通信系統(tǒng)的組成

1、 1.1 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 1.2 通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式 1.3 信息及其度量信息及其度量 1.4 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 1.5 通信發(fā)展趨勢(shì)通信發(fā)展趨勢(shì)第第 1 章緒論章緒論返回主目錄返回主目錄第第 1 章章 緒論緒論1.1通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成消息與信息消息與信息消息消息文字、 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，用于表達(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。信息信息是消息中所包含的人們?cè)瓉聿恢膬?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

2、?；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， 目前的通信越來越依賴?yán)谩半姟眮韨鬟f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。 1.1.11.1.1通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(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

3、通信系統(tǒng)的模型可用圖 1 - 1 來描述。 圖1-1通信系統(tǒng)的一般模型1 1、信、信 源源 是消息的產(chǎn)生來源， 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)消息信號(hào)或基帶信號(hào)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。模擬信源與數(shù)字信源 模擬信源輸出的是模擬信號(hào)；而數(shù)字信源輸出信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)。 2、發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備將信源和信道匹配起來的設(shè)備，它將信源產(chǎn)生的消息信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。變換方式有調(diào)制變換方式、信源編碼、信道編碼。 3、信信 道道是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道。 在有線信道中，信道可以是明線、 電纜或光纖；在無線信道

4、中，信道是自由空間。 4、噪聲源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。 噪聲按產(chǎn)生的來源可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，外部噪聲是從信道引入的，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。 5、 接收設(shè)備接收設(shè)備完成發(fā)送設(shè)備的反變換的設(shè)備， 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，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。 6、受信者受信者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

5、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)字通信模型模擬通信模型和數(shù)字通信模型 連續(xù)消息:消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可信源消息分為兩大類：數(shù)的，如語(yǔ)音、活動(dòng)圖片等離散消息:消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的,如符號(hào)、數(shù)據(jù)等。消息的載體是電信號(hào)， 電信號(hào)的變化體現(xiàn)在某一參量的變化上（如連續(xù)波的幅度幅度、頻率頻率或相位相位； 脈沖波的幅度幅度、寬寬度度或位置位置）。信號(hào)分類信號(hào)分類按信號(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

6、數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)模擬信號(hào)凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，凡信號(hào)參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(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)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，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(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)。 Of (t)t(a)f (nT )tPAM信號(hào)(b)O圖12模擬信號(hào)波形數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)凡信號(hào)參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直凡信號(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)，

7、均稱為數(shù)字信號(hào)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1-3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100110111001Of (nT )t00111001數(shù)字信息PSK波形(a)(b)模擬通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)分為通信系統(tǒng)分為 數(shù)字通信系統(tǒng) 1. 1. 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型 模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)

8、?；鶐Щ鶐盘?hào)是指信號(hào)的頻譜從零頻附近開始，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)。頻帶信號(hào)。 消息從發(fā)送端到接收端的傳遞過程中，主要有兩種變換：1）、基帶信號(hào)變?yōu)轭l帶信號(hào)（調(diào)制變換）2）、頻帶信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)（解調(diào)變換） 另外通信系統(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

9、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，因而不在通信原理討論范疇。 圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型信息源調(diào)制器信道解調(diào)器受信者噪聲源模擬通信系統(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。 2 2 數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(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)內(nèi)容有：1）、編/譯碼包括信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼。2）、調(diào)制/解調(diào)數(shù)字調(diào)制/解調(diào)3）、數(shù)字復(fù)接4）、 同步5）、加密下

10、面對(duì)這些技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹。 1) 1) 信源編碼與譯碼信源編碼與譯碼 信源編碼的作用：信源編碼的作用：（1）、設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說的數(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。（2）、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7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 2） 信道編碼與譯碼信道編碼與譯碼 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

11、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 3） 加密與解密加密與解密 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)原來信息，叫解密。 4 4） 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)數(shù)字調(diào)制與解調(diào) 數(shù)字調(diào)制是將數(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)。 數(shù)字調(diào)制方式有數(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、

