通信第一章 绪论.doc

第一章 绪论 11 通信的基本概念一、消息(message)：是物质或精神状态的一种反映，在不同时期具有不同的表现形式。例如：语言、文字、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。二、信息(information)：消息中所包含的有效内容。三、信号(signal) 信号是信息的物理表现形式，或者说是传递信息的函数，而信息是信号的具体内容。例：交通灯的红、绿灯是信号，它要传递的信息是：红停止，绿通行。信号根据载体的不同，可以是电的，磁的，光的，声的，热的，机械的等各种信号。信号根据其变化规律，可以分为离散时间信号和连续时间信号两类。离散时间信号：也称为序列，时间离散，幅值连续。连续时间信号：时间连续，幅值可以连续也可以量化(离散)。信号按其控制参量的取值方式不同分为：模拟信号和数字信号。控制参量如连续信号的幅值、频率或相位；脉冲信号的幅度、宽度或位置等。电信号的参量取值连续(不可数，无穷多)，称为模拟信号。如话筒送出的话音信息在一定的取值范围内连续变化。电信号的参量仅取有限值，称为数字信号。如电报信号，计算机输入/输出信号，PCM信号等。消息的传递是通过它的物理载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上。四、通信(communication) 通信(communication)是指在不同地点间双方或多方进行的信息传输。实现通信的方式和手段很多，如手势、语言、旌旗、消息树、烽火台和击鼓传令等；现代社会的电报电话、广播、电视、遥控、遥测、因特网、数据和计算机通信等，这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。五、电信(telecommunication) 电信是指电通信，简称电信。在电通信系统中，消息的传递方式是通过电信号来实现的。如1837年莫尔斯发明的有线电报就是利用金属线连接的发报机和收报机，以点、划和空格的形式来传递信息，开创了电信的时代。电通信方式具有迅速、准确、可靠；不受时间、地点、距离限制等特点，百年来获得了飞速的发展和广泛的应用。包括语音、数据和视频传输在内的个通信业务的出现和应用，通信卫星和光纤网络正在为全球提供高速通信业务。 12 通信系统的组成一、通信系统的一般模型如图所示：信源发送设备信 道接收设备信宿噪声源消息信号信号消息 通信系统(communication system)的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。 在电通信系统中，首先把消息转变为电信号，然后在发送端经过发送设备，将信号送入信道；在接收端利用接收设备对接收信号作相应的处理后，送给信宿转换为原来的消息。1、信源(发信机)：即信息源。作用是把各种消息转换为原始电信号。消息根据种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒(把声音转换为音频信号输出)、摄像机(把图像转换成视频信号输出)等。数字信源输出离散的数字信号，如电传机(把键盘字符转换为数字信号)、计算机等各种数字设备。2、发送设备：作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力和一定的功率满足传输的需要。所以，发送过程包括变换、放大、滤波、编码、调制、多路复用等。3、信道：是将来发送设备的信号传送到接收端的物理媒质或途径(通道)。信道可以是自由空间、明线、电缆和光纤等。信道包括有线信道和无线信道，它们均有多种媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。因此信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。4、接收设备：作用是将收到的信号进行放大和还原(如译码、解调等)，正确恢复出原始的电信号。此外，还要尽可能减少传输过程中噪声与干扰带来的影响。5、信宿(收信者)：功能是把原始的电信号还原成相应的消息，如扬声器、显示器等。6、噪声：指通信系统要传输信号以外的有害干扰信号，通常把周期性的、有规则的有害信号称做干扰，而把其它有害的随机干扰叫做噪声。噪声在通信系统中是不可避免的，是限制信号传输或检测的重要因素，噪声的影响使信号产生失真甚至错误。噪声的大小最终决定系统的性能。二、模拟通信系统模型和数字通信系统模型 通常，按照信道路中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1、模拟通信系统模型 模拟通信系统(AS，Analog System)是利用模拟信号来传递信息的通信系统。如图所示：信源调制器信 道解调器信宿噪声源其中，信源在发送端把连续消息变换成原始电信号，信宿在接收端则进行相反的变换。原始电信号通常称为基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始的信号。如语音信号的频率范围为300HZ3400HZ，图像信号的频率范围为0HZ6MHZ。在有些系统中，如直流电报、实线电话和有线广播等，基带信号可以直接在信道路内传输，这些系统称为基带传输系统。把基带信号变换成适合在信道路中传输的信号的过程称为调制，完成这一过程的设备称为调制器。 