第1章 通信原理緒論

通信原理第1章緒論1.1通信的基本概念11.2通信系統(tǒng)的組成模型21.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式31.4

通信的發(fā)展概況41.5信息及其度量51.6通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)61.7小結(jié)7通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語(yǔ)音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信號(hào)：與消息一一對(duì)應(yīng)的電量。它是消息的物質(zhì)載體，即消息是載荷在電信號(hào)的某一參量上的。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺(tái)…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。1.1通信的基本概念通信從本質(zhì)上講是信息傳遞功能的一門科學(xué)技術(shù)，要將大量有用的信息無失真、高效率地進(jìn)行傳輸，同時(shí)還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。

后面講述中，“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。1.1通信的基本概念

1.2.1

通信系統(tǒng)的一般模型

通信系統(tǒng)：傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備的總和。通信系統(tǒng)的一般模型如圖所示。1.2通信系統(tǒng)的組成模型信息源（簡(jiǎn)稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。接收設(shè)備：從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。受信者（信宿）：把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。1.2通信系統(tǒng)的組成模型1.2通信系統(tǒng)的組成模型1.2.2

模擬通信系統(tǒng)模型在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是載荷在電信號(hào)的某一參量上的（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。依據(jù)電信號(hào)參量的取值方式不同，可以把信號(hào)分為兩類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。判斷一個(gè)信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，關(guān)鍵在于確定攜帶消息的信號(hào)參量是哪個(gè)物理量，然后再根據(jù)物理量的取值狀態(tài)進(jìn)行判斷。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

模擬信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值連續(xù)無限，例如麥克風(fēng)輸出電壓：

(a)話音信號(hào)(b)抽樣信號(hào)圖1-2模擬信號(hào)1.2通信系統(tǒng)的組成模型數(shù)字信號(hào)：代表消息的信號(hào)參量取值離散有限,

例如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號(hào)：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

(a)二進(jìn)制信號(hào)(b)2PSK信號(hào)圖1-3數(shù)字信號(hào)1.2通信系統(tǒng)的組成模型模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)需要兩種變換： 模擬消息原始電信號(hào)（基帶信號(hào)） 基帶信號(hào)已調(diào)信號(hào)（帶通信號(hào)）圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型1.2通信系統(tǒng)的組成模型1.2通信系統(tǒng)的組成模型經(jīng)過調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，它應(yīng)具有兩個(gè)基本特征：

一是攜帶有信息；二是適宜在信道中傳輸。

圖1-5雙邊帶（DSB）系統(tǒng)模型圖以雙邊帶系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)單分析調(diào)制與解調(diào)的原理。1.2通信系統(tǒng)的組成模型1.2.3

數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為：（1）數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)（含有調(diào)制器/解調(diào)器）；（2）數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)（不含調(diào)制器/解調(diào)器）；（3）模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)（模擬信號(hào)在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸）。1.2通信系統(tǒng)的組成模型1．?dāng)?shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼：提高信息傳輸?shù)挠行?；完成模?shù)（A/D）變換。加密與解密：保證所傳信息的安全。信道編碼與譯碼：增強(qiáng)抗干擾能力。調(diào)制與解調(diào)：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。1.2通信系統(tǒng)的組成模型同步：使收發(fā)兩端信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致，是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。從功能和實(shí)現(xiàn)環(huán)境的方法不同，同步可分為以下四種方式：載波同步碼元同步或位同步幀同步網(wǎng)同步1.2通信系統(tǒng)的組成模型2．?dāng)?shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)圖中基帶信號(hào)形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。1.2通信系統(tǒng)的組成模型3．模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，則必須在發(fā)送端將模擬信號(hào)數(shù)字化，即A/D轉(zhuǎn)換；在接收端需進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換。

1.2.3

數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累。傳輸差錯(cuò)可控。便于加密。易于集成。易于現(xiàn)代DSP技術(shù)相結(jié)合。缺點(diǎn)：占用頻帶寬。需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。1.2通信系統(tǒng)的組成模型

1.3.1

通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)……按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)按信號(hào)特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信…按信號(hào)復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍；時(shí)分復(fù)用是用抽樣或脈沖調(diào)制方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間；碼分復(fù)用則是用一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號(hào)。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用；隨著數(shù)字信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來愈廣泛；碼分復(fù)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.3.2

通信方式

單工、半雙工和全雙工通信對(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。單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)收發(fā)的工作方式。1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。

例如,遙測(cè)、遙控，就是單工通信方式。例如,使用同一載頻工作的無線電對(duì)講機(jī)，就是按半雙工通信方式工作的。例如,普通電話就是一種最常見的全雙工通信方式。1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式

