通信原理第一章

1、通信原理通信原理課程簡(jiǎn)介 課程性質(zhì)必修(S)計(jì)劃學(xué)時(shí):72通信原理課程簡(jiǎn)介是通信工程、無(wú)線電工程、信息工程、電子信息、計(jì)算機(jī)通信、圖像處理與傳輸?shù)葘I(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程主要介紹現(xiàn)代通信系統(tǒng)所涉及的基礎(chǔ)理論、通信中常用的信號(hào)及噪聲分析、通信系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及性能分析。教材：現(xiàn)代通信原理與技術(shù)張輝等編著西電出版社參考書：樊昌信等 通信原理 國(guó)防工業(yè)出版社曹志剛 現(xiàn)代通信原理 清華大學(xué)出版社 周炯槃等 通信原理 北京郵電大學(xué)出版社 Digital and Analog Communication Systems(4 edition) Leon W.Couch II 編著 科學(xué)出版社Digita

2、l Communications(6 edition) John G. Proakis 編著 電子工業(yè)出版社通信原理課程簡(jiǎn)介通信原理課程簡(jiǎn)介 課程目的 通信原理課程主要研究通信過(guò)程中有關(guān)信息傳輸與檢測(cè)的最基本的理論與技術(shù)，幫助學(xué)生建立通信與信息傳輸?shù)幕靖拍?，了解通信技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，掌握信息傳輸與檢測(cè)的基本理論、技術(shù)、過(guò)程與方法，培養(yǎng)學(xué)生過(guò)硬的業(yè)務(wù)本領(lǐng)，在學(xué)生進(jìn)一步的專業(yè)學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)等方面都具有不可替代的作用和意義。該課程在通信類人才培養(yǎng)中占有重要的基礎(chǔ)地位，具有承上啟下的作用。 信息論初步 基帶傳輸系統(tǒng) 調(diào)制與解調(diào) 復(fù)用和多址技術(shù) 同步技術(shù) 最佳接收學(xué) 習(xí) 內(nèi) 容第一章

3、 緒論本 章 內(nèi) 容1.通信的基本概念與發(fā)展簡(jiǎn)史2.通信系統(tǒng)模型3.模擬通信與數(shù)字通信4.通信、信息及有關(guān)概念5.信息量的計(jì)算6.通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)人類的社會(huì)活動(dòng)離不開消息的傳遞和交換 消息樹、烽火臺(tái)和驛馬傳令 文字、書信、電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控這些都是消息傳遞的方式或信息交流的手段。消息語(yǔ)言、文字、 數(shù)據(jù)或圖像通信的根本目的在于傳輸含有信息的消息自然科學(xué)領(lǐng)域 的“通信”指“電通信”。1.1 通信的發(fā)展簡(jiǎn)史語(yǔ)言文字 印刷術(shù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不可存儲(chǔ)；廣泛性低。可存儲(chǔ)；廣泛性低。 表情動(dòng)作可存儲(chǔ)；廣泛性高。 電報(bào)電話在任何時(shí)刻可以在網(wǎng)上獲得有效信息。通信的發(fā)展歷程1753年2月17日，蘇格蘭

4、人雜志上發(fā)表了一封署名C.M的書信。在這封信中，作者提出了用電流進(jìn)行通信的大膽設(shè)想。他建議：把一組金屬線從一個(gè)地點(diǎn)延伸到另一個(gè)地點(diǎn)，每根金屬線與一個(gè)字母相對(duì)應(yīng)。在一端發(fā)報(bào)時(shí)，便根據(jù)報(bào)文內(nèi)容將一條條金屬線與靜電機(jī)相連接，使它們依次通過(guò)電流。電流通過(guò)金屬線上的小球便將掛在它下面的寫有不同字母或數(shù)字的小紙片吸了起來(lái)，從而起到遠(yuǎn)距離傳遞信息的作用。 最早的電通信設(shè)想1844年5月24日，莫爾斯從華盛頓到巴爾的摩拍發(fā)人類歷史上的第一份電報(bào)。在座無(wú)虛席的國(guó)會(huì)大廈里,莫爾斯用激動(dòng)得有些顫抖的雙手,操縱著他傾十余年心血研制成功的電報(bào)機(jī), 發(fā)出了:“上帝創(chuàng)造了何等奇跡!”一語(yǔ)。 莫爾斯發(fā)出第一封電報(bào)設(shè)備的復(fù)制品

