现代通信系统原理 课件 第1章 通信系统概论

第1章通信系统概论1.1通信发展历史1.2通信系统1.3信息及其度量1.4通信系统的性能指标

1.1通信发展历史

通信是指克服距离上的障碍进行信息的传输与交换。在现代通信中，信息一般是以电信号的形式传输的。这里说的电信号是广义的，包括光信号，因为光也是一种电磁波。

真正利用电信号进行通信的历史要从近代开始。1837年美国人塞缪尔·莫尔斯(图1.1.1)发明了实用的有线电报通信，1844年长距离电报机研发成功，很快就风靡全球，成为当时最时尚的传信方式，这是近代通信开始的标志。1876年美国人亚历山大·格雷厄姆·贝尔(图1.1.2)发明了有线电话通信。仅仅过了4年，纽约大街电线杆上的电话线(图1.1.3)已经多达350条，可以说电话通信改变了社会的面貌。电报和电话通信的出现，改变了人们的生活和工作方式，对人类社会发展产生了巨大的推动作用。图1.1.1塞缪尔·莫尔斯

图1.1.2亚历山大·格雷厄姆·贝尔

图1.1.31880年纽约街貌

1895年意大利人伽利尔摩·马可尼(图1.1.4)和俄国人亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫分别于同年发明了无线电通信，马可尼还设计了第一个无线电发射器。图1.1.4伽利尔摩·马可尼

1920年至1928年美国人奈奎斯特(图1.1.5)和哈特莱等发表论文，提出了采样定理和无码间干扰传输准则等通信理论。图1.1.5哈里·奈奎斯特

1948年至1950年美国人克劳德·香农(图1.1.6)发表信息论方面的奠基论文，美国人理查德·卫斯里·汉明和戈莱在贝尔实验室设计出纠错码，建立了信息与编码理论。图1.1.6克劳德·香农

卫星通信、光纤通信和蜂窝移动通信是现代通信技术的重要方式。其中卫星通信是美国人约翰·罗宾森·皮尔斯于1955年提出的设想，1962年诞生了第一颗通信卫星Te1star(图1.1.7)。图1.1.7第一颗通信卫星Te1star

光纤通信是华裔科学家高锟(图1.1.8)于1966年发明的，因此高锟被誉为“光纤之父”。图1.1.8“光纤之父”高锟

现代通信技术的高速发展和进步，促进了社会各行各业的发展，为不同行业的发展注入了新的活力，形成了通信行业的生态系统，促进了整个社会的发展。利用现代通信系统，世界各地的人们不用聚在一起，就可以通过电视/电话进行开会与交流；人们可以足不出户地获取新闻资讯和娱乐信息，并且可以在家中购物；购物可以不再用现金，人们可以直接利用手机进行移动支付。利用第五代移动通信提供的物联网业务，可以实现对于车辆、物品、气候和环境等的实时监控，以及实现智能家居生活等方式。通信的发展促进了人类社会生产力的发展，改进了社会的生产方式，改变了人们的生活方式与生活习惯，更新了人们的思想观念与发展理念，极大地促进了人类文明的进展。而社会生产力与社会文明的进步与发展又为通信行业的发展提供了基础与环境，会进一步促进通信行业的发展。

1.2通信系统

通信系统是指完成通信的一切技术与设备的总和。通信系统的主要任务是信息传输，即将信源产生的消息传送到作为目的地的信宿，不同的终端通过信息传输进行信息交换。

1.2.1通信系统的基本模型

为了便于分析和研究通信系统，人们通过对大量通信系统进行研究与分析，提炼出通信系统的共性，形成通信系统的基本模型。如图1.2.1所示，信源和发送设备构成发送端，接收设备和信宿构成接收端。通信系统需要传输的消息可能是声音(语音、音乐等)、图片、图像、视频、文字等，这些消息的共同特点是具有不确定性，或称随机性，否则就没有必要去传输它们。在通信系统基本模型中，将消息转变成原始电信号或基带信号的部分定义为信源。

