如何區(qū)別模擬信號和數(shù)字信號

通信原理《通信原理》課程教學(xué)大綱

《通信原理》是信息工程專業(yè)本科生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程系統(tǒng)深入地闡述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理，其中包括模擬通信和數(shù)字通信，并以數(shù)字通信為主。本課程通過課堂教學(xué)、習(xí)題練習(xí)、實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在使學(xué)生系統(tǒng)地掌握通信系統(tǒng)基本原理及其性能的基本分析方法，了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的發(fā)展?fàn)顩r。一、課程介紹二、課程的基本要求

1、掌握通信系統(tǒng)的組成、分類、性能度量

及所要解決的基本問題2、系統(tǒng)掌握通信系統(tǒng)的基本原理及其性能

的基本分析方法3、了解現(xiàn)代通信技術(shù)與理論的發(fā)展?fàn)顩r及

趨勢

第一章緒論

復(fù)述常用通信術(shù)語區(qū)別模擬信號和數(shù)字信號說出系統(tǒng)的組成和分類，通信方式敘述數(shù)字通

信系統(tǒng)的主要特點分析離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）識別碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率

學(xué)習(xí)目標(biāo)：現(xiàn)代通信與信息社會▲

通信的任務(wù)▲

交流方式/技術(shù)特點的劃分歷史▲

現(xiàn)代通信系統(tǒng)是信息時代的生命線▲

電信的社會作用（有線無線及其有機(jī)結(jié)合）▲

第一類電信事業(yè)與第二類電信事業(yè)▲

現(xiàn)代通信與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)ξ1.1通信系統(tǒng)的組成通信就是把消息從一地傳送到另一地（要求準(zhǔn)確、迅速）

“電通信”是利用電（電流或電波，包括光的特征值）來傳遞信息通信系統(tǒng)：完成傳遞信息任務(wù)所需要的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體。圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型

通信系統(tǒng)的一般模型n

信源：原始信號的來源，其作用是將消息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。（如電話機(jī)、話筒、攝像機(jī)、計算機(jī)及備種數(shù)字終端設(shè)備）n

發(fā)送設(shè)備：

對原始電信號進(jìn)行各種處理和變換，使它變換成適合于信道中傳輸?shù)男问?。（調(diào)制、放大、濾波及數(shù)字發(fā)送設(shè)備中的編碼功能等）

n

信道（傳輸媒介）：

發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間用于傳輸信號的傳輸媒介（有線和無線兩大類）n

接收設(shè)備：對接收的信號進(jìn)行處理和變換，以便恢復(fù)出相應(yīng)于發(fā)送端的原始電信號（放大、濾波、解調(diào)及數(shù)字接收設(shè)備中的譯碼等功能）n

信宿：原始信號的最終接收者，其作用是把接收設(shè)備恢復(fù)出來的原始電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息（人、各種終端設(shè)備、計算機(jī)）n

噪聲源：是信道中的噪聲和通信系統(tǒng)中其它部分所產(chǎn)生的噪聲的集中表示。

ξ1.1.2模擬/數(shù)字通信系統(tǒng)的模型模擬信號：凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號。圖1–2模擬信號波形

數(shù)字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直

接與消息相對應(yīng)的信號。圖1-3數(shù)字信號波形圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號。

已調(diào)信號的三個基本特征：

數(shù)字通信系統(tǒng)模型

圖1–5數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點①抗干擾能力強②便于利用計算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字信號處理③易于進(jìn)行加密，實現(xiàn)保密通信④易于實現(xiàn)集成化

數(shù)字通信的優(yōu)點：

比模擬通訊占據(jù)數(shù)倍甚至數(shù)十倍寬的系統(tǒng)頻帶。（以電話為例，一路模擬電話通常占據(jù)4KHZ的寬帶，但一路數(shù)字電路所能要占據(jù)20KHZ～60KHZ的帶寬）因此在頻帶十分緊張而對通訊質(zhì)量沒有特殊要求的場合，仍將沿用模擬通信。其優(yōu)點是以占據(jù)更多系統(tǒng)頻帶為代價的。數(shù)字通信的缺點：

現(xiàn)代通信的特征：計算機(jī)與通信系統(tǒng)的緊密結(jié)合是現(xiàn)代通信的主要特征?！憩F(xiàn)形式：（1）移動通信乃至衛(wèi)星通信（GSM，CDMA，VSAT，GSP等）（2）INTERNET接入技術(shù)：FTTP-LAN;ADSL;Home-PNA

（3）衛(wèi)星技術(shù);光纖技術(shù);數(shù)字蜂窩技術(shù);寬帶接入技術(shù)等最新技術(shù)融入通信構(gòu)成了現(xiàn)代通信的主要表現(xiàn)。▲傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)組成一個通信系統(tǒng)，