5、 最早的有線電報(bào)1875年6月2日，美國(guó)人亞力山大.格雷厄姆.貝爾(Bell,Alekander Graham)發(fā)明了電話。至今美國(guó)波士頓法院路109號(hào)的門口，仍釘著塊鐫有：1875年6月2日電話誕生在這里的銅牌。1876年2月14日，貝爾申請(qǐng)了那個(gè)著名的他和沃森一直研究著的裝置電話的專利。同一天另一個(gè)發(fā)明家格雷（1835-1901）也向美國(guó)專利局遞交了相似設(shè)備的專利申請(qǐng)書，只因比貝爾晚了幾個(gè)小時(shí)而痛失電話發(fā)明權(quán)。 最早的有線電話1887年3月21日，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（Hertz）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電火花的能量能夠越過(guò)空間傳到遠(yuǎn)處。這是人類歷史上第一次證實(shí)了電磁波的存在。但赫茲斷然否認(rèn)選用電磁波進(jìn)

6、行通信的可能性。他認(rèn)為如要利用電磁波進(jìn)行通信的話，需要有一面面積與歐洲大陸相當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。電磁波的發(fā)現(xiàn)1895年5月7日，36歲的波波夫在彼德堡的俄國(guó)物理化學(xué)會(huì)的物理分會(huì)上，宣讀了關(guān)于“金屬屑與電振蕩的關(guān)系”的論文，并當(dāng)眾展示了他發(fā)明的無(wú)線電接收機(jī)。當(dāng)他的助手在大廳的另一端接通火花式電波發(fā)生器時(shí)，波波夫的無(wú)線電接收機(jī)便響起鈴來(lái)；斷開電波發(fā)生器，鈴聲立即中止。幾十年后，為了紀(jì)念波波夫在這一天的劃時(shí)代創(chuàng)舉，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)政府便把5月7日定為“無(wú)線電發(fā)明日”。 1895年馬可尼發(fā)明無(wú)線電最早的無(wú)線通信1897年5月18日,馬可尼進(jìn)行橫跨布里斯托爾（Bristol）海峽的無(wú)線電通信取得成功，通信距離為1

7、4公里。人類首次遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信1906年,Lee Deforest發(fā)明了真空三極管放大器。 1925年，英國(guó)發(fā)明家貝爾德在前人研究的基礎(chǔ)上終于制成了世界上第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的電視機(jī)。1941年，John V.Atanasoff在衣阿華州立大學(xué)發(fā)明數(shù)字計(jì)算機(jī)。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Steve O.Rice給出了噪聲的統(tǒng)計(jì)1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室向公眾展示了用以取代真空管的晶體管。1948年，Claude E.Shannon發(fā)表了信息論。1957年10月4日，原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，地球上第一次收到了來(lái)自人造衛(wèi)星的電波。它不僅標(biāo)志著航天時(shí)代的開始， 也意味著一個(gè)利用衛(wèi)星進(jìn)行通信的時(shí)代即將到