经过调制后的信号称为已调信号，它通常有两个特征：一是携带有信息；二是适应在信道中传输。由于已调信号的频谱通常具有带通形式，因而已调信号又称带通信号(也称为频带信号)。所以，调制过程在通信系统中很重要的，在很大程度上决定系统的性能。通过调制主要有以下几个目标：(1)提高频率以便于辐射。在无线通信系统中，是用空间辐射方式传输信号的。由天线理论可知：只有当辐射天线的尺寸大于信号波长的的1/10是时，信号才能被天线有效地辐射。如用1米的天线，辐射频率至少需要30MHZ。调制过程可将信号频谱搬移到任何需要的频率范围，使其易于以电磁波的形式辐射出去。(2)实现信道复用。通常每个被传输信号占用的带宽小于信道带宽。所以，一个信道只传一个信号是很浪费的，此时信道工作在远小于其传输信息容量的情况下。但不能同时传输一个以上的信号，否则会将引起信号间的干扰。通过调制，使各个信号的频谱搬移到指定的位置，互不重叠，从而实现在一个信道里同时传输许多信号。由于这是在频率域内实现信道的多路复用，称为频率复用。同样，在时间域里，利用脉冲调制或编码或使各路信号交错传输，也可实现信道复用，称为时间复用。(3)改变信号带宽。在通信系统中传输的常用信号类型(音频、视频或其它)的频谱占用许多倍频程。频率范围越宽，传输特性变化越大，所以传输媒介将引入一些不可控制的对频率的选择作用。所以可以通过调制后将信号频谱搬移到某个载频附近的频带内，有效带宽限相对而言就很小了，是一个窄带带通信号。在很窄的频带内，传输特性的变化就小一些了。(4)改善系统性能。由于通信系统的输出信噪比是信号带宽的函数。根据信息论的原理，宽带通信系统通常有较好的抗干扰性能。即将信号变换，使它占据较大的带宽，它将具有较强的抗干扰性。如宽带调频信号的传输带宽比调幅信号宽，所以它的搞干扰性能比调幅高。带宽和信噪比相互矛盾又相对统一，它们之间的互换可由各种类型的调制来完成。 解调器则进行相反的变换。此外，在实际通信系统中，可能还有滤波、放大、天线辐射等过程。调制和解调两种过程起主要作用，而其他过程不会使信号发生质的变化，只是对信号进行放大和改善信号特性等。2、数字通信系统模型 数字通信系统(DCS，Digital Communication System)是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图所示：信源数字调制信 道数字解调信宿噪声源信道编码加密信源编码信道译码信源译码解密(1)信源编码与译码 信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据技术设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定了传输所占的带宽，而传输带宽反映了通信的有效性。二是完成模/数(A/D)转换，即当信息源给出的是模拟信号时，信源编码器半其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的相反过程。(2)信道编码与译码 数字信号在信道传输时受到噪声等影响后会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分形成“抗干扰编码”。这样，通过信道编码就增强了数字信号的抗干扰能力。(3)加密与解密 在需要进行保密通信时，人为地将传输的数字序列扰乱，这种处理过程就叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。(4)数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道路中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控(ASK，Amplitude Shift Keying)，频移键控(FSK，Frequency Shift Keying)，绝对相移键控(PSK，Phrase Shift Keying)，相对(差分)相移键控(DPSK，Differential Phrase Shift Keying)。在接收端还原数字基带信号有相干解调，或非相干解调两种。在对高斯噪声下的信号检测，通常用相关器或匹配滤波器来实现。(5)同步 同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照同步的功用不同分为载波同步，位同步，群(帧)同步和网同步等。 此外，模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，如数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的。同样，数字信号也可以通过传统的电话网来传输，但需使用调制解调器(Modem)。三、数字通信的特点1、抗干扰能力强，且噪声不积累 在数字通信系统中传输的是离散取值的数字波形，接收端的目标是从受到哭声干扰的信号中判决出发送端所发送的是哪一个波形，而不需要精确地还原被传输的波形。 以二进制为例，信号的取值只有两个，要求在接收端能正确判决发送的是两个状态中的哪一个即可。在远距离传输时，如微波中断通信，各中继站可利用数字通信特有的抽样判决再生的接收方式，使数字信号再生且噪声不积累。