1、前言前言课程名称：课程名称：通信原理通信原理 (Principles of communications)(Principles of communications)教材教材:通信原理（第通信原理（第 6 6 版）版）曹丽娜曹丽娜 樊昌信樊昌信 编著编著 国防工业出版社国防工业出版社课程性质：课程性质：专业必修课专业必修课课程内容：课程内容：讲授点对点之间的信息传输原理，主要讨论各讲授点对点之间的信息传输原理，主要讨论各种传输方式的组成原理和性能指标。包括五大部分：种传输方式的组成原理和性能指标。包括五大部分：1 1、通信的基础知识（第、通信的基础知识（第1-41-4章）章）信息及其度量信息及
2、其度量 通信系统组成及其主要性能指标通信系统组成及其主要性能指标前言前言 确知、随机信号的频谱特性分析确知、随机信号的频谱特性分析 信道与噪声、信道容量信道与噪声、信道容量2 2、模拟通信系统原理（第、模拟通信系统原理（第5 5章）章）3 3、数字通信系统原理（第、数字通信系统原理（第6 6、7 7、1010章）章）4 4、模拟信号的数字传输原理（第、模拟信号的数字传输原理（第9 9章）章）5 5、其他：差错控制编码、同步原理、其他：差错控制编码、同步原理课时分配：课时分配：理论理论7272学时，实验学时，实验2727学时学时 第一章第一章 绪论绪论 (2(2学时）学时）第二章第二章 确知信号
3、确知信号 (2(2学时）学时）第三章第三章 随机过程随机过程 (6(6学时）学时）前言前言 第四章第四章 信道信道 (4(4学时）学时）第五章第五章 模拟调制系统模拟调制系统(8(8学时）学时）第六章第六章 数字基带传输系统数字基带传输系统(8(8学时）学时）第七章第七章 数字带通传输系统数字带通传输系统(10(10学时）学时）第九章第九章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输(8(8学时）学时）第十章第十章 数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收(8(8学时）学时）第十一章第十一章 差错控制编码差错控制编码(8(8学时）学时）第十三章第十三章 同步原理同步原理(4(4学时）学时）总复习总复习(
4、4(4学时）学时）前言前言先修课程：先修课程：信号与系统、概率与数理统计、积分变换、信号与系统、概率与数理统计、积分变换、模拟、数字电路、高频电子电路、信息论基础等模拟、数字电路、高频电子电路、信息论基础等 后续课程：后续课程：程控交换、移动通信、扩频通信、光纤通信、程控交换、移动通信、扩频通信、光纤通信、卫星通信等卫星通信等 网络课堂：网络课堂：http:/:7777/moodle/http:/:7777/moodle/密钥：密钥：txyllytxylly几点说明：几点说明：1 1、本课程全面研究通信系统的一般原理和性、本课程全面研究通信系统的一般原理和性能，它的一切分析、研究都是在能，它的
5、一切分析、研究都是在“信号分析信号分析”和和“随机随机过程过程”的基础上的基础上前言前言2 2、本课程不是从具体电路出发，而是从系统的物理模型、本课程不是从具体电路出发，而是从系统的物理模型、数学模型着手进行分析，要掌握好所要求的基本概念数学模型着手进行分析，要掌握好所要求的基本概念 3 3、本课程是一门概念性、理论性很强的课程，要适当多做、本课程是一门概念性、理论性很强的课程，要适当多做些练习题，以加深对基本概念的理解和掌握一般的分析方些练习题，以加深对基本概念的理解和掌握一般的分析方法法4 4、本课程是一门承上启下的专业基础课，要求有一定的知、本课程是一门承上启下的专业基础课，要求有一定的
6、知识面，且与计算机紧密联系在一起。通信原理、通信技术识面，且与计算机紧密联系在一起。通信原理、通信技术和通信系统构成了通信全部。所以要进行一定的实验和参和通信系统构成了通信全部。所以要进行一定的实验和参观实践，以了解通信原理、通信技术。观实践，以了解通信原理、通信技术。第第 1 章章 绪论绪论u 1.1 通信的基本概念通信的基本概念u 1.2 通信系统的组成通信系统的组成 u 1.3 通信系统分类及通信方式通信系统分类及通信方式u 1.4信息及其度量信息及其度量 u 1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标 u 1.6 小结小结 主要内容主要内容 通信系统的组成、分类通信系统的组成、分
7、类 信息及其度量信息及其度量 评价通信系统性能的指标评价通信系统性能的指标 对本课程所要研究的对象有一个初步了解对本课程所要研究的对象有一个初步了解 1 1、信息（、信息（informationinformation）美国数学家、信息论的创始人香农指出：美国数学家、信息论的创始人香农指出：“信息是用信息是用来消除随机不定性的东西来消除随机不定性的东西”。不确定程度越大，它所含的信息越多；否则，越少不确定程度越大，它所含的信息越多；否则，越少 举例：看电视剧举例：看电视剧 打游戏打游戏2 2、ITIT（信息技术、（信息技术、information technologyinformation te
8、chnology）信息技术是与信息处理和信息传递有关的技术信息技术是与信息处理和信息传递有关的技术 信息处理信息处理 举例：遥感观测举例：遥感观测 信息传递信息传递 快递公司运送货物是属于快递公司运送货物是属于ITIT吗？吗？我们把以电信号的形式传递的信息才叫信息我们把以电信号的形式传递的信息才叫信息 广泛地，数据与信息的采集、表示、处理、安全、传广泛地，数据与信息的采集、表示、处理、安全、传输、交换、显现、管理、组织、存储、检索等都属于输、交换、显现、管理、组织、存储、检索等都属于ITIT1.1 通信的基本概念通信的基本概念3 3、通信（、通信（communicationcommunicat
9、ion）我们研究的通信是指从一个地方通过电信号或光信号我们研究的通信是指从一个地方通过电信号或光信号的形式向另一地方进行消息的有效传递与交换（严格地讲的形式向另一地方进行消息的有效传递与交换（严格地讲是电信）是电信）通信传递的是电或光信号，信号是我们传递信息的物通信传递的是电或光信号，信号是我们传递信息的物质载体质载体 现代通信的业务主要有：电报、电话、传真、广播、现代通信的业务主要有：电报、电话、传真、广播、电视、因特网等电视、因特网等4 4、通信系统（、通信系统（communication systemcommunication system）通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输