12、相對(duì)（差分）相移鍵控DPSK。 數(shù)字調(diào)制是本教材的重點(diǎn)內(nèi)容之一，將在第6章中討論。5 5） 同步與數(shù)字復(fù)接同步與數(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。 圖 1 - 5 是數(shù)字通信系統(tǒng)的一般化模型，信息源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道數(shù)字解調(diào)器信道譯碼器信源譯碼器受信者噪聲源圖 1 5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 實(shí)際的數(shù)

13、字通信系統(tǒng)不一定包括圖實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)不一定包括圖 中的所有環(huán)節(jié)。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)，大時(shí)， 數(shù)字基帶信號(hào)無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)數(shù)字基帶信號(hào)無需調(diào)制，可以直接傳送，稱之為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，字信號(hào)的基帶傳輸， 應(yīng)該指出的是，模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)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)就是以以數(shù)字方式傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)的例子。數(shù)字方式傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)的例子。 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

14、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。可見，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. 3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)數(shù)字通信的主要特點(diǎn) 目前，無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)越來越高的要求， 其特點(diǎn)是： （1） 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)。 （2） 差錯(cuò)可控差錯(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)字終端接口易于

15、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） 易于集成化易于集成化， 從而使通信設(shè)備微型化。 （5） 易于加密處理易于加密處理， 且保密強(qiáng)度高。 缺點(diǎn)： 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。數(shù)字通信的頻帶利用率不高。例如：一路模擬電話帶寬為4kHz，而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。 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。 前景：寬帶信道（光纖）的發(fā)展，其缺點(diǎn)已可以接受，在現(xiàn)代通信的發(fā)展中已成為主流。1.21.2通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)分類與通信方式1.2.11

16、.2.1通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)的分類 話務(wù)通信1 1 按通信業(yè)務(wù)分類按通信業(yè)務(wù)分類 非話務(wù)通信。 非話務(wù)通信分組數(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。未來的綜合業(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 2 按調(diào)制方式分類按調(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。基帶傳輸是將未經(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。 表表 1-

17、1常見的調(diào)制方式常見的調(diào)制方式調(diào)制方式用途連續(xù)調(diào)制線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)制廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅 立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB電視廣播、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸調(diào)制方式用途脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信

18、增量調(diào)制DM軍用、民用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其他語(yǔ)言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話續(xù)表（續(xù)表（2）3 3 按信號(hào)特征分類按信號(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 4 按傳輸媒質(zhì)分類按傳輸媒質(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 5

19、按工作波段分類按工作波段分類 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。 表表 1 2 通信波段與常用傳輸媒質(zhì)通信波段與常用傳輸媒質(zhì)頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途3Hz30kHz104108m甚低頻VLF有線線對(duì)長(zhǎng)波無線電音頻、電話、數(shù)據(jù)終端長(zhǎng)距離導(dǎo)航、時(shí)標(biāo)30300kHz103104m低頻LF有線線對(duì)長(zhǎng)波無線電導(dǎo)航、信標(biāo)、電力線通信300kHz3MHz102103m中頻MF同軸電纜短波無線電調(diào)幅廣播、移動(dòng)陸地通信、業(yè)余無線電330MHz10102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動(dòng)無線電話、短波

20、廣播定點(diǎn)軍用通信、業(yè)余無線電30300MHz110m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調(diào)頻廣播、空中管制、車輛、通信、導(dǎo)航續(xù)表（續(xù)表（2）頻率范圍波長(zhǎng)符號(hào)傳輸媒質(zhì)用途300MHz3GHz10100cm特高頻UHF波導(dǎo)分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)330GHz110cm超高頻SHF波導(dǎo)厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達(dá)30300GHz110mm極高頻EHF波導(dǎo)毫米波無線電雷達(dá)、微波接力、射電天文學(xué)107108GHz310-5310-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信工作波長(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 6 按信號(hào)復(fù)用方式分

