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，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等。信號：與消息一一對應(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…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測、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（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，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)男盘枴Ｐ诺溃簩碜园l(fā)送設(shè)備的信號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中正確恢復(fù)出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(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)電信號參量的取值方式不同，可以把信號分為兩類：模擬信號和數(shù)字信號。判斷一個信號是模擬信號還是數(shù)字信號，關(guān)鍵在于確定攜帶消息的信號參量是哪個物理量，然后再根據(jù)物理量的取值狀態(tài)進(jìn)行判斷。模擬信號和數(shù)字信號

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

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

例如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸入輸出信號：通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，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(b)2PSK信號圖1-3數(shù)字信號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（基帶信號） 基帶信號已調(diào)信號（帶通信號）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)制以后的信號稱為已調(diào)信號，它應(yīng)具有兩個基本特征：

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）模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)（模擬信號在數(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盘枴?.2通信系統(tǒng)的組成模型同步：使收發(fā)兩端信號在時間上保持步調(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．模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)模擬信號在數(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：長波通信、中波通信、短波通信…按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時分復(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占據(jù)不同的頻率范圍；時分復(fù)用是用抽樣或脈沖調(diào)制方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(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。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于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關(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：通信雙方可同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。

例如,遙測、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傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時間，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)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個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悺１緯闹攸c(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，I＝0；P(x)=0時，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數(shù)的底： 若a=2，信息量的單位稱為比特(bit)

，可簡記為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，這時有

1.5信息及其度量【例1.1】設(shè)一個二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為：在工程應(yīng)用中，習(xí)慣把一個二進(jìn)制碼元稱作1比特。

若有M個等概率波形（P=1/M），且每一個波形的出現(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，即4進(jìn)制波形，I=2比特，當(dāng)M=8時，即8進(jìn)制波形，I=3比特。1.5信息及其度量對于非等概率情況 設(shè)：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號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，每個符號所含平均信息量為: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個符號組成的離散信息源，各符號出現(xiàn)的概率為試求該信源的平均信息量?！窘狻吭撔旁吹钠骄畔⒘繛椋骸纠?.3】一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(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個符號，故該消息的信息量:

每個符號的算術(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數(shù)的增加而減小。 當(dāng)消息序列較長時，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)。【例】四進(jìn)制離散信源輸出四個獨(dú)立符號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每個符號所攜帶的信息量和信源熵。2）A、B、C、D等概時，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)議是否合乎國家、國際標(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)對所傳信號的加密措施。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：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B

式中T－碼元的持續(xù)時間（秒）

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