第1

章緒論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通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

1.1

通信系統(tǒng)的組成

通信就是從一地向另一地傳遞消息。通信的目的是傳遞消息中所包含的信息。信息是消息的內(nèi)涵,即消息中所包含的人們原來不知而待知的內(nèi)容?；谶@種認(rèn)識,“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,如手勢、語言、旌旗、消息樹、烽火臺、金鼓和驛馬傳令,以及現(xiàn)代社會的電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)等,這些都是消息傳遞的方式和信息交流的手段。隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,目前使用最廣泛的通信方式是電通信,簡稱電信,它是利用電信號傳輸信息的通信方式。

如今,在自然科學(xué)領(lǐng)域,凡是涉及“通信”這一術(shù)語時,一般均指“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。本書中討論的通信均指電通信。

1.1.1-通信系統(tǒng)的一般模型

通信系統(tǒng)是指實(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,其一般模型如圖1-1所示,圖中各部分的功能簡述如下:圖1-1-通信系統(tǒng)的一般模型

信息源(簡稱信源)是消息的發(fā)源地,其作用是把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(稱為消息信號或基帶信號)。根據(jù)消息種類的不同,信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源送出的是模擬信號,如麥克風(fēng)(聲音→音頻信號)、攝像機(jī)(圖像→視頻信號);數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號,如電傳機(jī)(鍵盤字符→數(shù)字信號)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端。

發(fā)送設(shè)備的功能是將信源和信道匹配起來,即將信源產(chǎn)生的消息信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。因?發(fā)送設(shè)備涵蓋的內(nèi)容很多,可以是不同的變換器,如放大、濾波、

編碼、調(diào)制、復(fù)用等。

信道是指傳輸信號的物理媒質(zhì),分為有線信道和無線信道。無線信道可以是大氣(自由空間),有線信道可以是明線、電纜、光纖。

噪聲源不是人為加入的設(shè)備,而是信道中的噪聲以及通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。噪聲通常是隨機(jī)的,其形式是多種多樣的,它的存在干擾了正常信號的傳輸。

接收設(shè)備的功能是放大和反變換(如濾波、譯碼、解調(diào)、分路等),其目的是從受到干擾和減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。

受信者(信宿)是消息傳送的目的地,其功能與信源相反,即將復(fù)原的原始電信號還原成相應(yīng)的消息,如揚(yáng)聲器等。

1.1.2模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)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)是連續(xù)變化或不可數(shù)的,如語音、溫度數(shù)據(jù)等。離散消息則是指消息的狀態(tài)是離散的或可數(shù)的,如符號、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等。

電信號是消息的物質(zhì)載體,即把消息寄托在電信號的某一參量(如連續(xù)波的幅度、頻率或相位,脈沖波的幅度、寬度或位置)上。消息與電信號的轉(zhuǎn)換通常由各種傳感器來實(shí)現(xiàn)。

模擬信號是指載荷消息的信號參量取值是連續(xù)(不可數(shù),無窮多)的,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,這里連續(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,如圖1-2(a)所示。模擬信號不一定在時間上也連續(xù),如圖1-2(b)所示的抽樣信號。圖1-2模擬信號波形

數(shù)字信號是指載荷消息的信號參量只存在有限個取值,如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸出的信號等。最典型的數(shù)字信號是只有兩種取值的信號,如圖1-3(a)所示。數(shù)字信號不一定在時

間上也離散,如圖1-3(b)所示的2PSK信號。圖1-3數(shù)字信號波形

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),其模型如圖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。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。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)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng),其模型如圖1-5所示。圖1-5數(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?即通過某種編碼壓縮技術(shù)來減少碼元數(shù)目,以降低數(shù)字信號的碼元速率,因?yàn)榇a元速率決定了信號占用的傳輸帶寬,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。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,受噪聲、衰落以及人為干擾等,將會產(chǎn)生差錯。為了降低差錯,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),組成所謂的“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)的抗干擾能力,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)原來的信息。

