北京工业大学电子控制学院 Email: ecsun@bjut.edu.cn 本课程必修课程包括信号与系统、电路分析、数字电路、概率论等。本课程后续课程包括移动通信、卫星通信、光通信 【教学目标】 本课程是电子通信专业的一门重要课程。 它既是一门基础理论课，又是一门专业课。 通过本课程的学习，学生可以打下良好的理论基础，初步培养分析和设计通信系统的能力。 【课程要求】掌握数字通信的基本概念、基本理论和基本分析方法； 熟悉通信系统的组成和工作原理； 了解通信系统主要组成部分的实现【美】John G. Proakis，《数字通信》，电子工业出版社 1.1 通信系统的基本组成 1.2 通信系统的分类和信息传输方式 1.3 信息及其测量 1.4 主要性能指标1.5 传播渠道 1.1 基本概念 信息：人们需要了解的有效内容。 消息：用来表达信息的某种物理形式，如符号、文字、语言、音乐、图像等。 信号：承载信息的某种物理形式，如电信号、光信号等。 通信的定义 通信：有效、可靠地将包含信息的消息从一个地方传输到另一个地方（其他地方）的过程。 通信的目的是传输包含信息的消息。 通信的实现方法是将消息变成相应的信号进行传输。 信号实际上是信息的载体。 通信系统的组成：通信系统是指完成通信过程的所有设备和传输介质，它由传输设备和线路组成。
1.1.1 通信系统模型 来源：消息生成。 生成消息的地方。 它的作用是将各种信息转换成原始的电信号。 它的作用是将各种信息转换成原始的电信号。 消息：承载信息（如字母、数字等离散消息）或连续时间函数（如语言、运动图像等连续消息）的有序符号序列 1.1.1 通信系统模型发送端：将消息转换成合适的信道信号进行传输。信号完成编码、调制等任务，是消息的载体。 当它是时间的连续函数时，称为“连续信号”或“模拟信号”。 当时间上离散时，称为离散信号。 当时间和值都是离散的时，称为数字信号。 通道：信号传输的通道。 信号传输的通道，将信号从发送者传送到接收者的媒介或方式（通道）。 噪声源：噪声源。 噪声分散在系统的各个点。 为了分析方便，将噪声源集中在上图中的一个方框内。 接收者：消息传输的目标对象。 消息的来源和接收者可以是人，也可以是设备，统称为发送者和接收者。 10 模拟信号和数字信号 模拟信号参数（幅度、频率或相位）随消息不断变化或者是不可数信号。 特点：时间上可以是连续的，也可以是不连续的。 例如：语音信号和脉冲幅度调制（PAM）信号等。 1.1.1 通信系统模型 11 数字信号幅度（电压或电流）的值不仅是时间的离散函数，而且也是一个值有限且可数的离散值。 例如：计算机输入输出信号及各种数据信号、电报信号、脉冲编码调制PCM信号等。 1.1.1通信系统模型 12 模拟通信：使用模拟信号传输消息的通信 数字通信：使用数字信号的通信相应地，通信系统被称为模拟通信系统和数字通信系统。
模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输。 例如，数字电话以数字模式传输模拟语音。 数字信号经过调制后也可以在模拟通信系统（传统电话网络）中传输。 1.1.1 通信系统模型 13 发射机简化为模拟调制器，接收机简化为模拟解调器。 调制主要用于通信系统中的信号变换。 特点：它的频谱从接近零频率开始，延伸到通常小于几MHz的有限值。 直接传输基带信号的称为基带传输，如有线广播、直流电报等。 调制和解调在信号变换中起着决定性的作用，是保证通信质量的关键。 其他处理过程不会引起信号的质变，一般认为是理想的，可以合并到通道中。 1.1.1 通信系统模型 源调制器 噪声源 解调器 通道14 源编码：用于提高信息传输有效性的信号处理措施，例如压缩编码。 课本上的数字加密模块就合并到这里了。 现在是源编码。 同步：在数字通信系统中保持发送端和接收端的信号在时间上一致是必不可少的。 其位置往往不固定，图中也未示出。 1.1.1 通信系统模型 15 数字通信的特点（优点）：抗干扰能力强、无噪声积累（信号码判断可重新生成，可去除传输过程中的噪声积累）、可靠性高、检测和误码能力强通过编码进行校正，易于加密和通用 高性能和灵活性（缺点） 占用频率带宽 数字通信的许多优点是以比模拟通信占用更宽的带宽为代价的。 高同步要求使系统设备更加复杂 1.1.1 通信系统模型 161.1 通信系统 通信系统的基本组成 1.2 通信系统的分类和信息传输方式 1.3 信息及其测量 1.4 通信系统的主要性能指标 1.5 信道 171.21.2.1通信系统的分类 – 按消息的物理特性分类 – 电报、电话、数据、图像通信 – 按调制方式分类 – 基带、频带传输系统 – 按信号特性分类 – 模拟、数字通信 – 按传输介质分类 – 有线、无线通信 - 按信号复用方式划分--FDM、TDM、CDM... - 按工作频段划分——长波、中波、短波通信 - 按通信范围划分：点对点、点对多点、网络通讯等
