通原第1章课件

通原第1章教学内容（1）常用通信术语；（2）模拟信号与数字信号的区分；（3）通信系统组成和分类，通信方式；（4）数字通信系统的主要特点；（5）离散消息的信息量，平均信息量（信源熵）；（6）码元速率、信息速率，频带利用率，误码率；

现代通信技术及其发展通信（communication）的目的是实现信息的传递。现代通信技术是用电子、光技术实现信息传递的一门技术学科。现代通信技术以电子技术为基本手段，实际上应称为电通信，简称为通信。

1838年摩尔斯发明有线电报并于1844年建立了第一条试验型电报线路。1876年贝尔发明有线电话。1898年发明无线电报技术。1906年真空电子管出现并首先应用于通信。1918年出现无线电广播。1938年电视广播开始。1940年研制出雷达与微波通信系统。1946年第一台电子管计算机诞生。1948年香农提出信息概念，奠定了经典信息论基础。1948年发明了晶体管，这是电子器件领域内的重大革命。1956年第一根越洋（大西洋）海缆建成。1958年第一颗通信卫星上天。1961年发明集成电路，它的问世对通信技术的发展产生巨大的影响。1962年第一颗同步通信卫星上天，1965年第一颗国际通信卫星进入商业运行，并在70年代开始广泛地进入商业应用。1960年激光器问世，1977年底第一个光纤通信系统投入使用。70年代.大规模及超大规模集成电路在通信领域应用,计算机与通信技术的结合。80年代到90年代，通信网现代化,网络程控化、数字化、智能化,ISDN网、Internet、移动通信网、宽带接入网等成为热点。

1.2.1通信系统的基本概念

1.通信、消息、信息、信号通信：信息（或消息）的传输和交换。“通信”这一术语时，一般均指“电通信”。光是一种电磁波,光通信也属于电通信。消息：能够向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、语音、图像等。消息分两类：离散消息（消息的状态是可数的或有限个，如文字、符号、数据）。连续消息（消息的状态连续变化，如语音、活动图片等）。具有随机性、可度量。消息是具体的但不物理。

信息：根据香农(Shannon)的信息理论，信息是对客观事物运动状态和人类主观思维活动存在的不确定性描述。信息量：一则消息包含信息的多少，其大小与消息的不确定性因素有关。消息的内涵，消息中所包含的受信者原来不知而待知的内容。通信的根本目的在于传输含有信息的消息。通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。信号：消息的电表示形式。消息的传递是通过物质载体电信号来实现，通过把消息寄托在电信号某一参量（连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。信号分模拟信号和数字信号。

模拟信号：信号参量取值是连续的或无穷多个值，且直接与消息相对应的信号,也称连续信号。指信号的某一参量可以连续变化或某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如抽样信号。

图1–2模拟信号波形(a)连续信号；(b)抽样信号数字信号：信号参量只能取有限个值，且不直接与消息相对应信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，如2PSK信号。图1-3数字信号波形(a)二进制波形；(b)2PSK波形

1.1.1通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。1）一般模型消息转换成基带信号;模拟(语音图像)或离散(符号脉冲文字)信号变换使适合在信道传输;调制或信源编码和信道编码有线及无线;数学模型接收信号转换成基带信号电信号转换成相应消息;相同度发送设备：将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号（已调信号）。信道:传输信号的物理媒质，分有线和无线信道。无线信道:大气（自由空间）、真空及海水.有线信道:明线、电缆或光纤。媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。信源：消息的产生地，把各种消息转换成原始电信号（消息信号或基带信号）。模拟信源:电话机、电视摄像机.数字信源:电传机、计算机等.有两种变换：⑴原始消息变为电(基带)信号，⑵基带信号通过调制器转换成频带(已调)信号；同时两种变换在接收端都要经过反变换。2）模拟通信系统的模型

