第1章　緒論［視頻講解］

1.1　本章要點詳解

本章要點

■通信的基本概念

■通信系統的組成

■通信系統分類與通信方式

■信息及其度量

■通信系統主要性能指標

重難點導學

視頻二維碼（掃碼觀看）

一、通信的基本概念

1．通信的目的

傳遞消息中所包含的信息。

2．消息

消息是物質或精神狀態的一種反映，例如語音、文字、音樂、數據、圖片或活動圖像等。

3．信息

信息是消息中包含的有效內容。

4．實現通信的方式和手段

實現通信的方式和手段分為非電的方式和電的方式。

（1）非電的方式有旌旗、消息樹、烽火臺等。

（2）電的方式包括電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網和計算機通信等。

5．電信發明史

1837年：莫爾斯發明有線電報。

1876年：貝爾發明有線電話。

1918年：調幅無線電廣播、超外差接收機問世。

1936年：商業電視廣播開播。

6．通信范疇

后面講述中，“通信”這一術語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。

7．信號

（1）性質

信號是消息的載體。

（2）分類

信號分為數字信號和模擬信號。

①數字信號

消息攜帶在電信號的某一參量上，該參量是離散取值的，則稱該電信號稱為數字信號。

②模擬信號

代表消息的信號參量取值連續，則稱該電信號稱為模擬信號。

視頻二維碼（掃碼觀看）

二、通信系統的組成

1．通信系統的一般模型

圖1-1  通信系統一般模型

（1）噪聲源

集中表示分布于通信系統中各處的噪聲。

（2）接收設備

從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。

（3）受信者（信宿）

把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器等。

（4）信息源(簡稱信源)

①定義

把各種消息轉換成原始電信號,如麥克風。

②分類

信源可分為模擬信源和數字信源。

（5）發送設備

產生適合于在信道中傳輸的信號。

（6）信道

①定義

將來自發送設備的信號傳送到接收端的物理媒質。

②分類

信道分為有線信道和無線信道兩大類。

2．模擬通信系統模型和數字通信系統模型

（1）模擬信號

代表消息的信號參量取值連續，例如麥克風輸出電壓。

（a）話音信號（b）抽樣信號

圖1-2  模擬信號

（2）數字信號

代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號。

（a）二進制信號（b）2PSK信號

圖1-3  數字信號

（3）模擬通信系統

①定義

利用模擬信號來傳遞信息的通信系統，系統模型如圖1-4所示。

圖1-4  模擬通信系統模型

②兩種變換

a．消息?基帶信號，完成這種變換和反變換的設備是信源和信宿；

b．基帶信號?已調信號，完成這種變換和反變換的設備通常是調制器和解調器。

（4）數字通信系統

①定義

利用數字信號來傳遞信息的通信系統。系統模型如圖1-5所示。

圖1-5  數字通信系統模型

②信源編碼與譯碼目的

a．提高信息傳輸的有效性，即通過某種數據壓縮技術設法減少碼元數目和降低碼元速率；

b．完成模/數轉換。

③加密與解密目的

保證所傳信息的安全。

④信道編碼與譯碼目的

增強抗干擾能力。

⑤數字調制與解調目的

形成適合在信道中傳輸的帶通信號。

⑥同步目的

使收發兩端的信號在時間上保持步調一致。

說明：圖1-5是數字通信系統的一般化模型，實際的數字通信系統不一定包括圖中的所有環節，例如數字基帶傳輸系統（詳見第6章）中，無需調制和解調；有的環節，由于分散在各處，圖1-5中也沒有畫出，例如同步。此外，模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統中傳輸。

3．數字通信的特點

（1）優點

①抗干擾能力強，且噪聲不累積；

②傳輸差錯可控；

③便于處理、變換、存儲；

④將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸；

⑤易于集成，使通信設備微型化，重量輕；

⑥易于加密處理，且保密性好。

（2）缺點

①占用較大的傳輸帶寬；

②對同步要求高。

視頻二維碼（掃碼觀看）

三、通信系統分類與通信方式

1．通信系統的分類

通信系統的類別可從不同的角度來劃分，如表1-1所示。

表1-1  通信系統的分類

2．通信方式

通信方式是指通信的雙方(或多方)之間的工作方式，其常見分類如表1-2所示。

表1-2  通信方式的分類

（1）按消息傳遞的方向與時間關系分類

①單工通信：消息只能單方向傳輸的工作方式。如圖1-6所示。

圖1-6  單工通信

②半雙工通信：指通信雙方都能收發消息，但不能同時收發的工作方式。如圖1-7所示。

圖1-7  半雙工通信

③全雙工通信：通信雙方可同時進行收發消息的工作方式。如圖1-8所示。

圖1-8  全雙工通信

（2）按數據代碼排列的時序分類

①并行傳輸

a．定義

將代表信息的數字信號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。

圖1-9  并行傳輸

b．優點

第一，節省傳輸時間，速度快；

第二，不需要字符同步措施。

c．缺點

需要n條通信線路，成本高。

②串行傳輸

a．定義

將數字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸。

圖1-10  串行傳輸

b．優點

只需一條通信信道，節省線路鋪設費用。

c．缺點

速度慢，需要外加碼組或字符同步措施。

（3）其他分類方式

①同步通信和異步通信；

②專線通信和網通信。

注意：一種通信方式可以具有多種類型，如廣播電視既是一種單工通信方式，也是一種點到多點的通信方式。

視頻二維碼（掃碼觀看）

四、信息及其度量

1．信息

信息是指消息中包含的有效內容。

2．信息量

傳輸信息的多少由信息量來衡量。

3．信息量與消息發生的概率的關系

消息出現的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。

4．公式

（1）信息量

其中，為消息發生的概率，I為消息中所含的信息量。

信息量的單位和對數的底a有關。如果a＝2，則信息量的單位為比特(bit),可簡記為b；如果a＝e，則信息量的單位為奈特(nat)；如果a=10，則信息量的單位為哈特萊（Hartley)。通常廣泛使用的單位為比特。在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特。

（2）信息源的熵

設信源輸出n個統計獨立的符號，它們出現的概率分別是，則信源中每個符號的平均信息量計算公式為

假設信源中有M個符號，當信息源的每個符號等概率出現時，信源具有最大的熵為

視頻二維碼（掃碼觀看）

五、通信系統主要性能指標

通信系統的主要性能指標包括有效性、可靠性。

1．有效性

（1）定義

指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸的“速度”問題。

（2）度量方式

①模擬通信系統

可用有效傳輸頻帶來度量；傳送同樣的消息所需的帶寬越小，通信的有效性就越好。

②數字通信系統

用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。

a．碼元傳輸速率R_B

單位時間（每秒）傳送碼元的數目，單位為波特（Baud），簡記為B。

式中T為碼元的持續時間（秒）。

b．信息傳輸速率R_b

單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps。

c．碼元速率和信息速率的關系

d．頻帶利用率

單位帶寬（1赫茲）內的傳輸速率。即

2．可靠性

（1）定義

指接收信息的準確程度，也就是傳輸的“質量”問題。

（2）度量方式

①模擬通信系統

可用接收端最終輸出信噪比來度量。

②數字通信系統

常用誤碼率和誤信率表示。

a．誤碼率

誤碼率越低，則數字通信系統的可靠性越高。

b．信率(誤比特率)P_b

c．誤碼率和誤信率的關系

二進制時，有；M進制時，有。