《通信原理》課件1第一章

第1章緒論1.1現(xiàn)代通信概述1.2通信系統(tǒng)的組成1.3數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點(diǎn)1.4通信分類、通信方式與傳輸方式1.5信息及其度量1.6通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

1.1現(xiàn)代通信概述

自古以來，人們就對(duì)通信問題進(jìn)行了廣泛的研究。例如，我國(guó)古代的“烽火告警”是一種最早的快速和遠(yuǎn)距離傳遞信息的方式。隨著電報(bào)、電話和電視的發(fā)明，通信技術(shù)的發(fā)展日新月異。特別是電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，大大提高了人們處理信息、存儲(chǔ)信息及控制和管理信息的能力。

20世紀(jì)后半葉，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)，激光技術(shù)、衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信技術(shù)、航空航天技術(shù)、廣播電視技術(shù)、多媒體技術(shù)、新能源技術(shù)和新材料技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是近年來以計(jì)算機(jī)為主體的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和發(fā)展，使通信技術(shù)得到了前所未有的迅速發(fā)展。通信技術(shù)的發(fā)展從1832～1835年摩爾斯發(fā)明有線電報(bào)和1876年貝爾發(fā)明有線電話技術(shù)開始算起，迄今已有100多年的歷史。20世紀(jì)70年代以來，由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路在通信領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合，使得通信領(lǐng)域中的各個(gè)分支均得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)代通信的主要目的是有效而可靠地傳輸信息。從信息論的角度來看，通信的過程本質(zhì)上是隨機(jī)過程。如果通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)都是確定性信號(hào)，接收者就不可能獲取任何新的信息，也就失去了通信的意義。但一直到20世紀(jì)30年代末，人們?cè)诶碚撗芯可先匀粚⑼ㄐ诺倪^程看成是一個(gè)確定性的過程，這顯然是不符合實(shí)際情況的，主要原因是當(dāng)時(shí)所依賴的數(shù)學(xué)工具是經(jīng)典的傅里葉分析方法，它是有局限的。1948年6月和10月，香農(nóng)在貝爾實(shí)驗(yàn)室出版的《貝爾系統(tǒng)技術(shù)》雜志上發(fā)表了兩篇有關(guān)“通信的數(shù)學(xué)理論”的論文。在這兩篇論文中，他用概率測(cè)度和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法系統(tǒng)地討論了通信的基本問題，對(duì)信息的度量——熵以及信道容量作了嚴(yán)格的定義，得出了幾個(gè)重要而帶有普遍意義的結(jié)論，并由此奠定了現(xiàn)代通信的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代通信理論與技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。

1.2通信系統(tǒng)的組成

通信的主要目的是有效而可靠地傳輸消息，這些消息可以是語言、文字、符號(hào)、數(shù)據(jù)或是圖像這些表征媒體的集合。這些消息在通信系統(tǒng)中是被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的形式傳送的。電信號(hào)是電壓、電流或電磁場(chǎng)等物理量與消息內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的變化形式，我們簡(jiǎn)稱為信號(hào)，它可以用以時(shí)間t為自變量的某一函數(shù)關(guān)系來表示。因此在通信系統(tǒng)中必須有將這些消息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的裝置，我們稱之為信源，在接收端完成相反功能的裝置則稱為信宿。

通信的主要目的是有效而可靠地傳輸消息，這些消息可以是語言、文字、符號(hào)、數(shù)據(jù)或是圖像這些表征媒體的集合。這些消息在通信系統(tǒng)中是被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的形式傳送的。電信號(hào)是電壓、電流或電磁場(chǎng)等物理量與消息內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的變化形式，我們簡(jiǎn)稱為信號(hào)，它可以用以時(shí)間t為自變量的某一函數(shù)關(guān)系來表示。因此在通信系統(tǒng)中必須有將這些消息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的裝置，我們稱之為信源，在接收端完成相反功能的裝置則稱為信宿。

信號(hào)傳輸需要通過信道。狹義信道指的是傳輸媒介，如電纜、光纖、無線電波傳播的空間等。因此，信道也是通信系統(tǒng)構(gòu)成中的一部分。此外，在信道中還會(huì)引入噪聲。

為了使信號(hào)能夠適應(yīng)信道的特性，順利地傳送并實(shí)現(xiàn)有效的、高質(zhì)量的通信，在發(fā)送端及接收端均需要有相應(yīng)的發(fā)送和接收設(shè)備。針對(duì)不同的信道特性，相應(yīng)的收發(fā)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)手段是不同的。不同通信系統(tǒng)的差異往往很大，這樣便形成了各種不同的通信系統(tǒng)及不同的技術(shù)體制。但不管什么樣的通信系統(tǒng)，它們都有著共同的通信原理以及許多相同的基本技術(shù)。