信源发出的原始电信号是基带信号.基带:指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为300~3400Hz，图像信号为0~6MHz。两种变换:（1）连续消息↔基带信号，完成这种变换和反变换的是信源和信宿；（2）基带信号↔已调信号，完成这种变换和反变换的是调制器和解调器。经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号三个基本特征：一是携带有信息；二是适合在信道中传输；三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，又称频带信号。

（2）模拟通信系统的优缺点优点：通过信道的信号频谱比较窄，信道的利用率高。缺点：抗干扰能力差，不易保密，设备是模拟电路不易大规模集成化，不适于飞速发展的计算机通信要求。通信系统实例图1–5数字通信系统模型

3）数字通信系统数字通信系统利用数字信号来传递信息。

①信源编码与译码

信源编码作用：a.模拟信号转换成数字信号。b.数据压缩：设法减少码元数目和降低码元速率。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。信源编码(无失真和限失真编码定理)任务:减少冗余，提高编码效率。针对信源输出符号序列统计特性，寻找把输出符号序列变换为最短码字序列的方法。途径：①符号独立，解除相关性。②概率均匀化。无失真定理：适于离散信源；无损可逆。最佳变长编码（Huffman编码、Fano编码、Shannon编码等）、游程编码。例：aaaaaaabbbcdefffff游程编码为：Sca7Scb3cdeScf5限失真编码定理：有损压缩、不可逆压缩。有预测编码、算术编码、变换编码、矢量量化编码。

②信道编码与译码编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成“抗干扰编码”。接收端信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。

③加密与解密为保证所传信息的安全，人为将输入明文扰乱，即加密。在接收端恢复解密。

④数字调制与解调把数字基带信号的频谱搬移到高频，形成适合信道的频带信号。

⑤同步与数字复接收、发两端信号在时间上保持步调一致。分载波同步、位同步、群同步和网同步。数字复接是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。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。数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据通过模拟电话线路传输，必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。3.数字通信的主要特点1）抗干扰能力强。2）差错可控。可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性。3）易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。4）易于集成化，从而使通信设备微型化。5）易于加密处理，且保密强度高。缺点：数字通信比模拟通信占据更宽系统频带。数字通信对同步要求高，系统设备复杂。数字信号波形的再生1.2通信系统分类与通信方式1.2.1通信系统的分类1．按通信业务分类有话务通信和非话务通信。非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。2．按调制方式分类基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。表1-1常见的调制方式

调制方式用途连续波调制线性调制常规双边带调制广播抑制载波双边带调幅立体声广播单边带调幅SSB载波通信、无线电台、数传残留边带调幅VSB电视广播、数传、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幅度键控ASK数据传输频率键控数据传输调制方式用途脉冲调制数字调制相位键控PSK、DPSK、QPSK等数据传输、数字微波、空间通信其他高效数字调制QAM、MSK等数字微波、空间通信脉冲模拟调制脉幅调制PAM中间调制、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军用、民用电话差分脉码调制DPCM电视电话、图像其他语音编码方式ADPCM、APC、LPC中低速数字电话3．按信号特征分类按传输信号，分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，分有线通信系统和无线通信系统。有线通信：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，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信：依靠电磁波在空间传播传递消息，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。

5．按工作波段分类分为长波通信、中波通信、短波通信、远红外线通信等。工作波长和频率的换算公式

λ=

λ为工作波长，f为工作频率，c为光速。

表1–2通信波段与常用传输媒质

频率范围波长符号传输媒质用途3Hz~30kHz104~108m甚长甚低频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30~300kHz103~104m长低频LF有线线对长波无线电导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中中频MF同轴电缆短波无线电调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m短高频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30~300MHz1~10m超短甚高频VHF同轴电缆米波无线电电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航频率波长符号传输媒质用途300MHz~3GHz10cm~1m微波特高频UHF波导分米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达3~30GHz1cm~10cm微波超高频SHF波导厘米波无线电微波接力、卫星和空间通信、雷达30~300GHz1~10mm极高频EHF波导毫米波无线电雷达微波接力、射电天文学107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可见光红外光纤激光空间传播光通信6．按信号复用方式：频分复用是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。