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够能够高度保真地重现信号波形，一旦信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。2、传输差错可控。在数字通信系统中，可通过信道编码技术进行树倒猢狲散和纠错，降低误码率，提高传输质量。3、便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换和存储。这种数字处理的灵活性表现为可以将来自信源的信号综合在一起传输。4、易于加密处理，且保密性好。5、易于集成，使通信设备微型化，重量轻。6、需要较大的带宽。如一路模拟电话通常只占4KHZ带宽，但一路接近同样语音质量的数字电话可能要占据20KHZ60KHZ的带宽。利用高效的数据压缩技术及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。7、对同步要求高，系统设备复杂。随着微电子技术，计算机技术，超大规模集成电路的应用，数字系统的设备复杂程度会大大降低。 13 通信系统分类和通信方式一、通信系统的分类1、按通信业务分类 根据通信业务的类型不同，通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。其中电话通信网最为普及，其它一些通信业务也常通过公用电话通信网传输，如电报通信和远距离数据通信都可通过电话信道传输。综合数字通信网适用于各种类型业务的消息传输。2、按调制方式分类 根据信道中传输的信号是否否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和带通(频带或调制)传输系统。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如市内电话，有线广播等。带通传输是对各种调制后传输的总称。常见的调制方式如下表：调 制 方 式用 途 举 例连续波调制线性调制常规双边带调幅AM广播双边带调幅DSB立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数据传输残留边带调幅VSB电视广播、数据传输、传真非线性调制频率调制FM微波中继、卫星通信、广播相位调制PM中间调制方式数字调制振幅键控ASK数据传输频移键控FSK数据传输相移键控PSK、DPSK、OPSK数据传输、数字微波、空间通信其它高效数字调制QAM、MSK数字微波、空间通信脉冲调制脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制方式、遥测脉宽调制PDM(PWM)中间调制方式脉位调制PPM遥测、光纤传输脉冲数字调制脉码调制PCM市话、卫星、空间通信增量调制DM(M)军用、民用数字电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像编码其它语音编码方式ADPCM中速数字电话3、按信号特征分类 根据信道中传输信号的特征，通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。4、按传输媒质分类 按传输媒质，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信是用导线(如架空明线，同轴电缆，光导纤维，波导等)作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的。如短波电离层传播，微波视距传播、卫星中继待。5、按工作波段分类根据通信设备的工作频率或波长不同，分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。 工作波长和频率的关系为：=式中，为工作波长(m)；为工作频率(HZ)；C为光速(m/s)。 频段划分及典型应用如下表：频率范围名称典型应用330极低频(ELF)远程导航、水下通信30300超低频(SLF)水下通信3003K特低频(ULF)远程导航3k30k甚低频(VLF)远程导航、水下通信、声呐30k300k低频(LF)导航、水下通信、无线电信标300K3M中频(MF)广播、海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫3M30M高频(HF)远程广播、电报、电话、传真、搜寻救生、飞机与船只间通信、船岸通信、业余无线电30M300M甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信300M3G特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、无线电控空仪、导航、卫星通信、GPS、监视雷达、无线电高度计3G30G超高频(SHF)卫星通、无线电高度计、微波链路、机载雷达、气象雷达、公用陆地移动通信30G300G极高频(EHF)雷达着陆系统、卫星通信、移动通信、铁路业务300H3T亚毫米波(0.1mm1mm)未划分，实验用43T430T红外(7m0.7m)光通信系统430T750T可见光(0.7m0.4m)光通信系统750T3000T紫外线(0.4m0.1m)光通信系统6、按信号复用方式分类 传输多路信号有三种复用方式，即频分复用，时分复用和码分复用。