通信原理06

通,信,信,原,原,理,理,余,明,明,生,生,1.1,通,通,信,信,系,系,统,统,的,的,组,组,成,成,1.2,通,通,信,信,系,系,统,统,分,分,类,类,与,与,通,通,信,信,方,方,式,式,1.3,信,信,息,息,及,及,其,其,度,度,量,量,1.4,主,主,要,要,性,性,能,能,指,指,标,标,1.5,通,通,信,信,发,发,展,展,趋,趋,势,势,第1,章,章,绪,绪,论,论,返,回,回,主,主,目,目,录,录,第1,章,章,绪,绪,论,论,1.1,通,信,信,系,系,统,统,的,的,组,组,成,成,消,息,息,与,与,信,信,息,息,文,字,字,、,、,书,书,信,信,、,、,电,电,报,报,、,、,电,电,话,话,、,、,广,广,播,播,、,、,电,电,视,视,、,、,遥,遥,控,控,、,、,遥,遥,测,测,等,等,，,，,这,这,些,些,都,都,是,是,消,消,息,息,传,传,递,递,的,的,方,方,式,式,或,或,信,信,息,息,交,交,流,流,的,的,手,手,段,段,，,，,用,用,于,于,表,表,达,达,信,信,息,息,。,。,但,但,是,是,这,这,些,些,语,语,言,言,、,、,文,文,字,字,、,、,数,数,据,据,或,或,图,图,像,像,本,本,身,身,不,不,是,是,信,信,息,息,而,而,是,是,消,消,息,息,。,。,是,消,消,息,息,中,中,所,所,包,包,含,含,的,的,人,人,们,们,原,原,来,来,不,不,知,知,而,而,待,待,知,知,的,的,内,内,容,容,。,。,因,因,此,此,，,，,通,通,信,信,的,的,根,根,本,本,目,目,的,的,在,在,于,于,传,传,输,输,含,含,有,有,信,信,息,息,的,的,消,消,息,息,，,，,否,否,则,则,，,，,就,就,失,失,去,去,了,了,通,通,信,信,的,的,意,意,义,义,。,。,基,基,于,于,这,这,种,种,认,认,识,识,，,，,“,“,通,通,信,信,”,”,也,也,就,就,是,是,“,“,信,信,息,息,传,传,输,输,”,”,或,或,“,“,消,消,息,息,传,传,输,输,”,”,。,。,消息-,信息-,实现通信的,方,方式很多，,随,随着社会的,需,需求、生产,力,力的发展和,科,科学技术的,进,进步， 目,前,前的通信越,来,来越依赖利,用,用“电”来,传,传递消息的,电,电通信方式,。,。由于电通,信,信迅速、准,确,确、可靠且,不,不受时间、,地,地点、距离,的,的限制，因,而,而近百年来,得,得到了迅速,的,的发展和广,泛,泛的应用。,当,当今，在自,然,然科学领域,涉,涉及“通信,”,”这一术语,时,时，一般均,是,是指“电通,信,信”。广义,来,来讲，光通,信,信也属于电,通,通信，因为,光,光也是一种,电,电磁波。,本,本书中的通,信,信均指电通,信,信,。,1.1.1,通,通信系统的,一,一般模型,通信是从一,地,地向另一地,传,传递和交换,信,信息。 实,现,现信息传递,所,所需的一切,技,技术设备和,传,传输媒质的,总,总和称为通,信,信系统。基,于,于点与点之,间,间的通信系,统,统的模型可,用,用图 1- 1 来,描,描述。 ,图 1 -1通信系,统,统的一般模,型,型,1、信,源,源,是消息的产,生,生来源，,其,其作用是把,各,各种消息转,换,换成原始电,信,信号，称之,为,为消息信号或,基带信号,。电话机、,电,电视摄像机,和,和电传机、,计,计算机等各,种,种数字终端,设,设备就是信,源,源。,模拟信源与,数,数字信源,模拟信源输,出,出的是模拟,信,信号；而数,字,字信源输出,信,信号是离散,的,的数字信号,。,。,2、,发送设备,将信源和信,道,道匹配起来,的,的设备，它,将,将信源产生,的,的消息信号,变,变换成适合,在,在信道中传,输,输的信号。变换方式有,调,调制变换方,式,式、信源编,码,码、信道编,码,码。 ,3、,信 道,是指传输信,号,号的物理媒,质,质。分为有线信,道,道和无线信,道,道。,在有线信道,中,中，信道可,以,以是明线、,电,电缆或光,纤,纤；在无线,信,信道中，信,道,道是自由空,间,间。,4、,噪声源,不是人,为,为加入的设,备,备，而是通,信,信系统中各,种,种设备以及,信,信道中所固,有,有的。,噪声按产生,的,的来源可分,为,为内部噪声,和,和外部噪声,，,，外部噪声,是,是从信道引,入,入的，为了,分,分析方便，,把,把噪声源视,为,为各处噪声,的,的集中表现,而,而抽象加入,到,到信道。,5、,接收设备,完成发送设,备,备的反变换,的,的设备，,即,即进行解调,、,、译码、解,码,码等。它的任务是,从,从带有干扰,的,的接收信号,中,中正确恢复,出,出相应的原,始,始基带信号,来,来，对于多,路,路复用信号,，,，还包括解,除,除多路复用,，,，实现正确,分,分路。 ,6、,受信者,是传输信息,的,的归宿点，,其,其作用是,将,将复原的原,始,始信号转换,成,成相应的消,息,息。,图 1 -1 概括,地,地描述了一,个,个通信系统,的,的组成，,它,它反映了通,信,信系统的共,性,性，因此称,之,之为通信系,统,统的一般模,型,型。根据研,究,究的对象以,及,及所关注的,问,问题不同，,图,图 1- 1 模,型,型中的各小,方,方框的内容,和,和作用将有,所,所不同，因,而,而相应有不,同,同形式的更,具,具体的通信,模,模型。