1.2.2通信方式1．按消息传递方向与时间关系分点与点通信，可分为单工、半双工及全双工通信三种。单工通信：消息只能单方向传输的工作方式，广播、遥测、遥控、无线寻呼等。半双工：双方都能收发消息，但不能同时进行收和发。对讲机，收发报机及问询、检索、科学计算。全双工，指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。电话、手机、计算机之间的高速数据通信。根据一次传输数据的多少划分.并行传输:多个数据同时在通信设备间的多条通道上传输，每个数据都有自己专用的传输信道。特点：速度快，适于近距离。远距离传输费用高。2．按数字信号排列顺序分

串行传输:数据按顺序一位一位在通信设备间的一条通道上传输。特点：速度较低，传输距离远。需外加同步措施，这是串行传输必须解决的问题。1.3信息及其度量消息是具体的，信号是消息的载体，而信息是其内涵。信息量是对消息中这种不确定性的度量。越是不可预测的事件，越会使人感到惊奇，带来的信息越多。事件的不确定性可用其概率来描述.

信息量与消息发生的概率密切相关。消息出现的概率越小，消息中包含的信息量就越大。信息I与消息出现的概率P(x)之间的关系为：（1）信息量是概率的函数，I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1时，I→0P(x)→0时，I→∞（3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量之和，信息具有相加性，I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…信息量与消息出现概率关系:I=loga1/P(x)=-logaP(x)信息量的单位如果对数以2为底，单位比特（bit）如果对数以e为底，单位奈特（nat)对数以10为底，单位哈特莱（Hartley）例1–1设二进制离散信源，以相等的概率发送数字0或1，每个码元信息含量为：I(0)=I(1)=log2=log22=1(bit)等概率的二进制波形之一（P=1/2）的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，每个四进制波形要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，至少需要3个二进制脉冲。

I=log2=log2=log2M(bit)若M是2整幂次，M=2K（K=1，2，3，…），I=log22K=K(bit)说明传送每一个M（M=2K）进制波形的信息量等于用二进制脉冲表示该波形所需的脉冲数目K。离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形出现独立，则传送M进制波形之一的信息量2.平均信息量(信息熵)平均信息量:非等概情况，设离散信源由n个符号组成，每个符号xi(i=1,2,3,…,n)出现的概率为P(xi)，且有P(xi)=1,每个符号所含信息量的统计平均值H(x)=-{P(x1)［log2P(x1)］+P(x2)［log2P(x2)］+…+P(xn)［log2P(xn)］}=由于H同热力学中的熵形式一样，故通常又称它为信息源的熵，其单位为bit/符号。当信源中每个符号等概独立时，熵有最大值。

例1-2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3/8,1/4,1/4,1/8，且每个符号的出现都是独立的。试求某消息201020130213001203210100321010023102002010312032100120210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，故该消息的信息量为每个符号的算术平均信息量为若用熵的概念来计算由抽样定理：一个频带受限的连续信号，可以用每秒一定数目的抽样值代替。抽样值可以用若干个二进制脉冲序列来表示。任何形式的待传信息都可以用二进制形式表示而不失主要内容。信息量的定义和计算适用于连续信号。

离散信源的平均信息量（信息墒）： 连续信源的熵（相对墒）1.4主要性能指标通信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统主要性能指标：有效性指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，可互换。模拟通信系统有效性用有效传输频带来度量。可靠性用接收端最终输出信噪比度量。数字通信系统有效性用传输速率来衡量。可靠性用差错率来衡量。用一种波形代表一个代码或几个代码的组合。这种携带数据信息的波形或信号脉冲叫做码元.1.传输速率1)码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关:例如：若T=833×10−6秒，