通信原理第1章-序論課件

通信原理第一章緒論

1第一章緒論通信原理第一章緒論1第一章緒論第1章緒論1.1引言

1.2通信系統(tǒng)模型

1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式1.4信息及其度量

1.5主要性能指標(biāo)

2第一章緒論第1章緒論1.1引言2第一章緒論1.1引言

1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱(chēng)為通信。人類(lèi)自存在以來(lái)，在生存和斗爭(zhēng)中總要進(jìn)行思想交流和信息的傳遞，通信自古以來(lái)一直沿著人類(lèi)歷史前進(jìn)的足跡不斷地發(fā)展。遠(yuǎn)古時(shí)代的通信：表情、動(dòng)作；文明古時(shí)代的通信：語(yǔ)言、文字、烽火告警、驛馬傳令等；近代、現(xiàn)代的通信：電報(bào)、電話、廣播、傳真、電視、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、人工智能等。電信號(hào)給予通信一個(gè)質(zhì)的飛躍。3第一章緒論1.1引言1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱(chēng)為通信。1837年，Morse發(fā)明電報(bào)；1876年，貝爾，發(fā)明電話；1887年，赫茲，證明電磁波的存在；20世紀(jì)初，調(diào)幅調(diào)制方式；1936年，調(diào)頻技術(shù)FM發(fā)展；1928年，奈奎斯特定理的提出（抽樣定理）1937年，PCM通信的發(fā)明1955年，皮爾斯衛(wèi)星通信；1962年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星TELSTAR大規(guī)模的集成電路的發(fā)展。通信發(fā)展歷程4第一章緒論1837年，Morse發(fā)明電報(bào)；通信發(fā)展歷程4第一章緒論2、通信網(wǎng)概念：為了完成多用戶中任意兩個(gè)用戶之間信源與信宿之間的通信過(guò)程,一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱(chēng)之為通信網(wǎng)。3、通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）、電視等

2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等

3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等

4）協(xié)議和準(zhǔn)則通信技術(shù)是一門(mén)年輕但發(fā)展迅速的新技術(shù)，已由簡(jiǎn)單的通信技術(shù)發(fā)展成為通信科學(xué)。5第一章緒論2、通信網(wǎng)概念：3、通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)通信的發(fā)展必須在通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成一套科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系，并得到普遍的遵循和貫徹。4、通信的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)由很多種：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)和非軍用標(biāo)準(zhǔn)等。隨著現(xiàn)代技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，現(xiàn)代通信都以網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行，入網(wǎng)用戶數(shù)目巨大、業(yè)務(wù)類(lèi)型繁多、處理大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及多媒體業(yè)務(wù)；終端設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量不斷增多；通信設(shè)備越來(lái)越廣泛，遍布陸地、海洋、天空、地下以至于外層空間……6第一章緒論通信的發(fā)展必須在通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成一套4、本課程的主要任務(wù)

本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系統(tǒng)的組成、原理和性能指標(biāo)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是指由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）以及ISO公布的其他27個(gè)國(guó)際組織通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)，在27個(gè)國(guó)際組織中，與通信最密切的有兩個(gè)：國(guó)際無(wú)線電通信咨詢(xún)委員會(huì)：CCIR國(guó)際電話電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)：CCITT7第一章緒論4、本課程的主要任務(wù)

本課程主要介紹信息端到端的1.2通信系統(tǒng)模型

1.2.1通信系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱(chēng)為通信系統(tǒng)?；镜狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)模型：噪聲源信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者消息－原始電信號(hào)原始電信號(hào)－傳輸信號(hào)傳輸信號(hào)－原始電信號(hào)原始電信號(hào)－消息8第一章緒論1.2通信系統(tǒng)模型1.2.1通信系統(tǒng)模型噪聲源信息1.信源電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。模擬信源，輸出的是模擬信號(hào)；數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號(hào)。信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱(chēng)之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。9第一章緒論1.信源電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備2.發(fā)送設(shè)備變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。10第一章緒論2.發(fā)送設(shè)備變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制3.信道信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無(wú)線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同，需要對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。11第一章緒論3.信道信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入4.噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。12第一章緒論4.噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)5.接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。6.信宿信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)。其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。13第一章緒論5.接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變1.2.2模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)模型連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。1.消息

