前言

作为高等学校电子信息类本科专业的一门专业基础课或专业课，“通信原理”在培养计划中占有极其重要的地位。它不仅是各种通信技术的理论基础，同时还是“高等数学”“数理统计”“概率论”“随机过程”“模拟电路与数字电路”“信号与系统”等基础课内容的集中体现与应用，是基础课与专业课的纽带或桥梁。由于该课程内容涵盖面广，对教师的知识面和学生基础知识的掌握程度要求较高，所以，其教授与学习相对于其他课程一直是比较困难的。

本着“易教易学”的原则，我们根据自己长期的教学实践和经验，参考部分大学的教学大纲，编著了这本观点独到、内容全面、例题丰富、文笔通俗的大学本科教材，以期为高等学校人才培养贡献绵薄之力。

很多人没有意识到“通信”与“交通”有不少相同的概念和相似的功能，因此，本书把通信系统与交通系统进行类比，期望用比较易于理解的交通概念诠释难懂的通信相关内容。这也可以算是本书的一大特色吧。

本书可作为高等学校通信工程、电子信息工程、物联网工程、网络工程和计算机科学与技术等本科专业的必修课或选修课教材，同时，也可作为有志青年的自学教材和工程技术人员的业务参考书以及大学生的考研参考书。

0.1通信的意义

当今社会是一个信息化社会。人类正面临着前所未有的因巨大信息量而带来的压力和挑战，而以信息传递为己任的通信技术，更是以令人难以想象的速度迅猛发展，并渗入人们生活和工作的各个角落。

各种通信技术以及计算机网络的广泛应用全面改变了人类的精神与物质生活，为经济发展提供了无限的商机，为科学研究和生产实践提供了广阔的舞台，并将对科学技术的全面发展和人类社会的共同进步产生巨大的推动作用，这主要表现在以下几个方面。

(1) 传统技术的升级换代。基于调制原理的模拟无线电广播和电视技术将逐步进入全数字化时代并形成数字广播电视网，从而可以提高通信质量，增加节目数量，实现交互通信。另外，数字广播电视网、计算机网络和电信网的融合，也将极大地提高各种信息的交互和使用的便捷性，使信息技术和通信技术上升到一个新的台阶。

(2) 传统服务业务的扩展。固定电话与移动电话的互联互通极大地方便了人们的信息与感情交流。数据通信技术的发展，不但使我们享受高质量的传统话音通信服务，同时提供了更多的服务项目，例如短信息、视频通话、上网、GPS定位与导航和手机电视等。

(3) 电子交流。人与人之间的信息与情感交流方式由于生活和工作节奏的加快，将从传统的面对面谈话、登门拜访、信函通信向电子交流方式发展，例如，普通电话、可视电话、Email、短信息、微信服务等。网上聊天、网上交友将成为年轻人的新时尚。基于Internet的信息交流和共享，为科技研究和产品开发等提供了极大的便利。

(4) 电子商务。电子商务就是可以通过网络进行的所有人类经济活动的总和。有了电子商务，人们不用再为进货销售东奔西跑，不用再为生意合同频频会面，不用再为付款催账而成为银行的常客，足不出户即可在分分秒秒之间完成这些昔日耗费大量精力和物力的商务活动。对于喜欢上街购物而又没有时间的妇女来说，到网上浏览各种网络商店，随心所欲地选购自己喜爱的商品，然后坐等送货上门，这种通过网络付款的购物方式，不仅满足了生活所需，而且免去了腿脚之劳，将成为一种购物时尚。由电子订单、电子合同、电子货币、电子支票、网络银行、网络商店等基本要素构成的电子商务被认为是现代化的一个标志，是人们经济活动方式的一次飞跃。

(5) 电视会议。传统的聚众开会将成为历史。不同地区甚至不同国家的人们可利用网络召开身临现场般的电视会议。这样不仅节省大量的差旅费，而且更迅速、更方便。

(6) 远程教育。远程教育不仅将为那些远离学校和难以入校的人们带来福音，极大地拓宽受教育面，同时也将改变传统的课堂教育模式。配合视频点播功能可使受教育者随时随地自由选择学校和课程并进行学习。

