第1章-通信原理课件

第1章绪论1.1 通信的概念及系统模型通信的概念及系统模型 1.2 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 1.3 信息的度量及香农公式信息的度量及香农公式 1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标 1.5 通信的发展过程通信的发展过程 本章小结本章小结 习题习题 第第1章绪章绪 论论第1章绪论1.1 通信的概念及系统模型通信的概念及系统模型1.1.1 通信的概念通信的概念从广义上讲，通信就是将消息从一个地方传递到另一个地方。实现通信的方式很多，古代的烽火台、鸣金击鼓，现在的信函、电报、电话、传真、电视等，均属于通信的范畴。邮政通信和电通信的主要区别在于邮政通信传递的是实物信息，而电通信传递的是电信号。随着现代科学技术的发展，人们对传送消息的要求越来越高，在各种各样的通信方式中，电通信的使用越来越广泛。这是因为，电通信能使消息在几乎任意的通信距离上实现迅速而可靠的传送。通信原理课程研究的就是电通信。第1章绪论实现消息传递所需的一切设备、传输媒质和通信协议的总和称为通信系统。从现代通信系统的构成来看，一个通信系统的技术设备可能非常多，拥有成千上万的用户终端，而且在系统内部的不同环节，其传输媒质和信号传输方式也可能有所不同。图1.1.1所示的是公共电话系统和移动电话系统结构简图。其中，移动用户与基站之间是无线传输方式；基站与移动电话交换局之间，以及移动电话交换局与移动电话交换局之间的传输媒质可能是光纤或电缆；长途交换网之间的传输信道可以是光纤信道、卫星信道和微波接力信道。第1章绪论图1.1.1 公共电话系统和移动电话系统结构简图第1章绪论不论一个通信系统有多么复杂，从两个用户之间的一次通信过程来看，都可以看成一个点到点之间的通信系统。因此，点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，也是研究其它较复杂系统的基础。作为一门科学、一种技术，现代通信所研究的主要问题就是如何大量、快速、准确、广泛、方便、经济、安全地传递信息，“通信原理”就是介绍支撑各种通信系统的基本概念、基本原理、基本技术以及数学模型的一门学科。第1章绪论1.1.2 通信系统的基本模型通信系统的基本模型图1.1.2所示的是通信系统的基本模型，包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源6个部分，是一般通信系统的高度概括。下面简单说明其中各部分的作用。信源即原始电信号的来源，其主要作用是将消息转换成相应的电信号。常见的信源设备有：电话机、摄像机、计算机等。这种直接由消息转换得到的电信号通常称做基带信号，也叫原始信号。它们有一个很重要的特点，就是信号的主要功率或能量大多集中在低频段，也就是说基带信号的频率比较低，如话音基带信号的频率范围一般在3003400 Hz之间，电视图像信号的频率在06 MHz范围之内。由计算机等设备转换所得的原始数据信号的频率范围与码元传输速率有关，其最低频率也是非常低的。第1章绪论图1.1.2 通信系统的基本模型第1章绪论发送设备对信源所产生的原始电信号进行各种加工处理和变换，使它适合在信道中传输。不同通信系统中，发送设备对信源输出信号的处理方式不同，所以发送设备所包含的部件也不同。如在无线通信系统中，发送设备需要由调制器、振荡器、放大器、滤波器等部件组成。而在数字基带传输系统中，发送设备则由码型变换器和波形变换器组成。但不管进行什么样的处理，目的只有一个：使信源输出的信号适合在信道上传输。信道就是发送设备和接收设备之间用于传输信号的传输媒质。目前常用的信道有双绞线、电缆、光纤等有线信道，以及短波电离层反射信道、超短波无线电中继信道、卫星中继信道等无线信道。第1章绪论信号在信道中传输时，不可避免地会混入噪声。此外，通信系统的其它各部件也会产生噪声。图1.1.2中的噪声源模块是信道中的噪声和通信系统其它部件所产生噪声的集中表示。这样表示并不影响通信过程中主要问题的研究，而且可以给分析问题带来许多方便。由于经信道传送到接收端的信号是除有用信号外叠加有噪声的混合信号，因此接收设备的主要作用是从接收到的混合信号中，最大限度的提取有用信号，抑制噪声，以便恢复出原始信号。第1章绪论信宿即原始信号的最终接收者。