1、第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 第第1章章 緒緒 論論 1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.2 通信系統的組成通信系統的組成 1.3 通信技術發展概況通信技術發展概況 1.4 數字通信系統的主要性能指標數字通信系統的主要性能指標 1.5 數字通信的主要技術問題數字通信的主要技術問題 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.1 通信的基本概念通信的基本概念 1.1.1 通信的定義通信的定義 通信從本質上講就是實現信息傳遞功能的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真、高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有存儲、處

2、理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成部分。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.1.2 通信的分類通信的分類 1. 按傳輸媒質分按傳輸媒質分 按消息由一地向另一地傳遞時傳輸媒質的不同，通信可分為兩大類：一類稱為有線通信，另一類稱為無線通信。所謂有線通信，是指傳輸媒質為導線、電纜、光纜、波導等形式的通信，其特點是媒質能看得見，摸得著。導線可以是架空明線、電纜、光纜及波導等。所謂無線通信，是指傳輸消息的媒質為看不見、 摸不著的媒質(如電磁波)的一種通信形式。 通常，有線通信亦可進一步再分類，如明線通信、電纜通信、光纜通信等。無線通信常見的形式有微波通信、短波通信、移動

3、通信、衛星通信、散射通信等，其形式較多。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 按信道中所傳信號的不同分按信道中所傳信號的不同分 信道是個抽象的概念。這里我們可理解成傳輸信號的通路，在第2章里將詳細介紹。通常信道中傳送的信號可分為數字信號和模擬信號，由此通信亦可分為數字通信和模擬通信。 凡信號的某一參量(如連續波的振幅、頻率、相位，脈沖波的振幅、寬度、位置等)可以取無限多個數值，且直接與消息相對應的， 稱為模擬信號。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 3. 按工作頻段分按工作頻段分 表 1 - 1 通信使用的頻段及主要用途 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 續表續表 第 1

4、 章 緒 論 第 1 章 緒 論 通信中工作頻率和工作波長可互換，公式為 fC式中，為工作波長；f為工作頻率；C為電波在自由空間中的傳播速度，通常認為C=3108 m/s。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 4. 按調制方式分按調制方式分 根據消息在送到信道之前是否采用調制， 通信可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。所謂基帶傳輸是指信號沒有經過調制而直接送到信道中去傳輸的一種方式，而頻帶傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，收端有相應解調措施的通信系統。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 5. 按業務的不同分按業務的不同分 目前通信業務可分為電報、電話、 傳真、 數據傳輸、 可視電話、 無

5、線尋呼等。 另外從廣義的角度來看，廣播、 電視、 雷達、 導航、 遙控、 遙測等也應列入通信的范疇，因為它們都滿足通信的定義。由于廣播、電視、雷達、導航等的不斷發展，目前它們已從通信中派生出來，形成了獨立的學科。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 6. 按收信者是否運動分按收信者是否運動分 通信還可按收信者是否運動分為移動通信和固定通信。移動通信是指通信雙方至少有一方在運動中進行信息交換。由于移動通信具有建網快、 投資少、 機動靈活， 它使用戶能隨時隨地快速可靠地進行信息傳遞，因此，移動通信已被列為現代通信中的三大新興通信方式之一。 另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻

6、分多址通信、時分多址通信、碼分多址通信等。按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.1.3 通信方式通信方式 1. 按消息傳送的方向與時間分按消息傳送的方向與時間分 圖 1-1 按消息傳送的方向和時間劃分的通信方式(a) 單工方式； (b) 半雙工方式； (c) 全雙工方式 A信道B(a)A信道B(b)A信道B(c)第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 按數字信號排序分按數字信號排序分 圖 1-2 按數字信號排序劃分的通信方式(a) 串序傳輸方式 ； (b) 并序傳輸方式 發送設備接收設備110(a)發送設備接收設備(b)第 1 章 緒 論 第