(7) 远程医疗。到医院看病治疗一直是人们比较头疼的问题，尤其是在缺医少药的偏远地区。有了远程医疗，人们在家中通过网络不仅可以寻医问药，还能遍邀世界各地的名医专家会诊治病，从而大大提高人类健康水平和预防与治疗疾病的水平。

(8) 网上娱乐。你想打桥牌吗？你想找人纹秤对弈吗？网络时代的很多娱乐活动将不再需要人们共聚一室，你可通过网络与世界各地的爱好者同享此乐。

(9) 视频点播。现在虽然电视节目有很多，但人们仍觉得可看(自己喜欢)的节目太少。视频点播将结束人们的这种烦恼，人们在家中可随意到自己热衷的电视台点播自己喜欢的各类电视节目。

(10) 信息战。以通信技术为主要手段的新型作战方式，例如信息战、电子对抗、激光制导等正逐步取代传统的士兵对抗作战方式。未来战争将在很大程度上依赖于先进的科学技术。交战双方不再是拼兵力，而是拼通信技术，拼干扰和抗干扰技术，拼反应速度，拼制导武器的打击精度。

(11) 万物相联。物联网作为信息产业的第三次浪潮(PC和互联网分别是前两次浪潮)已经汹涌澎湃地扑面而来。物联网的应用将极大地改变人类的生活和工作模式。任何时间、任何地点、任何人、任何物的信息交互将成为可能，人类将进入一个前所未有的互联互通时代。作为信息领域的新宠，物联网的核心技术就是无线通信、微电子技术和云计算。

凡此种种，不胜枚举。可见，通信技术在我们的生产和生活中扮演着极其重要的角色，各种通信业务已经成为人们生活中不可或缺的组成部分，有关通信方面的知识和技能也已经成为广大民众生活和工作之必需。

0.2通信原理课程内容与讨论的问题

“通信原理”课程的主要内容见图01。模拟通信和数字通信是其讨论的两大重点。因此，该课程所研究讨论的基本问题也是围绕着这两个主题展开的。

图01通信原理课程主要内容树

现代通信技术所涉及的主要问题概括地说就是如何把信息大量、快速、准确、广泛、方便、经济、安全、长距离地从信源通过传输介质传送到信宿。基于这样一个宏观认识，通信原理课程具体研究讨论如下问题。

1. 在模拟通信领域

(1) 基带信号特性。通过各种换能器或传感器(话筒、摄像头等)得到的携带事物模拟信息(语音或影像等)的原始信号就是模拟基带信号。基带信号的特性主要由其频谱所反映。研究其特性实际上就是讨论其频谱。

(2) 调制与解调原理。基带信号不适合无线传输和长距离传输。因此，需要通过某种技术手段才能解决问题，而调制与解调就是解决该问题的一把利器。

(3) 信道与噪声特性及其对信号的影响。模拟通信的根本任务是在信宿可靠地再现出信源发出的信号，而信号在信道的传输过程中会受到信道与噪声的影响，并体现在信噪比上。

(4) 噪声下的系统性能。各类噪声有的存在于通信系统内部，有的由外部环境产生，没有不受噪声影响的通信系统。因此，需要研究在相同外部环境下不同通信系统的传输特性以及一个通信系统怎样达到最佳性能等问题。具体地说，主要就是系统带宽和信噪比问题。

显然，对于模拟通信而言，最主要的问题就是如何对信号进行“调制/解调”和如何提高通信系统的“信噪比”。

2. 在数字通信领域

(1) 模/数和数/模转换。早期的数字通信主要完成语音或影像这类模拟信息(信号)的传输。通信过程的第一步就是在发信端实现模拟到数字信号的转换，同时，在接收端要进行反变换——数/模转换。显然，如何高效、准确、方便、经济地完成该任务就是数字通信首先需要解决的问题。

(2) 编码与译码。通常，一个数字通信系统有三对编/译码模块，即信源编/译码、信道编/译码和线路编/译码模块。它们的主要功能是实现数字通信以及提高通信系统的可靠性(降低误码/误信率)。

