1、第一章 绪论1通信原理通信原理第一章绪论第一章绪论 第一章 绪论2第第1章绪论章绪论v1.11.1引言引言 v1.2 1.2 通信系统模型通信系统模型 v1.31.3通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式v1.41.4信息及其度量信息及其度量 v1.5 1.5 主要性能指标主要性能指标 第一章 绪论31.11.1引言引言 1 1、通信概念、通信概念：信息的传递过程称为通信。信息的传递过程称为通信。人类自存在以来，在生存和斗争中总要进行思想交流和信人类自存在以来，在生存和斗争中总要进行思想交流和信息的传递，通信自古以来一直沿着人类历史前进的足迹不断息的传递，通信自古以来一直沿着人类历史
2、前进的足迹不断地发展。地发展。远古时代的通信：远古时代的通信：表情、动作；表情、动作；文明古时代的通信：文明古时代的通信：语言、文字、烽火告警、语言、文字、烽火告警、驿马传令等；驿马传令等；近代、现代的通信：近代、现代的通信：电报、电话、广播、传真、电报、电话、广播、传真、电视、雷达、遥控遥测、电视、雷达、遥控遥测、人工智能等。人工智能等。电信号电信号给予通给予通信一个信一个质的飞质的飞跃。跃。第一章 绪论4v18371837年，年，Morse Morse 发明电报；发明电报；v18761876年，贝尔，发明电话；年，贝尔，发明电话；v18871887年，赫兹，证明电磁波的存在；年，赫兹，证明
3、电磁波的存在；v2020世纪初，调幅调制方式；世纪初，调幅调制方式；19361936年，调频技术年，调频技术FMFM发展；发展；v19281928年，奈奎斯特定理的提出（抽样定理）年，奈奎斯特定理的提出（抽样定理）v19371937年，年，PCMPCM通信的发明通信的发明v19551955年，皮尔斯年，皮尔斯 卫星通信；卫星通信；19621962年，发射第一颗通信卫星年，发射第一颗通信卫星TELSTARTELSTARv大规模的集成电路的发展。大规模的集成电路的发展。通信发展历程通信发展历程第一章 绪论52、通信网概念：、通信网概念：为了完成多用户中任意两个用户之间信源与信宿之间的为了完成多用户
4、中任意两个用户之间信源与信宿之间的通信过程通信过程,一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互一般需要建立一个网络，这个多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。连的通信体系称之为通信网。3 3、通信网的构成、通信网的构成1 1）终端设备）终端设备：电话、电报、监视器（摄像头）、电视等电话、电报、监视器（摄像头）、电视等2 2）传输设备）传输设备：电缆、光缆、微波、卫星等：电缆、光缆、微波、卫星等3 3）交换设备）交换设备：程控交换、：程控交换、ATMATM交换、光交换等交换、光交换等4 4）协议和准则）协议和准则 通信技术是一门年轻但发展迅速的新技术，已由简单的通信技术是一门年轻但发展迅速的
5、新技术，已由简单的通信技术发展成为通信科学。通信技术发展成为通信科学。第一章 绪论6 通信的发展必须在通信技术发展的基础上形成一套通信的发展必须在通信技术发展的基础上形成一套科学的标准体系，并得到普遍的遵循和贯彻。科学的标准体系，并得到普遍的遵循和贯彻。4、通信的标准、通信的标准 标准由很多种：标准由很多种：国际标准、国内标准、军用标准和国际标准、国内标准、军用标准和非军用标准非军用标准等。等。随着现代技术，尤其是计算机技术及其应用的发展，现随着现代技术，尤其是计算机技术及其应用的发展，现代通信都以网络的方式进行，入网用户数目巨大、业务类型代通信都以网络的方式进行，入网用户数目巨大、业务类型繁
6、多、处理大量数据业务及多媒体业务；终端设备种类、数繁多、处理大量数据业务及多媒体业务；终端设备种类、数量不断增多；通信设备越来越广泛，遍布陆地、海洋、天空、量不断增多；通信设备越来越广泛，遍布陆地、海洋、天空、地下以至于外层空间地下以至于外层空间第一章 绪论74 4、本课程的主要任务、本课程的主要任务 本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统本课程主要介绍信息端到端的传输系统，主要讨论系统的组成、原理和性能指标。的组成、原理和性能指标。国际标准是指由国际标准化组织（国际标准是指由国际标准化组织（ISO）、国际电）、国际电工委员会（工委员会（IEC）以及）以及ISO公布的其他公布的其他2
7、7个国际组织通个国际组织通过的标准，过的标准，在在27个国际组织中，与通信最密切的有两个：个国际组织中，与通信最密切的有两个：国际无线电通信咨询委员会：国际无线电通信咨询委员会：CCIR国际电话电报咨询委员会：国际电话电报咨询委员会：CCITT第一章 绪论81.2 1.2 通信系统模型通信系统模型 1.2.1 通信系统模型通信系统模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。基本的点对点通信系统模型：信系统。基本的点对点通信系统模型：噪声源噪声源信息源信息源发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备受信者受信者消息原始电信号消
