1、第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 第第1章章 绪绪 论论 1.1通信的发展通信的发展 1.2通信的概念通信的概念 1.3通信系统通信系统 1.4信息论基础信息论基础 1.5通信系统的性能指标通信系统的性能指标 1.6通信信道的基本特性通信信道的基本特性 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.1通信的发展通信的发展1.1.1通信发展简史通信发展简史远古时代的人类用表情和动作进行信息交流,这是最原始的通信方式。后来,人类在漫长的生活中创造了语言和文字,进一步实现了语言和文字的消息交流。除此之外,人类还创造了许多消息的传递方式,如古代的烽火台、金鼓、锦旗和航行用的信号灯等,这
2、些都是解决远距离消息传递的方式。进入19世纪后,人们开始试图用电信号进行通信。表11中列出了一些与通信相关的历史事件,读者可从中清晰地掌握通信发展的概貌。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 表1-1 与通信相关的历史事件 年代年代 经历时间经历时间 相关事件相关事件 18261897 71 年 欧姆定律、有线电报、电磁辐射方程、电话、麦克斯韦理论、无线电报等 19041940 36 年 二极管、空中辐射传输声音信号、信号放大器、有线电话传输、超外差无线接收机、 抽样定律、 电传机、 频率调制、 调频无线电广播、 脉冲编码调制 （PCM） 、电视广播 19401960 20 年 雷达
3、和微波系统、晶体三极管、香农“通信的数学理论”、通信统计理论、时分多路通信、越洋电话电缆 19601970 10 年 激光、第一颗通信卫星、PCM 实验、激光通信、集成电路（IC） 、数字信号处理（DSP） 、探月电视实况转播、高速数字计算机、 19701980 10 年 商用接力卫星通信（音频和数字） 、Gbit 数字传输速率、大规模集成电路（LSIC） 、通信集成电路、陆地间的计算机通信网络、低损耗光纤、光通信系统、分组交换数字数据系统、星际间大型漫游发射、微处理器、计算机断层成像、超级计算机 19801990 10 年 卫星“空间接线总机”、移动/蜂窝电话系统、多功能数字显示、每秒 20
4、 亿取样数字示波、桌面印刷系统、可编程数字信号处理器、自动扫描数字调音接收机、芯片加密技术、单片数字编码器和解码器、红外数据/控制链、音频播放压缩盘、200 000 字光存储媒体、以太网、远距贝尔系统、数字信号处理器 1990今 10 多年 全球定位系统 （GPS） 、 高分辨率电视 （HDTV） 、 甚小天线口径卫星 （VSAT） 、全球蜂窝卫星系统、综合业务数字网（ISDN） 、蜂窝电话、商用因特网 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.1.2通信技术的发展与展望通信技术的发展与展望通信技术的发展主要体现在电缆通信、微波中继通信、光纤通信、卫星通信、移动通信等几个方面。下面通过
5、分析现代通信技术的现状来看看未来通信的发展趋势。电缆通信是最早发展起来的通信手段。其用于长途通信已有60余年历史,在通信中占有突出地位。在光纤通信和移动通信发展之前,电话、传真、电报等各用户终端与交换机的连接全靠市话电缆。电缆还曾是长途通信和国际通信的主要手段,大西洋、太平洋均有大容量的越洋电缆。据1982年统计,我国公用网长途线路总长为18万余千米,其中90为明线。目前,同轴电缆所占的比例已上升到1/3左右。电缆通信主要采用模拟单边带调制和频分多路复用(SSBFDM)技术。由于光纤通信的发展,同轴电缆逐渐被光纤电缆所取代。第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 微波中继通信始于20世纪
6、60年代,它弥补了电缆通信的缺点,较一般电缆通信,具有易架设,建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一,主要用于传输长途电话和电视节目,目前模拟电话微波通信容量每频道可达6000路,其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。随着数字通信的发展,数字微波成为微波中继通信的主要发展方向。早期的数字微波大都采用BPSK、QPSK调制,为了提高频谱利用率,增加容量,现已向多电平调制技术发展,采用了16QAM和64QAM调制,并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的数字微波。采用多电平调制,在40MHz的标准频道间隔内可传送19207680路脉冲编码调制数字电话,赶上并超过模拟微波通信容
7、量。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 光纤通信是以光导纤维(简称光纤)为传输媒质、以光波为载波的通信方式。光纤通信具有容量大、频带宽、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、通信质量高等优点,且成本低,与同轴电缆相比可以节约大量有色金属和能源。光纤通信已成为各种通信干线的主要传输手段。目前,单波长光通信系统速率已达10Gbs,其潜力已不大,采用密集波分复用(DWDM)技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术。近年来,DWDM技术取得了较大的进展,美国AT&T实验室等机构已成功地完成了Tbs的传输实验。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 光传送网是通信网未来的发展方向,它可以