它的作用是把接收设备恢复出来的原始电信号转换成相应的消息，如通过扬声器将话音信号转换成声音；通过荧光屏将电视信号转换成电视图像等。信宿可以是人，也可以是包括计算机在内的各种终端设备。图1.1.2概括地描述了通信系统的组成，反映了通信系统的共性，通常把它称为通信系统的基本模型。在今后的学习中，根据所要研究的对象和所关心的问题的不同，还会得出比较具体的其它形式的通信系统模型。对通信系统原理的研究，通常就是以通信系统的模型为基础而展开的。第1章绪论1.1.3 模拟与数字通信模拟与数字通信在通信系统中待传输的消息其种类是多种多样的，它可以是符号、文字、语声、图像等。然而，所有不同的消息，都可以被归结成两类：数字消息(离散消息)和模拟消息(连续消息)。消息的状态是可数的或离散型的，比如符号、文字或数据等，称为数字消息。消息的状态是连续变化的，例如，强弱连续变化的语声，亮度连续变化的图像等，称为模拟消息。信息与消息严格地说是两个既紧密联系又有所区别的概念，信息可以理解为消息中所包含的对受信者有意义的内容。传输和交换消息，有时也称为传输和交换信息，按照信息论的观点，在进行有意义的通信时，传输了消息就是传输了信息，基于此，本书对消息和信息不作严格区分，两者可以混用。第1章绪论电信号(简称为信号)是与消息一一对应的电参量。它是消息的物质载体，为了实现消息的传输与交换，消息通常被寄托在电信号的某一参量上(如电信号的幅度、频率和相位等)。如果电信号的参量携带离散消息，则该参量必将取有限个数值，这样的信号称为数字信号。如果电信号的参量携带着连续消息，则该参量必将是连续取值的，这样的信号称为模拟信号或连续信号。根据通信系统中所传送信号的类型，把通信系统分成模拟通信系统与数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。第1章绪论 需要说明的是，模拟通信与数字通信是按照信道中所传送信号的差异来区分的，而不是根据信源输出的信号划分的。因为，数字通信系统也可以用来传送模拟信号，只不过在发送端需要先把模拟信号变换成数字信号(这种变换称为模数转换，即A/D转换)，然后用数字通信方式进行传输。当然，在这种系统中，接收端需要把数字信号再变换成模拟信号(这种变换称为数模转换，即D/A转换)，最后就可以还原成原始的模拟信号。这种通信方式通常称为模拟信号的数字化传输。第1章绪论目前，不论是模拟通信还是数字通信，在实际的通信业务中都得到了广泛的应用。不过，近年来随着数字通信的迅速发展，数字通信在整个通信领域中所占的比重日益增长。与模拟通信相比，数字通信有许多优点，归纳起来主要有以下几点：(1)抗噪声性能好。数字通信传送的信号是数字信号，它的取值有限，因此，在有噪声的情况下，接收端易于识别。尤其在远距离传输过程中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生而消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法，使抗噪声性能进一步得到提高。第1章绪论(2)便于使用现代计算机技术对所传输的信息进行处理，接口问题也容易解决。(3)数字信号易于进行加密，有利于实现通信保密。(4)数字通信可以传递各种消息，使通信系统变得通用、灵活。(5)数字通信系统中绝大部分部件采用数字电路，而近年来，由于生产技术的迅速发展，大规模集成电路已被广泛应用，因而数字通信设备容易做到体积小，功耗低，制造简单，可靠性高。数字通信的主要缺点是它所占用的系统带宽要比模拟通信的宽。以电话为例，一路模拟电话通常占据4 kHz带宽，而一路数字电话可能要占据2060 kHz的带宽。第1章绪论由上面的介绍可知，虽然数字通信与模拟通信相比具有一系列的优点，然而这是以占据较宽的信道频带为代价的。考虑到数字通信和模拟通信各自的优缺点，可以预计，在最近若干年内，模拟通信和数字通信这两种通信方式还会同时存在。当频带十分紧张而对通信质量没有特殊要求时，仍将沿用模拟通信。而当有待传输的数据量较多，传输可靠性和保密性要求较高时，往往宁可牺牲一些系统带宽而采用数字通信。当然，在诸如毫米波通信、光通信等频带资源丰富的通信系统中，无疑应选择数字通信方式。模拟通信系统和数字通信系统的基本原理框图，将在后面的相关章节中介绍。第1章绪论1.2 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式1.2.1 通信系统的分类通信系统的分类通信系统从不同的角度有不同的分类方法。