掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成課件

課程名稱：通信原理

使用教材：通信原理，樊昌信，曹麗娜編著，

國防工業(yè)出版社，2006.9第6版

授課學時：72，其中實驗8

考核方式：考試

課程名稱：通信原理

使用教材：通信原理，樊昌信，曹麗娜編著，課程簡介：通信原理是電子、通信、計算機、信息處理等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成、基本性能指標和基本分析方法。以各種調(diào)制技術(shù)的分析作為主線，緊緊圍繞通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這對矛盾進行分析，并對各種通信系統(tǒng)的性能指標進行評價與比較。課程簡介：課程要求：1、掌握模擬通信和數(shù)字通信的基本理論，各種調(diào)制解調(diào)性能比較，為進一步學習各種信息傳輸系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。2、掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成、工作原理、常用的性能指標。3、理解模擬信號數(shù)字化的過程，掌握脈碼調(diào)制等常用的數(shù)字化方法。5、掌握數(shù)字通信中常用的調(diào)制和解調(diào)方法。課程要求：第1章緒論1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)的分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標第1章緒論1.1通信的基本概念傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書1.1通信的基本概念傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書1.1通信無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形式無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式。

消息包括話音、文字、數(shù)據(jù)、圖片、視頻等。信息是消息中的有用內(nèi)容。消息中包含信息，是信息的載體。得到消息，從而獲得信息。所討論的通信均指電通信，即利用各種電信號，包括光信號作為通信信號?，F(xiàn)代通信所研究的主要問題概括地說就是如何把信息大量地、快速地、準確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟地、安全地從信源通過傳輸介質(zhì)傳送到信宿。通信原理就是介紹支撐各種通信技術(shù)的基本概念和數(shù)學理論基礎(chǔ)。所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進行通信的設(shè)備硬件、軟件和傳輸介質(zhì)的集合叫做通信系統(tǒng)。過去對通信系統(tǒng)的定義沒有軟件部分，但隨著計算機進入通信系統(tǒng)，通信軟件就成為組成通信系統(tǒng)的基本要素，因此在定義中加入軟件這一模塊。從硬件上看，通信系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿（受信者）五部分組成。干擾可以理解為是通信系統(tǒng)的一部分，因為在實際應(yīng)用中，一個通信系統(tǒng)無法徹底消除干擾。1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進行通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型

信源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。原始電信號稱為基帶信號，信號的頻譜是從零附近開始，具有較低的頻率。

發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘枴?/p>

信道：一種物理媒質(zhì)，將發(fā)射設(shè)備的信號傳送到接收端。

接收設(shè)備：從接收信號中恢復(fù)出原始電信號。

信宿：把基帶信號還原成原有的消息。自由空間的信道不能直接傳輸基帶信號，需要進行調(diào)制，調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號的特點：一是攜帶有信號；二是適應(yīng)在信道中傳輸。已調(diào)信號又稱為帶通信號。信源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。原始電信號稱為基帶信號例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設(shè)備、無線電波傳輸、接收設(shè)備、揚聲器等。例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設(shè)備、無線電波傳輸、接收設(shè)備、二、模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)

根據(jù)信道傳輸信號種類的不同，通信系統(tǒng)可分為兩大類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬信號是一系列連續(xù)變化的電磁波或電壓信號，這些信號直接與消息相對應(yīng)，如亮度連續(xù)變化的電視圖像。模擬信號在時間上不一定連續(xù)。數(shù)字信號是一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖或光脈沖，具有有限個取值，如電報。信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，如電話、廣播和電視系統(tǒng)。信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，比如數(shù)字電話通信系統(tǒng)。

二、模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)信道傳輸信號種類的不同數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)比較，主要區(qū)別是多了信源編碼(解碼)和信道編碼(解碼)功能模塊。信源編碼完成的是將模擬信息(模擬信號)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能。信源編碼的另一個作用是提高信息傳輸?shù)挠行?，即通過數(shù)據(jù)壓縮的方法減少碼元數(shù)目，并降低碼元速率。(信源解碼功能相反)信道編碼是將信源編碼輸出的數(shù)字信號變成適合于信道傳輸?shù)拇a型(信道解碼功能相反)，增強數(shù)字信號的抗干擾能力，提高傳輸?shù)目煽啃浴?shù)字通信系統(tǒng)還包括數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)以及同步等，參見圖1-5。數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)比較，主要區(qū)別是多了信源編碼(三、數(shù)字通信的特點