8、处理高速率的光信号,摆脱电子瓶颈,实现灵活、动态的光层联网,透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复。因此,世界上许多国家纷纷进行研究、试验,验证由波分复用、光交叉连接设备及色散位移光纤组成的高容量通信网的可行性。光纤通信的主要发展方向是单模长波长光纤通信、大容量数字传输技术和相干光通信。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 卫星通信的特点是通信距离远,覆盖面积大,不受地形条件限制,传输容量大,建设周期短,可靠性高。自1965年第一颗国际通信卫星投入商用以来,卫星通信得到迅速发展,现在第六代国际通信卫星即将投入使用。目前,卫星通信的使用范围已遍及全球,仅国际卫星通信组织就拥有数十
9、万条话路,80的洲际通信业务和100的远距离电视传输业务均采用卫星通信,卫星通信已成为国际通信的主要手段。同时,卫星通信已进入国内通信领域,许多发达国家和发展中国家均拥有国内卫星通信系统。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 我国自20世纪70年代起,开始将卫星通信用于国际通信,从1985年起开始发展国内卫星通信。至今,我国已发射5颗同步通信卫星,连同租借的国际卫星的转发器,已拥有22个转发器。并与182个国家和地区开通了国际通信业务,初步组织了国内公用卫星通信网及若干专用网。卫星通信中目前大量使用的是模拟调制及频分多路和频分多址技术。如同其他通信方式一样,其发展方向也是数字调制、时
10、分多路和时分多址。卫星通信正向更高频段发展,采用多波束卫星和星上处理等新技术,地面系统的主要发展趋势是小型化。近年来蓬勃发展的VSAT(甚小口径终端)小站技术集中反映了调制解调、纠错编码译码、数字信号处理、通信专用超大规模集成电路、固态功放和低噪声接收、小口径低旁瓣天线等多项新技术的进步。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区,移动用户可以从一个小区运动到另一个小区,依靠终端对基站的跟踪,使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市,甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成:控制
11、交换中心、若干基站、诸多移动终端。通过控制交换中心进入公用有线电话网,从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。目前广泛应用的是第二代移动通信系统,采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术,已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一,覆盖了大中小城市,为人们的信息交流提供了极大的便利。随着移动通信终端的普及,移动用户数量成倍地增长,第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现出来,如全球漫游问题、系统容量问题
12、、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。为此,从20世纪90年代中期开始,各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究,它包括地面系统和卫星系统,移动终端既可以连接到地面的网络,也可以连接到卫星的网络。第三代移动通信系统工作在2000MHz频段,国际电信联盟正式将其命名为IMT2000。IMT2000的目标和要求是:统一频段,统一标准,达到全球无缝隙覆盖,提供多媒体业务,传输速率最高应达到2Mbs,其中,车载为144kbs、步行为384kbs、室内为2Mbs,频谱利用率高,服务质量高,保密性能好;易于向第二代系统过渡和演进;终端价格低。目前,第三代移动通信系统有多个标准,我国所提出的TDSCD
13、MA标准就是其中之一。这充分体现了我国在移动通信领域的研究已达到国际领先水平。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 第三代移动通信系统(简称3G)处于研究和建设之中。目前有三种方案比较成熟,即日本提出的WCDMA系统、美国提出的CDMA2000系统和中国提出的TDSCDMA系统。第三代移动通信系统涉及到很多新的关键技术,主要有:(1)自适应智能化无线传输技术;(2)智能接收技术;(3)智能业务接入;(4)同步CDMA的同步方式、跟踪、范围以及多媒体同步技术,尤其是不同媒体之间的同步(同步模型)研究,以及在移动信道下传输所带来的影响和解决方法的研究; 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心
14、动风随心动 (5)新的高效信源编码和信道编译码技术的研究;(6)越区切换技术研究(软切换、硬切换以及WCDMA中激励切换技术),与地面各类网、卫星网互联及信令变换的研究;(7)信道传播特性的研究(包括更高工作频段3060GHz);(8)用于移动业务的多媒体终端;(9)更高速率、更高频段多媒体移动通信集成系统(第四代)方案的研究;(10)跟踪IMT2000无线传输技术,卫星移动通信系统接入技术和相关技术研究。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.2通信的概念通信的概念1.2.1通信的定义通信的定义一般意义上的通信(Communication)是指由一地向另一地进行消息的有效传递。满
15、足此定义的例子很多，如打电话，它是利用电话(系统)来传递消息；两个人之间的对话，亦是利用声音来传递消息，不过只是通信距离非常短而已；古代“消息树”、“烽火台”和现代仍使用的“信号灯”等也是利用不同方式传递消息的，理应归属通信之列。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 然而，随着社会生产力的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称之为电信(Telecommunication)，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。如今，在自然科学中，“通信”与“电信”几乎是同义词