8、來(lái)。影響通信發(fā)展的重要發(fā)明或理論1958年，發(fā)明了集成電路。1964年，電子電話交換機(jī)投入使用。1972年，摩托羅拉公司為FCC演示蜂窩電話系統(tǒng)。1976年，出現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)。1979年，64KB隨機(jī)存儲(chǔ)器的出現(xiàn)宣告超大規(guī)模集成（VLSI）電路時(shí)代的到來(lái)。1980年，貝爾公司推出FT3光纖通信系統(tǒng)。1985年，傳真機(jī)（FAX）廣泛使用。1989年，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）完成部署 。1995年，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）及WWW瀏覽廣泛流行。2000年至今，進(jìn)入基于微處理器的數(shù)字信號(hào)處理、高速個(gè)人計(jì)算機(jī)、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、數(shù)字電視、數(shù)字廣播以及個(gè)人通信系統(tǒng)時(shí)代。1831年法拉第電磁感

9、應(yīng)定律 1837年 S.Morse發(fā)明電報(bào)通信初級(jí)階段；1864年 J. C. Maxwell發(fā)表了“電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論”， 建立電磁場(chǎng)理論并預(yù)見電磁場(chǎng)輻射1875年貝爾發(fā)明電話模擬通信開始1887年 H. Hertz 證實(shí)了電磁波的存在 1895年馬可尼發(fā)明無(wú)線電，1901年實(shí)現(xiàn)了跨大西洋通信 通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史1906年Lee deForest發(fā)明電子管。隨后，調(diào)頻和外差系統(tǒng)相繼誕生1918年，架空明線4路載波電話，多路通信誕生1928年 奈奎斯特準(zhǔn)則和取樣定理1936年 調(diào)頻無(wú)線電廣播開播1937年 發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理1938年 電視廣播開始1940s 二次大戰(zhàn)刺激了雷達(dá)和微波通信的發(fā)展

10、1948年 W. H. Brattain 發(fā)明晶體管1948年 Shannon 發(fā)表了“通信的數(shù)學(xué)理論”（A Mathematical Theory of Communication) ，提出了通信系統(tǒng)的一般模型，奠定了信息論和數(shù)字通信基礎(chǔ)-近代通信階段1950年 時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話1956年 鋪設(shè)了越洋電纜1958年 發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星1963年 發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，脈沖編碼調(diào)制進(jìn)入實(shí)用階段1960s 發(fā)明集成電路；彩色電視問(wèn)世；阿波羅宇宙飛船登月；數(shù)字傳輸?shù)睦碚摵图夹g(shù)得到了迅速發(fā)展；出現(xiàn)高速電子數(shù)字計(jì)算機(jī)；發(fā)明光導(dǎo)纖維1970s 大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通

11、信系統(tǒng)、微處理器等迅速發(fā)展-現(xiàn)代通信階段1980s以后 超大規(guī)模集成電路與可編程芯片技術(shù)、分組交換技術(shù)、光的波分復(fù)用與光交換技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、接入網(wǎng)技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、納米技術(shù)等迅速發(fā)展 以人為本,盡量滿足人“懶”的需要，并實(shí)現(xiàn)快捷、優(yōu)質(zhì)和方便的服務(wù) 人類對(duì)通信的理想追求: 5W-實(shí)現(xiàn)任何人（whoever）在任何時(shí)間(whenever)、任何地點(diǎn)(wherever)與任何人(whomever)進(jìn)行任何種類(whatever)的信息交換 1.1.1通信系統(tǒng)的一般模型 通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。 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)的總和稱為通信系統(tǒng)。 1、信源是消息

12、的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。 模擬信源：輸出模擬信號(hào)，如電話機(jī)、電視攝像機(jī)、電傳機(jī)等； 數(shù)字信源：輸出數(shù)字信號(hào)，如計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備。1.1 通信系統(tǒng)的模型圖 1 - 1通信系統(tǒng)的一般模型信道 2、發(fā)送設(shè)備其基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。變換方式是多種多樣的，調(diào)制是最常見的變換方式。對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)還包括信源編碼與信道編碼。 3、信道信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ馈＿@里指狹義信道即傳輸媒質(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。 4、噪聲源通信系統(tǒng)中各種設(shè)備