1、抗干擾能力強數(shù)字信號的取值個數(shù)有限(大多數(shù)情況只有0和1兩個值)，因此在傳輸過程中不太關(guān)心信號的絕對值，只注意相對值。比如設(shè)高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認為是5V就行了。一般可以將大于2.5v的信號都判為1，小于2.5v都判為0。如果0V受干擾也可能變成8V，以致于把數(shù)據(jù)0誤認為數(shù)據(jù)1。但經(jīng)過信道編碼后，數(shù)據(jù)0不是用簡單的低電平表示，因此，這種誤碼出現(xiàn)的可能性很小。三、數(shù)字通信的特點1、抗干擾能力強2、傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累比如一個中繼器收到一個受干擾而變成8V的信號，若是模擬通信，中繼器就會原封不動地把這個8V信號放大后送往下一級，下一級接著放大再往下送，這樣一級一級下去，噪聲被不斷地放大，形成噪聲積累直到通信終端。如果是數(shù)字通信，第一個收到這個8V信號的中繼器先認為該信號為一高電平信號，然后并不將該信號往下傳，而是重新生成一個標準高電平信號(比如為5V)傳往下一級，這樣，噪聲就不會像模擬通信那樣被一級一級地放大，而是被中繼器“隔離”，從而消除了噪聲積累。2、傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累3、便于進行信號加工與處理由于信號可以儲存，因此可以像處理照片一樣對信號隨意加工處理(在技術(shù)允許的范圍內(nèi))。4、傳輸中出現(xiàn)的差錯(誤碼)可以設(shè)法控制，提高了傳輸質(zhì)量5、數(shù)字信息易于加密且保密性強。6、能夠傳輸話音、電視、數(shù)據(jù)等多種信息，增加了通信系統(tǒng)的靈活性和通用性。數(shù)字通信的許多長處是以增加信號帶寬為代價的。比如，一路模擬電話信號的帶寬為4kHz，而一路數(shù)字電話信號一般為64kHz的帶寬，這說明數(shù)字通信的頻帶利用率低。這一缺點在在系統(tǒng)頻帶緊張場合很突出，但目前在微波通信、光通信場合，數(shù)字通信這些弱點被弱化，數(shù)字通信幾乎成了唯一選擇。3、便于進行信號加工與處理數(shù)字通信的許多長處是以增加信號1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

一、通信系統(tǒng)的分類

1.按傳輸介質(zhì)分類分為無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)。利用無線電波、紅外線、激光等進行通信的系統(tǒng)統(tǒng)稱為無線通信系統(tǒng)。廣播系統(tǒng)、移動電話系統(tǒng)、傳呼通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)等都是無線通信系統(tǒng)。用導(dǎo)線(包括電纜、光纜和波導(dǎo)等)作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)為有線通信系統(tǒng)，如市話系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、普通的計算機局域網(wǎng)等。單純的有線或無線通信系統(tǒng)越來越少，實際通信系統(tǒng)常常是無線與有線相結(jié)合。當代的無線通信、有線通信和計算機網(wǎng)絡(luò)三者的關(guān)系密不可分。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式一、通信系統(tǒng)的分類單純的通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有線載波通信光通信架空明線對稱電纜同軸電纜空間光通信光纖通信無線通信系統(tǒng)微波中繼通信衛(wèi)星通信移動通信微波散射通信流星余跡通信通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有線載波通信光通信架對同空光無線通2.按調(diào)制方式分類按調(diào)制與否，可分為基帶通信系統(tǒng)和調(diào)制通信系統(tǒng)。

基帶通信系統(tǒng)，傳輸?shù)氖腔鶐盘?指沒有經(jīng)過任何調(diào)制處理的信號)。

調(diào)制通信系統(tǒng)，傳輸?shù)氖钦{(diào)制后的信號。3.按通信業(yè)務(wù)分類按傳送信息的物理特征分為電話通信系統(tǒng)、電報通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、電視通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。4.按工作波段分按使用波長可分為長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)和光通信系統(tǒng)等。表1-2：頻段劃分。一種通信系統(tǒng)可以分屬不同的種類，比如無線電廣播既是中波通信系統(tǒng)(短波通信系統(tǒng))，調(diào)制通信系統(tǒng)、模擬通信系統(tǒng)，也是無線通信系統(tǒng)。2.按調(diào)制方式分類3.按通信業(yè)務(wù)分類注意點：無論怎樣劃分通信系統(tǒng)，都只是在信號處理和傳輸方式或傳輸介質(zhì)等外在特征上做文章，其通信的實質(zhì)并沒改變，即大量地、快速地、準確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟地、安全地傳送信息。在分析、研究、設(shè)計、搭建和使用一個通信系統(tǒng)時，只要抓住通信的實質(zhì)，就不會被系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、先進的技術(shù)和生澀的技術(shù)術(shù)語所迷惑。二、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形式和信號傳輸方式，它是通信各方在通信實施之前必須首先確定的問題。注意點：二、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形根據(jù)不同的標準，通信方式有多種分類法：1、按通信對象數(shù)量的不同，可分為點到點通信(通信在兩個對象之間進行)、點到多點通信(一個對象和多個對象之間的通信)和多點到多點通信三種(多個對象和多個對象之間的通信)。

2、根據(jù)信號傳輸方向與傳輸時間的不同，任意兩點間的通信方式可分為：

單工通信(Simplex)：在任何一個時刻，信號只能從甲方向乙方單向傳輸，甲方只能發(fā)信，乙方只能收信。比如廣播電臺與收音機、電視臺與電視機的通信(點到多點)、遙控玩具、航模(點到點)、尋呼等均屬此類。根據(jù)不同的標準，通信方式有多種分類法：2、根據(jù)信號傳輸方