频分复用用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。 传统的模拟通信都采用频分复用；数字通信广泛采用时分复用；扩频通信和移动通信多采用码复用。二、通信方式 通信方式是指通信双方之间的工作方式或信号传输方式：1、单工、半双工和全双工通信在点与点之间的通信中，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工，半双工和全双工通信。(1)单工通信，是指消息只能单方向传输的工作方式。通信的双方中只有一个可以进行发送，另一个只能接收。如图所示：发送端信道接收端 单工通信如广播、遥测、遥控、无线寻呼等。(2)半双工通信，是指通信双方都能发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。如图所示：接收端信道接收端发送端发送端 半双工通信如使用同一载频的变通对讲机，问询及检索等都是半双工通信方式。(3)全双工通信，是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。通常全双工通信的信道必须是双向通道。如图所示：接收端信道接收端发送端发送端信道 全双工通信如电话、计算机间的高速数据通信。2、并行传输和串行传输 在数据通信中，尤其是计算机或其它数字终端设备之间的通信中，根据数据代码排列的方式不同，可分为并行传输和串行传输两类。(1)并行传输，是将代表信息的数字信号码元序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，如图所示：发送方接收方01101100发送方送出的由“0”和“1”组成部分二进制代码序列，可以每组n个代码的方式在n条并行信道上同时传输。在这种方式下，一个分组中的n个码元能够在一个时钟节拍内从一个设备传输到另一个设备。如8bit代码字符可以用8条信道并行传输。 并行传输的优点是节省传输时间，速度快；而且无需同步。缺点是需要n条通信线路，成本高，通常用于设备之间的近距离传输。如打印机和计算机之间的数据传输。(2)串行传输，是将数字信号码元序列以串行方式一个码元按一个码元地在一条信道上传输。如图所示：发送方接收方01101100011011000 1 1 0 0 1 0 0 串行传输的优点是只需一条通信信道，所需线路铺设费用只是并行传输的。缺点是速度较慢，需要外加同步措施以解决收、发双方码组或字符间的同步问题。通常用于设备之间较长距离通信，如计算机的RS232接口。3、同步传输、半同步传输和异步传输 按同步方式的不同，可分为同步通信和异步通信。异步传输也称起止式传输或应答式传输。是利用起止法来达到收发同步的，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束。通信双方采用应答方式(也称为握手方式)进行数据传送称为异步通信。即当主模块发出请求(Request)信号时，一直等待从模块反馈回来“响应”(Acknowledge)信号后才开始通信。这需要主从模块之间增加两条应答线。异步通信方式可分为不互锁、半互锁和全互锁三种类型。A、不互锁方式：主模块发出请求信号后，不等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间。确认从模块已收到请求信号后，便撤销其请求信号；从设备接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后，自动撤销回答信号。可见通信双方并无互锁关系。B、半互锁方式：主模块发出请求信号，待接到从模块的回答信号后撤销其请求信号，存在着简单的互锁关系；而从模块发出回答信号后，不等待主模块回答，在一段时间后便撤销其回答信号，无互锁关系；故称半互锁关系。C、全互锁方式：主模块发出请求后，待从模块回答后再撤销其请求信号；从模块发出回答信号，待主模块获知后，再撤销其回答信号；故称全互锁方式。异步传输是利用起止法来达到收发同步的，用起始位和停止位来指示被传输字符的开始和结束。在异步传输中，字符的传输由起始位引导，表示一个新字符的开始，占一位码元时间。在每个传送的信息码之后加一个停止位，表示一个字符的结束，通常取停止位的宽度为1、1.5，2位可根据不同的需要进行选择。异步传输方式中每个字符的发送都是独立和随机的，以不均匀的速率发送，所以这种方式称为异步传输。这种传输方式简单，但每传输一个信码都要增加23位的附加位，故传输效率较低。如传输一个ASCII码，若停止位用2位，1位起始位和1位奇偶校验位，其11位。即11位传输码中只有7位是有用信息，其传输效率只有64%。 通信双方由统一时标控制数据传送以一个数据块为单位进行信息传输称为同步通信。时标即每个数据块的开始和结束，需在数据块的前面加上一个前文(Preamble)，表示数据块的开始；在数据块的后面再加上一个后文(Postamble)，表示数据块的结束；把加有前文和后文的一个数据块称为一帧(Frame)。前文和后文的具体格式视传输控制规程而定。帧结构通常由面向数据型和面向比特型的帧结构，面向字符型的方案中，每个数据块以一个或多个同步字符SYN作为开始，后文的具体是一确定的控制字符。面向比特型的方案中，若采用高级数据链路控制(HDLC)堆积，则前文和后文都采用标志字段0111110，以区分一帧的开始和结束。 