消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體——電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，消息與電信號(hào)之間必須建立單一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把消息載荷在電信號(hào)的某一參量上，14第一章緒論1.2.2模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)模型連續(xù)消息是指消息的狀凡電信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為模擬信號(hào)，如電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。2.信號(hào)按電信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

模擬信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化，或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)。15第一章緒論凡電信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直凡電信號(hào)參量只能取有限個(gè)值（離散），并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。

數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。16第一章緒論凡電信號(hào)參量只能取有限個(gè)值（離散），并且常常不直模擬信號(hào)波形(a)連續(xù)信號(hào)；(b)抽樣信號(hào)17第一章緒論模擬信號(hào)波形(a)連續(xù)信號(hào)；(b)抽樣信號(hào)17第一章數(shù)字信號(hào)波形(a)二進(jìn)制波形；(b)2PSK波形18第一章緒論數(shù)字信號(hào)波形(a)二進(jìn)制波形；18第一章緒論3.通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。（1）模擬通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端噪聲調(diào)制器信道解調(diào)器信宿信源19第一章緒論3.通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字1）兩種變換連續(xù)消息基帶信號(hào)基帶信號(hào)/調(diào)制信號(hào)頻帶信號(hào)/已調(diào)信號(hào)2）調(diào)制與解調(diào)信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，其頻譜從零頻附近開(kāi)始，如語(yǔ)音信號(hào)為300-3400Hz，圖像信號(hào)為0-6MHz。由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)（頻帶信號(hào)），并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。20第一章緒論1）兩種變換2）調(diào)制與解調(diào)信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，其已調(diào)信號(hào)的基本特征：攜帶有信息適合在信道中傳輸信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱(chēng)頻帶信號(hào)。3）已調(diào)信號(hào)/頻帶信號(hào)——經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過(guò)程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。21第一章緒論已調(diào)信號(hào)的基本特征：3）已調(diào)信號(hào)/頻帶信號(hào)——經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的4）實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過(guò)程。5）模擬通信的主要特點(diǎn)

1）抗干擾能力差

2）不易于保密通信

3）設(shè)備不易于大規(guī)模集成

4）不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求

5）簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。22第一章緒論4）實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過(guò)程。發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼信源解碼保密編碼噪聲同步技術(shù)問(wèn)題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。（2）數(shù)字通信系統(tǒng)模型23第一章緒論發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱(chēng)之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)；信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼信源解碼保密編碼噪聲24第一章緒論在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字1.信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬（正比），而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性（反比）。作用二:是當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。信源編碼方法：PCM、ADPAM、DM等信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。25第一章緒論1.信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，2.信道編碼與譯碼數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼/差錯(cuò)控制編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。信道編碼：線性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。26第一章緒論2.信道編碼與譯碼數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人3.加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過(guò)程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來(lái)信息，叫解密。27第一章緒論3.加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安4.數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對(duì)相移鍵控PSK、相對(duì)（差分）相移鍵控DPSK。對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)接收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。調(diào)制與解調(diào)不是必須的。28第一章緒論4.數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻5.同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。29第一章緒論5.同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如：數(shù)字電話系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸；例如：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類(lèi)。注意：30第一章緒論模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如：數(shù)字電抗干擾能力強(qiáng)。差錯(cuò)可控。易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。易于加密處理，且保密強(qiáng)度高。數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。數(shù)字通信的主要特點(diǎn)31第一章緒論抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：話務(wù)通信和非話務(wù)通信。非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。按調(diào)制方式分類(lèi):基帶傳輸＆頻帶（調(diào)制）傳輸。按信號(hào)特征分類(lèi):模擬通信系統(tǒng)＆數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒質(zhì)分類(lèi):有線通信系統(tǒng)＆無(wú)線通信系統(tǒng)按工作波段分類(lèi)按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi):頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。1.3.1通信系統(tǒng)分類(lèi)32第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：話務(wù)通信和非話表1-1常見(jiàn)的調(diào)制方式

