通信原理 林昌华 Email: 676715918QQ.com

关于本课程成绩等事项的说明 1. 作业、考核、测验和考试 作业：基本上每次课都将布置书面作业，下次课上课前提交上一次课的作业。 考核：出勤和课堂回答问题。 测验：对每四周的教学内容随堂开卷测验一次。 考试：期末开卷考试。 2. 课程成绩组成比例 作业和考核成绩20%；测验成绩20%；期末考试成绩60%。

第 1 章 概述 1.1 通信和通信系统的构成 1.1.1 关于通信的概念 第 1 章 概述 1.1 通信和通信系统的构成 1.1.1 关于通信的概念 通信(Communication)就是信号的传递，是指由一地向另一地进行信号的传输与交换，其目的是传输信息。 在现代通信系统中传输的是电信号，这种通信方法称为电信(Telecommunication)，它是将“需要传输的信息”转换为电信号，然后通过媒介传输到接收方。电信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。

在计算机出现以后，电信系统引入了计算机，出现了数据通信（Data Communication）。数据通信是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。

在数据通信系统中，发信方首先将信息用数据表达出来，然后再将数据转换成信号。收信方将接收的信号恢复为可以理解的数据，再分析数据得到信息。 Information Data Singnal V Voice V Text V Image v Table

由于数据通信是依照一定的通信协议，利用数据传输技术在通信参与者之间传输数据，因此被称为数据通信。又由于在数据通信系统中广泛应用计算机和计算机技术，故也叫做计算机通信（Computer Communication）。 显然，数据通信是一种数字通信。 ○交换(Switching)：按照通信两端传输信号的需要,用人工或设备自动把要传输的信号送到符合要求的相应路由上。

1.1.2 现代通信系统的构成 现代通信系统是传输电信号的通信系统，其一般模型如下。

1. 信源 信源是发出数据的人或设备。 2. 变换器 变换器将信源发出的数据变换成适合计算机处理的数字脉冲信号，以及适合在信道上传输的高频无线电信号。例如 ，电话机的送话器、传真机的扫描器、A/D转换器、调制器、...... 等。 3. 信道 信道是传输信号的媒介。例如，电话线、同轴 电缆、光缆、自由空间、...... 等。信道可以分为 有线和无线两大类。

4. 反变换器 反变换器将通过信道传输后的信号变换成信宿可以理解的数据。例如，电话机的受话器、解调器、显示器、打印机、· · · · · · 等。 5. 信宿 信宿是接收数据的人或设备。 6. 噪声源 系统或通信参与方不希望出现的任何信号都是噪声。通信系统中的噪声源包括各种设备、信号处理过程和环境因素。这里将它们集中画出。

1.2 信息和信号 1. 信息 信息（Information）是用于消除不确定性的东西。通过分析数据可以得到信息。 1.2 信息和信号 1. 信息 信息（Information）是用于消除不确定性的东西。通过分析数据可以得到信息。 数据携带的信息量与其报道的事件出现的概率有关。 I =log2(1/p) = - log2 p (bit) 式中，I 是信息量，单位为比特 （bit）; p 是事件出现的概率。

2. 信号 信号（Singnal）是运载数据的工具，是数据的载体。包括电信号、高频无线电波和光波等。 这里主要介绍电信号。

电信号强度是时间的函数。 如果时间自变量在某间隔内，只有有限个间断点，这样的信号就是时间连续信号，否则就是时间离散信号。如果强度函数值有无限多个取值，这样的信号就是强度连续信号，否则就是强度离散信号。 根据信号强度的连续及离散情况，可将电信号分为两大类：模拟信号和数字信号。

1）模拟信号 如图所示，模拟信号是一种强度连续变化的电流或电压信号。 模拟信号的特点是电压和电流有无限多个值，并且可以由一个已知的值估计其前后的值；模拟信号的频谱宽度是有限的。

2）数字信号 数字信号是一种强度离散的电压或电流脉冲信号。 数字信号的特点是电压或电流强度只有有限个值,并且每个值的出现是随机的，服从一定的概率 。数字信号的每个电压值或电流值都对应一个数字 。

在图（a）所示数字信号中，电压只有0伏和3伏两个电压值，（b）中只有0伏、1伏、2伏和3伏四个电压值。

数字信号的每个电压值都表示一个二进制数字。在图（a）中，0伏电压表示二进制数0，3伏电压表示二进制数1；在图（b）中，0伏电压表示二进制数00，1伏电压表示二进制数01，2伏电压表示二进制数10，3伏电压表示二进制数11。正是由于数字信号的每个电压值或电流值都可以用于表示一个二进制数字，所以这种信号被叫做数字信号。

关于数字信号的传输问题。 数字信号也叫做基带数字信号，它的频谱范围可以从直流到很高的频率。由于信号中低频丰富，只能在有线信道中传输，这就是基带传输。不过，数字信号中的高频成分受到有线信道分布电感和电容的衰减很大，传输距离也很短。下图表明了一个两电位数字信号序列经过短短几十米双绞线传输后的衰减情况。由于信号中的高频成分受到衰减，脉冲信号变得又圆又低，这种衰减将导致接收机在对数字信号识别时出错。因此

