第1章概論

電子技術系2023/2/61目標要求

基本要求

了解通信的發展；

掌握消息、信息、信號的定義；

掌握數字通信的概念，理解數字通信的優點；

掌握數字通信系統模型及其主要性能指標；

掌握信道模型，并會分析信道特性對信號傳輸的影響；

熟悉信道中的噪聲。2023/2/62目標要求

重點、難點

重點是：信息的度量；數字通信系統模型的理解與掌握。

難點是：數字通信系統性能指標的理解與計算；變參信道對信號傳輸的影響。2023/2/63主要內容

1.1通信的概述

1.2通信系統的組成

1.3通信系統的分類及通信方式

1.4信息及其度量

1.5通信系統的主要性能指標

1.6信道及其容量思考題、習題2023/2/64什么是通信？異地間人與人、人與機器、機器與機器進行信息的傳遞和交換。2023/2/65通信的發展一、歷史的通信方式1.古代：

公元前800年(周朝)，烽火臺。應用光通信的見證－最簡單的二進制數字通信。2.近代：

1820年：安培發明電報通信，近代數字通信的

開始。

1838年：莫爾斯將電報通信推向實用。

1876年：貝爾發明電話，模擬通信的開始。2023/2/66通信的發展3.現代

20世紀60年代以后：數字通信技術進入高級發展階段。近20多年：數字通信迅猛發展；光纖通信也攜手同行。兩者都成為現代通信網的主要支柱。

2023/2/67通信的發展

烽火臺2023/2/68通信的發展

將電報通信推向實用

塞繆爾·莫爾斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872）2023/2/69通信的發展貝爾（1847-1922）美國電話發明者2023/2/610通信的發展

1876年3月10日，美國發明家貝爾發明世界上第一部電話，并獲美國專利局批準的電話專利。這是2005年8月11日拍攝的美國新澤西州默里山貝爾實驗室博物館內的世界第一部電話。

2023/2/611通信的發展

麥克斯韋在物理學中的最大貢獻是建立了統一的經典電磁場理論和光的電磁理論，預言了電磁波的存在。1873年，麥克斯韋完成巨著《電磁學通論》，這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美的書，具有劃時代的意義，是牛頓以后科學史上的又一座豐碑。麥克斯韋(JamesClerkMaxwel1831～1879)英國物理學家2023/2/612通信的發展赫茲（1857-1894）德國物理學家

1888年，成了近代科學史上的一座里程碑。赫茲的發現具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯韋發現的真理，更重要的是開創了無線電電子技術的新紀元。為了紀念他在電磁波發現中的卓越貢獻，后人將頻率的單位命名為赫茲。

赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在2023/2/613通信系統一般模型通信是從一地向另一地傳遞和交換信息。通信系統是實現信息傳遞所需的一切技術設備和傳輸媒質的總和。信源發送設備信道信宿接收設備發送端接收端噪聲源通信系統的一般模型2023/2/614通信系統一般模型信源是消息的產生地，其作用是把各種消息轉換成原始電信號，稱之為消息信號或基帶信號。電話機、電視攝像機和電傳機、計算機等各種數字終端設備就是信源。發送設備將信源和信道匹配起來，即將信源產生的消息信號變換成適合在信道中傳輸的信號。變換方式是多種多樣的，在需要頻譜搬移的場合，調制是最常見的變換方式。2023/2/615通信系統一般模型信道是指傳輸信號的物理媒質。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間）在有線信道中，信道可以是明線、電纜或光纖。媒質的固有特性及引入的干擾與噪聲直接關系到通信的質量。根據研究對象的不同，需要對實際的物理媒質建立不同的數學模型，以反映傳輸媒質對信號的影響。2023/2/616通信系統一般模型噪聲源是通信系統中各種設備以及信道中所固有的，不是人為加入的。噪聲的來源是多樣的，它可分為內部噪聲和外部噪聲，而且外部噪聲往往是從信道引入的。為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現而抽象加入到信道。2023/2/617通信系統一般模型接收設備完成發送設備的反變換，即進行解調、譯碼、解碼等。它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始基帶信號來，對于多路復用信號，還包括解除多路復用，實現正確分路。信宿是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復原的原始信號轉換成相應的消息。