調(diào)制方式

用途

連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無(wú)線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相移鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信33第一章緒論表1-1常見(jiàn)的調(diào)制方式調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制調(diào)制方式

用途

脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語(yǔ)言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）34第一章緒論調(diào)制方式用途脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途3Hz－30kHz104－108m甚低頻VLF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30－300kHz103－104m低頻LF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz－3MHz102－103m中頻MF同軸電纜短波無(wú)線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無(wú)線電3－30MHz10－102m高頻HF同軸電纜短波無(wú)線電移動(dòng)無(wú)線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無(wú)線電30－300MHz1－10m甚高頻VHF同軸電纜米波無(wú)線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車(chē)輛、通信、導(dǎo)航35第一章緒論

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz－3GHz10－100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)3－30GHz1－10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30－300GHz1－10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無(wú)線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)105－107GHz3×10-6－3×10-4cm紫外可見(jiàn)光紅外光纖激光空間傳播光通信顯而易見(jiàn)，頻率越高，波長(zhǎng)越短。36第一章緒論續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。（1）單工通信，是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，因此只占用一個(gè)信道。廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼等。1.3.2通信方式1、按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分37第一章緒論對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間（2）半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問(wèn)詢(xún)、檢索、科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)通信。38第一章緒論（2）半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行（3）全雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。

普通電話、手機(jī)都是最常見(jiàn)的全雙工通信方式，計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。39第一章緒論（3）全雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工40第一章緒論單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖(a)2、按數(shù)字信號(hào)排列順序分并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。41第一章緒論2、按數(shù)字信號(hào)排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。42第一章緒論串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸43第一章緒論并行和串行通信方式示意圖(a)并行傳輸；(b)串行1.4信息及其度量信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量.任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說(shuō)，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定性的。根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。（1）消息與信息消息——{文字、語(yǔ)言、數(shù)據(jù)、圖像……}信息——消息中包含的有意義的內(nèi)容，是對(duì)消息中的

不確定性的描述44第一章緒論1.4信息及其度量信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。對(duì)接收（2）信息量：傳輸信息的多少

假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息量。問(wèn)題——信源發(fā)出的每一個(gè)消息包含的信息量可能是不相等的，有的消息攜帶信息量多，有的甚至幾乎沒(méi)有什么信息量，那每個(gè)消息攜帶多少信息量，各消息之間的信息量多少的比較如何來(lái)衡量？請(qǐng)看兩條消息：a、中國(guó)乒乓球隊(duì)奪取奧運(yùn)會(huì)冠軍；b、中國(guó)男子足球隊(duì)獲得世界杯賽冠軍?！畔⒘可佟畔⒘看?5第一章緒論（2）信息量：傳輸信息的多少假設(shè)P(x)是一（1）信息量是概率的函數(shù)，即：I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且：P(x)→1時(shí)，I→0；P(x)→0時(shí)，I→∞（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(shuō)，信息具有相加性，即：

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…顯然，消息的信息量與概率有關(guān)：信息量定義：46第一章緒論（1）信息量是概率的函數(shù)，即：I=f［P(x)］顯然信息量的單位信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit)；a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊（Hartley）。目前廣泛使用的單位為比特。信息量——47第一章緒論信息量的單位信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。信息量——4例1-1：設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為：1bit的定義：傳輸兩個(gè)等概率的二進(jìn)制（信號(hào)）波形之一的信息量為1bit。a.等概率情況工程上習(xí)慣將一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)為“1bit”。（3）信息及其度量：48第一章緒論例1-1：設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送1bitM=4時(shí)的信息量為

