簡(jiǎn)明通信原理 第1章C

簡(jiǎn)明通信原理主講：許毅簡(jiǎn)明通信原理第1章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)了解基本概念（定義/組成/分類/特點(diǎn)/通信方式)掌握信息度量（Ii、H、I總）值的計(jì)算理解性能指標(biāo)（有效性和可靠性）學(xué)習(xí)目標(biāo)1.1通信的基本概念

1.1.1通信與電信

什么叫通信？一般來(lái)講，通信是指信息的傳輸與交換，如手機(jī)，電話等通信（communication）的基本任務(wù)是傳遞消息中所包含的信息。按照信息傳遞的手段與技術(shù)的不同，通信的發(fā)展經(jīng)歷了以下5個(gè)階段：電信（telecommunication）是利用電信號(hào)傳遞消息的通信方式。

如電話、廣播電視等。

特點(diǎn):迅速、準(zhǔn)確、可靠，且不受空間與時(shí)間、地點(diǎn)與距離的限制。

1.1.2消息、信息與信號(hào)消息（message）是通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象。它來(lái)自于信源且有多種形式。

消息可以分為兩大類：連續(xù)消息（如連續(xù)變化的語(yǔ)音、音樂(lè)和活動(dòng)圖片）離散消息（如狀態(tài)可數(shù)的文字、符號(hào)或數(shù)據(jù)）信息（information）是消息中有意義的內(nèi)容。信號(hào)（signal）是消息的電表示形式。在電信系統(tǒng)中，為了將各種消息（如一幅圖片）通過(guò)線路傳輸，必須首先將消息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（如電壓、電流、電磁波等）。

相應(yīng)消息，信號(hào)也分為兩大類：如表1-1和圖1-2所示。表1-1

信號(hào)類型與特征圖1-2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)示例模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)特征：信號(hào)的取值是連續(xù)的例如：電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)，攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等特征：信號(hào)的取值是離散的例如：電報(bào)機(jī)、計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)消息與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，通常由傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：話筒（聲音傳感器）把聲音轉(zhuǎn)變成音頻信號(hào)；攝像機(jī)把圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)；熱敏電阻（溫度傳感器）把溫度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。消息、信息和信號(hào)的關(guān)系：消息是信息的外在形式；信息是消息的內(nèi)涵；信號(hào)是消息（或信息）的傳輸載體。

通信（即電信）就是利用電信號(hào)將消息中所包含的信息從信源傳遞到目的地（信宿）。1.2通信系統(tǒng)的模型1.2.1基本模型通信系統(tǒng)（communicationsystem）是指完成通信這一過(guò)程所需的全部電子設(shè)備和信道的總體。圖1-3通信系統(tǒng)的基本模型信源（informationsource）是消息（或信息）的發(fā)源地，它的作用是把消息（非電量）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（稱為消息信號(hào)）。例如，電話機(jī)的話筒把說(shuō)話的聲音轉(zhuǎn)換成話音信號(hào)。

發(fā)送設(shè)備的作用是對(duì)信源輸出的消息信號(hào)進(jìn)行處理和變換，以適合于在信道中傳輸。通常包括放大、濾波、編碼、調(diào)制、多路復(fù)用等過(guò)程。信道（channel）是指?jìng)鬏斝盘?hào)的各種物理介質(zhì)，如電纜和光纖（有線信道）、空間或大氣（無(wú)線信道）。噪聲源是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反。如譯碼、解調(diào)。

信宿是消息（或信息）的目的地，其功能與信源相反。例如，電話機(jī)的聽(tīng)筒將語(yǔ)音信號(hào)還原成聲音。

1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型

兩對(duì)重要變換：“連續(xù)消息?原始電信號(hào)”，相應(yīng)器件是信源和信宿?！盎鶐盘?hào)?已調(diào)信號(hào)”，相應(yīng)器件是調(diào)制器和解調(diào)器。連續(xù)消息→原始電信號(hào)電信號(hào)→連續(xù)消息基帶信號(hào)→已調(diào)信號(hào)已調(diào)信號(hào)→基帶信號(hào)1.2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型信源編碼（sourcecoding）：一是進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；二是去除冗余信息，提高傳輸?shù)挠行?。解碼（譯碼）是編碼的逆過(guò)程。

信道編碼：進(jìn)行差錯(cuò)控制，提高傳輸?shù)目煽啃浴＃ㄔ斠?jiàn)第8章）數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的本質(zhì)及原理相似，都是把基帶信號(hào)加載到高頻載波上。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程。（詳見(jiàn)第7章）綜上所述，在完成通信的過(guò)程中，將涉及以下主要通信技術(shù)：“編碼、解碼、調(diào)制、解調(diào)”本書(shū)的重點(diǎn)就是介紹這些技術(shù)的原理、性能和應(yīng)用。