13、以及信道中所固有的干擾和噪聲，是人們所不希望的。噪聲的來(lái)源有內(nèi)部噪聲和外部噪聲，外部噪聲由信道引入。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。 5、接收設(shè)備其基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換， 即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(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。 1.1.2 模擬通信模型和數(shù)字通信模型 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 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。

14、消息的傳遞是通過(guò)它的電表現(xiàn)形式電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為兩類，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 模擬信號(hào)凡信號(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。注意：模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(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)。 數(shù)字信號(hào) 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸

15、出信號(hào)、PCM信號(hào)等。注意：數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(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。 圖 1 2 模擬信號(hào)波形 (a) 連續(xù)信號(hào)； (b) 抽樣信號(hào) 圖 1 -3數(shù)字信號(hào)波形 (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK波形 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)， 可相應(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)。 1. 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(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。 模擬通信中的兩種變換： （1）連續(xù)消息與基帶信號(hào)之間的變換 基帶信號(hào)：即信源發(fā)出的原始電信號(hào)，是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開始，如語(yǔ)音信號(hào)為3003400Hz， 圖像信號(hào)為06MHz

16、?；鶐盘?hào)具有頻率很低的頻譜分量（低頻分量），一般不宜直接傳輸。 （2）基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的變換 頻帶信號(hào)：指頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，適宜在信道中傳輸。由調(diào)制（發(fā)送設(shè)備）、解調(diào)器（接收設(shè)備）完成基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的變換。圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模型 2 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(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)， 數(shù)字通信涉及的技術(shù)問(wèn)題很多，包括信源編碼/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。 圖 1 5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型1) 信源編碼與譯碼數(shù)據(jù)壓縮（減少碼元數(shù)目和降低碼元速率），減小傳輸帶寬，提高通信的有效性。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)信息源給出的

17、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)字傳輸。 2） 信道編碼與譯碼 通過(guò)加入監(jiān)督碼元（糾錯(cuò)/檢錯(cuò)）提高通信的可靠性。 3） 加密與解密 通過(guò)加擾保證所傳信息的安全性。 4） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 把數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道傳輸?shù)念l帶信號(hào)。 基本的數(shù)字調(diào)制方式（第7章）： ASK（振幅鍵控） FSK（頻移鍵控） PSK（絕對(duì)相移鍵控）/ DPSK（相對(duì)或差分相移鍵控） 解調(diào)方法：相干解調(diào)或非相干解調(diào)AWGN信道下的信號(hào)檢測(cè)：相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器 現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)（第9章）： QAM（正交調(diào)幅） MSK（最小移頻鍵控） OQPSK 5） 同步與數(shù)字復(fù)接 同步是使收、發(fā)兩端

18、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（第11章）。 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（第10章）。 說(shuō)明：（1）實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括所有環(huán)節(jié) 數(shù)字基帶傳輸 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)（第5章）。 （2）模擬信號(hào)可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸 （3）數(shù)字信號(hào)可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸 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

19、信道的傳輸特性。（4）模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別在于信道中傳輸是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)。 3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)：易判決，再生中繼 差錯(cuò)可控： 信道編碼 易于與各種數(shù)字終端接口：現(xiàn)代計(jì)算技術(shù) 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化 易于加密處理， 保密強(qiáng)度高 缺點(diǎn)：占用頻帶寬，需要同步 1.2.1通信系統(tǒng)的分類 1 按通信業(yè)務(wù)分類話務(wù)通信 電話業(yè)務(wù)在電信領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位，它屬于人與人之間的通信。 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，遙測(cè)、遙控、遙信等控制通信業(yè)務(wù)。1.2 通信系統(tǒng)分類與通信方式

20、2 按調(diào)制方式分類 根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸。基帶傳輸是將未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，頻帶傳輸是對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。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 電視伴音、 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 相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸 表 1- 1常見的調(diào)制方式 調(diào) 制 方 式 用途 脈沖調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、 DPSK、 QPSK等 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)字微