比特；M=8時(shí)的信息量為

比特。設(shè)M進(jìn)制離散信源，以相等的概率（P＝1/M）發(fā)送M進(jìn)制消息之一，則信源每個(gè)輸出的信息量為思考：一個(gè)M進(jìn)制波形需要用幾個(gè)二進(jìn)制波形表示？則一個(gè)M進(jìn)制波形需要用K二進(jìn)制波形表示。

即每一個(gè)等概率的M進(jìn)制波形包含的信息量等于該M進(jìn)制波形用二進(jìn)制波形表示時(shí)的波形數(shù)K。49第一章緒論M=4時(shí)的信息量為比特；M=8時(shí)的信息量為b.非等概情況設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，其中每個(gè)符號(hào)xi(i=1,2,3,…,n)出現(xiàn)的概率為P(xi)，且有：該信源可表示為（信源空間）：50第一章緒論b.非等概情況設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集一個(gè)x1所包含的信息量：一個(gè)x2所包含的信息量：一個(gè)xi所包含的信息量：一個(gè)xn所包含的信息量：…………若信源發(fā)出一串N個(gè)（N>n）符號(hào)組成的消息串，由先驗(yàn)概率可知：x1發(fā)生x2發(fā)生xi發(fā)生xn發(fā)生傳送信息量：51第一章緒論一個(gè)x1所包含的信息量：一個(gè)x2所包含的信息量：一個(gè)xi所包該信源發(fā)出N個(gè)符號(hào)總的信息量：則平均信息量為：由于H同熱力學(xué)中的熵形式一樣，故通常又稱(chēng)它為信息源的熵，其單位為bit/符號(hào)。52第一章緒論該信源發(fā)出N個(gè)符號(hào)總的信息量：則平均信息量為：?jiǎn)栴}：概率如何分布時(shí)，信源的熵最大?；卮穑寒?dāng)信源分布為等概時(shí)，信源的熵最大。對(duì)于連續(xù)信源，若其連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度函數(shù)為f(x)，則其信源熵為：53第一章緒論問(wèn)題：概率如何分布時(shí)，信源的熵最大?；卮穑寒?dāng)信源分布為等概時(shí)1.5主要性能指標(biāo)有效性和可靠性有效性——指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴?wèn)題；可靠性——指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。54第一章緒論1.5主要性能指標(biāo)有效性和可靠性54第一章緒論1.在模擬通信系統(tǒng)中有效性可用有效傳輸頻帶來(lái)度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。可靠性用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。55第一章緒論1.在模擬通信系統(tǒng)中有效性可用有效傳輸頻帶來(lái)度量，同樣的消息誤差的形成：加性噪聲——信號(hào)在傳輸時(shí)疊加上的噪聲，并始終存在；乘性噪聲——由于信道傳輸特性不理想產(chǎn)生的誤差，如儀器、設(shè)備等，這種干擾隨信號(hào)消失而消失。系統(tǒng)用輸出信噪比SNR來(lái)衡量模擬系統(tǒng)的性能好壞，SNR越大越好，如：普通電話：SNR≥20dB電視圖像：SNR≥40dB56第一章緒論誤差的形成：加性噪聲——信號(hào)在傳輸時(shí)疊加上的噪聲，并始終存在2.在數(shù)字通信系統(tǒng)中有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。（1）碼元長(zhǎng)度和碼元碼元長(zhǎng)度——用時(shí)間間隔相同的符號(hào)表示一位N進(jìn)制數(shù)字，這一時(shí)間間隔稱(chēng)為碼元長(zhǎng)度。碼元——碼元長(zhǎng)度時(shí)間內(nèi)的信號(hào)稱(chēng)為碼元。57第一章緒論2.在數(shù)字通信系統(tǒng)中有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。（1）碼元長(zhǎng)度（1）傳輸速率①碼元傳輸速率RB（簡(jiǎn)稱(chēng)傳碼率，又稱(chēng)波特率等）表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。

