第1章　緒　論

1.1　復(fù)習(xí)筆記

一、通信的基本概念

1．通信的發(fā)展

（1）通信的概念

通信是發(fā)送者（人或機(jī)器）和接收者之間通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。

（2）通信的發(fā)展歷程

①1837年，莫爾斯發(fā)明有線(xiàn)電報(bào)。

②1876年，貝爾發(fā)明電話(huà)。

③1918年，調(diào)幅無(wú)線(xiàn)電廣播問(wèn)世。

④1936年，商業(yè)電視廣播開(kāi)播。

⑤1983年，蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)（蜂窩網(wǎng)）在美國(guó)投入商業(yè)使用。

⑥1983年，美國(guó)國(guó)防部將阿帕網(wǎng)分為軍網(wǎng)和民網(wǎng)，后者逐漸發(fā)展為今天的因特網(wǎng)。

2．消息、信息與信號(hào)

（1）消息

①消息的定義

消息是指通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象，它是信息的載體。

②消息的分類(lèi)

連續(xù)消息：消息的狀態(tài)連續(xù)變化或不可數(shù)，如語(yǔ)音、溫度數(shù)據(jù)等。

離散消息：消息具有可數(shù)的有限個(gè)狀態(tài)，如符號(hào)、文字、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等。

（2）信息

①信息的定義

信息是消息中所包含的有效內(nèi)容。

②信息與消息的關(guān)系

消息是信息的物理表現(xiàn)形式，而信息是消息的內(nèi)涵。

（3）信號(hào)

①信號(hào)的定義

信號(hào)是消息的傳輸載體。

②信號(hào)的分類(lèi)

a．模擬信號(hào)

模擬信號(hào)是指載荷消息的信號(hào)參量取值是連續(xù)（不可數(shù)、無(wú)窮多）的信號(hào)。

b．?dāng)?shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)是指載荷消息的信號(hào)參量只有有限個(gè)取值的信號(hào)。

（4）消息、信息和信號(hào)的關(guān)系

①消息是信息的物理形式；

②信息是消息的有效內(nèi)容；

③信號(hào)是消息的傳輸載體。

二、通信系統(tǒng)模型

1．通信系統(tǒng)一般模型

圖1-1  通信系統(tǒng)一般模型

（1）信息源

①信息源的作用

把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。

②信息源的分類(lèi)

a．模擬信源

模擬信源輸出連續(xù)的模擬信號(hào)，如話(huà)筒、攝像機(jī)。

b．?dāng)?shù)字信源

數(shù)字信源輸出離散的數(shù)字信號(hào)，如電傳機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種數(shù)字終端。

（2）發(fā)送設(shè)備

①發(fā)送設(shè)備的作用

a．產(chǎn)生適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)；

b．使發(fā)送信號(hào)特性和信道特性相匹配；

c．使發(fā)送信號(hào)具有抗信道干擾的能力；

d．使發(fā)送信號(hào)具有足夠的功率以滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枰?/p>

②發(fā)送設(shè)備的內(nèi)容

包含變換器、放大器、濾波器、編碼器、調(diào)制器、多路復(fù)用器等過(guò)程。

（3）信道

①信道的定義

信道是一種將來(lái)自發(fā)送設(shè)備的信號(hào)傳送到接收端的物理媒質(zhì)。

②信道的分類(lèi)

無(wú)線(xiàn)信道和有線(xiàn)信道。

③信道的作用

信道傳輸信號(hào)的通路，并對(duì)信號(hào)產(chǎn)生各種干擾和噪聲。

（4）噪聲源

噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表示。

（5）接收設(shè)備

①接收設(shè)備的作用

從受到減損的接收信號(hào)中正確恢復(fù)出原始電信號(hào)。

②接收設(shè)備的功能

a．將信號(hào)放大和反變換。

b．對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。

c．盡可能減小在傳輸過(guò)程中噪聲與干擾所帶來(lái)的影響。

（6）信宿

①信宿的定義

信宿是傳送消息的目的地。

②信宿的作用

把原始電信號(hào)還原成相應(yīng)的消息，如揚(yáng)聲器等。

2．模擬通信系統(tǒng)模型

圖1-2  模擬通信系統(tǒng)模型

（1）模擬信源與信宿

①模擬信源的作用

模擬信源把連續(xù)消息變換成原始電信號(hào)，即基帶信號(hào)。

②模擬信宿的作用

模擬信宿將基帶信號(hào)變換為連續(xù)消息。

③基帶信號(hào)

a．基帶信號(hào)的定義

基帶信號(hào)是從信源發(fā)出或送達(dá)信宿的信號(hào)的基本頻帶信號(hào)。

b．基帶信號(hào)的基本特性

頻譜通常從零頻附近開(kāi)始。

c．基帶信號(hào)的實(shí)例

語(yǔ)音信號(hào)的頻率范圍為300Hz～3400Hz；

圖像信號(hào)的頻率范圍為0～6MHz。

（2）調(diào)制器與解調(diào)器

①調(diào)制器的作用

把基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)。

②解調(diào)器的作用

將信道中傳輸?shù)囊颜{(diào)信號(hào)變換為基帶信號(hào)。

③已調(diào)信號(hào)