在接收端，将原始电信号或基带信号转化为用户所需要消息的部分定义为信宿。信源和信宿的功能是互逆的。通信系统的核心是发送设备、信道和接收设备。此外，通信系统中发送设备和接收设备的元器件会产生噪声，信道也会引入噪声。因而在通信系统基本模型中，把这些噪声集中在信道中用一个噪声源表示。图1.2.1通信系统的基本模型

1.发送设备

发送设备将输入的原始电信号或基带信号转换成适合于信道传输的信号形式。例如，无线电广播电台的发射机需要将输入音频信号的频率变换到适合由天线发射的频段上，这种变换过程称为调制。调制的主要手段是使一个高频正弦载波的振幅、频率或相位随输入信号变化而变化。

发送设备除了调制功能外还完成其他一些任务，例如：对输入和输出信号进行滤波和功率放大等。在无线电发送设备中还必须有发射天线，才能将信号辐射出去。

2.信道和噪声

信道是将信号从发送设备向接收设备传送的物理媒质。在无线电通信中，信道是空气和自由空间；有线电话的信道则是铜线或光纤等有线传输介质。信号在信道中传输会遇到衰减和干扰的问题。衰减是指信号的功率因在信道中传输而下降。在一些无线信道(如短波电离层信道和陆地移动通信信道)中，多径传播是另外一种使信号质量降低的重要因素。多径传播使信号振幅随机起伏的现象称为衰落。一般将衰减或衰落称为乘性干扰或乘性噪声。

信道中的基本干扰是由通信系统中各元器件产生的热噪声造成的。在无线电信道中，还有人为噪声和自然噪声等干扰进入接收设备。例如，汽车点火产生的干扰是一种人为噪声；闪电属于大气噪声，它是一种自然噪声。此外，无论是无线通信还是有线通信，信道中可能还有来自其他用户的干扰。上述这些噪声或干扰都是叠加在信号上的，故统称为加性干扰或加性噪声。

3.接收设备

接收设备的功能是将接收到的信号转换为原始电信号或基带信号，这些原始电信号再通过信宿后恢复成消息。如果消息是由载波的调制载荷的，则接收设备需要将接收信号解调提取出原始电信号或基带信号。由于解调的信号中包含各种干扰和噪声，因此解调出的消息质量必然有所降低。消息质量降低的多少和调制种类、干扰或噪声的强度及解调方法有关。除了解调外，接收设备还有一些其他功能，包括低噪声放大和滤波等处理。

1.2.2通信方式

通常将通信双方之间共享信道的工作方式定义为通信方式。对于点与点之间的通信，通信方式可分：

单工通信，指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道，如图1.2.2(a)所示。广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的实例。

图1.2.2单工、半双工和全双工通信方式示意图

半双工通信，指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图1.2.2(b)所示。

图1.2.2单工、半双工和全双工通信方式示意图

全双工通信，指通信双方可同时收发消息的工作方式。全双工通信的信道必须是双向信道，如图1.2.2(c)所示。图1.2.2单工、半双工和全双工通信方式示意图

1.2.3通信系统的分类

1.按信源输出的信息业务分类

按照信源输出信息的业务类型，通常将通信系统分为话务通信和非话务通信两类。电话是电信领域中的重要业务，属于人与人之间的主要通信方式之一。近年来，非话务通信迅速发展。在具体细分中，非话务通信主要包括分组数据业务、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、图像与视频通信等。以前，由于电话通信最为发达，其他通信常常借助于公共的电话通信系统来进行。现在，随着通信技术的发展与通信业务的拓展，各种不同用途的消息，包括话音、图像、视频、数据文件等综合业务都可通过一个统一的互联网进行传输。