16、了。本教材中所说的通信，均指电信。这里不妨对通信重新定义：把利用电子等技术手段，借助电信号(含光信号)实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换称为通信。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要有效地传递信息，而且还有存储、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.2.2通信的分类通信的分类常用的通信分类方法有以下几种。1.按传输媒质分按传输媒质分按消息
17、由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。导线可以是架空明线、电缆、光缆及波导等。所谓无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 2.按信道中所传信号的不同分按信道中所传信号的不同分信道是传输信号的通路。通常信道中传送的信号可分为数字信
18、号和模拟信号，由此，通信亦可分为数字通信和模拟通信。凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化(即可以取无限多个值)，而不一定在时间上也连续，例如第3章介绍的各种脉冲调制，经过调制后已调信号脉冲的某一参量是可以连续变化的，但在时间上是不连续的。这里指的某一参量是指我们关心的并作为研究对象的那一参量，绝不是指时间参量。当然，对于参量连续变化、时间上也连续变化的信号，毫无疑问也是模拟信号，如强弱连续变化的语言信号，亮度连续变化的电视图像信号等都是模
19、拟信号。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 凡信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不直接与消息相对应的，称为数字信号。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某参量是离散(不连续)变化的，而不一定在时间上也离散。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 3.按工作频段分按工作频段分根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。为了比较全面地对通信中所使用的频段有所了解，下面把通信使用的频段及说明列入表12中，仅作为参考。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 频率范围(f) 波长() 符号 常用传输媒介 用 途 3 Hz3
20、0 kHz 108104m 甚低频 VLF 有线线对、 长波无线电 音频、电话、数据终端、长距离导航、时标 30300 kHz 104103m 低频 LF 有线线对、 长波无线电 导航、信标、电力线通信 300kHz3MHz 103102m 中频 MF 同轴电缆、 中波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 330 MHz 10210m 高频 HF 同轴电缆、 短波无线电 移动无线电话、 短波广播、 定点军用通信、业余无线电 30300 MHz 101m 甚高频 VHF 同轴电缆、 米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航、 集群通信、无线寻呼 300MHz3GHz 10010
21、cm 特高频 UHF 波导、分米波无线电 电视、空间遥测、 雷达导航、 点对点通信、移动通信 330 GHz 101cm 超高频 SHF 波导、厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30300 GHz 101mm 极高频 EHF 波导、毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 105107GHz 310-3 310-5 mm 紫外、 可见光红外 光纤、激光空间传播 光通信 表表 1-2 通信使用的频段及主要用途通信使用的频段及主要用途 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 通信中工作频率和工作波长可互换，公式为 fC式中，为工作波长；f为工作频率；C为电波在自由空间中的传播速度
22、，通常认为C=3108 m/s。 (1-1)第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 4. 按调制方式分按调制方式分 根据消息在送到信道之前是否采用调制， 通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 调 制 方 式 用 途 常规双边带调幅 AM 广播 抑制载波双边带调幅 DSB 立体声广播 单边带调幅 SSB 载波通信、无线电台、数传 线性调制 残留边带调幅 VSB 电视广播、数传、传真 频率调制 FM 微波中继、卫
