第一章 绪论,1.1 引言 1.2 通信系统的组成 1.3 通信系统分类及通信方式 1.4 信息及其度量 1.5 通信系统的主要性能指标,1.1 引言,在人类社会历史的长河中，人们为满足生产和生活的需要,人际之间进行思想情感的交流离不开信息的传递。古代的烽火台、驿站；现代的电报、电话、传真、电子信箱、广播、电视等都是传递信息的手段和方式。,自然界中，人们听到、观察到的现象，可用语言、文字、图像等信息来表达、存储或传递。随着人类社会生产力的发展、科学技术的进步、全球经济一体化，信息被认为是人类社会重要的资源之一，在政治、军事、生产乃至人们的日常生活中起着十分重要的作用。谁掌握了信息，谁就拥有未来，信息是决策的基础。,近代社会，人们常将信息的传递和交换，俗称通信异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷语言、文字、图像等信息，电信号经通信系统传送至接收端，收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。,通信中信息的传送是通过信号来进行的，如：电压、电流信号等。信号是信息的载荷者。在各种各样的通信方式中，利用“电信号” 来承载信息的通信方式称之为电通信，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、空间、地点、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。如今，在自然科学中，“通信”与“电通信”几乎是同义词。在本书中的通信均指电通信。,1.2 通信系统的组成,1.2.1 通信系统的一般模型 我们把实现信息传输所需一切设备和传输媒介所构成的总体称为通信系统。以点对点通信为例，通信系统的一般模型如图1-1所示。,图1-1通信系统的一般模型,图1-1中，发送设备的作用一方面是把信息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号；另一方面将原始电信号处理成适合在信道中传输的信号。它所要完成的功能很多，例如调制、放大、滤波和发射等，在数字通信系统中发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。,信道是指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。 图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。,在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。,1.2.2 模拟通信系统模型,传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。如图 l-2 所示。,图1-2 模拟通信系统模型,我们以语音信号为例来说明图1-2模拟通信系统模型各部分的作用。 发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。,为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。,1.2.3 数字通信系统模型,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。,图1-3中，变换器的作用是把信息转换成数字基带信号。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性。信源编码器的输出就是信息码元,此外，话音和图像压缩编码等都是在信源编码器内完成。接收端信源译码则是信源编码的逆过程,图1-3 数字通信系统模型,一、数字频带传输通信系统 数字频带传输通信系统如图1-3 所示。,信道编码的任务是提高数字信号传输的可靠性。其基本做法是在信息码组中按一定的规则附加一些监督码元，以使接收端根据相应的规则进行检错和纠错，信道编码也称纠错编码。接收端信道译码是其相反的过程。,数字通信系统还有一个非常重要的控制单元，即同步系统（图1-3没有画出）。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。,二、数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图1-4所示。,图1-4 数字基带传输系统模型,图1-4中基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。,三、 数字通信的主要特点 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，数字通信技术已成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，它有如下优点：,1、抗干扰、抗噪声性能好 在数字通信系统中，传输的信号是数字信号。以二进制为例，信号的取值只有两个，这样发端传输的和收端接收和判决的电平也只有两个值，若“1”码时取值为A，“0”码时取值为0，传输过程中由于信道噪声的影响，必然会使波形失真，在接收端恢复信号时，,首先对其进行抽样判决，才能确定是“1”码还是“0”码，并再生“1”，“0”码的波形。因此只要不影响判决的正确性，即使波形有失真也不会影响再生后的信号波形。而在模拟通信中，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。,2、差错可控 数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制。 3、易加密 数字信号与模拟信号相比，容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。,4、数字通信设备和模拟通信设备相比，设计和制造更容易，体积更小，重量更轻。 5、数字信号可以通过信源编码进行压缩，以减少冗余度，提高信道利用率。 6、易于与现代技术相结合。,1.3 通信系统分类及通信方式,按照不同的分法，通信可分成许多类别，下面我们介绍几种较常用的分类方法。,1、按传输媒质分类 按传输媒质分，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信系统是用导线或导引体作为传输媒质完成通信的，如架空明线、同轴电缆、海底电缆、光导纤维、波导等。