在同步传输方式中，数据的传输是由定时信号控制的，定时信号可同终端设备产生，也可由通信设备(如调制解调器、多路复用器等)提供。在接收端，通常由通信设备从接收信号中提取定时信号。同步通信的优点是明确、统一，模块间配合简单一致。其缺点是主从模块时间配合属强制性“同步”，必须在限定时间内完成规定的要求，并对所有从模块都用同一时限。这样，对具有不同速度的部件而言，必须按最慢速度部件来设计公共时钟，影响总线的工作效率，也使设计的灵活性有一定的局限。同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合和高速数据传输的场合。半同步通信集同步与异步通信之优点，既保留了同步通信的基本特点，如所有的地址、命令、数据信号的发出时间，都严格参照系统时钟的某个前沿开始，而接收方都采用系统时钟后沿时刻来进行判断识别。同时又像异步通信那样，允许不同速度的模块协调工作。为此增加了一条“等待”响应信号线。半同步通信适用于系统工作速度不高，但又包含了许多工作速度差异较大的各类设备的简单系统。半同步通信控制方式比异步通信简单，全系统内各模块又在统一的系统时钟控制下同步工作，可靠性较高，同步结构方便。其据点是对系统时钟频率不能要求太，故从整体上看，系统工作的速度还是较低。4、两点间直通传输、分支传输和交换传输 按照信息在通信网中传递方式的不，信息传输方式分为两点间直通传输、分支传输和交换传输。两点间直通传输是通信网中最简单的一种形式，两个终端之间的线路是专用的，可以直接进行信息交流。在分支传输方式中，它的每一个终端经过同一信道与转接站相互连接，各终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，这种通信方式只在数字通信系统中出现。交换传输方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种通信方式，既可以把要求通信的两个终端之间的线路(自动)接通，也可以通过程序控制，先把发来的消息储存起来，然后再转发至收方。这种消息可以是实时的，也可以是延时的。 分支传输和交换传输有信息控制和网络同步两方面的问题，但它们通信的基础仍然是点到点的通信方式。 此外，通信方式还有分离式通信等。分离式通信的基本思想是将一个传输周期(或总线周期)分解为两个子周期。在第一个子周期中，主终端A在获得信道使用权后将命令、地址以及其他的有关信息(包括主模块编号)发到系统信道上，经信道传输后，由有关的从终端B接收下来。主终端A向系统信道发布信息后，立即放弃信道使用权，以便其他模块使用。在第二个子周期中，当B终端收到A终端发来的有关命令信号后，经选择、译码、读取等一系列内部操作，将A终端块所需的数据准备好，便由B终端申请信道使用权，一旦获准，B终端便将A终端的编号、B终端的地址和A终端所需的数据第一系列信息送到总线上，供A终端接收。这样，在两个传输子周期中都口供有单方向的信息流，每个模块都变成了主终端。 分离式通信的特点是，各终端欲占用总线使用权都必须提出申请；在得到信道使用权后，主终端在限定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，不再等待对方的回答信号；各模块在准备数据传送的过程中都不占用信道，使信道可接受其他块的请求。这种方式控制较为复杂，一般较少采用。 14 信息与容量消息是多种多样的，而度量消息中所含信息的方法，必须能够用来度量任何消息，而消息的种类无关。同样，这种度量方法也与消息的重要程度无关。 对于接收消息而言，只有消息中不确定的内容才构成信息，而且信息量的多少与接收者收到消息感到的惊讶程度有关。消息所表达的事件越不可能发生，越不可预测，就会越使人感到惊讶和意外，信息量就越大。在一次有意义的通信中，对于接收者而言，某些消息所含的信息量比另外一些消息更多。例如，“某客机坠毁”这条消息比“今天下雨”这条消息会包含更多的信息。这是因为，前一条消息所表达事件几乎不可能发生，它使人感到惊讶和意外，后一条消息所表达的事件很可能发生，不足为奇。 根据概率论，事件的不确定程度可以用其出现的概率来描述。因此，消息中包含的信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量就越大。假设P(x)表示消息发生的概率，表示消息中所含的信息量，则I和P(x)之间的关系如下：1、消息中所含信息量是该消息出现的概率的函数，即I=IP(x)2、P(x)越小，I越大；反之，P(x)越大，I越小；且当P(x)=1时，I=0；P(x)=0时，I=。3、由若干个独立事件构成的消息，所含信息量等于独立事件信息量之和，也就是说，信息具有相加性；即IP(x1) P(x2) P(x3)= P(x1)+ P(x2)+ P(x3)+若I与P(x)之间的关系为I=a=-a P(x) (1)则可满足上述三项要求，所以式(1)的I为消息x所含的信息量。 信息量I的单位与底数a有关，若a=2，则信息量的单位为比特(bit)，简记为b。若a=e，则信息量的单位为奈特(nat)；若a=10，则信息量的单位为哈特莱(Hartley)。 当使用的单位为比特时，这时有I=2=-2P(x) (2)例1：设一个二进制离散信源，以相等的概率发送数字“0”或“1”，则信源每个输出的信息信息量为I(0)=I(1)=2=22=1(bit) 可见，传送等概率的二进制波形之一的信息量为1b。