今后,的,的讨论就是,围,围绕着通信,系,系统的模型,而,而展开的。,1.1.2,模,模拟通信模,型,型和数字通,信,信模型,连续消息,:,消息的状态,连,连续变化或,是,是不,可,信源消息分,为,为两大类,：,数 的，如,语,语音、活动,图,图片等,离散消息,:,消息的状态,是,是可数的或,离,离散,的,如符号,、,、数据等。,消息的载体,是,是电信号，,电,电信号的,变,变化体现在,某,某一参量的,变,变化上（如,连,连续波的,幅度,、,频率,或,相位,； 脉冲波,的,的,幅度,、,宽度,或,位置,）。,信号分类,按信号,参,参量的取值,方,方式不同可,把,把信号分为,两,两类，即,模拟信号,和,数字信号,。,模拟信号凡信号,参,参量的取值,是,是连续的或,取,取无穷多个,值,值的，且直,接,接与消息相,对,对应的信号,，,，均称为模,拟,拟信号,。,如电话机送,出,出的语音信,号,号、电视摄,像,像机输出的,图,图像信号等,。,。模拟信号,有,有时也称连,续,续信号，这,个,个连续是指,信,信号的某一,参,参量可以连,续,续变化，或,者,者说在某一,取,取值范围内,可,可以取无穷,多,多个值，而,不,不一定在时,间,间上也连续,，,，如图 1,- 2(b)所示的,抽,抽样信号。,图 1 2,模,模拟信号波,形,形,数字信号,凡信号,参,参量只能取,有,有限个值，,并,并且常常不,直,直接与消息,相,相对应的信,号,号，均称为,数,数字信号,，,如电报信号,、,、计算机输,入,入/输出信,号,号、PCM,信,信号等。数,字,字信号有时,也,也称离散信,号,号，这个离,散,散是指信号,的,的某一参量,是,是离散变化,的,的，而不一,定,定在时间上,也,也离散，如,图,图 1 -3(b),所,所示的2PSK信号。,图 1 -3数字信号,波,波形,(a) 连,续,续信号；(b) 抽,样,样信号,(a) 二,进,进制波形；(b),2PSK,波形,模拟通信系,统,统,通信系统分,为,为,数字通信系,统,统,1. 模拟,通,通信系统模,型,型,模拟通信系,统,统是利用模,拟,拟信号来传,递,递信息的通,信,信系统,。,基带信号,是指信号的,频,频谱从零频,附,附近开始，,由,由于这种信,号,号具有频率,很,很低的频谱,分,分量， 一,般,般不宜直接,传,传输，这就,需,需要把基带,信,信号变换成,其,其频带适合,在,在信道中传,输,输的信号，,并,并可在接收,端,端进行反变,换,换。完成这,种,种变换和反,变,变换作用的,通,通常是调制器和解,调,调器。经过调制,以,以后的信号,称,称为,已调信号,。已调信号有,三,三个基本特,征,征：,一、携带有,信,信息；,二、适合在,信,信道中传输,；,；,三、信号的,频,频谱具有带,通,通形式且中,心,心频率远离,零,零频，因而,已,已调信号又,称,称,频带信号。,消息从发送,端,端到接收端,的,的传递过程,中,中，主要有,两,两种变换：,1）、基带,信,信号变为频,带,带信号（调,制,制变换）,2）、频带,信,信号变为基,带,带信号（解,调,调变换）,另外通信系,统,统中可能还,有,有滤波、放,大,大、天线辐,射,射、控制等,过,过程。由于,调,调制与解调,两,两种变换对,信,信号的变化,起,起决定性作,用,用，而其他,过,过程对信号,不,不会发生质,的,的变化，只,是,是对信号进,行,行了放大或,改,改善了信号,特,特性，因而,不,不在通信原,理,理讨论范畴,。,。,M,M,图1-4,模,模,拟,拟通,信,信系,统,统模,型,型,模拟,通,通信,系,系统,模,模型,可,可由,图,图1-1,略,略加,演,演变,而,而成,，,，,如,如图1-4,所,所,示,示。,图,图中,的,的调,制,制器,和,和解,调,调器,就,就代,表,表图1-1,中,中,的,的发,送,送设,备,备和,接,接收,设,设备,。,2,数,数,字,字通,信,信系,统,统模,型,型,数字,通,通信,系,系统,是,是利,用,用数,字,字信,号,号来,传,传递,信,信息,的,的通,信,信系,统,统，,如,如,图,图1-5,所,所示,。,。,数字,通,通信,涉,涉及,的,的技,术,术内,容,容有,：,：,1）,、,、编/译,码,码,包,括,括信,源,源编,码,码/,译,译码,、,、信,道,道编,码,码/,译,译码,。,。,2）,、,、调,制,制/,解,解调,数,数字,调,调制/解,调,调,3）,、,、数,字,字复,接,接,4）,、,、,同,同步,5）,、,、加,密,密,下面,对,对这,些,些技,术,术作,简,简要,介,介绍,。,。,1),信,信,源,源编,码,码与,译,译码,信源,编,编码,的,的作,用,用：,（1,）,）、,设,设法,减,减少,码,码元,数,数目,和,和降,低,低码,元,元速,率,率，,即,即通,常,常所,说,说的,数,数据,压,压缩,。,。码元,速,速率,将,将直,接,接影,响,响传,输,输所,占,占的,带,带宽,，,，而,传,传输,带,带宽,又,又直,接,接反,映,映了,通,通信,的,的有,效,效性,。,。,（2,）,）、,当,当信,息,息源,给,给出,的,的是,模,模拟,语,语音,信,信号,时,时，,信,信源,编,编码,器,器将,其,其转,换,换成,数,数字,信,信号,，,，以,实,实现,模,模拟,信,信号,的,的数,字,字化,传,传输,。,。