10、通信系统是实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和。媒质的总和。举例：移动电话举例：移动电话通信的发展简史：通信的发展简史：按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下按照人类交流方式与技术的不同，可以把通信历史划分以下几个阶段：几个阶段：第一阶段第一阶段 语言语言 第二阶段第二阶段 文字、邮政文字、邮政 第三阶段第三阶段 印刷术、出版物印刷术、出版物 第四阶段第四阶段 电报、电话、广播电报、电话、广播 第五阶段第五阶段 通信与计算机的结合、网络通信与计算机的结合、网络 一、通信系统的一般模型一、通信系统的一般模型 基于点与点之间的通信系统的模型可用图基于点与点之间的通信系统的模
11、型可用图 1-1 来描述。来描述。1.2 通信系统的组成通信系统的组成图图 11 11 通信系统的一般模型通信系统的一般模型各部分的功能各部分的功能：1 1、信息源信息源(简称信源，也称发终端简称信源，也称发终端)：把各种可能消息转换成：把各种可能消息转换成原始电信号，将这个原始电信号称为消息信号或基带信号。原始电信号，将这个原始电信号称为消息信号或基带信号。信源分为模拟信源和数字信源信源分为模拟信源和数字信源基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为语音信号为300-3400Hz300-3400Hz，图像信号为图像信号为0-6MHz0-6M
12、Hz。信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信道电话机、电视摄像机属于模拟信源，输出的是模拟信号；电话机、电视摄像机属于模拟信源，输出的是模拟信号；电传机、计算机终端属于数字信源，输出离散的数字信号。电传机、计算机终端属于数字信源，输出离散的数字信号。2 2、发送设备：发送设备：对基带信号完成某种变换，以适合在信道中对基带信号完成某种变换，以适合在信道中传输，即：使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信传输，即：使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，具有足够的功率以满足远距离传输的需要。道干扰的能力，具有足够的功率以满足远距离传输的需要。对于模拟通信系统，调制是
13、最常见的变换方式。对于模拟通信系统，调制是最常见的变换方式。对于数字通信系统，发送设备常常又可分为信源编码与信道对于数字通信系统，发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。编码。3 3、信道：信道：传输信号的物理媒质（信号传输的物理通道）。传输信号的物理媒质（信号传输的物理通道）。无线信道：大气、自由空间无线信道：大气、自由空间有线信道：明线、有线信道：明线、电缆、光纤。电缆、光纤。传输过程中存在噪声干扰。传输过程中存在噪声干扰。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。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。不同的传输媒质对信号的影响不同，处理时需建立不同的数不同的传
14、输媒质对信号的影响不同，处理时需建立不同的数学模型，以反映传输媒质对信号的影响。学模型，以反映传输媒质对信号的影响。4 4、接收设备：接收设备：完成发送设备的反变换，从完成发送设备的反变换，从带有干扰的带有干扰的接收信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，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，还包括解除多路复用，实现正确分路。还包括解除多路复用，实现正确分路。对于模拟通信系统，解调对于模拟通信系统，解调对于数字通信系统，译码、解码对于数字通信系统，译码、解码 5 5、信息宿（简称信宿，也称受信者、收终端）：信息宿（简称信宿，也称受信者、收终端）：将复原的将
15、复原的原始信号转换成相应的消息。原始信号转换成相应的消息。二、模拟通信模型和数字通信模型二、模拟通信模型和数字通信模型模拟信号：模拟信号：信号参量的信号参量的取值是连续的取值是连续的或或取无穷多个值取无穷多个值的的，在在时间上不一定也连续时间上不一定也连续，且，且直接与消息相对应直接与消息相对应的信号。的信号。如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号、如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号、b b图所示的抽样信号等。图所示的抽样信号等。Of(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)OOf(t)t(a)f(nT)tPAM信号(b)O连续信号连续信号 抽样信号抽样信号二进制波形二
16、进制波形 2PSK波形波形 数字信号：数字信号：信号参量是信号参量是离散的离散的或或可数的可数的，在，在时间上不一定离时间上不一定离散散，并且，并且常常不直接与消息相对应常常不直接与消息相对应的信号。的信号。如电报信号、计算机输入输出信号、如电报信号、计算机输入输出信号、PCMPCM信号、信号、b b图所示的图所示的2PSK2PSK信号等。信号等。1 0 0 11 0 1 11 00 1Of(nT)t00111001数字信息PSK 波形(a)(b)1 0 0 11 0 1 11 00 1Of(nT)t00111001数字信息PSK 波形(a)(b)按照按照信道中信道中传输的是模拟信号还是数字信
17、号，把通信系统传输的是模拟信号还是数字信号，把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。分为模拟通信系统和数字通信系统。1.模拟通信系统模型模拟通信系统模型信道中传输的是模拟信号的通信系统信道中传输的是模拟信号的通信系统模拟通信系统模型模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源 基带信号具有频率很低的频谱分量，基带信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变的信号，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调制器和
