現(xiàn)代通信原理與技術(shù)(張輝)第1章.ppt

1.1 通信系統(tǒng)的組成 1.2 通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3 信息及其度量 1.4 主要性能指標(biāo) 1.5 通信發(fā)展趨勢(shì),第 1 章緒論,返回主目錄,第 1 章 緒論,1. 1.1通信系統(tǒng)的組成 從古到今，人類的社會(huì)活動(dòng)總離不開消息的傳遞和交換， 古代的消息樹、烽火臺(tái)和驛馬傳令，以及現(xiàn)代社會(huì)的文字、 書信、電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測(cè)等，這些都是消息傳遞的方式或信息交流的手段。人們可以用語(yǔ)言、文字、 數(shù)據(jù)或圖像等不同的形式來(lái)表達(dá)信息。但是這些語(yǔ)言、文字、 數(shù)據(jù)或圖像本身不是信息而是消息，信息是消息中所包含的人們?cè)瓉?lái)不知而待知的內(nèi)容。因此，通信的根本目的在于傳輸含有信息的消息，否則，就失去了通信的意義?；谶@種認(rèn)識(shí)， “通信”也就是“信息傳輸”或“消息傳輸”。 ,實(shí)現(xiàn)通信的方式很多，隨著社會(huì)的需求、生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 目前的通信越來(lái)越依賴?yán)谩半姟眮?lái)傳遞消息的電通信方式。由于電通信迅速、準(zhǔn)確、可靠且不受時(shí)間、地點(diǎn)、距離的限制，因而近百年來(lái)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今，在自然科學(xué)領(lǐng)域涉及“通信”這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，一般均是指“電通信”。廣義來(lái)講，光通信也屬于電通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。 本書中的通信均指電通信。,1.1.1通信系統(tǒng)的一般模型 通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。 實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)?；邳c(diǎn)與點(diǎn)之間的通信系統(tǒng)的模型可用圖 1 - 1 來(lái)描述。 信源是消息的產(chǎn)生地， 其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)，稱之為消息信號(hào)或基帶信號(hào)。電話機(jī)、電視攝像機(jī)和電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端設(shè)備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出的是模擬信號(hào)；后者是數(shù)字信源，輸出離散的數(shù)字信號(hào)。,圖 1 - 1通信系統(tǒng)的一般模型,發(fā)送設(shè)備的基本功能是將信源和信道匹配起來(lái)，即將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場(chǎng)合，調(diào)制是最常見的變換方式。對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 發(fā)送設(shè)備常常又可分為信源編碼與信道編碼。 信道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。在無(wú)線信道中，信道可以是大氣（自由空間）， 在有線信道中，信道可以是明線、 電纜或光纖。有線和無(wú)線信道均有多種物理媒質(zhì)。媒質(zhì)的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關(guān)系到通信的質(zhì)量。根據(jù)研究對(duì)象的不同， 需要對(duì)實(shí)際的物理媒質(zhì)建立不同的數(shù)學(xué)模型， 以反映傳輸媒質(zhì)對(duì)信號(hào)的影響。這一點(diǎn)將在第3章中討論。,噪聲源不是人為加入的設(shè)備，而是通信系統(tǒng)中各種設(shè)備以及信道中所固有的，并且是人們所不希望的。噪聲的來(lái)源是多樣的，它可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的，因此，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現(xiàn)而抽象加入到信道。 接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反變換， 即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。它的任務(wù)是從帶有干擾的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始基帶信號(hào)來(lái)，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。 信宿是傳輸信息的歸宿點(diǎn)， 其作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。,圖 1 - 1 概括地描述了一個(gè)通信系統(tǒng)的組成， 它反映了通信系統(tǒng)的共性，因此稱之為通信系統(tǒng)的一般模型。根據(jù)研究的對(duì)象以及所關(guān)注的問題不同， 圖 1 - 1 模型中的各小方框的內(nèi)容和作用將有所不同，因而相應(yīng)有不同形式的更具體的通信模型。今后的討論就是圍繞著通信系統(tǒng)的模型而展開的。 ,1.1.2模擬通信模型和數(shù)字通信模型 圖 1 - 1 中， 信源發(fā)出的消息雖然有多種形式， 但可分為兩大類： 一類稱為連續(xù)消息；另一類稱為離散消息。連續(xù)消息是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的， 如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。 消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 即把消息寄托在電信號(hào)的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位； 脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號(hào)參量的取值方式不同可把信號(hào)分為兩類，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 ,凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無(wú)窮多個(gè)值的，且直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為模擬信號(hào)，如電話機(jī)送出的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號(hào)等。模擬信號(hào)有時(shí)也稱連續(xù)信號(hào)，這個(gè)連續(xù)是指信號(hào)的某一參量可以連續(xù)變化，或者說(shuō)在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)，如圖 1 - 2(b)所示的抽樣信號(hào)。 凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，均稱為數(shù)字信號(hào)，如電報(bào)信號(hào)、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號(hào)、PCM信號(hào)等。數(shù)字信號(hào)有時(shí)也稱離散信號(hào)，這個(gè)離散是指信號(hào)的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散，如圖 1 - 3(b)所示的2PSK信號(hào)。 ,圖 1 2 模擬信號(hào)波形,圖 1 -3數(shù)字信號(hào)波形 (a) 連續(xù)信號(hào)； (b) 抽樣信號(hào) (a) 二進(jìn)制波形； (b) 2PSK波形,因此，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)， 可相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 1. 模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)。 我們知道，信源發(fā)出的原始電信號(hào)是基帶信號(hào)，基帶的含義是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開始，如語(yǔ)音信號(hào)為3003400Hz， 圖像信號(hào)為06MHz。由于這種信號(hào)具有頻率很低的頻譜分量， 一般不宜直接傳輸，這就需要把基帶信號(hào)變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，并可在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。經(jīng)過調(diào)制以后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)有三個(gè)基本特征：,一是攜帶有信息，二是適合在信道中傳輸，三是信號(hào)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(hào)又稱頻帶信號(hào)。 需要指出，消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，不僅僅只有連續(xù)消息與基帶信號(hào)和基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)之間的兩種變換，實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對(duì)信號(hào)的變化起決定性作用，而其他過程對(duì)信號(hào)不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大或改善了信號(hào)特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。 模擬通信系統(tǒng)模型可由圖 1 - 1 略加演變而成， 如圖 1 - 4 所示。圖中的調(diào)制器和解調(diào)器就代表圖 1 - 1 中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。,圖 1-4 模擬通信系統(tǒng)模型,2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng)， 如圖 1 - 5 所示。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多，其中主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、數(shù)字復(fù)接、 同步以及加密等。下面對(duì)這些技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹。 1) 信源編碼與譯碼 信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。作用之二是，當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。第6章中將討論模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)膬煞N方式：脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(M)。信源譯碼是信源編碼的逆過程。,2） 信道編碼與譯碼 數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 3） 加密與解密 在需要實(shí)現(xiàn)保密通信的場(chǎng)合，為了保證所傳信息的安全， 人為將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂， 即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復(fù)制品對(duì)收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，恢復(fù)原來(lái)信息，叫解密。,4） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字調(diào)制就是把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處， 形成適合在信道中傳輸?shù)念l帶信號(hào)?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對(duì)相移鍵控PSK、相對(duì)（差分）相移鍵控DPSK。對(duì)這些信號(hào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號(hào)。對(duì)高斯噪聲下的信號(hào)檢測(cè)，一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器實(shí)現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制是本教材的重點(diǎn)內(nèi)容之一，將在第7章中討論。此外，第9章還將介紹一些現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)。 5） 同步與數(shù)字復(fù)接 同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步，這些問題將集中在第11章中討論。,數(shù)字復(fù)接就是依據(jù)時(shí)分復(fù)用基本原理把若干個(gè)低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號(hào)，以擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率。 復(fù)用與復(fù)接概念將在第10章中介紹。 需要說(shuō)明的是， 圖 1 - 5 是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型， 實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖 1 - 1中的所有環(huán)節(jié)。 如在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠(yuǎn)且通信容量不太大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無(wú)需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)，詳見第5章。 應(yīng)該指出的是，模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，數(shù)字電話系統(tǒng)就是以數(shù)字方式傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)的例子。,圖 1 5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型,當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)可以通過模擬電話線路傳輸，但這時(shí)必須使用調(diào)制解調(diào)器（Modem）將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行正弦調(diào)制，以適應(yīng)模擬信道的傳輸特性?？梢?，模擬通信與數(shù)字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸?shù)男盘?hào)種類。 