第2講通信系統(tǒng)的分類、信息及其度量

通信原理電子教案廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院2012年9月《通信原理》電子教案授課班級(jí)：通信1103班、通信1104班授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院梁能1.3

通信系統(tǒng)分類及通信方式1.3.1通信的分類1.按傳輸媒質(zhì)分：有線通信和無線通信；●有線通信是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)為架空明線、電纜、光纜、波導(dǎo)等形式的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見，摸得著?！駸o線通信是指?jìng)鬏斚⒌拿劫|(zhì)為看不見、摸不著的媒質(zhì)（如電磁波）的一種通信形式?！裼芯€通信可進(jìn)一步再分類，如明線通信、電纜通信、光纜通信等。●無線通信常見的形式有微波通信、短波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、散射通信和激光通信、紅外通信等，其形式較多。

2.按信道中所傳信號(hào)特征分：模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)；

3.按工作頻段分：長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。地波、天波、反射波、視距波

4.按調(diào)制方式分：基帶傳輸和頻帶傳輸（AM、SSB、DSB、VSB；ASK、FSK、PSK、DPSK；PAM、PCM、△M等）；

5.按業(yè)務(wù)的不同分：話務(wù)通信和非話務(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?！穹窃拕?wù)通信主要包括數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)通信、電子信箱、電報(bào)、傳真、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。電話通信最為發(fā)達(dá)，其它通信常借助于公共的電話通信系統(tǒng)進(jìn)行。未來的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)中，各種用途的消息都能在一個(gè)統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳輸?！窳?從廣義的角度來看，廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)等也應(yīng)列入通信的范疇。但已從通信中派生出來，形成了獨(dú)立的學(xué)科。

6.按收信者是否運(yùn)動(dòng)分：移動(dòng)通信和固定通信。

另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻分多址通信（FDMA）、時(shí)分多址通信（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空分多址（SDMA）通信等；按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。

1.3.2通信方式

1.按消息傳送的方向與時(shí)間分

通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種。

2.按數(shù)字信號(hào)排序分

可將通信方式分為串序傳輸和并序傳輸。

3.按通信網(wǎng)絡(luò)形式分通信的網(wǎng)絡(luò)形式通?？煞譃槿N：兩點(diǎn)間直通方式、分支方式和交換方式。

圖1-8按網(wǎng)絡(luò)形式劃分的通信方式（a）兩點(diǎn)間直通方式；（b）分支方式；（c）交換方式注：●分支方式及交換方式均屬網(wǎng)通信的范疇。與點(diǎn)與點(diǎn)直通方式相比，有其特殊的一面。例：通信網(wǎng)中有一套具體的線路交換與消息交換的規(guī)定、協(xié)議等；通信網(wǎng)中既有信息控制問題，也有網(wǎng)同步問題等?！窬W(wǎng)通信的基礎(chǔ)仍是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信?！癖菊n程只研究：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而不涉及通信網(wǎng)的其它問題（移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)通信、程控交換等）。

1.4

通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.4.1一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)歸納起來有以下幾個(gè)方面:（1）有效性：通信系統(tǒng)傳輸消息的“速率”問題，即快慢問題。（2）可靠性：通信系統(tǒng)傳輸消息的“質(zhì)量”問題，即好壞問題。（3）適應(yīng)性：通信系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性。（4）經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的成本問題。（5）保密性：系統(tǒng)對(duì)所傳信號(hào)的加密措施。對(duì)軍用系統(tǒng)尤為重要。（6）標(biāo)準(zhǔn)性：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)。（7）維修性：系統(tǒng)是否維修方便。（8）工藝性：通信系統(tǒng)各種工藝要求。通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息，從研究消息傳輸?shù)慕嵌葋碚f，有效性和可靠性是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)。

對(duì)于模擬通信來說，系統(tǒng)的有效性和可靠性具體可用系統(tǒng)頻帶利用率和輸出信噪比（或均方誤差）來衡量。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的可靠性和有效性具體可用誤碼率和傳輸速率來衡量。

1.4.2信息及其度量

（1）信息定義：消息中包含的有意義的內(nèi)容。

“信息”一詞在概念上與消息的意義相似，但它的含義卻更具普遍性、抽象性。消息可以有各種各樣的形式，但消息的內(nèi)容可統(tǒng)一用信息來表述。

（2）信息量傳輸信息的多少可直觀地使用“信息量”進(jìn)行衡量。

●在一切有意義的通信中，雖然消息的傳遞意味著信息的傳遞，但對(duì)接收者而言，某些消息比另外一些消息的傳遞具有更多的信息。例:非?？赡馨l(fā)生的事情：“今年秋季比去年秋季冷”。極不可能發(fā)生的事情：“今年秋季比去年冬季冷”。事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外和驚奇，信息量就愈大。（2）信息量