18、解调器。经过调制以后的信号称换作用的通常是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。为已调信号。已调信号有已调信号有两个基本特征两个基本特征：(1)(1)携带有信息携带有信息;(2);(2)适合在信道中传输，信号的频谱适合在信道中传输，信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频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。带信号。2 2 数字通信系统模型数字通信系统模型信道中传输的是数字信号的通信系统信道中传输的是数字信号的通信系统数字通信系统模型数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源 1)1)信源
19、编码与译码信源编码与译码 信源编码的作用信源编码的作用：(1)(1)是设法减少码元数目和降低码元速是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性；的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性；(2)(2)当信息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。第号，以实现模拟信号的数字化传输。第6 6章中将讨论模拟信号章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制数字化传
20、输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)(PCM)和增量调和增量调制制(M)(M)。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。2)2)信道编码与译码信道编码与译码 信道编码的作用：信道编码的作用：数字信号在信道传输时，由于噪声、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元按一定的规则加入保护成分（监督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），组成所谓“抗干扰编码抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码
21、过程中发现错误或纠正错误，从而定规则进行解码，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，实现可靠通信。提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。3 3）加密与解密加密与解密 为了保证所传信息的安全，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰人为将被传输的数字序列扰乱，乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。来信息，叫解密。4 4）数字调制与解调数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到
22、高频处，形成数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控键控ASKASK、频移键控、频移键控FSKFSK、绝对相移键控、绝对相移键控PSKPSK、相对（差分）相、相对（差分）相移键控移键控DPSKDPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。原为数字基带信号。5 5）同步同步 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺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、发两端的信号在时间
23、上保持步少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。调一致。模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子 数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如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可以通过模拟电话线路传输，但这时必须使用调制解调器（ModemModem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。传输特性。
24、可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的可见，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。信号种类。优点：优点：1.1.抗干扰能力强，噪声不累加（通过中继）。抗干扰能力强，噪声不累加（通过中继）。2.2.差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，提高提高传输的可靠性。传输的可靠性。3.3.易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行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。处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。4.4.易于集成化，从而使通信设备微型化。易于集成化，从而使通信设备微型
25、化。5.5.易于加密处理，且保密强度高。易于加密处理，且保密强度高。缺点：缺点：占据的系统频带宽；同步要求高占据的系统频带宽；同步要求高以电话为例，一路模拟电话通常只占据以电话为例，一路模拟电话通常只占据4kHz4kHz带宽，但一路接带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据近同样话音质量的数字电话可能要占据202060kHz60kHz的带宽，因的带宽，因此数字通信的频带利用率不高。此数字通信的频带利用率不高。三、三、数字通信的主要特点数字通信的主要特点 1 按通信业务分类按通信业务分类话务通信话务通信：电话业务：电话业务非话务通信：非话务通信：分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电分
26、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、可视图文及会议电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等视、图像通信等2 按调制方式分类按调制方式分类基带传输：将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话基带传输：将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话频带（调制）传输：对各种信号调制后传输的总称频带（调制）传输：对各种信号调制后传输的总称1.3 通信系统分类与通信方式通信系统分类与通信方式一、通信系统的分类一、通信系统的分类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