3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 目前，無(wú)論是模擬通信還是數(shù)字通信，在不同的通信業(yè)務(wù)中都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字通信的發(fā)展速度已明顯超過模擬通信，成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)通信技術(shù)越來(lái)越高的要求， 其特點(diǎn)是：,（1） 抗干擾能力強(qiáng)。以二進(jìn)制為例，信號(hào)的取值只有兩個(gè)，這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號(hào)在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會(huì)發(fā)生波形畸變，接收端對(duì)其進(jìn)行抽樣判決，以辨別是兩個(gè)狀態(tài)中的哪一個(gè)。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確，就能正確接收。而模擬通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖沁B續(xù)變化的模擬信號(hào)，它要求接收機(jī)能夠高度保真地重現(xiàn)信號(hào)波形，如果模擬信號(hào)疊加上噪聲后，即使噪聲很小，也很難消除它。此外，在遠(yuǎn)距離傳輸，如微波中繼通信時(shí)，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式，對(duì)數(shù)字信號(hào)波形進(jìn)行整形再生而消除噪聲積累。 ,2） 差錯(cuò)可控。 可以采用信道編碼技術(shù)使誤碼率降低， 提高傳輸?shù)目煽啃浴?（3） 易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、變換、存儲(chǔ)，從而形成智能網(wǎng)。 （4） 易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 （5） 易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。 ,但是， 數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)都是用比模擬通信占據(jù)更寬的系統(tǒng)頻帶為代價(jià)而換取的。以電話為例，一路模擬電話通常只占據(jù)4kHz帶寬，但一路接近同樣話音質(zhì)量的數(shù)字電話可能要占據(jù) 2060kHz的帶寬，因此數(shù)字通信的頻帶利用率不高。另外，由于數(shù)字通信對(duì)同步要求高，因而系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。不過，隨著新的寬帶傳輸信道（如光導(dǎo)纖維）的采用、 窄帶調(diào)制技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字通信的這些缺點(diǎn)已經(jīng)弱化。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字通信在今后的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導(dǎo)地位。,1.2通信系統(tǒng)分類與通信方式,1.2.1通信系統(tǒng)的分類 1 按通信業(yè)務(wù)分類 按通信業(yè)務(wù)分， 通信系統(tǒng)有話務(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。 近年來(lái)，非話務(wù)通信發(fā)展迅速， 非話務(wù)通信主要是分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會(huì)議電視、圖像通信等。 由于電話通信最為發(fā)達(dá)，因而其他通信常常借助于公共的電話通信系統(tǒng)進(jìn)行。,未來(lái)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。此外，還有遙測(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)等控制通信業(yè)務(wù)。 2 按調(diào)制方式分類 根據(jù)是否采用調(diào)制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶（調(diào)制）傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號(hào)直接傳送，如音頻市內(nèi)電話。頻帶傳輸是對(duì)各種信號(hào)調(diào)制后傳輸?shù)目偡Q。 調(diào)制方式很多， 表 1 - 1 列出了一些常見的調(diào)制方式。,表 1- 1常見的調(diào)制方式,續(xù)表（2）,3 按信號(hào)特征分類 按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)， 相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 4 按傳輸媒質(zhì)分類 按傳輸媒質(zhì)分，通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信是用導(dǎo)線（如架空明線、同軸電纜、 光導(dǎo)纖維、波導(dǎo)等）作為傳輸媒質(zhì)完成通信的，如市內(nèi)電話、 有線電視、海底電纜通信等。無(wú)線通信是依靠電磁波在空間傳播達(dá)到傳遞消息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。 ,5 按工作波段分類 按通信設(shè)備的工作頻率不同可分為長(zhǎng)波通信、 中波通信、 短波通信、 遠(yuǎn)紅外線通信等。表 1 -2 列出了通信使用的頻段、 常用的傳輸媒質(zhì)及主要用途。 ,表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質(zhì),續(xù)表（2）,工作波長(zhǎng)和頻率的換算公式為 = 式中， 為工作波長(zhǎng)， f為工作頻率， c為光速。 6 按信號(hào)復(fù)用方式分類 傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍；時(shí)分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間； 碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號(hào)。傳統(tǒng)的模擬通信中都采用頻分復(fù)用，隨著數(shù)字通信的發(fā)展，時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，碼分復(fù)用主要用于空間通信的擴(kuò)頻通信中。 ,1.2.2通信方式 前述通信系統(tǒng)是單向通信系統(tǒng)，但在多數(shù)場(chǎng)合下，信源兼為信宿，需要雙向通信，電話就是一個(gè)最好的例子，這時(shí)通信雙方都要有發(fā)送和接收設(shè)備，并需要各自的傳輸媒質(zhì)，如果通信雙方共用一個(gè)信道，就必須用頻率或時(shí)間分割的方法來(lái)共享信道。因此，通信過程中涉及通信方式與信道共享問題。 下面只對(duì)通信方式作一簡(jiǎn)單介紹。 1 按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分 對(duì)于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系， 通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。 單工通信， 是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑?因此只占用一個(gè)信道， 如圖 1 -6(a)所示。廣播、遙測(cè)、遙控、無(wú)線尋呼等就是單工通信方式的例子。,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,半雙工通信，是指通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式，如圖 1 - 6(b)所示。