定義：經(jīng)過(guò)調(diào)制以后的信號(hào)。

基本特征：攜帶有信息；其頻譜通常具有帶通形式，又稱(chēng)帶通信號(hào)。

3．?dāng)?shù)字通信系統(tǒng)模型

圖1-3  數(shù)字通信系統(tǒng)模型

（1）信源編碼與譯碼

①信源編碼的作用

a．提高信息傳輸?shù)挠行裕赐ㄟ^(guò)某種壓縮編碼技術(shù)減少碼元數(shù)目以降低碼元速率。

b．完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸。

②信源譯碼的作用

信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程，解壓縮恢復(fù)原始碼元，完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換恢復(fù)模擬信號(hào)。

（2）信道編碼與譯碼

①信道編碼

信道編碼的作用是進(jìn)行差錯(cuò)控制，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督碼元），組成“抗干擾編碼”。

②信道譯碼

信道譯碼是指信道譯碼器按相應(yīng)的逆規(guī)則進(jìn)行解碼，從中發(fā)現(xiàn)或糾正錯(cuò)誤以提高通信系統(tǒng)的可靠性。

（3）加密與解密

①加密的定義

加密是人為地將被傳輸?shù)臄?shù)字序列擾亂加上密碼的處理過(guò)程。

②解密的定義

解密是在接收端與發(fā)送端處理過(guò)程相反的用來(lái)恢復(fù)原來(lái)信息的處理過(guò)程。

（4）數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

①數(shù)字調(diào)制

a．?dāng)?shù)字調(diào)制的作用

把數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?hào)。

b．?dāng)?shù)字調(diào)制的基本方式

振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、絕對(duì)相移鍵控（PSK）、相對(duì)（差分）相移鍵控（DPSK）。

②數(shù)字解調(diào)

a．?dāng)?shù)字解調(diào)的作用

從數(shù)字帶通信號(hào)中還原出數(shù)字基帶信號(hào)。

b．?dāng)?shù)字解調(diào)的基本方式

相干解調(diào)、非相干解調(diào)。

（5）同步

①同步的作用

使收發(fā)兩端的信號(hào)在時(shí)間上保持步調(diào)一致。

②同步的分類(lèi)

按照同步的功用不同，分為載波同步、位同步、群（幀）同步和網(wǎng)同步。

4．?dāng)?shù)字通信的特點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

①抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累；

②傳輸差錯(cuò)可控；

③便于用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)；

④易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量減輕；

⑤易于加密處理，保密性好。

（2）缺點(diǎn)

①需要較大的傳輸帶寬；

②對(duì)同步要求高，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜。

三、通信系統(tǒng)分類(lèi)與通信方式

1．通信系統(tǒng)的分類(lèi)

（1）按通信業(yè)務(wù)分類(lèi)

根據(jù)通信業(yè)務(wù)的類(lèi)型不同，分為電報(bào)通信系統(tǒng)、電話(huà)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)等。

（2）按調(diào)制方式分類(lèi)

根據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)是否經(jīng)過(guò)調(diào)制，分為基帶傳輸系統(tǒng)和帶通傳輸系統(tǒng)。

（3）按信號(hào)特征分類(lèi)

按傳輸?shù)男盘?hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

（4）按傳輸媒質(zhì)分類(lèi)

按傳輸媒介的不同，分為有線(xiàn)通信系統(tǒng)（導(dǎo)線(xiàn)作為傳輸媒質(zhì)完成通信）和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（依靠電磁波在空間傳播完成通信）。

（5）按工作波段分類(lèi)

按通信設(shè)備的工作頻率或波長(zhǎng)不同，分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)通信等。

（6）按信號(hào)復(fù)用方式分類(lèi)

按信號(hào)復(fù)用的方式不同，分為頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用、波分復(fù)用、空分復(fù)用等。

①頻分復(fù)用

頻分復(fù)用是用頻譜搬移的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的頻率范圍。

②時(shí)分復(fù)用

時(shí)分復(fù)用是用脈沖調(diào)制的方法使不同信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間區(qū)間。

③碼分復(fù)用

碼分復(fù)用是用正交的編碼分別攜帶不同信號(hào)。

④波分復(fù)用

波分復(fù)用是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)經(jīng)復(fù)用器匯合在一起并耦合到光線(xiàn)路中同一根光纖中進(jìn)行傳輸。