2.按发送设备中所包含的转换装置分类

在通信系统的基本模型中，发送设备包含调制、功率放大器和天线等多个功能模块。根据发送设备中是否采用调制功能模块，可将通信系统分为基带传输系统和频带(带通或调制)传输系统。基带传输是将未经调制的信号(通常称为基带信号)在信道中直接传送，如音频市内电话、有线局域网各节点之间的数据传输系统。频带传输是对各种已调信号传输的总称。根据发送设备和接收设备中天线的数目，可以把通信系统分为单发单收(SISO)天线通信系统、单发多收(SIMO)天线通信系统、多发单收(MISO)天线通信系统和多发多收(MIMO)天线通信系统。

3.按信道中传输信号的特征分类

信道是携带信息的信号的传输通道。一般根据信道中传输信号所携带信息参量的特征，可将信道信号分为模拟信号和数字信号两大类。在通信系统中，模拟信号是指信号中携带信息参量的变化状态是连续的、不可数的；数字信号是指信号中携带信息参量的变化状态是离散的、可数的。

按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统两类。现在的调幅(AM)和调频(FM)广播都是将语音信号分别调制到载波的幅度和频率上，之后发送至用户的收音机，通过收音机恢复出语音信号。

4.按信道中的传输媒质分类

信道中传输信号的媒质有不同的类型。按信道中的传输媒质的不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。所谓有线通信是用导线(如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等)作为传输媒质来传输信号的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。所谓无线通信则依靠电磁波在空间传播以实现传递消息的目的，如依靠短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继传播等。

5.按信道中信号的复用方式分类

信道复用是指在一个信道中传输多路信号的方法，可以提高信道的利用率。

信道传输多路信号主要有四种复用方式，分别为：频分复用、时分复用、码分复用和空分复用。频分复用是指用频谱搬移的方法使各路信号占据不同的频率范围；时分复用是指各路信号占据不同的时间区间(又称为时隙)；码分复用是指各路信号占用不同的正交码序列；空分复用是指利用多天线对空间进行分割，各路信号占用不同的波束或子空间。传统的模拟通信中都采用频分复用方法；随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛；码分复用主要用于扩谱通信技术；空分复用主要应用在第四代和第五代移动通信系统中。

6.按接收设备中解调方式分类

在通信系统基本模型中，接收设备完成发送设备的逆变换。调制是发送设备的重要功能，解调则是接收设备中的重要功能。通常根据解调中是否使用相干载波，把通信系统分为相干接收和非相干接收通信系统。所谓相干载波是指在接收端从接收信号中提取的与发端载波同频同相的载波。对于通信系统而言，采用相干解调的系统性能一般都优于采用非相干解调的通信系统。

1.2.4模拟通信系统

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号的频谱通常从零频率附近开始，如语音信号的频带为300～3400Hz，图像信号的频带为0～6MHz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输，需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换和反变换过程通常由调制器和解调器来完成。经过调制的信号称为已调信号，又称为频带(带通)信号。已调信号有3个基本特征：一是携带信息，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。

在模拟通信系统中，从发送端到接收端的传递过程中，除了基带信号与带通信号之间的变换外，实际通信系统中可能还有滤波、放大、天线辐射和控制等过程。由于实际通信系统中这些处理过程不会使信号发生质的变化，只是对信号进行了放大或改善信号特性等处理，因而不予讨论。

因此，模拟通信系统模型可由图1.2.1略加演变而成，如图1.2.3所示。图1.2.3模拟通信系统模型

1.2.5数字通信系统

在信道中传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。在数字通信系统中，若信源送出的是模拟信号，则此模拟信号需要先数字化，变换成数字信号，再经过数字调制发送出去；在接收端用数字解调器恢复出发送的数字信号，然后将其变换回原模拟信号。当信源发出的信号已经是数字信号时，例如计算机输出的数字数据，就不需要上述的数字化过程。图1.2.4画出了数字通信系统的模型。图1.2.3模拟通信系统模型