,第7,章,章中,将,将讨,论,论模,拟,拟信,号,号数,字,字化,传,传输,的,的两,种,种方,式,式：,脉,脉冲,编,编码,调,调制(PCM)和,增,增量,调,调制(M),。,。信,源,源译,码,码是,信,信源,编,编码,的,的逆,过,过程,。,。,2）,信,信,道,道编,码,码与,译,译码,数字,信,信号,在,在信,道,道传,输,输时,，,，由,于,于噪,声,声、,衰,衰落,以,以及,人,人为,干,干扰,等,等，,将,将会,引,引起,差,差错,。,。为,了,了减,少,少差,错,错，,信,信道,编,编码,器,器对,传,传输,的,的信,息,息码,元,元按,一,一定,的,的规,则,则加,入,入保,护,护成,分,分（,监,监督,元,元）,，,，组,成,成所,谓,谓“,抗,抗干,扰,扰编,码,码”,。,。接,收,收端,的,的信,道,道译,码,码器,按,按一,定,定规,则,则进,行,行解,码,码，,从,从解,码,码过,程,程中,发,发现,错,错误,或,或纠,正,正错,误,误，,从,从而,提,提高,通,通信,系,系统,抗,抗干,扰,扰能,3） 加密与解密,在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全， 人为将被传输的数字序列扰乱， 即加上密码，这种处理过程叫加密。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，叫解密。,4,）,）,数,数,字,字,调,调,制,制,与,与,解,解,调,调,数,字,字,调,调,制,制,是,是,将,将,数,数,字,字,基,基,带,带,信,信,号,号,的,的,频,频,谱,谱,搬,搬,移,移,到,到,高,高,频,频,处,处,，,，,形,形,成,成,适,适,合,合,在,在,信,信,道,道,中,中,传,传,输,输,的,的,频,频,带,带,信,信,号,号,。,。,数,字,字,调,调,制,制,方,方,式,式,有,有,：,振,振,幅,幅,键,键,控,控ASK,、,、,频,频,移,移,键,键,控,控FSK,、,、,绝,绝,对,对,相,相,移,移,键,键,控,控PSK,、,、,相,相,对,对,（,（,差,差,分,分,）,）,相,相,移,移,键,键,控,控DPSK,。,。,数,字,字,调,调,制,制,是,是,本,本,教,教,材,材,的,的,重,重,点,点,内,内,容,容,之,之,一,一,，,，,将,将,在,在,第,第6,章,章,中,中,讨,讨,论,论,。,。,5,）,）同,步,步,与,与,数,数,字,字,复,复,接,接,同,步,步,是,是,保,保,证,证,数,数,字,字,通,通,信,信,系,系,统,统,有,有,序,序,、,、,准,准,确,确,、,、,可,可,靠,靠,工,工,作,作,的,的,不,不,可,可,缺,缺,少,少,的,的,前,前,提,提,条,条,件,件,。,。,同,同,步,步,是,是,使,使,收,收,、,、,发,发,两,两,端,端,的,的,信,信,号,号,在,在,时,时,间,间,上,上,保,保,持,持,步,步,调,调,一,一,致,致,。,。,按,按,照,照,同,同,步,步,的,的,功,功,用,用,不,不,同,同,，,，,可,可,分,分,为,为,载,载,波,波,同,同,步,步,、,、,位,位,同,同,步,步,、,、,群,群,同,同,步,步,和,和,网,网,同,同,步,步,，,，,这,这,些,些,问,问,题,题,将,将,集,集,中,中,在,在,第,第11,章,章,中,中,讨,讨,论,论,。,。,数字复,接,接就是,依,依据时,分,分复用,基,基本原,理,理把若,干,干个低,速,速数字,信,信号合,并,并成一,个,个高速,的,的数字,信,信号，,以,以扩大,传,传输容,量,量和提,高,高传输,效,效率。,图 1-5 是,数,数字通,信,信系统,的,的一般,化,化模型,，,，,图 1,5,数,数字通,信,信系统,模,模型,数字信,号,号也可,以,以在模,拟,拟通信,系,系统中,传,传输，,如,如计算,机,机数据,可,可以通,过,过模拟,电,电话线,路,路传输,，,，但这,时,时必须,使,使用调,制,制解调,器,器（Modem）将,数,数字基,带,带信号,进,进行正,弦,弦调制,，,，以适,应,应模拟,信,信道的,传,传输特,性,性。可,见,见，模,拟,拟通信,与,与数字,通,通信的,区,区别仅,在,在于信,道,道中传,输,输的信,号,号种类,。,。 ,3.,数,数字通,信,信的主,要,要特点,目前，,无,无论是,模,模拟通,信,信还是,数,数字通,信,信，在,不,不同的,通,通信业,务,务中都,得,得到了,广,广泛的,应,应用。,但,但是，,数,数字通,信,信的发,展,展速度,已,已明显,超,超过模,拟,拟通信,，,，成为,当,当代通,信,信技术,的,的主流,。,。与模,拟,拟通信,相,相比，,数,数字通,信,信更能,适,适应现,代,代社会,对,对通信,技,技术越,来,来越高,的,的要求,，,， 其,特,特点是,：,：,（1）,抗干扰,能,能力强,。,（2）,差错可,控,控,。 可,以,以采用,信,信道编,码,码技术,使,使误码,率,率降低,，,， 提,高,高传输,的,的可靠,性,性。,（3）,易于与,各,各种数,字,字终端,接,接口,，用现,代,代计算,技,技术对,信,信号进,行,行处理,、,、加工,、,、变换,、,、存储,，,，从而,形,形成智,能,能网。,（4）,易于集,成,成化,， 从,而,而使通,信,信设备,微,微型化,。,。 ,（5）,易于加,密,密处理,， 且,保,保密强,度,度高。