乃至通信網(wǎng)絡(luò)。ξ1.2.2

通訊方式：

1：按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分：單工；半雙工；全雙工（圖1---6/P8）2：按數(shù)字信號排列順序分：并行傳輸和串行傳輸。（圖1—7/P9）

圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

(a)單工；(b)半雙工；(c)全雙工

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ξ1.3信息及其度量

消息——人或事物情況的報道信號——消息的載體（攜帶者）信息——指對于接收者來說事先不知道的消息I與F[P（x）]的關(guān)系1：I=f[P（x）]2：P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞3：事件獨立，信息具有相加性

（1）

信息量是概率的函數(shù)，即

I=f［P(x)］（2）

P(x)越小，I越大；反之，I越小，且

P(x)→1時，I→0P(x)→0時，I→∞

（3）若干個互相獨立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…簡單說明

綜上所述，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=-logaP(x)(1.3-1)

信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時，信息量的單位為比特(bit)；a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時，信息量的單位為十進(jìn)制單位，叫哈特萊。目前廣泛使用的單位為比特。下面舉例說明信息量的對數(shù)度量是一種合理的度量方法。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，則信源每個輸出的信息含量為

I(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)(1.3-2)

可見，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。同理，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，這時每一個四進(jìn)制波形需要用2個二進(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，這時至少需要3個二進(jìn)制脈沖。

對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為

I=log2=log2=log2M(bit)(1.3-3)

式中，P為每一個波形出現(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=log22K=K(bit)(1.3-4)

如果是非等概情況，設(shè)離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號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-log2P(x1),-log2P(x2)，…，-log2P(xn)。于是，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為

H(x)=P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］

=

由于H同熱力學(xué)中的熵形式一樣，故通常又稱它為信息源的熵，其單位為bit/符號。

當(dāng)信源中每個符號等概獨立出現(xiàn)時，此時信源的熵有最大值。例1-2一離散信源由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)都是獨立的。試求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210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個符號，故該消息的信息量為

每個符號的算術(shù)平均信息量為若用熵的概念來計算，由式（1.3-5）得ξ1.4通信系統(tǒng)的性能度量通信系統(tǒng)最主要的性能指標(biāo)是：傳輸?shù)挠行?/p>

和傳輸?shù)目煽啃?。傳輸?shù)挠行裕涸诮o定的信道帶寬條件下，能夠傳輸更多的消息。傳輸?shù)目煽啃裕涸诮o定的信道內(nèi)接收到消息的準(zhǔn)確程度。頻帶利用率：單位帶寬內(nèi)的碼元（信息）傳輸速率

模擬通信系統(tǒng)：

有效性的衡量：用每路信號的有效傳輸帶寬來衡量（帶寬越窄，傳輸有效性越好；有效傳輸帶寬與調(diào)制方式有關(guān)）可靠性的衡量：用整個通信系統(tǒng)的輸出信噪比來衡量。（它是輸出端有用信號功率與噪聲功率之比）。

數(shù)字通信系統(tǒng)：

有效性的衡量：

RB（傳碼率）碼元傳輸速率------單位時間內(nèi)所傳送的碼元數(shù)目。

Rb（傳信率）信息傳輸速率------單位時間內(nèi)所傳送的信息量。單位為比特率（bit/s）根據(jù)信息論：一個N進(jìn)制碼元所含信息量為I=log2N(bit)故：Rb=RBlog2N(bit/s)可靠性的衡量：用差錯率來衡量。誤碼率Pe=錯誤碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)。誤信率（誤比特率）Pb=錯誤比特率/傳輸總比特數(shù)，在二進(jìn)制碼中有Ps=Pb。

ξ1.5

通信技術(shù)發(fā)展概況

一：電信發(fā)展簡史 通信技術(shù)50年代以來發(fā)展尤為迅速。如50年代出現(xiàn)了同軸電纜和微波系統(tǒng)，使通信的容量大幅度增加，成本大幅度下降，促進(jìn)了長途通信的發(fā)展。60年代使用了海底電纜和衛(wèi)星通信，使國際通信得到迅速發(fā)展。70年代以來，大規(guī)模集成電路、光纖通信系統(tǒng)得到應(yīng)用，數(shù)字通信進(jìn)入全盛時期，包括語言、文本、數(shù)據(jù)、圖像等信息，傳輸?shù)木C合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起，標(biāo)志世界開始進(jìn)入“信息時代”。

電信發(fā)展的原因：

1.

傳輸信道的發(fā)展：多芯電纜---同軸電纜---光纖2.

通信用元器件的發(fā)展：真空管---晶體管---集成電路---大規(guī)模集成電路3.

傳輸方法的發(fā)展：電報、電話、多載波調(diào)制（AM），PCM時分多址等

二.主要傳輸手段的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

1.

電纜通信架空明線工作頻率：3HZ~300KHZ同軸電纜工作頻率：300KHZ~60MHZ與架空明線相比同軸電纜抗干擾能力強，容量大，（能傳送數(shù)于乃致萬路載波），是長途干線的主要通信手段。2.