1.以信道传输的信号特征分类以信道传输的信号特征分类根据信道传输的信号种类的不同，通信系统可以分为两大类：模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，如目前的民用广播系统。信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统，如数字电话系统。第1章绪论2.以传输媒质分类以传输媒质分类消息从一地传至另一地要通过一定的传输媒质。按传输媒质的不同，通信可以分为两大类：有线通信和无线通信。有线通信使用导线作为传输媒质。这里的导线可以是架空明线、各种电缆、波导以及光导纤维等。市话系统、闭路电视、普通的计算机局域网等都是有线通信系统。无线通信则不需要架设导线，而是利用无线电波在空间的传播来传送消息。广播、移动电话、卫星通信等都是无线通信系统。第1章绪论3.以传输的信号是否经过调制分类以传输的信号是否经过调制分类根据传输的信号是否经过调制，通信系统可分为基带通信系统和频带通信系统。信道中传输基带信号的通信系统称为基带通信系统(简称基带系统)。信道中传输已调制信号的通信系统称为频带通信系统(简称频带系统)。在基带系统的发送设备中，不需对基带信号进行调制，而是将经过放大、滤波等处理后的基带信号直接送入信道传输。在频带系统的发送设备中，需要对基带信号进行调制，变换成已调制的频带信号，再送入信道传输。4.以通信业务分类以通信业务分类按通信业务的不同，通信系统可分为电话通信系统、电报通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。第1章绪论5.以工作波段分类以工作波段分类按使用的波长不同，通信系统可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统和微波通信系统等。6.以调制方式分类以调制方式分类常规的通信系统根据载波是正弦波还是周期脉冲信号分为连续波调制和脉冲调制。根据基带信号是模拟信号还是数字信号，可分为模拟调制系统、数字调制系统等。根据调制后信号的频谱结构是否发生变化，又可分为线性调制和非线性调制系统。第1章绪论1.2.2 通信的方式通信的方式通信方式是指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前首先要确定的问题。根据不同的标准，通信方式有多种分类方法。(1)按通信对象的不同，通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)，点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)。第1章绪论(2)按信号的传输方向和传输时间的不同，两点之间的通信方式可分为单工通信、半双工通信和双工通信。单工通信(simplex)：在任何一个时刻，信号只能从甲方向乙方单向传输，甲方只能发信，乙方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机之间的通信(点到多点)。另外，遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等也均属此类通信。半双工通信(half-duplex)：在任何一个时刻，信号只能单向传输，或从甲方到乙方，或从乙方到甲方，每一方不能同时收发信息，比如对讲机、收发报机，以及问询、检索等之间的通信。双工通信(full-duplex)：在任何一个时刻，信号能够双向传输，每一方都能同时进行收信和发信工作。比如普通电话、手机等。第1章绪论(3)按通信终端之间的联系方式可分为两点间直通方式和交换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接，而交换方式则必须经过一个称为交换机的设备才能联系起来，如电话系统。(4)按数字信号传输的顺序，在数据通信中(主要指计算机通信)，通信方式又有串行通信和并行通信之分。(5)按同步方式的不同，又分为同步通信和异步通信。事实上，一种通信方式往往具有多类性，比如广播电视既是一种单工通信方式也是一种点到多点的通信形式。第1章绪论1.3 信息的度量及香农公式信息的度量及香农公式1.3.1 信息的度量信息的度量通信的目的在于传递信息。为了以后对通信系统的主要性能作定量分析，需要先对信息这个术语的定义及其度量做扼要的讨论。