8、息原始电信号原始电信号原始电信号 传输信号传输信号传输信号传输信号 原始电信原始电信号号 原始电信号消息原始电信号消息第一章 绪论91.1.信源信源v电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。终端设备就是信源。v模拟信源，输出的是模拟信号；模拟信源，输出的是模拟信号；v数字信源，输出离散的数字信号数字信源，输出离散的数字信号。信源是消息的产生地，信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转其作用是把各种消息转换成换成原始电信号原始电信号，称之为，称之为消息信号消息信号或或基带信号基带信号。第一章 绪论102.2.发送设备发送设备v变换
9、方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。调制是最常见的变换方式。v对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为对数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信源信源编码与信道编码编码与信道编码。发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。的信号。第一章 绪论113.3.信道信道 信道是指传输信号的物理媒质。信道是指传输信号的物理媒质。v在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在无线信道中，信道可以是大
10、气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。有线和无线信道均有多种物理媒质。v媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒的物理媒质建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。质对信号的影响。第一章 绪论124.4.噪声源噪声源 噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且
11、是人们所不希各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。望的。v噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。抽象加入到信道。第一章 绪论135.5.接收设备接收设备 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。即进行解调、译码、解码等。v其任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应其任务是从
12、带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。除多路复用，实现正确分路。6.6.信宿信宿 信宿是传输信息的归宿点。信宿是传输信息的归宿点。v其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。第一章 绪论141.2.2 1.2.2 模拟通信和数字通信系统模型模拟通信和数字通信系统模型v连续消息连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。如语音、活动图片等。v离散消息离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，
13、则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。如符号、数据等。1.1.消息消息 消息的传递是通过它的物质载体消息的传递是通过它的物质载体电信号电信号来实来实现的，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，现的，消息与电信号之间必须建立单一的对应关系，把消息载荷在电信号的某一把消息载荷在电信号的某一参量参量上，上，第一章 绪论15 凡电信号参量的取值是凡电信号参量的取值是连续的连续的或或取无穷多个值取无穷多个值的，且的，且直接与消息相对应的信号，均称为直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号模拟信号，如电话机送，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。出的语音信号、电视摄像机输出的图
14、像信号等。2.2.信号信号 按按电信号参量电信号参量的取值方式不同可把信号分为的取值方式不同可把信号分为模拟信号模拟信号和和数字信号数字信号。模拟信号有时也称模拟信号有时也称连续信号连续信号，这个连续是指信号的，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而取无穷多个值，而不一定在时间上也连续不一定在时间上也连续。第一章 绪论16 凡电信号参量只能取有限个值（离散），并且常凡电信号参量只能取有限个值（离散），并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号数字信号，如，如电报信