,缺点：,数字通信的,许,许多优点都,是,是用比模拟,通,通信占据更,宽,宽的系统频,带,带为代价而,换,换取的。数,字,字通信的频,带,带利用率不,高,高。,例如：一路,模,模拟电话带,宽,宽为4kHz，而一路,接,接近同样话,音,音质量的数,字,字电话可能,要,要占据 2060kHz的带宽,。,。,另外，由于,数,数字通信对,同,同步要求高,，,，因而系统,设,设备比较复,杂,杂。,前景：宽带,信,信道（光纤,）,）的发展，,其,其缺点已可,以,以接受，,在,在现代通信,的,的发展中已,成,成为主流,。,1.2通信,系,系统分类与,通,通信方式,1.2.1,通,通信系统的,分,分类,话务通信,1 按通,信,信业务分类,非话务通信,。,。,非话务通信,分组数,据,据业务、计,算,算机通信、,数,数据库检索,、,、电子信箱,、,、电子数据,交,交换、传真,存,存储转发、,可,可视图文及,会,会议电视、,图,图像通信等,。,。,未来的综合,业,业务数字通,信,信网中各种,用,用途的消息,都,都能在一个,统,统一的通信,网,网中传输。,此,此外，还有,遥,遥测、遥控,、,、遥信和遥,调,调等控制通,信,信业务。,2 按调,制,制方式分类,根据是否采,用,用调制，可,将,将通信系统,分,分为基带传,输,输和频带（,调,调制）传输,。,。基带传输,是,是将未经调,制,制的信号直,接,接传送，如,音,音频市内电,话,话。频带传,输,输是对各种,信,信号调制后,传,传输的总称,。,。 调制方,式,式很多，,表,表 1 -1 列出,了,了一些常见,的,的调制方式,。,。,表 1-1常见的调,制,制方式,调 制 方 式,用途,连续调制,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,相位键控,数据传输,调 制 方 式,用途,脉冲数字调制,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,军用、 民用电话,差分脉码调制DPCM,电视电话、 图像编码,其他语言编码方式ADPCM、 APC、 LPC,中低速数字电话,续表（2）,3 按信,号,号特征分类,按照信道中,所,所传输的是,模,模拟信号还,是,是数字信号,，,， 相应地,把,把通信系统,分,分成模拟通,信,信系统和数,字,字通信系统,。,。 ,4 按传,输,输媒质分类,按传输媒质,分,分，通信系,统,统可分为有,线,线通信系统,和,和无线通信,系,系统两大类,。,。,有线通信是,用,用导线（如,架,架空明线、,同,同轴电缆、,光,光导纤维,、,、波导等）,作,作为传输媒,质,质完成通信,的,的，如市内,电,电话、 有,线,线电视、海,底,底电缆通信,等,等。无线通,信,信是依靠电,磁,磁波在空间,传,传播达到传,递,递消息的目,的,的的，如短,波,波电离层传,播,播、微波视,距,距传播、卫,星,星中继等。,5 按工,作,作波段分类,按通信设备,的,的工作频率,不,不同可分为,长,长波通信、,中,中波通信,、,、 短波通,信,信、 远红,外,外线通信等,。,。表 1-2 列出,了,了通信使用,的,的频段、,常,常用的传输,媒,媒质及主要,用,用途。 ,表 1,2,通,通信波段与,常,常用传输媒,质,质,频率范围,波长,符号,传输媒质,用途,3 Hz30 kHz,10,4,10,8,m,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,30300 kHz,10,3,10,4,m,低频LF,有线线对长波无线电,导航、 信标、 电力线通信,300 kHz3 MHz,10,2,10,3,m,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,330 MHz,1010,2,m,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,30300 MHz,110 m,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,续表（2）,频率范围,波长,符号,传输媒质,用途,300 MHz3 GHz,10100 cm,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,330 GHz,110 cm,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,30300 GHz,110 mm,极高频EHF,波导毫米波无线电,雷达、 微波接力、 射电天文学,107108 GHz,310-5 310-4 cm,紫外可见光红外,光纤激光空间传播,光通信,工作波长和,频,频率的换算,公,公式为,=,式中， ,为,为工作波长,，,， f为工,作,作频率，c为光速。,6 按信,号,号复用方式,分,分类,传输多路信,号,号有三种复,用,用方式：,1）、频分,复,复用：频分,复,复用是用频,谱,谱搬移的方,法,法使不同信,号,号占据不同,的,的频率范围,；,；,2）、时分,复,复用：时分,复,复用是用脉,冲,冲调制的方,法,法使不同信,号,号占据不同,的,的时间区间,；,；,3）、码分,复,复用：用正,交,交的脉冲序,列,列分别携带,不,不同信号。