1.2.4數(shù)字通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可消除噪聲的積累（利用中繼手段）。便于差錯(cuò)控制，改善通信質(zhì)量。支持復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)，便于信號(hào)處理、存儲(chǔ)和交換。可將不同類型的信息（如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等）綜合到一個(gè)信道中進(jìn)行多路傳輸。易于集成，從而使通信設(shè)備的體積小、重量輕、功耗小和成本低。便于加密，且保密性好。缺點(diǎn)：比模擬通信占用更寬的信道帶寬，對(duì)同步要求高而需要較復(fù)雜的同步設(shè)備。1.3通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)可以從不同角度進(jìn)行分類，常見(jiàn)分類如下。此外，還可按信號(hào)復(fù)用方式分類。在同一條物理信道中同時(shí)傳輸多路信號(hào)時(shí)要采用復(fù)用方式。常用的復(fù)用方式有：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用和空分復(fù)用等。需要說(shuō)明，同一個(gè)通信系統(tǒng)可以分屬于不同的分類。如大家熟悉的無(wú)線電廣播系統(tǒng)，既是中波或短波通信系統(tǒng)、也是模擬通信系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)（調(diào)制系統(tǒng)）。信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)。信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。用導(dǎo)線（如各種電纜）作為傳輸媒質(zhì)。如有線電視系統(tǒng)等。用自由空間作為傳輸媒質(zhì)。如廣播電視系統(tǒng)等。以基帶信號(hào)（未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)）作為傳輸信號(hào)的系統(tǒng)。以已調(diào)信號(hào)（經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)）作為傳輸信號(hào)的系統(tǒng)。目前，已實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)綜合，即把各種通信業(yè)務(wù)（電話、電報(bào)、傳真、數(shù)據(jù)、圖像）綜合在一個(gè)網(wǎng)內(nèi)傳輸。其中，電話通信網(wǎng)是一種電信業(yè)務(wù)量最大、服務(wù)面積最廣的專業(yè)網(wǎng)，可兼容其他許多種非話業(yè)務(wù)網(wǎng)。根據(jù)波長(zhǎng)的大小或頻率的高低，可將電磁波劃分成不同的波段（或頻段），分別稱為長(zhǎng)波、中波、短波、微波、遠(yuǎn)紅外通信等。關(guān)于波段的劃分和用途，詳見(jiàn)第3章的表3-1。1.4通信方式

通信方式是指通信雙方（或多方）之間的工作方式。1.4.1單工、半雙工和全雙工通信

-----按傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系劃分單工通信：?jiǎn)畏较騻鬟f消息。例如，廣播、遙控。半雙工通信：通信雙方都具有發(fā)信和收信功能，但不能同時(shí)收發(fā)，如對(duì)講機(jī)。

全雙工通信：通信的雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)信息。例如，電話等。

1.4.2并行傳輸和串行傳輸并行傳輸是將數(shù)字碼元序列以成組的方式在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。缺點(diǎn)：需要多條通信線路、成本高。應(yīng)用：設(shè)備之間的近距離通信，如計(jì)算機(jī)和打印機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸。

串行傳輸是將數(shù)字序列按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)地在一條信道中傳輸。優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道。缺點(diǎn)：比并行傳輸?shù)乃俣嚷?yīng)用：遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信多采用這種方式。

011001001.5信息的度量通信的目的在于傳輸消息中所包含的信息。信息的多少可用“信息量”來(lái)度量。消息中所包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。概率越小，信息量就越大。例如，“美國(guó)世貿(mào)大樓被炸”這條消息比“今天有雨”這條消息包含有更多的信息量。下面介紹離散消息和數(shù)字（離散）信源發(fā)出的信息的度量方法。

1.5.1離散消息的信息量設(shè)離散消息xi出現(xiàn)的概率為，則它所含的信息量為

（1-5-1）信息量的單位：奈特（nat）；哈特萊（Hartley）；比特（bit）a=ea=10a=2常用的單位為比特，這時(shí)有

（bit）（1-5-2）【例1-1】設(shè)離散信源等概率發(fā)送每個(gè)符號(hào)，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)是獨(dú)立的。（1）若它是二進(jìn)制信源（0，1），計(jì)算每個(gè)符號(hào)的信息量。（2）若它是四進(jìn)制信源（0，1，2，3），計(jì)算每個(gè)符號(hào)的信息量。解：（1）已知?jiǎng)t每個(gè)二進(jìn)制碼的信息量為（2）已知?jiǎng)t每個(gè)四進(jìn)制碼的信息量為評(píng)注：等概時(shí)，每個(gè)符號(hào)含有相同的信息量；一個(gè)二進(jìn)制碼含1bit的信息量；一個(gè)四進(jìn)制碼含2bit的信息量。推廣：對(duì)于等概且獨(dú)立發(fā)送的M進(jìn)制離散信源，其每個(gè)符號(hào)所含的信息量為

式中，M為符號(hào)的進(jìn)制數(shù)。1.5.2離散信源的平均信息量（熵）

----------指每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值。設(shè)一個(gè)M進(jìn)制離散信源的概率場(chǎng)為