7、 1 章 緒 論 3. 按通信網絡形式分按通信網絡形式分 圖 1-3 按網絡形式劃分的通信方式(a) 兩點間直通方式； (b) 分支方式； (c) 交換方式 圖1-3終端A終端B終端C交換設備終端N(c)終端A終端B(a)轉接站終端A終端B終端C(b)終端N第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.2 通信系統的組成通信系統的組成 圖 1-4 通信系統的模型 信息源發送設備信道接收設備受信者噪聲源發送端接收端圖1-4第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.2.1 模擬通信系統模擬通信系統 圖 1-5 模擬通信系統模型 信息源調制器信道解調器受信者噪聲源第 1 章 緒 論 第 1 章 緒

8、論 1.2.2 數字通信系統數字通信系統 1. 數字頻帶傳輸通信系統數字頻帶傳輸通信系統 圖 1-6 數字頻帶傳輸通信系統模型 信息源噪聲源加密器編碼器調制器信道解調器譯碼器解密器受信者第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 數字基帶傳輸通信系統數字基帶傳輸通信系統 圖 1-7 數字基帶傳輸通信系統模型 信息源信道接收濾波器取樣判決受信者噪聲源cp基形帶成信器號第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 3. 模擬信號數字化傳輸通信系統模擬信號數字化傳輸通信系統 圖 1-8 模擬信號數字化傳輸通信系統模型 模 擬信息源 由抽樣、量化、 編碼組成的模 數轉換器數字通信系統數 模轉換器受信者第

9、1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.2.3 數字通信的主要優缺點數字通信的主要優缺點 1. 數字通信的主要優點數字通信的主要優點(1) 抗干擾、 抗噪聲性能好。 (2) 差錯可控。 (3) 易加密。 (4) 易于與現代技術相結合。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 數字通信的缺點數字通信的缺點 (1) 頻帶利用率不高。數字通信中，數字信號占用的頻帶寬，以電話為例，一路數字電話一般要占據約2060kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用約4 kHz帶寬。如果系統傳輸帶寬一定的話， 模擬電話的頻帶利用率要高出數字電話的515倍。 (2) 需要嚴格的同步系統。數字通信中，要準確地恢復信號，

10、必須要求收端和發端保持嚴格同步。因此，數字通信系統及設備一般都比較復雜。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 由于數字信號占用的頻帶寬，而使數字通信的頻帶利用率低。系統的頻帶利用率，可用系統允許最大傳輸帶寬(信道的帶寬)與每路信號的有效帶寬之比來表征，即 iWBBn 式中，BW為系統允許最大頻帶寬度；Bi為每路信號的頻帶寬度；n為系統在其帶寬內最多能容納(傳輸)的話路數。n值大， 說明系統利用率高。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.3 通信技術發展概況通信技術發展概況 1.3.1 通信發展簡史通信發展簡史 表表 1-2 通信重大事件表通信重大事件表 第 1 章 緒 論 第 1

11、章 緒 論 表表 1-2 通信重大事件表通信重大事件表第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.3.2 通信技術的現狀和發展趨勢通信技術的現狀和發展趨勢 1. 光纖通信光纖通信 光纖通信具有容量大、成本低等優點，且不怕電磁干擾，與同軸電纜相比可以大量節約有色金屬和能源。因此，自1977年世界上第一個光纖通信系統在芝加哥投入運行以來，光纖通信發展極為迅速，新器件、新工藝、新技術不斷涌現，性能日臻完善。由于長波長激光器和單模光纖的出現 ，使每芯光纖通話路數可高達百萬路，中繼距離將達到100 km，市話中繼光纖成本也連續大幅度下降。 我國近幾年來光纖通信已得到了快速發展，目前光纜長度累計近幾十萬k

12、m。我國已不再敷設同軸電纜，新的工程將全部采用光纖通信新技術。第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 衛星通信衛星通信 衛星通信的特點是通信距離遠， 覆蓋面積廣， 不受地理條件限制，可以大容量傳輸，建設周期短，可靠性高等。自1960年第一顆衛星發射成功以來，衛星通信發展特別迅猛。 目前， 衛星通信的使用范圍已遍及全球，僅國際衛星通信組織就擁有數十萬條話路。衛星通信的廣泛應用，使國際間重大活動能及時得以實況轉播， 它使全世界人與人之間的“距離”縮短。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 3. 移動通信移動通信 移動通信是現代通信中發展最為迅速的一種通信手段，它是隨著汽車、飛機、輪船、火