23、星通信、广播 非线性调制 相位调制 PM 中间调制方式 幅度键控 ASK 数据传输 频率键控 FSK 数据传输 相位键控 PSK、DPSK、QPSK 等 数据传输、数字微波、空间通信 连 续 波 调 制 数字调制 其他高效数字调制 QAM、MSK 等 数字微波、空间通信 脉幅调制 PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制 PDM 中间调制方式 脉冲模拟调制 脉位调制 PPM 遥测、光纤传输 脉码调制 PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制 DM 军用、民用电话 差分脉码调制 DPCM 电视电话、图像编码 脉 冲 调 制 脉冲数字调制 其他语言编码方式 ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话 表
24、表 1-3 常用的调制方式常用的调制方式第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.2.3通信方式通信方式1.按消息传送的方向与时间分按消息传送的方向与时间分通常，如果通信仅在点对点之间进行，或一点对多点之间进行，那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图11(a)所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等，这里，信号(消息)只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和BB机上。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 所谓半双工通信方式，是指通信
25、双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的形式，如图11(b)所示。例如对讲机、收发报机等都是这种通信方式。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图 1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式(a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 2.按数字信号排序分按数字信号排序分在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。所谓串序传输，即是将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式，如图12(a)所示；如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道
26、上传输，则称为并序传输通信方式，如图12(b)所示。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图 1-2 按数字信号排序划分的通信方式(a) 串序传输方式 ； (b) 并序传输方式 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 3.按通信网络形式分按通信网络形式分通信的网络形式通常可分为三种：点到点通信方式、点到多点通信(分支)方式和多点到多点通信(交换)方式，它们的示意图如图13所示。点到点通信方式是通信网络中最为简单的一种形式，终端A与终端B之间的线路是专用的；在点到多点通信(分支)方式中，它的每一个终端(A,B,C,N)经过同一信道与转接站相互连接，此时，终端之间不能直通信息，而必
27、须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现；多点到多点通信(交换)方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把要求通信的两终端之间的线路接通(自动接通)，或者通过程序控制实现消息交换，即通过交换设备先把发方来的消息存储起来，然后再转发至收方，这种消息转发可以是实时的，也可是延时的。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图 1-3 按网络形式划分的通信方式(a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.3通信系统通信系统1.3.1通信系统的模型通信系统的模型通信的任务是完成消息的传递和交换。以点对点通信
28、为例，可以看出要实现消息从一地向另一地的传递，必须有三个部分：一是发送端，二是接收端，三是收发两端之间的信道，如图14所示。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图14通信系统的模型 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 这里，信息源(简称信源)的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源，信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号，是指没有经过调制(频率搬移)的原始信号，其特点是频率较低。基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号。为了使原始信号(基带信号)适合在信道中传输，由发送设备对基带信号进行某种变换或处理，使之适应信道的传输特性要求。发送设备是
29、一个总体概念，它可能包括许多具体电路与系统，通过以后的学习，这点体会将会更深。信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。在接收端，接收设备的功能正好相反于发送设备，它将从收到的信号中恢复出相应的原始信号。受信者(也称信宿或收终端)是将复原的原始信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。图14中，噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合。图中这种表示并非指通信中一定要有一个噪声源，而是为了在分析和讨论问题时便于理解而人为设置的。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.3.2模拟通信系统模拟通信系统我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信