(3) 同步。在数字(数据)通信系统中，信宿要想准确地接收或恢复信源发出的数字信号，就必须按信源发送的节拍接收信号，也就是“同步”。

(4) 调制与解调。同模拟通信一样，数字通信也需要调制传输，因此，调制与解调也是其讨论的主要问题之一。

显然，对数字通信而言，主要问题就是如何“调制/解调”“编码/译码”和保持“同步”。

综上所述，为了提高通信系统的有效性和可靠性，通信原理课程所研讨的主要问题是： 调制/解调、编码/译码、同步。

0.3通信技术发展史

自19世纪初电通信技术问世以来，在短短的一百多年时间里，通信技术的发展可谓日新月异。“千里眼”“顺风耳”等古人的梦想不但得以实现，而且还出现了许多人们过去想都不曾想过的新技术。回顾通信技术的发展史有利于我们更好地了解与掌握这门科学知识。通信技术发展历史简表见表01。

表01通信技术发展历史简表

年份事件

1837莫尔斯发明有线电报，开创了电信的新时代，也是数据通信的开始

1864麦克斯韦预言了电磁波的存在，建立了电磁场理论

1876贝尔发明有线电话，也是模拟通信的先驱

1887赫兹验证了麦克斯韦的理论，实验证明了电磁波的存在

1900马可尼首次发射横跨大西洋的无线电信号

1905费森登通过无线电波传送语音与音乐

1906福雷斯特发明真空三极管放大器

1918阿姆斯特朗发明超外差接收机； 调幅无线电广播问世

1920卡森将抽样定理用于通信系统

1931电传打字机服务开始

1933阿姆斯特朗发明调频技术

1936英国广播电视台(BBC)开播

1937里夫斯(AlecReeves)提出脉冲编码调制(PCM)

1945美国研制出第1台电子数字计算机

1947贝尔实验室的布莱顿、巴丁和少克莱发明晶体管

续表

年份事件

1948香农发表信息论

1953第一条横渡大西洋的电话电缆成功铺设

1960—1970梅曼发明激光器； 美国开始立体声调频广播(1961)； 发明集成电路； 美国发射第一颗通信卫星(1962)，卫星通信步入实用阶段； 实验性的PCM系统； 实验性的光通信； 登月实况电视转播(1968)

1971—1980商用通信卫星投入使用； 第一块单片微处理器问世； 演示蜂窝电话系统； 个人计算机出现； 大规模集成电路时代到来； 光纤通信系统投入商用； 开发出压缩磁盘

1981—1990移动、蜂窝电话系统； 多功能数字显示器； 可编程数字处理器； 芯片加密； 压缩光盘； 单片数字编译码器； IBM PC出现； 传真机广泛使用； 以太网发展； 数字信号处理器发展； 卫星全球定位系统(GPS)完成部署(1989)

1991—2000GSM移动通信系统投入商用(1991)； 综合业务数字网(ISDN)发展； Internet和WWW普及； 直接序列扩频系统； 高清晰广播电视(HDTV)； 数字寻呼； 掌上电脑； 数字蜂窝

2001年至今进入基于微处理器的数字信号处理、数字示波器、高速个人计算机、扩频通信系统、数字通信卫星系统； 数字电视(DTV)，个人通信系统(PCS)和物联网时代

0.4教学建议

本教材建议参考学时数为60左右，学时分配见表02。

表02授课计划表

章次内容学时章次内容学时

第1章通信与通信系统2第7章数字信号的基带传输6

第2章确知信号2第8章数字信号的带通传输8

第3章随机过程4第9章数字信号的最佳接收8

第4章信道与噪声4第10章差错控制编码8

第5章模拟调制6第11章同步原理6

第6章脉冲调制与模数转换6

0.5致谢

本书由长安大学张卫钢教授和西安电子科技大学曹丽娜教授共同编著。

感谢陈英、钱晓贤、熊建芳、邱瑞、张弢、董欢为本书所做出的贡献； 对书中所引用参考文献的作者和译者表示衷心的感谢和崇高的敬意。

对于书中出现的缺点与不足恳请广大读者指正。

作者联系方式： wgzhang@chd.edu.cn；  ccllna@163.com。

张卫钢曹丽娜

2016年6月于西安