,传,传统的模,拟,拟通信中都,采,采用频分复,用,用，随着数,字,字通信的发,展,展，时分复,用,用通信系统,的,的应用愈来,愈,愈广泛，码,分,分复用主要,用,用于空间通,信,信的扩频通,信,信中。,1.2.2,通,通信方式,前述通信系,统,统是单向通,信,信系统，但,在,在多数场合,下,下，信源兼,为,为信宿，需,要,要双向通信,，,，电话就是,一,一个最好的,例,例子，这时,通,通信双方都,要,要有发送和,接,接收设备，,并,并需要各自,的,的传输媒质,，,，如果通信,双,双方共用一,个,个信道，就,必,必须用频率,或,或时间分割,的,的方法来共,享,享信道。因,此,此，通信过,程,程中涉及通,信,信方式与信,道,道共享问题,。,。 下面只,对,对通信方式,作,作一简单介,绍,绍。 ,1 按,消,消息传递,的,的方向与,时,时间关系,分,分,对于点与,点,点之间的,通,通信，按,消,消息传递,的,的方向与,时,时间关系,，,， 通信,方,方式可分,为,为单工、,半,半双工及,全,全双工通,信,信三种。,单工通信,消息只能,单,单方向传,输,输的工作,方,方式，,因,因此只占,用,用一个信,道,道， 广,播,播、遥测,、,、遥控、,无,无线寻呼,等,等就是单,工,工通信方,式,式的例子,。,。,半双工通,信,信,通信双方,都,都能收发,例如，使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信都是半双工通信方式。 ,全双工通信,通信双方可同时进行收发消息的工作方式，一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。,普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。,图 1,- 6单,工,工、 半,双,双工和全,双,双工通信,方,方式示意,图,图,(a),单,单工；(b),半,半双工,；,； (c) 全,双,双工,2 按,数,数字信号,排,排列顺序,分,分,在数字通,信,信中，按,数,数字信号,代,代码排列,的,的顺序可,分,分为并行,传,传输和串,行,行传输。,并行传输,将代,表,表信息的,数,数字序列,以,以成组的,方,方式在两,条,条或两条,以,以上的并,行,行信道上,同,同时传输,，,，优点是,节,节省传输,时,时间，但,需,需要传输,信,信道多，,设,设备复,杂,杂， 成,本,本高，,故,故 一般,适,适用于计,算,算机和其,他,他高速数,字,字系统，,特,特别适用,于,于设备之,间,间的近距,离,离通信。,串行传输,数字,图 1- 7并,行,行和串行,通,通信方式,示,示意图,(a),并,并行传输,；,；(b),串,串行传输,1.3信,息,息及其度,量,量,信号是消,息,息的载体,，,，而信息,是,是其内涵,。,任何信源,产,产生的输,出,出都是随,机,机的，也,就,就是说，,信,信源输出,是,是用统计,方,方法来定,性,性的。对,接,接收者来,说,说，只有,消,消息中不,确,确定的内,容,容才构成,信,信息；否,则,则，信源,输,输出已确,切,切知晓，,就,就没有必,要,要再传输,它,它了。,信息含量,就,就是对消,息,息中这种,不,不确定性,的,的度量,。 ,例如：有,三,三条消息,：,： ,太,太阳从东,方,方升起；, 太阳,比,比往日大,两,两倍；, 太阳,将,将从西方,升,升起 。,第,第一条,几,几乎没有,带,带来任何,信,信息，,第,第二条带,来,来了大量,信,信息，第,三,三条带来,的,的信息多,于,于第二条,。,。,根据概率,论,论知识，,事,事件的不,确,确定性可,用,用事件出,现,现的概率,来,来描述。,可,可能性越,小,小，概率,越,越小；反,之,之，概率,越,越大。因,此,此，,消息中包,含,含的信息量与消息发,生,生的概率密切相关,。消息出,现,现的概率,越,越小，消,息,息中包含,的,的信息量,就,就越大。,假,设,设,：,：P(x),是,是,一,一,个,个,消,消,息,息,发,发,生,生,的,的,概,概,率,率,；,；,I,是,是,从,从,该,该,消,消,息,息,获,获,悉,悉,的,的,信,信,息,息,。,。,根,据,据,上,上,面,面,的,的,认,认,知,知,，,，,显,显,然,然I,与,与P(x),之,之,间,间,的,的,关,关,系,系,反,反,映,映,为,为,如,如,下,下,规,规,律,律,：,：,（1,）,）,信,信,息,息,量,量,是,是,概,概,率,率,的,的,函,函,数,数,，,，,即,即,I=,I,P(x),（3,）,）,若,若,干,干,个,个,互,互,相,相,独,独,立,立,事,事,件,件,构,构,成,成,的,的,消,消,息,息,，,，,所,所,含,含,信,信,息,息,量,量,等,等,于,于,各,各,独,独,立,立,事,事,件,件,信,信,息,息,量,量,之,之,和,和,，,，,也,也,就,就,是,是,说,说,，,，,信,信,息,息,具,具,有,有,相,相,加,加,性,性,，,，,即,即,I,P(x,1,)P(x,2,),=,I,P(x,1,),+,I,P(x,2,),+,（2,）,）P(x),越,越,小,小,，,，I,越,越,大,大,；,；,反,反,之,之,，,，I,越,越,小,小,，,，,且,且,P(x),1,时,时,，,，I,0,P(x),0,时,时,，,，I,综,上,上,所,所,述,述,，,，,信,信,息,息,量,量I,与,与,消,消,息,息,出,出,现,现,的,的,概,概,率,率P(x),之,之,间,间,的,的,关,关,系,系,应,应,为,为,I=log,a,=,log,a,P(x),(1.4-3),信,息,息,量,量,的,的,单,单,位,位,由,由,对,对,数,数,底,底,数,数a,决,决,定,定,a=2,时,时比,特,特,(bit),；,；,目前广,泛,泛使用,的,的单位,a=e,时,时奈特,(nit),；,a=10时哈特莱。