并行傳輸和串行傳輸在數(shù)字通信中，按照數(shù)字信號(hào)碼元排列方法不同，有串行傳輸與并行傳輸之分。并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號(hào)碼元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。

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施。缺點(diǎn)：需要n條通信線路，成本高。

1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式串行傳輸：將數(shù)字信號(hào)碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路鋪設(shè)費(fèi)用。 缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施。1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式1.3通信系統(tǒng)的分類及通信方式兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式按照通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃橐陨先?。本書的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。如何度量離散消息中所含的信息量?度量信息量的原則：能度量任何消息，并與消息的種類無關(guān)。度量方法應(yīng)該與消息的重要程度無關(guān)。消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定【例】“某客機(jī)墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。上例表明：消息所表達(dá)的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。

1.5信息及其度量度量信息量的方法

1）事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。2）設(shè)：P(x)－消息發(fā)生的概率，

I－消息中所含的信息量，則P(x)和I之間應(yīng)該有如下關(guān)系：I是P(x)的函數(shù)：I＝I[P(x)]P(x)，I；P(x)

，I；P(x)=1時(shí)，I＝0；P(x)=0時(shí)，I＝；

1.5信息及其度量

3）滿足上述條件的關(guān)系式如下：

－信息量的定義上式中對(duì)數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)

，可簡(jiǎn)記為b

若a=e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若a=10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有

1.5信息及其度量【例1.1】設(shè)一個(gè)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：在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個(gè)二進(jìn)制碼元稱作1比特。

若有M個(gè)等概率波形（P=1/M），且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為:若M是2的整冪次，即M=2k，則有:當(dāng)M=4時(shí)，即4進(jìn)制波形，I=2比特，當(dāng)M=8時(shí)，即8進(jìn)制波形，I=3比特。1.5信息及其度量對(duì)于非等概率情況 設(shè)：一個(gè)離散信源是由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)xi(i=1,2,3,…,M)按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)，即

且有 則x1,x2,

x3,…,

xM

所包含的信息量分別為:

1.5信息及其度量于是，每個(gè)符號(hào)所含平均信息量為:由于H(x)同熱力學(xué)中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵。

1.5信息及其度量當(dāng)離散信源中各符號(hào)等概率獨(dú)立出現(xiàn)平均信息量達(dá)到最大值，為1.5信息及其度量【例1.2】設(shè)由5個(gè)符號(hào)組成的離散信息源，各符號(hào)出現(xiàn)的概率為試求該信源的平均信息量。【解】該信源的平均信息量為：【例1.3】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘狻看讼⒅校?”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量:

每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為:

1.5信息及其度量若用熵的概念來計(jì)算：則該消息的信息量為：

以上兩種結(jié)果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結(jié)果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小。 當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。1.5信息及其度量連續(xù)消息的信息量:關(guān)于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為：1.5信息及其度量式中：為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度函數(shù)?！纠克倪M(jìn)制離散信源輸出四個(gè)獨(dú)立符號(hào)A、B、C、D。1）A、B、C、D出現(xiàn)的概率分別為1/4、1/8、1/8、1/2，求A、B、C、D每個(gè)符號(hào)所攜帶的信息量和信源熵。2）A、B、C、D等概時(shí)，求信源熵（平均信息量）。1.5信息及其度量1.6通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面：有效性：指通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問題，即快慢問題?？煽啃裕褐竿ㄐ畔到y(tǒng)傳輸消息的“質(zhì)量”問題，即好壞問題。適應(yīng)性：指通信系統(tǒng)使用時(shí)的環(huán)境條件。標(biāo)準(zhǔn)性：指系統(tǒng)的接口、各種結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)濟(jì)性：指系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本問題。保密性：指系統(tǒng)對(duì)所傳信號(hào)的加密措施。維修性：指系統(tǒng)是否維修方便。工藝性：指通信系統(tǒng)的各種工藝要求。其中，有效性和可靠性是衡量通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。1.6通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)1.6.1

模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)處理的目的是在單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的消息或者在一定頻帶范圍內(nèi)傳輸更多的消息。1．有效性有效性指消息傳輸?shù)乃俣?，它取決于消息所包含的信息量和對(duì)信息源的處理。2．可靠性模擬通信系統(tǒng)的可靠性通常用接收端解調(diào)器輸出信號(hào)噪聲功率比來度量。越大，通信質(zhì)量就越好。1、有效性指標(biāo)：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。傳輸速率可用碼元傳輸速率RB和信息傳輸速率Rb表征。碼元傳輸速率RB：定義為單位時(shí)間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)記為B

式中T－碼元的持續(xù)時(shí)間（秒）

信息傳輸速率Rb：定義為單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位為比特