30、系统。模拟通信系统的组成(通常也称为模型)可由一般通信系统模型略加改变而成，如图15所示。对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号(发端信息源完成)和把电信号恢复成最初的连续消息(收端受信者完成)。由信源输出的电信号(基带信号)具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其频带适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是具有较高频率成分。 第 1 章 绪
31、 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图15模拟通信系统模型 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.3.3数字通信系统数字通信系统1.数字频带传输通信系统数字频带传输通信系统数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。例如，前面提到的第二种变换，在模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的模拟信号之间的比例特性，而在数字通信中，则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 另外，数字通信中还存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上
32、是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行“扰乱”(加密)，此时在接收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发送端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“
33、同步”这个重要问题。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图16数字频带传输通信系统模型 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 需要说明的是，图16中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发送端有调制/加密/编码，则接收端必须有解调/解密/译码。通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 2.数字基带传输通信系统数字基带传输通信系统与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，
34、如图17所示。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图 1-7 数字基带传输通信系统模型 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 3.模拟信号数字化传输通信系统模拟信号数字化传输通信系统上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号(如语音信号)为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图18所示。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 图 1-8 模拟信号数字化传输通信系统模型 第 1 章 绪
35、论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.3.4数字通信的主要优缺点数字通信的主要优缺点 1. 数字通信的主要优点数字通信的主要优点(1) 抗干扰、 抗噪声性能好。 (2) 差错可控。 (3) 易加密。 (4) 易于与现代技术相结合。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 2. 数字通信的缺点数字通信的缺点 (1) 频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽。如果系统传输带宽一定的话， 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。 (2) 需要严格的同步系统。数字通信中，要准确地恢复信号，必
36、须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.4信息论基础信息论基础1.4.1信息及其量度信息及其量度“信息”(information)一词在概念上与消息(message)的意义相似，但它的含义却更具普遍性、抽象性。信息可被理解为消息中包含的有意义的内容；消息可以有各种各样的形式，但消息的内容可统一用信息来表述。传输信息的多少可直观地使用“信息量”进行衡量。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 传递的消息都有其量值的概念。在一切有意义的通信中，虽然消息的传递意味着信息的传递，但对接收者而言，某些消息