1.2.1模擬通信系統(tǒng)的組成

傳輸與處理模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，其組成框圖如圖1-1所示。

1.2.2數(shù)字通信系統(tǒng)的組成

傳輸與處理數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，其組成框圖如圖1-2所示。

從結(jié)構(gòu)上看，數(shù)字通信系統(tǒng)要比模擬通信系統(tǒng)復(fù)雜一些。數(shù)字通信系統(tǒng)通常具有信源編碼、信道編碼及相應(yīng)的譯碼部分。信源編碼的主要功能是將模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行編碼，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼信號(hào)。圖1-1模擬通信系統(tǒng)圖1-2數(shù)字通信系統(tǒng)

所謂信道編碼，是指數(shù)字信號(hào)為了適應(yīng)信道的傳輸特性，達(dá)到高效可靠的傳輸而進(jìn)行的相應(yīng)的信號(hào)處理過程。屬于信道編碼范疇的技術(shù)有數(shù)字信號(hào)的差錯(cuò)控制編碼及擴(kuò)頻編碼，此外，還有用于通信保密的加密編碼與解密譯碼等部分。

在實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)中，圖1-2所示的各部分不一定都是必須具備的。比如有的數(shù)字通信系統(tǒng)不特別強(qiáng)調(diào)安全及抗干擾性能，則該系統(tǒng)中就可能沒有加密編、譯碼與信道編、譯碼部分；有的信源原本就是數(shù)字終端，也就不需要信源編碼這一部分；對(duì)于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，數(shù)字編碼信號(hào)是未經(jīng)調(diào)制而直接送入信道的，因此沒有數(shù)字調(diào)制解調(diào)部分。1.2.3模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)

模擬通信和數(shù)字通信在目前的應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)際上是共存的，由此構(gòu)成了模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)，如圖1-3所示。圖1-3模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)

1.3數(shù)字通信的主要優(yōu)缺點(diǎn)

1.3.1主要優(yōu)點(diǎn)

與模擬通信相比，數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:

(1)抗干擾能力強(qiáng);

(2)可糾錯(cuò)編碼;

(3)便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ);

(4)便于加密;

(5)便于數(shù)字信號(hào)處理。其中，抗干擾能力強(qiáng)是數(shù)字信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)在中繼或接收端利用判決系統(tǒng)進(jìn)行判“1”或判“0”，以實(shí)現(xiàn)整形和再生，只要干擾不是太大，就能恢復(fù)出原信號(hào)。而模擬信號(hào)由于是連續(xù)信號(hào)，因此一般較難恢復(fù)。

用判決系統(tǒng)恢復(fù)原數(shù)字信號(hào)的判決方法是：若信號(hào)電平大于判決電平，則判為“1”，若信號(hào)電平小于判決電平，則判為“0”，只要干擾不是太大，沒有超出判決電平的范圍，就能完全恢復(fù)出原數(shù)字信號(hào)，如圖1-4所示。圖中左邊顯示出了數(shù)字信號(hào)恢復(fù)的情況，右邊則說明了模擬信號(hào)受到干擾后，要完全恢復(fù)出原信號(hào)是比較困難的。圖1-4數(shù)字信號(hào)的抗干擾圖示1.3.2主要缺點(diǎn)

與模擬通信相比，數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：

(1)占用較寬的頻帶；

(2)需要較嚴(yán)格的定時(shí)與同步。

數(shù)字信號(hào)及其帶寬、模擬信號(hào)及其帶寬、取樣信號(hào)及其編碼的情況如圖1-5所示。

根據(jù)圖1-5可知，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)（假設(shè)采用三位編碼）的碼元寬度為圖1-5數(shù)字信號(hào)及其帶寬、模擬信號(hào)及其帶寬、取樣信號(hào)及其編碼的圖示則數(shù)字信號(hào)的帶寬為

若采用N位編碼，則其帶寬為

Bd=N×2fm=2Nfm

例如，設(shè)語音信號(hào)的帶寬為fm=4kHz，將其數(shù)字化后，采用8位編碼，即i=8，則其相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的帶寬為

Bd=2Nfm=16fm=2×8×4=64kHz

即數(shù)字信號(hào)的帶寬是相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)帶寬的16倍。