數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用log2M個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：58第一章緒論（1）傳輸速率①碼元傳輸速率RB（簡(jiǎn)稱(chēng)傳碼率，又稱(chēng)波特②信息傳輸速率Rb

（簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率，又稱(chēng)比特率等）它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。③傳碼率和傳信率之間的關(guān)系二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)它們?yōu)閿?shù)碼率。59第一章緒論②信息傳輸速率Rb（簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率，又稱(chēng)比特率等）③傳碼（2）差錯(cuò)率

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率，常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即60第一章緒論（2）差錯(cuò)率衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，即在二進(jìn)制中有Pb=Pe思考：當(dāng)M>2時(shí)，Pb？Pe61第一章緒論誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中例1：設(shè)一信息源的輸出由128個(gè)不同符號(hào)組成，其中16個(gè)出現(xiàn)的概率為1/32，其余112個(gè)出現(xiàn)的概率是1/224，信息源每秒發(fā)出1000個(gè)符號(hào)，且彼此獨(dú)立，試計(jì)算該信源的熵和平均信息速率。62第一章緒論例1：62第一章緒論例2：如果二進(jìn)制獨(dú)立等概信號(hào)，碼元寬度為0.5ms，求RB和Rb；若有四進(jìn)制信號(hào)，碼元寬度為0.5ms，試再求RB和Rb。63第一章緒論例2：63第一章緒論

作業(yè)：1-2，1-4，1-8

人類(lèi)對(duì)新技術(shù)的追求是無(wú)止境的，對(duì)新的通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的研究仍在不斷進(jìn)行，新的通信系統(tǒng)和通信技術(shù)也將會(huì)不斷服務(wù)于人類(lèi)。64第一章緒論人類(lèi)對(duì)新技術(shù)的追求是無(wú)止通信原理第一章緒論

65第一章緒論通信原理第一章緒論1第一章緒論第1章緒論1.1引言

1.2通信系統(tǒng)模型

1.3通信系統(tǒng)的分類(lèi)及通信方式1.4信息及其度量

1.5主要性能指標(biāo)

66第一章緒論第1章緒論1.1引言2第一章緒論1.1引言

1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱(chēng)為通信。人類(lèi)自存在以來(lái)，在生存和斗爭(zhēng)中總要進(jìn)行思想交流和信息的傳遞，通信自古以來(lái)一直沿著人類(lèi)歷史前進(jìn)的足跡不斷地發(fā)展。遠(yuǎn)古時(shí)代的通信：表情、動(dòng)作；文明古時(shí)代的通信：語(yǔ)言、文字、烽火告警、驛馬傳令等；近代、現(xiàn)代的通信：電報(bào)、電話、廣播、傳真、電視、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、人工智能等。電信號(hào)給予通信一個(gè)質(zhì)的飛躍。67第一章緒論1.1引言1、通信概念：信息的傳遞過(guò)程稱(chēng)為通信。1837年，Morse發(fā)明電報(bào)；1876年，貝爾，發(fā)明電話；1887年，赫茲，證明電磁波的存在；20世紀(jì)初，調(diào)幅調(diào)制方式；1936年，調(diào)頻技術(shù)FM發(fā)展；1928年，奈奎斯特定理的提出（抽樣定理）1937年，PCM通信的發(fā)明1955年，皮爾斯衛(wèi)星通信；1962年，發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星TELSTAR大規(guī)模的集成電路的發(fā)展。通信發(fā)展歷程68第一章緒論1837年，Morse發(fā)明電報(bào)；通信發(fā)展歷程4第一章緒論2、通信網(wǎng)概念：為了完成多用戶中任意兩個(gè)用戶之間信源與信宿之間的通信過(guò)程,一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱(chēng)之為通信網(wǎng)。3、通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）、電視等