,I(0)=I(1)=log,2,=log,2,2=1(bit)(1.4- 4),1）、,传,传送等,概,概率的,二,二进制,波,波形之,一,一（P=1/2）的,信,信息量,为,为1比,特,特；,2）、,传,传送等,概,概率的,四,四进制,波,波形之,一,一（P=1/4）的,信,信息量,为,为2比,特,特；,（注：,每,每一个,四,四进制,波,波形需,要,要用2,4）、传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特；,（,注：,每一个八进制波形需要3个二进制脉冲）,例 ：,设,设二进,制,制离散,信,信源，,以,以相,等,等的概,率,率发送,数,数字0,或,或1，,则,则信源,每,每个输,出,出的信,息,息含量,为,为,I=log,2,=log,2,=log,2,M(bit)(1.4- 5),式,式中,，,， P,为,为每一,个,个波形,出,出现的,概,概率，M为,传,传送的,波,波形数,。,。 若M是2,的,的整幂,次,次，比,如,如M=2,K,（K=1，2,，,，3，,）,，,，则式(1.4-5)可,改,改写为,I=log,2,2,K,=K(bit)(1.4- 6),式,中,中,K是二,进,进制脉,冲,冲数目,，,，也就,是,是说，,传,传送每,一,一个M,（,（M=2,K,）进制,波,波形的,信,信息量,就,就等于,用,用二进,制,制脉冲,表,表示该,波,波形所,需,需的脉,冲,冲数目K。,综上所,述,述，对,于,于离散,信,信源，M个波,形,形等概率（P=1/M,）,）发送,，,，且每,一,一个波,形,形的出,现,现是独,立,立的，,即,即信源,是,是无记,忆,忆的，,则,则传送M进制,波,波形之,一,一的信,息,息量为,如果是非等概,率,率情况，,设,设离散,信,信源是,一,一个由n个符,号,号组成,的,的符号,集,集，,其,其中每,个,个符号x,i,(i=1,2,3,n)出,现,现的概,率,率为P(x,i,)，,且,且有,则,则x,1, x,2, , x,n,所包含,的,的信息,量,量分别,为,为：,-log,2,P(x,1,),-log,2,P(x,2,)，,，,，-log,2,P(x,n,),于是，,每,每个符,号,号所含,信,信息量,的,的统计,平,平均值,，,，即平,均,均信息,量,量为,H(x)=P(x,1,)-log,2,P(x,1,)+P(x,2,)-log,2,P(x,2,)+,+P(x,n,)-log,2,P(x,n,),=,由于H,同,同热力,学,学中的,熵,熵形式,一,一样，,故,故通,常,常又称,它,它为信息源,的,的熵，其单,位,位为bit/,符,符号。,显然，,当,当信源,中,中每个,符,符号等,概,概独立,出,出现时,，,，上式,即,即成为,式,式(1.4- 3)，,此,此时信,源,源的熵,有,有最大,值,值。,例 1-2一离,散,散信源,由,由0，1，2，3四,个,个符号,组,组成，,它,它们出,现,现的概,率,率分别,为,为3/8,1/4, 1/4,1/8，且,每,每个符,号,号的出,现,现都是,独,独立的,。,。试求,某,某消息,：,：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信,息,息量。,解 ：,此,此,消,消息中,，,，0出,现,现23,次,次，1,出,出现14次，2出现13次,，,，3出,现,现7次,，,，共有57个,符,符号，,故,故该消,息,息的信,息,息量为,每个符,号,号的算,术,术平均,信,信息量,为,为,若用熵,的,的概念,来,来计算,，,， 由,式,式（1.3- 5,）,）得,可见，,两,两种算,法,法的结,果,果有一,定,定误差,，,，但当,消,消息很,长,长时，,用,用熵,的,的概念,来,来计算,比,比较方,便,便。,而,而且随,着,着消息,序,序列长,度,度的增,加,加，,两,两种计,算,算误差,将,将趋于,零,零。,信息量,的,的计算,想一想,信息量,的,的定义,和,和计算,能,能否适,用,用于连,续,续信号,？,等概发,送,送,信源,非等概,发,发送,信源,1.4,主,主要性,能,能指标,有效性,和,可靠性,是评价,一,一个通,信,信系统,优,优劣的,主,主要性,能,能指标,有效性,是指在,给,给定信,道,道内所,传输,的信息,内,内容的,多,多少,，,是传输,的,的“,速度,”问题,；,；,可靠性,是,是指,接收,信息的,准,准确程,度,度，是,传,传输的,“,“,质量,”问题,。,。,一、,模,模拟,通,通信,系,系统,性,性能,指,指标,：,：,模拟,通,通信,系,系统,的,的有效,性,性可用有效,传,传输,频,频带来度,量,量，,同,同样,的,的消,息,息用,不,不同,的,的调,制,制方,式,式，,则,则需,要,要不,同,同的,频,频带,宽,宽度,。,。,可靠,性,性用接,收,收端,最,最终,输,输出信噪,比,比来度,量,量。不同,调,调制,方,方式,在,在同,样,样信,道,道信,噪,噪比,下,下所,得,得到,的,的最,终,终解,调,调后,的,的信,噪,噪比,是,是不,同,同的,。