一般仅在机器内部或机器与外设之间采用基带传输。 为了增加数字信号的基带传输距离，必须使用再生器。再生器将接收到的受到衰减的数字信号重新整形和放大后再传输出去，这样就克服了衰减和失真对数字信号的不良影响。尽管如此，传输范围还是有限，仅适用于像局域网那样的小范围。 对于数字信号的长距离传输，必须采用调制器将数字信号转换成模拟信号，进行频带传输。因为调制信号的频谱特性能够很好地适应有线信道和无线信道的通频带特性，信道对它的衰减较小，所以它可以通过这些信道传输到远方的接收端。接收端的解调器对调制信号进行解调就可以恢复发送端传输来的数字信号。

3. 噪声 系统或用户不希望出现的任何信号都是噪声。对于 数字通信来说，噪声将增加误码率，降低信道的数据传 输速率。通信系统中主要存在以下四种噪声。 1) 热噪声 热噪声是由带电粒子在导电体中的不规则布朗运动引 起的。 2) 交调噪声 当不同频率信号输入同一设备时，出现的新的频率信 号叫做交调噪声。它是由设备中的非线性元器件引起。

3) 串音 一个信道中出现的其他信道的信号，叫做串音。这是由信道之间的不良耦合造成的。 4) 脉冲噪声 脉冲噪声是突发的短暂高电压或大电流。例如，开关电器设备、汽车点火、雷电、电动机和发电机运行等等产生的电火花都会在信号中引起脉冲噪声。

1.3 模拟通信系统和数字通信系统 现代通信系统既采用模拟通信技术，也采用数字通信技术。一般来说，只要通信系统中采用了计算机，就可以认为该系统是数字通信系统，如图所示。由于数字通信采用的是数字信号，相对模拟信号有很多 优点，现在已 经成为主流通 信方式。所以， 本课程主要学 习数字通信原 理。

1.4 数字通信优点及主要性能指标 数字通信与模拟通信相比,有如下一些优点： 1.4.1 数字通信的优点 1. 有效消除噪声和干扰 1.4 数字通信优点及主要性能指标 1.4.1 数字通信的优点 数字通信与模拟通信相比,有如下一些优点： 1. 有效消除噪声和干扰 信号在传输的过程中总是会有噪声和干扰叠加在 信号上，当噪声和干扰的频谱以及幅度与模拟信号的 差不多时，接收机很难将噪声和干扰从模拟信号中彻 底消除，很难有效降低模拟信号中叠加的噪声和干 扰，只好将噪声、干扰和信号一起同时放大、传输。 随着传输距离的增加，模拟放大器也将会随之增多， 噪声和干扰也会越来越大。由于这个原因，模拟信号 中的噪声和干扰是有积累的，对远距离通信质量产生 很大的不利影响。

数字信号是一种电脉冲信号。 对于二进制数字0和1来说，它是用电脉冲的有和无，或者电脉冲的正和负极性来表示的，技术上可以采用限幅和对电脉冲定时采样的办法来消除信号中叠加的噪声和干扰。 当采用限幅技术时，可以直接消除叠加在脉冲信号上的噪声和干扰，这是一种比较简单的方法。当采用定时采样的方法时，如果采样值不超过规定的门限值，判定脉冲无，对应二进制数字0；如果采样值超过规定的门限值，判定脉冲有，对应二进制数字1。或者，当采样值为正电压，判定为二进制数字1；当采样值为负电压，判定为二进制数字0。接收机用这种方法就可以正确地恢复出与原始信号相同的数字信号序列，有效消除噪声和干扰对信号的影响，提高通信质量。

2. 可靠性高 在对数字信号进行信道编码时,将加入校验码。接收机利用校验码检查信号是否传错。如果检查出有错码，接收机可以请求重发信号或自行纠正错误，提高可靠性。 对于实时的语音和实况直播视频节目来说，只可以采用自行纠错，而不能采用请求重发信号的方法纠正错误。数字信号中的噪声和干扰容易被消除也有助于降低误码率，提高传输可靠性。

3.频带利用率高 通过将一个节目数字化，我们很容易将其中重复的信号压缩掉,这样就可以降低传送节目所需的最低数据传输速率，从而降低对信道最小带宽的要求，提高了信道频带的利用率。例如，对活动图像的数字信号压缩后，我们可以利用低速信道来传输活动图象。如果传输信道带宽不变，去掉重复信号后可以减少传输时间，缩短了对信道的占用时间，提高了信道的利用率。