2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等

3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等

4）協(xié)議和準(zhǔn)則通信技術(shù)是一門(mén)年輕但發(fā)展迅速的新技術(shù)，已由簡(jiǎn)單的通信技術(shù)發(fā)展成為通信科學(xué)。69第一章緒論2、通信網(wǎng)概念：3、通信網(wǎng)的構(gòu)成1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)通信的發(fā)展必須在通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成一套科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系，并得到普遍的遵循和貫徹。4、通信的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)由很多種：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)和非軍用標(biāo)準(zhǔn)等。隨著現(xiàn)代技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，現(xiàn)代通信都以網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行，入網(wǎng)用戶數(shù)目巨大、業(yè)務(wù)類(lèi)型繁多、處理大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及多媒體業(yè)務(wù)；終端設(shè)備種類(lèi)、數(shù)量不斷增多；通信設(shè)備越來(lái)越廣泛，遍布陸地、海洋、天空、地下以至于外層空間……70第一章緒論通信的發(fā)展必須在通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成一套4、本課程的主要任務(wù)

本課程主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系統(tǒng)的組成、原理和性能指標(biāo)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是指由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）以及ISO公布的其他27個(gè)國(guó)際組織通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)，在27個(gè)國(guó)際組織中，與通信最密切的有兩個(gè)：國(guó)際無(wú)線電通信咨詢(xún)委員會(huì)：CCIR國(guó)際電話電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)：CCITT71第一章緒論4、本課程的主要任務(wù)

本課程主要介紹信息端到端的1.2通信系統(tǒng)模型

1.2.1通信系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱(chēng)為通信系統(tǒng)?；镜狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)模型：噪聲源信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者消息－原始電信號(hào)原始電信號(hào)－傳輸信號(hào)傳輸信號(hào)－原始電信號(hào)原始電信號(hào)－消息72第一章緒論1.2通信系統(tǒng)模型1.2.1通信系統(tǒng)模型噪聲源信息1.信源電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。模擬信源，輸出的是模擬信號(hào)；數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號(hào)。信源是消息的產(chǎn)生地，其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱(chēng)之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。73第一章緒論1.信源電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備2.發(fā)送設(shè)備變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見(jiàn)的變換方式。對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。74第一章緒論2.發(fā)送設(shè)備變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制3.信道信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。有線和無(wú)線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同，需要對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型，以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。75第一章緒論3.信道信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入4.噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。76第一章緒論4.噪聲源噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)5.接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。其任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。6.信宿信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)。其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。77第一章緒論5.接收設(shè)備接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變1.2.2模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)模型連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的，如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。1.消息

消息的傳遞是通過(guò)它的物質(zhì)載體——電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，消息與電信號(hào)之間必須建立單一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把消息載荷在電信號(hào)的某一參量上，78第一章緒論1.2.2模擬通信和數(shù)字通信系統(tǒng)模型連續(xù)消息是指消息的狀凡電信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為模擬信號(hào)，如電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。2.信號(hào)按電信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

模擬信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化，或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)。79第一章緒論凡電信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直凡電信號(hào)參量只能取有限個(gè)值（離散），并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。