例如，使用同一載頻的對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)以及問詢、檢索、科學(xué)計(jì)算等數(shù)據(jù)通信都是半雙工通信方式。 全雙工通信， 是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道，如圖 1 - 6(c)所示。普通電話、手機(jī)都是最常見的全雙工通信方式， 計(jì)算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)通信也是這種方式。,2 按數(shù)字信號(hào)排列順序分 在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號(hào)代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸，如圖 1 - 7（a）所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多， 設(shè)備復(fù)雜， 成本高， 故較少采用， 一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。 串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸， 如圖 1 - 7(b)所示。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 此外，還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)形式劃分。由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上。,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,1.3信息及其度量,前已指出，信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說(shuō)，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定性的。對(duì)接收者來(lái)說(shuō)，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸它了。因此，信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量。 首先，讓我們從常識(shí)的角度來(lái)感覺三條消息： 太陽(yáng)從東方升起； 太陽(yáng)比往日大兩倍； 太陽(yáng)將從西方升起 。 第一條幾乎沒有帶來(lái)任何信息， 第二條帶來(lái)了大量信息，第三條帶來(lái)的信息多于第二條。,究其原因，第一事件是一個(gè)必然事件，人們不足為奇； 第三事件幾乎不可能發(fā)生，它使人感到驚奇和意外，也就是說(shuō)，它帶來(lái)更多的信息。因此，信息含量是與驚奇這一因素相關(guān)聯(lián)的，這是不確定性或不可預(yù)測(cè)性的結(jié)果。 越是不可預(yù)測(cè)的事件， 越會(huì)使人感到驚奇，帶來(lái)的信息越多。 根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來(lái)描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因此， 消息中包含的信息量與消息發(fā)生的概率密切相關(guān)。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假設(shè)P(x)是一個(gè)消息發(fā)生的概率，I是從該消息獲悉的信息，根據(jù)上面的認(rèn)知， 顯然I與P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律： ,（1） 信息量是概率的函數(shù)， 即 I=fP(x) （2） P(x)越小， I越大； 反之， I越小， 且 P(x)1時(shí)， I0 P(x)0時(shí)， I （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)立事件信息量之和，也就是說(shuō)，信息具有相加性， 即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+,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 =-loga P(x) (1.3 - 1) 信息量的單位與對(duì)數(shù)底數(shù)a有關(guān)。 a=2時(shí)， 信息量的單位為比特(bit)；a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nit)； a=10時(shí)， 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(shuō)明信息量的對(duì)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(gè)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(shí)每一個(gè)四進(jìn)制波形需要用2個(gè)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(shí)至少需要3個(gè)二進(jìn)制脈沖。 綜上所述，對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無(wú)記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為,I=log2 =log2 =log2 M(bit) (1.3 - 3) 式中， P為每一個(gè)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=log2 2K=K (bit) (1.3 - 4) 式中, K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目，也就是說(shuō)，傳送每一個(gè)M（M=2K）進(jìn)制波形的信息量就等于用二進(jìn)制脈沖表示該波形所需的脈沖數(shù)目K。 ,如果是非等概情況，設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集， 其中每個(gè)符號(hào)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-log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量為 H(x)=P(x1)log2 P(x1)+P(x2)log2 P(x2)+P(xn)log2 P(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(hào)。,顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，式(1.3 - 5)即成為式(1.3 - 3)， 此時(shí)信源的熵有最大值。 例 1 - 2一離散信源由0， 1， 2， 3四個(gè)符號(hào)組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8, 1/4, 1/4, 1/8，且每個(gè)符號(hào)的出現(xiàn)都是獨(dú)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(gè)符號(hào)，故該消息的信息量為,每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為,若用熵的概念來(lái)計(jì)算， 由式（1.3 - 5）得,可見，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長(zhǎng)時(shí)， 用熵的概念來(lái)計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。 以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。 對(duì)于連續(xù)消息，信息論中有一個(gè)重要結(jié)論，就是任何形式的待傳信息都可以用二進(jìn)制形式表示而不失主要內(nèi)容。