jié)論：符號(hào)間統(tǒng)計(jì)獨(dú)立時(shí)的信源熵大于符號(hào)間統(tǒng)計(jì)相關(guān)時(shí)的信源熵。(P(A)=1/4，P(B)=3/4)

2025/4/20信息與通信工程學(xué)院35獨(dú)立且等概時(shí)平均信息量1.2.3平均信息量結(jié)論：信源符號(hào)獨(dú)立等概出現(xiàn)時(shí)的平均信息量最大。連續(xù)信源的平均信息量2025/4/20信息與通信工程學(xué)院361.3.1通信系統(tǒng)一般模型

1.3.2通信系統(tǒng)分類

1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)1.3通信系統(tǒng)模型2025/4/20信息與通信工程學(xué)院371.3.1通信系統(tǒng)一般模型2025/4/20信息與通信工程學(xué)院38干擾源信道信源發(fā)送設(shè)備發(fā)送端接收設(shè)備信宿接收端1.3.1通信系統(tǒng)一般模型2025/4/20信息與通信工程學(xué)院39簡稱信源，發(fā)出消息的設(shè)備，具有把原始的消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(基帶信號(hào))的功能，即完成非電量到電量的變換。把信源輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)形式。包括對(duì)信號(hào)的放大、頻譜變換等過程。傳輸信號(hào)的媒質(zhì)?？梢允怯芯€的，也可以是無線的。通信系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，都不可避免地會(huì)受到噪聲(干擾)的影響。為分析方便,將各種噪聲對(duì)信號(hào)的影響集中表示在信道中。完成和發(fā)送設(shè)備相反的逆變換功能。它包括解調(diào)器、解碼器等。信息到達(dá)的目的地，完成電量到非電量的變換。通信系統(tǒng)一般模型由于信源和信宿位于通信系統(tǒng)的兩個(gè)端頭，故又稱為終端設(shè)備。1.3.1通信系統(tǒng)一般模型2025/4/20信息與通信工程學(xué)院401.3.2通信系統(tǒng)分類按消息的傳輸媒質(zhì)劃分:有線、無線2025/4/20信息與通信工程學(xué)院41通信頻段劃分及應(yīng)用頻率范圍符號(hào)名稱波長波段應(yīng)用30～300HzELF特低頻104～103km海底通信、電報(bào)0.3～3kHzVF音頻103～102km數(shù)據(jù)終端、有線通信3～30kHzVLF甚低頻102～10km超長波導(dǎo)航、電話、電報(bào)、時(shí)標(biāo)30～300kHzLF低頻10～1km長波導(dǎo)航、電力線通信、信標(biāo)0.3～3MHzMF中頻103～102m中波廣播、業(yè)余無線電、移動(dòng)通信3～30MHzHF高頻102～10m短波國際定點(diǎn)通信、軍用通信、廣播、業(yè)余無線電30～300MHzVHF甚高頻10～1m米波電視、調(diào)頻廣播、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、空中管制0.3～3GHzUHF特高頻102～10cm分米波電視、雷達(dá)、遙控遙測、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、移動(dòng)通信3～30GHzSHF超高頻10～1cm厘米波衛(wèi)星和空間通信、微波接力、雷達(dá)30～300GHzEHF極高頻10～1mm毫米波射電天文、雷達(dá)、微波接力1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院42中波廣播：535~1605KHz短波廣播：2~24MHz調(diào)頻廣播：88~108MHz電視廣播：48.5~92MHz（VHFCh1~Ch5）

167~223MHz（VHFCh6~Ch12）

470~958MHz（UHFCh13~Ch68）GSM手機(jī)：

上行890~915MHz

下行935~960MHz生活中的無線通信頻率1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院43按消息和信號(hào)的特點(diǎn)劃分：電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院44按傳輸信號(hào)的特征劃分：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院45模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別:模擬信號(hào)的幅度取值連續(xù)且有無窮個(gè)狀態(tài)。數(shù)字信號(hào)的幅度取值離散且為有限個(gè)值。注意：模擬信號(hào)的取值在時(shí)間上不一定都連續(xù)，如PAM信號(hào)；數(shù)字信號(hào)的取值在時(shí)間上不一定都離散，如FSK信號(hào)。1.3.2通信系統(tǒng)分類結(jié)論：模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的主要區(qū)別在于信號(hào)的取值狀態(tài)是否有限，而不在于信號(hào)的取值隨時(shí)間變化是否連續(xù)。2025/4/20信息與通信工程學(xué)院46BasicsteadywaveAmplitudeShiftKeyingFrequencyShiftKeyingPhaseShiftKeying1001Datatobetransmitted:DigitalInput按調(diào)制方式劃分：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院47按消息的傳送方式劃分：單工、半雙工、雙工單工系統(tǒng)：消息只能單方向傳送，如廣播、電視。1.3.2通信系統(tǒng)分類信道發(fā)送接收2025/4/20信息與通信工程學(xué)院48半雙工系統(tǒng)：消息能雙方向傳送，但不能同時(shí)進(jìn)行，如對(duì)講機(jī)。1.3.2通信系統(tǒng)分類信道發(fā)送接收發(fā)送接收A端B端2025/4/20信息與通信工程學(xué)院49雙工系統(tǒng)：消息能同時(shí)雙方向傳送，如電話、手機(jī)。信道發(fā)送接收發(fā)送接收A端B端信道1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院501.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院51按信道復(fù)用方式劃分：FDM、TDM、CDM1.3.2通信系統(tǒng)分類2025/4/20信息與通信工程學(xué)院52模擬通信系統(tǒng)模型干擾源信道信源調(diào)制器信宿解調(diào)器1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院53數(shù)字通信系統(tǒng)模型干擾源信道調(diào)制器信源編碼器信宿解調(diào)器解碼器1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院54模擬通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)模型基帶信號(hào)頻帶信號(hào)1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院55數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源編碼、信道編碼、加密信源譯碼、信道譯碼、解密信源編碼:提高系統(tǒng)的有效性。信道編碼(糾錯(cuò)編碼):提高系統(tǒng)的可靠性。1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院56①抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好；②體積小，功耗低，易于集成；③便于進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理（壓縮、存儲(chǔ)等）；④有利于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)傳輸；⑤便于加密。數(shù)字通信系統(tǒng)特點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：不過，數(shù)字通信系統(tǒng)也有以下缺點(diǎn)：①必須保證收發(fā)兩端同步（碼元同步、幀同步等）；②信號(hào)占用帶寬大。

例如，傳輸一路模擬電話信號(hào)只需4KHz帶寬,但傳輸一路PCM電話信號(hào)（速率為64kb/s）需幾十千赫茲帶寬。1.3.3模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)2025/4/20信息與通信工程學(xué)院