13、車等交通工具的發展而同步發展起來的。 近10年來， 在微電子技術和計算機技術的推動下，移動通信從過去簡單的無線對講或廣播方式發展成為一個把有線、 無線融為一體，固定、移動相互連通的全國規模，甚至全球范圍的通信系統。 移動通信的發展方向是數字化、微型化和標準化。20世紀90年代將是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在八種不同的技術體制，互不兼容，因此標準化成為當務之急。數字化的關鍵是調制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標是研制重量非常輕的個人攜帶的手機。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 4. 微波中繼通信微波中繼通信 微波中繼通信始于20世紀60年代，它較一般電纜通信具有易

14、架設，建設周期短等優點。它是目前通信的主要手段之一，主要用來傳輸長途電話和電視節目，其調制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中繼通信的主要發展方向是數字微波，同時要不斷增加系統容量，增加容量的途徑是向多電平調制技術發展。目前采用的調制方式有16QAM和64QAM，并已出現256QAM、1024QAM等超多電平調制的方式。采用多電平調制，在40 MHz的標準頻道間隔內，可傳送1920至7680路PCM數字電話。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.4 數字通信系統的主要性能指標數字通信系統的主要性能指標 1.4.1 一般通信系統的性能指標一般通信系統的性能指標(1) 有效性。 指

15、通信系統傳輸消息的“速率”問題， 即快慢問題。 (2) 可靠性。 指通信系統傳輸消息的“質量”問題， 即好壞問題。 (3) 適應性。 指通信系統使用時的環境條件。 (4) 經濟性。 指系統的成本問題。 (5) 保密性。 指系統對所傳信號的加密措施. (6) 標準性。 指系統的接口、 各種結構及協議是否合乎國家、 國際標準。 (7) 維修性。 指系統是否維修方便。 (8) 工藝性。 指通信系統各種工藝要求。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.4.2 信息及其量度信息及其量度 (1) 消息中所含信息量I是消息出現的概率P(x)的函數，即 )(xPII (2) 消息出現的概率愈小， 它所含

16、信息量愈大； 反之信息量愈小。 且 時時01PPII0第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 (3) 若干個互相獨立事件構成的消息， 所含信息量等于各獨立事件信息量的和， 即 )()()()(2121xPIxPIxPxPI可以看出I與P(x)間應滿足以上三點， 則它們有如下關系式： )(log)(1logxPxPIaa第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 信息量I的單位與對數的底數a有關： a=2 單位為比特(bit，簡寫為b)； a=e單位為奈特(nat，簡寫為n)；a=10單位為笛特(Det)或稱為十進制單位； a=r單位稱為r進制單位。 通常使用的單位為比特。 第 1 章 緒 論 第

17、1 章 緒 論 例例 1-1 試計算二進制符號等概率和多進制(M進制)等概率時每個符號的信息量。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 例例 1-2 試計算二進制符號不等概率時的信息量(設P(1)=P)。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 例例 1-3 設由5個符號組成的信息源，相應概率為 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 例例 1-4 一信息源由4個符號A、 B、 C、 D組成，它們出現的概率為3/8、1/4、1/4、1/8，且每個符號的出現都是獨立的。試求信息源輸出為CABACABDACBDAABCAD-CBABAADCBABAACDB

18、ACAACABADBCADCBAABCACBA的信息量。 解解 信源輸出的信息序列中，A出現23次，B出現14次，C出現13次，D出現7次，共有57個。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 該信息源總的信息量為 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.4.3 有效性指標的具體表述有效性指標的具體表述 1. 碼元傳輸速率碼元傳輸速率 碼元傳輸速率通常又可稱為碼元速率、數碼率、傳碼率、碼率、信號速率或波形速率，用符號RB來表示。碼元速率是指單位時間(每秒鐘)內傳輸碼元的數目，單位為波特(Baud)，常用符號“B”表示(注意，不能用小寫)。例如，某系統在2秒內共傳送4800個碼元，則系統的傳