信息一词在概念上与消息相似，但它的含义更普遍化、抽象化。可以这样理解：不同形式的消息可以包含相同的信息。例如，用声音和文字发送天气预报，虽然消息的形式不同，但信息相同。所以我们可以认为，信息是消息中包含的有意义的内容，它与承载信息的消息种类无关。第1章绪论在一切有意义的通信中，消息的传递就意味着信息的传递。但是对接收者而言，消息传递的信息多少是不同的。例如，“明天太阳从东边出来”绝对没有“明天太阳从西边出来”对人的吸引力大。这说明信息是有量值的。信息量的大小与事件发生的概率有关，事件出现的概率越小，信息量就越大，必然事件的概率为1，它传递的信息量就为0。因此得到信息量的定义式为(1-3-1)式中，I为信息量，它是消息x出现的概率P(x)的函数。当a=e时，信息量的单位是奈特(nit)；当a=2时，信息量的单位是比特(bit)。通常广泛使用的单位是bit。2 )bit()(lb)nit()(ln)(log)(1log)(当当axPeaxPxPxPxPIIaa第1章绪论由若干个相互独立的事件构成的消息所含的信息量等于各独立事件所含信息量之和，即 (1-3-2)式中，P(x1),P(x2),P(xn)是相互独立的事件x1，x2，xn发生的概率。)()()()()()(2121nnxPIxPIxPIxPxPxPI第1章绪论在通信领域，消息可分为离散消息和连续消息。因此信息源亦有离散信源和连续信源之分。设离散信源是一个由n个符号组成的符号集，每个符号xi在消息中是按一定的概率P(xi)独立出现的，即因此，n个符号的离散信源，其平均信息量为(1-3-3)式中，H(x)是每个符号所含信息量的统计平均值，因与热力学中的熵的计算公式形式一样，故称为信息源的熵。单位是bit/符号。)(，),(,)(，,)(2121nniixPxPxPxxxxPx)(lb)()(21iniixPxPxH第1章绪论例例1.3.1 某信源产生a、b、c、d四个符号，若各符号的出现是相互独立且出现概率分别为1/2、1/4、1/8、1/8，试求该信源的平均信息量。解解 由题意及式(1-3-3)可得信源平均信息量为不同的离散信源可能有不同的熵。无疑，我们希望熵值越大越好。可以证明，当信源中的每个符号等概率出现时，信源的熵值最大。)符号bit/(75.1 81lb8181lb8141lb4121lb21 )()lb()(1niiixPxPXH第1章绪论关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。其平均信息量为其中，f(x)是连续消息出现的概率密度。xxfxfxHad)(log)()(第1章绪论1.3.2 信道容量与香农公式信道容量与香农公式信号必须经过信道才能传输，单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信道容量。它可用信道的最大信息传输速率(比特率)来表示。早在1948年和1949年，香农(Shannon)就对信源和信道进行了大量的分析并得出了著名的香农公式。该公式告诉我们：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，通信系统的极限信息传输速率(或信道容量)为 (1-3-4)其中，C是信道容量(b/s)，B是信道带宽(Hz)，N是噪声功率(W)，S是信号功率(W)。NSBC1lb第1章绪论香农公式给出了高斯白噪声信道的极限信息传输速率。那么，实际的通信系统能否达到这个传输速率呢？编码定理对此作了回答。高斯信道编码定理指出：设发送信号的平均功率为S，信道干扰是功率为N的高斯白噪声，信道带宽为B，则总是可以找到一种编码系统，能以速率C=B lb(1+S/N)以及任意小的错误概率来传输二进制数字信号。但是不存在任何一种编码方法能够以比这更高的传输速率和任意小的错误概率来传输二进制数字信号。第1章绪论由此，我们可以得到两点结论：(1)信息速率低于信道容量时，一定有办法实现无误传输。(2)信息速率高于信道容量时，则无论怎样努力都不可能可靠地传输这些信息。遗憾的是，目前高斯信道编码定理还只是一个存在性定理，迄今为止尚未找到实用的最佳编码方法，可以使信息以接近信道容量的传输速率无误码地传输。尽管如此，众多的研究者们仍朝着这一目标不断地努力。在理论上我们依然可以认为，通信系统能以接近于信道容量的速率传输信息，并使错误概率任意的小。