15、号、计算机输入电报信号、计算机输入/输出信号、输出信号、PCMPCM信号等。信号等。数字信号有时也称数字信号有时也称离散信号离散信号，这个离散是指信，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。离散。第一章 绪论17v模拟信号波形模拟信号波形 (a)(a)连续信号；连续信号；(b)(b)抽样信号抽样信号Of(t)t(a)f(nT)tPA M信号(b)O第一章 绪论18v数字信号波形数字信号波形 (a)(a)二进制波形；二进制波形；(b)2PSK(b)2PSK波形波形100110111001Of(nT)t00111001数字信息PS
16、K波形(a)(b)第一章 绪论193.3.通信系统通信系统 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可把通信系统分为可把通信系统分为模拟通信系统模拟通信系统和和数字通信系统数字通信系统。（1）模拟通信系统模型）模拟通信系统模型发送端发送端接收端接收端噪噪 声声调制器调制器信信 道道解调器解调器信信 宿宿信信 源源第一章 绪论201 1）两种变换）两种变换连续消息连续消息 基带信号基带信号基带信号基带信号/调制信号调制信号 频带信号频带信号/已调信号已调信号2）调制与解调）调制与解调v信源信源发出的原始电信号是发出的原始电信号是基带信号基带信号，其频谱从零
17、频附近开，其频谱从零频附近开始，如语音信号为始，如语音信号为300-3400Hz300-3400Hz，图像信号为，图像信号为0-6MHz0-6MHz。v由于这种信号具有频率很低的频谱分量，由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接一般不宜直接传输，这就需要把传输，这就需要把基带信号基带信号变换成其频带适合在信道中传变换成其频带适合在信道中传输的信号（输的信号（频带信号频带信号），并可在接收端进行反变换。完成），并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器调制器和解调器。第一章 绪论21已调信号已调信号的基本特征：的基本特征：携带有信息
18、携带有信息适合在信道中传输适合在信道中传输信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。已调信号又称频带信号。3）已调信号已调信号/频带信号频带信号经过调制以后的信号。经过调制以后的信号。由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用，而其他过程对信号不会发生质的变化，只是信号进行了放而其他过程对信号不会发生质的变化，只是信号进行了放大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。大或改善了信号特性，因而被认为是理想的而不予讨论。第一章 绪论224 4）实际通信系统中可能还有滤
19、波、放大、天线辐实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。射、控制等过程。5 5）模拟通信的主要特点）模拟通信的主要特点1 1）抗干扰能力差抗干扰能力差2 2）不易于保密通信不易于保密通信3 3）设备不易于大规模集成设备不易于大规模集成4 4）不适应飞速发展的计算机通信的要求不适应飞速发展的计算机通信的要求5 5）简单、易于实现。简单、易于实现。第一章 绪论23发送端发送端接收端接收端信信 源源信道编码信道编码调调 制制信信 道道信源编码信源编码解解 调调信信 宿宿保密解码保密解码信道解码信道解码信源解码信源解码保密编码保密编码噪噪 声声同同 步步 技术问题主要有信源编码技术问题
20、主要有信源编码/译码、信道编码译码、信道编码/译码、数字调译码、数字调制制/解调、数字复接、解调、数字复接、同步以及加密等。同步以及加密等。（2）数字通信系统模型数字通信系统模型第一章 绪论24v在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为传送，称之为数字信号的基带传输数字信号的基带传输，其模型中就，其模型中就不包括不包括调制与解调环节调制与解调环节；信信 源源信道编码信道编码调调 制制信信 道道信源编码信源编码解解 调调信信 宿宿保密解码保密解码信道解码信道
21、解码信源解码信源解码保密编码保密编码噪噪 声声第一章 绪论251.1.信源编码与译码信源编码与译码v作用一作用一:是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的的数据压缩数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽（正比），而传输码元速率将直接影响传输所占的带宽（正比），而传输带宽又直接反映了通信的有效性（反比）。带宽又直接反映了通信的有效性（反比）。v作用二作用二:是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。v信
22、源编码方法信源编码方法：PCMPCM、ADPAMADPAM、DMDM等等 v信源译码是信源编码的逆过程。信源译码是信源编码的逆过程。第一章 绪论262.2.信道编码与译码信道编码与译码v数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干抗干扰编码扰编码/差错控制编码差错控制编码”。v接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发接收端的