19、碼率為2400B。 數字信號一般有二進制與多進制之分，但碼元速率RB與信號的進制數無關，只與碼元寬度Tb有關。 bBTR1第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 通常在給出系統碼元速率時，有必要說明碼元的進制，多進制(N)碼元速率RBN與二進制碼元速率RB2之間，在保證系統信息速率不變的情況下，相互可轉換，轉換關系式為 4 , 3 , 2,2)(log22kkNBNRRBNB應為第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 信息傳輸速率信息傳輸速率 信息傳輸速率簡稱信息速率，又可稱為傳信率、比特率等。信息傳輸速率用符號Rb表示。Rb是指單位時間(每秒鐘)內傳送的信息量。單位為比特/秒(bit/

20、s)，簡記為b/s或bps。例如，若某信源在1秒鐘內傳送1200個符號，且每一個符號的平均信息量為1(bit)，則該信源的Rb=1200b/s或1 200 bps。 因為信息量與信號進制數N有關，因此，Rb也與N有關。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 3. 消息傳輸速率消息傳輸速率 消息傳輸速率亦稱消息速率，它被定義為單位時間(每秒鐘)內傳輸的消息數，用Rm表示。因消息的衡量單位不同，有各種不同的含義。例如，當消息的單位是漢字時，則Rm的單位為字/秒。消息速率在實際中應用不多。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 4. Rb與與RB之間的互換之間的互換 在二進制中，碼元速率RB2同

21、信息速率Rb2的關系在數值上相等，但單位不同。 在多進制中，RBN與RbN之間數值不同，單位亦不同。它們之間在數值上有如下關系式 NRRBNbN2log第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 例例1-5 已知二進制數字信號在2min內共傳送了72 000個碼元，(1) 問其碼元速率和信息速率各為多少? (2) 如果碼元寬度不變(即碼元速率不變)，但改為八進制數字信號， 則其碼元速率為多少? 信息速率又為多少? 解解 (1) 在260s內傳送了72 000個碼元RB2=72000/(260)=600 (B)Rb2=RB2=600 (b/s)(2) 若改為8進制則 RB8=72000/(260)=

22、600 (B) Rb8=RB8log28=1800 (b/s) 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.4.4 可靠性指標的具體表述可靠性指標的具體表述 1. 碼元差錯率碼元差錯率Pe 碼元差錯率Pe簡稱誤碼率，它是指接收錯誤的碼元數在傳送總碼元數中所占的比例，更確切地說，誤碼率就是碼元在傳輸系統中被傳錯的概率。用表達式可表示成 )(錯誤碼元數正確碼元數總碼元數單位時間內系統傳輸的碼元數單位時間內接收的錯誤Pe第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 2. 信息差錯率信息差錯率Peb 信息差錯率Peb簡稱誤信率，或誤比特率，它是指接收錯誤的信息量在傳送信息總量中所占的比例，或者說，它是碼元的

23、信息量在傳輸系統中被丟失的概率。用表達式可表示成 )()()(總信息量總比特數單位時間內系統傳輸的信息量的比特數丟失出錯單位時間內系統傳輸中ebP第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 例例 1-6 已知某八進制數字通信系統的信息速率為12000 b/s，在收端半小時內共測得出現了216個錯誤碼元，試求系統的誤碼率。 528881036030000421600048log/00012ebBbRBRRsbR解解 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.5 數字通信的主要技術問題數字通信的主要技術問題 1.5.1 數字調制數字調制/解調解調 調制與解調是數字通信系統的核心，是最基本的也是最重要

24、的技術之一。調制的作用是將輸入的數字信號(基帶數字信號)變換為適合于信道傳輸的頻帶信號。常見的基本數字調制方式有振幅鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、 絕對相移鍵控(PSK)、 相對(差分)相移鍵控(DPSK)等四種。 第 1 章 緒 論 第 1 章 緒 論 1.5.2 信源編碼信源編碼/譯碼譯碼 信源編碼的主要任務：第一是將模擬信號轉換成數字信號(即模擬信號數字化問題)，第二是實現數據壓縮(數據壓縮已超出我們的大綱范圍)。 第 3 章將主要討論模擬信號數字化問題。 從實現方法上看，模擬信號數字化主要有兩種基本形式， 一是脈沖編碼調制(PCM)，另一種是增量調制(M)。在第 3 章中不僅要討論其編碼/譯碼的基本組成及實現方