27、带调制AM广播广播 双边带调幅双边带调幅DSB 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅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 电视广播、电视广播、数传、数传、传真传真 非非线性线性调制调制频率调制频率调制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 中间调制方式中间调制方式 数字数字调制调制振幅键控振幅键控ASK 数据传输数据传输 频移键控频移键控FSK数据传输数据传输 相位键控相位键控PSK、DPSK、QPSK数据传输、数据传输、数字微波、数字微波、空间空间通信通信 其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、
28、MSK数字微波、数字微波、空间通信空间通信调调 制制 方方 式式 用途用途 脉脉冲冲数数字字调调制制脉冲脉冲模拟模拟调制调制脉幅调制脉幅调制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)中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM 遥测、遥测、光纤传输光纤传输 脉冲脉冲数字数字调制调制脉码调制脉码调制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(M)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电视电话、电视电话、图像编码图像编码其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCM、APC、LPC 中低速数字电话中低速数字电话
29、 续表（续表（2）3 按信号特征分类按信号特征分类模拟信号：模拟通信系统模拟信号：模拟通信系统数字信号：数字通信系统数字信号：数字通信系统 4 按传输媒质分类按传输媒质分类有线通信系统：用导线（如架空明线、同轴电缆、有线通信系统：用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、光导纤维、波导等）作为传输媒质，如市内电话、波导等）作为传输媒质，如市内电话、有线电视、海底电缆有线电视、海底电缆通信等。通信等。无线通信系统：依靠电磁波在空间传播传递，如短波电离层无线通信系统：依靠电磁波在空间传播传递，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。传播、微波视距传播、卫星中继等。5 按工作波段分类按工作波段分类
30、长波通信、长波通信、中波通信、中波通信、短波通信、短波通信、远红外线通信等。远红外线通信等。频率范围频率范围/Hz名称名称典型应用典型应用3 30极低频极低频ELF远程导航、水下通信远程导航、水下通信30300超低频超低频SLF水下通信水下通信3003K特低频特低频ULF远程通信远程通信3K30K甚低频甚低频VLF远程导航、水下通信、声呐远程导航、水下通信、声呐30K300K低频低频LF导航、水下通信、无线电信标导航、水下通信、无线电信标300K3M中频中频MF广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫3M30M高频高频HF远程广播、电报、电话、传真、搜寻
31、救生、飞远程广播、电报、电话、传真、搜寻救生、飞机与船只间通信、船机与船只间通信、船-岸通信、业余无线电岸通信、业余无线电30M300M甚高频甚高频VHF电视、调频广播、陆地交通、空中交通管制、电视、调频广播、陆地交通、空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信出租汽车、警察、导航、飞机通信300M3G特高频特高频UHF 电视、蜂窝网、微波链路、无线电测控仪、导电视、蜂窝网、微波链路、无线电测控仪、导航、卫星通信、航、卫星通信、GPS、监视雷达、无线电高度、监视雷达、无线电高度计计通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质续表（续表（2）频率范围频率范围/Hz名称名称典型应用典型应用3G3
32、0G 超高频超高频SHF卫星通信、无线电高度计、微波链路、机载卫星通信、无线电高度计、微波链路、机载雷达、气象雷达、公用陆地移动通信雷达、气象雷达、公用陆地移动通信 30G300G 极高频极高频EHF雷达着陆系统、卫星通信、移动通信、铁路雷达着陆系统、卫星通信、移动通信、铁路业务业务300G3T 亚毫米波亚毫米波0.1mm1mm未划分，实验用未划分，实验用43T430T红外红外7um0.7um光通信系统光通信系统430T750T 可见光可见光0.7um0.4um光通信系统光通信系统750T3000T紫外线紫外线0.4um0.1um光通信系统光通信系统注：注：1kHz=103Hz,1MHz=10
33、6Hz,1GHz=109Hz,1THz=1012Hz,1mm=10-3m,1um=10-6m工作波长和频率的换算公式为工作波长和频率的换算公式为 =式中，式中，为工作波长，为工作波长，f为工作频率，为工作频率，c为光速。为光速。6 按信号复用方式分类按信号复用方式分类频分复用频分复用(FDM)：用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围，模拟通信中常用频率范围，模拟通信中常用时分复用时分复用(TDM)：用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间，数字通信中常用时间区间，数字通信中常用码分复用码分复用(CDM)：用正交的
34、脉冲序列分别携带不同信号，主用正交的脉冲序列分别携带不同信号，主要用于空间通信的扩频通信中。要用于空间通信的扩频通信中。)()/(1038Hzfsmfc 1 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 对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信：单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式，只占用一个指消息只能单方向传输的工作方式，只占用一个信道信道。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是
