精品课程教案第一章

第一章 通信的基本概念与基本问题

§1.1 通信系统的构成及性能指标 一．通信的基本概念 通信定义： 通信的实质是实现信息的传输与交换。本课主要是讨论信息的传输。 要传输的信息包含在语音.图像.数据等消息媒体中, 通过电(光)信号形式由一方传输到另一方（通常是远距离）。

二．通信系统的构成 通信系统：指传输信息所需的一切技术设备的总合。可用下面的一般模型加以概括。

1． 信息源与受信者： 信息源的作用是把各种可能的消息转换成原始电信号；受信者将复原的原始信号恢复成相应的消息。 2． 发送设备与接收设备： 发送设备对原始信号完成某种变换（如调制或编码），再送入信道； 接收设备与发送设备功能相反，从接收信号中复原出原始信号（如解调、译码等）。 3． 信道：指信号传输的通道，即传输媒质，可以是有线的，也可以是无线的，而有线和无线又都有多种传输媒质。 4． 噪声源： 是信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示。在任何系统中必然存在，对通信的质量（可靠性）产生影响。 因此通信系统设计的任务就是：

克服距离障碍，迅速、可靠地传递信息 5． 几个名词：信息、消息、信号 信息是一种不确定度的描述，是内在的实质的东西； 消息中包含了信息，消息有不同的形式，如符号、文字、语音、数据、图象等，根据所传的消息不同分成了目前的各种通信业务。不同的消息中可以包含相同的信息（如天气信息可以包含在语音、文字、卫星云图中），我们可以从消息中提取信息； 信号为消息的表示形式，在通信系统中传递的实际是各种消息的电信号。因此信号分析是本

信息源 发送设备 信 道 接收设备 受信者 噪声（发送端） （接收端） 课的基础。 按信号特征不同可以分为模拟信号和数字信号。

根据研究对象及所关心的问题不同通信系统有不同形式，通常按照通信系统中传输的是模拟信号还是数字信号而将通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。

1）．模拟信号与模拟通信系统 模拟信号指基带信号(一般指未调制过的信号)瞬时值状态数无限，如正弦信号、语音信号、图像信号等；或已调信号(载波一般为正弦信号)的参数即幅度A、频率F、相位P状态数无限。模拟信号波形举例

PM:FM:AM:正弦:

信道中传输的是模拟信号时为模拟通信系统。模拟通信系统的一般模型如下图： 其中调制器的作用使信号与信道相匹配, 便于频分复用等。 （2）数字信号与数字通信系统 数字信号指基带信号的瞬时值状态数有限，如计算机.电报机等输出的信号；或已调信号的参数幅A.频F.相P状态数有限。数字信号波形举例：

二进制代码二进制基带信号10tttt2ASK

2FSK2PSK *注: 也可称ASK 、FSK 、PSK等数字已调信号为连续信号, 因为他们的瞬时值在某

信息源 调制器 信 道 解调器 受信者 噪声 一范围内连续取值。 信道中传输的是数字信号时为数字通信系统。数字通信系统的一般模型如下图：

信源编码: 对模拟信号进行A/D变换和压缩，对数字信号进行压缩。 信道编码: 增加冗余提高通信可靠性， 调制器: 作用同模拟通信。但不一定必需，有调制器和解调器的称为数字频带传输系统；无调制器和解调器的称为数字基带传输系统。

说明：上述图中只给出了点到点单向通信系统，实际在大多数场通信系统需要进行多路复用、双向进行，信源兼为受信者，通信设备包括发信设备和收信设备。此外，通信系统除了完成信息传递外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，乃至通信网。

传输、复用、交换、网络为现代通信的四大技术，本课程只介绍传输、复用技术。 三．通信系统的分类 1．按消息的物理特征分类： 电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统 图象通信系统 这些系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的，趋势是发展综合业务数字网，各种类型的信息都能在一个统一的通信网中传输、交换和处理。 2．按调制方式分类 基带传输系统：不经调制直接传输。 频带传输系统（或称载波传输）：经过调制后传输，对应多种调制方式。