23、信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。靠通信。v信道编码：信道编码：线性分组码、卷积码、循环码线性分组码、卷积码、循环码等。等。第一章 绪论273.3.加密与解密加密与解密v在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，安全，人为将被传输的数字序列扰乱，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密即加上密码，这种处理过程叫加密。码，这种处理过程叫加密。v在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到
24、的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。第一章 绪论284.4.数字调制与解调数字调制与解调v数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频高频处，处，形形成适合在信道中传输的频带信号。成适合在信道中传输的频带信号。v基本的数字调制方式有振幅键控基本的数字调制方式有振幅键控ASKASK、频移键控、频移键控FSKFSK、绝对、绝对相移键控相移键控PSKPSK、相对（差分）相移键控、相对（差分）相移键控DPSKDPSK。v对这些信号可以采用对这些信号可以采用相干解调相干解调或或非相干解调非相干解调还原为数字基还原为数字基带
25、信号。带信号。v对高斯噪声下的信号检测，一般用对高斯噪声下的信号检测，一般用相关接收机相关接收机或或匹配滤波匹配滤波器器实现。实现。v调制与解调不是必须的。调制与解调不是必须的。第一章 绪论295.5.同步与数字复接同步与数字复接v同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。在时间上保持步调一致。v按照同步的功用不同，可分为按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、载波同步、位同步、群同步和网同步群同步和网同步v数字复接就是依据数字复接就是
26、依据时分复用时分复用基本原理把若干个低速基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。容量和提高传输效率。第一章 绪论30v模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，例如：数字电话系统输，例如：数字电话系统v数字信号也可以在模拟通信系统中传输；例如：数字信号也可以在模拟通信系统中传输；例如：计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时计算机数据可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（必须使用调制解调器（ModemModem）将数字基带信号）将数字基带信号
27、进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。v模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。号种类。注意：注意：第一章 绪论31v抗干扰能力强。抗干扰能力强。v差错可控。差错可控。v易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。v易于集成化，易于集成化，从而使通信设备微型化。从而使通信设备微型化。v易于加密处理，易于加密处理，且保密强度高。且保密强度高。数字通信的许多优点都是用数字
28、通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽比模拟通信占据更宽的系统频带为代价的系统频带为代价而换取的。而换取的。数字通信的主要特点数字通信的主要特点第一章 绪论321.3 1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式v按按通信业务通信业务分：分：话务通信和非话务通信。话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。图文及会议电视、图像通信等。v按按调制方式调制方式分类分类:基带传输频带（调制）传输。
29、基带传输频带（调制）传输。v按按信号特征信号特征分类分类:模拟通信系统数字通信系统模拟通信系统数字通信系统v按按传输媒质传输媒质分类分类:有线通信系统无线通信系统有线通信系统无线通信系统v按按工作波段工作波段分类分类v按按信号复用方式信号复用方式分类分类:频分复用、时分复用和码分复用。频分复用、时分复用和码分复用。1.3.1 1.3.1 通信系统分类通信系统分类第一章 绪论33表表 1-11-1常见的调制方式常见的调制方式 调调 制制 方方 式式 用途用途 连连续续波波调调制制线性线性调制调制常规双边带调制常规双边带调制AMAM广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅DSB DSB 立体
30、声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB VSB 电视广播、电视广播、数传、数传、传真传真 非线非线性调性调制制频率调制频率调制FM FM 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播 相位调制相位调制PM PM 中间调制方式中间调制方式 数字数字调制调制幅度键控幅度键控ASK ASK 数据传输数据传输 频移键控频移键控FSKFSK数据传输数据传输相移键控相移键控PSKPSK、DPSKDPSK、QPSKQPSK数据传输、数字微波、空间通信数据传输、数字微波、空间通信其它高效数字调制其它高效数字调制
31、QAMQAM、MSKMSK数字微波、空间通信数字微波、空间通信第一章 绪论34调调 制制 方方 式式 用途用途 脉脉冲冲调调制制脉冲模拟脉冲模拟调制调制脉幅调制脉幅调制PAM PAM 中间调制方式、中间调制方式、遥测遥测 脉宽调制脉宽调制PDM(PWM)PDM(PWM)中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM PPM 遥测、遥测、光纤传输光纤传输 脉冲数字脉冲数字调制调制脉码调制脉码调制PCM PCM 市话、市话、卫星、卫星、空间通信空间通信 增量调制增量调制DM DM 军用、军用、民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM DPCM 电视电话、电视电话、图像编码图像编码 其他
32、语言编码方式其他语言编码方式ADPCMADPCM、APCAPC、LPC LPC 中低速数字电话中低速数字电话 续表（续表（2）第一章 绪论35表表 1 2 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途3 Hz3 Hz30 kHz 30 kHz 10104 410108 8 m m 甚低频甚低频VLF VLF 有线线对长有线线对长波无线电波无线电 音频、电话、数据终端长距音频、电话、数据终端长距离导航、时标离导航、时标 3030300 kHz 300 kHz 10103 310104 4 m m 低频低频LF LF 有线线对长有线线
33、对长波无线电波无线电 导航、导航、信标、信标、电力线通信电力线通信 300 kHz300 kHz3 3 MHz MHz 10102 210103 3 m m 中频中频MF MF 同轴电缆短同轴电缆短波无线电波无线电 调幅广播、移动陆地通信、调幅广播、移动陆地通信、业余无线电业余无线电 3 330 MHz 30 MHz 101010102 2 m m 高频高频HF HF 同轴电缆短同轴电缆短波无线电波无线电 移动无线电话、移动无线电话、短波广播短波广播定点军用通信、定点军用通信、业余无线业余无线电电 3030300 MHz 300 MHz 1 110 m 10 m 甚高频甚高频VHF VHF 同
34、轴电缆米同轴电缆米波无线电波无线电 电视、电视、调频广播、调频广播、空中管空中管制、制、车辆、车辆、通信、通信、导航导航 第一章 绪论36续表（续表（2）频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途300 MHz300 MHz3 GHz 3 GHz 1010100 cm 100 cm 特高频特高频UHF UHF 波导波导分米波无线电分米波无线电 微波接力、微波接力、卫星和卫星和空间通信、空间通信、雷达雷达 3 330 GHz 30 GHz 1 110 cm 10 cm 超高频超高频SHF SHF 波导波导厘米波无线电厘米波无线电 微波接力、微波接力、卫星和卫星和空间通信、空
35、间通信、雷达雷达 3030300 GHz 300 GHz 1 110 mm 10 mm 极高频极高频EHF EHF 波导波导毫米波无线电毫米波无线电 雷达、雷达、微波接力、微波接力、射电天射电天文学文学 10105 5 10107 7 GHz GHz 3 310-6 10-6 3 310-4 cm 10-4 cm 紫外可见光紫外可见光红外红外 光纤光纤激光空间传播激光空间传播 光通信光通信 显而易见，频率越高，波长越短。显而易见，频率越高，波长越短。第一章 绪论37 对于点与点之间的通信，按对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为通信方式可分为单
36、工、半双工单工、半双工及及全双工全双工通信三种。通信三种。（1 1）单工通信）单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式，是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道。因此只占用一个信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等。广播、遥测、遥控、无线寻呼等。1.3.2 1.3.2 通信方式通信方式1、按消息传递的方向与时间关系分、按消息传递的方向与时间关系分第一章 绪论38（2 2）半双工通信）半双工通信，是指通信双方都能收发消息，是指通信双方都能收发消息，但不能同但不能同时进行收和发的工作方式。时进行收和发的工作方式。使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、使用同一载频的对讲机，收发报机