35、单工通信方式的例子。例子。半双工通信：半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发发的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机等的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机等全双工通信：全双工通信：通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一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。普通电话、手机般情况全双工通信的信道必须是双向信道。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，计算机之间的高速数据通信计算机之间的高速数据通信也是这种方式。也是这种方式。1.3.2 通信方式通信方
36、式图图 1-6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 (a)单工；单工；(b)半双工；半双工；(c)全双工全双工发端信 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)2 按数字信号排列顺序分按数字信号排列顺序分 在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传在数字通信中，按数字信号代码排列的顺序可分为并行传输和串行传输。输和串行传输。并行传输：并行传输：将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条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。以上的并行信道上同时传输。优点：优点：节省传输时间节省传输时间 缺点
37、：缺点：需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，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近距离通信。的近距离通信。串行传输：串行传输：数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。输。一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。图图 1-7并行和串行通信方式示意图并行和串行通信方式示意图 (a)并行传输；并行传输；(b)串行传输串行传输发送设备接收设备101(b)发送设备接收设备(a)3 按同
38、步方式不同：同步通信、异步通信按同步方式不同：同步通信、异步通信4 按通信设备与传输线路之间的连接类型：点对点通信（专按通信设备与传输线路之间的连接类型：点对点通信（专线通信）、点到多点通信、多点间通信（网通信）线通信）、点到多点通信、多点间通信（网通信）本课程的重点放在点与点之间的通信上。本课程的重点放在点与点之间的通信上。信号是消息的载体，而信息是其内涵。信号是消息的载体，而信息是其内涵。越是不可预测的事件，越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越会使人感到惊奇，带来的信息越多。越多。根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的概率来描根据概率论知识，事件的不确定性可用事件出现的
39、概率来描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此，消息消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。率越小，消息中包含的信息量就越大。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是从该消息获悉的信息，是从该消息获悉的信息，根据上面的认知，根据上面的认知，显然显然I与与P(x)之间的关系反映为如下规律：之间的关系反映为如下规律：1.4 信息及其度量信息及其度量 （1）信息量是概率的函数，信息量是概率的函数，即即 I=fP(x)（2
40、）P(x)越小，越小，I越大；越大；反之，反之，I越小，越小，且且 P(x)1时，时，I0 P(x)0时，时，I（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，所含信息量等于所含信息量等于各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，各独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性，即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+综上所述，信息量综上所述，信息量I与消息出现的概率与消息出现的概率P(x)之间的关系应为之间的关系应为)(1xp I=loga =-loga P(x)(1.4-1)信息量的单位与对数底数信息量的单位与对数底数a有关。有关。a=2时，时，信息
41、量的单信息量的单位为比特位为比特(bit)；a=e时，信息量的单位为奈特时，信息量的单位为奈特(nit)；a=10时，时，信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单信息量的单位为十进制单位，叫哈特莱。目前广泛使用的单位为比特，这时有位为比特，这时有)(log)(logxpxpI221(1.4-2)例例 11 设二进制离散信源，设二进制离散信源，以相等的概率发送数字以相等的概率发送数字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I(0)=I(1)=log2 =log22=1(bit)(1.4-3)211 可见，传送等概率的二进制波形之一（可见，传送等概率的二进制波形之
42、一（P=1/2）的信息量为）的信息量为1比特。同理，传送等概率的四进制波形之一（比特。同理，传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信）的信息量为息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为）的信息量为3比特，这时至少需要比特，这时至少需要3个二进制脉冲。个二进制脉冲。综上所述，对于离散信源，综上所述，对于离散信源，M个波形等概率（个波形等概率（P=1/M）发送，）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送且每一个波形的出现是独立的，