第1章绪论香农公式有着重要的实际应用意义，它表明：信道容量C、传输信息所用的信道带宽B，与信噪比S/N之间存在着互换的关系：(1)在保持C不变的条件下，可以通过增加信号的传输带宽来降低对信噪比的要求。如当信道带宽B=3000 Hz时，要求传输速率Rb=10 000b/s的话，根据香农公式求得信噪比至少应为S/N=9；如果传输速率不变，信道带宽增大到B=10 000 Hz时，信噪比只要S/N=1即可。这种信噪比和带宽的互换性在通信工程中有很大的用处。例如，在宇宙飞船与地面的通信中，飞船上的发射机功率不可能做得很大，因此可用增大带宽的方法来换取所要求的信噪比的降低。相反，如果信道频带比较紧张，如有线载波电话信道，这时主要考虑频带利用率，可用提高信号功率来增加信噪比。第1章绪论(2)在保持B不变的前提下，可以用提高信噪比的方法增加信道容量。(3)一个给定的信道容量C，既可以通过增加信道带宽减少发射功率，也可通过减少信道带宽增加发射功率来保证。从公式(1-3-4)我们还可以看出，当信道噪声功率谐密度n0=0或信号功率S，即当信道无噪声或发送功率为无穷大时，都能使信道容量达到无穷大。但当信道带宽B时，信道容量不趋向于无穷大，而是趋近于一个有限的值。第1章绪论由于噪声功率N=n0B，所以香农公式可以改写为利用极限公式 ，令上式中，当B时，x0。所以由此可见，当信道带宽趋于无穷大时，信道容量的极限值由信号功率和信道中的噪声功率谱密度决定。SBnBnSnSBnSBC00001lb1lbe)1(lim10 xxxxBnS0000044.1e lb1lblim0nSnSBnSnSCSBnB第1章绪论例例1.3.2 计算带宽B=3000 Hz，S/N=103的低通信道的信道容量。设噪声是加性高斯白噪声。解解 利用式(1-3-4)得例例1.3.3 某终端有128个可能的输出符号，这些符号相互独立且等概率出现。终端的输出送给计算机，终端与计算机的连接采用话音级电话线，带宽为B=3000 Hz，输出信噪比S/N=10dB。(1)求终端与计算机之间的信道容量；(2)求终端允许输出的最大符号速率。b/s30000)10001(lb30001lbNSBC第1章绪论解解 (1)首先进行信噪比的单位转换，根据分贝单位的定义，有得。代入香农公式得出信道容量为10NSNSNSlg10dBb/s 10378)101(30001lblbNSBC第1章绪论(2)设终端输出的符号速率为Rs，每个符号携带的信息量为因而终端输出的信息速率为7Rs。由于信道容量是允许传输的最大信息速率，因此应满足7Rs10 378所以Rs1482符号/秒，所以终端所允许的最大输出符号速率为1482符号/秒。bit 7128lb1lbPI第1章绪论1.4 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标设计或评价一个通信系统时，往往要涉及通信系统的性能指标，否则就无法衡量通信系统质量的优劣。通信系统的性能指标归纳起来有以下几个：(1)有效性：指信息的传输速度或传输信息所占用的信道带宽。(2)可靠性：指接收信息的准确程度。(3)适应性：指使用时对环境的要求。(4)标准性：指使用的元部件及接口等的标准化程度。(5)经济性：指成本的高低。(6)可维护性：使用维护是否方便等。第1章绪论从信息传输的角度来看，通信系统最主要的性能指标是有效性和可靠性。因为，对通信的最基本要求就是高效、准确地传递信息。这两个指标体现了对通信系统最基本的要求，也是设计或使用一个通信系统首先要考虑的问题。有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的，即系统有效性的提高往往会导致可靠性的下降，反之亦然。因此只能根据需要和技术发展水平尽可能取得统一。例如，在一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度。或者在一定有效性条件下，使消息的传输质量尽可能高。模拟通信和数字通信反映有效性和可靠性的具体指标内容差别较大，因此需要分别加以说明。第1章绪论1.4.1 模拟通信系统的有效性与可靠性模拟通信系统的有效性与可靠性1.有效性有效性 在模拟通信系统中，系统的传输有效性通常用每路信号的有效传输带宽来衡量。这是因为，当信道的带宽给定后，每路信号的有效传输带宽越窄，信道内允许同时传送的信号路数越多，这种系统的传输有效性就越好。而信号的有效传输带宽与调制方式有关。