21、波、 空間通信 其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、 MSK等 數(shù)字微波、 空間通信 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、LPC、APC中低速數(shù)字電話 3 按信號(hào)特征分類 按照信道中所傳輸?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)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 4 按傳輸媒質(zhì)分類 按傳輸媒質(zhì)可分為有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)。有線通信用導(dǎo)線（架空明線、同軸電纜、

22、 光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等）作為傳輸媒質(zhì)完成通信的，如市內(nèi)電話、 有線電視、海底電纜通信等。無(wú)線通信依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。 5 按工作波段分類 按通信設(shè)備的工作頻率不同可分為長(zhǎng)波通信、 中波通信、 短波通信、 遠(yuǎn)紅外線通信等。如表 1 -2 所示。工作波長(zhǎng)和頻率的換算公式為 =式中， 為工作波長(zhǎng)， f 為工作頻率， c為光速。 頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途3 Hz30 kHz 104108 m 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) 30300 kHz 103104 m 低頻LF 有線線對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線電

23、導(dǎo)航、 信標(biāo)、 電力線通信 300 kHz3 MHz 102103 m 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 330 MHz 10102 m 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 30300 MHz 110 m 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、 車輛、 通信、 導(dǎo)航 表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質(zhì)續(xù)表（2）頻率范圍 波長(zhǎng) 符號(hào) 傳輸媒質(zhì) 用途300 MHz3 GHz 10100 cm 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) 330 GHz 110 cm 超高頻

24、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) 30300 GHz 110 mm 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) 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可見光紅外 光纖激光空間傳播 光通信 6 按信號(hào)復(fù)用方式分類 傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式 頻分復(fù)用用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍，傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用； 時(shí)分復(fù)用用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間，用于數(shù)字通信； 碼分復(fù)用用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號(hào)，主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。 1.2.2通信方式 1 按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分 對(duì)于點(diǎn)與

25、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 指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?只占用一個(gè)信道， 如廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼等就是單工通信方式的例子。 單工通信發(fā)端信道收端 半雙工通信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，如使用同一載頻的對(duì)講機(jī)。半雙工通信發(fā)端信道收端收端發(fā)端例如：對(duì)講機(jī)、計(jì)算機(jī)與終端間的通信。 全雙工通信指通信雙方可同時(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。如普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式。全雙工通信發(fā)端信道收端收端發(fā)端信道例如：電話 2 按數(shù)字信號(hào)排列順序分 在數(shù)

26、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。 并行傳輸將代表信息的數(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。其優(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， 特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。 串行傳輸數(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。一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 圖 1 - 7并行和串行通信方式示意圖 (a) 并行傳輸； (b) 串行傳輸 信號(hào)是消息的電表示，信息是其內(nèi)涵。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。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；否則，信源輸出已確切

27、知曉，就沒有必要再傳輸它了。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量。 1.3 信息及其度量從常識(shí)的角度來(lái)感覺三條消息： 太陽(yáng)從東方升起； 太陽(yáng)比往日大兩倍； 太陽(yáng)將從西方升起 。 第一條幾乎沒有帶來(lái)任何信息 第二條帶來(lái)了大量信息第三條帶來(lái)的信息多于第二條第一事件是一個(gè)必然事件，人們不足為奇； 第三事件幾乎不可能發(fā)生，它使人感到驚奇和意外，也就是說(shuō)，它帶來(lái)更多的信息信息含量是與驚奇這一因素相關(guān)聯(lián)的，這是不確定性或不可預(yù)測(cè)性的結(jié)果。 越是不可預(yù)測(cè)的事件， 越會(huì)使人感到驚奇，帶來(lái)的信息越多。 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。 可能性越小，概率越??；反之，概率越大。 因此

28、， 消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。 （1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I= fP(x) （2） P(x)越小， I 越大； 反之， I 越小， 且 P(x)1時(shí)， I0 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)，信息量具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+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， 顯然I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律： 信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為 I=loga =-loga P(x)