,。,二、,数,数字,通,通信,系,系统,性,性能,指,指标,：,：,数字,通,通信,系,系统,的,的有,效,效性,可,可用传输,速,速率来衡,量,量。,可,可,靠,靠性,可,可用差错,率,率来衡,量,量。,1、,传,传输,速,速率,1),、,、码元,传,传输,速,速率,R,B,简称,传码,率,率,，又称符号,速,速率等。它表,示,示单,位,位时,间,间内,传,传输,码,码元,的,的数,目,目，,单,单位,是,是波特（Baud）,，,，记,为,为B。,例如,，,，若1秒,内,内传2400,个,个码,元,元，,则,则传,码,码率,为,为2400B,。,。,数字,信,信号,有,有多,进,进制,和,和二,进,进制,之,之分,，,，但,码,码元,速,速率,与,与进,制,制数,无,无关,，,，只,与,与传,输,输的,码,码元,长,长度T有,关,关:,通常,在,在给,出,出码,元,元速,率,率时,，,，有,必,必要,说,说明,码,码元,的,的进,制,制。,由,由于N进,制,制的,一,一个,码,码元,可,可以,用,用log,2,N个,二,二进,制,制码,元,元去,表,表示,，,，因,而,而在,保,保证,信,信息,速,速率,不,不变,的,的情,况,况下,，,，N,进,进制,的,的码,元,元速,率,率R,BN,与二,进,进制,的,的码,元,元速,率,率R,B2,之间,有,有以,下,下转,换,换关,系,系：,R,B2,=R,BN,log,2,N(B),2,）,）、信息,传,传输,速,速率,R,b,简称,传信,率,率,，又,称,称,比特,率,率,。它,表,表示,单,单位,时,时间,内,内传,递,递的,平,平均,信,信息,量,量或,比,比特,数,数，,单,单位,是,是比,特,特/,秒,秒，,可,可记,为,为bit/s,，,，,或,或b/s,，,，或bps。,每个,码,码元或符,号,号通常都,含,含有一定bit数,的,的信息量,，,，因此码,元,元速率和,信,信息速率,有,有确定的,关,关系，即,R,b,=R,B,H (b/s),式中,，,，H为信,源,源中每个,符,符号所含,的,的平均信,息,息量（熵,）,）。 等,概,概传输时,，,，熵有最,大,大值log,2,N，信息,速,速率也达,到,到最大，,即,即,R,b,=R,B,log,2,N (b/s)(1.5- 1),或,R,B,= ,式中，N,为,为符号的,进,进制数。,例,例如码元,速,速率为1200B,，,，采用八,进,进制（N=8）时,，,，信息速,率,率为3600b/s；采用,二,二进制（N=2）,时,时， 信,息,息速率为1200b/s，,可,可见，,二进制的,码,码元速率,和,和信息速,率,率在数量,上,上相等，,有,有时简称,它,它们为数码率。,频带利用,率,率比较,不,不同通信,系,系统的有,效,效性时，,单,单看它们,的,的传输速,率,率是不够,的,的，还应,看,看在这样,的,的传输速,率,率下所占,的,的信道的,频,频带宽度,。,。所以，,真,真正衡量数字通信,系,系统传输,效,效率的应,当,当是单位,频,频带内的,码,码元传输,速,速率，即,数字信号,的,的传输带,宽,宽B取决,于,于码元速,率,率R,B,，而码元,速,速率和信,息,息速率R,b,有着确定,的,的关系。为了比较,不,不同系统,的,的传输效,率,率， 又,可,可定义频,带,带利用率,为,为,2.,差,差错率,衡量数字,通,通信系统,可,可靠性的,指,指标是差,错,错率，,常,常用误码率和误信率表示。,误码率（,码,码元差错,率,率）Pe,是,是指发生,差,差错的码,元,元数在传,输,输总码元,数,数中所占,的,的比例，,更,更确切地,说,说，误码,率,率是码元,在,在传输系,统,统中被传,错,错的概率,，,，即,误信率（,信,信息差错,率,率）P,b,是指发生,差,差错的比,特,特数在传,输,输总比特,数,数中所占,的,的比例，,即,即,显然，,在,在二进制,中,中有,P,b,=P,e,本节中的,两,两个重要,概,概念：,1、码元,传,传输速率R,B,（传码率，,符,符号速率）,2、信息,传,传输速率R,b,（传信率，,比,比特,率）,两个计算,方,方法和公,式,式：,等概传输,信,信息量计,算,算,I =,log,2,M(bit),非等概传,输,输平均信,息,息量计算,H(x)=,作业P1-1,、,、1-2,、,、1-3,、,、1-4,、,、1-6,、,、1-7,。,。,1.5,通,通信发,展,展趋势,在过去三,四,四十年间,，,，对数据,传,传输需求,的,的增长以,及,及大规模,集,集成电路,的,的发展，,促,促进了数,字,字通信的,发,发展。目,前,前数字通,信,信在卫星,通,通信、光,纤,纤通信、,移,移动通信,、,、微波通,信,信等领域,有,有了新的,进,进展。,下,下面我们,就,就从这几,个,个方面来,了,了解通信,的,的现状和,未,未来发展,趋,趋势。,1 卫,星,星通信系,统,统,卫星通信,系,系统是将,通,通信卫星,作,作为空中,中,中继站，,它,它能够将,地,地球上某,一,一地面站,发,发射来的,无,无线电信,号,号转发到,另,另一个地,面,面站，,从,从而实现,两,两个或多,个,个地域之,间,间的通信,。,。根据通,信,信卫星与,地,地面之间,的,的位置关,系,系，可以,分,分为静止,通,通信卫星(或同步,通,通信卫星)和移动,通,通信卫星,。