半雙工通信(Half―Duplex)：在任何一個時刻，信號只能單向傳輸，或從甲方向乙方，或從乙方向甲方，每一方都不能同時收、發(fā)信息。比如對講機、收發(fā)報機等之間的通信。

雙工通信(Full―Duplex)：在任何一個時刻，信號能夠雙向傳輸，每一方都能同時進行收信與發(fā)信工作。比如普通電話、手機。半雙工通信(Half―Duplex)：在任何一個時通信方式示意圖通信方式示意圖3、按通信終端之間的連接方式可劃分為兩點間直通方式和交換方式。

直通方式是通信雙方直接用專線連接；而交換式的通信雙方必須經(jīng)過一個稱為交換機的設(shè)備才能連接起來，如電話系統(tǒng)。4、按數(shù)字信號傳輸?shù)捻樞?，在?shù)據(jù)通信中(主要指計算機通信)，通信方式又有串行通信與并行通信之分。并行傳輸速度快，但需要多條線路。串行傳輸速度慢，只需要一條線路。5、按同步方式的不同，又分為同步通信和異步通信。視頻：模擬與數(shù)字通信3、按通信終端之間的連接方式可劃分為兩點間直通方式和交換1.4信息及其度量傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。在傳輸過程中，信息是以各種具體的電信號或光信號形式表現(xiàn)出來的。為了對通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量進行定量的分析、研究與評價，就需要對信息進行度量。定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。信息是一個抽象的概念，能否被量化？如何量化？例：信息“明天太陽從東邊出來”和“明天太陽從西邊出來”，后者對信息的受者更有吸引力。1.4信息及其度量傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。在傳輸表明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越感興趣，信息量就越大。顯然，信息量與事件發(fā)生的概率有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率為1，則它傳遞的信息量就為0。信息量與事件概率之間的關(guān)系式為：P表示某事件發(fā)生的概率，I為從該事件發(fā)生的信息中得到的信息量。如果消息由若干個互相獨立的事件構(gòu)成，則該消息所含信息量等于各獨立事件所含信息量之和。表明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越信息量單位的確定取決于上式中的對數(shù)底a。如果取對數(shù)的底a=2，則信息量的單位為比特(bit)；如果取e為對數(shù)的底，則信息量的單位為奈特(nat)；若取10為底，則信息量的單位稱為十進制單位，或叫笛特(det)。廣泛使用的單位為比特。討論等概率出現(xiàn)的離散消息的度量：若要傳遞的離散消息是在M個消息中獨立地選擇其一，且認為每個消息的出現(xiàn)概率是相同的，則可采用一個M進制的波形進行傳送。也就是說，傳送M個消息之一與傳送M進制波形之一是完全等價的。在等概率出現(xiàn)時，每個波形(或每個消息)的出現(xiàn)概率為1/M，取對數(shù)底為2，則信息量為信息量單位的確定取決于上式中的對數(shù)底a。如果取對數(shù)的底a=2當M=2，即二進制時，I=1，也就是說，每個二進制波形等概率出現(xiàn)時所含信息量是1bit。在數(shù)據(jù)通信(或數(shù)字通信)中，通常取M為2的整數(shù)冪，即M=2k，k是二進制脈沖的數(shù)目，則每個波形等概率出現(xiàn)時所含信息量就是kbit。非等概率的情況:設(shè)離散信息源是一個由n個符號組成的集合，稱符號集。符號集中的每一個符號xi在消息中是按一定概率P(xi)獨立出現(xiàn)的，即符號概率場為當M=2，即二進制時，I=1，也就是說，每個二進制波形等概率且有，則每個符號所含信息量的分別為每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為整個消息的信息量為n為不同符號的個數(shù)；ni代表概率為P(xi)字符的個數(shù)。平均信息量也稱為信息源的熵。bit/符號且有，則每個符號所含例：已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”出現(xiàn)概率為1／3，求出現(xiàn)“1”所含的信息量。

解：由于全概率為1，因此出現(xiàn)“1”的概率為2／3。因此出現(xiàn)“1”的信息量當P(x1)=P(x2)=…=P(xn)=1/n時，平均信息量：為最大值。例：已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”例：已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。