37、比另外一些消息的传递具有更多的信息。例如，甲方告诉乙方一件非常可能发生的事情，“明天中午12时正常开饭”，那么比起告诉乙方一件极不可能发生的事情，“明天12时有地震”来说，前一消息包含的信息显然要比后者少些。因为对乙方(接收者)来说，前一事情很可能(必然)发生，不足为奇，而后一事情却极难发生，听后会使人惊奇。这表明消息确实有量值的意义，而且，对接收者来说，事件愈不可能发生，愈会使人感到意外和惊奇，则信息量就愈大。正如已经指出的，消息是多种多样的，因此，量度消息中所含的信息量值，必须能够用来估计任何消息的信息量，且与消息种类无关。另外，消息中所含信息的多少也应和消息的重要程度无关。 第 1 章
38、绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 由概率论可知，事件的不确定程度，可用事件出现的概率来描述，事件出现(发生)的可能性愈小，则概率愈小；反之，概率愈大。基于这种认识，我们得到：消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关。消息出现的概率愈小，则消息中包含的信息量就愈大。且概率为零时(不可能发生事件),信息量为无穷大；概率为1时(必然事件)，信息量为0。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 (1) 消息中所含信息量I是消息出现的概率P(x)的函数，即 )(xPII (2) 消息出现的概率愈小， 它所含信息量愈大； 反之信息量愈小。 且 时时01PPII0(1-2)综上所述，可以得出消息中所含信
39、息量与消息出现的概率之间的关系应反映如下规律： 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 (3) 若干个互相独立事件构成的消息， 所含信息量等于各独立事件信息量的和， 即 )()()()(2121xPIxPIxPxPI可以看出I与P(x)间应满足以上三点， 则它们有如下关系式： )(log)(1logxPxPIaa(1-3)第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 信息量I的单位与对数的底数a有关： a=2 单位为比特(bit，简写为b)； a=e单位为奈特(nat，简写为n)；a=10单位为笛特(Det)或称为十进制单位； a=r单位称为r进制单位。 通常使用的单位为比特。 第 1
40、章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 例例 1-1 试计算二进制符号等概率和多进制(M进制)等概率时每个符号的信息量。 解解 二进制等概率时， 即 )bit( 121b1)0() 1 (21)0() 1 (IIPP第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 M进制等概率时，有 MMPPP1)()2() 1 ()bit(b1)(11log)()2() 1 (MMMMIIIM进制单位第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 例例 1-2 试计算二进制符号不等概率时的信息量(设P(1)=P)。 解解 P(1)=P P(0)=1-PI(1)=-lb P(1)=-lb P (bit)I(0)=-l
41、b P(0)=-lb (1-P) (bit) 可见, 不等概率时，每个符号的信息量不同。 这里我们引入平均信息量的概念。平均信息量I 等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率之和。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 )0(1 )0() 1 (1 ) 1 (bPPbPPI把P(1)=P代入， 则 )/bit()1 (b1 ) 1(b1)1 (b1 )1 (b1符号PPPPPPPPI(1-4)二进制时： 1.4.2平均信息量平均信息量平均信息量 I 等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率之和。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 对于多个信息符号的平均信息量的计算： 设各符号出
42、现的概率为 )(,),(),(,2111nnxPxPxPxxx且 1)(1niixP则每个符号所含信息的平均值(平均信息量)： )(b1 )()(1)()(1)()(1)(12211iniinnxPxPxbPxPxbPxPxbPxPI平均信息量 的单位为bit/符号(比特/符号)。 I(1-5)第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 例例 1-3 设由5个符号组成的信息源，相应概率为 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 例例 1-4 一信息源由4个符号A、 B、 C、 D组成，它们出现的概率为3/8、1/4、1/4、1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求信息源输出为CABAC
43、ABDACBDAABCAD-CBABAADCBABAACDBACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。 解解 信源输出的信息序列中，A出现23次，B出现14次，C出现13次，D出现7次，共有57个。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 该信息源总的信息量为 I=30.11+28.35+27.72+21.18=107.36 (bit) 则每一个符号的平均信息量为 )/bit(88. 15736.107符号符号总数II 上面计算中，我们没有利用每个符号出现的概率来计算， 而是用每个符号在57个符号中出现的次数(频度)来计算的。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动