例如，在传输一个消息(或节目)时，调频波的带宽要比调幅波的带宽宽许多，因此，调频通信系统的传输有效性不如调幅通信系统。第1章绪论2.可靠性可靠性 模拟通信系统的传输可靠性通常用通信系统的输出信噪比来衡量。由于系统内存在噪声，因而接收到的波形实际上是信号和噪声的混合物，它们经过解调器解调后同时在通信系统的输出端出现。因此，噪声对模拟通信系统的影响一般用输出端的有用信号功率与噪声功率之比来衡量，这就是输出信噪比。显然，一个系统输出信噪比越高，收到消息的准确性越高，通信质量就越好。如普通电话要求信噪比在26 dB以上，电视图像要求信噪比在40dB以上。第1章绪论应该指出，输出信噪比一方面与接收的信号功率和系统的噪声功率有关，另一方面又和采用的调制解调方式有很大关系。这是因为，对于不同的调制方式，接收端采用不同的解调器，而各种解调器抑制噪声的能力大不相同。例如，在调频通信系统中采用鉴频器解调调频信号，它具有较强的抑制噪声的能力，因此，该系统的输出信噪比较高。而调幅通信系统常采用包络检波器来解调调幅信号，这种系统的输出信噪比较低。综合比较可知，调频通信系统的传输可靠性一般比调幅通信系统的好。调频通信系统传输可靠性高是牺牲有效性(占用较宽的系统带宽)换取的。第1章绪论1.4.2 数字通信系统的有效性与可靠性数字通信系统的有效性与可靠性在数字通信系统中传输的是数字信号。数字信号实际上可以看成是代表消息的一组脉冲序列，每一个脉冲称为一个码元，码元也称为符号。若码元(符号)能取两个不同的值，则称为二进制码元，相应的数字信号称为二进制信号。同样的道理，若码元(符号)能取M个不同的值，则称为M进制码元，相应的数字信号称为M进制信号。图1.4.1所示为二进制和四进制数字信号的码元序列。第1章绪论图1.4.1 二进制和四进制数字信号的码元序列第1章绪论1.有效性有效性数字通信系统的有效性可以用码元传输速率或信息传输速率来衡量。码元传输速率又称码元速率或符号速率，简称传码率，它被定义为单位时间所传送的码元数目，用Rs表示，单位为波特(Baud)，有时简写为B。波特就是符号/秒或码元/秒。例如，某系统每秒传送1000个码元，则该系统的传码率就是1000波特。传码率越高，单位时间内传送的码元数目越多，系统的传输有效性就越好。传码率Rs和码元间隔(码元持续时间)Ts之间有着十分简单的关系信息传输速率或传信率用Rb表示，定义为单位时间内所传送的信息量，单位为bit/s(比特/秒)，简化为b/s。ss1TR第1章绪论一个二进制码元携带的信息量：“0”和“1”等概率出现(P=0.5)时，有 一个M进制码元携带的信息量：各码元等概率出现(P=1/M)时，有(bit)121lblbPI)bit(lb1lblbMMPI第1章绪论说明：(1)不同进制的码元所携带的信息量是不同的。例如一个四进制码元可以表示四种不同的数字信息，而一个二进制码元则只能表示两种不同的数字信息。因此，即使两个系统的传码率相同，如果它们所传送的码元的进制不同，则相同时间内所传送的信息量也不同。考虑到这一点，有时也会采用传信率Rb表示系统的传输有效性。第1章绪论(2)传信率Rb和传码率Rs之间的关系为Rb=Rs lb M (1-4-1)显然，在相同的传码率下，M越大，传信率就越高。当M=2时，有Rb=Rs，这表明在二进制码元的情况下，传信率和传码率在数值上是相等的。此时码元间隔Ts等于比特间隔(比特持续时间)Tb，即Ts=Tb。第1章绪论例例1.4.1 一个二进制数字系统一分钟传送了18 000 bit的信息量。(1)系统的码元速率多大？(2)如果每分钟传送的信息量仍为18 000 bit，但改用八进制数字信号，其码元速率多大？解解 (1)(2)B 3006018000bs RR)(b/s 3006018000b不变RB 10033008lbbsRR第1章绪论例例1.4.2 设一数字传输系统传送二进制码元的速率为1200B，试求该系统的信息传输速率；若该系统改为传送四进制数字信号，码元速率为2400 B，则系统信息传输速率为多少？解解 (1)已知二进制码元速率Rs=1200 B，利用信息速率Rb与码元速率Rs之间的关系式(1-4-1)得Rb=Rs lb 2=12001=1200 b/s(2)已知四进制码元速率Rs=2400 B，利用式(1-4-1)得Rb=Rs lb 4=24002=4800 b/s第1章绪论2.可靠性可靠性数字通信系统的传输可靠性通常用差错率来衡量。