解：e的信息量

z的信息量:例：已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.0例：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。例：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為解：此消息總長為N=57個符號，其中0出現(xiàn)23次(n1=23)，1出現(xiàn)14次(n2=14)，2出現(xiàn)13次(n3=13)，3出現(xiàn)7次(n4=17)。求得此消息總的信息量解：此消息總長為N=57個符號，其中0出現(xiàn)23次(例：求上例中消息的平均信息量。解：每個符號的平均信息量(信源的熵)/符號消息有N=57個符號，所以該消息所含總信息量為I=1.906N≈108.64bit例：求上例中消息的平均信息量。/符號消息有N=57個符號兩種方法求總信息量，結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法不同。隨著消息中符號數(shù)的增加，這種誤差會逐漸減小。不同的離散信息源可能有不同的熵值。可以證明，在信息源的最大熵發(fā)生在每一個符號等概率出現(xiàn)時，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述。其平均信息量為f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。兩種方法求總信息量，結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法1.5通信系統(tǒng)主要性能指標根據(jù)各種不同的劃分標準，通信系統(tǒng)多種多樣。如何評價一個通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是選擇和使用一個通信系統(tǒng)所面臨的首要問題。這就需要找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的各種技術(shù)指標。信息必須依賴于具體電信號的某項參數(shù)的變化進行傳輸。若參數(shù)變化的速度越快，則單位時間內(nèi)信號所攜帶或傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。定義信息傳輸速率來衡量信息傳輸?shù)目炻?。單位時間傳輸?shù)男畔⒘拷凶鲂畔鬏斔俾?。信息傳輸速率的單位除了基本的比?秒(常記作b/s)外，還有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它們之間的關(guān)系為：1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標根據(jù)各種不同的劃分標準，通比如，一個周期電壓方波信號，其幅值變化的頻率為10Hz，即每秒變化10個周期，若給每個周期(兩個碼元)賦予一定的信息量，假設(shè)為2bit，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?0b/s(bitpersecond)；如果有另一個周期電壓信號，其幅值變化的頻率為1000Hz，同樣給每個周期賦予2bit信息量，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾示蜑?000b/s。研究通信系統(tǒng)性能指標是一個非常復(fù)雜的問題，包括的內(nèi)容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標準性、快速性、方便性、經(jīng)濟性以及實用維護等諸多方面。比如，一個周期電壓方波信號，其幅值變化的頻率為10Hz，即每通信的有效性和可靠性是首要考慮的問題，把通信的有效性和可靠性作為評價通信系統(tǒng)性能的主要指標。有效性和可靠性是根據(jù)對通信質(zhì)量的要求而定義出的客觀標準，但它們是抽象的，沒有可操作性，也很難量化。必須在通信系統(tǒng)中找到具體的、可以操作且能夠反映有效性和可靠性的參數(shù)或指標。對于模擬通信系統(tǒng)，有效性常用系統(tǒng)的傳輸頻帶寬度來衡量，而可靠性則用接收端最終輸出的信噪比S/N來評價。電視信號S/N一般要求大于40~60dB；電話一般要求S/N為20~40dB。注意dB的定義方法!系統(tǒng)的傳輸帶寬主要取決于傳輸介質(zhì)和對信號的處理方式。通信的有效性和可靠性是首要考慮的問題，把通信的有效性和可靠在數(shù)字通信系統(tǒng)中，用信息傳輸速率來衡量系統(tǒng)的有效性。定義單位時間傳輸?shù)拇a元個數(shù)為碼元傳輸速率，其單位為波特(Baud)，故也常常稱為波特率。在數(shù)字通信中，常用時間間隔相同的信號來表示一位二進制數(shù)字，這個時間間隔被稱為二進制碼元長度，即表示0和1的脈沖時間稱為碼元長度。同樣，N進制信號也是等長的，被稱為N進制碼元。一個系統(tǒng)1秒鐘傳送了1200個二進制碼元，其波特率就是1200Baud。波特率僅僅說明系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的能力，還不知其傳輸信息的多少。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，用信息傳輸速率來衡量系統(tǒng)的有效性。定義單位在數(shù)字通信系統(tǒng)中可以采用多進制(M進制)信號，即M進制信號，通常M取為2的各次冪，比如4、8、16等，那么在傳輸多進制信號時就需要多種碼元。但對于多進制信號的每一種碼元我們都可用多位二進制信號表示(編碼)，比如四進制信號(有4個不同的碼元狀態(tài)見圖)的每個碼元狀態(tài)都可用2位二進制信號表示，八進制信號(有8個不同的狀態(tài))的一個狀態(tài)可用3位二進制信號表示。再定義一個信息傳輸速率：單位時間傳輸?shù)男畔⒘?。由于信息量的單位是比特，因此信息傳輸速率也稱為比特率。通常，對于0、1等概率出現(xiàn)的二進制數(shù)字信號，規(guī)定一個碼元攜帶一比特的信息量，則二進制數(shù)字信號的碼元速率和信息速率在數(shù)值上相等。在數(shù)字通信系統(tǒng)中可以采用多進制(M進制)信號，即M進制信號，如果還用一個二進制碼元表示1bit信息量的話，則一個四進制信號的碼元就包含2bit的信息量，一個八進制信號的碼元就包含3bit的信息量。可見傳輸多進制信號可以在波特率不變的情況下提高比特率。比如波特率還是1200Baud的通信系統(tǒng)，現(xiàn)改為傳輸四進制信號，則其信息傳輸速率就為2400b/s，比二進制信號提高了一倍。波特率、比特率與數(shù)制三者之間的關(guān)系