在工程应用中，习惯把一个二进制码元称作1b。同理传送等概率的四进制波形之一(P=)的信息量为2b，这时每一个四进制波形需要用两个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一(P=)的信息量为3b，这时至少需要用三个二进制脉冲表示。 综上所述，对于离散信源，M个波形等概率(P=)发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为： I=2=2=2M (3) 式中，P为每一天波形出现的概率，M为传送的波形数。 若M=2k(k=1，2，3，)，则 I=22 k=k 式中，k是二进制脉冲数目，也就是说，传送每一个M(M=2k)进制波形的信息量就等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K， 若消息是非等概率出现的离散消息。设离散信源是一个由M个符号组成的集合，其中每个符号xi(i=1，2，3，)按一定的概率P(xi)独立出现，即，且有=1则x1，x2，xm所包含的信息量分别为2 P(x1)，2 P(x2)，2 P(xm)于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息量为H(x)=P(x1)2 P(x1)+ P(x2)2 P(x2)+ + P(xm)2 P(xm) = (4) 由于H同热力学的熵形式相似，故通常又称它为信息源的熵，其单位为b/符号。当P(xi) =(每个符号以等概率独立出现时)，(4)就变成(3)式，此时的信源有最大值。例2：一离散信源由0、1、2、3四个符号组成，它们出现的概率分别为，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息20102013021300120321100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息中，“0”出现23次，“1”出现14次，“2”出现13次，“3”出现7次，共有57个符号，故该消息的信息量I=232 +142+132+72 =232 +1424+1324+728 =23(323)+28+26+21 =108(b)每个符号的算术平均信息量为：=1.89(b/符号)若用熵来计算，得H=2 222 =(233)+2+2+3 =1.906(b/符号) 则该信息的信息量为I=571.906=108.64(b) 以上两种结果稍有差别的原因在于它们平均的处理方法不同。前一种按算术平均的方法，结果可能存在误差。这种误差将随消息序列中符号数的增加而减少。而且，当消息序列较长时，用熵来计算更为方便些。 关于连续消息的信息量可以用概率密度函数来描述。连续消息的平均信息量为H(x)=a (x)dx 式中，(x)为连续消息出现的概率密度。 15 通信系统的主要性能指标一、概述性能指标也称质量指标，是从整个系统的角度综合提出的通信系统的指标涉及有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可靠维护性等。不同的通信业务对系统性能的要求不尽相同，但从研究信息传输的角度出发，通信的有效性和可靠性是主要的矛盾所在。 有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源(频带宽度和时间间隔)，即传输的“速度”问题。可靠性是指接收信息的准确程度，即传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾双相对统一，并用可以进行互换。二、模拟通信系统的主要性能指标 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来衡量，同样的消息用不同的调制工，则需要不同的频带宽度。如语音信号的单边带调幅(SSB，Signal side Band)占用的带宽仅为4KHZ，而语音信号的宽带调频(WBFM，Wide Band Frequency Modulation)占用的带宽则为48KHZ，可见，调幅信号的有效性比调频的好。 模拟通信系统的可靠性通常用接收端最终输出信器噪比来衡量。输出信噪比越高，通信质量就越好。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的解调后的最终信噪比是不同的。如调频信号的抗干扰能力比调幅的好，但调频信号所需的传输频带却宽于调幅的。三、数字通信系统的主要性能指标 数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。1、码元传输速率RB，又称码元速率、传码率。指单位时间传送码元的数目；单位为波特(Band)，记为B。 例如，某系统每秒内传送2400个码元，则该系统的传码率为2400B。 根据码元速度的定义，若每个码元的长度为T秒，则有：RB= (B) 这里指出，码元速率仅仅表征单位时间传送码元的数目，而没有限定这时的码元是何种进制。2、信息传输速率Rb：指单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位为比特/秒，记为b/s或bps。信息传输速率简称传信率，又称比特率。 在“0”、“1”等概率出现的二进制码元的传输中，每个码元含有1b的信息量，所以二进制数字信号的码元速率和信息速度在数量上相等。