21、類按信號(hào)復(fù)用方式分類 傳輸多路信號(hào)有三種復(fù)用方式：1）、頻分復(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；2）、時(shí)分復(fù)用：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； )()/(1038Hzfsmfc3）、碼分復(fù)用：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。1.2.21.2.2通信方式通信方式 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

22、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 1 按消息傳遞的方向與時(shí)間關(guān)系分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。 單工通信單工通信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， 廣播、遙測(cè)、遙控、無線尋呼等就是單工通信方式的例子。 半雙工通信半雙工通信通信雙方都能收發(fā)消息， 但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。 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

23、工通信全雙工通信通信雙方可同時(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。 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。 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) 全雙工發(fā)端信 道收端發(fā)端信 道收端發(fā)端收端(a)(b)發(fā)端信 道收端發(fā)端收端信 道(c)2 2 按數(shù)字信號(hào)排列順序分按數(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。 并行傳輸并行傳輸將代表信息的數(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，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多

24、， 設(shè)備復(fù)雜， 成本高， 故 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。 串行傳輸串行傳輸數(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， 通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。 圖 1 - 7并行和串行通信方式示意圖 (a) 并行傳輸； (b) 串行傳輸發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備101(b)發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備(a)1.31.3信息及其度量信息及其度量 信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵信號(hào)是消息的載體，而信息是其內(nèi)涵。任何信源產(chǎn)生任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來定的輸出都是隨機(jī)的，也就是說，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來定性的。對(duì)接收者來說，只有消息

25、中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息；性的。對(duì)接收者來說，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。否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸它了。 信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量信息含量就是對(duì)消息中這種不確定性的度量。 例如：有三條消息：例如：有三條消息： 太陽(yáng)從東方升起；太陽(yáng)從東方升起； 太陽(yáng)比往太陽(yáng)比往日大兩倍；日大兩倍； 太陽(yáng)將從西方升起太陽(yáng)將從西方升起 。 第一條幾乎沒有帶來任第一條幾乎沒有帶來任何信息，何信息， 第二條帶來了大量信息，第三條帶來的信息多于第第二條帶來了大量信息，第三條帶來的信息多于第二條。二條。 根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用

26、事件出現(xiàn)的根據(jù)概率論知識(shí)，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述。可能性越小，概率越小；反之，概率越大。因概率來描述?？赡苄栽叫。怕试叫。环粗?，概率越大。因此，此， 消息中包含的消息中包含的信息量信息量與消息發(fā)生的與消息發(fā)生的概率概率密切相關(guān)密切相關(guān)。消息。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。假設(shè)：假設(shè)：P(x) P(x) 是一個(gè)消息發(fā)生的概率；是一個(gè)消息發(fā)生的概率； I I 是從該消息獲悉的信息。是從該消息獲悉的信息。根據(jù)上面的認(rèn)知，根據(jù)上面的認(rèn)知， 顯然顯然I I與與P(x)P(x)之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律：之間的關(guān)系反映為如下規(guī)律：

27、（1 1） 信息量是概率的函數(shù)，信息量是概率的函數(shù)， 即即 I=IP(x) （3 3） 若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息， 所含信息量所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性，性， 即即 IP(x1)P(x2)=IP(x1)+IP(x2)+（2 2） P(x)P(x)越小，越小， I I越大；越大； 反之，反之， I I越小，越小， 且且 P(x)1P(x)1時(shí)，時(shí)， I0I0 P(x)0 P(x)0時(shí)，時(shí)， II綜上所述，綜上所述， 信息量信息量I I與消息出現(xiàn)的概率與消息出現(xiàn)的概率P(x)P(x)

