第1章　緒　論

1.1　復習筆記

一、通信的基本概念

1．通信的發展

（1）通信的概念

通信是發送者（人或機器）和接收者之間通過某種媒體進行的信息傳遞。

（2）通信的發展歷程

①1837年，莫爾斯發明有線電報。

②1876年，貝爾發明電話。

③1918年，調幅無線電廣播問世。

④1936年，商業電視廣播開播。

⑤1983年，蜂窩狀移動通信網（蜂窩網）在美國投入商業使用。

⑥1983年，美國國防部將阿帕網分為軍網和民網，后者逐漸發展為今天的因特網。

2．消息、信息與信號

（1）消息

①消息的定義

消息是指通信系統傳輸的對象，它是信息的載體。

②消息的分類

連續消息：消息的狀態連續變化或不可數，如語音、溫度數據等。

離散消息：消息具有可數的有限個狀態，如符號、文字、數字數據等。

（2）信息

①信息的定義

信息是消息中所包含的有效內容。

②信息與消息的關系

消息是信息的物理表現形式，而信息是消息的內涵。

（3）信號

①信號的定義

信號是消息的傳輸載體。

②信號的分類

a．模擬信號

模擬信號是指載荷消息的信號參量取值是連續（不可數、無窮多）的信號。

b．數字信號

數字信號是指載荷消息的信號參量只有有限個取值的信號。

（4）消息、信息和信號的關系

①消息是信息的物理形式；

②信息是消息的有效內容；

③信號是消息的傳輸載體。

二、通信系統模型

1．通信系統一般模型

圖1-1  通信系統一般模型

（1）信息源

①信息源的作用

把各種消息轉換成原始電信號。

②信息源的分類

a．模擬信源

模擬信源輸出連續的模擬信號，如話筒、攝像機。

b．數字信源

數字信源輸出離散的數字信號，如電傳機、計算機等各種數字終端。

（2）發送設備

①發送設備的作用

a．產生適合在信道中傳輸的信號；

b．使發送信號特性和信道特性相匹配；

c．使發送信號具有抗信道干擾的能力；

d．使發送信號具有足夠的功率以滿足遠距離傳輸的需要。

②發送設備的內容

包含變換器、放大器、濾波器、編碼器、調制器、多路復用器等過程。

（3）信道

①信道的定義

信道是一種將來自發送設備的信號傳送到接收端的物理媒質。

②信道的分類

無線信道和有線信道。

③信道的作用

信道傳輸信號的通路，并對信號產生各種干擾和噪聲。

（4）噪聲源

噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統其他各處的噪聲的集中表示。

（5）接收設備

①接收設備的作用

從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。

②接收設備的功能

a．將信號放大和反變換。

b．對于多路復用信號，解除多路復用，實現正確分路。

c．盡可能減小在傳輸過程中噪聲與干擾所帶來的影響。

（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

把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器等。

2．模擬通信系統模型

圖1-2  模擬通信系統模型

（1）模擬信源與信宿

①模擬信源的作用

模擬信源把連續消息變換成原始電信號，即基帶信號。

②模擬信宿的作用

模擬信宿將基帶信號變換為連續消息。

③基帶信號

a．基帶信號的定義

基帶信號是從信源發出或送達信宿的信號的基本頻帶信號。

b．基帶信號的基本特性

頻譜通常從零頻附近開始。

c．基帶信號的實例

語音信號的頻率范圍為300Hz～3400Hz；

圖像信號的頻率范圍為0～6MHz。

（2）調制器與解調器

①調制器的作用

把基帶信號變換成適合在信道中傳輸的信號。

②解調器的作用

將信道中傳輸的已調信號變換為基帶信號。

③已調信號

定義：經過調制以后的信號。

基本特征：攜帶有信息；其頻譜通常具有帶通形式，又稱帶通信號。

3．數字通信系統模型

圖1-3  數字通信系統模型

（1）信源編碼與譯碼

①信源編碼的作用

a．提高信息傳輸的有效性，即通過某種壓縮編碼技術減少碼元數目以降低碼元速率。

b．完成模/數轉換，即實現模擬信號的數字傳輸。

②信源譯碼的作用

信源譯碼是信源編碼的逆過程，解壓縮恢復原始碼元，完成數/模轉換恢復模擬信號。

（2）信道編碼與譯碼

①信道編碼

信道編碼的作用是進行差錯控制，信道編碼器對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分（監督碼元），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的逆規則進行解碼，從中發現或糾正錯誤以提高通信系統的可靠性。