⑤空分復(fù)用

空分復(fù)用是指讓同一個(gè)頻段在不同的空間內(nèi)得到重復(fù)利用。

2．通信方式

（1）通信方式的定義

通信方式是指通信雙方之間的工作方式或信號(hào)傳輸方式。

（2）通信工作方式的分類(lèi)

對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，按消息傳遞的方向與時(shí)間的關(guān)系可分為單工、半雙工和全雙工通信。

①單工通信

單工通信是通信雙方中只有一個(gè)可以進(jìn)行發(fā)送，另一個(gè)只能接收的單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健?/p>

②半雙工通信

半雙工通信是通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。

③全雙工通信

全雙工通信是通信雙方可同時(shí)收發(fā)消息的工作方式。

（3）通信傳輸方式的分類(lèi)

在數(shù)據(jù)通信中，按數(shù)據(jù)碼元傳輸方式不同可分為并行傳輸和串行傳輸。

①并行傳輸

a．并行傳輸?shù)亩x

并行傳輸是指將代表信息的數(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(shí)傳輸。

b．并行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快。

缺點(diǎn)：需多條通信信道，成本高。

c．并行傳輸?shù)氖疽鈭D

圖1-4  并行傳輸

d．并行傳輸?shù)膽?yīng)用

一般只用于設(shè)備之間的近距離通信。

②串行傳輸

a．串行傳輸?shù)亩x

串行傳輸是指將數(shù)字碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸。

b．串行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，所需線(xiàn)路鋪設(shè)費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：速度慢，需外加同步措施以解決收、發(fā)雙方碼組或字符的同步問(wèn)題。

c．串行傳輸?shù)氖疽鈭D

圖1-5  串行傳輸

d．串行傳輸?shù)膽?yīng)用

應(yīng)用于遠(yuǎn)距離數(shù)字傳輸通信。

四、信息及其度量

1．信息量的定義

假設(shè)P(x)表示消息發(fā)生的概率，I表示消息中所含的信息量，則消息x所含的信息量為

2．信息量的單位

信息量單位和公式（1-1-1）中對(duì)數(shù)的底a有關(guān)。

（1）比特單位

若a＝2，則信息量的單位為比特（bit），簡(jiǎn)記為b。

通常廣泛使用的單位為比特，這時(shí)有

（2）奈特單位

若a＝e，則信息量的單位為奈特（nat）。

（3）哈特萊單位

若a＝10，則信息量的單位為哈特萊（Hartley）。

3．信息量的計(jì)算

（1）等概率離散信號(hào)信息量

對(duì)于離散信源，M個(gè)波形等概率（P＝1/M）發(fā)送，且每一個(gè)波形的出現(xiàn)是獨(dú)立的，即信源是無(wú)記憶的，則傳送M進(jìn)制波形之一的信息量為

（2）非等概率離散信號(hào)信息量

①信息源的熵的定義

設(shè)離散信源是一個(gè)由M個(gè)符號(hào)組成的集合，其中每個(gè)符號(hào)x_i（i＝1，2，3，…，M）按一定的概率P(x_i)獨(dú)立出現(xiàn)。則平均信息量為

②信息源的熵的性質(zhì)

當(dāng)P(x_i)＝1／M（每個(gè)符號(hào)等概率獨(dú)立出現(xiàn)）時(shí)，信源的熵有最大值。

（3）連續(xù)信號(hào)信息量

假設(shè)f(x)為連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度，則連續(xù)消息的平均信息量為

五、通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

1．有效性

（1）有效性的定義

有效性是指?jìng)鬏斠欢ㄐ畔⒘克加玫念l帶寬度，即頻帶利用率。

（2）有效性的度量

①模擬通信系統(tǒng)中的度量

傳輸同樣的信源信號(hào)，所需的傳輸帶寬越小，頻帶利用率越高，有效性越好。

②數(shù)字通信系統(tǒng)中的度量

a．頻帶利用率

頻帶利用率是單位帶寬（每赫）內(nèi)的傳輸速率，即

或

b．碼元傳輸速率R_B

碼元傳輸速率是單位時(shí)間（每秒）傳輸碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡(jiǎn)稱(chēng)傳碼率。

c．信息傳輸速率R_b

信息傳輸速率是單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘浚瑔挝粸楸忍兀耄╞／s），簡(jiǎn)稱(chēng)傳信率。

2．可靠性

（1）可靠性的定義

可靠性是指?jìng)鬏斝畔⒌臏?zhǔn)確程度。

（2）可靠性的度量

①模擬通信系統(tǒng)中的度量

通常用接收端輸出信號(hào)與噪聲功率比（S／N）來(lái)度量，它反映了信號(hào)經(jīng)傳輸后的“保真”程度和抗噪聲能力。

②數(shù)字通信系統(tǒng)中的度量

a．誤碼率P_e

誤碼率是指錯(cuò)誤接收的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例，即

b．誤信率P_b

誤信率是指錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，又稱(chēng)誤比特率，即