181.21.2.1 通信传输方式——按报文传输方向和时间分为双工、半双工和单工——按数据码排列分为串行和并行传输 191.2.1 (1)单工(Simplex)特点：数据只能在一个方向上传输。 201.2.1 半双工（HalfDuplex）特点：数据可以双向传输，但数据不能同时传输。 必须交替传输。 同一时间只允许向一个方向传输。 [双向，但不同时] 每端都需要一个接收/发送电子开关。 211.2.1 全双工（FullDuplex）双方可以同时发送和接收数据的通信方法。 数据的发送和接收通过两条传输线进行传输，可以同时在两个不同的站点发送和接收。 221.2.1 串行通信：在传输线上按时间顺序传输数据位。 每一位数据都从源传输到目的地。 串行通信适用于长距离、中低速通信。 它易于实现，是一种常用的传输方法。 231.2.1 并行通信：同时在多条并行传输线上传输数据位。 每一位数据同时从源传输到目的地。 适用于短距离、高速通信。 常用于计算机与外围设备之间的现场通信或数据传输。 241.1 通信系统的基本组成 1.2 通信系统的分类和信息传输方法 1.3 信息及其测量 1.4 通信系统的主要性能指标 1.5 信道 251.3 信息：对消息统计特性的定量描述。
人们在得到新闻之前，对其内容存在着一种“不确定性”，而信息就是对这种不确定性的定量描述。 信息的大小与消息所代表的事件的随机性或事件发生的概率有关。 衡量信息大小的物理量称为信息量。 当a=2时，信息量的单位为比特； 当a=e时，信息量的单位为Nat； 当a=10时，信息量的单位为Hartley。 目前广泛使用的单位是比特。 261.3 离散源的平均信息量（源熵） 假设源输出M个统计上独立的符号，它们出现的概率分别为，则每个符号所包含的信息量的统计平均值为离散源 量是（比特/符号）源的平均信息量，也称为源熵。 信息论证明卫星电话原理，当信源的每个符号以等概率独立出现时，信源熵最大，存在最大信息 271.3 信道容量的定义：信道无差错传输信息的最大信息速率，记为 C式中，B为通道。 带宽（Hz），S是信号的平均功率（W），n0是噪声的单边功率谱密度（W/Hz），N=n0B是噪声功率281.3香农公式告诉我们以下重要的内容结论——信道容量C随S/N的增加而增大，当n00C时，即无干扰信道的容量为无穷大； – 信道容量C随着B的增大而增大，但不能无限增大，即B时，C1.44(S/n0)； – 当C一定时，B和(S/N)可以互换。
理论意义——香农公式给出了在受干扰的信道中可以无差错地传输信息的最大信息速率。 不可能实现信息的无差错传输，但可以采用各种方法以尽可能小的差错概率来传输香农公式的最终信息率； –香农公式指出卫星电话原理，在不同的信道环境下，可以采用不同的信号来实现无差错传输 29 1.3 举例：黑白电视图像的每一帧包含 30 万个像素，每个像素有 16 个独立且等概率的亮度级别。 要求每秒传输30帧图像。 如果通道输出S/N=30 dB，则计算传输黑白电视图像所需的通道最小带宽。 解：每个像素平均携带的信息量为 30 1.3 某个源的符号集由 A、B、C、D、E 组成。假设每个符号独立出现，其出现概率分别为 1/4 和 1 /8 分别。 、1/8、3/16 和 5/16； 源以 1000Bd 的速率传输信息。 （1）求一小时内可以传输的信息量； (2)求一小时内可以传输的最大信息量。 31 1.1 通信系统的基本组成 1.2 通信系统的分类和信息传输方式 1.3 信息及其测量 1.4 通信系统的主要性能指标 1.5 信道 32 1.4 性能指标涉及系统的各个方面：有效性、可靠性、适应性、标准化、经济性有效性是指“速度”问题，要求消息的高效传输。 讨论如何以最合理、最经济的方式传输最大数量的消息。
可靠性是指一个“质量”问题，要求消息传输准确可靠。 是衡量如何发送和接收类似消息的指标。 模拟通信系统：复用技术提高了有效性，通过有效传输频带来衡量。 可靠性通过输出信噪比来衡量。 主要考虑加性干扰的影响。 测量：输出信噪比。 33 1.4 码元速率（码传输速率）——每秒传输的码元数量，与码元无关，单位——“波特”（频带），符号——“B”两者之间的关系：假设信息速率为R。数字通信系统的可靠性是用误码率来衡量的，误码率是消息传输可靠性的重要性能指标。 误码率：错误接收的符号数占发送符号总数的比例。 准确地说，编码中的某个元素在传输过程中被错误接收的概率。 误码率：错误接收的比特数占发送比特总数的比例。 具体来说，传输的每一位信息被错误接收的概率。 1.1 通信系统的基本组成 1.2 通信系统的分类和信息传输方法 1.3 信息及其测量