,。静止通,信,信卫星是,轨,轨道在赤,道,道平面上,的,的卫星，,它,它离地面,高,高度为35 780 km,，,，采用三,个,个相差120的,静,静止通信,卫,卫星就可,以,以覆盖地,球,球的绝大,部,部分地域(两极盲,区,区除外),。,。,卫星通信,系,系统由通,信,信卫星、,地,地球站、,上,上行线路,及,及下行线,路,路组成。,上,上行线路,和,和下行线,路,路是地球,站,站至通信,卫,卫星及通,信,信卫星至,地,地球站的,无,无线电传,播,播路径，,通,通信设备,集,集中于地,球,球站和通,信,信卫星中,。,。 ,卫星通信,的,的特点是,：,：通信距,离,离远、覆,盖,盖地域广,、,、不受地,理,理条件限,制,制、 通,信,信容量大,、,、可靠性,高,高等。自,从,从1957年10,月,月第一颗,卫,卫星发射,成,成功以来,，,，卫星通,信,信作为一,种,种重要的,通,通信手段,被,被广泛用,于,于国际、,国,国内和区,域,域通信。21世纪,的,的卫星通,信,信将向更,高,高频段、,更,更大容量,方,方向发展,。,。卫星间,的,的通信将,采,采用速度,快,快、 频,带,带宽、保,密,密性强的,激,激光通信,。,。预计到2010,年,年前，,星,星间激光,通,通信的传,输,输速率将,达,达到40Gb/s,，,，地面终,端,端设备将,日,日益小型,化,化， 甚,小,小天线卫,星,星地球站(VSAT) 将,会,会继续发,展,展,。 ,2,光,光纤通,信,信系统,光纤通,信,信是以,光,光导纤,维,维(简,称,称光纤)作为,传,传输媒,目前，单波长光通信系统速率已达10 Gb/s，其潜力已不大，采用密集波分复用（DWDM）技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术。近年来，DWDM技术取得了较大的进展，美国AT&T实验室等机构已成功地完成了Tb/s的传输实验。,光传送网,是,是通信,网,网未来,的,的发展,方,方向，,它,它可以,处,处理高,速,速率的,光,光信号,，,，摆脱,电,电子瓶,颈,颈，实,现,现灵活,、,、动态,的,的光层,联,联网，,透,透明地,支,支持各,种,种格式,的,的信号,以,以及实,现,现快速,网,网络恢,复,复。,因,因此，,世,世界上,许,许多国,家,家纷纷,进,进行研,究,究、试,验,验，验,证,证由波,分,分复用,、,、光交,叉,叉连接,设,设备及,色,色散位,移,移光纤,组,组成的,高,高容量,通,通信网,今,今后的,可,可行性,。,。 ,3,数,数字蜂,窝,窝移动,通,通信系,统,统,数字蜂,窝,窝移动,通,通信系,统,统是将,通,通信范,围,围分为,若,若干相,距,距一定,距,距离的,小,小区，,移,移动用,户,户可以,从,从一个,小,小区运,动,动到另,一,一个小,区,区，依,靠,靠终端,对,对基站,的,的跟踪,，,，使通,信,信不中,断,断。移,动,动用户,还,还可以,从,从一个,城,城市漫,游,游到另,一,一个城,市,市，甚,至,至到另,一,一个国,家,家与原,注,注册地,的,的用户,终,终端通,话,话。,数字蜂,窝,窝移动,通,通信系,统,统主要,由,由三部,目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。 ,第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一，覆盖了大中小城市，为人们的信息交流提供了极大的便利。随着移动通信终端的普及，移动用户数量成倍地增长，第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现，如全球漫游问题、系统容量问题、频谱资源问题、支持宽带业务问题等。,为此，,从,从20,世,世纪9,0年代,中,中期开,始,始，各,国,国和世,界,界组织,又,又开展,了,了对第,三,三代移,动,动通信,系,系统的,研,研究，,它,它包括,地,地面系,统,统和卫,星,星系统,，,，移动,终,终端既,可,可以连,接,接到地,面,面的网,络,络，也,可,可以连,接,接到卫,星,星的网,络,络。,第三代,移,移动通,信,信系统,工,工作在,2000MHz频段,，,，预期,在,在2002年,左,左右投,入,入商用,，,，为此,国,国际电,信,信联盟,正,正式将,其,其命名,为,为IMT-2000,。,。IMT-2000,的,的目标,和,和要求,是,是：统,一,一频段,，,，统一,标,标准，,达,达到,全,全球无,缝,缝隙覆,盖,盖，提,供,供多媒,体,体业务,，,，传输,速,速率最,高,高应达,到,到2Mb/s，,其,其中车,载,载为144kb/s,、,、步行,为,为384kb/s、,室,室内为2 Mb/s,；,；频谱,利,利用率,高,高，服,务,务质量,高,高，保,密,密性能,好,好；易,于,于向第,二,二代系,统,统过渡,和,和演进,；,； 终,端,端价格,低,低。,目前第三代,移,移动通信系,统,统有多个标,准,准， 我国,所,所提出的TD-SCDMA标准,也,也是其中之,一,一。这充分,体,体现了我国,在,在移动通信,领,领域的研究,已,已达到国际,领,领先水平。,人类对新技,术,术的追求是,无,无止境的，,对,对新的通信,系,系统和通信,技,技术的研究,仍,仍在不断进,行,行，新的通,信,信系统和通,信,信技术也将,会,会不断服务,于,于人类。,