在发送端，信源的输入传感器输出的信号可以是模拟信号或是数字信号。若是模拟信号，则在信源编码时首先要将其数字化。信源编码器的功能可以分为独立的两部分。压缩编码部分的功能是减小或消除输入信号中的冗余度，以提高消息的传输效率。保密编码部分的功能是防止他人窃取传输的消息。根据系统设计和用户的需求，这两部分不一定都有，甚至可以都没有。例如，一些传输计算机数据的普通系统，信源输出的数字数据可以直接进行信道编码。信源编码器输出的信号一般都是二进制数字序列，它被送入信道编码器。

信道编码器的功能是在其输入数字序列中按照某种规律增加一些码元，接收到的数字序列按照这种规律可以检出错码或纠正错码，从而减小错误接收概率，提高系统抗干扰与噪声的能力。例如，最简单的一种信道编码方法就是将每个发送比特重复发送几次，若在传输中产生个别错码，则在接收端解码时可以按照“少数服从多数”原则，判定多数的正确。信道编码器的输出送到数字调制器。

数字调制器的主要功能是使发送到信道上的数字信号的电特性适合在信道上传输，并且能够可靠、高效地传输。在发送端，数字调制器之前的信号都称为基带信号。如前所述，基带信号的频谱一般从很低的频率开始，甚至包括直流分量，最高可以达到几十兆赫以上。许多信道不能传输低的频率分量和直流分量。为了在这类信道中传输包含低频率分量的信号，需要将基带信号调制到高频正弦载波上。这类调制称为载波调制。载波频率通常比基带信号所处的频带位置高很多。经过载波调制的信号称为频带(带通)信号。此外，基带信号也可以用其他方法做波形变换，使之适合在信道中传输。

例如，将码元的码型改变以消除其直流分量；或将二进制码元变换成多进制码元，减小其带宽，以满足信道对于带宽的限制。这种基带信号处理也属于调制的范畴，可以称为基带调制(又称为基带码型变换)。所以，广义地说，调制可以分为载波调制(带通调制)和基带调制两大类。不过，在大多数场合和大多数中文书籍中，都将调制作狭义的理解，即把载波调制简称为调制。

信道对数字信号传输的影响有两个方面。

第一，信道的带限特性使数字信号传输产生码间干扰；信道的随机时变特性使数字信号产生衰落。

第二，信道中加性噪声使数字信号产生畸变。

与模拟通信系统相比，数字通信系统具备下述优点：

(1)数字信号受传输影响较小，因为在接收端可以利用整形的方法(再生，即重新恢复出原来信号的形式)除去信号波形的失真。特别是在长距离传输时，在每个转发站中都可以对接收信号进行整形，以消除噪声的积累。与此相反，在长距离传输时，模拟信号上叠加的噪声在转发站中不会消除或减小，各段线路中的噪声积累将使信号质量下降。

(2)数字通信系统中可以采用纠错编码等差错控制技术，提高系统的抗干扰性能。

(3)数字通信系统中可以采用数据压缩技术，减少输入信号中的冗余度，采用存储转发等技术进行数据交换，采用扩频、非正交多址、多用户检测等多种先进的数字信号处理技术提高数字通信系统容量和抗干扰等方面的性能。

(4)数字通信系统中可以采用高保密度的加密技术，提高传输的安全性。

(5)和模拟通信设备相比，数字通信设备具有便于集成、小型化和低功耗等优点，其设计和制造更容易，价格更便宜。

由于数字通信对同步要求高，因而系统设备同模拟系统相比要更复杂。不过，随着微电子技术、超大规模集成电路和计算机技术的迅猛发展，数字通信的这一缺点已经弱化。数字通信的另一个缺点是其占用带宽大，例如传输一路模拟语音信号，基带带宽需要4kHz，而传输达到同样质量的数字语音信号需要64kHz。为满足数字通信系统对带宽的需求，通信系统的工作频段在不断提升，目前一些无线通信系统已工作到毫米波段和太赫兹频段。不断提高的频段为通信系统提供了丰富的带宽资源。数字通信的以上两个缺点在通信发展中不断弱化，数字通信相对于模拟通信无可比拟的优点，已使得数字通信逐步取代模拟通信而占主导地位。