微波中繼通信

60年代開始發(fā)展，工作頻率：50MHZ~15GHZ，容量大，帶寬達(dá)幾十至上百千兆赫，有幾十個分頻段，每個頻段又有6~10個頻道，每個頻道占有約30兆赫帶寬，每頻道可傳輸數(shù)千路話路；傳播比短波穩(wěn)定；但需要每隔約50公里設(shè)立微波中繼站。目前主要用于國內(nèi)長途通信和廣播電視節(jié)目傳送。其發(fā)展方向是數(shù)字微波及采用多電平調(diào)制技術(shù)。3.

光纖通信

70年代開始發(fā)展，工作頻率：105GHZ~107GHZ。容量大，成本低，不受電磁干擾。由于長波長光纖（波長為.0~1.6μm），使每路光纖通話路數(shù)可達(dá)百萬路，且由于其低損耗性，中繼距離將超過100公里。發(fā)展方向是長波長光纖通信，大容量數(shù)字傳輸技術(shù)和相干光通信4.

衛(wèi)星通信短波通信容量小，不穩(wěn)定，微波中繼通信不能越洋，海底電纜費用太高。如在遠(yuǎn)離地球三萬六千公里的赤道上空的同步衛(wèi)星上設(shè)置一個“微波中繼站”，則通信距離可長達(dá)18000公里，范圍覆蓋的三分之一以上。在地球赤道上空均勻地分布三顆衛(wèi)星，基本上可實現(xiàn)全球范圍的通信。其發(fā)展方向也是數(shù)字調(diào)制、時分多路及向更高頻段發(fā)展。地面系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是小型化。5.

移動通信公用移動通信（移動電話、無線尋呼）近幾年發(fā)展迅速，專用移動通信（導(dǎo)航、衛(wèi)星定位等）。移動通信發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標(biāo)準(zhǔn)化。

三：當(dāng)前熱門的前沿技術(shù)

軟件無線電原理；藍(lán)牙技術(shù)；寬帶接入技術(shù)；衛(wèi)星定位及測量系統(tǒng)。實驗與實踐：

1：PC模擬西門子中型計算機(jī)終端BAM通訊卡；

2：寶鋼能源中心I期與III期數(shù)據(jù)交換卡；

3：多路防盜報警器的產(chǎn)品開發(fā)；現(xiàn)在研究問題：電力線載波技術(shù)應(yīng)用的研究與寬帶技術(shù)等。

ξ1.6通信系統(tǒng)中的基本問題。

1.

調(diào)制和解調(diào)的原理2.

已調(diào)信號的特征3.

信道與噪聲特性及其信號傳輸?shù)挠绊?.

在有噪聲的條件下，系統(tǒng)的抗噪聲性能模擬通信研究的基本問題：1.

數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)原理2.

數(shù)字寬帶信號及數(shù)字頻帶信號的特征；3.

信道與噪聲的特性及其對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊憽?.

*抗噪聲編碼和譯碼。5.

*同步問題。數(shù)字通信研究的基本問題。

簡要回顧：

消息，信息，信號，通信模擬（信號）通信與數(shù)字（信號）通信系統(tǒng)的組

成和分類。通信方式。數(shù)字通

信系統(tǒng)的主要特點離散消息的信息量，平均信息量（信源熵）碼元速率，信息速率，頻帶利用率，誤碼率通信的基本問題？練習(xí)1-4一個由字母A、B、C、D組成的字，對于傳輸?shù)拿恳粋€字母用二進(jìn)制脈沖編碼，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每個脈沖寬度為5ms。（1）不同的字母是等可能出現(xiàn)時，試計算傳輸?shù)钠骄畔⑺俾?；?）若每個字母出現(xiàn)的可能性分別為，，，試計算傳輸?shù)钠骄畔⑺俾?。，，?/p>

1-5設(shè)一數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳送二進(jìn)制碼元的速率為2400B，試求該系統(tǒng)的信息速率；若該系統(tǒng)改為傳送十六進(jìn)制信號碼元，碼元速率不變，則這時的系統(tǒng)信息速率為多少？設(shè)各碼元獨立等概率出現(xiàn)。）

練習(xí)1-6某星系源的符號集由A、B、C、D和E組成，設(shè)每一符號獨立出現(xiàn)，其出現(xiàn)概率分別為1/4，1/8，1/8，3/16和5/16；信息源以1000B速率傳送信息。（1）求傳送1小時的信息量；（2）求傳送1小時可能達(dá)到的最大信息量。練習(xí)1-7設(shè)有四個消息符號，其前三個符號出現(xiàn)的概率分別是1/4，1/8，1/8。個消息符號出現(xiàn)是相對獨立的。求該符號集的平均信息量。練習(xí)樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識