差错率有两种表述方法：误码率及误信率。误码率是指码元在系统中传输时被传错的概率，记为Pe，它被定义为误信率又称误比特率，是指错误接收的信息量在传输的信息总量中所占的比例，记为Pb，它被定义为传输的总码元数目错误接收的码元数目eP传输的总信息量错误接收的信息量bP第1章绪论误码率或误信率越低，数字信号传输的可靠性就越高，通信质量也越好。不同的通信系统，对可靠性指标的要求不同。如对数字电话，一般要求误码率Pe10-3；对数据传输，一般要求误码率Pe10-510-6。第1章绪论例例1.4.3 设有一个数字系统，在125 s内传输250个二进制码元。若该系统在2 s内有3个码元产生误码，试问其误码率是多少？解解 首先求出此数字系统的二进制码元速率再求出在2 s内收到的二进制码元总数21062=4106 (个)所以误码率为B 1021012525066sR766e105.71075.01043P第1章绪论1.5 通信的发展过程通信的发展过程人类历史上最早的通信手段是“无线”的，如利用火光传递信息的烽火台；在我国和非洲古代以鸣锣击鼓传信；古希腊人传递信息的马拉松长跑等。然而这种“无线”通信方式是简单而原始的。随着社会生产力的发展，人们对信息传递的要求越来越高。电的发现和利用为传递消息提供了许多新的方式，人类通信史上革命性的变化，就是从把电作为信息载体后发生的。1753年2月17日，苏格兰人杂志上发表了一封署名CM的书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。虽然在当时这一设想还不十分成熟，而且缺乏应用推广的经济环境，却使人们看到了电通信时代的一缕曙光。第1章绪论1793年，法国人查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230 km长的以接力方式传送信息的托架式线路。据说，查佩兄弟是第一个使用“电报”这个词的人。1832年，俄国外交家希林在当时著名物理学家奥斯特电磁感应理论的启发下，制作出了用电流计指针偏转来接收信息的电报机。1837年6月，英国青年库克获得了人类历史上第一个电报发明专利权。他制作的电报机首先在铁路上获得了应用，不过这种方式很不方便和实用，无法投入真正的实用阶段。美国画家莫尔斯在1832年旅欧学习途中，开始对这种新生的技术产生了兴趣，经过3年的钻研之后，1835年，第一台电报机问世。但如何把电报和人类的语言连接起来，是摆在莫尔斯面前的一大难题。随后经过努力他成功地用电流的“通”、“断”和“长短”代替了人类的文字传送，这就是鼎鼎大名的莫尔斯电码。10年后，莫尔斯用他研制成功的电报机发出了人类历史上的第一份电报，报文内容是：上帝创造了何等奇迹！第1章绪论电报的发明拉开了电信时代的序幕，开创了人类利用电来传递信息的历史。从此，信息传递的速度大大加快，“嘀嗒”一响(1秒钟)，电报便可以载着人们所要传送的信息绕地球走上七圈半，这种速度是以往任何一种通信工具都望尘莫及的。电报传送的是符号。发送一份电报，要先将报文译成电码，再用电报机发送出去。而收报一方，要经过相反的过程，即将收到的电码译成报文，然后送到收报人的手里。这不仅手续麻烦，而且也不能进行及时的双向信息交流。因此，人们开始探索一种能直接传送人类声音的通信方式，这就是现在无人不晓的“电话”。第1章绪论欧洲对于远距离传送声音的研究始于18世纪。1796年，休斯提出了用话筒接力传送语音信息的想法。虽然这种方法在当时还不太切合实际，但他赐给这种通信方式的一个名字Telephone(电话)，却一直沿用至今。第1章绪论如何把电流和声波联系在一起而实现远距离通话？亚历山大贝尔是注定要完成这个历史任务的人。他系统地学习了人的语音、发声机理和声波振动原理，在为聋哑人设计助听器的过程中，产生了“用电流的强弱来模拟声音大小的变化，从而用电流传送声音”的灵感。从此，贝尔和他的助手沃森特就开始了设计电话的艰辛历程。1875年6月2日，贝尔和沃森特正在进行模型的最后测试，贝尔操作时不小心把硫酸溅到自己的腿上，他疼痛地叫了起来：“沃森特先生，快来帮我啊！”没有想到，这句话通过他正在实验中的电话传到了在另一个房间里正把耳朵贴在音箱上准备接听的沃森特先生的耳朵里。于是这句极普通的话，成为了人类第一句通过电话传送的话音而被记入史册。后来贝尔建立了贝尔电话公司，这是美国电报电话公司(AT&T)的前身。第1章绪论在贝尔研究电话的同时，奥斯特、麦克斯韦、赫兹等科学家正在为揭开电磁波的神秘面纱而辛勤工作。