,无线通信系统是依靠电磁波在空间传播达到传递信息的目的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。 2、按信号的特征分 前面已经指出，按照携带信息的信号是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。,按通信设备的工作频段不同，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。表1.3-1列出了通信中使用的频段、常用传输媒质及主要用途。,表 1.3-1中，工作波长和频率的换算公式为 (1.1) 式（1.3-1）中， 为工作波长（m），f为最高工作频率（Hz）， c为光速（m/s）,表 1.3-1 通信频段 、 常用传输媒质及主要用途,4、按调制方式分类 根据信道中传输的信号是否经过调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带（调制）传输系统。基带传输是将没有经过调制的信号直接传送，如音频市内电话；频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输。常用的调制方式及相关理论将在本书第3章、第6章和第8章中详细介绍。,5、按通信业务类型分类 根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等. 6、按信号复用方式分类 按信号复用方式，通信系统又可分为频分复用（FDM）通信系统、时分复用（TDM）通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。,1.3.2 通信方式,1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式 对于点对点之间的通信，按信息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。,单工通信是指信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图1-5（a）所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。这里，信号只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和 BP 机上。,半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图1-5（b）所示。例如无线对讲机、收发报机等都是这种通信方式。 全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式，如图1-5（c）所示。例如普通电话、计算机通信网络等采用的就是全双工通信方式。,图1-5 通信方式示意图,2、按数字信号码元排列方式划分通信方式 在数字通信中按照数字码元排列顺序的方式不同，可将通信方式分为串行传输和并行传输。,并行传输是将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输通信方式，如图1-6（a）所示。并行传输的优点是:,速度快、节省传输时间，但需占用频带宽，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。 串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，如图1-6（b）所示。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,图1-6 并行和串行通信方式,3、按照网络结构划分通信方式 通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。,1.4 信息及其度量,通信的目的在于信息的传递和交换。人们常将语言、文字、图像和数据等信息的传递俗称消息的传递。信息与消息在概念上相近，但信息一词对通信来说，更贴切、更具普遍性，信息可理解为消息中所含有的特定内容。各种各样的消息，其中有意义的特定内容，均可用信息一词来表述。,如铁路系统运送货物量多少采用“货运量”（不管运送什么货物）来度量，通信系统中传输信息的多少采用“信息量”来度量。当人们在通信中获得消息之前，对它的特定内容有一种“不确定性”，事件的不确定程度只能就其出现的概率来描述。,信息量与消息的种类、特定内容及重要程度无关，它仅与消息中包含的不确定度有关。也就是说消息中所含信息量与消息发生的概率密切相关。消息发生概率愈小，愈使人感到意外和惊奇，则此消息所含的信息量愈大。例如，一方告诉另一方一件几乎不可能发生的消息包含的信息量比可能发生的消息包含的信息量大。如果消息发生的概率趋于零（不可能事件),则它的信息量趋于无穷大；如果消息发生的概率为1（必然事件），则此消息所含的信息量为零。 在信息论中，消息所含的信息量I与消息x出现的概率P(x)的关系式为,（1.2）,I代表两种含义：当事件X发生以前，表示事件x发生的不确定性；当事件x发生以后，表示事件x所含有（或所提供）的信息量。,信息量的单位由对数底的取值决定。若对数以2为底时单位是“比特”（bit binary unit的缩写）；若以e为底时单位是“奈特”（natnature unit的缩写）；若以10为底时单位是“哈特”（Hart Hartley的缩写）。通常采用“比特”作为信息量的实用单位。,例1.2 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。,解：该信息源符号的平均信息量为,以上我们讨论了离散消息的度量。类似，关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（相对熵）为,（1.3）,式中, f(x)是连续消息出现的概率密度。有兴趣的读者，可参考信息论有关专著。,1.5 通信系统的主要性能指标,设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。,所谓有效性，是指消息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指消息传输的“质量”问题。在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。,1.5.1模拟通信系统的主要性能指