29、 (1.3 - 1) 信息量的單位與對(duì)數(shù)底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(nat)； a=10時(shí)， 信息量的單位為哈特萊。 目前廣泛使用的單位為比特。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 I(0)=I(1)=log22=1 (bit) (1.3 - 2) 傳送等概率的二進(jìn)制波形之一（P=1/2）的信息量為1比特。 傳送等概率的四進(jìn)制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時(shí)每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè)二進(jìn)制脈沖表示； 傳送等概率的八進(jìn)制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時(shí)至少需要3個(gè)二

30、進(jìn)制脈沖。 綜上所述，對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無(wú)記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為 I=log2 =log2 =log2 M(bit) (1.3 - 3) P為每一個(gè)波形出現(xiàn)的概率， M為傳送的波形數(shù)。 若M是2的整冪次，比如M=2K（K=1，2，3， ），則式(1.3 - 3)可改寫為： I=log2 2K=K (bit) (1.3 - 4) K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目，也就是說(shuō)，傳送每一個(gè)M（M=2K）進(jìn)制波形的信息量就等于用二進(jìn)制脈沖表示該波形所需的脈沖數(shù)目K。 如果是非等概情況，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

31、號(hào)xi(i=1, 2, 3, , n)出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有 P(xi)=1, 則x1, x2, , xn 所包含的信息量分別為-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號(hào)。當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，信源的熵有最大值。 熵 的 性 質(zhì)（1）非負(fù)性 （bit/符號(hào)）（2）極值性 例 12 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2010201302130

32、01203210100321010023102002010312032100120210的信息量。 解： 此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量為 每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為若用熵的概念來(lái)計(jì)算， 得 可見，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)， 用熵的概念來(lái)計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。一離散信源由A，B，C，D四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為1/2， 1/4， 1/8， 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)立的。試求某消息AAAAABBACCDDB的信息量及熵。 解：此消息中，A出現(xiàn)6次，B出現(xiàn)3

33、次，C出現(xiàn)2次，D出現(xiàn)2次，共有13個(gè)符號(hào)，故該消息的信息量及熵分別為：1.4 主要性能指標(biāo)通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內(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；可靠性是指接收信息的準(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。 模擬通信系統(tǒng) 有效性有效傳輸頻帶，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。 可靠性接收端最終輸出信噪比數(shù)字通信系統(tǒng) 有效性傳輸速率（傳碼率、傳信率，頻帶利用率） 可靠性差錯(cuò)率（誤碼率、誤信率）1. 傳輸速率 碼元傳輸速率R

34、B簡(jiǎn)稱傳碼率，又稱符號(hào)速率等。它表示單位時(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。 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):信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率等。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。 傳碼率與傳信率之間有如下關(guān)系： Rb=RBH (b/s) (1.4 - 2)當(dāng)H取最大值時(shí)TTTA二進(jìn)制1TT/2T/3符號(hào)比特碼元寬度碼元寬度碼元寬度比特寬度比特寬度比特寬度碼元碼元四進(jìn)制0 1八進(jìn)制0 0 1【例】碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（M

35、=8）時(shí)，信息速率為3600b/s； 采用二進(jìn)制（M=2）時(shí)， 信息速率為1200b/s， 可見，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)稱它們?yōu)閿?shù)碼率在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： RB2=RBMlog2 M (B)例 某信息源的符號(hào)集由A，B，C，D和E組成，設(shè)每一個(gè)符號(hào)獨(dú)立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。如果信息源以1000B速率傳送信息，則傳送1小時(shí)的信息量為多少？傳送1小時(shí)可能達(dá)到的最大信息量為多少？信息速率：Rb=RBH (b/s)解:(1)傳送1小時(shí)的信息量I=TRb=3600 2230=8. 028 106bit（2）等概率時(shí)，其信息量最大。傳送1小時(shí)的最大信息量I=TRbmax=3600 2320=8.352 106bit