2023/2/618消息、信息和信號（重點）1.通信的目的

傳遞消息中包含的信息。本課程主要研究傳輸。2.消息、信息、消息和信號的定義與區別

是指信源所產生的信息的物理表現。例如：語音、文字、圖形、圖像等。消息必須轉換成電信號（簡稱信號），才能在通信系統中傳輸。2023/2/619消息、信息和信號4.信息

是指消息中所包含的對受信者有意義的內容（或有效內容）。不同形式表現（漢字、符號、圖形等）的消息，可以載有相同的信息。3.信號

是指消息的物理載體，是傳輸消息的手段。可分為模擬信號和數字信號。2023/2/620消息、信息和信號消息消息的狀態連續消息是指消息的狀態連續變化或是不可數的，如語音、活動圖片等離散消息指消息的狀態是可數的或離散的，如符號、數據等。

消息的傳遞是通過它的物質載體——

電信號來實現的，即把消息寄托在電信號的某一參量上（如連續波的幅度、頻率或相位；脈沖波的幅度、寬度或位置）。hello2023/2/621消息、信息和信號信號信號參量的取值方式模擬信號：信號參量的取值是連續的或取無窮多個值，且直接與消息相對應的信號。如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。時域離散信號：信號參量的取值是連續的或取無窮多個值，但時間上是離散的。數字信號：凡信號參量只能取有限個值，并且常常不直接與消息相對應的信號。如電報信號、計算機輸入/輸出信號等。2023/2/622消息、信息和信號tf(t)0tf(t)0時間離散、參量連續時間連續、參量連續f(t)t0時間離散、參量離散抽樣量化2023/2/623通信系統一般模型信號信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號模擬通信系統：利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。數字通信系統：利用數字信號來傳遞信息的通信系統。模擬通信系統2023/2/624數字通信系統模型信源發送端接收端信道編碼調制信道壓縮編碼解調信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼2023/2/6251.信源：將消息轉換為電信號的設備。信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調制發送端數字通信系統模型2023/2/626信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調制發送端數字通信系統模型2.信源編碼：降低信號的冗余，并且對信號加密，

提高數字信號的有效性及安全性。2023/2/627信道壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調制發送端數字通信系統模型3.信道編碼：增加糾錯編碼，提高傳輸的可靠性，但增加了信號的冗余。2023/2/628信源壓縮編碼保密編碼信源編碼信道編碼調制發送端4.調制：數字通信系統模型2023/2/6294.調制使編碼信號特性與信道特性相適應，以方便信號通過信道傳輸。2023/2/6305.信道

基帶信道－－可傳輸很低的頻率分量。如雙絞線。頻帶信道－－不能傳輸很低的頻率分量。如無線電波。

2023/2/6315.信道信道的影響：★信道傳輸特性對數字信號的影響。包括幅頻特性、相頻特性、頻率偏移、頻率擴展和多徑時延。★進入信道的外部加性噪聲的影響。包括起伏噪聲、脈沖干擾、人為干擾。2023/2/6326.同步

★數字通信系統中不可缺少的組成部分。

★發端、收端間需共同的時間標準－－使收端準確知道每個符號的起止時刻，實現同步接收。

★位同步（或碼元同步）、字同步2023/2/633模擬&數字通信系統模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統中傳輸，數字電話系統就是以數字方式傳輸模擬語音信號的例子。數字信號也可以在模擬通信系統中傳輸，如計算機數據可以通過模擬電話線路傳輸，但這時必須使用調制解調器（Modem）將數字基帶信號進行正弦調制，以適應模擬信道的傳輸特性。可見，模擬通信與數字通信的區別僅在于信道中傳輸的信號種類。2023/2/634模擬&數字通信系統數字通信的主要特點抗干擾能力強。差錯可控。易于與各種數字終端接口，可用現代計算技術對信號進行處理、加工、變換、存儲。易于集成化，從而使通信設備微型化。易于加密處理，且保密強度高。可對信號進行壓縮，提高信道利用率。數字通信的上述優點，都是用比模擬通信占據更寬的頻帶為代價而換取的。數字通信對同步要求高，因而系統設備比較復雜。2023/2/635通信系統分類調制方式用途連續波調制線性調制常規雙邊帶調制廣播抑制載波雙邊帶調幅立體聲廣播單邊帶調幅SSB載波通信、無線電臺、數傳殘留邊帶調幅VSB電視廣播、數傳、傳真非線性調制頻率調制FM微波中繼、衛星通信、廣播相位調制PM中間調制方式數字調制幅度鍵控ASK數據傳輸相位鍵控數據傳輸2023/2/636通信系統分類

