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)第1章緒論1.1.1通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)的作用就是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術(shù)設(shè)備(包括信道)的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1-1所示。1.1

通信系統(tǒng)的組成圖1–1通信系統(tǒng)的一般模型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，如語音、活動圖片等。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、數(shù)據(jù)等。消息的傳遞是通過它的物質(zhì)載體——電信號來實(shí)現(xiàn)的，即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續(xù)波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。按信號參量的取值方式不同可把信號分為兩類，即模擬信號和數(shù)字信號。凡信號參量的取值連續(xù)(不可數(shù),無窮多),則稱為模擬信號。如電話機(jī)送出的語音信號、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號等。模擬信號有時也稱連續(xù)信號,這個連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化,或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值,而不一定在時間上也連續(xù),如圖1-2(b)所示的抽樣信號。凡信號參量只可能取有限個值,則稱為數(shù)字信號。如電報信號、計算機(jī)輸入輸出信號等。數(shù)字信號有時也稱離散信號,這個離散是指信號的某一參量是離散變化的,而不一定在時間上也離散,如圖1-3(b)所示的2PSK信號。圖1–2模擬信號波形

(a)連續(xù)信號;(b)抽樣信號

圖1-3數(shù)字信號波形

(a)二進(jìn)制波形；(b)2PSK波形1.模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng),如圖1-4所示。我們知道,信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號,基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始,如語音信號為300~3400Hz,圖像信號為0~6MHz。由于這種信號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變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?并在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換的通常是調(diào)制器和解調(diào)器。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特征:一是攜帶有信息,二是適合在信道中傳輸,三是信號的頻譜通常具有帶通形式,因而已調(diào)信號又稱帶通信號或頻帶信號。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、基帶信號與頻帶信號之間的兩種變換,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。由于以上兩種變換對信號的變化起決定性作用,而其他過程對信號不會發(fā)生質(zhì)的變化,因此,本書中關(guān)于模擬通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是:調(diào)制與解調(diào)原理以及噪聲對信號傳輸?shù)挠绊?詳見第4章)。圖1-4模擬通信系統(tǒng)模型

2．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型

1)信源編碼與譯碼信源編碼的作用之一是提高信息傳輸?shù)挠行?即通過某種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來減少信息的冗余度(減少信息碼元數(shù)目)和降低數(shù)字信號的碼元速率。因?yàn)榇a元速率將決定傳輸帶寬,而傳輸帶寬反映了通信的有效性。作用之二是完成模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換,即把來自模擬信源的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,以實(shí)現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸(詳見第6章)。信源譯碼是信源編碼的逆過程。

2)信道編碼與譯碼數(shù)字信號在信道傳輸時,由于噪聲、衰落以及人為干擾等,將會引起差錯。為了減小差錯,信道編碼器對傳輸?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)錯誤或糾正錯誤,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)制品對收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密,恢復(fù)原來信息。

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。基本的數(shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、絕對相移鍵控PSK、相對(差分)相移鍵控DPSK。對這些信號可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)還原為數(shù)字基帶信號。對高斯噪聲下的信號檢測,一般用相關(guān)器接收機(jī)或匹配濾波器。數(shù)字調(diào)制是本教材的重點(diǎn)內(nèi)容之一,將分別在第7章和第9章中討論。

5)同步同步是保證數(shù)字通信系統(tǒng)有序、準(zhǔn)確、可靠工作的前提條件。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。需要說明的是,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1-5中的所有環(huán)節(jié),如在某些有線信道中,數(shù)字基帶信號無需調(diào)制就可以直接傳送,稱之為數(shù)字信號的基帶傳輸,其模型中就不包括調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié),詳見第5章。圖1–5數(shù)字通信系統(tǒng)模型

3.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)代社會對通信技術(shù)越來越高的要求,其特點(diǎn)是:

(1)抗干擾能力強(qiáng),且噪聲不積累。以二進(jìn)制為例,數(shù)字信號的取值只有兩個,這樣接收端只需判別兩種狀態(tài)。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾,必然會發(fā)生波形畸變,接收端對其進(jìn)行抽樣判決,以辨別是兩個狀態(tài)中的哪一個。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，它要求接收機(jī)能夠高度保真地重現(xiàn)信號波形，如果模擬信號疊加上噪聲后，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，各中繼站可利用數(shù)字通信特有的判決再生接收方式，對數(shù)字信號波形進(jìn)行整形再生而消除噪聲積累。