43、即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为进制波形之一的信息量为p1M11I=log2 =log2 =log2 M(bit)(1.4-4)式中，式中，P为每一个波形出现的概率，为每一个波形出现的概率，M为传送的波形数。为传送的波形数。若若M是是2的整幂次，比如的整幂次，比如M=2k（k=1，2，3，），则式），则式(1.4-4)可改写为可改写为 I=log2 2k=k(bit)(1.4-5)也就是说，也就是说，传送每一个传送每一个M（M=2k）进制波形的信息量）进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目k。H(x)=P(x1)-l
44、og2 P(x1)+P(x2)-log2 P(x2)+P(xn)-log2 P(xn)=(1.4-6)符号）/)(log)(21bitxpxpinii 由于由于H H同热力学中的熵形式一样，同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源故通常又称它为信息源的熵，其单位为的熵，其单位为bit/bit/符号。符号。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 ,则则x1,x2,xn 所包含的信息量分别为所包含的信息量分别为-log2P(x1),-lo
45、g2P(x2)，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为平均信息量为11)(niixp 显然，显然，当信源中每个符号等概独立出现时当信源中每个符号等概独立出现时，式，式(1.4-6)即成即成为式为式(1.4-4)，此时此时信源的熵有最大值信源的熵有最大值。例例1-2 一离散信源由一离散信源由0，1，2，3四个符号组成，它们出现的四个符号组成，它们出现的概率分别为概率分别为3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。，且每个符号的出现都是独立的。求某消息求某消息201020130213001203210
46、100321010023102002010312032100120210的信息量。的信息量。解：此消息中，解：此消息中，0出现出现23次，次，1出现出现14次，次，2出现出现13次，次，3出出现现7次，共有次，共有57个符号，故该消息的信息量为个符号，故该消息的信息量为)(1088log74log134log1438log232222bitI 每个符号的算术平均信息量为每个符号的算术平均信息量为符号位）符号位/(89.157108bitII若用熵的概念来计算，若用熵的概念来计算，由式（由式（1.4-6）得）得 81log8141log4183log83222H符号位）/(906.1bit 可见
47、，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，可见，两种算法的结果有一定误差，但当消息很长时，用用熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，熵的概念来计算比较方便。而且随着消息序列长度的增加，两种计算误差将趋于零。两种计算误差将趋于零。评价一个通信系统优劣的性能指标有有效性、可靠性、适应性、评价一个通信系统优劣的性能指标有有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等，其中主要性能指标是系统的经济性、标准性、可维护性等，其中主要性能指标是系统的有有效性效性和和可靠性可靠性。有效性：有效性：在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输
48、的输的“速度速度”问题；问题；可靠性：可靠性：接收信息的准确程度，也就是传输的接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”问题。问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。这两个问题相互矛盾而又相对统一，通常还可以进行互换。模拟通信系统：模拟通信系统：有效性可用有效传输频带（传输带宽有效性可用有效传输频带（传输带宽B）来度量，同样的）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；消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度；可靠性用接收端最终输出信噪比（可靠性用接收端最终输出信噪比（S0/N0）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
49、信噪比是不同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。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频的。如调频信号抗干扰能力比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。带却宽于调幅。1.5 通信系统主要性能指标通信系统主要性能指标1.1.传输速率传输速率 1 1）码元传输速率码元传输速率R RB B（简称传码率，又称符号速率）：（简称传码率，又称符号速率）：单单位时间内传输码元的数目，单位是波特（位时间内传输码元的数目，单位是波特（BaudBaud），记为），记为B B。例如，若例如，若1 1秒内传秒内传24002400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B2400
50、B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度关，只与传输的码元长度T T有关有关:M M进制的一个码元可以用进制的一个码元可以用loglog2 2M M个二进制码元去表示，因而个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，在保证信息速率不变的情况下，M M进制的码元速率进制的码元速率R RBMBM与二进制与二进制的码元速率的码元速率R RB2B2之间有以下转换关系：之间有以下转换关系：R RB2B2=R=RBMBMloglog2 2M(B)M(B)(1BTRB(1.5-1)数字通信系统：数字通信系统：有效性