抽樣定理告訴我們：一個(gè)頻帶受限的連續(xù)信號(hào)，可以用每秒一定數(shù)目的抽樣值代替。而每個(gè)抽樣值可以用若干個(gè)二進(jìn)制脈沖序列來(lái)表示。因此，以上信息量的定義和計(jì)算同樣適用于連續(xù)信號(hào)。 ,1.4主要性能指標(biāo),通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說(shuō)是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對(duì)統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換。 模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效傳輸頻帶來(lái)度量，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度。可靠性用接收端最終輸出信噪比來(lái)度量。不同調(diào)制方式在同樣信道信噪比下所得到的最終解調(diào)后的信噪比是不同的。 如調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力比調(diào)幅好，但調(diào)頻信號(hào)所需傳輸頻帶卻寬于調(diào)幅。 ,數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率來(lái)衡量。 可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)衡量。 1. 傳輸速率 碼元傳輸速率RB簡(jiǎn)稱傳碼率，又稱符號(hào)速率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。 例如，若1秒內(nèi)傳2400個(gè)碼元，則傳碼率為2400B。 數(shù)字信號(hào)有多進(jìn)制和二進(jìn)制之分，但碼元速率與進(jìn)制數(shù)無(wú)關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):,通常在給出碼元速率時(shí)，有必要說(shuō)明碼元的進(jìn)制。由于M進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用 log2 M個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBM與二進(jìn)制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： RB2=RBMlog2 M (B) 信息傳輸速率Rb簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時(shí)間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特?cái)?shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s ，或 b/s ，或bps。 每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定bit數(shù)的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即,Rb=RBH (b/s) (1.4 - 2) 式中，H為信源中每個(gè)符號(hào)所含的平均信息量（熵）。 等概傳輸時(shí)，熵有最大值log2M，信息速率也達(dá)到最大，即 Rb=RB log2 M (b/s) (1.4 - 3) 或 RB= ,式中，M為符號(hào)的進(jìn)制數(shù)。例如碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（M=8）時(shí)，信息速率為3600b/s；采用二進(jìn)制（M=2）時(shí)， 信息速率為1200b/s，可見，二進(jìn)制的碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等，有時(shí)簡(jiǎn)稱它們?yōu)閿?shù)碼率。 ,頻帶利用率比較不同通信系統(tǒng)的有效性時(shí)，單看它們的傳輸速率是不夠的，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。所以，真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的碼元傳輸速率，即,數(shù)字信號(hào)的傳輸帶寬B取決于碼元速率RB，而碼元速率和信息速率Rb有著確定的關(guān)系。為了比較不同系統(tǒng)的傳輸效率， 又可定義頻帶利用率為,2. 差錯(cuò)率 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率， 常用誤碼率和誤信率表示。 誤碼率（碼元差錯(cuò)率）Pe是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，更確切地說(shuō)，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即,誤信率（信息差錯(cuò)率）Pb是指發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例， 即,顯然， 在二進(jìn)制中有 Pb=Pe ,1.5 通信發(fā)展趨勢(shì),在過去三四十年間，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)字通信的發(fā)展。目前數(shù)字通信在衛(wèi)星通信、光纖通信、移動(dòng)通信、微波通信等領(lǐng)域有了新的進(jìn)展。 下面我們就從這幾個(gè)方面來(lái)了解通信的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是將通信衛(wèi)星作為空中中繼站，它能夠?qū)⒌厍蛏夏骋坏孛嬲景l(fā)射來(lái)的無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)地面站， 從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)地域之間的通信。根據(jù)通信衛(wèi)星與地面之間的位置關(guān)系，可以分為靜止通信衛(wèi)星(或同步通信衛(wèi)星)和移動(dòng)通信衛(wèi)星。靜止通信衛(wèi)星是軌道在赤道平面上的衛(wèi)星，它離地面高度為35 780 km，采用三個(gè)相差120的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)。,衛(wèi)星通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星、地球站、上行線路及下行線路組成。上行線路和下行線路是地球站至通信衛(wèi)星及通信衛(wèi)星至地球站的無(wú)線電傳播路徑，通信設(shè)備集中于地球站和通信衛(wèi)星中。 衛(wèi)星通信的特點(diǎn)是：通信距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣、不受地理?xiàng)l件限制、 通信容量大、可靠性高等。自從1957年10月第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來(lái)，衛(wèi)星通信作為一種重要的通信手段被廣泛用于國(guó)際、國(guó)內(nèi)和區(qū)域通信。21世紀(jì)的衛(wèi)星通信將向更高頻段、更大容量方向發(fā)展。衛(wèi)星間的通信將采用速度快、 頻帶寬、保密性強(qiáng)的激光通信。預(yù)計(jì)到2010年前， 星間激光通信的傳輸速率將達(dá)到40Gb/s，地面終端設(shè)備將日益小型化， 甚小天線衛(wèi)星地球站(VSAT) 將會(huì)繼續(xù)發(fā)展。 ,2 光纖通信系統(tǒng) 光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)作為傳輸媒質(zhì)、以光波為運(yùn)載工具（載波）的通信方式。光纖通信具有容量大、 頻帶寬、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且成本低，與同軸電纜相比可以大