28、之間的關(guān)系之間的關(guān)系應(yīng)為應(yīng)為 I=I=logloga a =- =-logloga a P(x) P(x) (1.4 - 3)信息量的單位由對(duì)數(shù)底數(shù)信息量的單位由對(duì)數(shù)底數(shù)a a決定決定 a=2a=2時(shí)時(shí) 比特比特(bit)；目前廣泛使用的單位目前廣泛使用的單位 a=ea=e時(shí)時(shí) 奈特奈特(nit)； a=10a=10時(shí)時(shí) 哈特萊哈特萊。 )(1xpI(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)(1.4-4)傳送等概率的二進(jìn)制波形之一（傳送等概率的二進(jìn)制波形之一（P=1/2P=1/2）的信息量為的信息量為1 1比特。比特。傳送等概率的四進(jìn)制波形之一（傳送等概率的四進(jìn)制波形之一（P=1/4

29、P=1/4）的信息量為的信息量為2 2比特，比特，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（傳送等概率的八進(jìn)制波形之一（P=1/8P=1/8）的信息量為的信息量為3 3比特，比特， 每一個(gè)八進(jìn)制波形需要3個(gè)二進(jìn)制脈沖 211例例 ：設(shè)二進(jìn)制離散信源，：設(shè)二進(jìn)制離散信源， 以相等的概率發(fā)送數(shù)字以相等的概率發(fā)送數(shù)字0 0或或1 1，則，則信源每個(gè)輸出的信息含量為信源每個(gè)輸出的信息含量為I=log2=log2=log2M(bit)(1.4-5)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(1.4-5)可改寫為I

30、=log22K=K(bit)(1.4-6)式中,K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目，也就是說，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。p1M11綜上所述，對(duì)于離散信源，綜上所述，對(duì)于離散信源，M M個(gè)波形個(gè)波形等概率等概率（P=1/MP=1/M）發(fā)送，發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則傳且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則傳送送M M進(jìn)制波形之一的信息量為進(jìn)制波形之一的信息量為如果是如果是非等概率非等概率情況，設(shè)離散信源是一個(gè)由情況，設(shè)離散信源是一個(gè)由n個(gè)符號(hào)組成個(gè)符號(hào)組成的符號(hào)集，的符號(hào)集， 其中每個(gè)符號(hào)其中每個(gè)符號(hào)xi(i=1,

31、 2, 3, , n)出現(xiàn)的概率為出現(xiàn)的概率為P(xi)， 且有且有 P(xi)=1, 則則x1, x2, , xn 所包含的信息量分別為：所包含的信息量分別為： -log2P(x1),-log2P(x2)，-log2P(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)-log2P(x1)+P(x2)-log2P(x2)+P(xn)-log2P(xn)=符號(hào)）/)(log)(21bitxpxpinii由于由于H同熱力學(xué)中的熵形式一樣，同熱力學(xué)中的熵形式一樣， 故通常又稱它為信息故通常又稱它為信息源的熵，其單位為源

32、的熵，其單位為bit/符號(hào)。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)，上式即成為式顯然，當(dāng)信源中每個(gè)符號(hào)等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，上式即成為式(1.4 - 3)， 此時(shí)信源的熵有最大值。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)(1088log74log1

33、34log1438log232222bitI每個(gè)符號(hào)的算術(shù)平均信息量為符號(hào)位）符號(hào)位/(89. 157108bitII若用熵的概念來計(jì)算，由式（1.3-5）得81log8141log4183log83222H符號(hào)位）/(906. 1bit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)，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)， 用熵的概念來計(jì)算比較方便。用熵的概念來計(jì)算比較方便。 而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增而且隨著消息序列長(zhǎng)度的增加，加， 兩種計(jì)算誤差將趨于零。兩種計(jì)算誤差將趨于零。 信息量的計(jì)算信息量的計(jì)算想一想信息量的定義和計(jì)算能否適用于連續(xù)信號(hào)信息量的定義和計(jì)算能否適用于連續(xù)信號(hào)？等