式中,Rb為信息傳輸速率(b/s)；RB為碼元傳輸速率(Baud)；M為采用信號的進制數(shù)。如果還用一個二進制碼元表示1bit信息量的話，則一個四進制信數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用差錯率衡量。差錯率包括兩個內(nèi)容：誤碼率和誤信率。誤碼率指錯誤接收的碼元數(shù)在傳輸?shù)目偞a元數(shù)中所占的比例?；蛘哒f是碼元在傳輸中被傳錯的概率。用下式表示：誤碼率(Pe)=錯誤的碼元數(shù)傳輸?shù)目偞a元數(shù)頻帶利用率：單位帶寬內(nèi)的傳輸速率。在比較兩個通信系統(tǒng)的有效性，單看它們的傳輸速率(碼元速率、信息速率)是不夠的，因為兩個系統(tǒng)的傳輸速率相同，而具有不同的系統(tǒng)帶寬，系統(tǒng)的效率即頻帶利用率是不一樣的。

數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用差錯率衡量。差錯率包括兩個內(nèi)容：誤碼率誤信率也稱誤比特率，它是指接收錯誤的信息量在傳輸總信息量中所占的比例。即信息量在傳輸中被丟失的概率。用下式表示：誤信率(Pb)=錯誤的比特數(shù)傳輸?shù)目偙忍財?shù)二進制中：誤信率也稱誤比特率，它是指接收錯誤的信息量在傳輸總信息量中所例：已知二進制數(shù)字信號在2min內(nèi)共送了72000個碼元。(1)碼元速率和信息速率各為多少？(2)如果碼元寬度不變，但改為八進制數(shù)字信號，則其碼元速率為多少?信息速率又為多少？例：已知二進制數(shù)字信號在2min內(nèi)共送了72000個碼元。(例：已知某八進制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為12000b/s，在收端半小時內(nèi)共測得出現(xiàn)了216個錯誤碼元，求系統(tǒng)的誤碼率。解：例：已知某八進制數(shù)字通信系統(tǒng)的信息速率為12000b/s，在本章作業(yè)：1-2；1-4；1-6；1-10本章作業(yè)：1-2；1-4；1-6；1-10課程名稱：通信原理

使用教材：通信原理，樊昌信，曹麗娜編著，

國防工業(yè)出版社，2006.9第6版

授課學時：72，其中實驗8

考核方式：考試

課程名稱：通信原理

使用教材：通信原理，樊昌信，曹麗娜編著，課程簡介：通信原理是電子、通信、計算機、信息處理等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成、基本性能指標和基本分析方法。以各種調(diào)制技術(shù)的分析作為主線，緊緊圍繞通信系統(tǒng)的有效性和可靠性這對矛盾進行分析，并對各種通信系統(tǒng)的性能指標進行評價與比較。課程簡介：課程要求：1、掌握模擬通信和數(shù)字通信的基本理論，各種調(diào)制解調(diào)性能比較，為進一步學習各種信息傳輸系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。2、掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成、工作原理、常用的性能指標。3、理解模擬信號數(shù)字化的過程，掌握脈碼調(diào)制等常用的數(shù)字化方法。5、掌握數(shù)字通信中常用的調(diào)制和解調(diào)方法。課程要求：第1章緒論1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成1.3通信系統(tǒng)的分類與通信方式1.4信息及其度量1.5通信系統(tǒng)的主要性能指標第1章緒論1.1通信的基本概念傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書1.1通信的基本概念傳統(tǒng)通信的幾種形式古代峰火邊防海軍旗語信鴿傳書1.1通信無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形式無線廣播移動通信移動電視電視廣播雷達衛(wèi)星廣播現(xiàn)代通信的幾種形所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式。

消息包括話音、文字、數(shù)據(jù)、圖片、視頻等。信息是消息中的有用內(nèi)容。消息中包含信息，是信息的載體。得到消息，從而獲得信息。所討論的通信均指電通信，即利用各種電信號，包括光信號作為通信信號?，F(xiàn)代通信所研究的主要問題概括地說就是如何把信息大量地、快速地、準確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟地、安全地從信源通過傳輸介質(zhì)傳送到信宿。通信原理就是介紹支撐各種通信技術(shù)的基本概念和數(shù)學理論基礎(chǔ)。所謂通信，就是信息的傳遞。傳遞是一種信息傳輸?shù)倪^程或方式1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進行通信的設(shè)備硬件、軟件和傳輸介質(zhì)的集合叫做通信系統(tǒng)。過去對通信系統(tǒng)的定義沒有軟件部分，但隨著計算機進入通信系統(tǒng)，通信軟件就成為組成通信系統(tǒng)的基本要素，因此在定義中加入軟件這一模塊。從硬件上看，通信系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿（受信者）五部分組成。干擾可以理解為是通信系統(tǒng)的一部分，因為在實際應(yīng)用中，一個通信系統(tǒng)無法徹底消除干擾。1.2通信系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)一般模型用于進行通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的一般模型

信源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。原始電信號稱為基帶信號，信號的頻譜是從零附近開始，具有較低的頻率。

發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘枴?/p>

信道：一種物理媒質(zhì)，將發(fā)射設(shè)備的信號傳送到接收端。

接收設(shè)備：從接收信號中恢復(fù)出原始電信號。

信宿：把基帶信號還原成原有的消息。自由空間的信道不能直接傳輸基帶信號，需要進行調(diào)制，調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號的特點：一是攜帶有信號；二是適應(yīng)在信道中傳輸。已調(diào)信號又稱為帶通信號。信源：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號。原始電信號稱為基帶信號例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設(shè)備、無線電波傳輸、接收設(shè)備、揚聲器等。例：廣播通信系統(tǒng)包括話筒、發(fā)送設(shè)備、無線電波傳輸、接收設(shè)備、二、模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)