1.4通信分類、通信方式與傳輸方式

1.4.1通信分類

通信主要按以下幾種分類：1.4.2通信方式

通信方式可分為單工通信方式、半雙工通信方式、全雙工通信方式3種。

1．單工通信方式

單工通信是指消息只能單方向進(jìn)行傳送的一種通信工作方式(如圖1-6所示)，例如目前的廣播、電視等。

2．半雙工通信方式

半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)信息，但接收和發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行（如圖1-7所示），如對(duì)講機(jī)，收發(fā)報(bào)機(jī)等都是這種通信方式。圖1-6單工通信方式圖1-7半雙工通信方式

3．全雙工通信方式

全雙工通信是指通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸信息的工作方式，例如，普通電話和手機(jī)等。圖1-8給出了全雙工通信方式的示意圖。圖1-8全雙工通信方式1.4.3傳輸方式

傳輸方式主要有并行傳輸與串行傳輸兩種。圖1-9為這兩種傳輸方式的示意圖，圖1-10為利用串/并和并/串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)并行傳輸?shù)氖疽鈭D，圖1-11為利用串/并和并/串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)串行傳輸?shù)氖疽鈭D。圖1-9串行與并行傳輸示意圖圖1-10利用串/并和并/串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)并行傳輸?shù)氖疽鈭D圖1-11利用串/并和并/串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)串行傳輸?shù)氖疽鈭D

1.5信息及其度量

1.5.1信息的度量

根據(jù)香農(nóng)(Shannon)信息理論，信息是可進(jìn)行定量描述的。信息量的大小與事件出現(xiàn)的概率有關(guān)，有如下規(guī)律：

（1）信息量I是事件出現(xiàn)概率P(x)的函數(shù)，即

I=I［P(x)］（1-1）

（2）事件出現(xiàn)的概率越小，信息量越大，反之亦然。

（3）信息量滿足疊加性，即

I=I［P1(x)P2(x)…Pn(x)］

=I［P1(x)］+I［P2(x)］+…+I［Pn(x)］（1-2）根據(jù)以上3點(diǎn)，可得信息量的定量表達(dá)式為（1-3）

下面舉例來說明信息量的計(jì)算方法。

【例1.1】計(jì)算等概二進(jìn)制和M進(jìn)制傳輸時(shí)每個(gè)符號(hào)的信息量。

解對(duì)于等概二進(jìn)制傳輸，有得若M=4，則I=2bit；若M=8，則I=3bit。

【例1.2】計(jì)算非等概二進(jìn)制傳輸時(shí)每個(gè)符號(hào)的信息量。

解設(shè)P(1)=P，i(0)=1－P，則

I(1)=－lbP(bit)

I(0)=－lb(1－P)(bit)1.5.2平均信息量

設(shè)符號(hào)概率空間為并且滿足完備集則平均信息量為(1-4)

【例1.3】設(shè)由5個(gè)符號(hào)組成的信源的概率空間為試求該信源的平均信息量。

解

【例1.4】一信息源由4個(gè)符號(hào)A、B、C、D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)都是獨(dú)立出現(xiàn)的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABCADCBABAADCBABAACDBACAACABADBCAD

CBAABCACBA時(shí)的信息量。

解方法一：用符號(hào)出現(xiàn)的頻度來計(jì)算。

在信源輸出的序列中，A出現(xiàn)23次，B出現(xiàn)14次，C出現(xiàn)13次，D出現(xiàn)7次，共有57次，則出現(xiàn)A所提供的信息量為出現(xiàn)B所提供的信息量為出現(xiàn)C所提供的信息量為出現(xiàn)D所提供的信息量為因此，該信源提供的總的信息量為I=I(A)+I(B)+I(C)+I(D)=107.36(bit)

由此還可計(jì)算出每一個(gè)符號(hào)的平均信息量為

方法二：用符號(hào)出現(xiàn)的概率來計(jì)算。因此，總的信息量為

從以上方法可以看出，方法二顯然準(zhǔn)確，而方法一只是一個(gè)近似結(jié)果，只有當(dāng)符號(hào)總數(shù)m→∞時(shí)，方法一才能和方法二的結(jié)果相同。但從另一方面看，方法一是一種較常用的近似方法，應(yīng)該掌握。

1.6通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)有多個(gè)性能指標(biāo)，其中有效性和可靠性是兩個(gè)最為重要的指標(biāo)，而它們往往又是矛盾的，不可兼得。研究通信系統(tǒng)的目標(biāo)就是使有效性和可靠性達(dá)到最優(yōu)化。