34、概等概發(fā)送發(fā)送信源非等概非等概發(fā)送發(fā)送信源1.41.4主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 有效性有效性和和可靠性可靠性是評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo) 有效性是指在給定信道內(nèi)所有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，是傳的信息內(nèi)容的多少，是傳輸?shù)妮數(shù)摹八俣人俣取眴栴}；問題； 可靠性是指可靠性是指接收接收信息的準(zhǔn)確程度，是傳輸?shù)男畔⒌臏?zhǔn)確程度，是傳輸?shù)摹百|(zhì)量質(zhì)量”問題。問題。1 1、模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：、模擬通信系統(tǒng)性能指標(biāo)： 模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效傳輸頻帶傳輸頻帶來度量來度量，同樣的消，同樣的消息用不同的調(diào)制方式，則需

35、要不同的頻帶寬度。息用不同的調(diào)制方式，則需要不同的頻帶寬度?？煽啃杂媒邮斩俗罱K輸出可靠性用接收端最終輸出信噪比信噪比來度量來度量。不同調(diào)制方式在同。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。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。2、數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)：、數(shù)字通信系統(tǒng)性能指標(biāo)： 數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率傳輸速率來衡量。來衡量。 可靠性可可靠性可用用差錯(cuò)率差錯(cuò)率來衡量。來衡量。 . 傳輸速率 1)、碼元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。它表示它表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（B

36、aud），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)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長(zhǎng)度T有關(guān):)(1BTRB通常在給出碼元速率時(shí)，有必要說明碼元的進(jìn)制。由于通常在給出碼元速率時(shí)，有必要說明碼元的進(jìn)制。由于N N進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用進(jìn)制的一個(gè)碼元可以用 loglog2 2 N N個(gè)二進(jìn)制碼元去表示，因而在個(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，保證信息速率不變的情況下，N N進(jìn)制的碼元速率進(jìn)制的碼元速率R RBN與二進(jìn)制與二進(jìn)制的碼元速率的碼元速率R RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系： R RB2=R=RBNl

37、oglog2 2 N (B) N (B)2 2）、）、信息傳輸速率信息傳輸速率R Rb b簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率簡(jiǎn)稱傳信率，又稱比特率。它表示單。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，可記秒，可記為為bit/s bit/s ，或或 b/s b/s ，或，或bpsbps。 每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定每個(gè)碼元或符號(hào)通常都含有一定bitbit數(shù)的信息量，因此碼數(shù)的信息量，因此碼元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即元速率和信息速率有確定的關(guān)系，即Rb=RBH(b/s)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

38、log2N，信息速率也達(dá)到最大，即Rb=RBlog2N(b/s)(1.5-1)或RB=式中，N為符號(hào)的進(jìn)制數(shù)。例如碼元速率為1200B，采用八進(jìn)制（N=8）時(shí)，信息速率為3600b/s；采用二進(jìn)制（N=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)/(HzBBRB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)

39、的傳輸效率，又可定義頻帶利用率為)/(HzsbBRb2. 2. 差錯(cuò)率差錯(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，誤碼率是碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，即 傳輸總碼元數(shù)錯(cuò)誤碼元數(shù)ep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， 即傳輸總比特?cái)?shù)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)數(shù)ep顯然， 在二進(jìn)制中有Pb=Pe本節(jié)中的兩個(gè)重要概念：本節(jié)中的兩個(gè)重要概念： 1、碼元傳輸速率RB（傳碼率，符號(hào)速率） 2、信息傳輸速率Rb（傳信率，比特率率）兩個(gè)計(jì)算方法和公式：等概傳輸信息量計(jì)算I=

40、log2M(bit)非等概傳輸平均信息量計(jì)算H(x)=符號(hào)）/)(log)(21bitxpxpinii作業(yè)作業(yè) P1-1、1-2、1-3、1-4、1-6、1-7。1.5 1.5 通信發(fā)展趨勢(shì)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)方面來了解通信的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)。 1 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)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)射來的無線電信號(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)

41、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，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)