而在采用多进制码元的传输中，由于每个码元携带2M比特的信息量，所以码元速率和信息速率之间存在以下关系： Rb= RB2M(单位时间的码元数目每个码元的信息量)或 RB= 例如，在八进制(M=8)中，书籍码元速率为1200B，则Rb=120028=3600bps。3、频带利用率。单位带宽内的传输速率，即= (单位：B/HZ)或 b= (单位：b/(SHZ) 数字通信系统的可靠性可用差错率来衡量。差错率常用误码率和误信率来表示。4、误码率Pe。指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，更确切地说，误码率是码元在传输系统中被传错的概率。Pe=5、误信率Pb。又称误比特率，是指错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。Pb= 在二进制中，Pe=Pb第四章 信道 41 无线信道一、概述 信道(channel)连接发送端和接收端的通信设备，其功能是将信号从发送端传送到接收端。根据传输媒质的不同，信道可以分为两类：无线信道(wireless channel)和有线信道(electromagnetic channel)。无线信道利用电磁波在空间中传播(propagation)来传输信号，而有线信道是利用人造的传导电或光信号的媒体来传输信号。传统的固定电话网就用的是有线信道(电话线)作为传输媒质，无线电广播则是利用无线信道传输电台节目的。光也是一种电磁波，它可以在空间传播，也可以在导光的媒质中传输。所以光信号同样可分为有线和无线两大类。导光的媒质有光波导(wave guide)和光纤(optical fiber)。光纤是目前有线光通信系统中广泛应用的传输媒质。二、无线信道 无线通信的传输媒质是自由空间，电磁波从发射天线辐射出出去后，经过自由空间到达接收天线来实际传播的。理论上任何频率的电磁波都可以，但频率过低，波长过长，则辐射和接收天线很难实现。通常要求天线的尺寸不小于电磁波波长的。所以用于实际通信的电磁波频率都较高。根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播主要分为地波(ground wave)、天波(sky wave)(或称电离层反射波ionosphere reflection wave)和视线(line of sight)传播三种。地波分地面波和空间波两大类。频率较低(约2MHZ以下)的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力，这种电磁波沿地面传输称为地面波。由于地球表面是有电阻的导体，当电磁波在上面行进时，有部分电磁能被损耗，电磁波频率越高，损耗越大；如图(a)所示。所以，地面波传播适用于运用长波和超长波通信；在低频和甚低频段，地波能够传播超过数百Km或数千Km。由于地面和导电性能在短时间内变化很小，故地面波的传播特性是稳定可靠。我们知道，包围地球的大气层的空气密度是随离地面高度的增加而减少的。在离地面大约20KM以下，空气密度较大，所有的大气现象：风、雨、雪、雷、电等都是在这一区域内产生的。大气层的这一部分就叫做对流层。在离地面50Km(60Km400Km)以上，空气已很稀薄，同时红外线(ultraviolet light)辐射与宇宙射线(cosmic ray)辐射等作用已很强烈，因而空气产生电离层。这些被电离了的空气，它们的电离密度是成层分布的，所以称做电离层。白天的强烈阳光使大气电离，这些电离层由距地面从低到高，分别称为D、E和F1、F2层(layer)等。夜晚D层和F1层消失，只剩下E和F2层。 D层最低，在距地面60Km80Km的高度，它对于电磁波主要产生吸收或衰减作用，并且衰减随频率的增高而减少。所以，只有较高频率的电磁波能够穿过D层，并由高层电离向下反射。E层距地面100Km120Km，它的电浓度在白天很大，能够反射电磁波。晚上D层消失，F层的高度在150Km400Km，在白天分离为F1和F2层。F1层的高度在200Km，F2层的高度在250Km400Km，晚上合为一层。反射高频电磁波主要是F层。高频信号主要依靠F层作远程通信，根据地球半径和F层的高度，电磁波经过F层一次反射距离最大可以达到4000Km。以过反射的电磁波到达地面后可以被地面再次反射，并再次由F层反射。这样经过多次反射，电磁波可以传播10000Km以上。电磁波到达电离层后，一部分能量被电离层吸收，一部分能量被反射和折射返回地面，形成天波。如图(C)所示： 电离层 直 射 波 发 反射波 发 收 (a)地面波 (b)空间波 (c)天波由于惯性关系，频率越高，电子和离子的振荡幅度就越小，因而它们吸收的能量也就越小。从这一点看，利用电离层通信，宜采用较高的频率。但另一方面，随着频率的升高，电波穿入电离层也越深。当频率超过一定值(临界值)，电磁波会穿透电离层，不再返回地面。因此，利用电离层进行通信，可供采用的频率也不能过高，一般只限于短波波段。频率继续升高，进入超短波段后(30MHZ)，地面波衰减很大，天波又会穿透电离层，不能返回地面。这时就只能采用空间波(图b所示)方式通信。这种通信方式仅限于视线距离范围内，如电视广播等。为了增大其在地面上的传播距离，最简单的办法就是提高天线的高度从而增大视线距离。