奥斯特发现了“电磁感应”现象。麦克斯韦则把电磁感应理论推广到了空间，他认为，在变化的磁场周围会产生变化的电场，在变化的电场周围又将产生变化的磁场，如此一层层地像水波一样推开去，便可把交替的电磁场传得很远。1864年，麦克斯韦发表了电磁场理论，成为人类历史上预言电磁波存在的第一人。而赫兹通过实验证实了电磁能量可以越过空间进行传播，即电磁波存在的结论。他们的发现都具有划时代的意义，为无线电通信的发展奠定了理论基础，开辟了电子技术的新纪元，标志着人类通信手段从“有线电通信”向“无线电通信”转折。由于无线电通信不需要昂贵的地面通信线路和海底电缆，因而很快便受到人们的重视。就是从这时起，人类开始进入无线通信的新领域。第1章绪论1895年，波波夫和马可尼几乎同时分别实现了无线电通信。1898年，英国举行了一次游艇赛，终点设在离岸20英里的海上。都柏林快报特聘马可尼为信息员。他在赛程的终点用自己发明的无线电报机向岸上的观众及时通报了比赛的结果，引起了很大的轰动。这被认为是无线电通信的第一次实际应用。紧接着，马可尼在英国建立了世界上第一家无线电器材公司英国马可尼公司。此后，通信以更快的速度发展，其中重要的历程值得人们纪念：1929年贝尔实验室第一次进行电视试验，图像通信出现。1946年美国制造了第一台电子计算机，到50年代末开始了机算机通信。1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星，人类开始了空间通信。第1章绪论1966年美籍华人高锟提出光纤通信的设想，十年后实现了光纤通信。1970年第一部商用数字时分程控交换机在法国投入使用。1979年出现蜂窝制移动电话系统。随着因特网的出现，人类步入信息时代。通信技术、计算机技术和信号处理技术有机结合，构成了信息时代的三大支柱，而通信(包括信息服务在内)已超过汽车、能源成为最大的行业。通信技术正朝着数字化、综合化、融合化、宽带化、智能化和个人化的方向发展。第1章绪论本章小结本章小结本章主要介绍通信的基本概念及系统模型、通信系统的分类及工作方式、香农公式、通信系统的主要性能指标，以及通信的发展过程。本章的重点内容是通信系统的组成、数字通信的优点及通信系统的主要性能指标。从信息传输的角度来看，通信系统最主要的性能指标是：传输有效性和传输可靠性。有效性指的是传输一定的信息量所消耗的信道资源数(带宽或时间)；可靠性指的是接收信息的准确程度。第1章绪论模拟通信和数字通信体现有效性和可靠性的具体指标内容差别较大。在模拟通信系统中，系统的传输有效性，通常用每路信号的有效传输带宽来衡量；传输可靠性，通常可以用通信系统的输出信噪比来衡量。数字通信系统的有效性通常用码元传输速率或信息传输速率来衡量；传输可靠性通常用差错率来衡量。差错率有两种表述方法：误码率及误信率。香农公式告诉我们信噪比、带宽和信道容量三者之间的关系，它是扩频通信的理论基础。NSBC1lb第1章绪论习题习题1 通信系统的主要性能指标是什么？2 一个传输二进制数字信号的通信系统，1分钟传送了72000 bit的信息量。(1)系统的传码率为多少？(2)如果每分钟传送的信息量仍为72 000 bit，但改用八进制信号传输，系统传码率为多少？3 某二进制数字通信系统，传码率为1200 B。经过多次统计，发现每分钟平均出现7.2个错码，试计算该系统的误码率。第1章绪论4 什么是信源符号的信息量？什么是离散信源的信息熵？设英文字母E出现的概率为0.105，X出现的概率为0.002，E和X的信息量为多少?5 什么是误码率？什么是误信率？其间关系如何？6 已知彩色电视图像由5105个像素组成。设每个像素有64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。假设所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。(1)试计算每秒传送100个画面所需的信道容量；(2)如果接收机信噪比为30 dB，为了传送彩色图像所需信道带宽为多少？第1章绪论7 设信道引起的传输误码率为510-10，若二元数字序列以2 Mb/s的信息传输，求(1)同样的信息速率，十六进制时的码元速率；(2)传输中出现1 bit误码的平均时间间隔；(3)若另设有四个消息A、B、C、D，分别以概率1/4、1/8、1/8、1/2传递，每一消息出现是相互独立的，试计算其平均信息量。