信 息 源 调 制 器 信 道 噪声受信者

解 调 器

信 源 编 码 信 道 编 码 信 源 译 码 信 道 译 码 3．按传输信号的特征分类 模拟通信系统 数字通信系统 其中数字通信成为发展的主流。 数字通信的优点： 抗干扰能力强， 便于进行各种数字信号处理， 便于实现集成化， 便于加密及计算机处理， 便于实现综合业务数字网便于多路复用。 4按传送信号的复用方式分类 频分复用（FDM） 时分复用（TDM） 码分复用（CDM） 波分复用（WDM） 其中频分复用主要用于传统的载波通信，时分复用广泛用于数字微波通信等，码分复用主要由于扩频通信和新型移动通信，如133 CDMA移动通信系统，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信中还有空分复用（SDM） 7510105．按传输媒介分类 有线通信系统 无线通信系统 有线通信系统还包括载波、电缆、光纤通信系统， 无线通信系统有调幅、调频广播、电视、移动通信、空间遥测、雷达导航、微波接力、卫星通信系统等。 各种传输媒质有其特定的工作频率，常用传输媒介的频率范围及用途如下表： 频率范围 波长 符号 传输媒介 用途 3Hz—30kHz 甚低频VLF 有线线对 长波无线电 音频、电话、数据终端、长距离导航、时标 30kHz—300kHz 低频 LF 有线线对 长波无线电 导航、信标、电力线通信 300kHz—3MHz 中频 MF 同轴电缆 中波无线电 调幅广播、移动陆地通信、业余无线电 3MHz—30MHz 高频 HF 同轴电缆 短波无线电 移动无线电话、短波广播、定点军用通信、业余无线电 30MHz—300MHz 10—1 m 甚高频VHF 同轴电缆 米波无线电 电视、调频广播、空中管制、车辆通信、导航 300MHz—3GHz 100—10cm 特高频UHF 波导、分米波无线电 电视、空间遥测、雷达导航、点对点通信、移动通信 3GHz—30GHz 10—1cm 超高频SHF 波导、厘米波无线电 微波接力、卫星和空间通信、雷达 30GHz—300GHz 10—1mm 极高频EHF 波导、毫米波无线电 雷达、微波接力、射电天文学 GHz 紫外、可见光、红外 光纤 激光空间传播 光通信 四．通信系统的性能指标 在设计或评价通信系统时，往往涉及通信系统的性能指标，以衡量其质量的优劣，性能指标也称质量指标。 通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、维护使用等。但从研究信息的传输来说，主要有两个，即： 有效性-----消息传输的速度问题。 可靠性-----消息传输的质量问题。 二者是一对矛盾，通常根据实际应用求得相对的统一。即在满足一定可靠性指标下，尽cm64163103

m481010m341010m231010m10102量提高消息传输速度；或在维持一定有效性指标时，使消息传输质量尽可能提高。 两个主要性能指标对于不同通信系统，具体表现也不同

1．模拟通信 有效性----传输带宽B. 给定信道带宽,能容纳最大的通信路数. 可靠性----信噪比(S/N)o，通信系统接收端的输出信号噪声功率比(SNR,Signal Noise Ratio)

B越小，占用信道带宽越少，有效性越好；(S/N)o越大，信号质量高，可靠性越好。 2．数字通信

有效性--传输速率，又分成 （1）码元传输速率(RB)：单位时间能够传送的码元数(波特,Baud)。 每个码元传输所占用的时间TB（秒，S） 为码长,则RB=1/TB (波特,Baud)。 若码元为二进制 RB 对应 RB2 ,若为M 进制RB 对应RBM，RB2=RBM·log2 M （2）信息传输速率(RB): 单位时间能够传送的信息量(bits/s)。

Rb=RB·log2M 比特/秒 RB =RB/log2M 波特 RB ≤RB，因为多进制码元要用多位二进制表示，所需传输时间长，传输速率降低。 例如：四进制有-3，-1，1，3四个代码，每个代码含有2bit信息量，码元周期为2倍

二进制代码二进制信号 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0

四进制代码四进制信号 1 -1 3 -3 1

Ts2

Ts4

Ts4=2Ts2 RB4=RB2/2 可靠性--错误概率，又分为： 误码率PB = 接收的错误码元数/发出的总码元数； 误比特率Pb = 接收的错误比特数/发出的总比特数；

PeB↓ → 可靠性↑ PeB↑ → Peb↑，但 Peb ≤ PeB

在二进制中 Peb = PeB ，但在M>2进制中，因一个码元中含信息量为log2M比特，错

一个码元时log2M比特信息量不一定全部错误，故Peb < PeB 。 例如上图中，当某一四进制代码错成相邻代码时，信息量仅错1bit。

说明：在许多资料上也借用带宽来描述数字通信系统的有效性即传输速率，例如说某信道的带宽为56kb/s,也就意味着该信道的数据传输速率为56kb/s。

§1.2 信息论初步 一、 信息的度量 通信的目的在于传输信息，为了衡量通信系统的传输能力，需要对被传输的信息进行定量的描述，要涉及信息量的定义。这里分成两种信道讨论，即 离散信源——产生离散消息的信源； 连续信源——产生连续消息的信源； （一） 离散信源 1． 信息量 一个消息携带的信息量大小与消息出现的可能性有关，而可能性可以由消息的统计特性——概率描述。

离散消息xi携带的信息量 )(log)(log1)x(iiixPxPI 单位： • 对数以2为底单位为比特(bit) • 对数以e为底单位为奈特(nit) • 对数以10为底单位为哈特莱(Hartley) 其中比特(bit)为单位使用较多。

若干独立事件构成的消息，其信息量满足可加性，即 I[P(x1)p(x2)…]= I[P(x1)+ I[p(x2)]+…

2．平均信息量(也称信源熵)

LiiibitxPxPxH12)(log)()(符号 当P(xi)=1/M，i=1，2，…M时，H(x)= log2 M取最大值。 3．条件信息量 I(xi/yj)=－log2P(xi/yj) bit，信道损失的信息量。 4．互信息量 （后验概率与先验概率之比）

)()()(log)()(),(2bitxPyxPyxIxIyxIijijiiji，

互信息量反映了两个随机事件xi 与yj之间的关联程度。