地球的半径r等于6370Km(若考虑大气的折射率对于传播的影响，地球的等效半径略有不同)，可以计算出天线高度和传播距离的关系。设收发天线的高度相等，均等于h，并且h是使此两天线间保持视线的最低高度，如图所示：发射天线发射天线hddrDr d2+r2=(h+r)2 或 d= D2=(2d)2=8rh h=(m)例，若要求视线传输距离D为50Km，则收发天线的架设高度h应为50m。由于视距传输的距离有限，为了达到远距离通信的目的，可以采用无线电中继(radio relay)的办法。如视距为50Km，则每间隔50Km将信号转发一次，也能实现远程通信。由于视线传输的距离和天线架设高度有关，天线架设越高，视线传输距离越远，可利用人造卫星作为转发站(或称基站)将会大大提高视距。通常将利用人造卫星转发信号的通信称为卫星通信(satellite communication)。在距地面约3580Km的赤道平面上人造卫星绕地球转动的周期和地球自转周期相同，从地面上看卫星好象静止不动。这种卫星称为静止(geostationary)卫星。用三颗这样的静止卫星作为转发站就能覆盖全球，保证全球通信。利用卫星作为转发站能够增大一次转发的距离，但是却增大了对发射功率的要求和增大了信号传输的延迟(delay)时间。所以，人们便开始了对平流层(stratosphere)通信的研究。平流层通信是指用位于平流层的高空平台电台(HAPS，High Altitude Platform Stations)代替卫星作为基站的通信，平台高度距地面17Km22Km。可以用充氦飞艇、气球或太阳能能力飞机用为安置转发站的平台。若其高度在20Km，则可以实现地面覆盖半径约500Km的通信区。若在平流层放置250个充氦飞艇，可以覆盖全球90%以上人口的地区。平流层通信与卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小，建设快，容量大，是正在研究中的一种通信手段。 电磁波在大气层内传播时会受到大气的影响。大气(主要其中的氧气和水蒸气)及降水都会吸收和散射(scatter)电磁波，使频率在1GHZ以上的电磁波的传播衰减(attenuation)显著增加。电磁波的频率越高，传播衰减越严重。在一些特定的频率范围，由于分子谐振(resonance)现象而使衰减出现峰值。在频率23GHZ附近，出现由于水蒸气(vapor)吸收产生的第一个谐振点。在频率62GHZ附近，出现由于氧气(oxygen)吸收产生的第二个谐振点。氧气吸收的下一个谐振点发生在120GHZ。水蒸气的另外两个吸收频率为180GHZ和350GHZ。在大气中通信时应避免使用上述衰减严重的频率。此外，降水对于10GHZ以上的电磁波也有较大的影响。此外，电磁波还可以经过散射方式传播。散射传播和反射传播不同，无线电波的反射特性类似光波的镜面反射特性。而散射则是由于传播媒体的不均匀性，使电磁波的传播产生向许多方向折射的现象。散射现象具有较强的方向性，散射的能量主要集中于前方，故常称其为前向散射(forward scatter)。由于散射信号的能量分散于许多方向，故接收点散射信号的强度比反射强度要小很多。散射传播分为电离层散射、对流层散射(troposphere)和流星余迹(meteor trail)散射三种。 电离层散射现象发生在30MHz60MHz的电磁波上。由于电离层的不均匀性，使其对于在这一频段入射的电磁波产生散射。这种散射信号的强度与30MHz以下的电离层反射信号的强度相比，要小得多，但是仍然可以用于通信。 对流层散射是由于对流层中的大气不均匀性产生的。从地面至高约十余Km间的大气层称为对流层。对流层中的大气存在强烈的上下对流现象，使大气形成不均匀的湍流(turbulence)。电磁波由于对流层中的这种大气不均匀性可以产生散射现象，使电磁波散射到接收点。利用对流层散射进行通信的频率范围主要在100MHz4000MHz；对流层散射通信的有效传播距离最大约为600Km。流星余迹散射是由于流星经过大气层时产生的很强的电离余迹使电磁波散射的现象。流星余迹的高度在流星余迹80Km120Km，余迹长度在15Km40Km。流星余迹的频率范围在30MHz100MHz，传播距离可达1000Km以上。一条流星余迹的存留时间在十分之几秒到几分钟之间，但是空中随时都有大量的人们肉眼看不见的流星余迹存在，能够随时保证信号断续地传输。所以，流星余迹散射通信只能用于低速存储、高速突发的断续方式传输数据。在民用无线电通信中，应用最广的是蜂窝网(cellular network)和卫星通信。蜂窝网工作在特高频(UHF)频段，在手机和基站使用地波传播。卫星通信工作在特高频和超高频(SHF)频段，其电磁波传播采用视线传播方式，地面和卫星之间的电磁波要穿过电离层。 42 有线信道一、传输电信号的有线信道传输电信号的有线信道主要有三类，即明线(open wire)、对称电缆(symmetrical cable)和同轴电缆(coaxial cable)。 明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。它的传输损耗低，但易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰较敏感，并且很难沿一条路径架设大量的线路，现在大多采用电缆，电缆分对称电缆和同轴电缆两类。 对称电缆则若干对芯线的双导线放在一根保护套内制造成的。为了减小各对