37、以及问询、检索、科学计算等数据通信科学计算等数据通信。第一章 绪论39（3）全双工通信，）全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式，都是最常见的全双工通信方式，计算机计算机之间的高速数据通信也是这种方式。之间的高速数据通信也是这种方式。第一章 绪论40单工、单工、半双工和全双工通信方式示意图半双工和全双工通信方式示意图 发端信 道收端发端信 道收端发端收端(a)(b)发端信 道收端发端收端信 道(c)(a)
38、单工；单工；(b)半双工；半双工；(c)全双工全双工第一章 绪论412 2、按数字信号排列顺序分按数字信号排列顺序分v并行传输并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。在两条或两条以上的并行信道上同时传输。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，信道多，设备复杂，成本高，成本高，故较少采用，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的适用于设备之间的近距离近距离通信。通信。在数字通信中，按数字信号代码排
39、列的顺序在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为可分为并行传输并行传输和和串行传输串行传输。第一章 绪论42v串行传输串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。在一条信道上传输。通常，一般的通常，一般的远距离远距离数字通信都采用这种传数字通信都采用这种传输方式。输方式。此外，还可以按此外，还可以按通信的网络形式通信的网络形式划分。由于通划分。由于通信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重信网的基础是点与点之间的通信，所以本课程的重点放在点与点之间的通信上。点放在点与点之间的通信上。第一章 绪论43并行和串行通信方式示意图并行和串行通信方式
40、示意图 发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备(a)(a)并行传输；并行传输；(b)串行传输串行传输第一章 绪论441.4 1.4 信息及其度量信息及其度量v信号是消息的载体，而信息是其内涵。对接收者来说，只有信号是消息的载体，而信息是其内涵。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消消息中不确定的内容才构成信息。因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量息中这种不确定性的度量.v任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。统计方法来定性的。v根据概率论知识，根据概率论知识，事件的
41、不确定性事件的不确定性可用事件出现的概率来描可用事件出现的概率来描述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。述。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。（1）消息与信息）消息与信息消息消息文字、语言、数据、图像文字、语言、数据、图像信息信息消息中包含的有意义的内容，是对消息中的消息中包含的有意义的内容，是对消息中的 不确定性不确定性的描述的描述第一章 绪论45（2）信息量：传输信息的多少）信息量：传输信息的多少 假设假设P(x)是一个消息发生的概率，是一个消息发生的概率，I是从该消息获悉是从该消息获悉的信息量。的信息量。问题问题信源发出的每一个消息包含的信息量可能是不相信源发出的
42、每一个消息包含的信息量可能是不相等的，有的消息携带信息量多，有的甚至几乎没有什么信等的，有的消息携带信息量多，有的甚至几乎没有什么信息量，那每个消息携带多少信息量，各消息之间的信息量息量，那每个消息携带多少信息量，各消息之间的信息量多少的比较如何来衡量？多少的比较如何来衡量？请看两条消息：请看两条消息：a、中国乒乓球队夺取奥运会冠军；、中国乒乓球队夺取奥运会冠军；b、中国男子足球队获得世界杯赛冠军。、中国男子足球队获得世界杯赛冠军。信息量少信息量少信息量大信息量大第一章 绪论46v（1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即：即：I=fP(x)v（2 2）P(x)越小，越小，I越大；反之，
43、越大；反之，I I越小，且：越小，且：P(x)1时，时，I0；P(x)0时，时，Iv（3 3）若干个互相独立事件构成的消息，若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，相加性，即：即：IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+显然，消息的信息量与概率有关：显然，消息的信息量与概率有关：信息量定义：信息量定义：第一章 绪论47信息量的单位信息量的单位v信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a a有关。有关。a=2a=2时，时，信息量的单位为信息量的单位为比特比特(bit)(bit