1.3信息及其度量

1.3.1消息和信息语音、图形、活动图像、视频、符号、文字等都是不同形式的消息。消息是信息的外在形式，信息是消息中包含的有效内容。消息具有一定的不确定性。人们传递消息是为了获取其中包含的信息。若此消息是确定的，或者说是确知的，则没有必要传递了。例如，“太阳会发光”是人所共知的，则没有必要传递这个消息。也就是说这个消息中不包含信息，或包含的信息量为0。

1.3.2信号

信号是消息的载体，是一种电波形，这种电波形代表消息，用于在通信系统中传输。在通信系统中，一般按照信号中代表消息的参量取值方式的不同，将信号分为模拟信号和数字信号两大类。

第一类：模拟信号，又称为连续信号，例如，话筒送出的语音信号。模拟信号的电压和电流可以用取值连续的时间函数表示，如图1.3.1(a)所示。模拟信号还可以采用时间上不连续的波形表示，如图1.3.1(b)所示。在1.3.1图中，脉冲的幅度承载语音信号，幅度变化的状态是不可数的。图1.3.1模拟信号

第二类：数字信号，又称为离散信号，例如，计算机输出的数字信号。数字信号的电压和电流仅可能取有限个离散值，如图1.3.2(a)所示。数字信号还可以用时间连续的波形表示，如图1.3.2(b)所示。在该图中用于承载信息的是一个周期正弦波的初相，正弦波初相变化是离散的，状态是可数的。

特别需要注意的是：在通信系统中区分模拟信号和数字信号的准绳是在信号中表征消息参量的取值是连续的还是离散的，而不是时间波形是否连续变化。模拟信号在时间上可以是离散的，如图1.3.1(b)所示；数字信号在波形上可以是连续变化的，如图1.3.2(b)所示。图1.3.2数字信号

1.3.3信息量

新闻是最常见的消息。若一则新闻称某地在夏季降了一场大雪，这是一则惊人的新闻；若一则新闻称某地在夏季降了一场小雨，则人们认为这没有什么可以惊讶的。这就是说，前一则新闻包含的信息量比后一则大。若在新闻中除了天气方面的信息，还有路况等其他方面的信息，那么这则新闻相对于仅包含天气信息的新闻所含的信息量更大。

由上述例子可以看出，消息中包含的信息量大小，与该消息出现的可能性大小有关，还与消息中所包含相互独立消息的数目有关。一般而言，包含某一信息的消息x出现的可能性越小，所含的信息量越大。可能性在数学上可以用概率来表示。这就是说，消息出现的概率越小，则该消息所含的信息量越大。因此，消息x的信息量定义如下：

式中，I(x)为消息x的信息量，P(x)为消息x出现的概率，信息量的单位是比特或bit(英文表示)。

在二进制数字通信中，若数字符号“1”和“0”的出现概率相等，各占1/2，则每个符号所含的信息量等于1比特(这里已经暗中假定了每个符号的出现是独立的)。需要指出的是，在计算机技术和通信技术中，通常不考虑二进制数字符号是否以等概率出现，以及是否独立出现，都将一个二进制符号称为1比特。这时，比特已经成为信号的单位了，1比特就是指一个二进制符号，它不再代表信息量。而在电路中一个二进制符号用一个二进制码元表示，如图1.3.2(a)所示。这样，一个二进制码元又可以称为一个比特。

如一则新闻y中包含两个相互独立的消息x1和x2，其出现的概率分别为P(x1)和P(x2)，则新闻y所包含的信息量为

在通信系统中，如果信源输出的消息是离散的数字消息，消息或符号的种类是有限的，则称为离散信源。如果一个信源输出的消息是连续的模拟消息，将这个信源称为模拟信源。如果对模拟信源输出模拟消息的信号数字化，变换成数字信号，即可将模拟信源转化为离散信源。因而下面我们重点讨论离散信源的情况。通常将离散信源输出符号的种类称为离散信源的进制数。对于一个离散信源，通常用其输出的符号和符号出现的概率表征其统计特性。