（3）加密與解密

①加密的定義

加密是人為地將被傳輸的數字序列擾亂加上密碼的處理過程。

②解密的定義

解密是在接收端與發送端處理過程相反的用來恢復原來信息的處理過程。

（4）數字調制與解調

①數字調制

a．數字調制的作用

把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸的帶通信號。

b．數字調制的基本方式

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）。

②數字解調

a．數字解調的作用

從數字帶通信號中還原出數字基帶信號。

b．數字解調的基本方式

相干解調、非相干解調。

（5）同步

①同步的作用

使收發兩端的信號在時間上保持步調一致。

②同步的分類

按照同步的功用不同，分為載波同步、位同步、群（幀）同步和網同步。

4．數字通信的特點

（1）優點

①抗干擾能力強，且噪聲不積累；

②傳輸差錯可控；

③便于用現代數字信號處理技術對數字信息進行處理、變換、存儲；

④易于集成，使通信設備微型化，重量減輕；

⑤易于加密處理，保密性好。

（2）缺點

①需要較大的傳輸帶寬；

②對同步要求高，系統設備復雜。

三、通信系統分類與通信方式

1．通信系統的分類

（1）按通信業務分類

根據通信業務的類型不同，分為電報通信系統、電話通信系統、數據通信系統、圖像通信系統等。

（2）按調制方式分類

根據傳輸的信號是否經過調制，分為基帶傳輸系統和帶通傳輸系統。

（3）按信號特征分類

按傳輸的信號是模擬信號還是數字信號，分為模擬通信系統和數字通信系統。

（4）按傳輸媒質分類

按傳輸媒介的不同，分為有線通信系統（導線作為傳輸媒質完成通信）和無線通信系統（依靠電磁波在空間傳播完成通信）。

（5）按工作波段分類

按通信設備的工作頻率或波長不同，分為長波通信、中波通信、短波通信、遠紅外線通信等。

（6）按信號復用方式分類

按信號復用的方式不同，分為頻分復用、時分復用、碼分復用、波分復用、空分復用等。

①頻分復用

頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍。

②時分復用

時分復用是用脈沖調制的方法使不同信號占據不同的時間區間。

③碼分復用

碼分復用是用正交的編碼分別攜帶不同信號。

④波分復用

波分復用是將兩種或多種不同波長的光載波信號經復用器匯合在一起并耦合到光線路中同一根光纖中進行傳輸。

⑤空分復用

空分復用是指讓同一個頻段在不同的空間內得到重復利用。

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傳輸方式。

（2）通信工作方式的分類

對于點對點的通信，按消息傳遞的方向與時間的關系可分為單工、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可以進行發送，另一個只能接收的單方向傳輸的工作方式。

②半雙工通信

半雙工通信是通信雙方都能收發消息，但不能同時進行收和發的工作方式。

③全雙工通信

全雙工通信是通信雙方可同時收發消息的工作方式。

（3）通信傳輸方式的分類

在數據通信中，按數據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．并行傳輸的定義

并行傳輸是指將代表信息的數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。

b．并行傳輸的特點

優點：節省傳輸時間，速度快。

缺點：需多條通信信道，成本高。

c．并行傳輸的示意圖

圖1-4  并行傳輸

d．并行傳輸的應用

一般只用于設備之間的近距離通信。

②串行傳輸

a．串行傳輸的定義

串行傳輸是指將數字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。

b．串行傳輸的特點

優點：只需一條通信信道，所需線路鋪設費用低。

缺點：速度慢，需外加同步措施以解決收、發雙方碼組或字符的同步問題。

c．串行傳輸的示意圖

圖1-5  串行傳輸

d．串行傳輸的應用

應用于遠距離數字傳輸通信。

四、信息及其度量

1．信息量的定義

假設P(x)表示消息發生的概率，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）中對數的底a有關。

（1）比特單位

若a＝2，則信息量的單位為比特（bit），簡記為b。

通常廣泛使用的單位為比特，這時有

（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．信息量的計算

（1）等概率離散信號信息量

對于離散信源，M個波形等概率（P＝1/M）發送，且每一個波形的出現是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為

（2）非等概率離散信號信息量

①信息源的熵的定義

設離散信源是一個由M個符號組成的集合，其中每個符號x_i（i＝1，2，3，…，M）按一定的概率P(x_i)獨立出現。則平均信息量為

②信息源的熵的性質

當P(x_i)＝1／M（每個符號等概率獨立出現）時，信源的熵有最大值。

（3）連續信號信息量

假設f(x)為連續消息出現的概率密度，則連續消息的平均信息量為

五、通信系統主要性能指標

1．有效性

（1）有效性的定義

有效性是指傳輸一定信息量所占用的頻帶寬度，即頻帶利用率。

（2）有效性的度量

①模擬通信系統中的度量

傳輸同樣的信源信號，所需的傳輸帶寬越小，頻帶利用率越高，有效性越好。

②數字通信系統中的度量

a．頻帶利用率

頻帶利用率是單位帶寬（每赫）內的傳輸速率，即

或

b．碼元傳輸速率R_B

碼元傳輸速率是單位時間（每秒）傳輸碼元的數目，單位為波特（Baud），簡稱傳碼率。

c．信息傳輸速率R_b

信息傳輸速率是單位時間內傳輸的平均信息量，單位為比特／秒（b／s），簡稱傳信率。

2．可靠性

（1）可靠性的定義

可靠性是指傳輸信息的準確程度。

（2）可靠性的度量

①模擬通信系統中的度量

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

②數字通信系統中的度量

a．誤碼率P_e

誤碼率是指錯誤接收的碼元數在傳輸總碼元數中所占的比例，即

b．誤信率P_b

誤信率是指錯誤接收的比特數在傳輸總比特數中所占的比例，又稱誤比特率，即