●事件愈不可能發(fā)生，愈會(huì)使人感到意外和驚奇，信息量就愈大?！穸攘肯⒅兴男畔⒘康姆椒?，必須能夠用來估計(jì)任何消息的信息量，且與消息種類無關(guān)?！裣⒅兴畔⒌亩嗌僖矐?yīng)和消息的重要程度無關(guān)。

另：由概率論可知，事件的不確定程度，可用事件出現(xiàn)的概率來描述：事件出現(xiàn)（發(fā)生）的可能性愈小，則概率愈??；反之，概率愈大。●基于這種認(rèn)識(shí)，得：消息中的信息量與消息發(fā)生的概率緊密相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率愈小，則消息中包含的信息量就愈大。且概率為零時(shí)（不可能事件）信息量為無窮大；概率為1時(shí)（必然事件）信息量為0。

綜上：信息量與消息出現(xiàn)的概率有關(guān)，具體可以描述為如下規(guī)律：（1）消息中所含信息量是消息出現(xiàn)概率的函數(shù)：（2）消息出現(xiàn)的概率愈小，它所含信息量愈大；反之信息量愈小，且：（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)立事件信息量的和。信息量I和消息出現(xiàn)概率P(x)的關(guān)系為：信息量的單位取決于對(duì)數(shù)底數(shù)a的取值：

a=2單位為比特（bit，簡(jiǎn)寫為b）；

a=e單位為奈特（nat，簡(jiǎn)寫為n）；

a=10單位為哈特萊。

例1.1

設(shè)二進(jìn)制離散信源，數(shù)字0或1以相等的概率出現(xiàn)，試計(jì)算每個(gè)符號(hào)的信息量。

解:二進(jìn)制等概率時(shí)有即二進(jìn)制等概時(shí)，每個(gè)符號(hào)的信息量相等，為1bit。式中，P=1/M

為每一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率。一般情況下M=2K，則上式可改寫成例：對(duì)于M進(jìn)制離散信源，若M個(gè)符號(hào)等概率出現(xiàn)，且每一個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則每個(gè)符號(hào)的信息量相等，為結(jié)論：獨(dú)立等概情況下M進(jìn)制的每一符號(hào)包含的信息量，是二進(jìn)制每一符號(hào)包含信息量的K倍（K是每一個(gè)M進(jìn)制符號(hào)用二進(jìn)制符號(hào)表示時(shí)所需的符號(hào)數(shù)目）。（3）平均信息量當(dāng)各個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率不相等時(shí)，計(jì)算消息的信息量，常用到平均信息量的概念。

平均信息量定義：每個(gè)符號(hào)所含信息的平均值。用符號(hào)表示。多進(jìn)制時(shí)，設(shè)各符號(hào)出現(xiàn)的概率為：則平均信息量（信息源的熵）為：顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)獨(dú)立等概出現(xiàn)時(shí)，式（1.4-6）即成為（1.4-4）?？梢宰C明，此時(shí)信息源的熵為最大值。

信息源的熵：1.4.3有效性指標(biāo)的具體表述

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來衡量，傳輸速率越高，系統(tǒng)的有效性越好。有效性通常有兩種表示方法。1.碼元傳輸速率RB

（數(shù)碼率、傳碼率、碼率、信號(hào)速率或波形速率）

定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目；單位：波特（Baud），用符號(hào)“B”表示；數(shù)字信號(hào)一般有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分，但碼元速率與信號(hào)的進(jìn)制數(shù)無關(guān)，只與碼元寬度有關(guān)：其中：Tb為碼元寬度。2.信息傳輸速率Rb

（傳信率、比特率）定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?；單位：比?秒（bit/s），簡(jiǎn)記為b/s或bps；因?yàn)樾畔⒘颗c信號(hào)進(jìn)制數(shù)N有關(guān)，因此，也與N有關(guān)。

3.Rb與RB之間的關(guān)系它們之間在數(shù)值上有如下關(guān)系：

4.多進(jìn)制與二進(jìn)制傳輸速率之間的關(guān)系（1）碼元速率不變，二進(jìn)制信息速率與多進(jìn)制信息速率之間的關(guān)系：（2）系統(tǒng)信息速率不變，多進(jìn)制碼元速率與二進(jìn)制碼元速率之間的關(guān)系：結(jié)論：1.4.4可靠性指標(biāo)的具體表述

數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是利用差錯(cuò)率來衡量。差錯(cuò)率通常有兩種表示方法。1.碼元差錯(cuò)率（誤碼率）

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，也就是說，誤碼率就是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。2.信息差錯(cuò)率（誤信率）

發(fā)生差錯(cuò)的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被