如一M进制信源X的统计特性可以表示为

对于一个M进制离散信源而言，利用式(1.3.3)统计特性中给出的各个符号出现的概率，可以计算出各个符号所包含的信息量。

如果一条消息y包含该信源输出的N个符号，各个符号出现的次数分别为n1，n2，…，nM，且各个符号相互独立，则这条消息所包含的信息量为

例1.1一个离散信源X输出0，1，2，3，4，5共六种符号，各符号出现的概率分别为1/8，1/2，3/16，1/16，1/16，1/16，且输出的每个符号都是相互独立的。试求该信源输出的消息101504201211510210115104020121131241151041011211341121151152111231411012113112112112321212的信息量。

解在此消息中，符号0出现11次，1出现45次，2出现17次，3出现5次，4出现6次，5出现6次，共有90个符号，故此消息的信息量为

当消息y

所包含的符号数较少时，可以非常简单地统计出各个符号在一条消息的出现次数，利用式(1.3.4)可以计算出该条消息所包含的信息量。但如果一条消息所包含的符号数非常多，如一幅图片大约包含108个符号，统计各个符号出现的次数的工作量非常大，这种情况下按照式(1.3.4)计算消息所包含的信息量非常困难。

1.3.4平均信息量

如果一个离散信源X的统计特性是由式(1.3.3)给出，则该信源输出符号的平均信息量或该信源的熵定义为

平均信息量的单位是bit/syｍbo1，或中文表示为：比特/符号。平均信息量指的离散信源输出符号包含信息量的统计平均，对于计算一条包含符号数量较大的消息的信息量来说是非常简单的。

若一条消息y包含N个M进制离散信源输出的符号，各个符号统计独立，信源的统计特性服从式(1.3.3)，平均信息量由式(1.3.5)给出，则该条消息所包含的信息量为

在式(1.3.6)中，Ｎ可以任意大。平均信息量的引入大大地简化了消息信息量的计算。例1.1中，使用式(1.3.6)的方法计算离散信源的输出符号的平均信息量为

则90个符号的信息量为I=90×2.0778=187.002bit。

1.4通信系统的性能指标

1.4.1模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的有效性通常用频带利用率和功率利用率两个指标来表征。频带利用率通常是指模拟基带信号带宽与系统所用传输带宽之比，功率利用率是指承载所传输模拟信号的边带信号功率与总发射功率之比。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。模拟通信系统的可靠性通常用接收端最终输出模拟信号的信噪比来度量。不同调制方式在解调器输入信噪比相同的条件下所得到解调后的信噪比是不同的。

1.4.2数字通信系统的性能指标

数字通信系统的有效性是指传输信息的效率，主要指标有传输速率、频带利用率和能量利用率等。而可靠性则是指传输信息的准确程度，通常用错误率来表征，主要指标有误码率、误信率和误字率等。其有效性和可靠性的具体性能指标如下。

1.传输速率

传输速率有如下3种定义：

(1)码元速率(RB)：单位时间(s)内传输的码元数目，也称作传码率，其单位是符号/秒，简记为波特(Baud)。

(2)信息速率(Rb)：单位时间(s)内传输的信息量，也称作传信率，其单位是比特/秒(b/s)。

在1.2节中已经指出，通常认为一个二进制码元含有1比特的信息量。这时的码元速率和信息速率在数值上相等。例如，若码元速率为2400Baud，则相当于信息速率为2400b/s。

对于传输多(M)进制信号的情况，若M个符号的统计特性满足式(1.3.3)，每个码元含有的平均信息量是H(X)，信息速率和码元速率的关系为

(3)消息速率(RM)：单位时间内传输的消息数目。例如，传输中文文件时，消息速率的单位是字/秒。

2.频带利用率

频带利用率也是数字通信系统重要的性能指标之一。频带利用率通常有两种不同的定义，第一种是指单位频带内传输的码元速率。若系统传输带宽为W，码元传输速率为RB，则频带