（2）差錯可控。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＃?）易于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲，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)20～60kHz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，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)、計算機(jī)通信、數(shù)據(jù)庫檢索、電子信箱、電子數(shù)據(jù)交換、傳真存儲轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及會議電視、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統(tǒng)一的通信網(wǎng)中傳輸。此外，還有遙測、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。基帶傳輸是將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳送，如音頻市內(nèi)電話。頻帶傳輸是對各種信號調(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。

3．按信號特征分類

按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，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．按工作波段分類按通信設(shè)備的工作頻率不同可分為長波通信、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。工作波長和頻率的換算公式為式中，λ為工作波長，

f為工作頻率，

c為光速。（1.2-1）

6．按信號復(fù)用方式分類

傳輸多路信號有三種復(fù)用方式，即頻分復(fù)用、時分復(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占據(jù)不同的頻率范圍；時分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號占據(jù)不同的時間區(qū)間；碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。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。1.2.2通信方式

1．按消息傳遞的方向與時間關(guān)系分對于點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關(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?，因此只占用一個信道，如圖1-6(a)所示。廣播、遙測、遙控、無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，使用同一載頻的對講機(jī)，收發(fā)報機(jī)以及問詢、檢索、科學(xué)計算等數(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)字信號排列順序分

在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號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接一個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)串行傳輸根據(jù)概率論知識，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述?？赡苄栽叫。怕试叫?；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：1.3信息及其度量

（1）信息量是概率的函數(shù)，即

I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且

P(x)→1時，

I→0

P(x)→0時，I→∞

（3）若干個互相獨(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，信息具有相加性，即

I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(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

(1.3-1)

信息量的單位與對數(shù)底數(shù)a有關(guān)。a=2時，信息量的單位為比特(bit)；a=e時，信息量的單位為奈特(nit)；a=10時，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。

[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，則信源每個輸出的信息含量為可見，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，這時每一個四進(jìn)制波形需要用2個二進(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，這時至少需要3個二進(jìn)制脈沖。(1.3-2)綜上所述，對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發(fā)送，且每一個波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為

(1.3-3)式中，P為每一個波形出現(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=lb2K=K(bit)

(1.3-4)式中,K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目，也就是說，傳送每一個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)離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號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-lbP(x1),-lbP(x2)，…，-lbP(xn)。于是，每個符號所含信息量的統(tǒng)計平均值，即平均信息量為

H(x)=P(x1)［lbP(x1)］+P(x2)［lbP(x2)］

+…+P(xn)［lbP(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。

【例1-2】

一離散信源由0，1，2，3四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8,1/4,1/4,1/8，且每個符號的出現(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個符號，故該消息的信息量為每個符號的算術(shù)平均信息量為若用熵的概念來計算，由式（1.3-5）得則該消息的信息量為I=57×1.906=108.64(bit)可見，兩種算法的結(jié)果有一定誤差，但當(dāng)消息很長時，用熵的概念來計算比較方便。而且隨著消息序列長度的增加，兩種計算誤差將趨于零。以上我們介紹了離散消息所含信息量的度量方法。對于連續(xù)消息，信息論中有一個重要結(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：一個頻帶受限的連續(xù)信號，可以用每秒一定數(shù)目的抽樣值代替。而每個抽樣值可以用若干個二進(jìn)制脈沖序列來表示。因此，以上信息量的定義和計算同樣適用于連續(xù)信號。

1.傳輸速率

碼元傳輸速率RBd簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為Bd。例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400Bd。數(shù)字信號有多進(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元長度TS有關(guān):1.4主要性能指標(biāo)(1.4-1)

通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的進(jìn)制。由于M進(jìn)制的一個碼元可以用lbM個二進(jìn)制碼元來表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進(jìn)制的碼元速率RBdM與二進(jìn)制的碼元速率RBd2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

RBd2=RBdMlbM(Bd)

信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