數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱(chēng)離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散。80第一章緒論凡電信號(hào)參量只能取有限個(gè)值（離散），并且常常不直模擬信號(hào)波形(a)連續(xù)信號(hào)；(b)抽樣信號(hào)81第一章緒論模擬信號(hào)波形(a)連續(xù)信號(hào)；(b)抽樣信號(hào)17第一章數(shù)字信號(hào)波形(a)二進(jìn)制波形；(b)2PSK波形82第一章緒論數(shù)字信號(hào)波形(a)二進(jìn)制波形；18第一章緒論3.通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。（1）模擬通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端噪聲調(diào)制器信道解調(diào)器信宿信源83第一章緒論3.通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字1）兩種變換連續(xù)消息基帶信號(hào)基帶信號(hào)/調(diào)制信號(hào)頻帶信號(hào)/已調(diào)信號(hào)2）調(diào)制與解調(diào)信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，其頻譜從零頻附近開(kāi)始，如語(yǔ)音信號(hào)為300-3400Hz，圖像信號(hào)為0-6MHz。由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量，一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)（頻帶信號(hào)），并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。84第一章緒論1）兩種變換2）調(diào)制與解調(diào)信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，其已調(diào)信號(hào)的基本特征：攜帶有信息適合在信道中傳輸信號(hào)的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號(hào)又稱(chēng)頻帶信號(hào)。3）已調(diào)信號(hào)/頻帶信號(hào)——經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過(guò)程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。85第一章緒論已調(diào)信號(hào)的基本特征：3）已調(diào)信號(hào)/頻帶信號(hào)——經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的4）實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過(guò)程。5）模擬通信的主要特點(diǎn)

1）抗干擾能力差

2）不易于保密通信

3）設(shè)備不易于大規(guī)模集成

4）不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求

5）簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。86第一章緒論4）實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過(guò)程。發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼信源解碼保密編碼噪聲同步技術(shù)問(wèn)題主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、同步以及加密等。（2）數(shù)字通信系統(tǒng)模型87第一章緒論發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱(chēng)之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)；信源信道編碼調(diào)制信道信源編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼信源解碼保密編碼噪聲88第一章緒論在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)，數(shù)字1.信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬（正比），而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性（反比）。作用二:是當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。信源編碼方法：PCM、ADPAM、DM等信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。89第一章緒論1.信源編碼與譯碼作用一:是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，2.信道編碼與譯碼數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼/差錯(cuò)控制編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。信道編碼：線性分組碼、卷積碼、循環(huán)碼等。90第一章緒論2.信道編碼與譯碼數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人3.加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過(guò)程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來(lái)信息，叫解密。91第一章緒論3.加密與解密在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安4.數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)。基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對(duì)相移鍵控PSK、相對(duì)（差分）相移鍵控DPSK。對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)接收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。調(diào)制與解調(diào)不是必須的。92第一章緒論4.數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻5.同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。93第一章緒論5.同步與數(shù)字復(fù)接同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如：數(shù)字電話系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸；例如：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性。模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類(lèi)。注意：94第一章緒論模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如：數(shù)字電抗干擾能力強(qiáng)。差錯(cuò)可控。易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。易于集成化，從而使通信設(shè)備微型化。易于加密處理，且保密強(qiáng)度高。數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。數(shù)字通信的主要特點(diǎn)95第一章緒論抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：話務(wù)通信和非話務(wù)通信。非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。按調(diào)制方式分類(lèi):基帶傳輸＆頻帶（調(diào)制）傳輸。按信號(hào)特征分類(lèi):模擬通信系統(tǒng)＆數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒質(zhì)分類(lèi):有線通信系統(tǒng)＆無(wú)線通信系統(tǒng)按工作波段分類(lèi)按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi):頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。1.3.1通信系統(tǒng)分類(lèi)96第一章緒論1.3通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式按通信業(yè)務(wù)分：話務(wù)通信和非話表1-1常見(jiàn)的調(diào)制方式

調(diào)制方式

用途

連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無(wú)線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻移鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相移鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信97第一章緒論表1-1常見(jiàn)的調(diào)制方式調(diào)制方式用途連續(xù)波調(diào)制調(diào)制方式

用途

脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語(yǔ)言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話續(xù)表（2）98第一章緒論調(diào)制方式用途脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途3Hz－30kHz104－108m甚低頻VLF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30－300kHz103－104m低頻LF有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz－3MHz102－103m中頻MF同軸電纜短波無(wú)線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無(wú)線電3－30MHz10－102m高頻HF同軸電纜短波無(wú)線電移動(dòng)無(wú)線電話、短波廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無(wú)線電30－300MHz1－10m甚高頻VHF同軸電纜米波無(wú)線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車(chē)輛、通信、導(dǎo)航99第一章緒論