44、)；a=ea=e时，时，信息量的单位为信息量的单位为奈特奈特(nit)(nit)；a=10a=10时，信息量的单位为时，信息量的单位为哈特莱哈特莱（HartleyHartley）。）。目前广泛使用的单位为目前广泛使用的单位为比特比特。信息量信息量 第一章 绪论4822211(0)(1)logloglog 211()2IIbitp x=例例 1-1：设二进制离散信源，设二进制离散信源，以以相等的概率相等的概率发送发送 数字数字0或或1，则信源每个输出的信息含量为：，则信源每个输出的信息含量为：1bit的定义：的定义：传输两个等概率的二进制（信号）波形之一的传输两个等概率的二进制（信号）波形之一的
45、信息量为信息量为1bit。a.等概率情况等概率情况工程上习惯将一个二进制码元称为工程上习惯将一个二进制码元称为“1bit”。（3）信息及其度量：）信息及其度量：第一章 绪论49M=4时的信息量为时的信息量为 比特；比特；M=8时的信息量为时的信息量为 比特。比特。22loglog 2()KIMK bit=2=KM若若 设设M进制离散信源，进制离散信源，以以相等的概率（相等的概率（P1/M）发送发送M进进制消息之一，则信源制消息之一，则信源每个每个输出的信息量为输出的信息量为思考：一个思考：一个M进制波形需要用几个二进制波形表示？进制波形需要用几个二进制波形表示？2=KM若若则一个则一个M进制波
46、形需要用进制波形需要用K二进制波形表示。二进制波形表示。即每一个等概率的即每一个等概率的M进制波形包含的信息量等于该进制波形包含的信息量等于该M进制波形用二进制波形表示时的波形数进制波形用二进制波形表示时的波形数K。第一章 绪论50b.b.非等概情况非等概情况 设离散信源是一个由设离散信源是一个由n n个符号组成的符号集，个符号组成的符号集，其中每个符号其中每个符号xi(i=1,2,3,n)出现的概率为出现的概率为P(xi)，且有：且有：n=1()=1iiP x.()()()()轾轾犏犏=犏犏臌臌12in12inxx.xxxP xP x.P xP xp该信源可表示为（该信源可表示为（信源空间信
47、源空间）：）：n=1()=1iiP x第一章 绪论51一个一个x1所包含的信息量：所包含的信息量：一个一个x2所包含的信息量：所包含的信息量：一个一个xi所包含的信息量：所包含的信息量：一个一个xn所包含的信息量：所包含的信息量：21log()P x-22log()P x-2log()iP x-2log()nP x-若信源发出一串若信源发出一串N个（个（Nn）符号组成的消息串，由）符号组成的消息串，由先验概率先验概率可知：可知：x1发生发生x2发生发生xi发生发生xn发生发生1()P x N次2()P xN次i()P x N次()nP xN次传送信息量：传送信息量：211log()()P xN
48、P x-222log()()P xNP x-2log()()iiP xNP x-2log()()nnP xNP x-第一章 绪论52该信源发出该信源发出N个符号总的信息量：个符号总的信息量：211222222211log()()log()().log()().log()()log()()()log()iinnnniiiiiiIP xNP xP xNP xP xNP xP xNP xP xNP xNP xP x=-+-+-+-=-=-邋总则则平均信息量平均信息量为：为：由于由于H同热力学中的熵形式一样，同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为故通常又称它为信息信息源的熵源的熵，其单位为，其单位为b
49、it/符号符号。第一章 绪论53问题：问题：概率如何分布时，信源的熵最大。概率如何分布时，信源的熵最大。回答：回答：当信源分布为当信源分布为等概等概时，信源的熵最大。时，信源的熵最大。对于连续信源，若其连续消息出现的概率密对于连续信源，若其连续消息出现的概率密度函数为度函数为f(x)，则其信源熵为：，则其信源熵为：第一章 绪论541.5 1.5 主要性能指标主要性能指标有效性和可靠性有效性和可靠性v有效性有效性指在给定信道内所传输的信息内容的多指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的少，或者说是传输的“速度速度”问题；问题；v可靠性可靠性指接收信息的准确程度，也就是传输的指接收信息
50、的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。v这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。行互换。第一章 绪论551.1.在模拟通信系统在模拟通信系统中中v有效性有效性可用可用有效传输频带有效传输频带来度量，同样的消息用不来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。同的调制方式，则需要不同的频带宽度。v可靠性可靠性用用接收端最终接收端最终输出信噪比输出信噪比来度量。不同调制来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。噪比是不同的。如调频信号抗干扰能力比