4. 安全性高 数字信号本身就具有很好的保密性。模拟无线通信系统的通信内容很容易被窃听。因此，模拟蜂窝移动通信使爱管闲事的人和揭露丑闻的记者受益非浅。虽然可以使用加密设备对模拟信号进行加密,但通常不怎么可靠，容易被非法的模拟信号解密器破解。现代数字通信技术以使用数学算法将所有信号加密。加密的复杂程度主要取决于接收机的解密能力，接收机解密的能力有多强大，数字信号加密的程度就可以有多复杂，这将使非法窃听变得很困难。值得注意的是，无论加密的复杂程度有多大,加密后的数字信号并不比加密前占用更多的带宽，对用户来说，不用增加额外的经济负担。

5. 有利于使用计算机 计算机是采用数字信号工作的，数字通信系统有利于采用计算机来提高通信效率和通信质量，降低通信网络建设和维护成本。

6. 有利于采用数字交换技术 数字信号可以很容易地存储在存储器中,以便用时分方式和分组交换方式共享通信信道。在TDMA(时分多址接入)系统中, 每一在线用户仅在部分时间占用信道,用户的信号在发送之前保存在交换节点存储器中。分组交换系统则将待传数字信号分成大小相同的分组，并将这些分组存储在路由器的存储器中,一旦路由器计算机在与节点相连的支路中发现了合适的空闲支路，便以“见缝插针”的方式将不同的分组送到不同的空闲支路上传输出去。接收点收到这些分组后，再把它们按原来的顺序组装成完整的文件发往收信终端。分组交换是互联网和2.5G以后的数字蜂窝移动通信网络采用的主要技术。

传输速率是数字通信系统的重要指标之一，数字通 信系统有三种传输速率。 1)调制速率 调制速率表示在数字信号调制过程中，单位时间内 1.4.2 数字通信系统的主要指标 1.传输速率 传输速率是数字通信系统的重要指标之一，数字通 信系统有三种传输速率。 1)调制速率 调制速率表示在数字信号调制过程中，单位时间内 对载波的调制次数，简称波特率，单位是（Baud）。 如果单位调制信号波形的持续时间是Ts ，调制速率 为 ， RB = 1/ Ts (Baud) 一个单位调制信号波形就是一个类似电报的码元，所以，调制速率也可以定义为每秒传输的码元个数，故调制速率又称为码元速率。

下图是由二进制脉冲信号对模拟载波信号的幅度、频率或相位调制产生的几种调制信号波形 。

下图是由每两个二进制脉冲信号对载波相位调制一次产生的四相位QPSK调制信号波形 。 如果每个调制波形的持续时间TS=833×10-6 s, 调制速率为1200波特。可以看出，每个调制信号波形携带2bit信息。

2) 信息传输速率 信息传输速率是单位时间内传输的信息量，由下面的公式计 算， Rb = RB· log2 M （bit/s） 式中， Rb是信息传输速率，单位为bit/s或bps； RB是调制速率或码元速率，单位为波特； M = 2、4、8或16，是码元的状态数。 由上述关于码元速率的概念可知， log2 M表示每一码元（单 位调制信号波形）携带的信息量。在码元速率RB一定的情况下， 码元的状态数M越多，表示每一码元携带的信息量log2 M越大，信 息传输速率Rb越高 。 从前面的图中可以看出， Rb = RB· log2 M实际上是二进制数据的传输速率。所以也将信息传输速率称为数据传输速率，表示单位时间内传输的二进制数据0和1的位数。 系统对于二进制数据的传输速率是最重要的传输速率。

例1 ：两状态调制波形的周期是0.013秒。其调制速率为， RB = 1/ Ts = 1/0.013 = 75 （Baud）； 信息传输速率为， Rb = RB· log2 M = 75 × log2 2 = 75 (bps) 。 由例1可知，对于二进制数字通信来说，码元速率或调制速率与信息传输速率相等。

= 1/（833 ×10-6） = 1200（ Baud）； 例2：8相调制信号波形的周期是833 ×10-6 秒。其调制速率为， RB = 1/ Ts = 1/（833 ×10-6） = 1200（ Baud）； 信息传输速率为， Rb = RB· log2 M = 1200 × log2 8 = 3600 (bps) 。 3600bps也是二进制数据传输速率。

3) 字符传输速率 字符传输速率是单位时间内传输的字符数 量，单位一般是字符/分。计算字符传输速率 时需要考虑用多少比特来表示一个字符，还需 要从信息传输速率中扣除附加的信息比特。 例 ： 系统的信息传输速率Rb = 2400bps，当 采用起止同步方式传输ASCII码字符时，字符 传输速率为 Rc=(2400×60)/（8+2）=14200 （字符/分） 式中，“8”是每个ASCII码字符的二进制位（bit） 数；“2”是每个字符的二进制位前的起始位和终 止位数之和。

作业 思考题 一般现代通信系统由哪几大部分组成？各部分的作用是什么？ 对于数据通信系统来说，信息、数据和信号之间是什么关系？ 一数字通信系统的信息传输速率Rb = 2400bps，码元状态数M=4， 求调制速率RB 。 思考题 数字通信与模拟通信相比,有哪些优点？ 基带数字信号适合长距离传输吗？为什么？