根據(jù)信道傳輸信號種類的不同，通信系統(tǒng)可分為兩大類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬信號是一系列連續(xù)變化的電磁波或電壓信號，這些信號直接與消息相對應(yīng)，如亮度連續(xù)變化的電視圖像。模擬信號在時間上不一定連續(xù)。數(shù)字信號是一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖或光脈沖，具有有限個取值，如電報。信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，如電話、廣播和電視系統(tǒng)。信道中傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，比如數(shù)字電話通信系統(tǒng)。

二、模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)根據(jù)信道傳輸信號種類的不同數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)比較，主要區(qū)別是多了信源編碼(解碼)和信道編碼(解碼)功能模塊。信源編碼完成的是將模擬信息(模擬信號)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能。信源編碼的另一個作用是提高信息傳輸?shù)挠行裕赐ㄟ^數(shù)據(jù)壓縮的方法減少碼元數(shù)目，并降低碼元速率。(信源解碼功能相反)信道編碼是將信源編碼輸出的數(shù)字信號變成適合于信道傳輸?shù)拇a型(信道解碼功能相反)，增強數(shù)字信號的抗干擾能力，提高傳輸?shù)目煽啃?。?shù)字通信系統(tǒng)還包括數(shù)字調(diào)制和數(shù)字解調(diào)以及同步等，參見圖1-5。數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)比較，主要區(qū)別是多了信源編碼(三、數(shù)字通信的特點

1、抗干擾能力強數(shù)字信號的取值個數(shù)有限(大多數(shù)情況只有0和1兩個值)，因此在傳輸過程中不太關(guān)心信號的絕對值，只注意相對值。比如設(shè)高電平5V為1，低電平0V為0，在傳輸時受噪聲影響，5V變成8V，而我們只要看到大于5V的值認為是5V就行了。一般可以將大于2.5v的信號都判為1，小于2.5v都判為0。如果0V受干擾也可能變成8V，以致于把數(shù)據(jù)0誤認為數(shù)據(jù)1。但經(jīng)過信道編碼后，數(shù)據(jù)0不是用簡單的低電平表示，因此，這種誤碼出現(xiàn)的可能性很小。三、數(shù)字通信的特點1、抗干擾能力強2、傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累比如一個中繼器收到一個受干擾而變成8V的信號，若是模擬通信，中繼器就會原封不動地把這個8V信號放大后送往下一級，下一級接著放大再往下送，這樣一級一級下去，噪聲被不斷地放大，形成噪聲積累直到通信終端。如果是數(shù)字通信，第一個收到這個8V信號的中繼器先認為該信號為一高電平信號，然后并不將該信號往下傳，而是重新生成一個標準高電平信號(比如為5V)傳往下一級，這樣，噪聲就不會像模擬通信那樣被一級一級地放大，而是被中繼器“隔離”，從而消除了噪聲積累。2、傳輸中繼器可再生信號，消除噪聲積累3、便于進行信號加工與處理由于信號可以儲存，因此可以像處理照片一樣對信號隨意加工處理(在技術(shù)允許的范圍內(nèi))。4、傳輸中出現(xiàn)的差錯(誤碼)可以設(shè)法控制，提高了傳輸質(zhì)量5、數(shù)字信息易于加密且保密性強。6、能夠傳輸話音、電視、數(shù)據(jù)等多種信息，增加了通信系統(tǒng)的靈活性和通用性。數(shù)字通信的許多長處是以增加信號帶寬為代價的。比如，一路模擬電話信號的帶寬為4kHz，而一路數(shù)字電話信號一般為64kHz的帶寬，這說明數(shù)字通信的頻帶利用率低。這一缺點在在系統(tǒng)頻帶緊張場合很突出，但目前在微波通信、光通信場合，數(shù)字通信這些弱點被弱化，數(shù)字通信幾乎成了唯一選擇。3、便于進行信號加工與處理數(shù)字通信的許多長處是以增加信號1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式

一、通信系統(tǒng)的分類

1.按傳輸介質(zhì)分類分為無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)。利用無線電波、紅外線、激光等進行通信的系統(tǒng)統(tǒng)稱為無線通信系統(tǒng)。廣播系統(tǒng)、移動電話系統(tǒng)、傳呼通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)等都是無線通信系統(tǒng)。用導(dǎo)線(包括電纜、光纜和波導(dǎo)等)作為介質(zhì)的通信系統(tǒng)為有線通信系統(tǒng)，如市話系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、普通的計算機局域網(wǎng)等。單純的有線或無線通信系統(tǒng)越來越少，實際通信系統(tǒng)常常是無線與有線相結(jié)合。當代的無線通信、有線通信和計算機網(wǎng)絡(luò)三者的關(guān)系密不可分。1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式一、通信系統(tǒng)的分類單純的通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有線載波通信光通信架空明線對稱電纜同軸電纜空間光通信光纖通信無線通信系統(tǒng)微波中繼通信衛(wèi)星通信移動通信微波散射通信流星余跡通信通信系統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有線載波通信光通信架對同空光無線通2.按調(diào)制方式分類按調(diào)制與否，可分為基帶通信系統(tǒng)和調(diào)制通信系統(tǒng)。