表1–2通信波段與常用傳輸媒質(zhì)

頻率范圍波續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz－3GHz10－100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)3－30GHz1－10cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無(wú)線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30－300GHz1－10mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無(wú)線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)105－107GHz3×10-6－3×10-4cm紫外可見(jiàn)光紅外光纖激光空間傳播光通信顯而易見(jiàn)，頻率越高，波長(zhǎng)越短。100第一章緒論續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。（1）單工通信，是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，因此只占用一個(gè)信道。廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼等。1.3.2通信方式1、按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分101第一章緒論對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間（2）半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問(wèn)詢(xún)、檢索、科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)通信。102第一章緒論（2）半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行（3）全雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。

普通電話、手機(jī)都是最常見(jiàn)的全雙工通信方式，計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。103第一章緒論（3）全雙工通信，是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工104第一章緒論單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖(a)2、按數(shù)字信號(hào)排列順序分并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。105第一章緒論2、按數(shù)字信號(hào)排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。106第一章緒論串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸107第一章緒論并行和串行通信方式示意圖(a)并行傳輸；(b)串行1.4信息及其度量信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量.任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說(shuō)，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定性的。根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。（1）消息與信息消息——{文字、語(yǔ)言、數(shù)據(jù)、圖像……}信息——消息中包含的有意義的內(nèi)容，是對(duì)消息中的

不確定性的描述108第一章緒論1.4信息及其度量信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。對(duì)接收（2）信息量：傳輸信息的多少

假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息量。問(wèn)題——信源發(fā)出的每一個(gè)消息包含的信息量可能是不相等的，有的消息攜帶信息量多，有的甚至幾乎沒(méi)有什么信息量，那每個(gè)消息攜帶多少信息量，各消息之間的信息量多少的比較如何來(lái)衡量？請(qǐng)看兩條消息：a、中國(guó)乒乓球隊(duì)奪取奧運(yùn)會(huì)冠軍；b、中國(guó)男子足球隊(duì)獲得世界杯賽冠軍?！畔⒘可佟畔⒘看?09第一章緒論（2）信息量：傳輸信息的多少假設(shè)P(x)是一（1）信息量是概率的函數(shù)，即：I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且：P(x)→1時(shí)，I→0；P(x)→0時(shí)，I→∞（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(shuō)，信息具有相加性，即：

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…顯然，消息的信息量與概率有關(guān)：信息量定義：110第一章緒論（1）信息量是概率的函數(shù)，即：I=f［P(x)］顯然信息量的單位信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit)；a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時(shí)，信息量的單位為哈特萊（Hartley）。目前廣泛使用的單位為比特。信息量——111第一章緒論信息量的單位信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。信息量——4例1-1：設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為：1bit的定義：傳輸兩個(gè)等概率的二進(jìn)制（信號(hào)）波形之一的信息量為1bit。a.等概率情況工程上習(xí)慣將一個(gè)二進(jìn)制碼元稱(chēng)為“1bit”。（3）信息及其度量：112第一章緒論例1-1：設(shè)二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送1bitM=4時(shí)的信息量為

比特；M=8時(shí)的信息量為

比特。設(shè)M進(jìn)制離散信源，以相等的概率（P＝1/M）發(fā)送M進(jìn)制消息之一，則信源每個(gè)輸出的信息量為思考：一個(gè)M進(jìn)制波形需要用幾個(gè)二進(jìn)制波形表示？則一個(gè)M進(jìn)制波形需要用K二進(jìn)制波形表示。

即每一個(gè)等概率的M進(jìn)制波形包含的信息量等于該M進(jìn)制波形用二進(jìn)制波形表示時(shí)的波形數(shù)K。113第一章緒論M=4時(shí)的信息量為