44、实际上， 用平均信息量公式(1 - 5)直接计算可得)bit/(90. 18b1814b124138b183符号I总的信息量 I=571.906=111 (bit) 可以看出，本例中两种方法的计算结果是有差异的，原因就是前一种方法中把频度视为概率来计算。当信源中符号出现的数目m时， 则上两种计算方法结果一样。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.5通信系统的性能指标通信系统的性能指标 1.5.1一般通信系统的性能指标一般通信系统的性能指标通信系统的性能指标有:有效性、可靠性、适应性、保密性、标准性、维修性、工艺性等。从信息传输的角度来看,通信的有效性和可靠性是系统最主要的两个性能
45、指标。通信系统的有效性与系统高效率地传输消息相关联。即通信系统怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的消息。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 通信系统的可靠性与系统可靠地传输消息相关联。可靠性是一种量度,用来表示收到消息与发出消息的符合程度。因此,可靠性取决于系统抵抗干扰的性能。一般情况下,要增加系统的有效性,就要降低系统的可靠性,反之亦然。在实际中,常常依据实际系统要求采取相对统一的办法,即在满足一定可靠性指标下,尽量提高消息的传输速率,即有效性;或者,在维持一定有效性条件下,尽可能提高系统的可靠性。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1.5.2通信系统的有效性指标
46、通信系统的有效性指标模拟通信系统中,每一路模拟信号都需占用一定的信道带宽,要在信道具有一定带宽时充分利用它的传输能力,可有几个方面的措施。其中有两个主要方面:一是多路信号通过频率分割复用,即频分复用(FDM),以复用路数多少来体现其有效性,如同轴电缆最高可容纳10800路4kHz模拟话音信号,目前使用的无线频段为1051012Hz,通常利用频分复用方式实现各种无线通信;另一方面,提高模拟通信有效性是指根据业务性质减少信号带宽,如话音信号的调幅单边带(SSB)为4kHz,就比调频信号带宽小数倍,但可靠性较差。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 数字通信的有效性主要体现在一个信道通过的
47、信息速率。对于基带数字信号,可以采用时分复用(TDM)以充分利用信道带宽。对于数字信号频带传输,可以采用多元调制来提高有效性。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，则系统的有效性越好。通常可从以下三个不同的角度来定义传输速率。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 1. 码元传输速率码元传输速率 码元传输速率通常又可称为码元速率、数码率、传码率、码率、信号速率或波形速率，用符号RB来表示。码元速率是指单位时间(每秒钟)内传输码元的数目，单位为波特(Baud)，常用符号“B”表示(注意，不能用小写)。例如，某系统在2秒内共传送4 800个码元，则系统的传码率为2 400B
48、。 数字信号一般有二进制与多进制之分，但码元速率RB与信号的进制数无关，只与码元宽度Tb有关。 bBTR1(1-7)第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 通常在给出系统码元速率时，有必要说明码元的进制，多进制(N)码元速率RBN与二进制码元速率RB2之间，在保证系统信息速率不变的情况下，相互可转换，转换关系式为 )(log22BNRRBNB(1-8)4 , 3 , 2,2k，Nk应为式中第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 2. 信息传输速率信息传输速率 信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率用符号Rb表示。Rb是指单位时间(每秒钟)内传送的信息量。单
49、位为比特/秒(bit/s)，简记为b/s或bps。例如，若某信源在1秒钟内传送1 200个符号，且每一个符号的平均信息量为1(bit)，则该信源的Rb=1 200b/s或1 200 bps。 因为信息量与信号进制数N有关，因此，Rb也与N有关。 第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 3. Rb与与RB之间的互换之间的互换 在二进制中，码元速率RB2同信息速率Rb2的关系在数值上相等，但单位不同。 在多进制中，RBN与RbN之间数值不同，单位亦不同。它们之间在数值上有如下关系式 NRRBNbN2log 在码元速率保持不变条件下，二进制信息速率Rb2与多进制信息速率RbN之间的关系为 NRRbNb22log(1-9)(1-10)第 1 章 绪 论 醉雪醉雪风随心动风随心动 例例1-5 已知二进制数字信号在2min内共传送了72 000个码元，(1) 问其码元速率和信息速率各为多少? (2) 如果码元宽度不变(即码元速率不变)，但改为八进制数字信号， 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解解 (1) 在260s内传送了72 000个码元RB2=72 000/(260)=600 (B)Rb2=RB2=600 (b/s)(2) 若改为8进制则 RB8=72 000/(260)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) 第 1 章 绪