，且有

則該信源的平均信息量為

比特/符號(hào)（bit/symbol）顯然，等概時(shí)，熵有最大值：

即等于每個(gè)符號(hào)的信息量。1.5.3總信息量

借助于熵H(x)，可以容易地求出信源發(fā)送的一條消息（n個(gè)符號(hào)）的總信息量，即

【例1-3】

四進(jìn)制離散信源（0，1，2，3）中各符號(hào)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：（1）該信源的平均信息量（熵）；（2）該信源發(fā)送的某條消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的總信息量。解：（1）由式（1-5-4）可得該信源的熵：

（2）借助熵的概念來(lái)計(jì)算，這條由57個(gè)符號(hào)組成的消息的總信息量為

(bit)

此外，還可以利用信息相加性概念來(lái)計(jì)算。這條消息中，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，故該條消息的總信息量為評(píng)注：以上兩種結(jié)果略有差別，原因在于它們平均處理方法不同。這種誤差將隨著消息序列中符號(hào)數(shù)的增加而減小。而且，當(dāng)消息序列較長(zhǎng)時(shí)，用熵的概念計(jì)算更為方便。

1.6通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，因此評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)是有效性和可靠性。有效性指的是傳輸一定信息量時(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度或時(shí)間）；可靠性指的是接收信息的準(zhǔn)確程度。這兩者既相互矛盾又相互聯(lián)系，并可互換。1.6.1模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)1．有效性

------可用傳輸帶寬來(lái)度量。信號(hào)占用的傳輸帶寬越小，通信系統(tǒng)的有效性就越好。例如，若單邊帶信號(hào)占用的帶寬為4kHz，雙邊帶信號(hào)則需要8kHz，說(shuō)明單邊帶方式的有效性好。2．可靠性

------常用接收端輸出信噪比（SNR）來(lái)度量。

SNR指的是信號(hào)與噪聲的功率之比，它反映了消息經(jīng)傳輸后的“保真”程度和抗噪能力。例如，調(diào)頻系統(tǒng)的可靠性通常比調(diào)幅系統(tǒng)的好，但調(diào)頻信號(hào)占用的帶寬比調(diào)幅信號(hào)的寬。所以說(shuō)可靠性與有效性總是一對(duì)矛盾。1.6.2數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)1．有效性

（1）碼元速率，是指單位時(shí)間（每秒）內(nèi)傳送的碼元數(shù)目。單位為波特（Baud），所以也稱為波特率。設(shè)碼元寬度為Ts，則碼元速率為（1-6-1）（2）信息速率，又稱比特率，是指單位時(shí)間內(nèi)傳送的信息量。單位為比特/秒（bit/s），簡(jiǎn)記為b/s，或bps（bitpersecond）。與存在如下關(guān)系： （等概時(shí)） （1-6-2）

例如，每秒傳送2

400個(gè)碼元，即=2

400

Baud；若采用二進(jìn)制，信息速率為2

400bit/s；若采用八進(jìn)制（M

=

8），信息速率為7

200bit/s。

（3）頻帶利用率是指單位頻帶（每赫茲）內(nèi)所實(shí)現(xiàn)的傳輸速率，可表示為 （1-6-4）或 （1-6-5）

【例1-4】對(duì)于同樣以2

400bit/s比特率發(fā)送的消息信號(hào)，若A系統(tǒng)以2PSK調(diào)制方式進(jìn)行傳輸時(shí)所需帶寬為2

400Hz，而B(niǎo)系統(tǒng)以4PSK調(diào)制方式傳輸時(shí)的帶寬為1

200Hz。試問(wèn)：哪個(gè)系統(tǒng)更有效？解：

A系統(tǒng)

B系統(tǒng)

所以，B系統(tǒng)的有效性更好。評(píng)注：兩個(gè)傳輸速率相同的系統(tǒng)，若占用的帶寬不同，則兩者的傳輸效率不同，所以頻帶利用率更好地反映了數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性。2．可靠性數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性常用誤碼率（）和誤比特率（）來(lái)衡量。（1）誤碼率定義為（1-6-6）表示碼元在傳輸過(guò)程中被傳錯(cuò)的概率。越小，說(shuō)明傳輸?shù)目煽啃栽礁?。?shù)字微波通信要求，數(shù)據(jù)通信要求，數(shù)字光纖通信要求。（2）誤比特率（誤信率）定義為

（1-6-7）表示錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例。對(duì)于二進(jìn)制系統(tǒng)，有

對(duì)于M（>2）進(jìn)制系統(tǒng)，有？（思考）

【例1-5】某八進(jìn)制數(shù)字傳輸系統(tǒng)的信息速率為7

200bit/s，連續(xù)工作1小時(shí)后，接收端測(cè)得26個(gè)錯(cuò)碼，且每個(gè)錯(cuò)碼中僅錯(cuò)1bit信息，試求該系統(tǒng)的誤碼率和誤比特率。解：（1）碼元速率（Baud）

1小時(shí)（即3

600秒）傳輸?shù)目偞a元數(shù)（個(gè)）誤碼率（2）已知信息速率為7

200bit/s，則1小時(shí)（即3

600秒）傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)（總信息量）為