基帶通信系統(tǒng)，傳輸?shù)氖腔鶐盘?指沒有經(jīng)過任何調(diào)制處理的信號)。

調(diào)制通信系統(tǒng)，傳輸?shù)氖钦{(diào)制后的信號。3.按通信業(yè)務(wù)分類按傳送信息的物理特征分為電話通信系統(tǒng)、電報通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、電視通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。4.按工作波段分按使用波長可分為長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)和光通信系統(tǒng)等。表1-2：頻段劃分。一種通信系統(tǒng)可以分屬不同的種類，比如無線電廣播既是中波通信系統(tǒng)(短波通信系統(tǒng))，調(diào)制通信系統(tǒng)、模擬通信系統(tǒng)，也是無線通信系統(tǒng)。2.按調(diào)制方式分類3.按通信業(yè)務(wù)分類注意點：無論怎樣劃分通信系統(tǒng)，都只是在信號處理和傳輸方式或傳輸介質(zhì)等外在特征上做文章，其通信的實質(zhì)并沒改變，即大量地、快速地、準確地、廣泛地、方便地、經(jīng)濟地、安全地傳送信息。在分析、研究、設(shè)計、搭建和使用一個通信系統(tǒng)時，只要抓住通信的實質(zhì)，就不會被系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、先進的技術(shù)和生澀的技術(shù)術(shù)語所迷惑。二、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形式和信號傳輸方式，它是通信各方在通信實施之前必須首先確定的問題。注意點：二、通信方式通信方式指通信雙方(或多方)之間的工作形根據(jù)不同的標準，通信方式有多種分類法：1、按通信對象數(shù)量的不同，可分為點到點通信(通信在兩個對象之間進行)、點到多點通信(一個對象和多個對象之間的通信)和多點到多點通信三種(多個對象和多個對象之間的通信)。

2、根據(jù)信號傳輸方向與傳輸時間的不同，任意兩點間的通信方式可分為：

單工通信(Simplex)：在任何一個時刻，信號只能從甲方向乙方單向傳輸，甲方只能發(fā)信，乙方只能收信。比如廣播電臺與收音機、電視臺與電視機的通信(點到多點)、遙控玩具、航模(點到點)、尋呼等均屬此類。根據(jù)不同的標準，通信方式有多種分類法：2、根據(jù)信號傳輸方

半雙工通信(Half―Duplex)：在任何一個時刻，信號只能單向傳輸，或從甲方向乙方，或從乙方向甲方，每一方都不能同時收、發(fā)信息。比如對講機、收發(fā)報機等之間的通信。

雙工通信(Full―Duplex)：在任何一個時刻，信號能夠雙向傳輸，每一方都能同時進行收信與發(fā)信工作。比如普通電話、手機。半雙工通信(Half―Duplex)：在任何一個時通信方式示意圖通信方式示意圖3、按通信終端之間的連接方式可劃分為兩點間直通方式和交換方式。