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?；镜臄?shù)字調(diào)制方式有振幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)、差分相

位鍵控(DPSK)。在接收端可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)將頻帶信號還原為數(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)或匹配濾波器接收機(jī)。

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。按照功用不同,同步可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。

3.數(shù)字通信的主要特點(diǎn)

模擬通信和數(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。與模擬通信相比,數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)抗干擾能力強(qiáng),且可消除噪聲積累。

(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?/p>

(3)易于與各種數(shù)字終端接口,用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、變換、存儲。

(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。

數(shù)字通信的主要缺點(diǎn)是可能需要較大的帶寬。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,以及窄帶調(diào)制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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。因此,數(shù)字通信的應(yīng)用會越來越廣泛。

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)可分為話務(wù)通信系統(tǒng)和非話務(wù)通信系統(tǒng)。話務(wù)通信在電信領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位,非話務(wù)通信近年來發(fā)展迅速。非話務(wù)通信主要有分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、計(jì)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。由于電話通信網(wǎng)最為發(fā)達(dá)和普及,因而其他通信常常借助于公用電話通信進(jìn)行。

2.按調(diào)制方式分類

根據(jù)是否采用調(diào)制,通信系統(tǒng)可分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶(載波調(diào)制)傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斒侵笇⑽唇?jīng)調(diào)制的信號直接傳送,如市內(nèi)電話、有線廣播。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)地通信系統(tǒng)可分成模擬通信系統(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。

5.按工作波段分類

按通信設(shè)備的工作頻率不同,通信系統(tǒng)可分為長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)紅外線通信系統(tǒng)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。

6.按信號復(fù)用方式分類

在同一個信道中同時傳輸多路信號的基本復(fù)用方式有頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分用。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。

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)系不同,通信方式可分為單工、半雙工及全雙工三種。

單工通信,是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?它只占用一個信道,如圖1-6(a)所示。廣播、遙測、遙控、無線尋呼等就是單工通信的例子。圖1-6單工、半雙工和全雙工通信方式示意圖

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。

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。一般情況下全雙工通信的信道必須是雙向信道,如圖1-6(c)所示。

2.按數(shù)字信號排列順序分

在數(shù)字通信中,按數(shù)字信號碼元排列的順序不同,通信方式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)字碼元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。

串行傳輸是數(shù)字碼元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)字通信都采用這種方式。此外,通信方式還可以按通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分圖1-7并行和串行通信方式示意圖

1.3信息及其度量

首先,讓我們從常識的角度來感覺三條消息:①太陽從東方升起;②太陽比往日大兩倍;③太陽將從西方升起。第一條幾乎沒有帶來任何信息,第二條帶來了大量信息,第三條帶來的信息多于第二條。究其原因,第一條消息是一個必然事件,不足為奇;第三條消息幾乎不可能發(fā)生,它使人感到驚奇和意外,也就是說,它帶來更多的信息。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)測性的結(jié)果。越是不可預(yù)測的事件,越會使人感到驚奇,帶來的信息也就越多。

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?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)是一條消息發(fā)生的概率,I是從該消息獲得的信息量,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

(2)P(x)越小,I越大;反之,I越小,即

(3)若干個互相獨(dú)立的事件構(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

綜上所述,信息量I與消息發(fā)生的概率P(x)之間的關(guān)系應(yīng)為

【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。

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

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(1.33)可改寫為

式中,K是二進(jìn)制脈沖數(shù)目。也就是說,傳送每一個M(M=2

K)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。

【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。試求消息201020130213001203210100

321010023102002010312032100120210的信息量。

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)制形式表示而不失其主要內(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(jì)算同樣適用于連續(xù)信號。

1.4通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

通信的任務(wù)是快速、準(zhǔn)確地傳遞信息。因此,評價(jià)一個通信系統(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。這兩個問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一,通常還可以進(jìn)行互換。

1.傳輸速率

碼元傳輸速率RB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),簡記為Bd。

數(shù)字信號有多進(jìn)制