1.6.1數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)可用傳輸速率來衡量。傳輸速率越高，則有效性越好。通常從以下3個(gè)不同的角度來定義傳輸速率。

1．碼元傳輸速率RB

碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、數(shù)碼率、傳碼率、碼率、信號(hào)速率或波形速率，用符號(hào)RB來表示。碼元速率是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特(Baud)，常用符號(hào)“B”表示(注意,不能用小寫)。例如,某系統(tǒng)在2秒內(nèi)共傳送4800個(gè)碼元，則系統(tǒng)的傳碼率為2400B。

數(shù)字信號(hào)一般有二進(jìn)制與多進(jìn)制之分，但碼元速率RB與信號(hào)的進(jìn)制無關(guān)，只與碼元寬度Tb有關(guān)，如圖1-12所示。圖1-12碼元速率RB與進(jìn)制無關(guān)通常在給出系統(tǒng)碼元速率時(shí)，有必要說明碼元的進(jìn)制，多進(jìn)制(N)碼元速率RBN與二進(jìn)制碼元速率RB2之間，在保證系統(tǒng)信息速率不變的情況下相互可以轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

RB2=RBN·lbN(B)(1-5)

上式說明，在傳送相同信息(即信息速率不變)的情況下，二進(jìn)制的碼率RB2是N進(jìn)制的碼率RBN的logN倍，或者說，在傳送相同信息的情況下，二進(jìn)制所需帶寬是N進(jìn)制所需帶寬的logN倍。

2.信息傳輸速率Rb

信息傳輸速率簡(jiǎn)稱信息速率，又可稱為傳信率、比特率等。用符號(hào)Rb表示。Rb是指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳送的信息量，單位為比特/秒(bit/s)，簡(jiǎn)記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內(nèi)傳送1200個(gè)符號(hào)，且每個(gè)符號(hào)的平均信息量為1bit，則該信源的Rb=1200b/s或1200bps。由于信息量與進(jìn)制N有關(guān)，因此信息傳輸速率Rb也與N有關(guān)。

3．信息傳輸速率Rb與碼元傳輸速率RB之間的互換

(1)在二進(jìn)制中，碼元速率RB2與信息速率Rb2在數(shù)值上相等，但單位不同。

(2)在多進(jìn)制中，RBN與RbN在數(shù)值上不相等，單位也不相同，它們之間在數(shù)值上滿足

RbN=RBN·lbN(1-6)

(3)在碼元速率保持不變的情況下，二進(jìn)制信息速率Rb2與多進(jìn)制信息速率RbN的關(guān)系為(1-7)

4．頻帶利用率η

頻帶利用率指的是傳輸效率問題，也就是說，我們不僅關(guān)心通信系統(tǒng)的傳輸速率，還要看在這樣的傳輸速率下所占用的信道頻帶寬度是多少。如果頻帶利用率高，說明通信系統(tǒng)的傳輸效率高，反之亦然。

頻帶利用率的一種定義是單位頻帶內(nèi)信息傳輸速率的大小，即(1-8)二進(jìn)制與N進(jìn)制的頻帶利用率的關(guān)系如下：

(1)若在碼元速率相同的情況下，二進(jìn)制與N進(jìn)制的頻帶相同，均為B，但N進(jìn)制的信息速率RbN是二進(jìn)制信息速率Rb2的lbN倍。根據(jù)公式(1-8)可得N進(jìn)制的頻帶利用率是二進(jìn)制的頻帶利用率的lbN倍。

(2)若在信息速率相同的情況下，二進(jìn)制與N進(jìn)制的信息速率相同，但是二進(jìn)制的頻帶則為N進(jìn)制頻帶的lbN倍。根據(jù)公式(1-8)，同樣得N進(jìn)制的頻帶利用率是二進(jìn)制的頻帶利用率的lbN倍。因此，不論從哪個(gè)角度去分析，我們可得出如下結(jié)論：N進(jìn)制的頻帶利用率是二進(jìn)制的頻帶利用率的lbN倍。也就是說，傳送N進(jìn)制的有效性是傳送二進(jìn)制的有效性的lbN倍，從這個(gè)角度來說，我們希望通過傳送N進(jìn)制來提高通信的有效性。

但通信系統(tǒng)的有效性和可靠性是一對(duì)矛盾，不可兼得。提高了有效性，必然會(huì)降低可靠性。傳送二進(jìn)制要比