調制方式

用途脈沖數字調制數字調制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數據傳輸、數字微波、空間通信其他高效數字調制QAM、MSK等數字微波、空間通信脈沖模擬調制脈幅調制PAM中間調制方式、遙測脈寬調制PDM(PWM)中間調制方式脈位調制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數字調制脈碼調制PCM市話、衛星、空間通信增量調制DM軍用、民用電話差分脈碼調制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數字電話2023/2/637通信系統分類頻率范圍波長符號傳輸媒質用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數據終端長距離導航、時標30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調幅廣播、移動陸地通信、業余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點軍用通信、業余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛、通信、導航2023/2/638通信系統分類頻率范圍波長符號傳輸媒質用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導分米波無線電微波接力、衛星和空間通信、雷達3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛星和空間通信、雷達30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外線、可見光、紅外線光纖激光空間傳播光通信2023/2/639通信方式按消息傳遞的方向與時間關系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信三種。

單工通信，是指消息只能單方向傳輸的工作方式。半雙工通信，是指通信雙方都能收發消息，但不能同時進行收和發的工作方式。全雙工通信，是指通信雙方可同時進行收發消息的工作方式。一般情況全雙工通信的信道必須是雙向信道。2023/2/640通信方式發送信道接收單工：廣播發送信道接收雙工：手機發送信道接收半雙工：對講機2023/2/641信號是消息的載體，而信息是其內涵。任何信源產生的輸出都是隨機的，對接收者來說，只有消息中不確定的內容才構成信息；否則，信源輸出已確切知曉，就沒有必要再傳輸它了。因此，信息含量就是對消息中這種不確定性的度量。2023/2/642信息及其度量（重點）消息、信息和信號

如何度量信息？－－首先要解決的問題。2023/2/643信息及其度量從常識的角度來感覺三條消息：①太陽從東方升起；②太陽比往日大兩倍；③太陽將從西方升起。第一條幾乎沒有帶來任何信息第二條帶來了大量信息第三條帶來的信息多于第二條第一事件是一個必然事件，人們不足為奇；第三事件幾乎不可能發生，它使人感到驚奇和意外，也就是說，它帶來更多的信息信息含量是與驚奇這一因素相關聯的，這是不確定性或不可預測性的結果。越是不可預測的事件，越會使人感到驚奇，帶來的信息越多。2023/2/644信息及其度量

根據概率論知識，事件的不確定性可用事件出現的概率來描述。

可能性越小，概率越小；反之，概率越大。

因此，消息中包含的信息量與消息發生的概率密切相關。消息出現的概率越小，消息中包含的信息量就越大。2023/2/645信息及其度量

假設P(x)是一個消息發生的概率，I是從該消息獲悉的信息量；根據前面的認知，顯然I與P(x)之間的關系反映為如下規律：（1）信息量是概率的函數，即I=f［P(x)］（2）P(x)越小，I越大；反之，I越小，且P(x)→1時，I→0

P(x)→0時，I→∞（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之和，也就是說，信息具有相加性，即I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…2023/2/646信息及其度量在信息論中，信息量I與消息出現的概率P(x)之間的關系為信息量的單位與對數底數a有關。

a=2時，信息量的單位為比特(bit)；

a=e時，信息量的單位為奈特(nat)；

a=10時，信息量的單位為哈萊(Hart)。目前廣泛使用的單位為比特。【例】設二進制離散信源，以相等的概率發送數字0或1，則信源每個輸出的信息含量為

I(0)=I(1)=log22=1(bit)2023/2/647

傳送等概率的二進制波形之一(P=1/2）的信息量為1比特。傳送等概率的四進制波形之一（P=1/4）的信息量為2比特，這時每一個四進制波形需要用2個二進制脈沖表示；傳送等概率的八進制波形之一（P=1/8）的信息量為3比特，這時至少需要3個二進制脈沖。對于離散信源，M個波形等概率（P=1/M）發送，且每一個波形的出現是獨立的，即信源是無記憶的，則傳送M進制波形之一的信息量為信息及其度量2023/2/648信息及其度量

如果是非等概情況，設離散信源是一個由n個符號組成的符號集，其中每個符號xi(i=1,2,3,…,n)出現的概率為P(xi)，且有ΣP(xi)=1,則x1,x2,…,xn

所包含的信息量分別為-log2P(x1),-log2P(x2),…,-log2P(xn