直通方式是通信雙方直接用專線連接；而交換式的通信雙方必須經(jīng)過一個稱為交換機的設(shè)備才能連接起來，如電話系統(tǒng)。4、按數(shù)字信號傳輸?shù)捻樞颍跀?shù)據(jù)通信中(主要指計算機通信)，通信方式又有串行通信與并行通信之分。并行傳輸速度快，但需要多條線路。串行傳輸速度慢，只需要一條線路。5、按同步方式的不同，又分為同步通信和異步通信。視頻：模擬與數(shù)字通信3、按通信終端之間的連接方式可劃分為兩點間直通方式和交換1.4信息及其度量傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。在傳輸過程中，信息是以各種具體的電信號或光信號形式表現(xiàn)出來的。為了對通信系統(tǒng)的性能與質(zhì)量進行定量的分析、研究與評價，就需要對信息進行度量。定義能夠衡量信息多少的物理量叫做信息量，通常用I表示。信息是一個抽象的概念，能否被量化？如何量化？例：信息“明天太陽從東邊出來”和“明天太陽從西邊出來”，后者對信息的受者更有吸引力。1.4信息及其度量傳輸信息是通信系統(tǒng)的根本任務(wù)。在傳輸表明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越感興趣，信息量就越大。顯然，信息量與事件發(fā)生的概率有關(guān)，事件出現(xiàn)的概率越小，信息量就越大；必然事件的概率為1，則它傳遞的信息量就為0。信息量與事件概率之間的關(guān)系式為：P表示某事件發(fā)生的概率，I為從該事件發(fā)生的信息中得到的信息量。如果消息由若干個互相獨立的事件構(gòu)成，則該消息所含信息量等于各獨立事件所含信息量之和。表明信息有量值可言，并且信息所包含的事件越不可發(fā)生，人們就越信息量單位的確定取決于上式中的對數(shù)底a。如果取對數(shù)的底a=2，則信息量的單位為比特(bit)；如果取e為對數(shù)的底，則信息量的單位為奈特(nat)；若取10為底，則信息量的單位稱為十進制單位，或叫笛特(det)。廣泛使用的單位為比特。討論等概率出現(xiàn)的離散消息的度量：若要傳遞的離散消息是在M個消息中獨立地選擇其一，且認為每個消息的出現(xiàn)概率是相同的，則可采用一個M進制的波形進行傳送。也就是說，傳送M個消息之一與傳送M進制波形之一是完全等價的。在等概率出現(xiàn)時，每個波形(或每個消息)的出現(xiàn)概率為1/M，取對數(shù)底為2，則信息量為信息量單位的確定取決于上式中的對數(shù)底a。如果取對數(shù)的底a=2當M=2，即二進制時，I=1，也就是說，每個二進制波形等概率出現(xiàn)時所含信息量是1bit。在數(shù)據(jù)通信(或數(shù)字通信)中，通常取M為2的整數(shù)冪，即M=2k，k是二進制脈沖的數(shù)目，則每個波形等概率出現(xiàn)時所含信息量就是kbit。非等概率的情況:設(shè)離散信息源是一個由n個符號組成的集合，稱符號集。符號集中的每一個符號xi在消息中是按一定概率P(xi)獨立出現(xiàn)的，即符號概率場為當M=2，即二進制時，I=1，也就是說，每個二進制波形等概率且有，則每個符號所含信息量的分別為每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為整個消息的信息量為n為不同符號的個數(shù)；ni代表概率為P(xi)字符的個數(shù)。平均信息量也稱為信息源的熵。bit/符號且有，則每個符號所含例：已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”出現(xiàn)概率為1／3，求出現(xiàn)“1”所含的信息量。

解：由于全概率為1，因此出現(xiàn)“1”的概率為2／3。因此出現(xiàn)“1”的信息量當P(x1)=P(x2)=…=P(xn)=1/n時，平均信息量：為最大值。例：已知二元離散信源只有“0”、“1”兩種符號，若“0”例：已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.001，求英文字母e和z的信息量。

解：e的信息量

z的信息量:例：已知英文字母e和z出現(xiàn)的概率分別為0.105和0.0例：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為

求消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。例：某離散信源由0，1，2，3四種符號組成，其概率場為解：此消息總長為N=57個符號，其中0出現(xiàn)23次(n1=23)，1出現(xiàn)14次(n2=14)，2出現(xiàn)13次(n3=13)，3出現(xiàn)7次(n4=17)。求得此消息總的信息量解：此消息總長為N=57個符號，其中0出現(xiàn)23次(例：求上例中消息的平均信息量。解：每個符號的平均信息量(信源的熵)/符號消息有N=57個符號，所以該消息所含總信息量為I=1.906N≈108.64bit例：求上例中消息的平均信息量。/符號消息有N=57個符號兩種方法求總信息量，結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法不同。隨著消息中符號數(shù)的增加，這種誤差會逐漸減小。不同的離散信息源可能有不同的熵值?？梢宰C明，在信息源的最大熵發(fā)生在每一個符號等概率出現(xiàn)時，即P(xi)=1/n，信息源有最大熵值。關(guān)于連續(xù)消息的信息量可用概率密度來描述。其平均信息量為f(x)是連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。兩種方法求總信息量，結(jié)果略有差異，原因在于兩者平均處理的方法1.5通信系統(tǒng)主要性能指標根據(jù)各種不同的劃分標準，通信系統(tǒng)多種多樣。如何評價一個通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣是選擇和使用一個通信系統(tǒng)所面臨的首要問題。這就需要找出能夠反映通信系統(tǒng)性能的各種技術(shù)指標。信息必須依賴于具體電信號的某項參數(shù)的變化進行傳輸。若參數(shù)變化的速度越快，則單位時間內(nèi)信號所攜帶或傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。定義信息傳輸速率來衡量信息傳輸?shù)目炻挝粫r間傳輸?shù)男畔⒘拷凶鲂畔鬏斔俾?。信息傳輸速率的單位除了基本的比?秒(常記作b/s)外，還有kb/s、Mb/s、Gb/s等，它們之間的關(guān)系為：1kb/s=1024b/s,1Mb/s=1024kb/s,1Gb/s=1024Mb/s。1.5通信系統(tǒng)主要性能指標根據(jù)各種不同的劃分標準，通比如，一個周期電壓方波信號，其幅值變化的頻率為10Hz，即每秒變化10個周期，若給每個周期(兩個碼元)賦予一定的信息量，假設(shè)為2bit，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?0b/s(bitpersecond)；如果有另一個周期電壓信號，其幅值變化的頻率為1000Hz，同樣給每個周期賦予2bit信息量，則該信號傳輸?shù)男畔⑺俾示蜑?000b/s。研究通信系統(tǒng)性能指標是一個非常復(fù)雜的問題，包括的內(nèi)容很多，涉及到通信的有效性、可靠性、標準性、快速性、方便